معرفی رشته فوتونیک

[parisa]

تاريخچه فوتونيك

با اختراع ليزر و پس از آن ساخت فيبر نوري حوزه شاخه اپتيك در فيزيك آنقدر گسترده گرديد و كاربردهاي آن آنقدر زياد شد كه شاخه اي جديد در علم متولد گرديد كه به فوتونيك موسوم گرديد. اين شاخه جديد در سه گرايش الكترونيك، مخابرات و فيزيك كار خود را شروع نمود.

فوتونیک​

پايه و اساس رشته فوتونیک بر روي دو مبحث الکترونيک و فتو نيک بر مي گردد و به استفاده مدارات فوتوني (مداراتي که به جاي الکترون از فوتون استفاده مي شود) در وسايل الکترونيکي مانند رادارها ، فيبرهاي نوري و ... توجه دارد. فوتونيک در ایران رشته تقريبا نوپايي است.
در اين علم آنچه نقش اساسی را بر عهده دارد بر هم کنش نور (فوتون) و ماده است در حالی که در علم الکترونيک نقش اصلی بر عهده ی برهم کنش الکترون و ماده است. لذا با توجه به اینکه فوتون از نظر بر هم کنش با ماده هزاران برتری نسبت به برهم کنش الکترون با ماده دارد هر روزه شاهد نشانه های این برتری در عرصه ی فناوری های نوين هستيم، به طوری که با رونق علم فوتونيک در اوايل دهه ی ۱۹۸۰، رفته رفته سهم علم الکترونيک در فناوری و زندگی ما کاهش می یابد. ليزر، فيبر نوري، نيمه هادي­ها و نانو فوتونيك از جمله مباحث مطرح در این رشته است.
از جمله موضوعات مطرح در این رشته می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- ساخت، توسعه و مطالعات بر روي ليزرهاي مختلف با طول موج و توان هاي متفاوت
- بکارگيري ليزرهاي ساخته شده و خريداري شده در طرح هاي مختلف.
- مطالعه و توسعه پايه اي در اپتيک کوانتومي مطالعه و توسعه فيزيک نيمه هادي در جهت مطالعه انواع ليزرهاي نيمه هادي و ساخت آنها
- مطالعه برروي آشکار سازهاي نيمه هادي
- مطالعه و ساخت فيبرنوري و بررسي کاربردهاي فيبر در جهت رفع مشکلات مخابراتي کشور
- مطالعه و پژوهش در زمينه نانوفوتونيک به منظور رسيدن به تکنولوژي قطعات ديجيتالي فوتوني و نهايتاً پردازنده هاي فوتونيکي
دروس امتحانی آزمون کارشناسی ارشد این رشته زبان عمومی و تخصصی، الکترومغناطیس، مکانیک کوانتومی، الکترونیک و فیزیک مدرن هر یک با ضریب 1 می باشد. داوطلبان این رشته بیشتر دارای مدرک کارشناسی فیزیک و بعضاًَ از رشته برق می باشند. نکته جالب توجه در آزمون این رشته، درصد پایین رتبه های برتر این رشته در درس الکترونیک است که باید مورد توجه علاقه مندان این رشته قرار گیرد زیرا همانطور که می دانید نمرات بالا در دروسی که دیگران نمره پایینی دارند تاثیر زیادی در افزایش نمره کل دارد.
دانشگاه آزاد اسلامی تاکنون در این رشته پذیرش نداشته است و پذیرش دانشگاه های دولتی نیز به این شرح است: دانشگاههای شهید بهشتی (20 نفر)، کرمان(3نفر)، علم و صنعت(6نفر)، گیلان(7نفر)، سمنان(5نفر) و مرکز علوم و تکنولوژی کرمان (6 نفر). از این تعداد 36 نفر در دوره های روزانه و 11 نفر نیز به صورت شبانه پذیرش می شوند.

 

[parisa]

فوتونيك- الكترونيك

پيشرفت روز افزون تكنولوژي و ساخت قطعات الكترونيكي كوچك و كوچكتر تا به آنجا ادامه يافته است كه امروزه پيش بيني مي شود كه در چند سال آينده ديگر نتوان قطعاتي از اين كوچكتر ساخت كه قادر به عبور جريان الكتريسيته باشند به گونه اي كه در آنها عبور يك الكترون برابر خواهد بود با برقراري جريان و عدم عبور آن يعني قطع جريان الكتريكي. اين مساله باعث شده تحليل مدارات ديگر از حوزه الكترونيك كلاسيك خارج شده و بررسي چنين سيستمي بر عهده مكانيك كوانتم نهاده شود كه داراي مشكلات خود مي باشد. اين امر باعث شده تا دانشمندان به فكر جايگزيني براي الكترون بيافتند تا مشكلات الكترون را نداشته باشد و در اولين گزينه ها فوتون يعني كوانتاي نور را جايگزيني مناسب يافتند. پس از اين پس بايد به دنبال ساخت ادواتي بود كه جاي ادوات الكترونيكي را در مدارات بگيرد و در آنها فوتون نقش اساسي را بازي كند. تحقيقاتي كه اين هدف را دنبال مي كنند در حوزه فوتونيك شاخه الكترونيك آن بررسي مي شود و بر عهده اين بخش است.

فوتونیک- فیزیک

شاخه دیگری از علم فوتونیک، فوتونیک- فیزیک است. در این شاخه نیز به مباحث بسیار زیادی از جمله روابط حاکم بر برهمکنش نور با ماده، میکروسکوپ*های روبشی، میدان نزدیک نوری و … پرداخته می شود. در این شاخه بیشتر به بررسی تحقیقاتی و علمی قطعات اپتیکی و کمتر به بخش ساخت*ای قطعات می پردازند. برای مثال کار بر روی نحوه تولید و افزایش کیفیت فیبرهای نوری، کار گرایش فیزیک رشته فتونیک است اما بکار گیری و تولید این فیبرها کار گرایش*های الکترونیک و مخابرات است.

فتونیک- مخابرات

مخابرات نوری فرمی از انتقال اطلاعات است که در آن نور واسط انتقال داده باشد. کانال چنین ارتباطی می*تواند فضای آزاد، هوا یا فیبر نوری باشد. در مخابرات فیبر نوری، نور مورد استفاده، عموماً لیزر با طول موج حدود ۱۵۰۰ نانومتر است که بسته به کاربرد، بردهای مختلفی دارد. گسترش ارتباطات و راحتی انتقال اطلاعات از طریق سیستم*های انتقال و مخابرات فیبر نوری یکی از پر اهمیت*ترین موارد مورد بحث در جهان امروز است. سرعت، دقت و تسهیل از مهم*ترین ویژگی*های مخابرات فیبر نوری است. یکی از پر اهمیت ترین موارد استفاده از مخابرات فیبر نوری، آسانی انتقال در فرستادن سیگنال*های حامل اطلاعات دیجیتالی است که قابلیت تقسیم*بندی در حوزه زمانی را دارا است. امروزه انتقال سیگنال*ها به وسیله امواج نوری به همراه تکنیک*های وابسته به انتقال، شهرت و آوازه سیستم*های انتقال ماهوارها را به شدت مورد تهدید قرار داده است. دیر زمانی ست که این مطلب که نور می تواند برای انتقال اطلاعات مورد استفاده قرار گیرد به اثبات رسیده است و بشر امروزه توانسته است که از سرعت فوق العاده آن به بهترین وجه استفاده کند. کار فتونیک گرایش مخابرات ساخت و تحقیق در مورد این گونه قطعات نوری است که در مخابرات کاربرد بسیاری دارد.

 

[parisa]

امروزه نور با روش های مختلف زندگی ما را چنان تحت تاثیر قرار داده است که تا چند دهه ی پیش حتی به ذهنمان خطور هم نمی کرد. نور در آینده نقش های مهمتری خواهد یافت. از جمله با فراهم كردن مقدمات انقلاب مخابرات فیبر نوری در جهان شرایطی جدید دركاربرد پزشکی، زيست فناوري (Biotechnology) ، حسگر هاي نوری (optical sensing) ايجاد خواهد كرد.
فناوری های کلیدی برای قرن آینده:
فوتونيك و فناوری های نوری (Photonics and Opticl technologies)
نانوتکنولوژی (Nanotechnology)
زيست فناوری (Biotechnology)
اكنون ما در آغاز دیدن ثمره ی اکتشافات علمی در سه یا چهار دهه ی اخیر هستیم. در دهه ي 1960 مطالعه ي برخي ويژگي هاي منحصر به فرد و ناشناخته ي نور به ايجاد و توسعه ی حوزه ي نويني به نام لیزر منجر شد. نور همدوس (coherent light) می تواند به روشهاي جديدي كه براي نور ناهمدوس (Incoherent light) غيرممكن است، هدایت، كانوني و منتشر شود. این ویژگی منحصر به فرد نور لیزر مخابرات فيبرنوري (fiber-optic communications) ، دیسک های فشرده (compact disks)، جراحی لیزری و دسته ای دیگر از کاربردها را ممکن ساخته است.
کاربردهای نور ناهمدوس (incoherent light) نیز به همین فراوانی است؛ سیستم های لیتوگرافی نوری (optical lithography) برای الگوسازی تراشه های کامپیوتری، میکروسکوپ هایی با قدرت تفکیک بالا (high-resolution)، اپتيك انطباقي براي پژوهش هاي ستاره شناسي كه در زمين انجام مي شود و حس گرهای امواج فروسرخ برای همه چیز:از دستگاه کنترل از راه دور گرفته تا تجهیزات دید شب ( night-vision) و حتی منبع هاي نوري با بازده بالا.
اگرچه دانش اپتيك در زندگی كنوني ما نفوذ و تاثیر بسزايی دارد، نقش اصلی و ضروري آن توانمند كردن فناوري در سيستم هاي بزرگ تر است.

 

[parisa]

[h=2]اپتيك و فناوری های نوری

اپتيك (optics) رشته ای از دانش و مهندسي فناوري ها و پدیده های فیزیکی اي است که با تولید (generation)، ارسال (transmission)، دستکاری (manipulation)، ردیابی (detection)، و بکارگیری (utilization) نور مرتبط هستند.
سه پیشرفت بزرگ که در چهل سال اخير سبب پيشرفت هايي در اين زمينه شده اند:

•اختراع لیزر
•ساخت فیبرهای نوری با اتلاف کم
•معرفی دستگاه های نیمه رسانا

بر اساس اين ابداع ها، رشته های علمی زیر بوجود آمدند:

الكترواپتيك:Electro-optics عموماً به دستگاه های نوری که در آن ها پديده هاي الکتریکی نقش ایفا
می کنند اشاره دارد. (لیزر و تعدیل کننده های Electro-optic و سوئيچ ها)

اُپتوالكترونيك (Optoelectronics): نوعاً به دستگاه هايي اطلاق می شود که ذاتاً الكترونيكي هستند ولي نور هم در آن ها به نحوي دخيل است( بعنوان مثال مي توان دستگاه های ساطع کننده ی نور و آرايه هاي حسگر را نام برد).

Quantum electronics: در دستگاه هایی که اصول كاركرد آنها به برهمکنش ميان نور و ماده مربوط است، استفاده میشود.

Quantum Optics: زمينه اي از دانش است كه ويژگي هاي همدوس بودن و كوانتمي نور را توضیح می دهد.

Lightwave technology: برای توضیح دستگاه ها و سیستم ها در ارتباط نوری استفاده می شود. ​

 

[parisa]

[h=2]تعریف فوتونیک و فناوری های نوری

واژه ي فوتونیک در طي دهه ي اخير و به خاطر شباهت با واژه ي الکترونیک ابداع شده است.
همان گونه كه ازاين واژه برمي آيد اپتيك و الكترونيك (به ويژه بخشي از الكترونيك كه به نقش مواد نيمه رسانا در سيستم هاي نوري مي پردازد) در رشته ي فوتونيك ارتباطي تنگاتنگ دارند. همان طور كه مي دانيد الکترونیک با بارهای الكتريكی و فوتونیک با فوتونها سروکار دارد.
اصطلاحات اپتیک (optics) و فوتونیک (photonics) تمايز واضحي از يكديگر ندارند.
[h=2]حوزه های پر اهمیت در آینده
اپتيك (optics) در فناوری اطلاعات و مخابرات
•انتقال اطلاعات
•پردازش اطلاعات
•ذخیره ی نوری (optical storage)
•نمايش
اپتيك در مراقبت از سلامتی و علوم زندگی
•عمل جراحی و دارو
•ابزار برای زیست
•زيست فناوري
مشاهدات نوری، روشنایی و انرژی
•حس گرهای نوری و سیستم های تصویری
•روشنایی (روشنايي حالت جامد)
•حس گرهای نوری و روشنایی در حمل و نقل
•انرژی (سلول های خورشیدی)

اپتيك برای ارتش و نظام و کاربردهای نظارتی و مراقبتی
•نظارت و مراقبت
•دید شب
•فعالیت سیستم های لیزری در جو و فضا
•سیستم های فيبرنوري
•صفحه های رادار (Displays)

​

 

[parisa]

[h=2]اپتيك (optics) در ساخت و تولید
•استفاده از نور برای كاربرد هاي صنعتی
•استفاده ی نور در علم اندازه گیری نوری (optical metrology) برای کنترل ساخت
•کاربردهای خاص صنعتی
•افزایش استفاده از اپتيك در ساخت
[h=2]فناوری اطلاعات و مخابرات
فناوری اطلاعات طی دهه ی گذشته پيشرفت فوق العاده اي داشته است. بعنوان مثال، فیبر نوری برای مخابرات در سرتاسر جهان با نرخی برابر 1000 متر در ثانیه کار گذاشته شده است. درست 10 سال قبل، فقط 10 درصد از تمام تماس های تلفنی عبورکننده از سرتاسر ایالات متحده توسط کابل های فیبر نوری حمل می شد؛ در حالي كه اكنون بيش از 90 درصد خطوط انتقالي را فيبر نوري تشكيل مي دهد. براي برآورده كردن نيازهاي رايانه ها و مخابرات در 10 تا 20 سال آينده بايستي دانش فوتونيك براي انتقال، سوئيچ كردن، ذخيره ي داده ها و...راه حل هاي خوبي ارايه كند. در بسياري از اين زمينه ها توان بالقوه ي پيشرفت چشم گيري ديده مي شود. اگرچه برخي مؤسسه ها به اين رشد فزاينده در شبكه ي مخابرات پرسرعت جهاني دست یافته اند، هنوز زيرساختارهاي لازم براي فراهم كردن امكان دسترسي افراد( مصرف كننده هاي منفرد) به اين فناوري بوجود نيامده اند.

در پزشکی اپتيك گستره ي وسيعي از درمان های نوين را در اختيار پزشكان قرار مي دهد؛ اين گستره از جراحی لیزری قلب تا تشخیص زودرس سرطان سینه و مشاهده گلوکز بدون استفاده از سوزن برای افراد مبتلا به دیابت را در بر مي گيرد. اپتيك، ابزارهای پژوهشي ي زیستی نويني را برای تصويربرداري، سنجش، تجزیه و تحلیل و دستكاري فراهم کرده است. در زيست فناوری، وجود لیزرها در سیستم های توالي يابي sequencing) DNA) ضروری است. اپتيك چنان نقش مهمي در دانش حيات و پزشكي بازي مي كند كه سازمان هايي كه به اين رشته ها مربوط هستند بايد اين پيشرفت ها را بشناسند و خود را با آن سازگار كنند.
پژوهش هايي كه در حوزه ي منابع روشنایی و سیستم های پخش نور به کاهش شديد مصرف برق منجر شده بود، اكنون به روشنایی اختصاص داده شده است. حسگرهای نوري جدید در حال افزایش دادن دید بشر، نمایش جزئیات، آشکاركردن اطلاعاتی که هرگز پیش از این مشاهده نشده بودند، هستند: دوربین های فروسرخ که تصاویر ماهواره ای از الگوهای ابرها و هوا را فراهم می كند؛ میدان دید در شب برای استفاده از عوامل اجرای قانون؛ ردیاب های حرکتی فروسرخ برای امنیت منازل، کنترل فرایند هاي صنعتی بر خط (*on-line)
دوربین های دیجیتالی با قدرت تفکیک بالا در شرف ایجاد تغییرات اساسی و کامپیوتری کردن عکاسی و چاپ هستند. احتمالاً پیشرفت در زمينه ي سلول های خورشيدي سبب خواهد شد در اواسط اين قرن نيمي از نياز انرژي در سراسر جهان توسط انرژي خورشيد فراهم شود. این پیشرفت ها بر مسئله ي انرژي و مسائل مربوط به آن در یک مقیاس بین المللی تأثیرخواهد گذاشت.
اپتيك تأثیر اقتصادی قابل توجهي در ساخت، به خصوص از ابتدای ورود لیزرهای قابل اعتماد، ارزان قیمت و سیستم تصویربرداری لیزری داشته است. امروزه حضور تکنیک های نوري در صنایع گوناگون مانند ساخت نیمه رساناها و تولید محصولات شیمیایی قطعی شده است.

 

[parisa]

[h=2]سایر کاربردها موارد زیر را شامل می شود
جوشکاری لیزری ، تولید مدل لیزری، تعمیر لیزری در صفحه هاي رادار نیمه رسانا، اعزام کاوش گر تشخیصی برای مشاهده و کنترل فرایندهای شیمیایی، علم اندازه گيري (metrology) و حتی سیستم های هدایت لیزری در ساخت تونل ها.
در محدوده ی کاربردهای نظامی، فناوری هاي نوري از اجزای ارزان قیمت تا سیستم های پیچیده و گران قيمت، در همه جا حضور دارند.
امروزه لیزرها در همه چیز، از هدف گیری و محدوده یابی تا کشتیرانی، مورد استفاده قرار میگيرند.

اپتيك رشته ای فوق العاده پویا و قوی است. کاربرد های متنوع آن ارتباطات مهمي در جامعه را باعث شده اند كه همانطور كه پيش از اين ديديم زمينه هايي مانند مخابرات، پزشكي، انرژي و كاربردهاي نظامي از جمله ي آنها هستند.

[h=2]چشم انداز آينده

پيشرفت اپتيك در آینده زندگی ما را دستخوش تغيير خواهد كرد ، آنچنان كه حتی نمي توانيم آن را تصوركنيم. تقریباً در تمام حوزه هایی که بیان کردیم، انتظار می رود که علم اپتيك موجب تغییر در جهان شود. بی شک آینده، ما را شگفت زده خواهد کرد، اما اکنون چشم انداز روشني وجود دارد: در آينده اي نه چندان دورهمهي نقاط جهان به وسيله ي شبكه ي مخابراتي پرسرعت فيبر نوري با يكديگر مرتبط خواهند شد و پيشرفتها در زمينه هاي مختلف دانش و فناوري اپتيك سبب توليد انبوه ابزارها وسيستم هاي نوري ارزان قيمت و باكيفيت بالا خواهند شد.
این منجر به رشد و پیشرفت ارتباطات پرسرعت داده های اینترنتی می شود. در مراقبت سلامتی، پیشرفت روش های نوری برای نظارت بر فرایندهای زيستس انساني تأثیر زيادی در تشخیص و درمان خواهد داشت.
بسیاری ازحوزه های تشخیصی و درمانی پزشکی ونيز پژوهشهاي زیست پزشکی (biomedical) و بالا بردن کیفیت زندگی نيز از تأثير پيشرفتهاي اپتيك به وفور بهره خواهند برد.اكنون خطر گرم شدن زمين و افزايش حجم گازهاي گلخانه اي در جو زمين بحراني جهاني بشمار مي آيد بنابراين ضروري است كه از انرژي عاقلانه تر استفاده کنیم. فناوری های بسیار کارآمد روشنايی (high efficient lighting technology) به طور چشم گيري انرژی لازم برای روشنایی را كاهش مي دهد. سلول های خورشیدی با تولید جريان الكتريكي از نور خورشید از وابستگی ما به سوخت های فسیلی خواهند كاست. در صنعت، حس گرهای نوری و تصويرگرهای فروسرخ انقلابي در کنترل فرایند ساخت و عمل آوری مواد خواهند داشت.
کارخانه ها حسگرهای نوری را به طور گسترده ای در ساخت همه چیز، از پارچه تا خودرو به کار خواهند گرفت. دوربین های دیجیتالی جایگزین فیلم عکاسی در چاپ و عکاسی خواهند شد. در صنعت الکترونیک که برای ساخت الگوهای مدار در تراشه ها به فوتولیتوگرافی وابسته است، تولید طرح هایی کوچکتر از 0.1 میکرومتر، نیاز به ابزارهای نوری دارند که از اشعه ی ایکس یا حداکثر نور فرابنفش استفاده می کنند.
اپتيك در کشف سلاح های شیمیایی و زیستی استفاده خواهد شد.
این حضور در همه جا و در آن واحد به دردسترس بودن سیستم های ارزان قیمت نوری وابسته است




نقش اپتيك در پژوهشها که به سرعت در اکثر رشته های مربوط به علم و فناوری ظاهر مي شود، در آینده تنها به تصور ما محدود خواهد شد. سیستم های پرقدرت لیزری، امکان ساخت شتاب دهنده های ذرات را که در آن ها حد انرژی ذره در آزمایش هاي فیزیک ذرات افزایش يافته است، فراهم می کند. لیزرها, اتم های منفرد را در تله هاي نوري دست كاري خواهند کرد. آزمایش هاي تداخل سنج لیزر می تواند رازهای جاذبه ی زمین را حل کند. منابع اشعه یx ابزارهای جدیدی را برای فهم دینامیک مواد فراهم خواهد کرد و ...​

 

[parisa]

[h=2]مواد امتحانی و ضرايب دانشگاه سراسری رشته فوتونیک در مقطع ارشد

زبان عمومي و تخصصي


الكترومغناطيس


مكانيك كوانتومي


الكترونيك


فيزيك مدرن


تمامی دروس بالا با ضریب 1 اعمال خواهند شد.

این رشته دارای 2 گرایش امتحانی در آزمون ارشد میباشد:

1)فوتونيك

2)الكترواپتيك



داوطلبان الكترواپتيك علاوه بر دروس فوق بايد به سوالات درس اپتيك با ضريب 1 پاسخ دهند.



*دانشگاه آزاد فاقد رشته فوق در مقطع ارشد است. ​

 

[parisa]

[h=2]منابع جهت مطالعه برای آزمون ارشد فوتونیک

​

الكترومغناطيس:

• فيزيك (جلد سوم)- ديويد،‌هاليدي- نعمت الله گلستانيان- محمود بهار- مركز نشر دانشگاهي
  [*]آشنايي با الكتروديناميك- گريفيتس، ديويد- حسين فرمان- مركز نشر دانشگاهي
  [*]مباني نظريه الكترومغناطيس- ريتس و ميلفورد- جلال صميمي- مركز نشر دانشگاهي
  [*]الكتريسيته و مغناطيس- نايفه، منير حسن- محمدرضا عابديني و محمدرضا جليليان نصرتي- صفار
  [*]الكترومغناطيس مهندسي- هيت، ويليام هارت- محمود دياني و محمد قوامي- نشر علوم دانشگاهي
  

كوانتوم:

• آشنايي با نسبيت خاص- رزنيك، رابرت- جعفر گودرزي- نشر دانشگاهي
  [*]مباني فيزيك نوين- وايدنر، ريچارد و سلز، رابرت- علي اكبر بابايي و مهدي صفا- مركز نشر دانشگاهي
  [*]فيزيك كوانتومي- گاسيوروويچ، استفان- جلال صميمي- مركز نشر دانشگاهي
  [*]
  Introduction to quantum mechanics- Griffiths، Jeffrey- Prentice Hall​
  
  
  

الكترونيك:

• مباني و كاربردهاي الكترونيك- ميلمن، جاكوب- نعمت الله گلستانيان- مبتكران
  [*]مدارهاي ميكروالكترونيك- سدرا، عامل- مجيد ملكان، هاله واحدي- نشر علوم دانشگاهي
  

فيزيك جديد:

• مباني فيزيك نوين- وايدنر، ريچارد و سلز، رابرت- علي اكبر بابايي و مهدي صفا- مركز نشر دانشگاهي
  [*]آشنايي با نسبيت خاص- رزنيك، رابرت- جعفر گودرزي- نشر دانشگاهي
  [*]فيزيك جديد- كرين، كنت- منيژه رهبر و بهرام معلمي- مركز نشر دانشگاهي