کتاب ادوات نانوفتونیک مجتمع

درباره ی کتاب
کتاب حاضر با عنوان طراحی ادوات نانوفوتونیک مجتمع بصورت روان و ملموس نوشته شده است که با مبانی و انواع تکنیک های مدولاسیون فتونیکی شروع شده و در ادامه روش های معمول ساخت مدارات مجتمع نانوفوتونیک را ارائه می کند. در دو فصل آخر امواج پلاسمونیک سطح و نانوذره و پلاسمون پلاریتون ها معرفی شده و انواع کاربردهای این سیگنال ها از جمله نانو آنتن ها و سنسورهای نوری را بصورت دقیق بررسی نموده است. این کتاب برای دانشجویان تحصیلات تکمیلی و محققان عزیز در زمینه ی رشته نوظهور نانوفناوری مفید و مؤثر تشخیص داده شده و توصیه می شود.
مقدمه‌ی مترجمین
نانوفوتونیك یك زمینه‌ی در حال توسعه و پرکاربرد با دو زمینه‌ی جذاب است: تصویربرداری و ساخت ادواتی برای حسگری و انتقال اطلاعات. به وسیله‌ی نانوفوتونیك میتوان به دانش و فناوری ادوات با ابعاد زیر میكرون (كمتر از صد نانومتر) و ادواتی برای اندرکنش با فوتون‌ها رجوع كرد. اصول توسعه یافته در زمینه‌ی نانوفوتونیك تاثیرات گسترده‌ای در هر دو بخش خدمات عمومی و صنعتی دارند. همچنین، دارای كاربردهای بالقوه‌ای از جمله محاسبات سریعتر و عینك‌های هوشمند تا كاربردهای پزشكی، ایمنی و امنیت ملی است. پیشرفت‌های اخیر در زمینه‌ی نانوتكنولوژی امكان تحقق ادوات فوتونیكیای را فراهم ساخته كه قبلا به صورت تئوریك مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته‌اند. در زمینه‌ی تواناییهای محاسباتی، پیشرفت‌هایی تحقق یافته که طراحی دقیق چنین ادواتی را قبل از به كار گیری فرآیند ساخت موجود فراهم میآورند. با تنوع بسیار زیاد این زمینه، فعالیت تحقیقاتی بین رشته‌ای توسط دانشمندانی از رشته‌های فیزیك، متالوژی، مهندسی الكترو اپتیك، مهندسی فرآیند و بیو فیزیك به سرعت در حال ظهور و گسترش است.
یكی از زمینه‌های مورد علاقه‌ی نانوفوتونیك به تحقق نانوادوات با مدولاسیون فوتونیكی و سنسورها مربوط میشود. تلاش برای مجتمع‌سازی ادوات دینامیك فوتونیكی با مدارات میكروالكترونیكی یك گرایش مهم علمی و صنعتی است، چرا كه در حال حاضر پردازش عمدتا به وسیله‌ی تراشه های میكروالكترونیكی و انتقال اطلاعات برای مسافت‌های طولانی از طریق لینك‌های اپتیكی انجام میشوند. علاوه بر آن پردازش فوتونیكی میتواند مشكلات متعدد تولید شده در تراشه‌های میكروالكترونیكی فشرده را به ویژه در حوزه‌ی فركانس‌های بالا حل كند. چنین مشكلاتی شامل تلف توان، مشكلات تداخل و غیره میشوند. این كتاب پیشرفت‌های اخیر در طراحی، ساخت و آزمایش مدارات مدولاسیون فوتونیكی مجتمع را ارائه خواهد كرد. به دلیل جهش اخیر در توسعه‌ی توانمندی‌های ساخت نانوتكنولوژی، زمینه‌ی ادوات میكروفوتونیك و نانوفوتونیك در طی چند سال اخیر به طور چشمگیری تغییر یافته است.
این كتاب كه به عنوان منبعی جامع در اختیار فارغ‌التحصیلان مقطع كارشناسی و نیز دانشجویان تحصیلات تکمیلی و همچنین محققان صنعت و دانشگاه قرار گرفته است، یك دید جامع و گسترده و بروز شده‌ای از تكنولوژیهای مدولاسیون فوتونیكی مدرن را ارائه میكند. این كتاب با ارائه‌ی پیش‌زمینه‌ی تئوریكی، اصول فیزیكی مورد نیاز این زمینه‌ی نوظهور شروع می شود که بخش‌های پیش زمینه‌ی تئوریكی میتوانند به عنوان یك منبع مقدماتی برای دانشجویان كارشناسی در موضوعات نور غیر خطی، موجبری و نیمه‌هادیها استفاده شوند.
در اینجا لازم است از خانواده‌های محترم خویش خصوصا خانم لیلا نبوی آزاد بناب كه در طول ترجمه‌ی این كتاب ما را بصورت بیدریغ حمایت کردند، صمیمانه قدردانی و تشكر نماییم.
همچنین از مسئولین انتشارات فدك ایساتیس، علی الخصوص جناب آقای مجیدرضا زروئی مدیر انتشارات و آقایان کرمی تشكر و سپاسگزاری مینمائیم.
در پایان از كلیه‌ی دانشجویان، محققین و اساتیدی كه این كتاب را مورد مطالعه قرار میدهند تقاضا میكنیم ما را از نظرات و پیشنهاد‌های سازنده‌ی خود در خصوص تصحیح مشكلات تایپی و مربوط به متن كتاب محروم نساخته و اطلاع رسانی نمایند، تا در تجدید چاپ مورد استفاده قرار گیرد که پیشاپیش از نظر لطف آنها تقدیر و تشکر می‌نماید.

karim.abbasian@gmail.com
مقدمه
وقت برای نوشتن یك نامه‌ی كوتاه برای شما نداشتم، بنابراین نامه‌ی بلندی را نوشتم.
[مارك تواین]
نانو فوتونیك یك رشته‌ی جدید و مهیج در حال توسعه با دو زمینه‌ی اصلی تصویربرداری/بینائی و ادوات حسگر و انتقال اطلاعات است. به وسیله‌ی نانوفوتونیك معمولا به علم و ادوات درگیر با ساختارهای با ابعاد زیرمیكرون (به ویژه كمتر از 100 نانومتر) كه با فوتونها اندرکنش میكنند، اشاره می‌کنند. رشته‌های تحصیلی توسعه یافته در زمینه‌ی نانوفوتونیك دارای اثرات گسترده در دو حوزه‌ی خصوصی و عمومی با كاربردهای بالقوه از توان محاسباتی سریعتر و عینك‌های هوشمند گرفته تا ایمنی و امنیت ملی و كاربردهای پزشكی هستند. پیشرفت‌های اخیر در حوزه‌ی نانو تكنولوژی، تحقق اصول فوتونیكی و ادواتی، كه قبلا تنها به صورت تئوریكی میتوانستند بررسی شوند، را ممكن میسازد. پیشرفتها در قابلیت‌های محاسباتی، اجازه‌ی طراحی دقیق چنین ادواتی قبل از به كارگیری فرآیند ساخت موجود را میدهند. تنوع این حوزه بسیار گسترده است به طوری كه، بصور تسریع، یك فعالیت تحقیقاتی چند رشته‌ای شامل فیزیك، علم مواد، مهندسی الكترو- اپتیك، مهندسی فرآیند و بیوفیزیك در حال ظهور است.
یكی از حوزه‌های اصلی و مطلوب رشته‌ی نانوفوتونیك مربوط به تحقق نانوادوات مجتمع برای مدولاسیون فوتونیكی و سنسورها است. به جهت این واقعیت كه در حال حاضر، پردازش اطلاعات اساسا به وسیله‌ی تراشه‌های میكرو الكترونیك و انتقال اطلاعات، به ویژه برای مسافت‌های طولانی، از طریق لینك‌های اپتیكی انجام میگیرند، تلاش برای مجتمع‌سازی ادوات دینامیك فوتونیكی با مدارهای میكروالكترونیك یك گرایش عمده علمی و همچنین صنعتی میشود. علاوه برآن، پردازش فوتونیكی قادر است تنگناهای متعدد تولید شده در تراشه‌های میكروالكترونیكی فشرده را به ویژه در فركانس‌های بالا رفع كند. چنین تنگناهایی شامل مشكلات اتلاف توان، تداخل صدا و غیره میشوند. این كتاب، پیشرفت‌های اخیر در طراحی، ساخت و آزمایش مدارات مدولاسیون فوتونیك مجتمع را ارائه خواهد كرد. به جهت جهش اخیر در توسعه‌ی قابلیت‌های ساخت نانو تكنولوژی، حوزه‌ی ادوات میكروفوتونیك و نانو فوتونیك مجتمع در طی چند سال اخیر به صورت چشمگیری تغییر یافته است.
در این كتاب، كه هدف آن دانشجویان تحصیلات تکمیلی در علوم دقیق و همچنین محققا صنعتی و آكادمیک است، دورنمای مدرن گسترده و جامعی از تكنیك‌های مدولاسیون فوتونیكی موجود، كه شامل روش‌های شناخته شده‌ی متعدد اخیرا توسعه یافته هستند، را ارائه میكند. این كتاب با ارائه‌ی پیش‌زمینه‌ی تئوریكی اصول فیزیكی، مورد نیاز برای دنبال كردن مفاهیم تكنیكی این رشته‌ی نوظهور، شروع میشود. این فصل‌های مربوط به پیش‌زمینه‌ی تئوریكی میتوانند به عنوان مطالب مقدماتی دوره‌های لیسانس با عناوین اپتیك غیرخطی، موجبر نوری و نیمه هادیها مورد استفاده قرار گیرند.
مولفان تمایل دارند از دانشجویان و همچنین همكاران تحقیقاتی كه در به دست آوردن بعضی ازنتایج تحقیق این كتاب نقش داشته‌اند، سپاسگزاری كنند. به ویژه تقدیر و تشكر مخصوص ازآقای آركادی رادنیتسكی، دكترافر لیمون، دكترلوكا باسینارو، دكترآناماریا جراردینو، دكتردن كوجوك، دكتر آوراهام چلی، پروفسور مناخیم ناتان، آقای اصف شهمون وآقای یوعد آبراهام، خانم سوفیا بوهبات، پروفسور مایكل روزنبلو، پروفسور اری زابان، خانم آلینا كارابچویسكی، خانم الگا كراسنیكف، خانم میری گیلبار، آقای آتف شلبنی، آقای آمیت لاهاو، آقای اونرسفرانی، آقای شاهار مور، آقای افیرآهارون وپروفسور مارك آسلندر نموده‌اند.
در آخر مولفان ازخانواده‌های خود به خاطر حمایت آنان در طول آماده‌سازی این كتاب كمال تشكر را دارند. به ویژه، زیو زالوسكی از همسر خود آنات و بچه‌های خوب و پرشور خود، از، دوریت و گیدن و همچنین ابراهیم عبدالحلیم از همسرش فاتین و پسرانش هیشام وادهم برای حمایت و بردباری آنان تقدیر میكنند.
فهرست مطالب

فصل 1 پیش‌‌زمینه‌ی فیزیكی 1
1.1 مقدمه‌ای برای نور غیرخطی 2
1.2 اصول بنیادی نیمه هادیها 36
1.3 مقدمه‌ای بر موجبرهای فوتونیكی 63
فصل 2 فیزیك مدولاسیون نوری 71
2.1 مدولاتورهای مگنتو-اپتیكی 72
2.2 مدولاتورهای الكترو-اپتیكی 73
2.3 كریستال‌های مایع 75
2.4 جذب الكتریكی نور 81
2.5 نور غیرخطی 82
2.6 اثرات برولویین و رامان 85
2.7 اثر پلاسما در سیلیكون 86
2.8 مروری بر ادوات فوتونیكی 86
فصل 3 مدارات مدلاسیون فوتونیك سیلیكونی 101
3.1 مرور كلی 102
3.2 ادوات مخصوص 111
فصل 4 روش‌های ساخت ادوات مجتمع 129
4.1 روش‌های تشكیل تصویر 130
4.2 روش‌های انتقال الگو به سطح 137
4.3 كاربردهای نانو فتونیك و نانو تكنولوژیها 144
فصل 5 طرح‌های غیرمتعارف مدولاسیون 149
5.1 روش‌های اپتو- الكترونیك هیبریدی 150
5.2 روش‌ تمام نوری براساس اثر پاشیدگی پلاسما 164
5.3 مدولاسیون بر مبنای تله‌اندازی ذره 174
5.4 میكروگیت منطقی مجتمع تمام اپتیكی 201
5.5 ادوات فوتونیكی انتخاب كننده‌ی طیفی و قطبشی براساس نانو میله‌های دیالكتریك 207
فصل 6 امواج پلاسمونیك 119
6.1 مقدمه 220
6.2 پدیده‌ی SPR 222
6.3 كاربردهای پلاسمونیكها 256
6.4 جهت‌گیری تحقیقات در آینده 288
فصل 7 سیال‌شناسی نوری 305
7.1 مقدمه 306
7.2 مكانیك میكروسیال و نانوسیال 309
7.3 ملاحظات ساخت 312
7.4 خلاصه‌ای از كاربردهای سیال‌شناسی نوری 314