Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki - 2009 • Igor Ivanov • Wiadomości naukowe o "Elementach" • Nagrody Nobla, technologia informacyjna, fizyka

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki – 2009

Ryc. 1. Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2009, Charles Cao, Willard Boyle i George Smith (zdjęcie z nobelprize.org)

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2009 roku została przyznana chińskiemu Charlesowi Kao oraz Amerykanom Willardowi Beyle i George Smithowi za badania w dziedzinie technologii informacyjnej. Kao był za optycznej technologii transmisji włókna, a Boyle i Smith wynaleźli urządzenie półprzewodnikowe stanie bezpośrednio, z pominięciem filmy, uzyskać zdjęcia cyfrowe. Ich praca doprowadziła do prawdziwej rewolucji, najpierw w naukach stosowanych, potem w wysokiej technologii, aw ostatniej dekadzie stały się mocno zakorzenione w naszym codziennym życiu, czyniąc je znacznie wygodniejszym. Wystarczy wyobrazić sobie, jak wyglądałby telefon komórkowy z filmem, a nie aparatem cyfrowym!

Połączenie światłowodowe

Jedną z rewolucji technologicznych XIX wieku było wynalezienie sposobów przekazywania informacji na duże odległości, zarówno przewodowe, jak i bez nich, za pomocą fal radiowych. Na początku wydawało się, że te dwie opcje powinny w pełni zaspokoić wszystkie potrzeby informacyjne i komunikacyjne danej osoby.Jednak dla współczesnego świata przepustowość tych kanałów – czy to megabitów na sekundę, czy liczba jednoczesnych rozmów telefonicznych – jest bardzo, bardzo niewystarczająca. Co ważniejsze, ta przepustowość ma podstawowe ograniczenie, którego nie można ominąć przez jakiekolwiek ulepszenia technologiczne, ze względu na powolność procesów zachodzących w samym kanale transmisyjnym.

Rozważmy na przykład transmisję informacji za pomocą fal radiowych o częstotliwości nośnej 100 MHz. Informacja jest zakodowana jako mała modulacja fali nośnej, jednak te modulacje muszą być znacznie wolniejsze niż oscylacja samej fali – w przeciwnym razie fala będzie zbytnio zniekształcona, zajmie zbyt duże pasmo częstotliwości. Oznacza to, że w takiej fali możliwe jest kodowanie sekwencji bitów następujących po sobie z częstotliwością kilku megabitów na sekundę. Dlatego, jeśli chcemy zwiększyć prędkość transmisji informacji, nieuchronnie będziemy musieli zwiększyć częstotliwość nośną fal elektromagnetycznych. Właśnie dlatego fizycy zwrócili uwagę na impulsy świetlne. Z częstotliwością około 1015 Impulsy światła Hz pozwalają, przynajmniej teoretycznie, przesyłać sto terabitów na sekundę (w rzeczywistości tutaj pytanie już zależy od prędkości nadajnika i odbiornika sygnałów).

Co ciekawe, pierwsza próba transmisji rozmowy telefonicznej za pomocą światła została zaimplementowana przez Alexandra Grahama Bella w 1880 roku, na początku technologii telekomunikacyjnej. Jego urządzenie – fotofon – za pomocą drżącego lustra przekształciło falę dźwiękową w modulowany promień słońca, który został przekazany odbiorcy bezpośrednio przez otwarte powietrze. Schemat ten był oczywiście poddany szumowi świetlnemu, silnie uzależnionemu od stanu atmosfery i w każdym przypadku pozwolono na przesyłanie sygnałów tylko w niewielkiej odległości w linii wzroku. Aby zapewnić bardziej wydajną pracę urządzenia, światło musiało przejść przez kanał chroniony przed zewnętrznymi zakłóceniami światła.

Światłowód może tu przyjść na ratunek – cienki, umieszczony w ochronnej powłoce, a więc raczej elastycznej szklanej nici. Taki kanał przewodzi światło ze względu na zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Jest to nazwa efektu, gdy światło, które przechodzi wzdłuż włókna i zbliża się do interfejsu "szkło-powietrze", nie może wyjść,odbity z powrotem do szkła, w wyniku czego idzie wzdłuż włókna, posłusznie podążając za wszystkimi zakrętami.

Na początku XX wieku usiłowano wykorzystać ten efekt do transmisji sygnałów świetlnych na duże odległości, ale wyłoniło się tu coś nieoczekiwanego – szkło okazało się nie być tak przejrzystym materiałem. Możesz to sprawdzić samodzielnie. Weź taflę szyb i zajrzyj przez tyłek. wzdłuż szkło Zobaczysz nie obraz z przeciwnego końca, ale po prostu gruby kieliszek o charakterystycznym zielonkawym kolorze. Światło "prześlizguje się" w grubości zwykłego szkła zaledwie metr lub dwa.

Odchylenie jednostek miary. Jeśli włókno jest jednorodne, wówczas tłumienie sygnału (to jest tłumienie jasności impulsu światła) idzie wykładniczo wraz z odległością. Innymi słowy, o ile rzędów wielkości sygnał słabnie, proporcjonalnie do długości pokonanej ścieżki. Jeśli sygnał zostanie zredukowany 10-krotnie w 10-metrowym włóknie, zmniejszy się on 100-krotnie w 20-metrowym włóknie, 1000-krotnie w 30-metrowym włóknie itp. W inżynierii zamówienia są często wyrażane w decybelach: 10 dB to zmiana w jedno zamówienie, 20 dB – zmiana o dwa zamówienia itp.Dlatego konkretna linia transmisyjna charakteryzuje się współczynnik tłumieniaktóry wyraża się w dB / m (lub dB / km). Powiedzmy, sytuacja opisana powyżej (spadek 10 razy na każde 10 metrów ścieżki) odpowiada współczynnikowi tłumienia 1000 dB / km.

Nawet w najczystszych szklankach wyprodukowanych w pierwszej połowie XX wieku światło było tłumione z odległości dziesięciu metrów, czyli współczynnik tłumienia wynosił około 1000 dB / km. Jednakże włókna optyczne zaczęto stosować w niektórych zadaniach, które nie wymagają dużych odległości (na przykład w medycynie podczas gastroskopii). Jednak stosowanie takich światłowodów do wydajnej transmisji danych na duże odległości było nadal nierealne. Szacunki wykazały, że aby włókna optyczne stały się skutecznym nośnikiem komunikacji, wymagane jest zmniejszenie współczynnika tłumienia o co najmniej sto razy – powiedzmy do poziomu 20 dB / km. Ale jak to osiągnąć i czy można to w ogóle osiągnąć, w połowie XX wieku było to całkowicie niejasne. Cóż, oprócz tłumienia, pojawiły się również inne problemy, takie jak rozproszenie światła w szkle, przez co profil impulsu świetlnego został zniekształcony nie do poznania.

W rezultacie w latach pięćdziesiątych ogólny stosunek specjalistów do tego przedsięwzięcia był bardzo sceptyczny, a inne metody telekomunikacji były znacznie bardziej optymistyczne. Tak więc w 1956 r. Został położony pierwszy kabel telefoniczny transatlantycki, a kilka lat później rozpoczął się szybki rozwój technologii satelitarnej (pierwszy satelita komunikacyjny został uruchomiony w 1958 r.).

Ryc. 2 Lata 60 .: Charles Cao przeprowadza eksperymenty z włóknami światłowodowymi (zdjęcie z nobelprize.org)

W latach sześćdziesiątych Charles Cao, młody inżynier pochodzenia chińskiego, który właśnie obronił swoją pracę dyplomową na Uniwersytecie Londyńskim, postanowił dowiedzieć się, dlaczego wciąż nie jest w stanie osiągnąć wymaganej przezroczystości szkła. Wspólnie z młodym teoretykiem G. A. Hockhamem dokładnie przestudiował różne procesy optyczne w szkle i doszedł do wniosku, że główny wkład w tłumienie światła mają tylko zanieczyszczenia w szkle. Kao przewidział, że jeśli uda się wyeliminować te zanieczyszczenia, można osiągnąć współczynnik tłumienia rzędu dB / km!

Do tego czasu przybyły również "lasery", które wytworzyły światło idealne do przesyłania sygnałów przez światłowód.W rezultacie, pod koniec lat sześćdziesiątych zainteresowanie tym tematem zaczęło się zmieniać wraz z nową siłą, a prawdziwy wyścig technologiczny zaczął sprawić, że szkło było tak czyste, jak to możliwe, przy minimalnym tłumieniu. Sam Kao odegrał w tym dużą rolę. Kontynuował aktywne badanie propagacji światła w różnych materiałach i doszedł do wniosku, że najlepszym wyborem jest szkło kwarcowe. Ponadto aktywnie promował ideę światłowodowej technologii informacyjnej, komunikowanej z pracownikami różnych laboratoriów, a także z inżynierami i przemysłowcami.

Wytwarzanie szkła kwarcowego o wysokiej czystości okazało się zadaniem zniechęcającym ze względu na jego bardzo wysoką temperaturę topnienia. Niemniej jednak w 1970 r. Grupa badaczy z Corning Glass Works (Robert Maurer, Donald Keck, Peter Schulz) odkryła sposób, w jaki nauczył się wyhodować wymagane włókna za pomocą chemicznej technologii osadzania par. W 1970 r. Osiągnęli współczynnik 16 dB / km, a dwa lata później ta wartość spadła do 4 dB / km. Pięć lat później pojawiły się pierwsze komercyjne kanały światłowodowe w Wielkiej Brytanii, a następnie w USA i Japonii, aw 1988 r. Ustanowiono transatlantycki kabel światłowodowy.Tymczasem technologia nadal się rozwijała (patrz ryc. 3), a teraz współczynnik absorpcji w próbkach o rekordowej przezroczystości jest mniejszy niż 0,2 dB / km. To nawet mniej niż szacunki, które Kao otrzymał w swoich pracach teoretycznych.

Ryc. 3 Ewolucja przejrzystości szkła w czasie; pionowo Został naniesiony współczynnik tłumienia w dB / km, pionowa skala po prawej pokazuje, ile sygnału pozostaje po przejściu przez szkło o grubości jednego kilometra. Obraz z książki Essentials Fiber Optics

Podsumowując ten temat, warto przyjrzeć się również wykresowi zależności współczynnika pochłaniania w szkle kwarcowym na długości fali światła (ryc. 4). Pokazuje to, że straty rozpraszania są najmniejsze nie w optyce, ale w obszarze podczerwieni widma. Wraz ze spadkiem długości fali współczynnik tłumienia gwałtownie wzrasta z powodu rozproszenia światła na niejednorodności współczynnika załamania światła (rozpraszanie Rayleigha). Z drugiej strony, w obszarze długości fali powyżej 1 μm zaczynają pojawiać się silne linie absorpcji grupy hydroksylowej OH, których nie można wyeliminować w światłowodzie. W rezultacie minimalna absorpcja spada na pojedyncze "okna przezroczystości" (zwykle 1,3 μm i 1,55 μm), które leżą w zakresie bliskiej podczerwieni, i to właśnie na tych częstotliwościach działa połączenie światłowodowe.

Ryc. 4 Zależność współczynnika tłumienia światłowodu kwarcowego od długości fali światła (zdjęcie z www.newport.com)

Przy okazji warto zauważyć, że z powodu rozpraszania Rayleigha niebo wygląda na niebieskie, a zachód słońca jest czerwony: im bardziej "czerwony" – to jest długofalowy – światło, tym dalej przechodzi i im mniej rozprasza się w atmosferze. Dlatego można powiedzieć, że zakres podczerwieni został wybrany dla połączenia światłowodowego z tego samego powodu, dla którego zachód słońca zmienia kolor nieba na fioletowy.

Podłącz sprzężone urządzenie

Druga połowa Nagrody Nobla została przyznana Willardowi Beyle'owi i George'owi Smithowi za wynalazek ładować sprzężone urządzenie – CCD (w języku angielskim CCD – urządzenie z ładunkiem sprzężonym). Tak zwane urządzenie półprzewodnikowe, które umożliwia robienie zdjęć natychmiast w formacie cyfrowym: pojawił się strumień świetlny – i natychmiast wyłączył plik z obrazem. Teraz, kiedy fotografia cyfrowa stała się tak znana, sens tego rewolucyjnego odkrycia okazał się być stracony. Jednak kilka dekad temu cyfrowe przetwarzanie danych fotograficznych, które było wykorzystywane wyłącznie w badaniach naukowych, było długotrwałe i wieloetapowe.Obraz został zarejestrowany na filmie, zamanifestowany, wydrukowany, a następnie zeskanowany, przekształcony w plik, a dopiero potem przetworzony. CCD, który omijając wszystkie te etapy, natychmiast dał użyteczny cyfrowy obraz, znacznie uprościł i przyspieszył cały proces obserwacji i przetwarzania danych.

Urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym stało się możliwe dzięki dwóm rzeczom: niesamowitej klasie materiałów, które stworzyła natura – półprzewodnikach i gorliwości badaczy, którzy odkryli, jak w pełni wykorzystać swoje właściwości. Boyle i Smith, będący pracownikami słynnego laboratorium Bell Labs (które, nawiasem mówiąc, ma już siedem nagród Nobla, ale mimo to zdecydowały w ubiegłym roku, by pokryć swoją grupę podstawowych badań), otrzymały zadanie opracowania skutecznego urządzenia półprzewodnikowego do pisania i czytania informacje, w których informacje byłyby przechowywane w formie mikroskopijnych "chmur ładunkowych". Celem tego zadania jest konkurowanie z innym działem tych samych Laboratoriów Bella, w których rozwój elementów pamięci opartych na "pęcherzykach magnetycznych" już się rozpoczął.W tym samym czasie do tej pory nie było mowy o żadnej wrażliwości – zadanie dotyczyło jedynie urządzenia do przechowywania i czytania informacji.

W pamiętny dzień 17 października 1969 r. Boyle i Smith podjęli się tego zadania i dosłownie w ciągu godziny wyrzucili na plan prototyp wymaganego urządzenia z ładunkiem. Jego kluczowym elementem jest najprostszy Struktura MOS ("Półprzewodnik z tlenku metalu") – zaciągnięcie się składające się z warstwy metalicznej i warstwy półprzewodnikowej oddzielonych cienką warstwą izolatora, zwykle tlenku krzemu (patrz rys. 5). W tym przypadku wybierany jest półprzewodnik, w którym główne nośniki ładunku nie są elektronami, ale "otworami", czyli półprzewodnikami str-typ (najprostsze wprowadzenie, patrz strona Prąd elektryczny w półprzewodnikach). Elektroda jest odpowiednia do metalowej "łaty" i można do niej przyłożyć odpowiednie napięcie.

Ryc. 5 Schemat urządzenia najprostszej struktury MOS (ryc. I. Iwanow)

Rolę "kawałka" w takim urządzeniu powinna odgrywać chmura elektronów. Jednak przechowuj go w półprzewodniku str-type po prostu się nie sprawdza: "dziury" natychmiast biegną i "połkną" wszystkie wolne elektrony.Dlatego konieczne jest stworzenie małego regionu, w którym będzie niewiele dziur, a jednocześnie upewnienie się, że elektrony nie biegną w żadnym miejscu od tego regionu. Oba te wymagania są spełnione za jednym zamachem, jeśli dodatnie napięcie zostanie przyłożone do metalowej elektrody. Pod działaniem powstającego pola elektrycznego, ze względu na ich ładunek dodatni, otwory odejdą od niewielkiej strefy znajdującej się bezpośrednio pod elektrodą, a elektrony, przeciwnie, "usiądą" w niej i nigdzie nie pójdą. Utworzona "pułapka na elektrony", która przechowuje informacje. Jeśli w pułapce znajdują się elektrony – "jeden" jest zapisany w komórce, jeśli nie – "zero".

Natychmiast jednak pojawia się pytanie: jak odczytać tę informację? Trzeba tylko "uwolnić" dodatnie napięcie, gdy chmura elektronowa znika. W tym celu Boyle i Smith wymyślili nową metodę transferu danych sprzęganie ładunku (Rys. 6).

Załóżmy, że mamy serię struktur MOS – taką jednowymiarową matrycę CCD. Elektrody są odpowiednie dla każdej komórki pamięci; Ponadto istnieją również pomocnicze, nieinformacyjne struktury MOP oddzielające komórki pamięci.Podczas przechowywania informacji na komórkach informacyjnych, wymagane napięcie jest stosowane, ale w przypadku urządzeń pomocniczych tak nie jest. Następnie wszystkie sąsiednie komórki jednocześnie – powiedzmy po prawej – również dostarczają niezbędne napięcie, w wyniku czego każda "pułapka elektronowa" rozszerza się do dwóch komórek. Następnym krokiem jest usunięcie napięcia z komórek źródłowych, "pułapka elektronowa" jest ponownie ściskana, ale już przesunęła się o krok w prawo, a wszystkie elektrony posłusznie płyną po nim. W ten sposób informacje we wszystkich komórkach pamięci są synchronicznie przesuwane w prawo. Kontynuuje to cykl po cyklu, a przy wyjściu z tej "linii" znajduje się jedno urządzenie odczytujące, które po prostu widzi ładunek dochodzący do niego i daje normalny cyfrowy sygnał elektryczny.

Ryc. 6 Zasada działania sprzężenia ładunków w macierzy CCD (obraz z wikipedia.org)

W przypadku dwuwymiarowego CCD zasada odczytu jest podobna (patrz ryc. 7). Po pierwsze, cała macierz jest synchronicznie przesuwana w dół o jeden rejestr, a następnie odebrana kolumna bitów jest odczytywana z najniższej linijki (i tylko od niej), jak opisano powyżej. Następnie cała macierz ponownie zostaje przesunięta w dół o jeden rejestr, informacja jest ponownie odczytywana z dolnego paska i tak dalej.W rezultacie, w bardzo kompaktowej konfiguracji półprzewodnikowej i przy użyciu jednego urządzenia, które wykrywa ładunek wejściowy, można sekwencyjnie, linia po linii, odczytać całą tablicę danych.

Ryc. 7 Zasada odczytu informacji z dwuwymiarowej matrycy CCD (obraz strony z ferra.ru)

Do tej pory chodziło tylko o manipulowanie komórkami pamięci i czytanie informacji. Jednak ta informacja niekoniecznie jest tam zapisywana – może się tam pojawić sam po napromieniowaniu przez matrycę CCD światłem. Dzieje się tak, ponieważ półprzewodnik ma inną wyjątkową właściwość – światłoczułość. Światło fotonów, dostając się do półprzewodnika, generuje w nim parę elektronów i dziur. Jeśli taki proces zachodzi w strukturze MOS, w granicach początkowo pustej "pułapki elektronowej", wówczas elektrony w niej osiadają, a otwory znikają. W rezultacie z upływem czasu w pułapce gromadzi się ładunek, który jest w przybliżeniu proporcjonalny do pochłoniętego strumienia świetlnego. Okazuje się, że struktura MOS działa jak światłoczuły piksel z dość dużym zakresem gradacji jasności.A jeśli teraz w procesie odczytu urządzenie wykryje nie tylko nieobecność lub obecność ładunku w następnej komórce pamięci, ale także będzie w stanie zmierzyć nagromadzony ładunek, wówczas otrzymamy najbardziej rzeczywisty obraz optyczny nagrany bezpośrednio w postaci cyfrowej.

Oczywiście nowoczesne CCD są znacznie doskonalsze niż ten najprostszy obwód. Nowoczesna matryca CCD rozpoznaje kolory, wie, jak uniknąć przepełnienia "pułapek elektronowych" i jest zbudowana przy użyciu zaawansowanej technologii półprzewodnikowej. Niektóre szczegóły można znaleźć w artykule Trendy w fotografii cyfrowej, Część 3 i Serce aparatu cyfrowego: CCD.

Jeśli chodzi o użycie matryc CCD, od dawna wkraczają one w nasze życie w postaci kompaktowych aparatów cyfrowych i kamkorderów. Zminiaturyzowane wymiary matryc CCD doprowadziły do ​​rewolucji w dziedzinie medycyny, ponieważ radykalnie rozszerzyły zarówno diagnostykę (np. Z różnymi rodzajami endoskopii), jak i możliwości operacyjne lekarza. Dzięki nim rozwinęła się minimalnie inwazyjna technika operacyjna (laparoskopia). Ponadto obecnie tablice CCD są szeroko stosowane nie tylko do wykrywaniapromieniowanie optyczne, ale także w innych regionach widma, w szczególności są stosowane w cyfrowych urządzeniach rentgenowskich o niskiej dawce. Detektory Vertex działają na podstawie CCD do wykrywania cząstek elementarnych produkowanych w nowoczesnych zderzakach. Macierze CCD znajdują się we wszystkich nowoczesnych teleskopach, w tym w przestrzeni kosmicznej. Wszystko zaczęło się od założenia Boyle'a i Smitha o tym, jak przechowywać i konsekwentnie transmitować "chmurę elektronów" w półprzewodniku.

Oryginalne artykuły laureatów:
1) K. C. Kao i G. A. Hockham. Falowody powierzchniowe z włóknami przewodzącymi dla częstotliwości optycznych // Proc. IEEE, 113, 1151 (1966).
2) W. S. Boyle i G. E. Smith. Sprzężone urządzenia półprzewodnikowe // Dziennik techniczny Bell Systems, 49, 587 (1970).

Źródła:

  • Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki 2009 – oficjalne informacje od Komitetu Noblowskiego.
  • Samouczek dotyczący światłowodów to krótkie wprowadzenie do technologii światłowodowej.
  • Historia produkcji i parametry fizyczne przewodników świetlnych [//nag.ru/wiki/index.php/History_production_and_physical_parameters_ of light guides] – krótki wgląd w historię i technologię produkcji.
  • M.P.Prov. Światłowody do optycznych linii komunikacyjnych // Soros Educational Journal, 1996, nr 5, str. 101-108.
  • VV Szewczenko, Fizyczne podstawy nowoczesnych linii przesyłu sygnału Soros Educational Journal1997, nr 3, str. 100-106.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: