Nobelio premija fizikoje - 2009 • Igoris Ivanovas • Mokslo naujienos apie "Elementus" • Nobelio premijos, informacinės technologijos, fizika

Nobelio premija fizikoje – 2009

Pav. 1. Nobelio premija už fiziką 2009 m., Charles Cao, Willard Boyle ir George Smith (vaizdas iš nobelprize.org)

2009 m. Nobelio premija už fiziką buvo apdovanota Kinijos Charleso Kao ir amerikiečių Willard Beyle bei George Smithu už informacinių technologijų srities tyrimus. "Kao" buvo šviesolaidinės duomenų perdavimo technologijos pagrindas, o "Boyle" ir "Smith" išrado puslaidininkinį įtaisą, kuris leidžia tiesiogiai, apeinant filmą, gauti skaitmenines nuotraukas. Jų darbas sukėlė tikrą revoliuciją, pirmiausia taikomąjį mokslą, tada aukštųjų technologijų srityje, o per pastarąjį dešimtmetį jie tapo tvirtai įsitvirtinę mūsų kasdieniame gyvenime, todėl tai daug patogiau. Pakanka įsivaizduoti, koks atrodytų mobilusis telefonas su filme, o ne skaitmenine kamera!

Skaidulinis optinis prijungimas

Viena iš XIX a. Technologinių revoliucijų buvo išradimas būdų, kaip perduoti informaciją dideliais atstumais, tiek laidų, tiek be jų, naudojant radijo bangas. Iš pradžių atrodė, kad šios dvi galimybės turėtų visiškai patenkinti visus asmens informacijos ir komunikacijos poreikius.Tačiau šiuolaikiniame pasaulyje šių kanalų pralaidumas – ar megabaitų per sekundę, ar tuo pačiu metu telefoninių pokalbių skaičius – labai ir labai nepakankamas. Ir svarbiausia, kad ši pralaidumo riba yra esminis apribojimas, kurio negalima apeiti dėl bet kokių technologinių patobulinimų dėl patikslinto perdavimo kanalo procesų lėtumo.

Apsvarstykite, pavyzdžiui, informacijos perdavimas radijo bangomis, kurių nešlio dažnis yra 100 MHz. Informacija yra užkoduota kaip nedidelė nešiklio bangos moduliacija, tačiau šios moduliacijos turi būti daug lėtesnės nei pačios bangos svyravimai – kitaip banga bus iškraipyta per daug, o per daug didelės dažnių juostos. Tai reiškia, kad tokioje bangoje galima koduoti bitų seką vienas po kito, dažniausiai keletą megabitų per sekundę. Todėl, jei norime padidinti informacijos perdavimo spartą, neišvengiamai turėsime padidinti elektromagnetinių bangų nešlio dažnį. Štai kodėl fizikai atkreipė dėmesį į šviesos impulsus. Su dažnumu maždaug 1015 Hz šviesos impulsai leidžia teoriškai perduoti šimtą terbitus per sekundę (iš tikrųjų čia klausimas jau priklauso nuo siųstuvo ir signalų imtuvo greičio).

Įdomu tai, kad pirmasis bandymas perduoti telefono pokalbį naudojant šviesą buvo įgyvendintas Aleksandro Grahamo Bello 1880 m., Telekomunikacijų technologijų aušros. Jo prietaisas – fotokamera – su drebėjančio veidrodžio pagalba pavertė garso bangą į moduliuotą saulės spindulį, kuris buvo perduotas gavėjui tiesiogiai per lauką. Akivaizdu, kad ši schema buvo sąlyčio su šviesos triukšmu, stipriai priklausė nuo atmosferos būklės ir bet kuriuo atveju leido perduoti signalus tik nedideliu atstumu akiratyje. Norint efektyviau valdyti įrenginį, šviesa turėjo praeiti pro kanalą, apsaugotą nuo išorinių šviesos trukdžių.

Šviesolaidinė optika čia galėjo atsigauti – plona, ​​dedama į apsauginę apvalkalą, taigi ir gana lanksčią stiklo siūlą. Toks kanalas sukelia šviesą dėl viso vidaus atspindžio fenomeno. Tai yra efekto pavadinimas, kai šviesa, kuri eina palei pluoštą ir artėja prie "stiklo-oro" sąsajos, negali išeiti,atspindėtą atgal į stiklą, o dėl to eina kartu su pluoštu, paklusniai seka visus savo posūkius.

XX a. Pradžioje buvo siekiama, kad šis efektas būtų naudojamas šviesos signalams perduoti dideliais atstumais, tačiau čia pasirodė netikėtas dalykas – stiklas pasirodė esantis ne toks skaidrus medžiaga. Tai galite patikrinti patys. Paimkite lango stiklo lapą ir pažiūrėkite per užpakalį. kartu stiklas Jūs pamatysite ne iš priešingos pusės esantį vaizdą, bet tiesiog storą stiklą būdingos žalsvos spalvos. Šviesa "pertraukia" per paprasto stiklo storį tik metrui ar du.

Matavimo vienetų nuokrypis. Jei pluoštas yra vienodas, signalo silpninimas (ty šviesos impulso šviesumo silpnėjimas) eina eksponentiškai su atstumu. Kitaip tariant, tada, kiek signalų signalas silpnėja, proporcingai keliaujančio kelio ilgiui. Jei 10 metrų pluošto signalas 10 kartų sumažinamas, jis mažės 100 kartų 20 metrų pluošte, 1000 kartų per 30 metrų pluoštą ir tt Inžinerijos atveju užsakymai dažnai išreiškiami decibelais: 10 dB – tai pokytis vienas užsakymas, 20 dB – pakeitimas dviem užsakymais ir ttTodėl tam tikra perdavimo linija yra būdinga jos slopinimo koeficientaskuris yra išreikštas dB / m (arba dB / km) Tarkime, pirmiau aprašyta situacija (10 kartų sumažėjimas kas 10 metrų kelio) atitinka 1000 dB / km slopinimo koeficientą.

Net ir švariausiuose stiklinėse, kurios buvo pagamintos pirmojoje XX a. Pusėje, šviesa buvo susilpninta dešimties metrų atstumu, ty silpnėjimo koeficientas buvo apie 1000 dB / km. Nepaisant to, optiniai pluoštai pradėjo naudoti kai kurioms užduotims, kurioms nereikia didelių atstumų (pvz., Medicinoje gastroskopijos metu). Tačiau tokio optinio pluošto naudojimas efektyviam duomenų perdavimui dideliais atstumais vis tiek buvo nerealus. Įvertinimai parodė, kad norint, kad optiniai skaidulai taptų veiksmingu komunikacijos laikmena, reikia mažinti silpninimo koeficientą bent šimtą kartų, tarkim, iki 20 dB / km. Tačiau kaip tai pasiekti ir ar apskritai galima pasiekti, XX a. Viduryje jis buvo visiškai neaiškus. Na, be silpninimo, atsirado ir kitų problemų, tokių kaip stiklo sklaidos šviesa, dėl kurios šviesos impulsas buvo iškraipytas nepažymėti.

Dėl to, 1950-aisiais, bendras specialistų požiūris į šią visą įmonę buvo labai skeptiškas, o kiti telekomunikacijų būdai buvo daug optimistiškesni. Taigi, 1956 m. Buvo įkurtas pirmasis telefono transatlantinis kabelis, o po poros metų prasidėjo sparti palydovinės technologijos plėtra (pirmasis ryšių palydovas buvo paleistas 1958 m.).

Pav. 2 1960-tieji metai: Charles Cao atlieka eksperimentus su optiniais pluoštais (vaizdas iš nobelprize.org)

1960-aisiais, jaunasis Kinijos kilmės inžinierius Charlesas Cao, kuris ką tik gynė savo disertaciją Londono universitete, nusprendė išsiaiškinti, kodėl jis vis tiek negalėjo pasiekti būtino stiklo skaidrumo. Kartu su jaunuoju teoretiku G. A. Hockemu jis atidžiai ištyrė įvairius stiklo optinius procesus ir priėjo prie išvados, kad pagrindinį įnašą į šviesos silpninimą daro tiesiog stiklo priemaišos. Kao prognozavo, kad jei būtų galima pašalinti šias priemaišas, gali būti pasiektas kelis dB / km slopinimo koeficientas!

Iki to laiko atvyko "lazeriai", kurie pagamino šviesą, kuri puikiai tinka signalams perduoti iš optinio pluošto.Dėl to, praėjusio amžiaus šeštojo dešimtmečio pabaigoje susidomėjimas šia tema prasidėjo nauja jėga, o realios technologinės lenktynės pradėjo gauti stiklą kaip galima švaresnę, su minimaliu silpnėjimu. Kao pats atliko svarbų vaidmenį. Jis toliau aktyviai studijavo šviesos sklaidą įvairiose medžiagose ir priėjo prie išvados, kad geriausia pasirinkti kvarcinį stiklą. Be to, jis aktyviai propagavo optinio pluošto informacinių technologijų idėją, bendravo su įvairių laboratorijų darbuotojais, taip pat inžinieriais ir pramonės atstovais.

Didesnis grynumo kvarcinis stiklas pasirodė esąs nelengvas darbas dėl labai aukšto lydymosi temperatūros. Nepaisant to, 1970 m. "Corning Glass Works" (Robert Maurer, Donald Keck, Peter Schulz) tyrinėtojai rastų išeitį, kurie sužinojo, kaip išgauti reikalingus pluoštus cheminiu garų nusodinimo technologija. 1970 m. Jie pasiekė 16 dB / km santykį, o po dvejų metų ši vertė sumažėjo iki 4 dB / km. Po penkerių metų Jungtinėje Karalystėje pasirodė pirmieji komerciniai skaidulinės optikos kanalai, tada JAV ir Japonijoje, o 1988 m. Buvo įkurtas transatlantinis skaidulinis optinis kabelis.Tuo tarpu technologija toliau vystėsi (žr. 3 pav.), O mėginių su įrašų skaidrumu absorbcijos koeficientas yra mažesnis nei 0,2 dB / km. Tai yra dar mažesnė nei sąmatos, kurias Kao gavo savo teoriniuose straipsniuose.

Pav. 3 Stiklo skaidrumo evoliucija laikui bėgant; vertikaliai Grafikuojamas silpnėjimo koeficientas, dB / km, o vertikali skalė dešinėje rodo, kiek signalo lieka praeinant kilometro storio stiklo. Vaizdas iš knygos "Fiber Optics Essentials"

Pasibaigus šiai temai, naudinga pažvelgti į sugerties koeficiento priklausomybės nuo kvarco stiklo priklausomybę nuo šviesos bangos ilgio (4 pav.). Tai rodo, kad mažesni negu optinio, bet infraraudonojo spektro regiono spinduliavimo nuostoliai. Kai bangos ilgis mažėja, silpnėjimo koeficientas smarkiai padidėja dėl šviesos sklaidos į vidutinio lūžio rodiklio (Rayleigh išsisklaidymo) nehomogeniškumą. Kita vertus, bangos ilgio srityje, viršijančioje 1 μm, hidroksilo grupės OH stiprios absorbcijos linijos pradeda pasireikšti, kurių negalima pašalinti šviesolaidyje. Todėl minimali sugertis patenka į atskirus "skaidrumo langus" (dažniausiai 1,3 μm ir 1,55 μm), esančius artimiausioje infraraudonųjų spindulių plote, ir tokiu dažniu veikia optinio pluošto jungtis.

Pav. 4 Kvantinės šviesolaidžio silpninimo koeficiento priklausomybė nuo šviesos bangos ilgio (vaizdas iš www.newport.com)

Beje, įdomu pažymėti, kad dėl to, kad Rayleigh išsisklaidė, danga atrodo mėlyna, o saulėlydis yra raudonas: kuo daugiau "raudonos" – tai yra ilgos bangos šviesa, tuo daugiau jis praeina ir tuo mažiau jis skleidžia atmosferą. Todėl galima sakyti, kad infraraudonųjų spindulių diapazonas buvo pasirinktas optinio pluošto jungimui dėl tos pačios priežasties, kad saulėlydžio spalvos dangus purpurinė.

Įkrauti sujungtą įrenginį

Antroji Nobelio premijos dalis buvo skirta Willard Beyle ir George Smith už išradimą mokestis sujungtas įrenginys – CCD (anglų kalba CCD – įkrautas įtaisas). Tai vadinamas puslaidininkiniu įtaisu, kuris leidžia fotografuoti iš karto skaitmeniniu formatu: buvo šviesos srautas – ir iš karto pasirodė failas su paveikslėliu. Dabar, kai skaitmeninė fotografija tapo tokia pažangi, prasme, kaip revoliucinis šio atradimo pasirodė prarastas. Tačiau prieš kelis dešimtmečius skaitmeninis fotografinių duomenų apdorojimas, kuris buvo naudojamas tik moksliniams tyrimams, buvo ilgas ir daugiasluoksnis.Vaizdas buvo įrašytas filme, pasirodė, atspausdintas, tada nuskaitomas, paverčiamas failu ir tik tada apdorojamas. CCD, kuris, aplenkiant visus šiuos etapus, nedelsdamas suteikė naudingo skaitmeninio vaizdo, labai supaprastino ir pagreitino visą stebėjimo ir duomenų apdorojimo procesą.

Įkrovos sujungtas įrenginys tapo įmanomas dėl dviejų dalykų: nuostabios medžiagos, kurią gamta sukūrė gamta, – puslaidininkiai, ir mokslininkų, kurie išsiaiškino, kaip visiškai išnaudoti jų savybes, pasitenkinimas. Boyle ir Smith, kurie yra garsios "Bell Labs" laboratorijos darbuotojai (kurie, beje, jau turi septynis Nobelio premijas, bet kurie, nepaisant to, praėjusiais metais nusprendė padengti savo pagrindinių tyrimų grupę), buvo įpareigoti parengti veiksmingą puslaidininkių rašymo ir skaitymo prietaisą informacija, kurioje informacija būtų saugoma kaip mikroskopiniai "debesys". Šios užduoties tikslas – konkuruoti su kitu "Bell Labs" padaliniu, kuriame "magnetinių burbulų" pagrindu sukurtų atminties elementų kūrimas jau buvo visapusiškas.Tuo pačiu metu iki šiol nebuvo kalbėta apie bet kokį jautrumą – užduotis buvo susijusi tik su informacijos saugojimo ir skaitymo įtaisu.

1969 m. Spalio 17 d. Įsimintinoje dienoje Boyle ir Smith pradėjo šią užduotį ir per valandą iškart išmetė reikiamą įkrovos sujungtą prietaisą prototipą ant lentos. Jo pagrindinis elementas yra paprasčiausias MOS struktūra ("Metalo oksido puslaidininkis") – derva, susidedanti iš metalinio sluoksnio ir puslaidininkio sluoksnio, atskirto plonu izoliacinio sluoksnio, paprastai silicio oksido (žr. 5 pav.). Šiuo atveju pasirenkamas puslaidininkis, kuriame pagrindiniai įkrovikliai yra ne elektronai, o "skylės", ty puslaidininkiai pTipas (paprastam įvedimui žr. puslaidininkių elektros srovę). Elektrodas tinka metalo "pleistrui", ir jam gali būti reikalinga įtampa.

Pav. 5 Paprastos MOS struktūros įrenginio diagrama (I. Ivanovo paveikslas)

"Šiek tiek" tokio prietaiso vaidmenį turėtų atlikti elektronų debesis. Tačiau laikykite jį puslaidininkiu ptipo neveikia: "skylės" tuoj pat paleisti ir "nuryti" visus laisvus elektronus.Todėl reikia sukurti nedidelį regioną, kuriame bus labai mažai skylių, ir tuo pačiu metu įsitikinkite, kad elektronai neveikia iš šio regiono. Abu šie reikalavimai yra patenkinti vienu smūgiu, jei į metalinį elektrodą yra įdėta teigiama įtampa. Atsižvelgiant į susidariusio elektrinio lauko veikimą, dėl jų teigiamo krūvio skylės nukryps nuo mažos zonos, esančios tiesiai po elektrodu, o elektronai, priešingai, "sėsies" į ją ir niekur neišsiskiria. Sukurta "elektronų spąstai", kurioje saugoma informacija. Jei spąstuose yra elektronų, lange parašyta "viena", o jei ne – "nulis".

Tačiau iš karto kyla klausimas: kaip perskaityti šią informaciją? Vienintelis dalykas yra tik "paleisti" teigiamą įtampą, nes elektronų debesėlis išnyksta. Būtent šiuo tikslu Boyle ir Smith paragino naują duomenų perdavimo metodą įkrovimo jungtis (6 pav.).

Tarkime, mes turime daugybę MOS struktūrų – tokios vienkartinės CCD matricos. Elektrodai tinka kiekvienai atminties lizdei; Be to, yra ir pagalbinių, neinformatyvių MOP struktūrų, atskiriančių atminties ląsteles.Kai saugoma informacija apie informacijos ląsteles, naudojama reikalinga įtampa, tačiau pagalbinėms – ne. Tada visos kaimyninės ląstelės tuo pačiu metu, tarkim, dešinėje, taip pat tiekia reikiamą įtampą, todėl kiekviena "elektroninė spąstai" išplečiama į dvi ląsteles. Kitas žingsnis yra pašalinti įtampą iš šaltinio ląstelių, "elektronų spąstai" dar kartą suspaudžiami, tačiau jis jau sukėlė žingsnį į dešinę ir po to visi elektronai paklusniai patenka į jį. Taigi, informacija visose atminties ląstelėse sinchroniškai perkelta į dešinę. Tai tęsiasi ciklu pagal ciklas, o prie šios "linijos" išėjimo yra vienas skaitymo įrenginys, kuris tiesiog suvokia priskirtą įkrovą ir sukuria įprastą skaitmeninį elektros signalą.

Pav. 6 Įkrovos sukabinimo į CCD matricą veikimo principas (vaizdas iš wikipedia.org)

Dviašonio CCD skaitymo principas yra panašus (žr. 7 pav.). Visų pirma, visa matrica sinchroniškai perkelta į vieną registrą, tada gautas stulpelis bitų yra skaitomas iš žemiausio valdiklio (ir tik iš jo), kaip aprašyta aukščiau. Po to visą matricą vėl pakeičia vienas registras, informacija yra skaitoma iš apatinės juostos ir pan.Todėl labai kompaktiškoje puslaidininkių konfigūracijoje ir naudojant vieną įrenginį, kuris aptinka įeinantįjį įkrovimą, galite nuosekliai, eiliškai skaityti visą duomenų masyvą.

Pav. 7 Duomenų informacijos iš dvimačio CCD matricos (svetainės vaizdas iš ferra.ru) principas.

Iki šiol kalbama tik apie manipuliavimą atminties ląstelėmis ir informacijos skaitymą. Tačiau ši informacija nebūtinai yra įrašoma ten – tai gali kilti ten aš pats kai apšvitina CCD masyvas su šviesa. Taip atsitinka, nes puslaidininkiui yra dar vienas unikalus turtas – šviesos jautrumas. Šviesos fotonai, patenkantys į puslaidininkių viduje, generuoja jame porą elektronų ir skylių. Jei toks procesas vyksta MOS struktūroje, iš pradžių tuščios "elektroninės spąstos" ribose, elektronai įsikurs jame, o skylės išnyks. Kaip rezultatas, laikui bėgant spąstų kaupiklis kaupiasi, kuris yra maždaug proporcingas absorbuotam šviesos srautui. Pasirodo, kad MOS struktūra veikia kaip šviesai jautrus pikselis su gana dideliu ryškumo laipsnių spektru.Ir jei dabar skaitymo metu įrenginys ne tik aptiks užkrovos nebuvimą ar buvimą kitoje atminties ląstelėje, bet ir sugebės išmatuoti sukauptą įkrovą, tada mes gausime labiausiai tikruosius optinius vaizdus, ​​įrašytus tiesiogiai skaitmenine forma.

Žinoma, modernios CCD yra daug tobulesnės nei ši paprasčiausia grandinė. Modernus CCD jutiklis gali atpažinti spalvas, žino, kaip išvengti perpildytų "elektroninių spąstų", ir jis pagamintas naudojant pažangias puslaidininkių technologijas. Kai kurias detales galite rasti straipsnyje "Skaitmeninės fotografijos tendencijos", 3 dalis ir "Skaitmeninės kameros širdis": CCD.

Kalbant apie CCD matricų naudojimą, jie jau ilgą laiką pateko į mūsų gyvenimą kompaktiškų skaitmeninių fotoaparatų ir vaizdo kamerų pavidalu. Miniatiūriniai CCD matmenys sukėlė medicinos srities revoliuciją, nes jie dramatiškai išplėtė tiek diagnozę (pvz., Naudojant skirtingų tipų endoskopiją), tiek ir gydytojo operatyvines galimybes. Jų dėka išsivystė minimaliai invazinė operacijos technika (laparoskopija). Be to, dabar CCD matricos plačiai naudojamos ne tik aptiktioptinė spinduliuotė, bet ir kituose spektro regionuose, ypač jie naudojami mažose dozėse esančių skaitmeninių rentgeno įrenginių. "Vertex" detektoriai veikia CCD pagrindu, siekiant aptikti elementarių dalelių, sukurtų šiuolaikiniuose koladiniuose. CCD matricos yra visuose modernaus teleskopuose, įskaitant erdvę. Bet visa tai prasidėjo nuo Boyle'o ir Smito prielaidos, kaip laikyti ir nuosekliai perduoti "elektronų debesį" puslaidininkyje.

Originalūs laureatų straipsniai:
1) K. C. Kao ir G. A. Hockham. Dielektrinių pluoštų paviršiaus bangolaidžiai optiniams dažniams // Proc. IEEE, 113, 1151 (1966).
2) W. S. Boyle ir G. E. Smith. Su mokesčiais susiję puslaidininkiniai įtaisai / Bell Systems techninis leidinys, 49, 587 (1970).

Šaltiniai:

  • Nobelio premija už fiziką 2009 m. – oficiali Nobelio komiteto informacija.
  • Mokomoji medžiaga apie optinio pluošto technologiją yra trumpas įvadas į optinio pluošto technologiją.
  • Gamybos istorija ir fizinių parametrų pluoštų [//nag.ru/wiki/index.php/Istoriya_proizvodstva_i_fizicheskie_parametry_svetovodov] – trumpas istorijos ir technologijų srityje.
  • M.P. Petrovas. Optiniai skaidulai optinėms ryšio linijoms // Soros Educational Journal, 1996, No. 5, pp. 101-108.
  • V. V. Шевченко, Modernių signalų perdavimo linijų fiziniai bazės // Soros Educational Journal, 1997, No. 3, pp. 100-106.

Igoris Ivanovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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