Нобелівська премія з фізики - 2009 • Ігор Іванов • Новини науки на "Елементи" • Нобелівські премії, Інформаційні технології, Фізика

Нобелівська премія з фізики – 2009

Мал. 1. Лауреати Нобелівської премії з фізики за 2009 рік Чарльз Као, Віллард Бойл і Джордж Сміт (зображення з сайту nobelprize.org)

Нобелівська премія з фізики за 2009 рік була присуджена китайцеві Чарльзу Као і американцям Уілларду Бойлу і Джорджу Сміту за дослідження в області інформаційних технологій. Као стояв біля витоків оптоволоконної технології передачі даних, а Бойл і Сміт винайшли напівпровідниковий пристрій, що дозволяє безпосередньо, минаючи фотоплівку, отримувати цифрові фотографії. Їх роботи привели до справжньої революції спочатку в прикладній науці, потім в наукомістких технологіях, а в останнє десятиліття вони міцно увійшли в наше повсякденне життя, зробивши її набагато більш комфортною. Досить уявити собі, як виглядав би мобільний телефон з плівковою, а не цифровою фотокамерою!

оптоволоконний зв'язок

Однією з технологічних революцій XIX століття стало винахід способів передачі інформації на великі відстані, як по проводах, так і без них, з допомогою радіохвиль. Спочатку здавалося, що ці два варіанти повинні повністю задовольняти всі інформаційні і комунікаційні запити людини.Однак для сучасного світу пропускна здатність цих каналів – будь то мегабіта в секунду або кількість одночасних телефонних розмов – дуже і дуже недостатня. І що найважливіше, у цій пропускної здатності є принципове обмеження, яке не можна обійти ніякими технологічними вдосконаленнями, пов'язане з повільністю процесів, що протікають в самому каналі передачі.

Розглянемо для прикладу передачу інформації по радіохвилях з частотою 100 МГц. Інформація при цьому кодується у вигляді невеликої модуляції несучої хвилі, проте ці модуляції повинні бути набагато більш повільними, ніж коливання самої хвилі, – інакше хвиля занадто сильно спотвориться, займе дуже велику смугу частот. Це означає, що в такій хвилі можна закодувати послідовність бітів, що йдуть один за одним з частотою від сили в кілька мегабіт в секунду. Тому якщо ми хочемо збільшити швидкість передачі інформації, нам неминуче доведеться збільшувати і несучу частоту електромагнітних хвиль. Саме тому фізики звернули свій погляд до світлових імпульсів. При частоті близько 1015 Гц світлові імпульси дозволяють, принаймні теоретично, передавати сотню терабіт в секунду (насправді, тут питання вже впирається в швидкість передавача і приймача сигналів).

Цікаво, що перша спроба передавати телефонна розмова за допомогою світла була реалізована Олександром Гремом Беллом ще в 1880 році, на зорі телекомунікаційних технологій. Його пристрій – фотофон – за допомогою тремтячого дзеркала конвертував звукову хвилю в модульований сонячний промінь, який передавався одержувачу прямо з відкритого повітрю. Ця схема була, очевидно, схильна до світловим шумів, сильно залежала від стану атмосфери і в будь-якому випадку дозволяла передавати сигнали лише на невелику відстань в межах прямої видимості. Для більш ефективної роботи пристрою потрібно світло провести по каналу, захищеного від зовнішніх світлових перешкод.

На допомогу тут могло б прийти оптоволокно – вміщена в захисну оболонку тонка, а тому досить гнучка скляна нитка. Такий канал проводить світло за рахунок явища повного внутрішнього відображення. Так називається ефект, при якому світло, що йде уздовж волокна і підходить до межі поділу «скло-повітря», не може вийти назовні,відбивається назад в скло, і в результаті йде уздовж волокна, слухняно слідуючи всім його вигинів.

На початку XX століття робилися спроби взяти цей ефект на озброєння для передачі світлових сигналів на великі відстані, однак тут з'ясувалася несподівана річ – скло виявилося не таким вже й прозорим матеріалом. Ви можете в цьому переконатися самостійно. Візьміть аркуш віконного скла і подивіться крізь торець уздовж скло. Ви побачите зовсім не зображення з протилежного торця, а просто товщу скла характерного зеленуватого кольору. Світло «пробивається» в товщі звичайного скла лише на метр-другий.

Відступ про одиниці виміру. Якщо волокно однорідно, то загасання сигналу (тобто загасання яскравості світлового імпульсу) йде з відстанню експоненціально. Іншими словами, те, на скільки порядків слабшає сигнал, пропорційно довжині пройденого шляху. Якщо сигнал зменшився в 10 разів в 10-метровому оптоволокне, то він зменшиться в 100 разів в 20-метровому волокні, в 1000 разів в 30-метровому і т. Д. У техніці порядки часто виражаються в децибелах: 10 дБ – це зміна на один порядок, 20 дБ – зміна на два порядки і т. д.Тому конкретна лінія передачі характеризується своїм коефіцієнтом загасання, Який виражають у дБ / м (або дБ / км). Скажімо, описана вище ситуація (падіння в 10 разів на кожні 10 метрів шляху) відповідає коефіцієнту загасання 1000 дБ / км.

Навіть в самих чистих стеклах, які виготовлялися в першій половині XX століття, світло загасав на відстані в десяток метрів, тобто коефіцієнт загасання становив близько 1000 дБ / км. Оптоволокна все ж почали застосовуватися в деяких завданнях, які не потребують великих відстаней (наприклад, в медицині при гастроскопії). Але використовувати такі оптоволокна для ефективної лінії передачі даних на великі відстані було все ще нереально. Оцінки показували, що для того, щоб оптоволокна стали ефективним комунікаційним носієм, потрібно зменшити коефіцієнт загасання хоча б в сотню раз – скажімо, до рівня 20 дБ / км. Але як цього домогтися і чи можна цього домогтися взагалі, в середині XX століття було абсолютно неясно. Ну і, крім загасання, залишалися також і інші проблеми, наприклад дисперсія світла в склі, через яку профіль світлового імпульсу спотворюється до невпізнання.

В результаті в 1950-і роки загальне ставлення фахівців до всієї цієї затії було дуже скептичним, і набагато більше оптимізму викликали інші засоби телекомунікації. Так, в 1956 році був прокладений перший телефонний трансатлантичний кабель, а через пару років почався бурхливий розвиток супутникових технологій (перший комунікаційний супутник був запущений вже в 1958 році).

Мал. 2. 1960-і роки: Чарльз Као проводить досліди з оптоволокна (зображення з сайту nobelprize.org)

У 1960-і роки Чарльз Као, молодий інженер китайського походження, тільки що захистив дисертацію в Лондонському університеті, вирішив розібратися, чому все ж не вдається домогтися необхідної прозорості скла. Разом з молодим теоретиком Г. А. Хокемом (G. A. Hockham) він уважно вивчив різноманітні оптичні процеси в склі і прийшов до висновку, що головний внесок в загасання світла вносять просто домішки в склі. Као передбачив, що якщо б вдалося ці домішки усунути, то можна було б домогтися коефіцієнта загасання в кілька дБ / км!

На той час «приспіли» також і лазери, які видавали світло, що ідеально підходить для передачі сигналів по оптоволокну.В результаті в кінці 1960-х років інтерес до цієї теми спалахнув з новою силою, і почалася справжня технологічна гонка за отриманням якомога більше чистого скла з мінімальним загасанням. Велику роль у цьому відігравав і сам Као. Він продовжував активно вивчати поширення світла в різних матеріалах і прийшов до висновку, що найкращим вибором має стати кварцове скло. Крім того, він активно пропагував ідею оптоволоконних інформаційних технологій, спілкувався як з співробітниками різних лабораторій, так і з інженерами і промисловцями.

Виготовлення високочистого кварцового скла виявилося непростим завданням через його дуже високу температуру плавлення. Проте в 1970 році вихід був знайдений групою дослідників з компанії «Corning Glass Works» (Роберт Маурер, Дональд Кек, Пітер Шульц), які навчилися вирощувати необхідні волокна за допомогою технології хімічного осадження з газової фази. У 1970 році вони добилися коефіцієнта 16 дБ / км, через два роки це значення знизилося до 4 дБ / км. П'ять років по тому перші комерційні оптоволоконні канали з'явилися в Великобританії, потім в США і Японії, а в 1988 році був прокладений трансатлантичний оптоволоконний кабель.А технологія тим часом продовжувала розвиватися (див. Рис. 3), і зараз коефіцієнт поглинання в зразках з рекордною прозорістю становить менше 0,2 дБ / км. Це навіть менше, ніж ті оцінки, які отримав Као в своїх теоретичних роботах.

Мал. 3. Еволюція прозорості скла з часом; по вертикалі відкладений коефіцієнт загасання в дБ / км, на вертикальній шкалі праворуч показано, яка частина сигналу залишається після проходження кілометрової товщі скла. Зображення з книги Fiber Optics Essentials

На закінчення цієї теми корисно поглянути також на графік залежності коефіцієнта поглинання в кварцовому склі від довжини хвилі світла (рис. 4). З нього видно, що втрати на розсіювання менше за все не в оптичній, а в інфрачервоній області спектра. Зі зменшенням довжини хвилі коефіцієнт загасання різко зростає через розсіювання світла на неоднорідностях показника заломлення середовища (релєєвськоє розсіювання). З іншого боку, в області довжин хвиль вище 1 мкм починають проявлятися сильні лінії поглинання гідроксильної групи OH, від яких не вдається позбутися в оптоволокне. В результаті мінімальне поглинання припадає на окремі «вікна прозорості» (зазвичай це 1,3 мкм і 1,55 мкм), які лежать в ближньому ІЧ-діапазоні, і саме на цих частотах і працює оптоволоконний зв'язок.

Мал. 4. Залежність коефіцієнта загасання в кварцовому оптоволокне від довжини хвилі світла (зображення з сайту www.newport.com)

Між іншим, цікаво відзначити, що саме через релєєвського розсіювання небо виглядає блакитним, а захід червоним: чим більше «червоний» – тобто довгохвильовий – світло, тим далі він проходить і тим менше розсіюється в атмосфері. Тому можна сказати, що ІЧ-діапазон був обраний для оптоволоконного зв'язку з тієї ж причини, по якій захід забарвлює небо в червоний колір.

Прилад із зарядним зв'язком

Друга половина Нобелівської премії було присуджено Уілларду Бойлу і Джорджу Сміту за винахід приладу з зарядовим зв'язком – ПЗС (по-англійськи CCD – charged-coupled device). Так називають напівпровідниковий пристрій, що дозволяє робити фотографії відразу ж в цифровому форматі: був світловий потік – і з нього відразу ж вийшов файл із зображенням. Зараз, коли цифрова фотографія стала такою звичною, втрачається відчуття того, наскільки революційним виявилося це відкриття. А адже ще кілька десятиліть тому цифрова обробка фотографічних даних, яка застосовувалася суто в наукових дослідженнях, була тривалою і багатокрокової.Зображення фіксувалося на плівку, виявлялося, друкувалося, потім сканувати, перетворювалося в файл і тільки потім оброблялося. ПЗС-матриця, яка, минаючи всі ці етапи, відразу ж давала придатне для обрахунку цифрове зображення, різко спростила і прискорила весь процес спостереження і обробки даних.

Прилад із зарядним зв'язком став можливий завдяки двом речам: дивовижному класу матеріалів, які створила природа, – напівпровідників, і кмітливості дослідників, які придумали, як в повній мірі використовувати їх властивості. Бойл і Сміт, будучи співробітниками знаменитої лабораторії Bell Labs (на рахунку якої, до речі, вже сім Нобелівських премій, але яка, незважаючи на це, вирішила в минулому році прикрити свою групу фундаментальних досліджень), отримали завдання придумати ефективний напівпровідниковий пристрій для запису і зчитування інформації, в якому інформація зберігалася б у вигляді мікроскопічних «хмарок заряду». Мета цього завдання – скласти конкуренцію іншому підрозділу тієї ж Bell Labs, в якому вже повним ходом йшла розробка елементів пам'яті на основі «магнітних бульбашок».При цьому ні про яку світлочутливості поки що не йшлося – завдання стосувалася тільки пристрої для зберігання і зчитування інформації.

У пам'ятний день 17 жовтня 1969 року Бойл і Сміт взялися за цю задачу і буквально протягом години накидали на дошці прототип необхідного пристрою з зарядовим зв'язком. Ключовим його елементом є найпростіша МОП-структура ( «Метал-оксид-напівпровідник») – слойка, що складається з металевого шару і шару напівпровідника, розділеного тонким прошарком ізолятора, зазвичай оксиду кремнію (див. Рис. 5). Напівпровідник при цьому вибирається такий, в якому головними носіями заряду не є електрони, а «дірки», тобто напівпровідник p-типу (найпростіше введення см. на сторінці Електричний струм в напівпровідниках). До металевого «п'ятачку» підходить електрод, і на нього може подаватися потрібне напруження.

Мал. 5. Схема пристрою найпростішої МОП-структури (рисунок І. Іванова)

Роль «бита» в такому пристрої повинна грати хмарка електронів. Однак зберігати його в напівпровіднику p-типу просто так не вийде: «дірки» тут же набіжать і «поглинуть» всі вільні електрони.Тому потрібно створити невелику область, в якій дірок буде дуже мало, і одночасно зробити так, щоб електрони нікуди з цієї області не розбіглися. Обидва цих вимоги задовольняються єдиним махом, якщо на металевий електрод подати позитивна напруга. Під дією возкнікшего електричного поля дірки через свого позитивного заряду підуть геть з невеликої зони, розташованої прямо під електродом, а електрони – навпаки, будуть в ній «сидіти» і нікуди не йти. Утворюється «пастка для електронів», яка і зберігає інформацію. Якщо в пастці є електрони – в осередку записана «одиничка», якщо ні – «нуль».

Втім, тут же виникає питання: а як зчитувати цю інформацію? Варто тільки «відпустити» позитивне напруга, як електронне хмарка зникне. Ось для цієї мети Бойл і Сміт і придумали новий метод передачі даних, названий зарядним зв'язком (Рис. 6).

Нехай у нас є ряд з МОП-структур – отака одномірна ПЗС-матриця. До кожної комірки пам'яті підходять електроди; крім того, є і допоміжні, які не інформаційні МОП-структури, що розділяють комірки пам'яті.При зберіганні інформації на інформаційних осередках подано потрібне напруження, а на допоміжних – немає. Потім разом на все сусідні осередки – скажімо, справа – теж подається потрібне напруження, і в результаті кожна «пастка для електронів» розширюється на два осередки. Наступним кроком напруга з вихідних осередків знімається, «пастка для електронів» знову стискається, але при цьому вона вже перемістилася на крок вправо, і всі електрони слухняно перетікають за нею. Таким чином, інформація у всіх осередках пам'яті синхронно зрушила вправо. Так триває цикл за циклом, а на виході з цієї «лінійки» коштує одне-єдине, що зчитує, яке просто сприймає приходить на нього заряд і видає звичайний цифровий електричний сигнал.

Мал. 6. Принцип роботи зарядового зв'язку в ПЗС-матриці (зображення з сайту wikipedia.org)

Для двовимірної ПЗС-матриці принцип зчитування аналогічний (див. Рис. 7). Насамперед вся матриця синхронно зсувається на один регістр вниз, потім з самої нижньої лінійки (і тільки з неї однієї) зчитується надійшла колонка бітів так, як описано вище. Після цього вся матриця знову зсувається на один регістр вниз, з нижньої лінійки знову зчитується інформація, і так далі.В результаті в дуже компактною напівпровідникової конфігурації і за допомогою одного-єдиного пристрою, детектирующего прийшов заряд, можна послідовно, рядок за рядком, вважати весь масив даних.

Мал. 7. Принцип зчитування інформації з двовимірної ПЗС-матриці (зображення сайту з ferra.ru)

До цих пір мова йшла тільки про маніпулювання осередками пам'яті і зчитуванні інформації. Однак цю інформацію зовсім не обов'язково туди записувати – вона могла виникнути там самостійно при опроміненні ПЗС-матриці світлом. Так виходить тому, що напівпровідник має ще одну унікальну властивість – світлочутливістю. Світлові фотони, потрапляючи всередину напівпровідника, породжують в ньому пари електронів і дірок. Якщо такий процес відбувається в МОП-структурі, в межах спочатку порожній «пастки для електронів», то електрони осідають в ній, а дірки йдуть геть. В результаті з плином часу в пастці накопичується заряд, приблизно пропорційний поглиненому світлового потоку. Виходить, що МОП-структура працює як світлочутливий піксель з досить великим діапазоном градацій яскравості.І якщо тепер в процесі зчитування пристрій буде не просто детектувати відсутність або наявність заряду в черговий осередку пам'яті, але і зможе виміряти накопичився заряд, то у нас і вийде справжнісіньке оптичне зображення, записаної відразу в цифровому вигляді.

Звичайно, сучасні ПЗС-матриці значно досконалішим, ніж ця найпростіша схема. Сучасна ПЗС-матриця вміє розпізнавати кольори, знає, як уникнути переповнення «пасток для електронів», та й сама вона побудована за вдосконаленою напівпровідникової технології. Деякі подробиці можна знайти в статтях Тенденції в цифровій фотографії, частина 3 і Серце цифрової камери: ПЗС-матриця.

Ну а що стосується застосувань ПЗС-матриць, то вони давно увійшли в наше життя у вигляді компактних цифрових фото- і відеокамер. Мініатюрні розміри ПЗС-матриць привели до революції і в медичному справі, оскільки різко розширили як діагностичні (наприклад, при різних варіантах ендоскопії), так і оперативні можливості лікаря. Завдяки їм розвинулася техніка мінімально інвазивної хірургії (лапароскопія). Крім того, зараз ПЗС-матриці широко використовуються не тільки для детектуванняоптичного випромінювання, але і в інших областях спектра, зокрема вони застосовуються в малодозной цифрових рентгенівських установках. На основі ПЗС функціонують вершинні детектори для реєстрації елементарних частинок, які народжуються на сучасних коллайдерах. ПЗС матриці стоять у всіх сучасних телескопах, включаючи космічні. Але почалося все саме з припущення Бойла і Сміта про те, як зберігати і послідовно передавати «хмарки електронів» в напівпровіднику.

Оригінальні статті лауреатів:
1) K. C. Kao and G. A. Hockham. Dielectric-Fibre Surface Waveguides for optical frequencies // Proc. IEEE, 113, 1151 (1966).
2) W. S. Boyle and G. E. Smith. Charge-Coupled Semiconductor Devices // Bell Systems Technical Journal, 49, 587 (1970).

джерела:

  • The Nobel Prize in Physics 2009 – офіційна інформація від нобелівського комітету.
  • Tutorial on Fiber Optics – короткий вступ в технології оптоволоконного зв'язку.
  • Історія виробництва і фізичні параметри світловодів [//nag.ru/wiki/index.php/Історія_проізводства_і_фізіческіе_параметри_световодов] – короткий екскурс в історію і технології виробництва.
  • М. П. Петров. Световолокна для оптичних ліній зв'язку // Соросівський освітній журнал, 1996, №5, стор. 101-108.
  • В.В.Шевченко, Фізичні основи сучасних ліній передач сигналів // Соросівський освітній журнал, 1997, №3, стор. 100-106.

Ігор Іванов


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

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