Nobelova nagrada za fiziku - 2009 • Igor Ivanov • Znanstvena vijest o "Elementima" • Nobelove nagrade, informacijske tehnologije, fiziku

Nobelova nagrada za fiziku – 2009

Sl. 1. Nobelovu nagradu za fiziku za 2009. godinu, Charles Cao, Willard Boyle i George Smith (image from nobelprize.org)

Nobelovu nagradu u fizici 2009. godine dodijeljena je kineskom Charlesu Kaou i Amerikancima Willardu Beyleu i Georgeu Smithu za istraživanja na području informacijske tehnologije. Kao je bio u podrijetlu tehnologije prijenosa podataka o optičkoj optici, a Boyle i Smith izmislili su poluvodičku napravu koja vam omogućuje izravno zaobilaženje filma kako biste dobili digitalne fotografije. Njihov rad doveo je do stvarne revolucije, najprije u primijenjenoj znanosti, a zatim u visokoj tehnologiji, a posljednjih deset godina postali su čvrsto utemeljeni u našem svakodnevnom životu, što ga čini ugodnijim. Dovoljno je zamisliti kako bi izgledao mobilni telefon s filmom, a ne digitalnom kamerom!

Optička veza

Jedno od tehnoloških revolucija XIX. Stoljeća bilo je pronalazak načina prijenosa informacija na velike udaljenosti, kako žicom tako i bez njih, korištenjem radio valova. U početku se činilo da ove dvije mogućnosti u potpunosti moraju zadovoljiti sve informacije i komunikacijske potrebe neke osobe.Međutim, za suvremeni svijet širina pojasa ovih kanala – bilo megabita u sekundi ili broj istovremenih telefonskih razgovora – vrlo je nedovoljna. I što je najvažnije, ta širina pojasa ima temeljno ograničenje koje se ne može zaobići nikakvim tehnološkim poboljšanjima zbog usporenosti procesa koji se pojavljuju u samom kanalu prijenosa.

Razmislite, primjerice, o prijenosu podataka preko radio valova s ​​frekvencijom nosača od 100 MHz. Informacija je kodirana kao mala modulacija nosača vala, međutim, ove modulacije moraju biti mnogo sporije nego oscilacija samog vala – inače će val biti previše iskrivljen, to će prevelik frekvencijski pojas. To znači da je u takvom valu moguće kodirati slijed bita koji slijede jedan drugoga frekvencijom od nekoliko megabita u sekundi. Stoga, ako želimo povećati brzinu prijenosa informacija, neizbježno ćemo povećati frekvenciju nosača elektromagnetskih valova. Zato su fizičari okrenuli pozornost na svjetlosne impulse. Uz učestalost od oko 1015 Hz svjetlosni impulsi dopuštaju, barem teoretski, da prenose sto terabita u sekundi (u stvari, ovdje pitanje već počiva na brzini odašiljača i prijemnika signala).

Zanimljivo je da je prvi pokušaj prenošenja telefonskog razgovora pomoću svjetla implementirao Alexander Graham Bell 1880. godine, u zoru telekomunikacijske tehnologije. Njegov uređaj – fotophone – uz pomoć drhtavog zrcala pretvorio je zvučni val u moduliranu sunčanu zraku, koja je izravno prenesena primatelju kroz otvoreni zrak. Ova je shema očito bila podložna svjetlosnoj boji, snažno ovisna o stanju atmosfere i u svakom slučaju je dopušteno prenositi signale samo malu udaljenost unutar vidokruga. Za učinkovitiji rad uređaja, svjetlost je trebala proći kroz kanal zaštićen od vanjskih svjetlosnih smetnji.

Optička optika bi mogla doći do spašavanja ovdje – tanka, smještena u zaštitnu omotač i stoga prilično fleksibilna staklena nit. Takav kanal provodi svjetlost zbog fenomena ukupne unutarnje refleksije. Ovo je naziv učinka kada svjetlo koje ide uz vlakno i koje se približava sučelju "staklo-zrak" ne može izaći,odražava se natrag u staklo i kao rezultat prolazi vlaknima, poslušno slijedi sve svoje zavoje.

Početkom 20. stoljeća pokušali su se primjenjivati ​​ovaj utjecaj za prijenos svjetlosnih signala na velike udaljenosti, ali ovdje je došlo do pojave neočekivane stvari – staklo je pokazalo da nije takav transparentan materijal. To možete sami potvrditi. Uzmi list prozorskog stakla i pogledaj kroz stražnjicu. uz stakla. Nećete vidjeti sliku s suprotnog kraja, već jednostavno gusta čaša karakteristične zelenkaste boje. Svjetlo "probija" kroz debljinu običnog stakla samo metar ili dva.

Odstupanje mjernih jedinica. Ako je vlakno ujednačeno, tada prigušenje signala (tj. Prigušenje svjetline svjetlosnog impulsa) eksponencijalno ide s udaljenosti. Drugim riječima, dakle, koliko redova veličine signal slabi, proporcionalno duljini puta koji je putovao. Ako se signal smanjuje 10 puta u vlaknima od 10 metara, smanjit će se 100 puta u vlaknima od 20 metara, 1000 puta u vlaknima od 30 metara itd. U inženjeringu se nalozi često izražavaju u decibelima: 10 dB je promjena jedna narudžba, 20 dB – promjena po dvije narudžbe itd.Stoga, određena prijenosna linija karakterizira njena koeficijent prigušenjakoji se izražava u dB / m (ili dB / km). Recimo, gore opisana situacija (pad 10 puta za svakih 10 metara staze) odgovara prigušnom faktoru od 1000 dB / km.

Čak i na najčistijim naočalama proizvedenim u prvoj polovici 20. stoljeća, svjetlo je prigušeno na udaljenosti od deset metara, tj. Koeficijent prigušenja bio je oko 1000 dB / km. Optička vlakna su ipak počela koristiti u nekim zadatcima koji ne zahtijevaju velike udaljenosti (na primjer, u medicini tijekom gastroskopije). Ali upotrebom takvih optičkih vlakana za učinkovit prijenos podataka na velikim udaljenostima i dalje je nerealno. Procjene pokazuju da, kako bi optička vlakna postala učinkoviti komunikacijski nosač, potrebno je smanjiti koeficijent prigušenja najmanje stotinu puta – na primjer, na razinu od 20 dB / km. Ali kako to postići, i da li se to uopće može postići, sredinom 20. stoljeća bilo je sasvim nejasno. Pa, osim slabljenja, bilo je i drugih problema, kao što je raspršivanje svjetla u staklu, zbog čega je profil svjetlosnog impulsa iskrivljen bez prepoznavanja.

Kao rezultat toga, šezdesetih godina prošlog stoljeća, generalni stav stručnjaka prema cijelom pothvatu bio je vrlo skeptičan, a ostale metode telekomunikacija bile su mnogo optimističnije. Tako je 1956. godine bio postavljen prvi telefonski transatlantski kabel, a nekoliko godina kasnije započeo je brz razvoj satelitske tehnologije (prvi satelit za komunikaciju pokrenut je 1958.).

Sl. 2. 1960: Charles Cao provodi eksperimente s optičkim vlaknima (slika od nobelprize.org)

Šezdesetih godina prošlog stoljeća Charles Cao, mladi inženjer kineskog podrijetla koji je upravo obranio tezu na Sveučilištu u Londonu, odlučio je otkriti zašto još nije mogao postići potrebnu transparentnost stakla. Zajedno s mladim teoretičarom G. A. Hockhamom, pažljivo je proučavao različite optičke procese u staklu i zaključio da glavni doprinos smanjenju svjetlosti postiže jednostavno nečistoće u staklu. Kao je predvidio da ako se one nečistoće mogu ukloniti, tada se može postići prigušni faktor od nekoliko dB / km!

Do tada su stigli i "laseri", koji su stvorili svjetlo koje je idealno za prijenos signala preko vlakana.Kao rezultat toga, krajem šezdesetih godina, interes za ovu temu rasplamsao je novom snagom, a prava tehnološka trka počela je dobiti čašu što je moguće čišće uz minimalno prigušenje. Kao on je imao veliku ulogu u tome. Nastavio je aktivno proučavati propagaciju svjetlosti u raznim materijalima i došao do zaključka da kvarcno staklo treba biti najbolji izbor. Osim toga, aktivno je promicao ideju svjetlovodne informacijske tehnologije, komunicirajući sa zaposlenicima različitih laboratorija, kao i inženjerima i industrijalcima.

Izrađivanje visoko čistoće kvarcnog stakla pokazalo se zastrašujućim zadatkom zbog svoje vrlo visoke točke taljenja. Ipak, 1970. godine otkrila je izlaz iz skupine istraživača iz Corning Glass Works (Robert Maurer, Donald Keck, Peter Schulz) koji su naučili kako razviti potrebna vlakna pomoću tehnologije kemijske taloženja pare. Godine 1970. postigli su omjer od 16 dB / km, dvije godine kasnije ta je vrijednost pala na 4 dB / km. Pet godina kasnije, prvi komercijalni svjetlovodni kanali pojavili su se u Velikoj Britaniji, zatim u SAD-u i Japanu, a 1988. položen je transatlantski svjetlovodni kabel.U međuvremenu se tehnologija nastavlja razvijati (vidi sliku 3), a sada je koeficijent apsorpcije kod uzoraka s transparentnom zabilježenjem manji od 0,2 dB / km. To je čak i manje od procjena koje je Kao primio u svojim teorijskim radovima.

Sl. 3. Evolucija prozirnosti stakla tijekom vremena; vertikala Prikazan je koeficijent prigušenja u dB / km, vertikalna ljestvica s desne strane pokazuje koliko signal ostaje nakon prolaska stakla dugačkog kilometra. Slika iz knjige Fiber Optics Essentials

U zaključku ove teme korisno je pogledati i graf ovisnosti koeficijenta apsorpcije u kvarcnom staklu na valnoj duljini svjetlosti (Slika 4). Pokazuje da su gubici raspršivanja najmanji svi u optičkom, ali u infracrvenom području spektra. Kako se valna duljina smanjuje, koeficijent prigušenja se naglo povećava zbog raspršenja svjetlosti na nejednakosti indeksa loma u mediju (Rayleigh scattering). S druge strane, u regiji valne duljine iznad 1 um, počinju se očitovati jaki apsorpcijski vodovi hidroksilne skupine OH, koji se ne mogu eliminirati u optičkim vlaknima. Kao posljedica toga, minimalna apsorpcija pada na pojedinačne "prozirne prozore" (obično 1,3 μm i 1,55 μm), koje se nalaze u bliskom infracrvenom području, a na tim se frekvencijama radi o optičkom spoju.

Sl. 4. Ovisnost koeficijenta prigušenja u kvarcnim optičkim vlaknima na valnoj duljini svjetlosti (slika iz www.newport.com)

Usput, zanimljivo je napomenuti da je zbog Rayleighova raspršenja da nebo izgleda plavo i da je zalazak sunca crven: to je više "crveno" – to jest, dugo valno svjetlo, što dalje prolazi i manje se raspršuje u atmosferi. Stoga se može reći da je infracrveni raspon odabran za svjetlovodnu vezu iz istog razloga što zalazak sunca boje nebo ljubičasto.

Uređaj za punjenje

Druga polovica Nobelove nagrade dodijeljena je Willardu Beyleu i Georgeu Smithu za izum napunjenog spojenog uređaja – CCD (na engleskom jeziku CCD – uređaj s napunjenim naponom). Tzv. Poluvodički uređaj, koji vam omogućuje snimanje fotografija u digitalnom formatu: bilo je svjetlosnog toka – i odmah se ispostavilo datoteka s slikom. Sada kada je digitalna fotografija postala tako poznata, osjećaj kako se ovo otkriće pokazalo izgubljenim. Prije nekoliko desetljeća, digitalna obrada fotografskih podataka, koja je korištena isključivo u znanstvenim istraživanjima, bila je duga i višestruka.Slika je zabilježena na filmu, očitovana, tiskana, a zatim skenirana, pretvorena u datoteku i tek tada obrađena. CCD, koji je, zaobilazeći sve ove faze, odmah dao korisnu digitalnu sliku, uvelike pojednostavio i ubrzao cijeli proces promatranja i obrade podataka.

Uređaj povezan s nabojem postao je moguć zbog dvije stvari: nevjerojatne klase materijala koje je stvorila priroda – poluvodiča i oduševljenja istraživača koji su shvatili kako u potpunosti iskoristiti njihova svojstva. Boyle i Smith bili su zaposlenici poznatog laboratorija Bell Labs (koji, usput rečeno, već ima sedam Nobelovih nagrada, ali koji su, unatoč tome, prošle godine odlučili pokriti svoju skupinu temeljnih istraživanja), dobili su zadatak da se napravi učinkoviti poluvodički uređaj za pisanje i čitanje informacije u kojima će podaci biti pohranjeni u obliku mikroskopskih "oblačnih naplataka". Svrha ovog zadatka je da se natječe s drugom podjelom istih Bell Labs-a, u kojima je razvoj memorije na temelju "magnetskih mjehurića" bio u punom zamahu.U isto vrijeme, do sada nije bilo riječi o ikakvoj osjetljivosti – zadatak je bio samo uređaj za pohranu i čitanje informacija.

Na nezaboravan dan 17. listopada 1969. Boyle i Smith preuzeli su taj zadatak i doslovno su za jedan sat bacali prototip potrebnog uređaja s nabojom na ploču. Njegov ključni element je najjednostavniji MOS struktura ("Metalni oksidni poluvodički") – puf koji se sastoji od metalnog sloja i poluvodičkog sloja razdvojenog tankim slojem izolata, obično silicijevog oksida (vidi sliku 5). U ovom slučaju izabran je poluvodič u kojem glavni nosači naboja nisu elektroni, već "rupe", tj. Poluvodiči p(za najjednostavniji uvod, vidi stranicu Električna struja u poluvodičima). Elektronska je metoda pogodna za metalni "patch", a potrebni napon se može primijeniti na njega.

Sl. 5. Dijagram uređaja najjednostavnijeg MOS strukture (slika I. Ivanov)

Ulogu "bita" u takvom uređaju treba igrati oblak elektrona. Međutim, pohranite je u poluvodič ptip jednostavno ne radi: "rupe" odmah trče i "progutaju" sve slobodne elektrone.Stoga je potrebno stvoriti malu regiju u kojoj će biti vrlo malo rupa, a istodobno se pobrinuti da se elektroni ne pokreću nigdje iz ove regije. Oba se zahtjeva zadovoljavaju u jednom slučaju ako se na metalnu elektrodu primjenjuje pozitivni napon. Pod djelovanjem električnog polja, zbog svoje pozitivne napunjenosti, rupice će se odmaknuti od male zone smještene neposredno ispod elektrode, a elektroni, naprotiv, "sjedit će" u njemu i neće ići nigdje. Formirana "zamka za elektrone", koja pohranjuje informacije. Ako postoje elektroni u zamci – "jedan" je napisan u ćeliji, ako ne – "nula".

Međutim, odmah se postavlja pitanje: kako čitati ove informacije? Jedan od njih mora "osloboditi" pozitivan napon, jer elektronički oblak nestaje. U tu svrhu Boyle i Smith su došli do novog načina prijenosa podataka koji se zove povezivanje (Slika 6).

Pretpostavimo da imamo niz MOS struktura – takvih jednodimenzionalnih CCD matrica. Elektrode su pogodne za svaku memorijsku ćeliju; Osim toga, tu su i pomoćne, ne-informativne MOP strukture koje odvajaju memorijske ćelije.Pri pohranjivanju podataka o informacijskim ćelijama primjenjuje se potreban napon, ali na pomoćnim uređajima nije. Zatim sve susjedne ćelije odjednom – recimo, desno – također opskrbljuju potrebnim naponom, a kao rezultat toga, svaki "elektroni zamka" se širi u dvije ćelije. Sljedeći korak je da uklonite napon iz izvornih ćelija, "zamka elektrona" ponovno se komprimira, ali već je pomaknula korak udesno, a svi elektroni poslušno prate nakon njega. Tako su podaci u svim memorijskim stanicama sinkrono pomaknuli desno. Ovaj ciklus se nastavlja po ciklusu, a na izlazu iz ove "linije" nalazi se jedan uređaj za čitanje koji jednostavno primjećuje naboj koji dolazi do nje i proizvodi normalan digitalni električni signal.

Sl. 6. Načelo rada povezivanja naboja u CCD matrici (slika iz wikipedia.org)

Za dvodimenzionalni CCD, princip čitanja je sličan (vidi sliku 7). Prije svega, cijela matrica se sinkronizira prema dolje po jednom registru, tada se primljeni stupac bitova očitava od najnižeg vladara (i samo od nje) kako je gore opisano. Nakon toga, cijela se matrica opet prenosi prema jednom registru, informacije se ponovno čitaju s donje trake i tako dalje.Kao rezultat, u vrlo kompaktnoj konfiguraciji poluvodiča i korištenjem jednog uređaja koji detektira dolaznu naplatu, možete redom, redom, čitati cijeli niz podataka.

Sl. 7. Načelo čitanja informacija iz dvodimenzionalnog CCD matrice (slika web stranice iz ferra.ru)

Do sada je riječ samo o manipuliranju memorijskim ćelijama i čitanju informacija. Međutim, ove informacije nisu nužno zabilježene tamo – može se pojaviti tamo sam kada je zračen s CCD nizom svjetlom. To se događa jer poluvodič ima drugu jedinstvenu osobinu – fotosenzitivnost. Svjetlosni fotoni, koji dolaze unutar poluvodiča, generiraju u njemu par elektrona i rupa. Ako se takav proces odvija u MOS strukturi, unutar granica početno praznih "elektronskih zamki", tada se elektroni smještaju u njega, a rupe odlaze. Kao rezultat toga, tijekom vremena se nakuplja naboj u zamku, što je približno proporcionalno apsorbiranom svjetlosnom toku. Ispada da MOS struktura radi kao fotoosjetljivi piksel s prilično velikim rasponom gradacija svjetline.A ako sada u procesu čitanja uređaja neće samo otkriti odsutnost ili prisutnost napunjenosti u sljedećoj memorijskoj ćeliji, već će moći mjeriti akumulirani naboj, tada ćemo dobiti najrealniju optičku sliku snimljenu izravno u digitalnom obliku.

Naravno, moderni CCD-ovi su puno savršeniji od ovog najjednostavnijeg sklopa. Moderni CCD niz prepoznaje boje, zna kako izbjeći prelijevajuće "elektroničke zamke" i izgrađen je pomoću napredne poluvodičke tehnologije. Neki detalji mogu se naći u članku Trendovi u digitalnoj fotografiji, 3. dio i Srce digitalnog fotoaparata: CCD.

Što se tiče korištenja CCD matrica, oni su dugo ušli u naše živote u obliku kompaktnih digitalnih fotoaparata i kamkordera. Minijaturne dimenzije CCD-a dovele su do revolucije u medicinskom području, jer su dramatično proširile dijagnostiku (na primjer, s različitim tipovima endoskopije) i operativnim sposobnostima liječnika. Zahvaljujući njima, razvila se minimalno invazivna kirurška tehnika (laparoskopija). Osim toga, sada su CCD polja naširoko korišteni ne samo za otkrivanjeoptičko zračenje, ali također i na drugim područjima spektra, posebno se koriste u digitalnim rendgenskim instalacijama s niskim dozama. Vertex detektori rade na osnovi CCD-a za detekciju elementarnih čestica proizvedenih na modernim sudarima. CCD matrice su u svim modernim teleskopima, uključujući i prostor. Ali sve je počelo s pretpostavkom Boylea i Smitha o tome kako pohraniti i dosljedno prenijeti »oblak elektrona« u poluvodiču.

Izvorni članci laureata:
1) K. C. Kao i G. A. Hockham. Valovodi za površinske dielektrične svjetiljke za optičke frekvencije // Proc. IEEE, 113, 1151 (1966).
2) W. S. Boyle i G. E. Smith. Poluvodički uređaji s napajanjem // Bell Systems tehnički dnevnik, 49, 587 (1970).

izvori:

  • Nobelova nagrada u fizici 2009. – službeni podaci Nobelovog odbora.
  • Vodič o svjetlovodnom sustavu kratak je uvod u svjetlovodnu tehnologiju.
  • Povijest proizvodnje i fizički parametri svjetlosnih vodiča [//nag.ru/wiki/index.php/History_production_and_physical_parameters_ of light guide] – kratki uvid u povijest i tehnologiju proizvodnje.
  • MP Petrov. Optička vlakna za optičke komunikacijske linije // Soros Educational Journal, 1996, No. 5, pp. 101-108.
  • VV Shevchenko, Fizičke baze moderne linije prijenosa signala // Soros Educational Journal, 1997, br. 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: :???: :?: :!: