Nobel-díj a fizikában - 2009 • Igor Ivanov • Tudományos hírek a "Elemekről" • Nobel-díjak, informatika, fizika

Nobel-díj a fizikában – 2009

Ábra. 1. Nobel-díj a fizikában 2009-ben, Charles Cao, Willard Boyle és George Smith (image from nobelprize.org)

A 2009-es Nobel-díjat a kínai Charles Kao és az amerikai Willard Beyle és George Smith díjazták az informatika területén. Kao volt a száloptikás adatátviteli technológia eredete, és Boyle és Smith feltalálta a félvezető eszközt, amely lehetővé teszi, hogy közvetlenül, a film megkerülése révén digitális fényképeket készítsen. Munkájuk valódi forradalmat eredményezett, először az alkalmazott tudományban, majd a csúcstechnológiában, és az elmúlt évtizedben mindennapi életünkben határozottan megalapozódott, ami sokkal kényelmesebbé tette. Elég elképzelni, milyen lenne egy mobiltelefon egy filmnél, nem pedig egy digitális fényképezőgépen!

Száloptikai kapcsolat

A XIX. Század egyik technológiai forradalma az volt, hogy megteremtse a módját az információ továbbítására nagy távolságra, akár vezeték nélkül, akár nélkülük, rádióhullámok használatával. Eleinte úgy tűnt, hogy ez a két lehetőség teljes mértékben kielégíti az ember minden információs és kommunikációs igényét.A modern világban azonban ezeknek a csatornáknak a sávszélessége – akár a megabit másodpercenként, akár az egyidejű telefonbeszélgetések száma – igen, nagyon elégtelen. És ami még ennél is fontosabb, ez a sávszélességnek alapvető korlátja van, amelyet technológiai fejlődéssel nem lehet megkerülni, mivel az átviteli csatornában előforduló folyamatok lassan vannak.

Vegye figyelembe például az információ átvitelét rádióhullámokon, 100 MHz vivőfrekvenciával. Az információ a hordozó hullám kis modulációjával van kódolva, azonban ezeknek a modulációknak sokkal lassabbnak kell lenniük, mint maga a hullám oszcillációja – egyébként a hullám túlságosan torz lesz, túlságosan nagy frekvenciasávot vesz igénybe. Ez azt jelenti, hogy ilyen hullámban egymás után egymásután sorozatosan több megabit frekvenciát kódolhatunk másodpercenként. Ezért, ha növelni szeretnénk az információátvitel sebességét, elkerülhetetlenül növelnünk kell az elektromágneses hullámok vivőfrekvenciáját. Ezért próbálták a fizikusok figyelmét a fényimpulzusokra. Kb. 10-es gyakorisággal15 Hz-es fényimpulzusok lehetővé teszik, legalább elméletileg, hogy másodpercenként adják át a teret (valójában itt a kérdés már a jeladó és a vevőkészülék sebességén nyugszik).

Érdekes módon az első próbálkozás, hogy fényt használva telefonbeszélgetést közvetítsen, 1880-ban, a távközlési technológia hajnalán, Alexander Graham Bell hajtotta végre. Az eszköze – a fotophon – remegő tükör segítségével hanghullámot alakított át modulált napsugárra, amelyet közvetlenül a külvilág felé közvetítettek a címzettnek. Ez a rendszer nyilvánvalóan fényhatásnak volt kitéve, erősen függött a légkör állapotától, és mindenképpen csak a távoli látómezőn belül csak kis távolságot képes továbbítani. A készülék hatékonyabb működtetéséhez a fényt külső fény interferenciával védett csatornán kellett átvezetni.

A száloptika itt jöhetett a megmentéshez – vékony, védőburkolatba helyezve, ezért meglehetősen rugalmas üvegszállal. Egy ilyen csatorna a teljes belső visszaverődés jelenségének köszönhetően fényt gyakorol. Ez a hatás neve, amikor a szál mentén elhelyezkedő fény és az "üveg-levegő" felülethez közeledő fény nem jön ki,visszaverődik az üvegbe, és ennek következtében a szálon halad, engedelmesen követve az összes kanyarját.

A XX. Század elején kísérleteket tettek arra, hogy ezt a hatást hosszú távú fényjelek továbbítására használják, de váratlan dolog derült fényre – az üveg úgy tűnt, hogy nem ilyen átlátszó anyag. Ön ezt ellenőrizheti. Vegyünk egy pohár ablakot és nézzük át a feneket. mentén üveg. Nem fogsz látni egy képet az ellenkező végéről, hanem egyszerűen egy sűrű üveg jellegzetes zöldes színű. A könnyű "áthalad" a közönséges üveg vastagságánál csak egy-két méter.

A mértékegységek eltérése. Ha a szál egyenletes, akkor a jel csillapítása (vagyis a fényimpulzus fényerejének csillapítása) exponenciálisan megy a távolsággal. Más szóval tehát, mennyi nagyságrenddel a jel gyengül, arányosan a megtett út hosszúságával. Ha egy 10 méteres szálban 10-szer csökken a jel, 100-szor csökken 20 méteres szálban, 1000-szer egy 30 méteres szálban stb. A mérnöki tervezésben a megrendeléseket gyakran decibelben fejezik ki: 10 dB a változás egy rendelés, 20 dB – két megrendeléssel történő változtatás stb.Ezért egy adott átviteli vonalat jellemez csillapítási együtthatóamit kifejeznek dB / m (vagy dB / km). Mondjuk, a fent leírt helyzet (10-szeres csökkenés az út minden 10 méterén) megfelel egy 1000 dB / km-es csillapítási tényezőnek.

A 20. század első felében gyártott legtisztább szemüvegeknél a fényt tíz méteres távolságban is csillapították, vagyis a csillapítási tényező körülbelül 1000 dB / km volt. Az optikai szálakat azonban olyan feladatokban kezdték használni, amelyek nem igényelnek nagy távolságot (például a gasztroszkópiában végzett gyógyászatban). De az ilyen optikai szálak felhasználása a nagy távolságok közötti hatékony adatátvitelhez még mindig nem volt valóságos. A becslések azt mutatták, hogy ahhoz, hogy az optikai szálak hatékony kommunikációs hordozóvá váljanak, a csillapítási együtthatót legalább százszor, azaz 20 dB / km szintre kell csökkenteni. De hogyan lehet ezt megvalósítani, és vajon megvalósítható-e egyáltalán, a 20. század közepén teljesen tisztázatlan volt. Nos, a csillapítás mellett más problémák is voltak, mint például a fény üvegben való eloszlása, ami miatt a fényimpulzus profilja eltorzult a felismerésen kívül.

Ennek eredményeként az 1950-es években a szakemberek általános hozzáállása az egész vállalkozás felé nagyon szkeptikus, és a távközlés egyéb módszerei sokkal optimistábbak voltak. Így 1956-ban elindult az első telefonos transzatlanti kábel, és néhány évvel később elindult a műholdas technológia gyors fejlődése (az első kommunikációs műholdat 1958-ban indították el).

Ábra. 2. 1960-as évek: Charles Cao kísérleteket végez az optikai szálakkal (image from nobelprize.org)

Az 1960-as években Charles Cao, egy kínai eredetű fiatal mérnök, aki csak a londoni egyetemen tevékenykedett, elhatározta, hogy kiderül, miért nem tudja elérni az üveg szükséges átláthatóságát. A fiatal, G. A. Hockham fiatal elméleti teóriával együtt alaposan tanulmányozta az üveg különböző optikai folyamatait, és arra a következtetésre jutott, hogy a fénycsillapításhoz főként hozzájárulnak az üvegben lévő szennyeződések. Kao azt jósolta, hogy ha ezeket a szennyeződéseket el lehet távolítani, akkor több dB / km-es csillapítási tényezőt lehet elérni!

Ez idő alatt érkeztek "lézerek" is, amelyek olyan fényt állítottak elő, amely ideális jelek továbbítására a szálakon.Ennek eredményeképpen az 1960-as évek végén az érdeklődés új témával bővült, és az igazi technológiai verseny minimális csillapítást váltott ki a lehető legtisztább üveggel. Kao maga is nagy szerepet játszott ebben. Továbbra is aktívan tanulmányozta a fény terjedését különböző anyagokban, és arra a következtetésre jutott, hogy a kvarc üveg legyen a legjobb választás. Emellett aktívan támogatta az üvegszálas információs technológia ötletét, amely különböző laboratóriumok alkalmazottaival, valamint mérnökökkel és iparosokkal volt kapcsolatban.

Nagy tisztaságú kvarcüveg előállítása igen magas olvadáspontjának köszönhetően megrázó feladatnak bizonyult. Mindazonáltal 1970-ben a Corning Glass Works kutatócsoportja (Robert Maurer, Donald Keck, Peter Schulz) kutatott, aki megtanulta, hogyan kell a szükséges rostokat kémiai gőzlevegő technológiával megnövelni. 1970-ben elérte a 16 dB / km arányt, két évvel később ez az érték 4 dB / km-re csökkent. Öt évvel később az első kereskedelmi száloptikás csatornák megjelentek az Egyesült Királyságban, majd az USA-ban és Japánban, és 1988-ban egy transzatlanti száloptikás kábelt helyeztek el.Eközben a technológia tovább fejlődött (lásd a 3. ábrát), és most a rekordfelülettel rendelkező minták abszorpciós együtthatója kisebb, mint 0,2 dB / km. Ez még kisebb, mint a becslések, amelyeket Kao elfogadta elméleti tanulmányaiban.

Ábra. 3. Az üvegek átláthatóságának alakulása az idő múlásával; függőleges A dB / km-ben lévő csillapítási együtthatót ábrázolják, a jobb oldalon látható függőleges skála azt mutatja meg, hogy a jel mennyi marad a kilométeres vastagságú üveg után. A kép a Fiber Optics Essentials könyvből

Ennek a témának a végén azt is meg kell vizsgálni a kvarc üveg abszorpciós együtthatójának függvényét a fény hullámhosszán (4. Ez azt mutatja, hogy a szórásveszteség nem a legoptimálisabb, hanem a spektrum infravörös tartományában van. Ahogy a hullámhossz csökken, a csillapítási tényező élesen növekszik, mivel a fényszóródás a közeg törésmutatójának inhomogenitásaiban (Rayleigh szórás) következik be. Másrészről az 1 μm feletti hullámhosszúságú régióban az OH hidroxilcsoport erős abszorpciós vonalai megkezdenek megnyilvánulni, ami nem szüntethető meg az optikai szálban. Ennek eredményeképpen a minimális abszorpció az egyes "átlátszó ablakokra" (általában 1,3 μm és 1,55 μm) esik, amelyek a közel infravörös tartományban vannak, és ezeken a frekvenciákon a száloptikai kapcsolat működik.

Ábra. 4. A kvarc optikai szálon a csillapítási tényező függése a fény hullámhosszán (www.newport.com)

Egyébként érdekes megjegyezni, hogy Rayleigh szétszórja, hogy az ég kéknek tűnik, és a naplemente piros: minél több "piros", azaz hosszú hullámú fény, annál tovább halad, és annál kevésbé szétszóródik a légkörben. Ezért elmondható, hogy az infravörös tartományt száloptikai összeköttetéshez választották ugyanerre az okból, hogy a naplemente színei az égboltot.

Charge kapcsolt eszköz

A Nobel-díj második felét Willard Beyle-nek és George Smith-nek ítélték oda töltéshez csatlakoztatott eszköz – CCD (angolul CCD – feltöltött kapcsolt eszköz). Az úgynevezett félvezető eszköz, amely lehetővé teszi, hogy azonnal fotózzon digitális formában: volt egy fényáram – és azonnal kiderült a képfájl. Most, amikor a digitális fotózás már annyira ismerős volt, az a felfogás, hogy a forradalmian új felfedezés elveszett. De néhány évtizeddel ezelőtt a fotográfiai adatok digitális feldolgozása, amelyet kizárólag a tudományos kutatások során használt, hosszú és többlépcsős volt.A képet filmen rögzítették, megjelenítették, kinyomtatták, majd szkennelték, fájlká alakították és csak feldolgozták. A CCD, amely mindezen lépcsők elkerülése után azonnal felhasználható digitális képet biztosított, nagymértékben leegyszerűsítette és felgyorsította a megfigyelés és az adatfeldolgozás folyamatát.

A töltéscsatlakoztatott eszköz két dolog miatt lett lehetséges: a természet által létrehozott csodálatos anyagcsoport – a félvezetők és a kutatók lelkesedése, akik rájöttek, hogyan használják ki teljes mértékben a tulajdonságokat. Boyle és Smith, a híres Bell Labs laboratórium alkalmazottai (amely mellesleg már hét Nobel-díjat kapott, de ennek ellenére tavaly úgy döntött, hogy lefedi alapkutatási csoportját), feladata volt egy hatékony félvezető eszköz létrehozása írás és olvasás céljából olyan információt, amelyben az információt mikroszkopikus "töltésfelhők" formájában tárolnák. Ennek a feladatnak az a célja, hogy versenytársa legyen ugyanazon Bell Labs egy másik részlegének, amelyben a "mágneses buborékok" alapú memóriaelemek fejlődése már teljesen lendül.Ugyanakkor egyetlen érzékenységről sem beszéltünk eddig – a feladat csak az információ tárolására és elolvasására szolgáló eszköz volt.

1969. október 17-én egy emlékezetes napon Boyle és Smith felvették ezt a feladatot, és szó szerint egy óra alatt a szükséges töltéshez kötött eszköz prototípusát dobták a táblára. Legfontosabb eleme a legegyszerűbb MOS struktúra ("Fém-oxid félvezető") – egy fémrétegből és egy félvezető rétegből álló puffer, amelyet egy szigetelő vékony réteggel, általában szilícium-oxiddal választanak el (lásd az 5. ábrát). Ebben az esetben olyan félvezetőt választunk, amelyben a fő töltéshordozók nem elektronok, hanem "lyukak", azaz félvezető ptípusú (a legegyszerűbb bevezetéshez lásd az oldal Elektromos áram félvezetőkben). Az elektród alkalmas a fém "tapasz" -ra, és a szükséges feszültség hozzá lehet adni.

Ábra. 5. A legegyszerűbb MOS-szerkezet szerkezetének ábrája (Ivanov I. ábra)

A "bit" szerepét ilyen eszközben egy elektronikus felhőnek kell játszania. Mindazonáltal tárolja félvezetőben pA típus nem működik: a "lyukak" azonnal elindulnak és "lenyelik" az összes szabad elektront.Ezért létre kell hozni egy kisméretű területet, ahol nagyon kevés nyílás lesz, és ugyanakkor győződjön meg róla, hogy az elektronok nem futnak ebből a régióból. Mindkét követelmény egy csapásra teljesül, ha pozitív feszültséget alkalmaznak a fémelektródra. A felmerülő elektromos tér hatására a pozitív töltésnek köszönhetően a lyukak elmozdulnak egy kis zónából, amely közvetlenül az elektróda alatt helyezkedik el, és az elektronok ezzel szemben "ülnek" benne, és nem mennek sehová. Formált "elektroncsapot", amely információkat tárol. Ha vannak elektronok a csapdában – "egy" íródik a cellába, ha nem – "nulla".

Azonban azonnal felmerül a kérdés: hogyan kell elolvasni ezt az információt? Az egyik csak "felszabadítja" a pozitív feszültséget, mivel az elektronfelhő eltűnik. E célból Boyle és Smith újabb adatátviteli módszert hívtak fel töltőcsatlakozó (6.

Tegyük fel, hogy van egy sor MOS-struktúrája – egy ilyen egydimenziós CCD mátrix. Az elektródok minden egyes memóriacellához megfelelőek; Ezenkívül vannak olyan segéd, nem információs MOP struktúrák is, amelyek elválasztják a memóriakártyákat.Az információs cellákra vonatkozó információk tárolásakor a szükséges feszültséget alkalmazzák, de a segédeszközökön nem. Ezután a szomszédos sejtek egyszerre – mondják jobbra – szintén ellátják a szükséges feszültséget, és ennek eredményeképpen minden "elektroncsapda" két cellába bővül. A következő lépés a feszültség eltávolítása a forráscellákból, az "elektronfogó" ismét tömörítve, de már egy lépéssel jobbra mozgott, és az összes elektron engedelmesen áramlik utána. Így az összes memóriacellában lévő információ szinkron eltolódott jobbra. Ez a ciklus cikluson át folytatódik, és ennek a "vonalnak" a kiléptetésénél egyetlen olvasóeszköz van, amely egyszerűen érzékeli a rá jutó töltést és normális digitális villamos jelet hoz létre.

Ábra. 6. A töltéskapcsolás működésének elve egy CCD mátrixban (wikipedia.org kép)

Kétdimenziós CCD esetében az olvasási elv hasonló (lásd a 7. ábrát). Először is, az egész mátrixot szinkronban egy regiszterrel lefelé mozgatjuk, majd a kapott bitoszlopot a legalsó vonalzóból (és csak abból) olvassuk le, ahogy fent leírtuk. Ezután az egész mátrixot ismét egy regiszterrel lefelé mozgatják, az információkat az alsó sávról ismét olvassák, és így tovább.Ennek eredményeképpen, egy nagyon kompakt félvezető konfigurációban, és egyetlen olyan eszközzel, amely észleli a bejövő töltést, egymás után sorban, soronként olvashatja el a teljes adatmátrixot.

Ábra. 7. A kétdimenziós CCD mátrixból származó információk olvasásának elve (a ferra.ru oldalról készült kép)

Eddig csak a memóriakártyák manipulálása és az információk olvasása volt. Azonban ez az információ nem feltétlenül van rögzítve ott – ott felmerülhet én magam amikor egy CCD tömböt sugárzik fényben. Ez azért történik, mert a félvezető egy másik egyedi tulajdonsággal rendelkezik – fényérzékenység. A fényelektronikus fotonok, amelyek beléptek a félvezetőbe, létrehoznak egy pár elektront és lyukat. Ha egy ilyen folyamat a MOS struktúrában megy végbe, az eredetileg üres "elektroncsapda" határain belül, akkor az elektronok beférnek benne, és a lyukak eltűnnek. Ennek eredményeképpen idővel a töltés felhalmozódik a csapdában, ami megközelítőleg arányos az abszorbeált fényárammal. Kiderül, hogy a MOS-struktúra fényérzékeny pixelként működik, a fényerő-gradiensek igen széles skálájával.És ha most az olvasás folyamatában nem csak a töltés hiányát vagy jelenlétét észleli a következő memóriacellában, hanem mérni tudja a felgyülemlett töltést is, akkor a leginkább valós digitális képen rögzített optikai képet kapjuk.

Természetesen a modern CCD sokkal tökéletesebb, mint a legegyszerűbb áramkör. A modern CCD érzékelő képes felismerni a színeket, tudja, hogyan kell elkerülni a túlcsorduló "elektroncsapdákat", és fejlett félvezető technológiával épül fel. Néhány részlet megtalálható a Digitális fotózás trendje 3. részében és a digitális fényképezőgép szívében: CCD.

Ami a CCD mátrixokat illeti, régóta életre keltettek kompakt digitális kamerák és videokamerák formájában. A CCD-k miniatürizált méretei forradalmat eredményeztek az orvosi területen, mivel drasztikusan bővítették mind a diagnosztikát (pl. Különböző típusú endoszkópiával), mind az orvos operatív képességeit. Köszönetüknek köszönhetően kialakult egy minimális invazív műtét (laparoszkópia). Ezenkívül a CCD tömböket széles körben használják nemcsak a detektálásraoptikai sugárzás, de a spektrum más területein is, különösen alacsony dózisú digitális röntgenberendezésekben használják őket. A vertex detektorok egy CCD alapján működnek a modern robbantók által gyártott elemi részecskék kimutatására. A CCD-mátrixok minden modern távcsőben megtalálhatók, beleértve a helyet is. De mindez azzal kezdődött, hogy Boyle és Smith azt feltételezi, hogy egy félvezetőben tárolni és következetesen továbbítani "az elektronok felhőjét".

A nyertesek eredeti cikkei:
1) K. C. Kao és G. A. Hockham. Dielektromos-szálas felületű hullámvezetők optikai frekvenciákhoz // Proc. IEEE, 113, 1151 (1966).
2) W. S. Boyle és G. E. Smith. Charge-Coupled Semiconductor Devices // Bell Systems műszaki folyóirat, 49, 587 (1970).

forrás:

  • A Nobel-díj 2009-ben – a Nobel-bizottság hivatalos információi.
  • A Fiber Optics bemutatója egy rövid bemutató a száloptikás technológiának.
  • A produkció története és a könnyű útmutatók fizikai paraméterei [//nag.ru/wiki/index.php/History_production_and_physical_parameters_ of the light guides] – rövid áttekintés a termelés történetéről és technológiájáról.
  • MP Petrov. Optikai szálak optikai kommunikációs vonalakhoz // Soros Oktatási Napló, 1996, No. 5, pp. 101-108.
  • VV Shevchenko, modern jelátviteli vonalak fizikai bázisai // Soros Oktatási Napló, 1997, No. 3, pp. 100-106.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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