Nobelprisen i fysikk - 2009 • Igor Ivanov • Vitenskapelig nyhet om "Elementer" • Nobelprisene, Informasjonsteknologi, Fysikk

Nobelprisen i fysikk – 2009

Fig. 1. Nobelprisen i fysikk for 2009, Charles Cao, Willard Boyle og George Smith (bildet fra nobelprize.org)

Nobelprisen i fysikk i 2009 ble tildelt den kinesiske Charles Kao og amerikanerne Willard Beyle og George Smith for forskning innen informatikk. Kao var opprinnelsen til fiberoptisk datatransmisjonsteknologi, og Boyle og Smith fant ut en halvleder-enhet som gjør at du kan omgå film, for å få digitale bilder. Deres arbeid førte til en ekte revolusjon, først i anvendt vitenskap, deretter i høyteknologi, og i det siste tiåret har de blitt fast etablert i vårt hverdag, noe som gjør det mye mer behagelig. Det er nok å forestille seg hva en mobiltelefon med en film, snarere enn et digitalkamera, ville se ut!

Fiberoptisk tilkobling

En av de teknologiske revolusjonene i XIX-tallet var oppfinnelsen av måter å overføre informasjon over lange avstander, både ved ledning og uten dem, ved hjelp av radiobølger. Først syntes det at disse to alternativene fullt ut tilfredsstiller alle opplysninger og kommunikasjonsbehov hos en person.For den moderne verden er båndbredden til disse kanalene – uansett megabyte per sekund eller antall samtidige telefonsamtaler – veldig, veldig utilstrekkelig. Og viktigst av alt, har denne båndbredden en grunnleggende begrensning som ikke kan omgåes av noen teknologiske forbedringer, på grunn av langsomheten til prosessene som forekommer i selve overføringskanalen.

Tenk for eksempel overføring av informasjon over radiobølger med en bærefrekvens på 100 MHz. Informasjonen er kodet som en liten modulasjon av bærebølgen, men disse modulasjonene må være mye langsommere enn bølgens oscillasjon – ellers vil bølgen bli forvrengt for mye, det vil ta for stort frekvensbånd. Dette betyr at i en slik bølge er det mulig å kode en sekvens av biter etter hverandre med en frekvens på flere megabiter per sekund. Derfor, hvis vi ønsker å øke hastigheten på informasjonsoverføring, vil vi uunngåelig måtte øke bærefrekvensen av elektromagnetiske bølger. Det var derfor fysikere gjorde oppmerksomheten mot lyspulser. Med en frekvens på ca 1015 Hz lyspulser tillater, i det minste teoretisk, å overføre hundre terabits per sekund (faktisk spørsmålet allerede hviler på senderens og mottakers signalhastighet).

Interessant nok var det første forsøket på å overføre en telefonsamtale ved hjelp av lys implementert av Alexander Graham Bell tilbake i 1880, i begynnelsen av telekommunikasjonsteknologien. Enheten hans – en fototelefon – ved hjelp av et skjelvende speil konverterte en lydbølge til en modulert solstråle, som ble overført til mottakeren direkte gjennom friluft. Denne ordningen var tydeligvis utsatt for lysstøy, avhengig av atmosfærens tilstand og i alle fall tillatt å sende signaler bare en liten avstand innenfor synslinjen. For en mer effektiv drift av enheten var det nødvendig med lys for å passere gjennom en kanal beskyttet mot eksternt lysinterferens.

Fiberoptikk kunne komme til redning her – en tynn, plassert i en beskyttende skjede, og derfor en ganske fleksibel glasstråd. En slik kanal utfører lys på grunn av fenomenet total intern refleksjon. Dette er navnet på effekten når lyset som går langs fiberen og som nærmer seg "glass-luft" -grensesnittet, ikke kan komme ut,reflekteres tilbake i glasset, og som et resultat går langs fiberen, lydig følger alle sine svinger.

I begynnelsen av 1900-tallet ble det gjort forsøk på å ta denne effekten i bruk for overføring av lyssignaler over lange avstander, men det oppstod en uventet ting – glass viste seg ikke å være et så gjennomsiktig materiale. Du kan bekrefte dette selv. Ta et ark med vindusglass og se gjennom rumpa. sammen glass. Du vil ikke se et bilde fra motsatt ende, men bare et tykt glass med en karakteristisk grønn farge. Lys "bryter gjennom" i tykkelsen på vanlig glass bare en meter eller to.

Avvik av måleenheter. Hvis fiberen er jevn, går dämpingen av signalet (det vil si demping av lyspulsens lysstyrke) eksponentielt med avstanden. Med andre ord, da av hvor mange størrelsesordener signalet svekkes, i forhold til lengden på banen som er reist. Hvis signalet blir redusert 10 ganger i en 10 meter fiber, vil den redusere 100 ganger i en 20 meter fiber, 1000 ganger i en 30 meter fiber, etc. I ingeniørfag blir ordrer ofte uttrykt i desibel: 10 dB er endringen i en ordre, 20 dB – bytte av to ordre, etc.Derfor er en bestemt transmisjonslinje preget av dens dempningskoeffisientsom er uttrykt i dB / m (eller dB / km). Si at situasjonen beskrevet ovenfor (et fall på 10 ganger for hver 10 meter av banen) tilsvarer en dempningsfaktor på 1000 dB / km.

Selv i de reneste brillene som ble produsert i første halvdel av det 20. århundre, ble lyset svekket i en avstand på ti meter, det vil si at dempningskoeffisienten var ca. 1000 dB / km. Optiske fibre begynte likevel å bli brukt i noen oppgaver som ikke krever store avstander (for eksempel i medisin under gastroskopi). Men bruk av slike optiske fibre for effektiv dataoverføring over lange avstander var fortsatt urealistisk. Estimater viste at for at optiske fibre skal bli en effektiv kommunikasjonsbærer, er det nødvendig å redusere dempningskoeffisienten med minst hundre ganger – si til nivået 20 dB / km. Men hvordan å oppnå dette, og om det kan oppnås i det hele tatt, i midten av det 20. århundre var det helt uklart. Vel, i tillegg til demping, var det også andre problemer, som for eksempel dispersjon av lys i glass, på grunn av hvilken profilen av lyspulsen ble forvrengt uten anerkjennelse.

Som et resultat, på 1950-tallet var den generelle holdningen til spesialister overfor hele denne virksomheten veldig skeptisk, og andre telekommunikasjonsmetoder var mye mer optimistiske. Så i 1956 ble det første telefon-transatlantiske kablet lagt, og et par år senere begynte den raske utviklingen av satellitteknologi (den første kommunikasjons-satellitten ble lansert i 1958).

Fig. 2. 1960-tallet: Charles Cao gjennomfører eksperimenter med optiske fibre (bildet fra nobelprize.org)

På 1960-tallet, Charles Cao, en ung ingeniør av kinesisk opprinnelse som nettopp hadde forsvunnet sin avhandling ved University of London, bestemte seg for å finne ut hvorfor han fremdeles ikke kunne oppnå den nødvendige gjennomsiktigheten av glass. Sammen med den unge teoretikeren G. A. Hockham studerte han nøye ulike optiske prosesser i glass og kom til den konklusjonen at hovedbidraget til lysdempning bare gjøres ved urenheter i glass. Kao forutslo at hvis disse urenheter kunne elimineres, kunne en dempningsfaktor på flere dB / km oppnås!

På den tiden kom også "lasere", som produserte et lys som er ideelt for overføring av signaler over fiber.Som et resultat, i slutten av 1960-tallet, økte interessen for dette emnet med en ny kraft, og den virkelige teknologiske rase begynte å få glasset så rent som mulig med minimal dempning. Kao selv spilte en stor rolle i dette. Han fortsatte å aktivt studere forplantningen av lys i ulike materialer og kom til den konklusjonen at kvartsglass skulle være det beste valget. I tillegg fremmet han aktivt ideen om fiberoptisk informasjonsteknologi, kommunisert med ansatte i ulike laboratorier, samt med ingeniører og industriere.

Å lage høyrenhets kvartsglass har vist seg å være en skremmende oppgave på grunn av det meget høye smeltepunktet. Ikke desto mindre ble det funnet en utvei i 1970 av en gruppe forskere fra Corning Glass Works (Robert Maurer, Donald Keck, Peter Schulz) som lærte å dyrke de nødvendige fibre ved hjelp av kjemisk dampavsetningsteknologi. I 1970 oppnådde de et 16 dB / km forhold, to år senere, falt denne verdien til 4 dB / km. Fem år senere oppstod de første kommersielle fiberoptiske kanalene i Storbritannia, deretter i USA og Japan, og i 1988 ble en transatlantisk fiberoptisk kabel lagt.Samtidig fortsatte teknologien å utvikle seg (se figur 3), og nå er absorpsjonskoeffisienten i prøver med registrert gjennomsiktighet mindre enn 0,2 dB / km. Dette er enda mindre enn estimatene som Kao mottok i sine teoretiske papirer.

Fig. 3. Utviklingen av glassets gjennomsiktighet over tid; vertikal Dempningskoeffisienten i dB / km er plottet, den vertikale skalaen til høyre viser hvor mye signalet forblir etter å ha passert et kilometer tykt glass. Bilde fra boken Fiber Optics Essentials

I konklusjonen av dette emnet, er det også nyttig å se på graden av absorpsjonskoeffisientens avhengighet i kvartsglass på lysets bølgelengde (figur 4). Det viser at spredningstap er minst av alt ikke i det optiske, men i det infrarøde området i spekteret. Når bølgelengden minker, øker dempingskoeffisienten kraftig på grunn av spredning av lys på inhomogeniteter av brytningsindeksen til mediet (Rayleigh-spredning). På den annen side, i bølgelengdeområdet over 1 μm, begynner sterke absorpsjonslinjer av hydroksylgruppen OH, som ikke kan elimineres i den optiske fiber. Som et resultat faller minimumsabsorpsjonen på individuelle "gjennomsiktighetsvinduer" (vanligvis 1,3 μm og 1,55 μm), som ligger i det nærliggende infrarøde området, og det er ved disse frekvensene at fiberoptisk tilkobling fungerer.

Fig. 4. Avhengighet av dempningskoeffisienten i kvarts optisk fiber på lysets bølgelengde (bildet fra www.newport.com)

Forresten er det interessant å merke seg at det er på grunn av Rayleigh-spredning at himmelen ser blå ut og solnedgangen er rød: jo mer "rød" – det er langbølget – lys, jo lengre det går, desto mindre sprer det seg i atmosfæren. Derfor kan det sies at det infrarøde området ble valgt for en fiberoptisk tilkobling av samme grunn som solnedgang farger himmelen lilla.

Charge-koblet enhet

Den andre halvdelen av Nobelprisen ble tildelt Willard Beyle og George Smith for oppfinnelsen lade koblet enhet – CCD (på engelsk CCD – Koblet enhet). Såkalt en halvleder enhet, som lar deg ta bilder umiddelbart i digitalt format: det var en lysende flux – og det viste seg umiddelbart en fil med et bilde. Nå, når digital fotografering har blitt så kjent, har følelsen av hvor revolusjonerende denne oppdagelsen vist seg å gå tapt. Men for noen tiår siden var digital behandling av fotografiske data, som ble brukt utelukkende innen vitenskapelig forskning, lang og multi-trinns.Bildet ble tatt opp på film, manifestert, trykt, deretter skannet, omgjort til en fil, og bare deretter behandlet. CCD, som omgå alle disse stadiene, ga umiddelbart et brukbart digitalt bilde, forenklet og akselerert hele prosessen med observasjon og databehandling.

Den ladningskoblede enheten ble mulig på grunn av to ting: En fantastisk klasse materialer som naturen har skapt – halvledere, og kjærligheten til forskere som har funnet ut hvordan de kan utnytte egenskapene fullt ut. Boyle og Smith, som er ansatte i det berømte Bell Labs-laboratoriet (som for øvrig allerede har sju Nobel-priser, men som til tross for dette bestemte seg i fjor for å dekke sin gruppe av grunnforskning) fikk oppdraget å komme opp med en effektiv halvleder informasjon der informasjonen vil bli lagret i form av mikroskopiske "ladeskyger". Formålet med denne oppgaven er å konkurrere med en annen deling av samme Bell Labs, hvor utviklingen av minneelementer basert på "magnetiske bobler" allerede var i full gang.Samtidig var det ikke snakk om noen følsomhet så langt – oppgaven handlet bare om en enhet for lagring og lesing av informasjon.

På en minneverdig dag den 17. oktober 1969 tok Boyle og Smith opp denne oppgaven og kastet bokstavelig talt innen en time en prototype av den nødvendige ladekoblede enheten på brettet. Nøkkelen er den enkleste MOS struktur ("Halvleder av metalloksyd") – en puff bestående av et metallslag og et halvlederlag skilt av et tynt lag av en isolator, vanligvis silisiumoksyd (se figur 5). I dette tilfellet er halvlederen valgt hvor hovedladningsbærerne ikke er elektroner, men "hull", det vil si halvleder p-type (for den enkleste introduksjonen, se siden Elektrisk strøm i halvledere). En elektrode er egnet for metallplaten, og den nødvendige spenningen kan påføres den.

Fig. 5. Diagram over enheten av den enkleste MOS-strukturen (figur I. Ivanov)

Rollen av en "bit" i en slik enhet bør spilles av en sky av elektroner. Men lagre den i halvleder p-type virker bare ikke: "hullene" løper umiddelbart og "svelger" alle gratis elektroner.Derfor er det nødvendig å lage en liten region der det vil være svært få hull, og samtidig sørge for at elektronene ikke løper hvor som helst fra denne regionen. Begge disse kravene blir møtt i en fallende søl hvis en positiv spenning påføres metallelektroden. På grunn av deres positive ladning vil hullene bevege seg bort fra en liten sone som ligger rett under elektroden, og elektroner, derimot, vil "sitte" i det og ikke gå hvor som helst. Formet "felle for elektroner", som lagrer informasjon. Hvis det finnes elektroner i fellen – "en" er skrevet i cellen, hvis ikke – "null".

Men spørsmålet oppstår umiddelbart: Hvordan leser du denne informasjonen? Man må bare "frigjøre" den positive spenningen, da elektronmolken forsvinner. Det var for dette formålet at Boyle og Smith kom opp med en ny dataoverføringsmetode som ble kalt lade kopling (Figur 6).

Anta at vi har en serie MOS-strukturer – en slik en-dimensjonal CCD-matrise. Elektroder passer for hver minnecelle; I tillegg er det også tillegg, ikke-informasjons MOP-strukturer som skiller minnecellene.Ved lagring av informasjon på informasjonsceller, er nødvendig spenning påført, men på hjelpesystemer er det ikke. Da alle nabostoffene samtidig – si til høyre – også gi den nødvendige spenningen, og som et resultat utvides hver "elektronfelle" i to celler. Det neste trinnet er å fjerne spenningen fra kildecellene, "elektronfellen" komprimeres igjen, men den har allerede flyttet et skritt til høyre, og alle elektronene lyder lydig etter det. Dermed flyttes informasjonen i alle minnesceller synkront til høyre. Dette fortsetter syklusen etter syklus, og ved utgangen av denne "linjen" er det en enkelt leser, som bare oppfatter ladningen som kommer til den og produserer et normalt digitalt elektrisk signal.

Fig. 6. Prinsippet om drift av ladekobling i en CCD-matrise (bilde fra wikipedia.org)

For en todimensjonal CCD er leseprinsippet likt (se figur 7). Først og fremst blir hele matrisen synkront flyttet av ett register, og den mottatte kolonne av biter blir lest fra den nederste linjalen (og bare fra den) som beskrevet ovenfor. Etter det blir hele matrisen igjen forskyvet av ett register, informasjon leses fra den nederste linjen igjen, og så videre.Som en følge av dette, i en svært kompakt halvlederkonfigurasjon og ved bruk av en enkelt enhet som detekterer innkommende ladning, kan du sekvensielt, linje for linje, lese hele datamengden.

Fig. 7. Prinsippet om å lese informasjon fra en todimensjonal CCD-matrise (bilde av nettstedet fra ferra.ru)

Inntil nå handlet det bare om å manipulere minneceller og lese informasjon. Imidlertid er denne informasjonen ikke nødvendigvis registrert der – det kan oppstå der av meg selv når det bestråles av et CCD-array med lys. Dette skjer fordi halvlederen har en annen unik egenskap – fotosensitivitet. Lysfotoner, som kommer inn i halvlederen, genererer i det et par elektroner og hull. Hvis en slik prosess oppstår i MOS-strukturen, innenfor grensene for den innledningsvis tomme "elektronfelle", da befinner elektronene seg inn i det, og hullene går bort. Som et resultat akkumuleres en ladning i fellen, som er omtrent proporsjonal med den absorberte lysstrømmen. Det viser seg at MOS-strukturen fungerer som en lysfølsom piksel med et ganske stort utvalg av lysstyrkegraderinger.Og hvis det nå er i ferd med å lese enheten, vil ikke bare detektere fravær eller tilstedeværelse av en belastning i neste minnekelle, men også kunne måle den akkumulerte ladningen, så vil vi få det mest virkelige optiske bildet som er registrert direkte i digital form.

Selvfølgelig er moderne CCDer mye mer perfekte enn denne enkleste kretsen. En moderne CCD-sensor kan gjenkjenne farger, vet hvordan man unngår overfylte "elektronfeller", og den er bygget ved hjelp av avansert halvlederteknologi. Noen detaljer finner du i artikkelen Trends in Digital Photography, del 3 og hjertet av et digitalt kamera: CCD.

Når det gjelder bruk av CCD-matriser, har de lenge kommet inn i våre liv i form av kompakte digitale kameraer og videokameraer. De miniatyriserte dimensjonene av CCDs førte til en revolusjon i det medisinske feltet, siden de dramatisk utvidet både diagnostiske (for eksempel med forskjellige typer endoskopi) og operative evner hos legen. Takket være dem har en minimal invasiv operasjonsteknikk (laparoskopi) utviklet seg. I tillegg er nå CCD-arrays mye brukt ikke bare for å oppdageoptisk stråling, men også i andre områder av spektret, spesielt, blir de brukt i digitale digitale røntgeninstallasjoner med lav dose. Vertex detektorer opererer på grunnlag av en CCD for å detektere elementære partikler produsert på moderne collider. CCD matriser er i alle moderne teleskoper, inkludert plass. Men alt startet med Boyle og Smiths antagelse om hvordan man lagrer og konsekvent sender "en sky av elektroner" i en halvleder.

Opprinnelige artikler av laureates:
1) K. C. Kao og G. A. Hockham. Dielektrisk-Fiber Surface Waveguides for optiske frekvenser // Proc. IEEE, 113, 1151 (1966).
2) W. S. Boyle og G. E. Smith. Charge-Coupled Semiconductor Devices // Bell Systems Technical Journal, 49, 587 (1970).

kilder:

  • Nobelprisen i fysikk 2009 – Offisiell informasjon fra Nobelkomiteen.
  • Tutorial på Fiber Optics er en kort introduksjon til fiberoptisk teknologi.
  • Produksjonshistorien og de fysiske parametrene av lysstyrker [//nag.ru/wiki/index.php/History_production_and_physical_parameters_ of light guides] – et kort innblikk i produksjonens historie og teknologi.
  • MP Petrov. Optiske fibre for optiske kommunikasjonslinjer // Soros Educational Journal, 1996, nr. 5, s. 101-108.
  • VV Shevchenko, Fysiske baser av moderne signaloverføringslinjer // Soros Educational Journal, 1997, nr. 3, s. 100-106.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Legg att eit svar

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