Premiul Nobel pentru Fizică - 2009 • Igor Ivanov • Știri despre "Elemente" • Premiile Nobel, Tehnologia Informației, Fizica

Premiul Nobel pentru fizică – 2009

Fig. 1. Premiul Nobel pentru fizică pentru anul 2009, Charles Cao, Willard Boyle și George Smith (imagine de la nobelprize.org)

Premiul Nobel pentru fizică în 2009 a fost acordat chinezilor Charles Kao și americanilor Willard Beyle și George Smith pentru cercetare în domeniul tehnologiei informației. Kao a fost la originea tehnologiei de transmisie a datelor prin fibră optică, iar Boyle și Smith au inventat un dispozitiv semiconductor care vă permite să treceți direct, filmând, pentru a obține fotografii digitale. Munca lor a condus la o adevărată revoluție, mai întâi în domeniul științei aplicate, apoi în cea mai înaltă tehnologie, iar în ultimul deceniu ei s-au stabilit ferm în viața noastră de zi cu zi, făcând-o mult mai confortabilă. Este suficient să vă imaginați cum ar arăta un telefon mobil cu un film, mai degrabă decât o cameră digitală!

Conexiune prin fibră optică

Una dintre revoluțiile tehnologice ale secolului al XIX-lea a fost inventarea căilor de transmitere a informațiilor pe distanțe lungi, atât prin sârmă cât și fără ele, prin utilizarea undelor radio. La început se părea că aceste două opțiuni ar trebui să satisfacă pe deplin toate nevoile de informare și comunicare ale unei persoane.Cu toate acestea, pentru lumea modernă, lățimea de bandă a acestor canale – fie megabiți pe secundă, fie numărul de convorbiri telefonice simultane – este foarte, foarte insuficientă. Și, cel mai important, această lățime de bandă are o limitare fundamentală care nu poate fi ocolită de niciun fel de îmbunătățiri tehnologice, datorită încetinirii proceselor care apar în canalul de transmisie în sine.

Luați în considerare, de exemplu, transmiterea informațiilor prin unde radio cu o frecvență purtătoare de 100 MHz. Informația este codificată ca o modulare mică a valului purtător, însă aceste modulații trebuie să fie mult mai lent decât oscilația valului în sine – altfel valul va fi distorsionat prea mult, va avea nevoie de o bandă de frecvență prea mare. Aceasta înseamnă că într-un astfel de val este posibilă codarea unei secvențe de biți urmând una cu alta cu o frecvență de mai multe megabiți pe secundă. Prin urmare, dacă vrem să creștem viteza de transmitere a informației, va trebui în mod inevitabil să mărim frecvența purtătoare a undelor electromagnetice. Acesta este motivul pentru care fizicienii și-au îndreptat atenția asupra pulsurilor luminoase. Cu o frecvență de aproximativ 1015 Hz, impulsurile luminoase permit, cel puțin teoretic, transmiterea a 100 de terabiți pe secundă (de fapt, întrebarea se bazează deja pe viteza transmițătorului și receptorului semnalelor).

Interesant, prima încercare de a transmite o conversație telefonică prin lumină a fost pusă în aplicare de Alexander Graham Bell în 1880, la începutul tehnologiei telecomunicațiilor. Dispozitivul său – o fototecă – cu ajutorul unei oglindă tremurândă a transformat un val de sunet într-o rază de soare modulată, care a fost transmisă destinatarului direct prin aer liber. Această schemă a fost, evident, supusă zgomotului ușor, puternic dependent de starea atmosferei și, în orice caz, a permis transmiterea semnalelor doar la o mică distanță în linia de vedere. Pentru o funcționare mai eficientă a dispozitivului, lumina trebuia să treacă printr-un canal protejat de interferențele externe ale luminii.

Oțelurile optice ar putea să ajungă aici la salvare – un strat subțire, plasat într-o teacă protectoare și, prin urmare, un fir de sticlă destul de flexibil. Un astfel de canal conduce lumina datorită fenomenului de reflexie internă totală. Acesta este numele efectului când lumina care merge de-a lungul fibrei și care se apropie de interfața "sticlă-aer" nu poate ieși,reflectat înapoi în sticlă și, ca rezultat, merge de-a lungul fibrei, ascultând în mod ascendent toate curbele.

La începutul secolului al XX-lea s-au făcut încercări ca acest efect să fie pus în funcțiune pentru transmiterea semnalelor luminoase pe distanțe lungi, însă un lucru neașteptat a apărut aici – sticla sa dovedit a nu fi un material atât de transparent. Puteți verifica singuri acest lucru. Luați o foaie de geam și priviți prin fund. de-a lungul sticlă. Nu veți vedea o imagine de la capătul opus, ci pur și simplu un pahar gros de culoare verde. Lumina "trece prin" în grosimea de sticlă obișnuită doar un metru sau două.

Deviația unităților de măsură. Dacă fibra este uniformă, atunci atenuarea semnalului (adică atenuarea luminozității pulsului de lumină) merge exponențial cu distanța. Cu alte cuvinte, apoi, cu câte ordine de magnitudine semnalul slăbește, proporțional cu lungimea căii parcursă. Dacă semnalul este redus de 10 ori într-o fibră de 10 metri, acesta va scădea de 100 de ori într-o fibră de 20 de metri, de 1000 de ori într-o fibră de 30 de metri, etc. În inginerie, comenzile sunt adesea exprimate în decibeli: 10 dB este schimbarea o comandă, 20 dB – schimbare cu două ordine, etc.Prin urmare, o anumită linie de transport este caracterizată de linia sa de transport coeficientul de atenuarecare este exprimată în dB / m (sau dB / km). Spuneți că situația descrisă mai sus (o cădere de 10 ori pentru fiecare 10 metri de cale) corespunde unui factor de amortizare de 1000 dB / km.

Chiar și în cele mai curate pahare care au fost fabricate în prima jumătate a secolului XX, lumina a fost atenuată la o distanță de zece metri, adică coeficientul de atenuare a fost de aproximativ 1000 dB / km. Fibrele optice au început totuși să fie utilizate în anumite sarcini care nu necesită distanțe mari (de exemplu în medicină în timpul gastroscopiei). Dar utilizarea unor astfel de fibre optice pentru transmiterea eficientă a datelor pe distanțe lungi era încă nerealistă. Estimările au arătat că, pentru ca fibrele optice să devină un purtător de comunicare eficient, este necesar să se reducă coeficientul de atenuare cu cel puțin o sută de ori – să zicem, la nivelul de 20 dB / km. Dar cum se poate realiza acest lucru și dacă se poate realiza deloc, la mijlocul secolului al XX-lea era complet neclar. Ei bine, în afară de atenuare, au existat și alte probleme, cum ar fi dispersia luminii în sticlă, datorită căruia profilul pulsului luminos a fost distorsionat dincolo de recunoaștere.

Ca rezultat, în anii 1950, atitudinea generală a specialiștilor față de această întreagă aventură a fost foarte sceptică, iar alte metode de telecomunicații au fost mult mai optimiste. Deci, în 1956, a fost lansat primul cablu transatlantic telefonic, iar câțiva ani mai târziu a început dezvoltarea rapidă a tehnologiei prin satelit (primul satelit de comunicații a fost lansat în 1958).

Fig. 2. 1960: Charles Cao efectuează experimente cu fibre optice (imagine de la nobelprize.org)

În anii 1960, Charles Cao, un tânăr inginer de origine chineză, care tocmai și-a apărat teza de doctorat la Universitatea din Londra, a decis să-și dea seama de ce încă nu a reușit să obțină transparența necesară a sticlei. Împreună cu teoreticianul tânăr G. A. Hockham, a studiat cu atenție diferite procese optice din sticlă și a ajuns la concluzia că principala contribuție la atenuarea luminii se face pur și simplu prin impuritățile din sticlă. Kao a prezis că, dacă aceste impurități ar putea fi eliminate, un factor de amortizare de câteva dB / km ar putea fi atins!

În acel moment, au sosit și "lasere", care au produs o lumină ideală pentru transmiterea semnalelor pe fibră.În consecință, la sfârșitul anilor '60, interesul pentru acest subiect a apărut cu o nouă forță, iar cursa tehnologică reală a început să obțină geamul cât mai curat posibil, cu o atenuare minimă. Kao însuși a jucat un rol important în asta. El a continuat să studieze activ propagarea luminii în diverse materiale și a ajuns la concluzia că sticla de cuarț ar trebui să fie cea mai bună alegere. În plus, a promovat în mod activ ideea tehnologiei informației cu fibră optică, comunicată cu angajați ai diferitelor laboratoare, precum și cu ingineri și industriași.

Realizarea sticlei de cuarț de înaltă puritate sa dovedit a fi o sarcină descurajantă datorită punctului său foarte ridicat de topire. Cu toate acestea, în 1970, un grup de cercetători de la Corning Glass Works (Robert Maurer, Donald Keck și Peter Schulz) au descoperit o cale de ieșire care a învățat cum să crească fibrele necesare folosind tehnologia de depunere a vaporilor chimici. În 1970, au atins un raport de 16 dB / km, doi ani mai târziu, această valoare a scăzut la 4 dB / km. Cinci ani mai târziu, primele canale de fibră optică comerciale au apărut în Marea Britanie, apoi în SUA și Japonia, iar în 1988 a fost instalat un cablu transatlantic cu fibră optică.Între timp, tehnologia a continuat să se dezvolte (vezi figura 3), iar acum coeficientul de absorbție în probele cu transparență de înregistrare este mai mic de 0,2 dB / km. Aceasta este chiar mai mică decât estimările pe care Kao le-a primit în lucrările sale teoretice.

Fig. 3. Evoluția transparenței sticlei în timp; vertical Coeficientul de atenuare în dB / km este reprezentat grafic, scala verticală din dreapta arată cât de mult din semnal rămâne după trecerea unui sticlă cu grosimea de kilometru. Imagine din cartea Fiber Optics Essentials

În concluzie, este util să privim și graficul dependenței coeficientului de absorbție din sticlă de cuarț de lungimea de undă a luminii (figura 4). Aceasta arată că pierderile de împrăștiere sunt cel puțin nu în zona optică, dar în regiunea infraroșie a spectrului. Pe măsură ce lungimea de undă scade, coeficientul de atenuare crește brusc datorită împrăștierii luminii asupra neomogenităților indicelui de refracție al mediei (împrăștiere Rayleigh). Pe de altă parte, în regiunea lungimii de undă de peste 1 μm, liniile puternice de absorbție a grupării hidroxil OH încep să se manifeste, care nu pot fi eliminate în fibra optică. Ca rezultat, absorbția minimă cade pe "ferestre de transparență" individuale (de obicei de 1,3 μm și 1,55 μm), care se află în domeniul apropiat de infraroșu, iar la aceste frecvențe funcționează conexiunea cu fibră optică.

Fig. 4. Dependența coeficientului de atenuare în fibră optică cuarțată pe lungimea de undă a luminii (imagine de la www.newport.com)

Apropo, este interesant de remarcat faptul că, din cauza împrăștierii Rayleigh, cerul arată albastru și apusul soarelui este roșu: cu atât mai mult "roșu" – adică lumină lungă, cu cât trece mai departe și cu atât mai puțin se dispersează în atmosferă. Prin urmare, se poate spune că intervalul de infraroșu a fost ales pentru o conexiune cu fibră optică din același motiv în care culorile de apus au cerul purpuriu.

Încărcați dispozitivul cuplat

A doua jumătate a Premiului Nobel a fost acordată lui Willard Beyle și lui George Smith pentru invenție încărcați dispozitivul cuplat – CCD (în engleză CCD – dispozitiv cuplat cu încărcare). Așa-numitul dispozitiv semiconductor, care vă permite să faceți fotografii imediat în format digital: a existat un flux luminos – și a ieșit imediat un fișier cu o imagine. Acum, când fotografia digitală a devenit atât de familiară, sentimentul de revoluție a acestei descoperiri sa dovedit a fi pierdut. Dar, cu câteva decenii în urmă, prelucrarea digitală a datelor fotografice, care a fost utilizată exclusiv în cercetarea științifică, a fost lungă și cu mai multe etape.Imaginea a fost înregistrată pe film, manifestată, imprimată, apoi scanată, transformată într-un fișier și apoi prelucrată. CCD, care, ocolind toate aceste etape, a dat imediat o imagine digitală utilizabilă, simplificând și accelerând foarte mult întregul proces de observare și prelucrare a datelor.

Dispozitivul cuplat cu încărcătură a devenit posibil din cauza a două lucruri: o clasă uimitoare de materiale pe care natura a creat – semiconductorii, și intenția cercetătorilor care și-au dat seama cum să-și utilizeze pe deplin proprietățile. Boyle și Smith, fiind angajați ai celebrului laborator Bell Labs (care, de altfel, au deja șapte premii Nobel, dar care, în ciuda acestui fapt, au decis anul trecut să-și acopere grupul de cercetare de bază), au avut sarcina de a veni cu un dispozitiv semiconductor eficient pentru scriere și citire informații în care informațiile ar fi stocate sub formă de "nori de încărcare" microscopici. Scopul acestei sarcini este de a concura cu o altă diviziune a acelorași Bell Labs, în care dezvoltarea elementelor de memorie bazate pe "bule magnetice" era deja în plină desfășurare.În același timp, nu sa vorbit nici o sensibilitate până acum – sarcina se referea doar la un dispozitiv pentru stocarea și citirea informațiilor.

Într-o zi memorabilă pe 17 octombrie 1969, Boyle și Smith au preluat această sarcină și, literalmente, într-o oră au aruncat un prototip al dispozitivului cu încărcătură necesară pe placă. Elementul cheie este cel mai simplu Structura MOS (Semiconductor de oxid metalic) – un puf format dintr-un strat de metal și un strat semiconductor separat printr-un strat subțire de izolator, de obicei oxid de siliciu (vezi figura 5). În acest caz, semiconductorul este ales în care purtătorii de sarcină principali nu sunt electroni, ci "găuri", adică semiconductori p(pentru cea mai simplă introducere, consultați pagina Curentul electric în semiconductori). Un electrod este potrivit pentru "plasturele" metalic și se poate aplica tensiunea necesară.

Fig. 5. Diagrama dispozitivului celei mai simple structuri MOS (figura I. Ivanov)

Rolul unui "bit" într-un astfel de dispozitiv ar trebui jucat de un nor de electroni. Cu toate acestea, păstrați-l în semiconductor p– tipul nu functioneaza: "gaurile" alerg imediat si "inghite" toti electronii liberi.Prin urmare, este necesară crearea unei mici regiuni în care vor exista puține găuri și, în același timp, asigurați-vă că electronii nu circulă nicăieri din această regiune. Ambele cerințe sunt îndeplinite într-o singură lovitură dacă se aplică o tensiune pozitivă la electrodul metalic. Sub acțiunea unui câmp electric apărut, datorită încărcării lor pozitive, găurile se vor deplasa de la o mică zonă situată direct sub electrod, iar electronii, dimpotrivă, vor "sta" în el și nu vor merge nicăieri. Formată "capcana pentru electroni", care stochează informații. Dacă există electroni în capcana – "unu" este scris în celulă, dacă nu – "zero".

Totuși, se pune imediat întrebarea: cum să citiți aceste informații? Unul trebuie doar să "elibereze" tensiunea pozitivă, deoarece norul de electroni dispare. În acest scop, Boyle și Smith au venit cu o nouă metodă de transfer de date numită încărcarea cuplajului (Figura 6).

Să presupunem că avem o serie de structuri MOS – o astfel de matrice CCD unidimensională. Electrozii sunt potriviți pentru fiecare celulă de memorie; În plus, există, de asemenea, structuri auxiliare, non-informative MOP care separă celulele de memorie.Atunci când se stochează informații pe celulele informaționale, se aplică tensiunea necesară, dar pe cele auxiliare nu este. Apoi, toate celulele vecine dintr-o dată – să zicem, în dreapta – furnizează de asemenea tensiunea necesară și, ca rezultat, fiecare "capcană de electroni" se extinde în două celule. Următorul pas este eliminarea tensiunii din celulele sursă, "capcana electronică" este comprimată din nou, dar deja sa mutat un pas spre dreapta și toți electronii curge ascultători după ea. Astfel, informațiile din toate celulele de memorie s-au schimbat sincron în dreapta. Aceasta continuă ciclul în funcție de ciclu, iar la ieșirea din această "linie" există un singur dispozitiv de citire, care percepe pur și simplu încărcarea care vine și produce un semnal electric normal.

Fig. 6. Principiul de funcționare a cuplajului de sarcină într-o matrice CCD (imagine de la wikipedia.org)

Pentru un CCD bidimensional, principiul citirii este similar (vezi figura 7). Mai întâi, întreaga matrice este deplasată sincron în jos de un registru, apoi coloana primită de biți este citită de la rigla inferioară (și numai din ea) așa cum este descris mai sus. După aceasta, întreaga matrice este din nou deplasată de un registru, informația este citită din bara inferioară și așa mai departe.Ca urmare, într-o configurație foarte compactă a semiconductorilor și utilizând un singur dispozitiv care detectează încărcarea de intrare, puteți citi secvențial, line-line, citirea întregii matrice de date.

Fig. 7. Principiul citirii informațiilor dintr-o matrice CCD bidimensională (imagine a site-ului de la ferra.ru)

Până acum, a fost doar despre manipularea celulelor de memorie și citirea informațiilor. Cu toate acestea, aceste informații nu sunt înregistrate neapărat acolo – ar putea apărea acolo de unul singur când este iradiat de o matrice CCD cu lumină. Acest lucru se întâmplă deoarece semiconductorul are o altă proprietate unică – fotosensibilitatea. Fotonii lumina, care intră în interiorul semiconductorului, generează în el o pereche de electroni și găuri. Dacă un astfel de proces are loc în structura MOS, în limitele "capcanei electronice" goale inițial, atunci electronii se așează în ea și găurile se îndepărtează. Ca urmare, în timp, o încărcătură se acumulează în capcana, care este aproximativ proporțională cu fluxul luminos absorbit. Se pare că structura MOS funcționează ca un pixel fotosensibil, cu o gamă destul de mare de gradări de luminozitate.Și dacă acum, în procesul de citire a dispozitivului nu numai că va detecta absența sau prezența unei încărcări în următoarea celulă de memorie, dar, de asemenea, va fi capabilă să măsoare încărcarea acumulată, atunci vom obține cea mai reală imagine optică înregistrată direct în formă digitală.

Desigur, CCD-urile moderne sunt mult mai perfecte decât cel mai simplu circuit. Un senzor CCD modern poate recunoaște culorile, știe cum să evite deversarea "capcanelor electronice" și este construit folosind o tehnologie avansată de semiconductori. Unele detalii pot fi găsite în articolul Trends in Digital Photography, Part 3 și The Heart of a Camera digitală: CCD.

În ceea ce privește utilizarea matricelor CCD, acestea au intrat mult timp în viața noastră sub formă de camere digitale compacte și camere video. Dimensiunile miniaturizate ale CCD-urilor au dus la o revoluție în domeniul medical, deoarece au extins dramatic atât diagnosticul (de exemplu, cu diferite tipuri de endoscopie) cât și capacitățile operative ale medicului. Datorită acestora, sa dezvoltat o tehnică chirurgicală minim invazivă (laparoscopie). În plus, acum matricile CCD sunt utilizate pe scară largă nu numai pentru detectareoptic, dar și în alte regiuni ale spectrului, în special, acestea sunt utilizate în instalații digitale cu raze X cu doze reduse. Detectoarele de vârf funcționează pe baza unui CCD pentru detectarea particulelor elementare produse la colizoare moderne. Matricele CCD se găsesc în toate telescoapele moderne, inclusiv în spațiu. Dar totul a început cu presupunerea lui Boyle și Smith despre cum să stocheze și să transmită în mod constant "un nor de electroni" într-un semiconductor.

Articole originale ale laureaților:
1) K. C. Kao și G. A. Hockham. Dielectric-Fiber Surface Wave Guides pentru frecvențe optice // Proc. IEEE, 113, 1151 (1966).
2) W. S. Boyle și G. E. Smith. Dispozitive semiconductoare conectate la încărcare // Sistemul Bell Systems Systems, 49, 587 (1970).

surse:

  • Premiul Nobel pentru Fizică 2009 – informații oficiale ale Comitetului Nobel.
  • Tutorial privind fibra optica este o scurta introducere la tehnologia fibra optica.
  • Istoria producției și parametrii fizici ai ghidurilor luminoase [//nag.ru/wiki/index.php/History_production_and_physical_parameters_ din ghidurile luminoase] – o scurtă perspectivă asupra istoriei și tehnologiei producției.
  • MP Petrov. Fibre optice pentru linii de comunicatii optice // Soros Jurnalul Educațional, 1996, nr. 5, pag. 101-108.
  • VV Shevchenko, Bazele fizice ale liniilor moderne de transmisie a semnalelor // Soros Jurnalul Educațional, 1997, nr. 3, pag. 100-106.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

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