Физика бойынша Нобель сыйлығы - 2009 • Игорь Иванов • «Элементтер» бойынша ғылым жаңалықтары • Нобель сыйлығы, ақпараттық технологиялар, физика

Физика бойынша Нобель сыйлығы – 2009

Сурет. 1. 2009 жылғы физика бойынша Нобель сыйлығының лауреаты, Чарльз Цао, Уиллард Бойль және Джордж Смит (nobelprize.org сайтынан алынған сурет)

2009 жылы Физика бойынша Нобель сыйлығының иегері қытайлық Чарльз Као мен американдықтар Уиллар Бейле мен Джордж Смитке ақпараттық технологиялар саласындағы зерттеулер үшін марапатталды. Kao талшықты-оптикалық деректерді беру технологиясының пайда болуында болды, ал Бойль мен Смит сандық фотосуреттерді алу үшін фильмді айналып өтуге мүмкіндік беретін жартылай өткізгіш құрылғы ойлап тапты. Олардың еңбегі алдымен қолданбалы ғылымда, содан кейін жоғары технологияда нақты революцияға алып келді және соңғы онжылдықта олар біздің күнделікті өмірімізде орнықтырылып, оны әлдеқайда ыңғайлы етеді. Сандық фотокамерамен емес, кинофильмі бар ұялы телефонның қандай болатынын елестету жеткілікті!

Талшықты-оптикалық байланыс

XIX ғасырдағы технологиялық революциялардың бірі – радиотолқындар арқылы сымды және онсыз ұзақ қашықтыққа ақпарат беру жолдары. Алдымен бұл екі нұсқа адамның барлық ақпарат пен байланыс қажеттіліктерін толығымен қанағаттандыруы керек еді.Дегенмен, қазіргі заманғы әлем үшін бұл арналардың өткізу қабілеті – секундына мегабит немесе бір мезгілде телефонмен сөйлесу саны – өте, өте жеткіліксіз. Және, ең бастысы, өткізу жолының ені трансмиссиялық арнада орын алған процестердің қарқындылығына байланысты кез-келген технологиялық жетілдірулермен айналып өтуге болмайтын іргелі шектеулерге ие.

Мысалы, 100 МГц жиіліктегі радиотолқындар арқылы ақпарат беруді қарастырайық. Ақпарат тасушы толқынының кішкене модуляциясы ретінде кодталады, бірақ бұл модуляция толқынның өздігінен ауытқуына қарағанда әлдеқайда баяу болуы керек, әйтпесе толқын тым үлкен бұрмаланып, жиілік диапазоны тым үлкен болады. Бұл дегеніміз, мұндай толқында секундына бірнеше мегабит жиілігі бар бір-біріне сәйкес келетін биттердің тізбегін кодтауға болады. Сондықтан, егер біз ақпаратты беру жылдамдығын арттырғымыз келсе, біз электромагниттік толқындардың жиілігін көбейтеміз. Сондықтан физиктер назарын жеңіл импульстарға айналдырды. Жиілігі шамамен 1015 Гц жарық импульстері кемінде теориялық секундына жүз терабитке мүмкіндік береді (іс жүзінде, мәселе қазірдің өзінде сигнал қабылдағышы мен таратқыштың жылдамдығына байланысты).

Бір қызығы, жарық арқылы телефонмен әңгімелесуді бірінші рет 1880 жылы, телекоммуникациялық технологияның басында Александр Грэм Белл жүзеге асырды. Оның құрылғысы – фотофон – дүрсілдеген айна көмегімен, дыбыстық толқынды модулированный күн сәулесіне айналдырды, ол алушыға тікелей ашық ауамен жіберілді. Бұл схема ашық шудың әсеріне ұшырап, атмосфераның күйіне қатты тәуелді болды және кез-келген жағдайда сигналдарды көру сызығының ішіндегі кішкентай қашықтыққа жіберуге мүмкіндік берді. Аспапты неғұрлым тиімді пайдалану үшін жарық сыртқы жарық әсерінен қорғалған арна арқылы өтуі керек болды.

Талшықты оптика мұнда құтқаруға келуі мүмкін – жіңішке, қорғаныс қабығына орналастырылған, сондықтан өте икемді шыны жіп. Мұндай арна жалпы ішкі көріністің феноменіне байланысты жарық береді. Бұл талшықтың бойымен өтетін және «әйнек-ауа» интерфейсіне жақындаған жарық шықпайтын әсердің атауы,ол әйнекке қайтадан көрінеді, нәтижесінде талшықтың бойымен өтіп, оның барлық бұрыштарын бағындырады.

20-шы ғасырдың басында бұл әсерді ұзақ қашықтықта жарық сигналдарын беру үшін қолдануға әрекет жасалды, бірақ мұнда күтпеген нәрсе пайда болды – шыны мөлдір материал болмады. Сіз мұны өзіңіз тексере аласыз. Терезе әйнегінің парағын алыңыз және пышақпен қараңыз. бірге шыны Қарама-қарсы аядан кескінді көре алмайсыз, тек қарапайым жасыл түстің қалың стакасы. Жеңіл «әдеттегі шыны қалыңдығынан» тек екі метрге дейін «үзіледі».

Өлшем бірліктерін ауытқу. Егер талшық біркелкі болса, сигналдың әлсіреуі (яғни жарық импульсінің жарықтығын азайту) қашықтыққа экспоненталық түрде өтеді. Басқаша айтқанда, онда қанша сигналдар бойынша сигнал әлсіреді, жолдың ұзындығына пропорционалды. Егер 10 метрлік талшықтағы сигнал 10 есе төмендетілсе, 20 метрлік талшықта 100 рет, 30 метрлік талшықта 1000 рет және т.б. болады. Инженерияда бұйрықтар жиі децибелдерде көрінеді: 10 дБ – бір тапсырыс, 20 дБ – екі тапсырыста өзгерту және т.б.Сондықтан, белгілі бір электр жеткізу желісі оны сипаттайды әлсіреу коэффициентіол көрсетілген дБ / м (немесе дБ / км). Жоғарыда сипатталған жағдай (10 метр жолдың 10 есе құлауы) 1000 дБ / км демпферлік коэффициентіне сәйкес келеді.

ХХ ғасырдың бірінші жартысында өндірілген ең таза стакандарда да, жарық он метрден, яғни, әлсіреу коэффициенті шамамен 1000 дБ / км шамасында азайтылды. Оптикалық талшықтар да үлкен қашықтықты қажет етпейтін кейбір тапсырмаларда (мысалы, гастроскопия кезінде медицинада) қолданыла бастады. Бірақ мұндай қашықтықта деректерді тиімді беру үшін осындай оптикалық талшықтарды пайдалану бұрынғысынша нағыз емес еді. Бағалауы бойынша, оптикалық талшықтар тиімді байланыс тасымалдаушысы болу үшін кем дегенде жүз рет, яғни 20 дБ / км деңгейіне дейін, әлсіреу коэффициентін азайту керек. Бірақ бұған қалай қол жеткізуге болады және оны қол жеткізуге бола ма, жоқ па, 20 ғасырдың ортасында мүлдем түсініксіз. Сонымен қатар, әлсіреуден басқа, шыныда жарықтың дисперсиясы сияқты басқа да проблемалар болды, соның арқасында жарық пульстің профилі танымнан тыс бұрмаланған болатын.

Нәтижесінде, 1950 жылдары мамандардың осы жалпы кәсіпорынға деген жалпы көзқарасы өте күмәнсіз болды, ал телекоммуникацияның басқа әдістері әлдеқайда оптимистік болды. Мәселен, 1956 жылы алғашқы телефондық трансатлантикалық кабель салынды, ал бірнеше жылдан кейін спутниктік технологияның жылдам дамуы басталды (1958 жылы алғашқы байланыс спутнигі іске қосылды).

Сурет. 2 1960 жылдары: Чарльз Caо оптикалық талшықтармен эксперименттер жүргізеді (nobelprize.org сайтынан алынған сурет)

60-шы жылдары Лондон университетінде кандидаттық диссертация қорғаған қытай тілінің жас инженері Чарльз Саа, ол әлі де әйнектің ашықтығына қол жеткізе алмайтынын түсінді. Жас теоретші Г Х Хохаммен бірге шыныдағы түрлі оптикалық процестерді мұқият зерттеді және жарықтың азаюына басты үлес әйнектің қоспалары арқылы ғана жасалады деген қорытындыға келді. Kao болжағандай, егер бұл қоспалар жойылса, онда бірнеше дБ / километрдің демпфирлеу коэффициентіне қол жеткізуге болады!

Осы уақытқа дейін «лазерлер» пайда болды, олар талшықтан сигналдарды беру үшін өте ыңғайлы жарық шығарады.Нәтижесінде, 1960 жылдардың соңында осы тақырыпқа деген қызығушылық жаңа күшке толы болды және шынайы технологиялық жарыстар шыны аз мөлшерде әлсіреп, мүмкіндігінше таза тазартыла бастады. Бұл жерде Kao өзі де үлкен рөл атқарды. Ол әртүрлі материалдардағы жарықтың таралуын белсенді зерттеуді жалғастырды және кварц әйнегі ең жақсы таңдау болуы керек деген қорытындыға келді. Бұдан басқа, ол талшықты-оптикалық ақпараттық технология идеясын белсенді түрде таратып, әртүрлі зертханалар қызметкерлерімен, сондай-ақ инженерлермен және өнеркәсіпшілермен әңгімелесті.

Жоғары тазалығы бар кварц шыныны өте жоғары балқу нүктесіне байланысты қиын міндет ретінде дәлелдеді. Дегенмен, 1970 жылы Corning Glass Works (Роберт Маурер, Дональд Кек, Петер Шульц) зерттеушілер тобы химиялық будың тұндыру технологиясын қолдану арқылы қажетті талшықтарды қалай өсіру керектігін білді. 1970 жылы олар 16 дБ / км қатынасына қол жеткізді, екі жылдан кейін бұл көрсеткіш 4 дБ / км-ге дейін төмендеді. Бес жыл өткен соң, Ұлыбританияда алғаш рет коммерциялық талшықты-оптикалық арналар пайда болды, содан кейін АҚШ пен Жапонияда, ал 1988 жылы трансатлантикалық талшықты-оптикалық кабель салынды.Сонымен қатар, технология (3 сур.. Қараңыз) дамыту жалғастырды, ал қазір рекордтық ашықтығы сынамада сіңіру коэффициенті 0,2 кем дБ / км. Бұл Kao оның теориялық жұмыстарға болды бағалауы, тіпті аз болып табылады.

Сурет. 3 Уақыт бойынша шыны мөлдірлігінің эволюциясы; тігінен Оң жақтағы тік шкала кешіктірілді басылу коэффициенті дБ / км, шақырымдық шыны бағанды ​​өткеннен кейін қалады сигнал қандай пайызы көрсетеді. Кітап Fiber Optics Essentials кітабы

жарық (сур. 4) толқын ұзындығы кварц шыны сіңіру коэффициентін учаскесі қарауға Соңында Starter, сондай-ақ пайдалы. Ол шашырау жоғалту оптикалық және инфрақызыл кем ықтимал емес екенін көруге болады. ортада сыну индексі біртексіз (Rayleigh шашырау) арқылы күрт салдарынан жарық шашырау үшін толқын ұзындығы басылу коэффициенті артады азаюына. Екінші жағынан, 1 мкм жоғарыда толқын ұзындығы облысында Сіз талшықты құтылу мүмкін емес, оның бір гидроксил тобының OH, күшті сіңіру желілерін көрсету бастайды. Нәтижесінде, жақын инфрақызыл диапазонында жатыр, және ол осы жиілікте болып табылады және талшықты-оптикалық байланыс жұмыс істейді жеке «терезе мөлдірлігі» (әдетте 1,3 микрон және 1,55 мкм) ішіне аз сіңуін бар.

Сурет. 4 жарық қорытылған талшықты толқын ұзындығының әлсіреу коэффициенті тәуелділігі (www.newport.com тораппен сурет)

Айтпақшы, ол өйткені аспан Rayleigh шашырау көк және Sunset Қызыл көрінеді екенін атап қызықты: – яғни, ұзақ толқын – көп «қызыл» жарық, әрі қарай ол атмосферада аз шашыраңқы жүріп. Сондықтан, біз IR ауқымы Sunset күлгін түсті аспан бояулары сол себеппен талшықты-оптикалық байланыс үшін таңдалды деп айтуға болады.

Қосылған құрылғыны зарядтаңыз

Нобель сыйлығының екінші жартысы ойлап үшін Уиллард Бойль және Джордж Смит ие болды зарядтау құрылғысы – CCD (ағылшын тілінде) CCD – зарядталған құрылғы). және одан шығудың бірден кескін файлы айналды – сондықтан сіз сандық форматта бірден суреттер түсіруге мүмкіндік беретін жартылай өткізгішті құрылғы жарық ағыны болды деп аталатын. сандық фотосурет соншалықты таныс, бір уақытта, ол осы жаңалық дәлелдеді қалай революциялық сезімін жоғалтып. Бірақ жай ғана бірнеше онжылдықтар бұрын, фотографиялық деректерді сандық өңдеу, ғылыми-зерттеу тек қана қолданылады, ұзақ және көп сатылы болды.Кескін жазылған, көрініс тапқан, басып шығарылған, кейін сканерленіп, файлға айналдырылған, содан кейін ғана өңделді. Барлық осы кезеңдерді айналып өтетін ПМЖ дереу қолдануға болатын цифрлық кескінді берді, бақылау мен деректерді өңдеудің бүкіл үрдісін едәуір оңайлатты және жылдамдатты.

Зарядты қосалқы құрылғы екі нәрсеге байланысты мүмкін болды: жаратылыс материалдарының таңғажайып сыныбы – жартылай өткізгіштер және олардың қасиеттерін қалай толық пайдалану керектігін анықтаған зерттеушілердің қызығушылығы. Бойл мен Смит белгілі Bell Labs лабораториясының қызметкерлері болған (ол, бәлкім, қазірдің өзінде жеті Нобель сыйлығы бар, бірақ бұған қарамастан, өткен жылы негізгі зерттеу тобын жабу туралы шешім қабылдады) жазу және оқу үшін тиімді жартылай өткізгіш құрылғы жасау міндеті қойылды ақпарат микроскопиялық «зарядты бұлт» түрінде сақталатын ақпарат. Бұл тапсырманың мақсаты – «Bell» зертханасының басқа бөлімшелерімен бәсекелесу, онда «магниттік көпіршіктерге» негізделген жады элементтерінің дамуы қазірдің өзінде толығымен болды.Сонымен қатар, ешқандай сезімталдық туралы сөз болған жоқ – тапсырма тек ақпаратты сақтау және оқу құрылғысына қатысты болды.

1969 жылғы 17 қазанда ұмытылған күні Бойль мен Смит бұл тапсырманы орындады және бір сағат ішінде тақтада қажетті ақы-пұлдық құрылғының прототипін тастады. Оның басты элементі – қарапайым MOS құрылымы («Металл оксидінің жартылай өткізгіші») – оқшаулағыштың жіңішке қабаты, әдетте кремний тотығы (5-суретті қараңыз) бөлетін металл қабатынан және жартылай өткізгіш қабаттан тұратын саңылаулар. Бұл жағдайда негізгі заряд тасымалдаушылар электрондар емес, бірақ «тесіктер», яғни жартылай өткізгіш стипті (қарапайым енгізу үшін, жартылай өткізгіштердегі электр тогының парағын қараңыз). Электрод металға арналған «патч» үшін қолайлы, оған қажетті кернеу қолданылуы мүмкін.

Сурет. 5 Ең қарапайым MOP құрылымының құрылғының сызбасы

Осындай құрылғыдағы «бит» рөлі электрондардың бұлтымен ойнауы керек. Дегенмен, оны жартылай өткізгіште сақтаңыз стетік тек жұмыс істемейді: «тесіктер» дереу іске қосылады және барлық еркін электрондарды «жуады».Сондықтан өте аз саңылаулар пайда болатын кішігірім аймақты құру қажет, сонымен бірге электрондар осы аймақтан еш жерде жұмыс істемейтініне көз жеткізіңіз. Металды электродқа оң кернеу қолданылған жағдайда, осы екі талаптар да бір құлдырау кезінде орындалады. Пайда болған электр өрісінің әсер етуі нәтижесінде олардың оң зарядталғандығына байланысты тесіктер электродтың астындағы шағын аймақтан кетеді, ал электрондар, керісінше, онда «отырады» және ешқайда кетпейді. Ақпаратты сақтайтын электрондардың тұзағы қалыптасты. Егер тұзақтағы электрондар болса – «бір» ұяшықта жазылады, егер жоқ болса – «нөл».

Алайда, мәселе туындайды: бұл ақпаратты қалай оқуға болады? Бір электронды бұлт жоғалып бара жатқанда, оң кернеуді «босату» ғана бар. Осы мақсатта Бойль мен Смит жаңа деректерді беру әдісін қолданды зарядтау байланысы (Cурет 6).

Мысалы, бізде MOS-құрылымдар сериясы бар – осындай өлшемді ПЗ матрицасы. Электродтар әрбір жады клеткасына жарайды; Сонымен қатар, жад жасушаларын бөлетін қосалқы, ақпараттық емес MOP құрылымдары да бар.Ақпараттық камералар туралы ақпаратты сақтау кезінде қажетті кернеу қолданылады, бірақ қосалқы құрылғыларда ол жоқ. Одан кейін барлық көрші ұяшықтар бірден – оңға-ақ қажетті кернеуді жеткізеді, нәтижесінде әрбір «электронды тұзақ» екі ұяшыққа дейін кеңейеді. Келесі қадам – ​​көздің жасушаларынан кернеуді алып тастау, «электронды тұзақ» қайтадан қысылады, бірақ ол қадамды оңға жылжытты және барлық электрондар оны кейіннен ағынмен ағады. Осылайша, барлық жад ұяшықтарындағы ақпарат синхронды түрде оңға ауысады. Бұл циклды цикл арқылы жалғастырады, және осы «сызықтың» шығуында оған келетін зарядты қарапайым сандық электрлік сигнал шығаратын қарапайым оқу құрылғысы бар.

Сурет. 6 ПЗС матрицасындағы зарядтау байланысы жұмысының принципі (wikipedia.org-нің суреті)

Екі өлшемді CCD үшін оқу принципі ұқсас (7-суретті қараңыз). Ең алдымен, барлық матрица синхронды түрде бір тізілімге ауысады, содан кейін алынған биттерді баған жоғарыда сипатталғандай ең төменгі сызғыштан (және одан ғана) оқылады. Осыдан кейін, бүкіл матрица қайтадан бір тізіліммен ауыстырылады, ақпарат төменгі жолақтан қайтадан оқылады және тағы басқалар.Нәтижесінде өте ықшам жартылай өткізгіштік конфигурацияда және кіріс заряды анықтайтын бір құрылғыны пайдаланып, сіз дәйекті түрде сызық бойынша барлық деректер массивін оқи аласыз.

Сурет. 7 Екі өлшемді ПЗ матрицасынан ақпаратты оқу қағидаты (ферра.ru сайтының суреті)

Осы уақытқа дейін тек жады клеткаларын басқару және ақпаратты оқу туралы болды. Дегенмен, бұл ақпарат міндетті түрде жазылмайды – ол жерде пайда болуы мүмкін өз-өзім жарықпен жарықтандырылған ПЗС массивімен сәулелену кезінде. Бұл жартылай өткізгіштегі тағы бірегей қасиеті бар – бұл сезімталдық. Жартылай өткізгіштегі жарық фотонды, оған электрондар мен тесіктерді жұптастырады. Егер мұндай процесс MOS құрылымында, бастапқыда бос «электронды тұзақ» шегінде жүрсе, онда электрондар онда орналасады және тесіктер кетеді. Нәтижесінде, уақыт өте келе, заряд зарядталған торда жинақталады, ол шамамен сіңірілетін жарық ағынына пропорционалды. MOS құрылымы жарықтық деңгейлерінің жеткілікті үлкен ауқымымен фоточувствительный пиксель ретінде жұмыс істейді.Ал егер оқу процесінде құрылғы келесі жадыдағы зарядтың жоқтығын немесе болмауын ғана емес, сонымен бірге жинақталған зарядты өлшеуге мүмкіндік берсе ғана, біз сандық түрде жазылған ең нақты оптикалық бейнені аламыз.

Әрине, қазіргі заманғы CCD-лер қарапайым тізбектен әлдеқайда кемірек. Қазіргі заманғы CCD сенсоры түстерді тани алады, «электрондардың тұзақтары» төгілуден аулақ болатынын біледі және ол дамыған жартылай өткізгіш технологиясы арқылы жасалады. Кейбір мәліметтерді Сандық фотосуреттегі үрдістер, 3-бөлім және Сандық камераның жүрегі: ПЗС мақаласынан табуға болады.

ПЗС матрицаларын пайдалану болсақ, олар біздің өмірімізді ықшам сандық камералар мен бейнекамералар түрінде ұзақ уақытқа енгізді. ПЗС-ның кішігірім өлшемдері медицина саласындағы революцияға әкелді, өйткені олар диагностиканы (мысалы, эндоскопияның әртүрлі түрлерімен) және дәрігердің жедел мүмкіндіктерін күрт кеңейтеді. Олардың арқасында шағын инвазиялық хирургиялық әдіс (лапароскопия) дамыды. Сонымен қатар, енді ПЗС массивтері тек анықтау үшін ғана емес кеңінен қолданыладыоптикалық сәулелену, сонымен қатар спектрдің басқа аймақтарында, атап айтқанда, олар төмен дозада сандық рентгендік қондырғыларда қолданылады. Vertex детекторлары заманауи коллайдерлерде шығарылған қарапайым бөлшектерді анықтау үшін ПЗС негізінде жұмыс істейді. CCD матрицалары қазіргі заманғы телескоптарда, соның ішінде ғарышта орналасқан. Бірақ бәрі Бойль мен Смит туралы жартылай өткізгіштегі «электронды бұлтты» сақтау және дәйектілікпен беру туралы.

Лауреаттардың түпнұсқа мақалалары:
1) К.К.Као және Г.Хокхем. Оптикалық жиіліктерге арналған диэлектрлік-талшықты бетінің толқындық нұсқаулары // Proc. IEEE, 113, 1151 (1966).
2) В. С. Бойль және Г.Смит. Жартылай өткізгіш құрылғылардың зарядталуы // Bell Systems Техникалық журналы, 49, 587 (1970).

Көздер:

  • Нобель сыйлығының лауреаты 2009 жылы – Нобель комитетінің ресми ақпараты.
  • Талшықты-оптикалық технологияға қысқаша кіріспе.
  • Өндіріс тарихы мен жеңіл бағыттаушылардың физикалық параметрлері [//nag.ru/wiki/index.php/History_production_and_physical_parameters_ жарық нұсқауларының] – өндіріс тарихы мен технологиясы туралы қысқаша түсінік.
  • М.П.Петров. Оптикалық байланыс желілері үшін оптикалық талшықтар // Сорос білім беру журналы, 1996, № 5, с. 101-108.
  • В.В. Шевченко, сигнал берудің заманауи желілерінің физикалық негіздері // Сорос білім беру журналы, 1997 ж., № 3, 100-106 бет.

Игорь Иванов


Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

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