Нобелевские лауреаты по физике 2009 г.

Нобелевская премия по физике за 2009 г.была присуждена китайцу Чарльзу Као (половина) и американцам Уилларду Бойлу и Джорджу Смиту (по четверти) за исследования в области информационных технологий. Первый стоял у истоков оптоволоконной передачи данных, двое других изобрели полупроводниковое устройство, позволяющее без фотоплёнки получать цифровые фотографии. Их работы привели к настоящей революции сначала в прикладной науке, затем в наукоёмких технологиях. В последнее десятилетие они прочно вошли в нашу жизнь, сделав её намного более комфортной. Достаточно представить себе, как выглядел бы мобильный телефон с плёночной, а не цифровой фотокамерой!

Чарльз Као (Charles K.Kao), Уиллард Бойл (Willard S.Boyle) и Джордж Смит (George E. Smith)

Оптоволоконная связь. В XIX в. научились передавать информацию на большие расстояния – как по проводам, так и без них, с помощью радиоволн. Однако сейчас пропускная способность этих каналов — будь то мегабиты в секунду или количество одновременных телефонных разговоров — уже недостаточна. Принципиальное ограничение связано с недостаточной скоростью процессов, протекающих в самом канале передачи. Рассмотрим для примера передачу информации на радиоволнах с несущей частотой 100 МГц. Информация кодируется посредством модуляции несущей волны, однако частота этой модуляции должна быть намного меньше частоты несущей, иначе волна слишком сильно исказится и займёт слишком большую полосу частот. Это значит, что частота кодирующего сигнала не должна превышать нескольких мегабит в секунду. Для увеличения скорости передачи информации приходится увеличивать и несущую частоту. Именно поэтому физики обратили свой взор к световым импульсам. При частоте порядка 1015 Гц световые импульсы позволяют, теоретически, передавать сотни терабит в секунду.

Первым попытался передать телефонный разговор с помощью света Александр Грэм Белл ещё в 1880 г.: фотофон с помощью дрожащего зеркала конвертировал звуковую волну в модулированный солнечный луч, который передавался прямо по открытому воздуху. Эта схема сильно зависела от состояния атмосферы и позволяла передавать сигналы лишь на небольшое расстояние в пределах прямой видимости. На помощь тут могло бы прийти оптоволокно — помещённая в защитную оболочку тонкая, а потому довольно гибкая стеклянная нить. Такой канал проводит свет благодаря явлению полного внутреннего отражения: свет, идущий вдоль волокна и подходящий к границе раздела стекло—воздух, не может выйти наружу, отражается обратно в стекло и в результате распространяется вдоль волокна, следуя всем его изгибам.

Однако стекло оказалось не таким уж и прозрачным материалом: взяв лист оконного стекла и посмотрев в торец, вы увидите просто толщу характерного зеленоватого цвета. Свет «пробивается» лишь на метр-другой. Затухание сигнала (т.е. уменьшение яркости светового импульса) происходит экспоненциально. Если сигнал уменьшился в 10 раз в 10-метровом отрезке, то он уменьшится в 100 раз в 20-метровом, в 1000 раз в 30-метровом и т.д. В технике порядки часто выражаются в децибелах: 10 дБ — изменение на один порядок, 20 дБ — на два и т.д. Поэтому конкретная линия передачи характеризуется своим коэффициентом затухания α, который выражают в дБ/м (или дБ/км). Описанная выше ситуация отвечает α ~ 1000 дБ/км. Именно такой и наблюдался даже в самых чистых стёклах, которые изготавливались в первой половине XX в. Оптоволокна всё же начали применяться там, где не требовалось больших расстояний (например, в медицине при гастроскопии). Чтобы оптоволокна стали эффективным коммуникационным носителем, требовалось уменьшить коэффициент затухания хотя бы в сотню раз — скажем, до 20 дБ/км. Способов решения этой задачи не предвиделось. В результате в 1950-е гг. намного больше оптимизма вызывали иные способы телекоммуникаций. Так, в 1956 г. был проложен первый телефонный трансатлантический кабель, а спустя пару лет началось бурное развитие спутниковых технологий (первый спутник связи был запущен уже в 1958 г.).

В 1960-е гг. Ч.Као, молодой инженер китайского происхождения, только что защитивший диссертацию в Лондонском университете, решил разобраться, почему всё же не удаётся добиться требуемой прозрачности стекла. В конце концов он пришёл к выводу, что главный вклад в затухание вносят примеси, и предсказал, что если удастся эти примеси устранить, то коэффициент затухания снизится до единиц дБ/км!

К тому времени «подоспели» также и лазеры, которые выдавали свет, идеально подходящий для передачи сигналов по оптоволокну. В результате в конце 1960-х гг. интерес к этой теме вспыхнул с новой силой, и началась самая настоящая технологическая гонка. Као продолжал активно изучать распространение света в разных материалах и понял, что наи лучшим является кварцевое стекло. Изготовление высокочистого кварцевого стекла оказалось непростой задачей из-за очень высокой температуры плавления. Тем не менее в 1970 г. группа исследователей из компании Corning Glass Works (Р.Маурер, Д.Кек и П.Шульц) с помощью технологии химического осаждения из газовой фазы получили волокна с α = 16 дБ/км, через два года – до 4 дБ/км. Пять лет спустя первые коммерческие оптоволоконные каналы появились в Великобритании, затем в США и Японии, а в 1988 г. был проложен трансатлантический оптоволоконный кабель. Технология продолжала развиваться, и сейчас в образцах с рекордной прозрачностью α < 0,2 дБ/км!

В заключение полезно взглянуть также на график зависимости коэффициента поглощения в кварцевом стекле от длины волны света. Видно, что потери меньше всего не в оптической, а в ИК-области спектра. С уменьшением длины волны коэффициент затухания резко возрастает из-за рассеяния света на неоднородностях показателя преломления среды (рэлеевское рассеяние). В области же длин волн более 1 мкм начинают проявляться сильные линии поглощения гидроксильной группы OH, от которых не удаётся избавиться. В результате минимальное поглощение приходится на отдельные «окна прозрачности» (1,3 мкм и 1,55 мкм) в ближнем ИК-диапазоне. Вот именно на этих частотах и работает оптоволоконная связь. Между прочим, интересно отметить, что именно из-за рэлеевского рассеяния небо выглядит голубым, а закат красным: чем более «красный», т.е. длинноволновый, свет, тем дальше он проходит и тем меньше рассеивается в атмосфере. Поэтому можно сказать, что ИК-диапазон был выбран для оптоволоконной связи по той же причине, по которой закат окрашивает небо в багровый цвет.

Приборы с зарядовой связью. Прибор с зарядовой связью — ПЗС (по-английски CCD — charged-coupled device) – полупроводниковое устройство, которое позволяет делать фотографии сразу в цифровом формате: был световой поток — и из него сразу же получился файл с изображением. А ведь ещё несколько десятилетий назад цифровая обработка фотографических данных, применявшаяся сугубо в научных исследованиях, была длительной и многошаговой. Изображение фиксировалось на плёнку, проявлялось, печаталось, затем сканировалось, превращалось в файл и только затем обрабатывалось. ПЗС-матрица, которая, минуя все эти этапы, сразу же давала пригодное для обсчёта цифровое изображение, резко упростила и ускорила весь процесс наблюдения и обработки данных.

Прибор с зарядовой связью стал возможен благодаря двум вещам: удивительному классу материалов, полупроводникам и смекалке исследователей. С.Бойл и Дж.Смит, будучи сотрудниками знаменитой лаборатории Bell Labs (на счету которой, кстати, уже семь Нобелевских премий), получили задание придумать эффективное полупроводниковое устройство для записи и считывания информации, в котором информация хранилась бы в виде микроскопических «облачков заряда». Цель этого задания — составить конкуренцию другому подразделению той же Bell Labs, в котором уже полным ходом шла разработка элементов памяти на основе цилиндрических магнитных доменов. Ни о какой светочувствительности речь пока не шла — задача касалась только устройства для хранения и считывания информации.

В памятный день 17 октября 1969 г. Бойл и Смит взялись за эту задачу и буквально в течение часа набросали на доске прототип требуемого устройства. Ключевым его элементом была МОП-структура (металл—оксид—полупроводник) — слойка, состоящая из металлического слоя и полупроводника, разделённых тонкой прослойкой изолятора, обычно оксида кремния. В полупроводнике при этом главными носителями заряда являлись не электроны, а «дырки», т.е. полупроводник должен был быть p-типа. Роль бита в таком устройстве играло «облачко» электронов. Однако хранить его не просто: дырки тут же «поглощали» все свободные электроны. Требовалось создать небольшую область, в которой дырок было бы очень мало, а электроны никуда бы из этой области не разбегались. Оба этих требования удовлетворяются, если на металлический электрод подать положительное напряжение. Под действием электрического поля дырки из-за своего положительного заряда уйдут прочь из небольшой зоны прямо под электродом, а электроны, наоборот, будут в ней «сидеть». Образуется «ловушка для электронов», которая и хранит информацию. Если в ловушке есть электроны — в ячейке записана «1», если нет — «0». Получается так называемая ячейка памяти.

А как считывать эту информацию? Ведь стоит только снять положительное напряжение, как электронное облачко исчезнет. Вот для этой цели Бойл и Смит и придумали новый метод передачи данных – зарядовую связь. Пусть у нас есть ряд из МОП-структур — одномерная ПЗС-матрица. К каждой ячейке памяти подведены электроды, но напряжение подаётся только на активные, информационные ячейки. На неинформационные ячейки, разделяющие активные, напряжение не подаётся. Затем сразу на все соседние с активными ячейки (скажем, справа) тоже подаётся напряжение, в результате каждая «ловушка для электронов» расширяется на две ячейки. Следующим шагом напряжение с исходных ячеек снимается, «ловушка» перемещается на шаг вправо. Таким образом, информация во всех ячейках памяти синхронно сдвигается вправо. И так цикл за циклом, в итоге информация достигает считывающего устройства на выходе этой «линейки», которое воспринимает приходящий заряд и выдаёт электрический сигнал. Аналогично обстоит дело, если ПЗС-матрица двумерная: одно-единственное устройство последовательно, строчка за строчкой, считывает весь массив данных.

Исходную информацию можно записывать с помощью как электрического, так и светового сигнала – при освещении ПЗС-матрицы. Ведь полупроводник обладает ещё одним замечательным свойством — светочувствительностью. Световые фотоны, попадая в полупроводник, порождают в нём пары электронов и дырок. Электроны оседают в ловушках, а дырки уходят. И если считывающее устройство не просто детектирует отсутствие или наличие заряда в очередной ячейке памяти, но и измеряет накопившийся заряд, то получается самое настоящее оптическое изображение, записанное сразу в цифровом виде. Подробнее см. в статьях М.Милчева «Тенденции в цифровой фотографии» [www.3dnews.ru/digital/photo-matrix/] и «Сердце цифровой камеры: ПЗС-матрица» [www.ferra.ru/online/digiphoto/s27140/print/].

ПЗС-матрицы давно вошли в нашу жизнь в виде компактных цифровых фото- и видеокамер, совершили революцию в медицине, применяются в малодозных цифровых рентгеновских установках, стоят во всех современных телескопах, включая космические. Но началось всё именно с догадки С.Бойла и Дж.Смита о том, как хранить и последовательно передавать «облачка электронов» в полупроводнике.

Сайт elementy.ru/news/431164 (в сокращении)