Досье «УГ»

Педагогический комментарий

В статье сошлись несколько тем школьного курса физики - «Оптика», «Полупроводники», «Фотоэффект». Доступная форма подачи, минимум сложных теоретических выкладок позволяют использовать данный материал на уроках физики в качестве иллюстрации. Условно информацию можно разделить на две части:

1. О Чарльзе Као и применении оптоволокна.

Давать либо перед изучением темы «Полное внутреннее отражение» как мотивирующий элемент, либо после изучения этой темы как наглядный пример практического применения физических знаний.

2. О Уилларде Бойле и Джордже Смите и ПЗС-матрицах.

Пригодится при обобщающем повторении курса физики и знакомстве учащихся с основами физической картины мира как наглядный пример взаимодействия различных физических теорий и взаимосвязи природных явлений, что для учеников не всегда очевидно.

Вадим МУРАНОВ, учитель физики средней школы №19 города Ногинска, победитель конкурса «Учитель года России-2009», Московская область

Полностью публикация приведена в формате PDF:

Скачать/Просмотреть

Почему стал возможен современный Интернет? Технологического открытия ХIХ века - передачи информации на расстояние с помощью радиоволн - человечеству оказалось недостаточно, слишком мала была пропускная способность каналов и слишком медленными были процессы в самом канале передачи. Пытливая мысль ученых обратилась к световому лучу.

В 1880 году А.Грэм Белл патентует фотофон, способный передавать разговор с помощью света на небольшие расстояния (прибор основан на способности кристаллов селена изменять электропроводимость под действием световых лучей).

Следующей возникает идея применения оптоволокна - гибкой и тонкой нити из оптически прозрачного материала, например стекла или пластика, заключенной в защитную оболочку, ведь в ней свет не может вырваться наружу на границе «материал-воздух», поскольку отражается обратно в материал и послушно следует вдоль волокна. Эффект достигается за счет того, что коэффициент преломления сердцевины оптоволокна незначительно выше такового для оболочки. Однако проблемой ХХ века оказался сам материал оптоволокна - в тех, которые использовались для изготовления, свет «затухал» через десятки метров, то есть коэффициент затухания составлял порядка тысяч дБ/км (децибел на километр). Вот почему идея была отложена, уступив место телефонии и спутникам. Впрочем, оптоволокно стало сразу же применяться в медицине для гастроскопии.

И только вторая половина XX столетия принесла решение задачи.

В 1960 году молодой инженер Чарльз Као совместно с теоретиком Г.А.Хокэмом пришел к выводу, что главный вклад в затухание света вносят примеси в стекле. Если их устранить, можно было бы добиться коэффициента затухания в несколько дБ/км и ниже. Чуть позже Ч.Као высказывает мысль, что наилучший выбор - кварцевое стекло.

Начинается технологическая гонка за сверхчистым стеклом с минимальным затуханием, тем более что «подоспевшие» лазеры могли быть использованы для получения светового импульса, идеально подходящего для передачи сигнала по оптоволокну.

В 1970 году группа исследователей Р.Маурер, Д.Кек, П.Шульц (компания Corning Glass World) получила нужные волокна с помощью технологии парофазного осаждения стекла, коэффициент затухания в них составлял 16 дБ/км (то есть пройдя по волокну расстояние в 1 км, мощность света уменьшалась до ~ 1% начальной), хотя изготовление затруднялось высокой температурой плавления кварцевого стекла. В результате в 1975 году Великобритания стала первой страной, установившей у себя коммерческую оптоволоконную сеть.

А в 1988 году по дну Атлантического океана был проложен оптоволоконный кабель, соединивший Европу с Америкой. Длина кабеля составила 6000 км.

С тех пор технология производства стекловолоконных световодов непрерывно совершенствуется, ведь они нечувствительны к молниям, как медные провода, и к атмосферным помехам, как радиоволны. Качество же современных волокон таково, что ослабление сигнала составляет лишь несколько процентов на километр. Работает такая связь в ИК-диапазоне, так как потери на рассеяние в инфракрасной части спектра наименьшие.

Скорость передачи информации выросла в 10000 раз по сравнению с радиосвязью, в оптико-волоконную связь вкладываются огромные деньги: на суше проложен миллиард километров волоконных кабелей, под водой более 600 тысяч, и они связывают все континенты. Без них невозможен быстрый Интернет.

Значительную часть данных, передаваемых по оптоволокну, сегодня составляют цифровые изображения. Вторую половину Нобелевской премии по праву получили американские исследователи. У.Бойл и Д.Смит, работая в компании Bell Laboratories (которая дала миру несколько нобелевских лауреатов по физике), в 1969 году предложили идею ПЗС-матрицы (прибор с зарядовой связью), или по-другому CCD-сенсора (аббревиатура от английского Сharge Coupled Device, т. е. устройство с зарядовой связью). Прибор с зарядовой связью представляет собой миниатюрное полупроводниковое устройство, в котором светочувствительная полупроводниковая микросхема позволяет преобразовывать световой сигнал в электронный. В основе устройства лежит так называемый фотоэлектрический эффект, за разработку теории которого в 1921 году получил свою Нобелевскую премию по физике Альберт Эйнштейн.

Ключевой элемент устройства - МОП-структура (металл-оксид-полупроводник), состоящая из металлического слоя и слоя полупроводника, разделенных слоем изолятора. Это полупроводник р-типа, главный носитель заряда в нем - «дырки». К металлу подключен электрод, на который подается положительное напряжение. Роль битов – единиц информации - в данном случае играют электроны. При воздействии электрического поля «дырки» перемещаются с поверхности полупроводника, в результате чего образуется потенциальная яма-ловушка для электронов. Ловушка хранит информацию в двоичной системе: если в ней есть электрон, значит, записывается единица, нет - значит нуль.

Информация считывается методом зарядной связи. Одномерная ПЗС-матрица построена из ряда МОП-структур, к каждой из которых подведены электроды. Часть МОП-структур - неинформационные. При хранении информации на информационные ячейки подается нужное напряжение, на неинформационные - нет. При одновременной подаче напряжения на все соседние ячейки справа каждая ловушка расширяется на количество вовлеченных в процесс ячеек. Затем напряжение с исходных ячеек снимается, ловушка снова становится единичной, но при этом она переместилась на шаг вправо вместе со всеми электронами. В результате информация во всех ячейках памяти синхронно сдвинулась вправо. Так продолжается последовательно, а на выходе с этой матрицы стоит считывающее устройство, которое принимает приходящий на него заряд и выдает цифровой электрический сигнал (см. рис. 1).

Для двумерной ПЗС-матрицы принцип считывания аналогичен. Вся матрица синхронно сдвигается на один регистр вниз, а считывание информации производится с самого нижнего ряда МОП-структур по вышеописанному для одномерной ПЗС-матрицы принципу. Процесс происходит последовательно и позволяет считать весь массив записанных данных (см. рис. 2).

Так выглядит работа и управление ячейками памяти в процессе считывания информации. Однако полупроводник обладает светочувствительностью, поэтому информация может возникать и накапливаться в МОП-структурах также под действием света. Фотоны, попадая в рабочую зону МОП-ячейки, генерируют в ней пары электронов и «дырок», причем по описанному выше принципу «дырки» уходят с поверхности полупроводника, а электроны остаются в ловушке. В результате в последней постепенно накапливается отрицательный заряд, по величине зависящий от поглощенного светового потока. Считывание информации в данном случае приводит к измерению величины накопившегося заряда, в итоге получается самое настоящее оптическое изображение в цифровом виде.

Сегодня усовершенствованные полупроводниковые ПЗС-матрицы - ключевой компонент любой цифровой фото- или видеокамеры. Чрезвычайно важную роль это открытие сыграло в медицине: современные методы визуализации в диагностике (эндоскопия, цифровые рентгеновские установки) и микрохирургии (лапароскопия) были бы без него невозможны.

Приборы с зарядовой связью позволили совершить фантастический прорыв в экспериментальной космологии, где необходима регистрация очень слабых сигналов от удаленных объектов. Они важны для фундаментальных исследований, в то время как цифровые фотоаппараты и видеокамеры - всего лишь приложения...

Светлана ХОРОНЕНКОВА, кандидат химических наук

Литература

Официальный сайт Нобелевского комитета (англоязычный)

http://nobelprize.org/nobel_

prizes/physics/laureates/2009/index.html

Биография и интервью нобелевского лауреата Чарльза Као (англоязычный сайт)

http://www.ieeeghn.org/wiki/index.php/Oral-History:Charles_

Kao

История открытия, рассказанная нобелевским лауреатом Уиллардом Бойлом (англоязычный сайт)

http://www.science.ca/scientists/scientistprofile.

php?pID=129

Биография и интервью нобелевского лауреата Джорджа Смита (англоязычный сайт)

http://www.ieeeghn.org/wiki/index.php/George_E._Smith_

Oral_History

В.В.Шевченко. Физические основы современных линий передач сигналов. Соросовский образовательный журнал, 1997, №3, с. 100–106.