Володарі світла
Gespeichert in:
| Datum: | 2009 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2009
|
| Schriftenreihe: | Вісник НАН України |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/27172 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Володарі світла / Ф. Сизов // Вісн. НАН України. — 2009. — № 12. — С. 32-39. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-27172 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-271722011-09-28T12:25:06Z Володарі світла Сизов, Ф. Нобеліана — 2009 2009 Article Володарі світла / Ф. Сизов // Вісн. НАН України. — 2009. — № 12. — С. 32-39. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. 0372-6436 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/27172 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Нобеліана — 2009 Нобеліана — 2009 |
| spellingShingle |
Нобеліана — 2009 Нобеліана — 2009 Сизов, Ф. Володарі світла Вісник НАН України |
| format |
Article |
| author |
Сизов, Ф. |
| author_facet |
Сизов, Ф. |
| author_sort |
Сизов, Ф. |
| title |
Володарі світла |
| title_short |
Володарі світла |
| title_full |
Володарі світла |
| title_fullStr |
Володарі світла |
| title_full_unstemmed |
Володарі світла |
| title_sort |
володарі світла |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2009 |
| topic_facet |
Нобеліана — 2009 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/27172 |
| citation_txt |
Володарі світла / Ф. Сизов // Вісн. НАН України. — 2009. — № 12. — С. 32-39. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
| series |
Вісник НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT sizovf volodarísvítla |
| first_indexed |
2025-07-03T06:53:23Z |
| last_indexed |
2025-07-03T06:53:23Z |
| _version_ |
1836607712184500224 |
| fulltext |
32 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2009, № 12
НОБЕЛIАНА – 2009
Коли в Стокгольмі виголошують імена лауреатів Нобелівської премії з фізики,
більшість людей на планеті довідується про це тієї ж миті. Новина облітає
земну кулю майже зі швидкістю світла. Тексти, зображення, мова і відео «те-
чуть» по оптичних волокнах і в безпровідному просторі, їх миттєво реєстру-
ють мініатюрні детектори. Саме за цей винахід — «Дві революційні оптичні
технології» — Нобелівську премію з фізики 6 жовтня 2009 року отримало троє
вчених: Чарльз Куен Као (Charles Kuen Kao), Віллард Стерлінг Бойль (Willard
Sterling Boyle) і Джордж Елвуд Сміт (George Elwood Smith).
Ф. СИЗОВ
ВОЛОДАРІ СВІТЛА
© СИЗОВ Федір Федорович. Член-кореспондент НАН України. Завідувач відділення Інституту фізики
напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України (Київ). 2009.
Нобелівську премію з фізики цьогоріч
розподілено таким чином: поло вину
отримав Чарльз К. Као за видатні досяг-
нення в області передачі світла по скло-
волоконним лініям оптичного зв’язку,
другу половину поділено між Віллар-
дом С. Бойлем і Джорджем Е. Смітом за
розроблення світлочутливої напівпровід-
никової мікросхеми — ПЗЗ-сенсора (при-
лад із зарядовим зв’язком), «електрон но го
ока». Чарльз К. Као ініціював досліджен-
ня та розвиток низьковтратних оп тичних
волокон, які сьогодні викорис товують у
волоконно-оптичних комуні каційних сис-
темах. Віллард С. Бойль та Джордж
Е. Сміт запропонували і створили ПЗЗ-
сенсор (CCD device), який сьогодні вико-
ристовують у багатьох цифрових каме-
рах, сучасних медичній і науковій апара-
турі.
Ці «Дві революційні оптичні тех но ло-
гії» [1], що значною мірою визначили сьо-
годнішні інформаційні тех но логії, стали
справжньою рево лю цією нашого буття:
швидкісні скло волоконні лінії зв’язку, без
яких су часний Інтернет неможливо уяви-
ти, у яких швидкість передачі інформації
в десятки і сотні разів більша порівняно з
В. Бойл, Ч. Као і Дж. Сміт
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2009, № 12 33
радіо зв’яз ком; цифрові фото- та кіно ка-
мери, що дали можливість отримувати і
зберігати інформацію в електронному ви-
гляді, а потім передавати, наприклад, із
космічних апаратів у цифровому форматі;
сканери; сучасне медичне і наукове облад-
нання тощо.
Чарльз К. Као народився в Шанхаї 1933 р.
У 15 років разом із родиною переїхав до
Гонконгу, 1957 р. отримав дип лом за спе-
ціальністю «електротехніка» (Elec trical En-
gi nee ring) Гринвіцького університету. Тру-
довий шлях розпочав у науково-до слід но-
му центрі The Standard Telecom munication
La boratories у Харлоу (Великобританія)
під керівницт вом А.Е. Карбов’яка (A.E. Kar-
bo wiak), який уже мав досвід дослідження
одномодових світлових хвиль у хвильово-
дах. Згодом Ч. Као став керівником гру-
пи, де пра цював молодий співробітник-
теоретик Г.А. Хокхем (G.A. Hockham). У
1965 р. Ч. Као захистив докторську дисер-
тацію, а рік потому виконав дослідження
[2], за яке через 43 роки отримав Нобелів-
ську премію.
Джордж Е. Сміт народився 1930 р. у м. Уайт-
Плейнзі (штат Нью-Йорк, США), 1955 р.
закінчив Пенсильванський університет у
Філадельфії, а 1959 р. захистив докторську
дисертацію в Чиказькому університеті. Піс-
ля захисту дисертації прийшов у Bell La-
boratories (Мюррей-Хілл), де й працював
до 1986 р., після чого вийшов на пенсію. У
цій лабораторії Дж. Сміт розв’язував про-
блеми, пов’язані з дослідженням напівпро-
відників та лазерів і очолював відділ мікро-
схем надвеликого ступеня інтеграції.
Віллард С. Бойль народився 1924 р. у
м. Ам херсті (Канада). 1948 р. закінчив уні-
верситет Макгілла (Монреаль), 1950 р. за-
хистив докторську дисертацію. Працював у
Ка надській радіаційній лабораторії, потім
2 роки викладав фізику в Королівському
військовому коледжі. У 1953 р. прийшов на
роботу в Bell Laboratories. 1962 р. В.С. Бойль
став завідувачем відділу космічних дослі-
джень компанії Bellcomm — дочірнього під-
приємства Bell Laboratories. Повернувшись
1964 р. до Bell Laboratories, пропрацював
там 15 років. Із 1979 р. В.С. Бойль член на-
укової ради Канадського інституту пер-
спективних досліджень.
СВІТЛО В ОПТИЧНИХ ДРОТАХ
Про оптичний зв’язок людство знає з
часу своєї появи. Будь-який сигнал,
поданий однією людиною (жест, міміка та
ін.) і побачений іншою, є прикладом сигна-
лу, який подано оптичним каналом зв’язку.
З найдавніших часів людство практикува-
ло оптичний зв’язок, розкладаючи сигналь-
ні вогнища, пізніше встановлюючи різні се-
мафори, які використовують донині тощо.
Г. Белл (G.A. Bell) запатентував 1880 р.
оптичний телефон, у якому промінь соняч-
ного світла направляли в повітрі на дзерка-
ло, що коливалося від звуку. Потім світло
спрямовували на селеновий фотоприймач,
який було під’єднано до телефонної слу-
хавки.
Однак із появою телеграфу і радіо засто-
сування оптичних систем для зв’язку втра-
тило свою актуальність. У період розвитку
електричного зв’язку прогрес рухався в на-
прямку опанування щораз вищих частот-
них коливань електромагнітних хвиль, що
давало змогу збільшити пропускність ка-
налів. Наприклад, пропускність одного ка-
налу в міліметровому (f~100 ГГц) діапазоні
довжин хвиль може забезпечити 300 тисяч
телефонних переговорів одночасно. Але при
зростанні частоти, наприклад, у міліметро-
вому й терагерцовому діапазонах атмосфе-
ра стає слабопрозорою для електромагніт-
них хвиль. У зв’язку з великими втратами в
цих частотних діапазонах металеві дроти та-
кож неефективні для передавання інформа-
ції. А використання металевих хвильоводів
затратне і габаритне. Подальше просування
систем електричного зв’язку в бік коротких
довжин електромагнітних хвиль зупинило-
ся фактично кілька десятиріч тому.
34 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2009, № 12
Потрібні були нові ідеї, які б дозволили
значно підвищити обсяги передавання ін-
формації відповідно до зростання потреб
суспільства. Учені розуміли, що це пови-
нні бути оптичні канали. Чому для систем
зв’язку вибрали саме оптику?
1. Завдяки потенційно широкій смузі про-
пуску оптичного каналу. Наприклад,
для зеленого світла з довжиною хвилі
λ=0.55 мкм частота електромагнітних ко-
ливань становить f=5.45·1014 Гц. Якщо
використовувати лише діапазон частот,
що становить 1% від частоти світла, то
цього вистачить для передавання в ана-
логовій формі близько 1 млрд телефон-
них ліній або понад 100 тис. телеканалів1.
1 Існує низка обмежень реальної швидкості передаван-
ня інформації принципового і технічного характеру:
обмежена когерентність джерел випромінювання,
наявність дисперсії групових швидкостей при поши-
ренні світла в середовищі, наявність надшвидкісних
систем кодування та декодування тощо. Нині швид-
кість передавання інформації зросла більше ніж у
десять тисяч разів порівняно з радіозв’язком (при-
чому, майже без спотворень) і по експериментально-
му оптоволоконному каналі сягає 2560 Гігабіт/с, що
еквівалентно передачі інформації з 60 DVD-дисків
за одну секунду (спеціалісти німецького інституту
2. Малі втрати при поширенні світла в
оптичному волокні.
3. Скловолокно має суттєві переваги порів-
няно з іншими засобами передавання ін-
формації. Воно нечутливе до блискавок
(на відміну від металевих дротів), атмо-
сфер них перешкод (порівняно з радіо-
хви ля ми).
Ідея про передавання світла по дротах
виникла ще в ХІХ ст. Було продемонстро-
вано, що промінь світла може поширюва-
тися в струмені води (Д. Колладон (D. Col-
ladon), Дж. Тіндаль (J. Tyndall)) або в зігну-
тому скляному дроті (Ж. Бабіне (J. Ba bi-
net)). Застосування скловолокна (тонкого
скляного дроту) для передавання світла
бере свій початок із кін. 1920-х рр. у медич-
ній (гастроскопія) і військовій (перископи,
шифрувальні пристрої) галузях, навіть у
ранньому телебаченні. Скловолокно, зро-
блене зі звичайного скла, мало погану про-
зорість: на довжині 10–20 м світло майже
повністю затухало. У скляних зразках во-
«Heinrich-Hertz» та японської компанії Fujitsu). За
стандартною технологією таке передавання інфор-
мації займає десятки годин.
Чарльз Куен Као (фото праворуч), Віллард Стерлінг Бойль і Джордж Елвуд Сміт виконують дослідження, які
4 десятиліття потому увінчалися присудженням Нобелівської премії.
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2009, № 12 35
локон послаблення сигналу становило
близько 1000 ДЦб/км (децибел). Тобто на
відстані 20 м інтенсивність світла мала
лише 1% від вхідної. Крім того, коли скло-
волокна торкались одне одного, на їхній
поверхні утворювалися подряпини, через
які світло потрапляло в навколишнє серед-
овище, унаслідок чого передавану інформа-
цію частково втрачали.
На поч. 50-х рр. ХХ ст. для захисту скло-
волокна було запропоновано використову-
вати захисні покриття (оболонки) з показ-
ником заломлення, меншим за показник за-
ломлення скловолокна (n1>n2, рис. 1). При-
близно тоді ж було продемонстровано
(H. Hop kins, N. Kapany, 1954) пучок із де-
кількома тисячами скловолокон. Але проб-
лему затухання світла в скловолокні тоді
ще не розв’язали. У 50-х рр. ХХ ст. ідею оп-
тичного зв’язку мало хто вважав перспек-
тивною і життєздатною.
Поява лазера на поч. 60-х рр. (Нобелів-
ська премія 1964 р., C.H. Townes, N.G. Ba-
sov, A.M. Prokhorov) посилила інтерес до
досліджень у галузі оптичного зв’язку. Тоді
ж цьогорічний нобеліант Чарльз К. Као і
Г.А. Хокхем почали досліджувати фунда-
ментальні властивості оптоволокна на пред-
мет його застосування в оптичному зв’язку.
Вони не лише розглядали фізичні власти-
вості оптичних хвильоводів, але й довели,
що затухання світла в скловолокні по в’я-
зане з фізичними характеристиками сере-
довища, що зумовлені поглинанням світла
іонами металів, які завжди наявні в склі.
Крім цього, вони запропонували оптималь-
ний матеріал для скловолокна — плавле-
ний кварц, який зараз використовують у
виробництві оптичних волокон і кабелів
(рис. 2). Це дослідження було опублікова-
не 1966 р. [2]. Відразу ж після публікації
цього матеріалу розроблення оптоволокна
для мінімізації затухання світла починають
стрімко розвиватися:
— 1970 р. одержано перші оптичні волок-
на з чистого кварцового скла;
— 1975 р. вперше у Великобританії запра-
цювала комерційна оптоволоконна мережа;
— 1988 р. прокладено оптоволоконний ка-
бель завдовжки 6 тис. км через Атлантику.
Нині у світі виробляють понад 100 млн
км/рік світловодів, а кабелі з оптоволокна
стають основою зв’язку та всесвітньої ме-
режі Інтернет. Під водою прокладено понад
600 тис. км оптоволоконних кабелів, які
поєднують усі континенти. Сумарна про-
тяжність оптоволоконних кабелів стано-
вить понад 1 млрд км, очікується, що вона
подвоїться до 2025 р.
Рис. 1. Оптоволокно (світловод), де світло поширю-
ється завдяки його повному внутрішньому відби-
ванню. Типові розміри 10–50 мкм для серцевини та
125 мікрон для оптоволокна. Додатково поверхню
оптоволокна покривають пластиковим захисним ша-
ром (Two revolutionary optical technologies. Scientific
Background on the Nobel Prize in Physics 2009, The
Royal Swedish Academy of Sciences).
Рис. 2. Коефіцієнт затухання у кварці залежить від до-
вжини хвилі світла. У короткохвильовій області зату-
хання пов’язане з Релеївським розсіюванням світла
(на неоднорідностях показника заломлення середови-
ща), яке змінюється з довжиною хвилі λ як λ-4. Наяв-
ність затухання, яке пов’язане з поглинанням світла в
гідроксильній групі ОН, важко усунути. Найбільш
важливими для оптичного зв’язку є довжини хвиль
1.3 та 1.55 мкм (Two revolutionary optical technologies.
Scientific Background on the Nobel Prize in Physics
2009, The Royal Swedish Academy of Sciences).
36 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2009, № 12
А що ж Україна? На наших теренах ви-
робництво оптоволоконної продукції нала-
годжено на двох підприємствах — «Южка-
бель» (Харків) та «Одескабель» (Одеса).
Їхня частка виробництва, порівняно з ви-
пуском аналогічної продукції на теренах
СНД, сягає кількох відсотків, частину укра-
їнської продукції спрямовано на експорт.
Загальна частка виробництва оптоволокна
в країнах СНД, порівняно зі світовим обся-
гом його випуску, не перевищує 3%. Суттє-
вим фактором цього виробництва є те, що в
Україні, як і в інших країнах СНД, не виро-
бляють оптичного волокна, необхідного
для оптичних кабелів. Усі підприємства ви-
користовують оптичне волокно закордон-
них виробників: «Corning» (США), «Fu ji ku-
ra», «Hitachi Cable» (Японія) та ін.
ПРИЛАДИ ІЗ ЗАРЯДОВИМ ЗВ’ЯЗКОМ
Витоки запропонованого ПЗЗ беруть
свій початок із годинної дискусії, яку
провели 17 жовтня 1969 р. виконавчий ди-
ректор напівпровідникового підрозділу
В.С. Бойль і голова відділу цього підрозді-
лу Дж.Е. Сміт. Вони полемізували навко-
ло питання про можливість розроблення
електронного аналога приладів на цилін-
дричних магнітних доменах, які на той час
вважали перспективними для записування
та зберігання інформації. Аби не втратити
частину фінансування, яку передавали су-
сідньому підрозділу, постала необхідність
терміново створити електронний аналог
пристрою, який би конкурував із пристро-
ями на циліндричних магнітних доменах.
Щоб використати електронний пристрій
для запам’ятовування інформації потрібно
було знайти фізичну величину, яка б від-
повідала 1 біту інформації. У функції такої
одиниці було запропоновано використати
зарядовий пакет, який можна створити в
метал-окис-напівпровідниковій структурі
(МОН). Упродовж лише 1 години було за-
пропоновано і визначено принципи функ-
ціонування такої структури (рис. 3). При-
кладаючи напругу до металевого електро-
да МОН-структури, можна створити під
електродом у напівпровіднику збіднену об-
ласть, де накопичуватиметься заряд проти-
лежного знака (зарядовий пакет) і зберіга-
тиметься певний час. Перенести інформа-
цію (зарядового пакета) можна, викорис-
товуючи ланцюжок близькорозташованих
МОН-структур, послідовно прикладаючи
до електродів (затворів — gates) напругу.
Ідею про використання зарядового зв’язку
для створення функціональних ПЗЗ було
оприлюднено 1970 р. [3].
Перші експериментальні результати що до
реалізації зсувного регістра для передачі
зарядового пакета (9 затворів розміром
100 мкм із проміжком 3 мкм, що розташо-
вані в один ряд ) на ПЗЗ було опубліковано
Рис. 3. Запис у робочому журналі В.С. Бойля і Дж.Е.
Смі та, який розкриває концепцію ПЗЗ [Janesick J.R.
Scientific charge coupled devices. Bellingham, WA, SPIE
Press (2001). — 907 p.].
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2009, № 12 37
в тому ж журналі [4], а детальнішу інфор-
мацію про технічну реалізацію було викла-
дено в спеціальних роботах [5–6]. Для ін-
жекції і зчитування заряду було використа-
но інтегровані в схему діоди. Тоді ж проде-
монстровано можливість використання ПЗЗ
для створення зображень — напрям, у яко-
му технології ПЗЗ надалі й розвивалися.
ПЗЗ-структури мають ряд властивос-
тей, які дозволяють будувати на їхній осно-
ві різні мікрофотоелектронні аналогові та
цифрові пристрої. До цих властивостей на-
лежать можливість створення (наприклад,
під дією світла), зберігання, сумування та
спрямованого передавання сигналів у ви-
гляді зарядових пакетів. Як і пристрої на
циліндричних магнітних доменах, вони не
знайшли застосування в пристроях збері-
гання інформації через відносно низьку
щільність запису інформації порівняно з
іншими принципами, що використовують
під час записування інформації, наприклад,
на жорстких дисках2.
Функціонування ПЗЗ-приладів базує ть-
ся на послідовному взаємозв’язку близько-
розташованих МОН-ємностей, у яких від-
бувається послідовне перенесення заряду
між сусідніми ємностями (комірками), де
в ланцюжку прикладають напругу до елек-
тродів малих розмірів МОН-структури.
Принцип роботи такої ПЗЗ-структури схо-
жий до дії в межах «пожежного ланцюж-
ка», який було використано майже одно-
часно іншими дослідниками для пояснення
передавання заряду від однієї ємності (не
в МОН-структурі) до другої за допомогою
керувальних транзисторів. В останньому
випадку ефективність перенесення заряду
не була високою (при невеликій кількості
перенесень значну частину заряду втрача-
ли).
Щоб не втрачати інформації в сучасних
ПЗЗ-матрицях із типовою кількістю еле-
2 Ефект гігантського магнітоопору, Нобелівська пре-
мія 2007 р.
ментів (пікселів) 2048�2048 (число рядків
і стовпчиків, уздовж яких переноситься за-
ряд), коефіцієнт ефективності перенесен-
ня К повинен бути К≥0.99999. Переданий
від першої комірки до останньої заряд ви-
значають як Кn, де n — кількість стадій пе-
ренесення. Можливість реалізувати в ПЗЗ-
матрицях значення К≈1, що дає змогу фак-
тично не втрачати інформацію при її пере-
даванні вздовж комірок ПЗЗ-структури,
зумовило їх широке застосування в ПЗЗ-
фотоматрицях.
ПЗЗ-фотоматриця — матриця з великою
кількістю світлочутливих (маленько го роз-
міру) комірок (у сучасних матрицях видимо-
го діапазону спектра — декілька квад ратних
мікронів). Комірки, розташовані в горизон-
тальних рядках і вертикальних стовп чиках,
часто називають пікселями, що вміщують
МОН-ємності (відповідають зернам у фото-
плівках). Коли світло падає на піксель, під
дією фотоефекту в ньому утворюються один/
кілька електронів (у ПЗС-фотоматрицях ви-
димого діапазону — до 105), що зберігаються
в МОН-ємності. Число електронів, які утво-
рюються в пікселях, пропорційне інтенсив-
ності світла, що потрапляє на них. Розподіл у
пікселях утворених зарядів дає зображення,
зафіксоване за допомогою зарядових пакетів.
Зчитування зарядів у рядках і стовпчиках
пікселів за допомогою паралельних і послі-
довних регістрів (рис. 4) забезпечує відтво-
рення зображення.
Роздільну здатність ПЗЗ-фотоматриць
визначають розміри пікселів. Типові розмі-
ри сучасних пікселів — 10�10 мікронів і на-
віть ~2�2 мкм [8]. Їх уже застосовано в су-
часних фотоматрицях із кількістю елемен-
тів ~108, що за розміром і кількістю чутли-
вих до світла елементів наближається до
кількості та розміру чутливих елементів
(колбочки і палички) людського ока чи ве-
ликих фотографічних пластин. Це забез-
печує роздільну здатність, яка є близькою
до дифракційної межі у видимому діапа-
зоні спектра, а за квантовою ефективністю
38 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2009, № 12
(η~50–80 %) ПЗЗ-фотоматриці перевищу-
ють цей показник для людського ока (η~3-
10%). Типова кількість пікселів у матриці —
2048�2048. Для космічних апаратів вони
можуть мати 104�104 пікселів із геометрич-
ними розмірами матриці ~9�9 см2.
Розробка Бойля та Сміта кардиналь-
но змінила фотографію та зумовила пере-
хід від аналогової фотографії до цифрової,
дозволивши реєструвати зображення не на
плівці чи за допомогою детектування ви-
промінювання у вакуумних трубках (на-
приклад, відіконах), а електронними твер-
дотільними, більш фоточутливими матрич-
ними приймачами випромінювання. Тепер
цифрові камери з ПЗЗ-фотоматрицями в
космічних апаратах «Хабл», «Касіні», «Ме-
сенджер» і багатьох інших виконують ти-
сячі знімків планет, галактик, туманностей
тощо, записуючи їх у бортову пам’ять і пе-
редаючи на Землю за допомогою електро-
магнітних хвиль, що було б неможливим
при використанні фотоплівки, яка потре-
бує проявлення. Більшу частину трафіку в
комунікаційних мережах займають цифро-
ві зображення. Без ПЗЗ-технологій сьогод-
ні важко уявити сучасні прилади для отри-
мання зображень у діагностичній медичній
та науковій апаратурі.
В останні роки ефективно розвивається
інший важливий напрям твердотільних
сен сорів видимого та ближнього ІЧ-діа па-
зону — на базі так званих КМОН-структур
(ком плі ментарний метал-окис-напів про від-
ник), який дозволяє отримати близькі до
ПЗЗ-фотоматриць параметри, але на основі
простіших технологій виробництва кремніє-
вих МОН-структур і ширших можливостей
оброблення інформації. Щоправда, у зв’язку
з необхідністю мати в кожному пікселі два
або більше керувальних транзисторів, а не
тільки світлочутливу область, КМОН-
пікселі з однаковою за площею світлочутли-
вою поверхнею більші за розмірами від
ПЗЗ-пікселів. Також унаслідок підвищено-
го рівня шумів у КМОН-фото матрицях, по-
рівняно з ПЗЗ-фото мат ри цями, останні
більше застосовують у пристроях, де необ-
хідно забезпечити високо якісні зображення.
Певним недоліком ПЗЗ-фотоматриць є не-
обхідність використання більш високих на-
пруг живлення та більшої кількості керу-
вальних електродів, що призводить до
ускладнення технології виробництва з одно-
часним збільшенням значень розсіюваної
потужності. У КМОН-фо то матрицях також
можливе застосування функції довільної
ви бірки даних зображення, що дає змогу ви-
ділити вікно меншого формату, змінити
масштаб зображення, що неможливе для
ПЗЗ-фо то мат риць. Крім цього, в КМОН-
фото мат ри цях можлива реалізація багатьох
функцій, необхідних для функ ціонування
фото- чи кінокамер на одному чипі, — це
одна з основних їхніх переваг порівняно з
ПЗЗ-фотоматрицями.
Ідея Бойля та Сміта виявилася револю-
ційною не тільки при створенні твердо-
тільних фотоматриць видимого та близь-
кого ІЧ-діапазонів спектра, що реалізова-
но в структурах на основі кремнію, який
фоточутливий лише у цих областях спек-
тра, а також матриць, чутливих в інших
«невидимих» діапазонах спектра, де крем-
ній не можна використати як фоточутли-
вий елемент.
Рис. 4. Схематичне пересування зарядів у фото-ПЗС
матриці паралельним та послідовним регістрами
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2009, № 12 39
У цих фотоматрицях використовують
так звані пристрої зчитування на основі
ПЗЗ- або КМОН-кремнієвих структур, які
виконують ті ж самі функції, що й фотома-
триці видимого діапазону з погляду перене-
сення заряду та отримання зображень. У
них вводять заряд від матриці ІЧ-приймачів
випромінювання, що дає змогу отримувати
зображення в ІЧ-частині спектра. Викорис-
тання таких ІЧ-гібридних пристроїв умож-
ливлює створення малогабаритних камер
інфрачервоного (ІЧ) діапазону спектра, які
сьогодні використовують для отримання
зображень космічних об’єктів, що невидимі
у видимому діапазоні спектра, тепловтрат
будівель і промислових об’єктів, під час
розвідування покладів корисних копалин,
прогнозування врожайності сільгоспкуль-
тур тощо, де отримання цієї інформації в
сучасних обсягах узагалі було неможливе.
Перші українські ПЗЗ (зсувові регістри)
було створено в 1972 р. в Інституті мікро-
приладів Міністерства електронної про-
мисловості СРСР. Розроблено послідовну
ПЗЗ-пам’ять та аналогові лінії затримки,
освоєно їх промисловий випуск, розробле-
но кілька цифрових пристроїв. На ці роз-
робки було отримано понад 40 авторських
свідоцтв про винаходи.
У наукових закладах НАН України — Ін-
ституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лаш-
карьова та Інституті мікроприладів — розро-
блено низку кремнієвих пристроїв зчиту-
вання для багатопіксельних лінійок і ма-
триць ІЧ-діапазону спектра, а також сучасні
багатопіксельні ІЧ-приймачі випромінюван-
ня, що дає змогу створити на їхній основі
сучасні тепловізійні пристрої. Низку розро-
блень виконано в межах міжнародних конт-
рактів.
Виробництво сучасних великоформатних
ПЗЗ- або КМОН-фотоматриць в Україні
сьогодні не може бути економічно обґрунто-
ваним, адже умовою рентабельного функці-
онування сучасного електронного виробни-
цтва (вартістю декілька млрд доларів США)
є масштабний випуск фотоматриць.
P.S. Як бачимо, внесок Ч. Као, В. Бойля і
Дж. Сміта, що в 2009 р. отримали Нобелів-
ську премію з фізики і яких в інформацій-
них повідомленнях небезпідставно назива-
ють «володарями світла», справді великий.
Запропоновані ними рішення дали змогу су-
часній людині суттєво змінити багато галу-
зей своєї діяльності, стати свідком подій, що
відбуваються за сотні й тисячі кілометрів.
Як суто прикладні винаходи, оптико-во-
локонні і ПЗЗ-технології настільки потуж-
но вплинули на пізнавальні, комунікацій-
ні та виробничі можливості сучасної люди-
ни, що це дає підстави поставити їх на один
щабель із видатними фундаментальними
відкриттями, які розширюють і збагачують
фізичну картину світу.
1. Two revolutionary optical technologies. Scientific Back-
ground on the Nobel Prize in Physics 2009, The Royal
Swedish Academy of Sciences. — 14 р.
2. Kao K.C. and Hockham G.A. Dielectric-fibre surface
waveguides for optical frequencies // Proc. IEEE. —
1966. — Vol. 113. — P. 1151–1158.
3. Boyle W.S and Smith G.E. Charge-сoupled semicon-
ductor devices // Bell Systems Technical Journal. —
1970. — Vol. 49. — P. 587 — 593.
4. Amelio G., Tompsett M. and Smith G. Experimental veri-
fication of the charge coupled concept // Bell Systems
Technical Journal. — 1970. — Vol. 49. — P. 593–600.
5. Amelio G., Tompsett M. and Smith G. Charge coupled
8-bit shift register // Appl. Phys. Lett. — 1970. —
Vol. 17. — P. 111–113.
6. Amelio G., Tompsett M. and Smith G. Experimental veri-
fication of the charge coupled device concept // IEEE
Trans. Electr. Devices. — 1970. — ED-18. — P. 986–
992.
7. Janesick J.R. Scientific charge coupled devices. — Bel-
lingham WA, SPIE Press, 2001. — 907 p.
8. Сизов Ф.Ф. Фотоэлектроника для систем видения в
невидимых участках спектра. — К.: Академпериоди-
ка, 2008. — 460 с.
|