n M - Fachbereich Physik - Universität Osnabrück
n M - Fachbereich Physik - Universität Osnabrück
n M - Fachbereich Physik - Universität Osnabrück
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
Nobelpreis für <strong>Physik</strong> 2009 an<br />
C. K. Kao, W. S. Boyle und G. E. Smith<br />
Meister des Lichts und ihre Meisterstücke:<br />
Glasfaser und CCD-Sensor<br />
Eckhard Krätzig<br />
<strong>Fachbereich</strong> <strong>Physik</strong>, <strong>Universität</strong> <strong>Osnabrück</strong><br />
„Forschung für Fußgänger“<br />
22.04.10
Nobelpreis für <strong>Physik</strong> 2009 (1/2)<br />
Charles Kuen Kao,<br />
britischer und US-amerikanischer<br />
Staatsbürger, geboren in Shanghai<br />
(China) 1933; Publikation 1966;<br />
Standard Telecommunication<br />
Laboratories, Harlow, UK, und<br />
Chinesische <strong>Universität</strong> Hong Kong;<br />
„für wegweisende Leistungen im Bereich der Lichtübertragung<br />
in Fasern für die optische Kommunikation"
Nobelpreis für <strong>Physik</strong> 2009 (2x1/4)<br />
Willard Sterling<br />
Boyle,<br />
kanadischer und US-amerikanischer<br />
Staatsbürger;<br />
geboren 1924<br />
George Elwood<br />
Smith,<br />
US-amerikanischer<br />
Staatsbürger;<br />
geboren 1930<br />
Bell Laboratories, Murray Hill, New Jersey, USA; Publikation 1970<br />
„für die Erfindung eines abbildenden Halbleiterschaltkreises<br />
– den CCD-Sensor"
Nobelpreis für <strong>Physik</strong> 2009 an C. K. Kao (1/2):<br />
„für wegweisende Leistungen im Bereich der Lichtübertragung<br />
in Fasern für die optische Kommunikation"<br />
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/info_publ_phy_09_en.pdf
Erste optische Nachrichtensysteme<br />
Aischylos Tragödie Agamemnon, etwa um 500 v. Chr. -<br />
Agamemnon lässt seiner Frau Klytämnestra mit Hilfe von<br />
Feuerzeichen den Fall von Troja melden, Homer ∼ 1200<br />
v. Chr., mehrere Relaisstationen bis Athen.<br />
Die Angaben waren so detailliert, dass man die Strecke<br />
daraus rekonstruiert hat. Allerdings konnte nur eine<br />
vorher vereinbarte Nachricht bestätigt oder widerrufen<br />
werden.<br />
Um 350 v. Chr. beschreibt der Grieche Polybios ein<br />
wesentlich verfeinertes System, das es ermöglichen<br />
sollte, mit Hilfe von Fackeln das gesamte griechische<br />
Alphabet zu übertragen.
Balkentelegraf nach dem<br />
Abbé Claude Chappe<br />
256 Zeichen, 2 Zeichen pro<br />
Minute zu übertragen;<br />
1791 Paris – Lille, 225 km, 22<br />
Relaisstationen; 15.08.1794 erste<br />
Nachricht nach Paris (Rückeroberung<br />
der Stadt Quesnoy),<br />
traf 1 Stunde nach Aufgabe ein.<br />
Strecken in Deutschland, z. B.<br />
1833 Berlin – Köln – Koblenz,<br />
587 km, 60 Stationen;<br />
jedoch bald eingestellt, abgelöst<br />
von elektrischen Telegrafenleitungen.
Licht mit<br />
λ ~ 1µm = 10 -6 m, ω = 2πν = 2πc/λ<br />
~ 6·3·10 8 m/s·10 6 m -1 ~ 2·10 15 Hz<br />
Elektromagnetische Welle mit<br />
λ ~ 1 km, ω ~ 2·10 6 Hz<br />
λ ~ 1 m, ω ~ 2·10 9 Hz (Handy, GPS)<br />
Experiment<br />
Hohe Lichtfrequenzen
Totalreflexion und Aufbau der Glasfaser<br />
Totalreflexion beim Übergang vom optisch dichteren<br />
zum optisch dünneren Medium; Tyndall 1870 Totalreflexion<br />
im Wasserstrahl (n Wasser ~ 1.3)<br />
Aufbau der Glasfaser: Kern (n K), Mantel (n M), n K > n M<br />
(Glas verschiedener Zusammensetzung), weiterhin Beschichtung<br />
(im Bild nicht gezeigt).<br />
Experimente
Der Beitrag von C. K. Kao<br />
C.K. Kao and G.A. Hockham, “Dielectric-fibre surface waveguides<br />
for optical frequencies”, Proceedings IEE 113, 1151–1158 (1966)<br />
1966 wiesen die besten Glasfasern eine Dämpfung von<br />
1000 dB/km auf (Abschwächung der Eingangsleistung<br />
nach 20 m auf 1%). Kao hat gezeigt, dass für diese<br />
hohen Dämpfungswerte nicht das Glas selbst verantwortlich<br />
ist, sondern nur die ungenügende<br />
Reinheit des Glases. Vor allem stören Eisenverunreinigungen.<br />
Kao schlug auch schon Quarzglas vor. –<br />
Reinigungsprozesse bei Corning Glass (USA) brachten<br />
dann die gewünschten Fortschritte. - Heute wissen wir,<br />
dass besonders Wasserverunreinigungen die Dämpfung<br />
im nahen IR-Bereich bestimmen.<br />
(Ähnliche Fragestellungen wurden im <strong>Osnabrück</strong>er Sonderforschungsbereich<br />
225 behandelt.) - G.A. Hockham?
Dämpfung in Glasfasern<br />
Die Dämpfung α misst man in Dezibel pro Länge<br />
(dB/L):<br />
α = 1/L·10· 10 log (P 0 /P), P/P 0 = 10 -αL/10<br />
P Ausgangs-, P 0 Eingangsleistung, L Faserlänge<br />
Absorptions-, Streu- und Strahlungsverluste<br />
1966: α = 1000 dB/km (P/P 0 = 10 -100 )<br />
1970: 20 dB/km (P/P 0 = 10 -2 )<br />
1982: ~0.2 dB/km (P/P 0 = 10 -0.02 ~ 96%)
Spektrale Faserdämpfung<br />
Minimum<br />
Minimum bei 1.55 μm
Anmerkung 1: Ausbildung von Moden<br />
In einer Glasfaser, in der Wellenleitung auftritt, bilden<br />
sich bestimmte Ausbreitungsformen aus, sogenannte<br />
„Moden“ oder „Modi“.<br />
Je nach Polarisation des Lichtes spricht man von TE-<br />
Moden (transversal elektrisch) und von TM-Moden<br />
(transversal magnetisch). Bei TE-Moden steht der<br />
elektrische Feldvektor senkrecht zur Einfallsebene,<br />
bei TM-Moden der magnetische Feldvektor.<br />
Die Verteilungen des elektrischen und magnetischen<br />
Feldes in der Glasfaser kann man mit Hilfe der<br />
Maxwell-Gleichungen berechnen.
Maxwell-Gleichungen
Anmerkung 2: Lichtquellen, Halbleiterlaser<br />
Glasfaser und Halbleiterlaser sind die beiden wichtigsten<br />
Komponenten eines optischen Kommunikationssystems.<br />
Für Langstreckensysteme benutzt man<br />
In 0.62Ga 0.38As 0.82P 0.18-Laser bei 1.55 μm,<br />
für Kurzstreckensysteme meistens<br />
Al 0.05Ga 0.95As-Laser bei 0.85 μm.<br />
<strong>Physik</strong>-Nobelpreis 1964 an C. H. Townes, N. Bassow,<br />
A. Prochorow, „Quantenelektronik, Laser-Maser-Prinzip“
Einschub: Was ist Licht?<br />
Licht ist keine klassische Welle, Licht ist kein Strom<br />
klassischer Teilchen!<br />
Quantenobjekte, Quantenteilchen, Quasiteilchen,<br />
Materiewellen…<br />
Beim Licht sprechen wir von Photonen,<br />
Wellen- und Teilcheneigenschaften<br />
Ausbreitung von Licht (Teil 1 des Vortrags):<br />
Wellenbild<br />
Nachweis, Erzeugung, Vernichtung (Teil 2):<br />
Teilchenbild
Niels Bohr (1858 -1947):<br />
„Jemand, der von der Quantentheorie nicht<br />
verwirrt ist, hat sie nicht richtig verstanden!“<br />
Photon, Elektron, Positron, Proton, Neutron, …<br />
Phonon, Exziton, Soliton, Polaron, Polariton,<br />
Plasmon, Spastron, Photorefraktron, …
Der CCD-Sensor<br />
CCD, charge-coupled device, ladungsgekoppeltes<br />
Bauelement<br />
W. S. Boyle and G. E. Smith, “Charge-Coupled<br />
Semiconductor Devices“, Bell System Technical<br />
Journal 49, 587 (1970)<br />
Boyle, Smith: "Die eigentliche Erfindung ereignete<br />
sich eines Nachmittags in einer Diskussion<br />
zwischen uns, die etwa eine Stunde dauerte".<br />
Nobelkomitee: "für die Erfindung eines abbildenden<br />
Halbleiterschaltkreises – den CCD-Sensor"
Halbleiter 1<br />
(Bilder zu den Grundlagen der Halbleiter nach K. Betzler)
Halbleiter 2
Halbleiter 3<br />
Silizium (Si)
Halbleiter 4
Halbleiter 5
Halbleiter 6<br />
Löcherleitung, p-Leitung
Schritte beim CCD-Sensor<br />
- Umsetzen eines Lichtmusters in ein<br />
elektrisches Ladungsmuster:<br />
Innerer Photoeffekt (innerer lichtelektrischer<br />
Effekt, Photoleitung)<br />
- Speicherung des Ladungsmusters<br />
- Rekonstruktion des Ladungsmusters, Erzeugung<br />
des Lichtmusters mit Hilfe eines<br />
Displays
Photoleitung, innerer Photoeffekt<br />
(Einstein Nobelpreis 1921)<br />
Experiment
Speicherung des Ladungsmusters,<br />
MOS-Struktur<br />
(3 Kondensatoren bilden ein Speicherelement)<br />
p-Si<br />
Al-Elektroden SiO 2
Auslesen des Ladungsmusters<br />
Al-Elektroden<br />
p-Si<br />
Al-Elektroden<br />
p-Si<br />
SiO 2<br />
SiO 2<br />
Schieberegister, Matrix,<br />
Auslesen zeilenweise, bei<br />
Farbinformation 3 verschiedene<br />
Farben durch<br />
Filter (rot, grün und blau);<br />
auf diese Weise kann die<br />
ursprüngliche Farbinformation<br />
rekonstruiert<br />
werden.<br />
SCCD,<br />
Surface channel CCD;<br />
Oberflächenzustände als<br />
Haftstellen für Ladungen
http://pics.computerbase.de/lexikon/67894/CCD_charge_transfer_animation.gif
Auslesen des Ladungsmusters<br />
Al-Elektroden<br />
p-Si<br />
Al-Elektroden<br />
p-Si<br />
SiO 2<br />
SiO 2<br />
Schieberegister, Matrix,<br />
Auslesen zeilenweise, bei<br />
Farbinformation 3 verschiedene<br />
Farben durch<br />
Filter (rot, grün und blau);<br />
auf diese Weise kann die<br />
ursprüngliche Farbinformation<br />
rekonstruiert<br />
werden.<br />
SCCD,<br />
Surface channel CCD;<br />
Oberflächenzustände als<br />
Haftstellen für Ladungen
Buried Channel CCD, BCCD<br />
(CCD mit vergrabenem Kanal)<br />
n-Si<br />
Al-Elektroden<br />
p-Si<br />
„Buried channel“<br />
SiO 2<br />
n-Si
•<br />
Weitere technische Lösungen und Varianten<br />
SiO 2 SiO2<br />
3 Takte, Speicherelement<br />
besteht aus 3 Kondensatoren<br />
p-Si p-Si<br />
2 Takte, Speicherelement<br />
besteht aus 4 Kondensatoren<br />
• Um Änderungen des Bildes beim Auslesen zu vermeiden:<br />
Mechanischer Verschluss oder beleuchtete Bildzone, unbeleuchtete<br />
Speicherzone<br />
• Andere Pixelanordnungen, Super CCD (Fuji-Patent, Erweiterung<br />
des Dynamikbereichs)
Auszug aus<br />
dem Labor-<br />
Buch von<br />
Boyle und<br />
Smith vom<br />
18.10.69<br />
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/info_publ_phy_09_en.pdf
Digitale Kamera<br />
Kameras typischerweise<br />
~ 5 – 10 Megapixel,<br />
d. h. Pixellänge<br />
~ 10 – 20 μm<br />
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/info_publ_phy_09_en.pdf
Konkurrenz zum CCD-Sensor<br />
Vorteile des CCD-Sensors gegenüber dem photografischen<br />
Film<br />
• Bessere Empfindlichkeit und Dynamik (Medizin,<br />
Astronomie)<br />
• Information liegt elektronisch vor, kann bearbeitet<br />
werden, keine nass-chemische Entwicklung<br />
Vorteile des CCD-Sensors gegenüber CMOS-Sensoren<br />
• Weniger Elektronik<br />
• Besseres Signal-Rausch-Verhältnis<br />
Aber: CMOS-Sensoren sind flexibler, billiger herzustellen<br />
und weisen einen geringeren Stromverbrauch auf.<br />
Digitale Kameras: Meistens CCD-Sensoren<br />
Mobil-Telefone: CMOS-Sensoren Zukunft??
A CCD Image of M31<br />
(Andromeda-Galaxie)<br />
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!<br />
http://www.jyi.org/volumes/volume3/issue1/features/peterson.html
Change language