Text
БИБЛИОТЕЧКА-КВАНТ-
ВЫПУСК 84
Ю.Р. НОСОВ
ДЕБЮТ
ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
R
|ш|
БИБЛИОТЕЧКА‘КВАНТ
выпуск 84
Ю.Р. НОСОВ
ДЕБЮТ
ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
МОСКВА «НАУКА»
ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1992
Scan AAW
ББК 32.86
Н43
УДК 681.782.473(023)
Серия «Библиотечка «Квант»
основана в 1980 г.
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:
Академик Ю. А. Осипьян (председатель), доктор физико-математи-
ческих наук А. И. Буздин (ученый секретарь), академик А. А. Абрикосов,
академик А. С. Боровик-Романов, академик Б. К. Вайнштейн, заслужен-
ный учитель РСФСР Б. В. Воздвиженский, академик В. Л. Гинзбург, ака-
демик Ю. В. Гуляев, профессор С. П. Капица, | академик А» Б» Мигдал |,
академик С. П. Новиков, академик АПН РФ В. Г. Разумовский, академик
Р. 3. Сагдеев, профессор Я. А. Смородинский
Носов Ю. Р.
Н43 Дебют оптоэлектроники.— М.: Наука. Гл. ред. физ.-
мат. лит., 1992.— 240 с.— (Б-чка «Квант», вып. 84)
ISBN 5-02-014404-5.
Оптоэлектроника — бурно развивающаяся область науки и техники. Многие ее
достижения вошли в быт: индикаторы, дисплеи, лазерные видеопроигрыватели.
Разрабатывается твердотельное телевидение и многое другое. В этой книге в популяр-
ной форме рассмотрены физические основы, устройство, характеристики основных
элементов оптоэлектроники: лазеров, светоидов, фотоприемников. Описаны дости-
жения в области индикаторов и плоских экранов, полупроводниковых видеокамер,
волоконных линий связи, оптических компьютеров и запоминающих устройств.
Для школьников старших классов и всех интересующихся оптоэлектроникой.
1604060000’090
Н—53(02).92 150~92
ББК 32.86
ISBN 5-02-014404-5
© «Наука», Физматлит, 1992
ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ -
ПРИГЛАШЕНИЕ В ЦИРК
Давайте проведем опрос среди тех, кто занима-
ется электроникой, вычислительной техникой, информати-
кой: что сегодня представляется самым перспективным, мно-
гообещающим, притягательным? Спросим физика, что всего
интереснее, инженера — где он ожидает получить наи-
больший технико-экономический эффект, руководителя-ад-
министратора, или, как теперь говорят, менеджера,— куда
следует вкладывать средства? Несомненно, что физики пред-
ложат высокотемпературную сверхпроводимость, инженеры
в числе прочего обязательно назовут персональные компью-
теры, руководители так или иначе помянут перестройку,
но наиболее часто, наиболее взвешенно прозвучит «Опто-
электроника».
Оптоэлектроника — а именно об этом научно-техниче-
ском направлении пойдет речь в нашей книге — что это?
Конечно, не «оптовая электроника», как ответила на собе-
седовании лет десять тому назад одна из студенток, и не
оптическая электроника, что уже «горячее», но все-таки не
то, и не электронная оптика, что и вовсе далеко от рас-
сматриваемого понятия. Может быть, это «оптика + элект-
роника»? В известном смысле — да, но не тогда, когда,
например, рядом с театральным биноклем положена интег-
ральная схема.
Оптоэлектронику определяют как такой раздел элект-
роники, который изучает взаимодействия между электро-
нами вещества и оптическим излучением, а также создава-
емые на этой основе для целей информатики приборы и
устройства. При этом характернейшая особенность оптоэлек-
тронных приборов заключается в том, что электронные и
оптические методы и средства воздействия на информацию
в них не просто соседствуют, а проникают друг в друга,
интегрируются. Что это означает практически?
В электронике информация переносится импульсами
электрического тока, а он, как известно, представляет собой
поток электронов. Следовательно, элементарным носителем
3
информации в электронике является электрон. И заметим,
это не теоретическая абстракция — во многих сегодняшних
микроэлектронных приборах вполне уверенно оперируют
если и не с единицами, то по крайней мере с десятками
электронов.
Если под тем же углом зрения взглянуть на оптику, то
аналогом электрического тока предстанет оптическое из-
лучение или попросту световые лучи. Соответственно это-
му носителями информации в оптической системе яв-
ляются элементарные частицы поля оптического излу-
чения — кванты или, для видимой части этого излучения,
фотоны.
Условимся в дальнейшем использовать понятия «свет»,
«фотон» (строго говоря, справедливые лишь для видимой
части спектра) расширительно как синонимы «оптического
излучения» и «кванта». Так обычно и поступают физики,
для которых все спектральные области оптического диапазо-
на одинаковы, и видимой его части никакого предпочтения
не отдается. А там, где потребуется учитывать, что свет —
это то, что воспринимается зрением и ничего более, мы это
специально подчеркнем.
Вот теперь мы и подошли к простому и наглядному
представлению об оптоэлектронике, о ее физической сущ- 1
ности. В оптоэлектронных устройствах на информатику сов-
местно «трудятся» электроны и фотоны, причем действия
фотонов являются определяющими, так как именно ими
обеспечивается то качественно новое, что отличает опто-
электронику от традиционной электроники. Но, подчеркнем
еще раз, оптоэлектронное устройство это не комбинация
двух — электронного и оптического — устройств; его един-
ство, цельность зиждется на взаимном превращении элект-
ронов в фотоны и обратно. В какой-то части устройства
работает электрон, затем — рраз!— и он превращается в
фотон, который трудится в другой части устройства, затем —
если это необходимо — он вновь превращается в электрон и
так далее. Вот такое совместное использование электронов и
фотонов в сочетании с их взаимными превращениями и
составляет суть оптоэлектроники.
Согласимся, однако, что сказанное звучит довольно-
таки абстрактно, пока что сформулированные физиче-
ские представления как-то «висят в воздухе», они начисто
лишены материальной оболочки. В какие же одежды хо-
телось бы их одеть и какие есть для этого возможности?
Что реально могуть дать оптоэлектронике ее акционеры-
основатели?
4
Электроника, как известно, развивалась главным обра-
зом в виде электровакуумных приборов различного наз-
начения. Однако когда в 1948 г. был создан транзистор,
электроника однозначно повернула в сторону твердотель-
ных полупроводниковых приборов. С начала 60-х годов по-
явились кремниевые интегральные схемы, ознаменовавшие
переход электроники к высшей стадии ее развития в наше
время — микроэлектронике. Действительно, современная
большая интегральная схема, содержащая миллионы тран-
зисторов на одном кристалле, выполняющая функцию целой
ЭВМ, сверхдолговечная и сверхнадежная, технологичная и
дешевая,— это ли не идеал? Создано ли за весь XX век
что-нибудь более совершенное и гармоничное?
Правда, и сегодня электроника имеет дело со многи-
ми электровакуумными приборами — огромные СВЧ-
магнетроны незаменимы на телецентрах и радиостанци-
ях, без кинескопов не могут обойтись телевизоры и дис-
плеи, а фотоумножители и электронно-оптические преобра-
зователи по-прежнему полезны при восприятии слабых
оптических сигналов и невидимых изображений. Все это
так, но только полупроводники, только микроэлектроника
наделили электронику той поистине глобальной широтой
и универсальностью, которые сделали это научно-техничес-
кое направление наиболее революционизирующим в жизни
общества.
А оптика! Линзы, призмы, объективы, зеркала, мон-
тируемые в единую систему на массивных столах, осве-
тительные приборы — все это громоздко, на всем лежит
очевидный отпечаток кустарщины.
Разумеется, идя на союз с оптикой, электроника вряд ли
согласится делать шаг назад и расставаться со своей ми-
ниатюрностью, технологичностью, твердотельностью. На-
против, для достижения паритета она вправе потребовать от
оптики перейти в ее веру, суметь сделать так, чтобы фо-
тоны жили и трудились в той же «среде обитания», где
работают электроны, т. е. в полупроводниках, в кристаллах.
Только в этом случае оптоэлектронное устройство удержит
позиции, уже завоеванные микроэлектроникой, и еще более
усилит их за счет присоединения новых полезных «опти-
ческих качеств».
Вот теперь мы наконец подошли к действительно полно-
му представлению об оптоэлектронике. Это раздел науки и
техники, связанный с созданием, исследованием, приме-
нением оптоэлектронных приборов и устройств, служащих
целям информатики, объединяющих в себе оптические и
5
электронные средства воздействия на информацию и изго-
тавливаемых преимущественно *) по микроэлектронной
технологии.
Задержимся на этом и сделаем некоторые пояснения.
Прежде всего, что означает «цели информатики», о каких
конкретно воздействиях на информацию идет речь? Основу,
сердце обобщенной информационной системы составляет
ЭВМ, в которой осуществляется обработка (преобразова-
ние) и хранение информации. Обработка — это последова-
тельность логико-арифметических и алгоритмических про-
цедур, выполняемых с поступающей в ЭВМ информацией по
определенной программе; хранение включает в себя запись
информации на тот или иной носитель (например, на диске-
ты), собственно хранение, поиск и считывание нужного
массива данных, а также стирание информации при необ-
ходимости.
Но прежде чем поступить в ЭВМ, информация долж-
на быть извлечена из окружающей нас среды. Это пре-
образование внешних воздействующих факторов, таких
как температура, давление, скорость, напряженность эле-
ктрического или магнитного полей, запах, цвет, образ
и т. п., в электрические сигналы, составляющие «госу-
дарственный язык» ЭВМ, осуществляют датчики, или
первичные преобразователи, как их иногда называют.
С точки зрения ЭВМ в датчиках происходит генерация
информации.
Результаты вычислений и «размышлений» ЭВМ должны
быть представлены в виде, удобном для оператора-пользова-
теля — для этого применяются принтеры (печатающие уст-
ройства), синтезаторы речи, но чаще всего дисплеи. Так
осуществляется отображение информации, перевод ее с
языка электрических импульсов в ту форму, которую вос-
принимают глаза и уши человека.
И наконец, чтобы система функционировала как единое
целое, все ее части должны быть связаны между собой. По
электрическим и телефонным проводам, высокочастотным
кабелям, по радиоканалам, осуществляется передача (и при-
ем) информации.
Итак, тот, кто хочет служить информатике, должен
научиться осуществлять генерацию, передачу, переработку,
хранение, отображение информации (рис. 1). Причем де-
♦) Конечно, хочется, чтобы этого слова в определении не было, но пока
это — вынужденный компромисс. На сколько растянется это «пока» — годы
или десятилетия,— зависит и от интенсивности притока молодых сил в
оптоэлектронику.
6
лать все это, или хотя бы часть этого, лучше, чем делает
электроника.
Мы свободно начали оперировать с понятием оптика. По
определению оптика — это раздел физики, изучающий
Рис. 1. Чем занимается информатика?
оптическое излучение (типичный образчик того, как мож-
но «погнать зайца дальше»). А оптическое излучение —
не что иное, как электромагнитные волны определенно-
го спектрального диапазона — это теоретически обосновал
Дж. К. Максвелл еще в 60—70-е годы прошлого века.
Любая волна, кроме интенсивности или амплитуды ко-
лебаний, характеризуется скоростью распространения, час-
тотой колебаний и длиной волны. Скорость распространения
электромагнитных волн как раз и есть скорость света: в
вакууме она составляет с « З Ю10 см/с, а в среде с показа-
телем преломления п равна с/п. Чем выше и, тем среда
является «оптически более плотной» и тем ниже в ней
скорость света.
Область, занимаемая оптическим излучением, охватыва-
ет диапазон длин волн от Л = 1 мм до А = 1 нм (рис. 2).
Соседи оптики справа — радиоволны, а слева — рентгенов-
ское излучение. Пограничные зоны, как это нередко бывает
и между государствами, неопределенны, размыты,— поэто-
му длинноволновую окраину (А = 0,1 ч- 1 мм) часто отно-
сят к субмиллиметровым радиоволнам, а коротковолновую
(А = 1 ч- 10 нм) — к мягкому рентгеновскому излучению.
Но и остающаяся «территория» очень велика и в значи-
тельной степени пустует; более или менее заселена
7
источниками и приемниками излучения лишь часть ее от
А ~ 0,2 мкм до А ~ 10—20 мкм. Именно здесь и «пасется»
оптоэлектроника.
Во всем оптическом диапазоне, конечно же, надо вы-
делить видимую часть, это всего лишь кусочек оси от
1нм
X
1м км 10 мкм 0.1мм 1мм
г*--------1---------1--------
/ Как д.
I Однажды
Жак
/ Звонарь
I Городской
т ni ! Сломал
10 нм 0.1 мкм / .
_i_______/ Фонарь
'X/X/V Свет-волна
1016 ю’5 Ю14 1013
100
Свет-ч асгтща
10 1 0,1
0,01
/ф,эВ
Рис. 2. «Территория» оптического излучения. Она столь обширна, что для
того, чтобы уместить ее на листе, оси приходится подвергнуть «логарифми-
ческому сжатию». А памятный с детства стишок расставляет по своим
местам цвета в видимой части спектра
А = 0,38 мкм до А = 0,78 мкм, но какой лакомый для нас
кусочек!— ведь только это излучение от красного до фиоле-
тового мы зрительно воспринимаем. Левее по оси располага-
ется ультрафиолетовое, правее — инфракрасное излуче-
ние. И то и другое мы не видим, но тем не менее ощущаем:
инфракрасное излучение — это тепло, ультрафиолетовое,
например, оставляет необратимые изменения в кожном пок-
рове (загар). Физическим же приборам все равно, в принци-
пе, для них нет различия между этими тремя оптическими
поддиапазонами.
Длина волны связана с частотой ее колебаний v простым
соотношением А • v = с, поэтому на рис. 2 представлена еще
и частотная ось, на которой «реальная» оптика занимает
областью = 1,5-1013 ч- 1,5-1015 Гц.
Однако то, что свет — это электромагнитная вол-
на, утверждает лишь классическая физика. При очень
малых интенсивностях света, при очень коротких дли-
нах волн в целом ряде наблюдаемых эффектов прояв-
ляются корпускулярные свойства света. Квантовая ме-
8
ханика, родившаяся одновременно с XX веком, основы-
валась на представлении о том, что излучение нагретого
тела осуществляется дискретными порциями энергии —
квантами.
Квантовая электродинамика^ сформировавшаяся в
20-е годы нашего столетия, однозначно утверждает, что поле
излучения, свет во всех его проявлениях — при генерации,
распространении, поглощении — представляет собой поток
специфических элементарных частиц — квантов, или фото-
нов. Дуализму света вынесен окончательный приговор в
пользу его корпускулярной природы. Хотя в то же время
квантовая электродинамика утверждает, что квант — это
плоская волна с определенным значением импульса по-
ляризации и частоты. Желающим подробнее познакомиться
с достижениями квантовой электродинамики рекомендуем
книгу известного физика-теоретика, Нобелевского лауреата
Ричарда Фейнмана «КЭД — странная теория света и ве-
щества»: Пер. с англ.— М.: Наука, 1988.— Библиотечка
«Квант», вып. 66.
Квантовая электродинамика как более высокая ступень
наших знаний о мире, естественно, не перечеркивает пред-
ставления классической физики, а лишь четко определяет те
границы, в которых эти представления верны. Примирением
волновой и корпускулярной концепций является фундамен-
тальное соотношение, связывающее энергию фотона с пара-
метрами световой волны:
£ф = /п', (1)
где h — 6,63-10-24 Дж с есть постоянная Планка, широко
используемая в атомном микромире. Отсюда другая более
удобная форма записи:
Еф= 1,23/А = 4,1 • 10”15v, (1а)
здесь Еф выражено в электрон-вольтах (эВ), А — в микро-
метрах (мкм), v — в герцах (Гц). Поэтому на рис. 2 по-
явилась еще и ось энергий, на которой оптика пока претен-
дует на диапазон Еф ~ 0,05 -5- 5 эВ. Имея в виду уравнение
(1) или (1а), нередко говорят о «цвете» фотона. Это в извест-
ной степени жаргон физиков, в то же время .поток фото-
нов с А = 680 нм, действительно, дает красный свет, а с
А = 555 нм — зеленый.
Еще раз подчеркнем, что все три представления спект-
ральной линии — через A, v, Еф — совершенно равноправны
и взаимно однозначны, однако исторически так сложилось,
что в оптике почти всегда оперируют с параметром А (тогда
9
как для радиотехники предпочтительнее г, а для рентге-
новских лучей — Еф).
Закончим, однако, этот экскурс в школьные и студен-
ческие учебники, экскурс хотя и не очень утомительный, но
все же скучноватый. Во всех наших рассуждениях отмеча-
лось, что изюминкой «оптоэлектронного контрапункта» *)
является, как это и должно быть в полифонии, естественная
трансформация одной темы в другую. Электрон превраща-
ется в фотон, фотон в электрон — в этом много недосказан-
ного, таинственного, чудесного. А где лучше всего позна-
комиться с чудесными превращениями? Конечно же, в цир-
ке — туда и отправимся.
Перед нами серо-желтый диск арены, вокруг толпятся
закулисные служители — работящие, но невыразительные,
рдакие маленькие серенькие колобки, едва различимые на
фоне манежа (рис. 3). По краям арены две зашторенные
Рис. 3. Чудесные превращения в оптоэлектронном цирке
волшебные кабинки: стоит в одну из них впрыгнуть колобку,
как тотчас из-за другой ее шторки выскакивает стройный
красавец в яркой униформе («электрон превратился в фо-
тон»). По желанию режиссера униформа может быть крас-
ной, зеленой, синей и вообще какой угодно. А в другой
зашторенной кабинке происходят обратные трансформации:
впрыгивают красавцы, а выходят колобки («фотоприем-
ник»). Что происходит внутри кабинок (может быть, просто
переодевание, а может, и подмена), мы не знаем, да пока
для того, чтобы уследить за общей картиной, нам это и не
важно, даже, пожалуй, и не нужно.
Заметим мимоходом, что подобный подход к анализу
сложных структур широко и плодотворно применяется и в
радиоэлектронике — это использование модели так называ-
емого «черного ящика». Транзистор, интегральная схема
*) В музыке контрапункт — синоним полифонии, многоголосия, в
котором все голоса являются равноправными и гармонично сочетаются.
10
заменяются в схеме квадратиками, для которых известна
лишь их передаточная характеристика, т. е. то, что появ-
ляется на выходе при определенном воздействии на входе.
Для анализа работы всего устройства этого вполне достаточ-
но, но, конечно, чтобы составить правильную модель «чер-
ного ящика», надо предварительно основательно покопаться
внутри него...
Однако вернемся на манеж. Согласитесь, волшебные
кабинки здорово помогают проявиться фантазии циркового
режиссера. ...Вот в левую кабинку вбегают колобки, а из
нее выскакивают красавцы все в одинаковых красных уни-
формах и выкладывают собой живые картинки или надписи
наподобие тех, что мы видим на стадионах при открытиях и
закрытиях Олимпийских игр. Арена стала цифро-буквенным
индикатором или дисплеем. А вот на арену откуда-то со всех
сторон буквально сыплются красные, желтые, зеленые, си-
ние красавцы, все они попадают в правую кабинку, а из нее
стройными рядами один к одному выходят полные сил
колобки. «Солнечный свет» преобразовался в «электричес-
кий ток», арена сработала как солнечная батарея.
Нетрудно сочинить и другие постановки, не только одно-
актные, но и такие, в которых работают обе кабинки, можно
и число кабинок увеличить, помещая их прямо на арене. Но,
пожалуй, любая пьеска выиграет в выразительности, если
малозаметные трудяги-колобки будут действовать в основ-
ном вокруг манежа, а внутри него — разноцветные юркие
красавцы. Как мы и говорили, «лицо» оптоэлектронного
устройства определяют в первую очередь фотонные игры,
хотя, конечно, без электронного «обрамления» устройство
обойтись тоже не может. Странно, но эта в общем-то наду-
манная цирковая аналогия помогает легко получить целый
ряд полезных сведений.
Попробуем, например, сформулировать, каким требо-
ваниям должен удовлетворять оптоэлектронный излучатель
(левая кабинка). Во-первых, для эффективной работы жела-
тельно, чтобы каждый колобок превращался в красавца.
Иначе, если часть колобков где-то внутри будет застревать,
придется нанимать больше служителей, а каково это в
условиях хозрасчета? (Излучатель должен иметь высокий
квантовый выход, т. е. желательно, чтобы отношение числа
фотонов к числу электронов равнялось 1.) Во-вторых, хоро-
шо бы, чтобы колобки превратились в красавцев лишь одного
вида, иначе однородной надписи не получить, или уже на
арене придется рассортировывать красавцев по цвету — это
и утомительно, и отвлекает от разыгрывания задуманного
11
действия. (Излучатель должен быть монохроматическим,
т. е. генерировать свет в очень узкой полосе длин волн.)
Хорошо, если по желанию режиссера из одной кабинки
можно извлекать красавцев любого цвета (изменение спек-
трального состава излучения). Красавцы, выскакивая из
кабинки, должны не разбредаться по арене кто куда, а строго
следовать на запланированные места (направленность излу-
чения). И наконец, переодевание в кабинке должно про-
исходить быстро, иначе публика заскучает и разойдется по
домам (быстродействие излучателя). Однако, как говорят
французы, la comparaison n est pas I'allegation («аналогия не
есть доказательство»), поэтому пора и честь знать.
Но прежде чем окончательно перейти к делу, еще один,
совсем уж эмоциональный, итог нашей аналогии. В «опто-
электронном цирке» всегда необычно, интересно, празд-
нично, весело, пришедший сюда рискует надолго «заболеть»
его судьбой. Но здесь и хлопотно, а порой и попросту
тяжело — пожалуй, нигде так прихотливо не переплетаются
фундаментальные загадки мироздания с чисто техничес-
кими, инженерными проблемами. На то, чтобы познать все
это, да еще хоть как-то продвинуть вперед, может не хватить
не только рабочего времени, но и всей жизни. Вошедший в
оптоэлектронику попадает в плен, но, как правило, не
очень-то стремится из него вырваться, потому что плен этот
сладостен...
ГЛАВА 1
У ПОДНОЖИЯ ПИРАМИДЫ
§ 1. Что такое элементная база?
В популярной литературе давно уже стало
затасканным писательским штампом восторженное удив-
ление по поводу того, что все окружающее, включая нас
самих, изготовлено всего лишь из 92 различных химических
элементов. Элементы четко перенумерованы и вписаны в
таблицу Периодической системы Менделеева. Если же мыс-
ленно исключить из этого списка таких незнакомцев, как
празеодим, тербий, диспрозий и вместе с ними остальные
редкоземельные элементы, действительно крайне редко
встречающиеся, если еще «отсечь» и актиноиды, прописав-
шиеся лишь в ядерных лабораториях, то ситуация пред-
ставится еще более удивительной: картина мира, да похоже
и всей Вселенной, написана всего 70-ю «мазками». Как же
не восхититься мудростью Природы, сумевшей сочетать фан-
тастическое разнообразие своих проявлений со строгой, поч-
ти монашеской унификацией «строительных материалов»!
Тот же идейный подход исповедует и техника, а, значит,
и электроника. Пожалуй, даже в особенности электрони-
ка — уж очень широк и многообразен ее мир. Сосчитать ли,
сколько всего создано различных электронных устройств,
приборов, аппаратов — миллионы, миллиарды? Без унифи-
кации, типизации, разумного самоограничения волна' разно-
образия просто захлестнула бы разработчиков радиоаппара-
туры, превратив их в кустарей-одиночек.
Сопоставляя принципиальные схемы десятков и сотен
радиоэлектронных устройств, всегда прежде всего обраща-
ешь внимание на то, что все они состоят из небольшого числа
одинаковых или однотипных элементов (таковы их начерта-
ния на схемах), объединенных прихотливой и не повторяю-
щейся паутиной проводников. Полная совокупность элемен-
тов и образует то, что принято называть элементной базой
радиоэлектроники, вычислительной техники, информатики.
Слова «элемент», «элементный» имеют несколько зна-
чений, несколько оттенков. Очень часто они воспринимаются
13
как упрощенный, поверхностный, простейший, доступный
каждому. Но не в нашем повествовании. Отнюдь. Именно
элементы в первую очередь воплощают в себе те физические
и конструктивно-технологические принципы, которые ха-
рактеризуют данное направление техники. Элементы — это
составные изначальные части целого, именно они образуют
его основу. В процессе создания и эксплуатации радиоаппа-
рата каждый его элемент представляет собой неразделимое,
неразложимое изделие, своеобразный «атом» радиоэлект-
роники. В этом и только в этом аспекте элементы можно
назвать «простыми», их простота сродни простым веществам
и простым числам.
История развития радиоаппаратостроения — это в
первую очередь история совершенствования его элемент-
ной базы.
«На заре туманной юности» электроника была вакуум-
ной, основу ее элементной базы составляли радиолампы —
триоды и пентоды, усиливающие и генерирующие электри-
ческие сигналы, а также диоды, или кенотроны, выпрямля-
ющие переменный ток в источниках питания. Эти первенцы
электровакуумного приборостроения были величиной чуть
ли не с кулак, бесполезно расходовали сотни милливатт и
ватты электрической мощности, могли непрерывно работать
лишь сотни или тысячи часов. Конечно, техника не стояла
на месте, с течением времени появились «пальчиковые»
лампы, «малютки», но основополагающий принцип оставал-
ся неизменным — все тот же вакуумируемый стеклянный
баллон, все те же трясущиеся проволочные спиральки внут-
ри, все тот же раскаленный катод.
Подстать лампам были и другие «ингредиенты» того
предвоенного «электронного винегрета»: резисторы (их тогда
называли сопротивлениями), конденсаторы, катушки индук-
тивности. Все было крупно, солидно, так что схема одного
из первых отечественных радиоприемников СИ-235, содер-
жавшая 5—6 ламп да полсотни других деталей, едва вмеща-
лась в полуметровый ящик. Было такое, было.
Но после войны начался такой радиоэлектронный бум,
что все созданное в ЗО-е годы стало казаться бледной тенью.
Радиопередатчики становились все мощнее, а приемники —
все чувствительнее, радиолокационными станциями начали
оснащать самолеты, в снарядах и ракетах появились радио-
взрыватели. Начали создаваться сложнейшие системы теле-
управления космическими объектами, все увереннее заявля-
ла о себе промышленная автоматика. Почувствовали вкус к
электронике медики, геологи, метеорологи — аппаратуру
они захотели получить сверхминиатюрную, надежную, спо-
14
собную работать в необычных, экзотических условиях. Да и
«рядовой налогоплательщик», как принято называть в США
«человека просто», вдруг словно проснулся: каждому захо-
телось иметь свой радиоприемник, электропроигрыватель,
телевизор, магнитофон.
Конечно же, элементная база, которая была в распоря-
жении конструкторов радиоаппаратуры, сразу стала самым
узким местом в общем развитии. Сложные, громоздкие, не
очень-то надежные и экономичные, дорогие элементы ока-
зались не просто сдерживающим фактором, но тормозом,
барьером. А в дверь уже настойчиво стучались новые гости...
Первые ЭВМ — и американский «Марк» и наши БЭСМ
и «Стрела» — разумеется, родились ламповыми, ничего
другого под руками просто не было. Но «ненасытность» вы-
числительной техники столь разительно превосходила все
дотоле известное в электронике, что сразу же в практичес-
кой плоскости встала дилемма «или — или»: или ЭВМ на-
всегда останутся лишь дополнением электромеханических
счетно-решающих устройств, или — «даешь новую элемент-
ную базу!».
Провозвестником новой эры стал транзистор*, изобре-
тенный в 1948 г., он очень скоро покорил мир и стал
премьером электроники.
В отличие от лампы, электронное действо транзисто-
ра разыгрывается внутри полупроводникового кристал-
ла — отсюда и все его удивительные свойства. Транзисторы
сверхминиатюрны, экономичны, легко управляются ма-
лыми потенциалами и токами, обладают высоким бы-
стродействием, устойчивы к жестким механическим воз-
действиям, исключительно долговечны и надежны. Разуме-
ется, все это достигается лишь в том случае, если транзистор
тщательно изготовлен — полупроводниковый кристалл пре-
цизионно обработан и надежно упрятан в герметичный
корпус. И, кроме всего, при развитии массового производства
транзисторы очень дешевы, а параметры их хорошо восп-
роизводимы. Вот несколько типичных цифр, подтвержда-
ющих сказанное (правда, цифры сегодняшнего дня): рабочий
ток — 1 нА, время переключения — 10 пс, долговечность —
100 тыс. часов, себестоимость — менее 1 коп., устойчивость
к ударным и постоянным ускорениям — до 30000 g (g —
ускорение земного притяжения)! Транзисторы великолепно
справляются с генерацией и усилением электрических сигна-
лов, а, кроме того,— и это особенно важно для ЭВМ — они
почти идеальные переключатели: по команде извне тран-
зистор либо пропускает через себя электрический импульс,
либо полностью его блокирует.
15
Но полупроводники дали миру не только транзистор,
появилась еще и широчайшая гамма диодов. Выпрямитель-
ные полупроводниковые диоды полностью вытеснили кено-
троны из источников питания, стабилитроны позволили ста-
билизировать напряжение в схеме практически с любой
точностью, варикапы обеспечили электронную перестройку
контуров, диоды Ганна — генерацию сверхвысокочастот-
ных колебаний... Транзисторизация — появился такой тер-
мин — стала доминирующей тенденцией развития радио-
аппаратуры 50~60-х годов.
И все-таки. Элементы стали принципиально новыми,
а конструирование аппаратуры оставалось принципиально
старым. По-прежнему каждый элемент надо было впаять в
Рис. 4. Как электронные компоненты соединяются в схему
схему, правда, уже не на шасси с косичками монтажных
проводников, как встарь, а на печатную плату с пленочными
проводящими дорожками (рис. 4). Поскольку электронные
устройства становились все сложнее (некоторые ЭВМ содер-.
16
жали, например, миллионы элементов), это впаивание прев-
ратилось в проблему — здесь таились основные источники
ненадежности, низкой производительности, высокой стои-
мости. А кроме всего прочего, на заводе-изготовителе эле-
ментов каждое изделие надо не только сделать, но еще и
проверить по параметрам, отмаркировать, упаковать в тару.
А на заводе-изготовителе аппаратуры каждый элемент надо
распаковать, вновь проверить по параметрам (входной кон-
троль) и лишь затем передать на монтаж. Когда это надо
проделать с миллионом-другим совершенно одинаковых эле-
ментов, невольно вспоминается чеховский герой, обезу-
мевший от одного лишь вида непрерывно расстегиваемой и
застегиваемой дамской сумочки.
Чтобы преодолеть этот изнуряющий своим монотонным
однообразием процесс, унизительный для разума человека
XX века, чтобы разрешить проблему, получившую название
«тирании количества», нужно было снова что-то делать с
элементной базой.
К счастью, ключ к решению лежал в самом транзисторе,
точнее в .той технологии, по которой транзисторы изго-
тавливались. Оказалось, что эта технология позволяет соз-
давать одновременно много транзисторов на одном крем-
ниевом кристалле и не только их, но также резисторы и
конденсаторы и пленочные металлические соединения между
ними. При этом каждый элемент размещается на кристалле
в своем отдельном «кармане», изолированном от других
карманов, так что после соединения все элементы образуют
единую электронную схему. Конечно, слово «оказалось»
здесь не очень-то правомерно — именно такую технологию
искали и к 1960 году нашли ее создатели — сотрудники
американских фирм «Texas Instr.» и «Fairchild». Она по-
лучила название планарной технологии. В самом начале
шестидесятых годов мир узнал интегральные схемы — это
уникальное дитя «счастливого брака транзистора и инте-
грации» вооружило создателей электронной аппаратуры по-
истине фантастическими возможностями. Иногда даже ка-
жется, что эти возможности безграничны (хотя, конечно, это
не так, й мы еще поговорим о недостатках интегральных схем
в более деловом тоне). В развитие интегральных схем вклю-
чились сотни и тысячи фирм, пожалуй, всех 193 стран
мира — кто если не изготавливает, так наверняка использу-
ет их в своей аппаратуре. Начались гонки, несравненно более
увлекательные и упоительные, чем автомобильная «Форму-
ла — 1» или теннисный «Большой шлем». Рекорды, преодо-
ление «непреодолимых» барьеров, уныние и отчаяние перед
17
«тупиками» и «теоретическими пределами» и вновь преодо-
ления, открытия, изобретения — все это посыпалось как из
«рога изобилия». Интегральные схемы (ИС) очень быстро
превратились в большие интегральные схемы (БИС), затем
в сверхбольшие (СБИС), затем в интегральные системы. Но
и этого мало, кристаллы (их называют чипы) СБИС из одной
пластины кремния начали, не разделяя, связывать межсо-
единениями — это направление «интеграции на целой плас-
тине» пока еще в самом начале своего развития. Если же
учесть, что диаметр современных пластин кремния может
достигать 150 ч- 200 мм, а площадь одного СБИС-чипа, со-
держащего 1—2 млн. транзисторов, составляет ~ 1 см1, то
станет понятно, что и единовременная интеграция 1 мил-
лиарда (!) транзисторов — не утопия. Кремний, как ос-
новной используемый полупроводник, дополнился арсени-
дом галлия — интегральные схемы стали в несколько раз
«быстрее».
Элементная база микроэлектроники 90-х годов, пожа-
луй, наиболее ярко характеризуется такими двумя своими
представителями. Сверхбольшая интегральная схема микро-
процессора, содержащая до 100000 вентилей,— эта система
на одном кристалле выполняет функцию логико-арифме-
тического устройства ЭВМ и способна оперировать с дво-
ичными числами-словами длиной в 16, 32, а то и 64 разряда!
А интегральная схема динамической памяти емкостью
1—4 млн. бит (1М или 4М) «вмещает» в кремниевый кри-
сталл размером с ноготь сотню страниц машинописного
текста или 15-минутную музыкальную программу. Это —
маяки, и, разумеется, все ими не исчерпывается. Интеграль-
ная электроника предлагает пользователю широчайшую но-
менклатуру линейных схем, включая операционные уси-
лители, 12-разрядные аналого-цифровые и цифро-аналого-
вые преобразователи (АЦП и ЦАП), специализированные
микропроцессоры для обработки аналоговых сигналов, заказ-
ные вентильные матрицы, из которых потребитель по своему
усмотрению собирает ту или иную систему. Интегральная
техника не похоронила «добрые старые» дискретные тран-
зисторы, а, напротив, обогатила их и своими технологи-
ческими достижениями, и своей ловкостью в деле обработки
информации. Многоэмиттерные СВЧ-транзисторы вскараб-
кались по оси частот на фантастический рубеж 100 ГГц
и оттуда уже присматриваются к оптическому диапазону.
Силовые транзисторы и тиристоры — эти надежные и покор-
ные трудяги промышленной электроники — становятся все
более «думающими», «разумными». Совмещенные с ними
18
логические схемы, а то и микропроцессоры, подсказывают,
когда лучше включить станок, электропечь, мотор, когда
выключить, в каком режиме поддерживать. Всего не пе-
речислишь...
Как вам нравится такая вот «элементная база»? Есть
ли желающий с ней посостязаться? «Не дает ответа...»
(Н. В. Гоголь).
Однако к чему все это в нашем разговоре об оптоэлект-
ронике? А вот к чему. Заглядывая в будущее, пробивая себе
«место под Солнцем», оптоэлектроника — как, впрочем, и
любое другое «новое» направление электроники — должна
находить для себя две возможности или хотя бы одну.
Первая — это залечивать, закрывать белые пятна на карте
микроэлектроники, т. е. брать на себя те функции, которые
обычным интегральным схемам как-то не под силу. Это,
например, и прежде всего, оперирование с видеоинфор-
мацией — восприятие символов и образов и, наоборот, их
отображение — здесь, как говорится, оптоэлектронике «и
карты в руки».
Вторая возможность — это создать такую элементную
базу, которая превзошла бы уже достигнутое. А достигнутое,
т. е. традиционная микроэлектроника, как мы видели, пря-
мо-таки ощетинивается достоинствами-лозунгами:
Миниатюрность!
Технологичность!
Функциональная
насыщенность!
Экономичность!
Быстродействие!
Надежность,
долговечность!
И кроме того, элементы совместимы друг с другом — они
изготавливаются из кремния (или однотипного с ним ар-
сенида галлия), упаковываются в одинаковые корпуса, име-
ют одинаковые питающие напряжения и токи. К каждому
из лозунгов можно приписать «сверх» или «сверх-сверх»,
да и перспективы совершенствования пока что почти бес-
предельны.
Элементная база оптоэлектроники должна содержать
полный набор кирпичиков, из которых можно построить лю-
бое здание. Это приборы, преобразующие электричество в
19
свет и свет в электричество; усилители света; устройства
управления световым лучом; проводники света — светопро-
воды; среды, способные запоминать световые сигналы; «све-
товые трансформаторы»— устройства, преобразующие све-
товые потоки из одной формы в другую; аккумуляторы
световой энергии. Конечно, не для каждой «стройки» все эти
элементы необходимы, кое-где можно обойтись и частью их.
Не все эти элементы и одинаково важны. Но без чего
оптоэлектроника просто-напросто теряет свое лицо, так это
те два прибора, которые упомянуты в начале перечисления.
«Альфа и омега» оптоэлектроники — излучатель, преобра-
зующий электрический сигнал возбуждения в сигнал оп-
тического излучения (заданного временного, спектрального
и пространственного распределения), и «верный оружено-
сец» — фотоприемник, осуществляющий обратное преобра-
зование световых сигналов и картин в электрические им-
пульсы и их последовательности.
С них-то и следует начать.
§ 2. Эти удивительные превращения
Прежде чем перейти непосредственно к этим
темам, поговорим немного о том, как, в принципе, электроны
могут превращаться в фотоны, а фотоны — в электроны.
Ведь без этих превращений нет и не может быть опто-
электроники.
Электрон, как известно, обладает хотя и малой, но все
же конечной массой покоя (те « 0,9 Ю~27 г), а фотон мас-
сы покоя не имеет (из теории следует, что тф = 0, и
неугомонные экспериментаторы, все подвергающие сомне-
нию, уже подтвердили опытами, что по крайней мере
/Иф < 4 - 10-21те). Так как же они могут превращаться друг
в друга? На помощь приходит один из выводов теории
относительности А. Эйнштейна, вывод об эквивалентности
массы т и энергии Е, связываемых между собой классически
простой формулой
£=т-с2. (2)
В соответствии с этим соотношением и исходя из при-
веденного значения те, находим, что фотон с энергией
2ГФ > 1 МэВ, взаимодействуя с внутриатомным электри-
ческим полем (т. е. попросту говоря, претерпевая «ло-
бовое» столкновение с ядром), может превратиться, и дей-
ствительно превращается, в пару электрон — позитрон
(позитрон — это двойник электрона, во всем с ним сов-
20
падающий, но имеющий положительный заряд). И наобо-
рот, при встрече электрона с позитроном происходит
почти мгновенное (за время 10“7 * 1О“10 с) их исчезно-
вение, или аннигиляция, но, разумеется, не бесследное —
вместо них появляются либо два, либо три очень «энер-
гичных» фотона.
Вот такие действительно чудесные превращения элемен-
тарных частиц друг в друга экспериментально вполне уве-
ренно были обнаружены еще в начале 30-х годов нашего
века. Но не они легли в основу оптоэлектроники, да прак-
тически их и невозможно для этих целей использовать.
Посмотрите, какие фотоны в этом процессе задействова-
ны — при такой энергии это уже и не рентгеновское излу-
чение, лежащее слева от оптического по шкале длин волн, а
гамма-лучи, или гамма-кванты. Работать в электронике с
ними невозможно, да и слишком расточительно: тратить
мил-лионы электрон-вольт на одно лишь превращение невы-
годно. Кроме того, возникает естественный вопрос, зачем
вообще создавать, именно создавать, новые электроны, когда
в любом кристалле, кусочке металла и вообще в любом
веществе их и так видимо-невидимо. Надо только по-хо-
зяйски ими воспользоваться. Поэтому-то в электронике речь
идет о совсем других превращениях, если говорить на строгом
физическом языке — о «квазипревращениях», т. е. превра-
щениях кажущихся. В этих процессах электроны не возника-
ют и не исчезают, но лишь меняют свое состояние, свою
связанность с атомными ядрами. А позитроны — эти редкие
пришельцы из космоса или порождения мощнейших ус-
корителей — нам вообще в дальнейшем рассмотрении не
понадобятся.
Итак, как известно, электроны в атоме достаточно сильно
связаны с ядром (что и делает атом устойчивым, стабиль-
ным) , причем энергия этой связи зависит от того, на какой
орбите находится электрон (рис. 5, а). Чем ближе электрон
к ядру, тем сильнее он с ним связан. Понятно, что если бы
удалось каким-то образом «щелкнуть» по электрону, он мог
бы с внутренней орбиты перескочить на одну из более
удаленных. А если «дать щелчок» электрону, находящемуся
на самой внешней орбите, он может вообще «оторваться» от
ядра и стать свободным. (Стать свободным может электрон
и с любой из внутренних оболочек, но для этого «щелчок»
должен быть сильнее, что, конечно же, менее экономично и
потому нами не рассматривается.) Свободный же элект-
рон — образовался ли он в газе, в жидкости, или внут-
ри кристалла — способен послушно перемещаться под
21
действием внешнего электрического поля, т. е. выступать в
качестве носителя информации. Вот эти-то электроны в
первую очередь и интересны электронике и оптоэлектрони-
ке в ее электронной части.
----------1
-----------2
-----------3
-----------4
----------5
6
Рис. 5. Электроны в атоме: планетарная модель (а), модель потенциального
ящика (б) и энергетическая диаграмма (в)
Так что рассмотрим подробнее превращение электрона
из связанного в свободный. Квантовая физика учит, что
орбиты, занимаемые электронами в атоме, не могут быть
любыми — их радиусы изменяются не плавно, непрерывно,
а дискретно, скачками. Точнее говоря, квантовая физика
учит, что никаких орбит электронов в атоме вообще нет:
«планетарная модель» атома (рис. 5, а) — ядро в центре,
а вокруг него вращаются электроны, как планеты вокруг
Солнца,— эта «классическая» модель, столь наглядная и
запомнившаяся нам с детства, не «работает» ни при каких
допущениях. Строгая математика утверждает, что в данный
конкретный момент данный электрон находится, образно
говоря, везде и нигде, но с наибольшей вероятностью его
можно обнаружить приблизительно там-то. Так что с место-
положением электрона вот такая неопределенная ситуа-
ция — о каких уж тут орбитах говорить. Но что действитель-
но есть у электрона, чем он вполне определенно «помечен»,
так это его энергия связи с ядром. (В некоторых разделах
физики, развившихся немного до или одновременно с кван-
товой механикой, например, в атомной спекстроскопии,
понятие радиуса электронной оболочки широко использует-
ся, хотя фактически эта величина получается пересчетом из
измеряемой на опыте энергии связи.) Поэтому для графиче-
ской характеристики положения электрона в атоме исполь-
зуют не метрическую координату, а энергетическую — рас-
положение возможных, «разрешенных», уровней энергии
электронов; энергетическая диаграмма полностью харак-
теризует данный атом (рис. 5, в).
22
Ясно понимая бесперспективность пояснения странных
на первый взгляд выводов квантовой физики каким-то клас-
сическими аналогиями, рискнем все-таки предложить чита-
телю модель «потенциального ящика», которая точнее, .чем
планетарная модель, описывает жизнь электронов в атоме
(рис. 5, б).
В стабильном, устойчивом состоянии десять обитателей
атома размещаются на пяти нижних полочках*). В воз-
бужденном атоме «ящик» получил небольшой «щелчок»
извне (рис. 6, а), и пара верхних электронов перескочила на
более высокие уровни, обычно не занятые. Более сильный
«щелчок» позволил двум электронам вырваться на свободу,
Рис. 6. Возбуждение (а) и ионизация (б) атома (образование свободных
электронов)
причем один из них — «горячий» электрон — даже взлетел
над дном ящика, на которое он, конечно же, вскоре опустится
(рис. 6, б). Модель «потенциального ящика» наглядно по-
казывает дискретный характер изменения энергии электро-
нов в атоме — застрять где-то между полочками просто
невозможно.
Теперь пора от одиночного атома перейти к кристаллу —
ведь именно с ним имеет дело электроника. Когда большое
количество одинаковых атомов (пусть, например, их будет
7V штук) объединяется в кристаллическую решетку, между
всеми ними возникает взаимосвязь, так что с точки зрения
квантовой физики кристалл выступает как единое це-
лое. Энергетическая диаграмма такой сложной системы
*) Еще один фундаментальный вывод квантовой физики гласит, что на
одном энергетическом уровне могут размещаться лишь два электрона,
отличающиеся друг от друга спинами,— это некий специфический пара-
метр, по значению которого все электроны разделяются на две группы (слово
«спин», разумеется, не имеет никакого отношения к спинам электронов-че-
ловечков на рис. 5, б).
23
' Зона
проводимости
гг
Запрещенная
зона ч у
Валентная
зона
Рис. 7. «Расщепление» энергети-
ческих уровней единичного атома
и образование энергетических зон
полупроводникового кристалла
зор, запрещенная зона, в
характеризуется уже не отдельными уровнями (как это было
для единичного атома), а целыми полосами уровней, или
зонами (рис. 7). Каждая зона — это N расположенных
близко друг к другу уровней, и по-прежнему на каждом из
них сидит по паре электронов.
При дальнейшем рассмот-
рении для нас представляют
интерес лишь две зоны — та,
которая образована «расщеп-
лением» верхнего заполнен-
ного уровня (уровень 1 на
рис. 5, в), и та, которая соот-
ветствует энергии свободного
электрона (уровень 0). В по-
лупроводниках на энергетиче-
ской диаграмме между эти-
ми двумя зонами имеется за-
этором нет ни свободных, ни
занятых уровней. Такая структура зон, собственно, и опре-
деляет полупроводник. Названия зон (см. рис. 7) — вален-
тная зона, запрещенная зона, зона проводимости — ло-
гически следуют из самой их сути. В валентной зоне нахо-
дятся валентные, связанные электроны атома; поскольку
свободных уровней здесь нет, то при приложении элект-
рического поля ни один из электронов не сможет в пределах
зоны повысить свою энергию, а значит, не сможет и начать
передвигаться. Вот и получается, электронов много, а уча-
ствовать в переносе тока они не могут,— фактически каждый
из валентных электронов «привязан» к ядру. Другое дело —
верхняя зона — здесь свободных уровней сколько угодно, и
попавший в эту зону электрон может передвигаться по
кристаллу, участвуя в переносе тока. Поэтому и названа эта
зона зоной проводимости. Ну а в запрещенной зоне элект-
рон не может находиться, иначе говоря, в кристалле не
может быть электрона, который имел бы энергию, соответ-
ствующую этой зоне. Одно из двух: или сиди неподвижно в
валентной зоне, или перепрыгивай в зону проводимости и
отправляйся разгуливать по всему кристаллу.
Таким образом, то, что в отдельном атоме характери-
зовалось электронными переходами с уровня на уровень,
в кристалле описывается переходами из зоны в зону (могут
быть, конечно, и переходы внутри зоны, но, в первом
приближении, они ничего не меняют в отношении количес-
тва и поведения свободных электронов). Поскольку интерес
представляют переходы через запрещенную зону, очевидно,
24
что для этого нам достаточно принять во внимание лишь
взаимное расположение верхнего уровня валентной зоны и
нижнего уровня зоны проводимости. Насколько глубока ва-
лентная зона и насколько высока зона проводимости,— не
так уж важно. Эти уровни, обозначаемые обычно Ev и Ес (от
английского valence и conductance), в дальнейшем и фи-
гурируют. Дискретность энергетических уровней и перехо-
ды электронов между ними — специфическая прерогатива
квантовой физики, поэтому чаще используется термин
«квантовые переходы».
Теперь, пожалуй, пора поговорить о том, какие же
«щелчки» порождают квантовые переходы, пора заняться
раскавычиванием. Что надо электрону, чтобы перескочить
на ступеньку вверх? Только одно — порция, сгусток энер-
гии, равная зазору между этими ступеньками, или этими
зонами. Можно использовать порцию энергии и побольше —
тогда мы получим «горячий» электрон. Но зачем попусту
тратить энергию, ведь он все равно скоро «остынет» и
уравняется с теми электронами, которые перескакивают
просто на дно зоны проводимости? А откуда лучше всего
получить необходимые сгустки энергии? Нет сомнения, что
вы догадались — уж слишком очевидно это повествование
подводило к ответу. Идеальными «щелчками», конечно же,
могут явиться фотоны. Идеальными потому, что каждый
из них представляет собой порцию энергии, причем пор-
цию строго отмеренную, однозначно определяемую длиной
волны света.
Итак, если на кристалл падает фотон с энергией
E^ = Av > Eg (Eg — ширина запрещенной зоны на рис. 7),
то, поглотившись, он может перебросить верхний электрон
валентной зоны на дно зоны проводимости (здесь сказано
«может» потому, что это, к сожалению, не единственный
способ расходования энергии фотона). Вот и состоялось то
чудесное превращение, которого мы так ждали,— «фотон
превратился в электрон». Точнее говоря, благодаря погло-
щению фотона связанный электрон стал свободным (левая
часть рис. 8), произошла генерация электрона.
Но приглядимся чуточку повнимательнее — только ли
это произошло? Когда электрон ушел из валентной зоны, там
остался пустой, незанятый энергетический уровень. А это,
как мы видим, кое-что дает: при приложении к кристаллу
внешнего электрического поля на этот уровень может пере-
скочить электрон с более низкого уровня валентной зоны, на
освобожденное им место — другой электрон с еще бо-
лее низкого уровня и т. д. Благодаря всего лишь одному
25
незанятому уровню электроны валентной зоны приходят в
движение, начинают принимать участие в переносе тока. Но
проявляется это не как движение электронов, для этого
валентная зона слишком заполнена. Место, оставшееся после
Рис. 8. Рождение и гибель
электронно-дырочной пары в
полупроводнике. Как видим,
участником обоих процессов
является фотон hv
ухода электрона в зону проводимости, называют дыркой, оно
и представляет собой щель, дыру в сплошной ткани, состоя-
щей из ниточек заполненных валентных энергетических
уровней. В электрическом поле дырки ведут себя подобно
«квазичастицам» (как бы частицам), аналогичным электро-
нам, но обладающим положительным электрическим заря-
дом. Более строгий анализ показывает, что масса дырки
несколько отлична от массы электрона, а масса последнего
внутри кристалла также отлична от значения те, приведен-
ного выше и справедливого для свободного электрона в
вакууме; поэтому при рассмотрении процессов в кристаллах
используют понятия эффективных масс электрона т* и
дырки т*. Объединяя единым подходом электроны и дырки,
их называют носителями заряда (иногда используется менее
строгое понятие «носители тока»).
Если электроны можно уподобить шарикам, которые,
вырвавшись из валентной зоны, естественно оказываются у
дна зоны проводимости (даже если фотонный щелчок сна-
чала подбрасывает их выше), то дырки — это «пузырь-
ки», всплывающие к потоку валентной зоны. С подроб-
ным последовательным описанием электронов и дырок в
полупроводниках мы рекомендуем познакомиться по книге:
Левинштейн М. Е., Симин Г. С. Знакомство с полупро-
водниками.— М.: Наука, 1984.— Библиотечка «Квант»,
вып. 33.
Одна из замечательных концепций квантовой физики
состоит в том, что все процессы в микромире, в мире атомов
и квантовых переходов обратимы. Если свободный электрон,
блуждая по кристаллу, встретится с дыркой и достаточно к
ней приблизится, то он может вновь занять то место в
26
валентной зоне, которое когда-то покинул. Нарушение рав-
новесия, вызванное фотоном, восстанавливается, кристалл
вновь выглядит так, как будто ничего и не произошло. Но
ведь электрон, перескочив через запрещенную зону, умень-
шил свою энергию на величину Eg — куда же она девалась?
И опять все очень просто. Эту порцию энергии кристалл
возвращает Природе в виде фотона Лр = Eg (конечно, как и
при поглощении фотонов, это лишь один из возможных
механизмов траты энергий электрона). Вот так свободный
электрон «превращается» в фотон (правая часть рис. 8).
Поскольку одновременно исчезает и свободная дырка в
валентной зоне, этот процесс называют рекомбинацией элек-
трона с дыркой.
Интересная особенность квантовых переходов заключа-
ется в том, что при обрыве связи с ядром энергия электрона
изменяется на вполне заметную величину практически без
каких-либо пространственных изменений (все переходы на
рис. 6 и 8 — это «перемещение» в условном «пространстве
энергии»). Отсюда очень высокая скорость протекания кван-
товых переходов — если никаких помех нет, то процесс
может осуществиться за 10~13—10~14 с!
Итак, в кристалле полупроводника могут происходить
оба вида чудесных превращений: поглощение фотона вызы-
вает появление пары свободных электрона и дырки, а ре-
комбинация свободного электрона с дыркой приводит к
испусканию фотона. Первый из этих процессов составляет
суть фотоэффекта, второй определяет явление люминес-
ценции. Оба процесса очень экономны: взаимные превра-
щения частиц происходят «один к одному», да и на каждый
такой акт необходима энергия всего лишь в единицы элект-
рон-вольт. Именно это обеспечивают полупроводники, при-
меняемые в оптоэлектронике: кремний (Si), арсенид галлия
(GaAs), фосфид галлия (GaP) имеют значения Eg, равные
соответственно 1,12; 1,4; 2,27 эВ. А вообще для полупро-
водников характерны значения 0,15 эВ^ Eg <? 3,5 эВ. При
меньших Eg материал ведет себя почти как металл, а при
бблыпих — как изолятор.
Напомним, что энергией в 1 эВ обладает электрон, ус-
коренный электрическим потенциалом всего лишь в 1 В.
В миниатюрной батарейке для электронных наручных часов
таких порций энергии содержится пять тысяч миллиардов
миллиардов!
Словом, квантовые переходы в полупроводниках — это
как раз то, что надо оптоэлектронике — преобразование
информации из электрической формы в оптическую и
27
обратно может происходить без потерь, быстро и с очень
малыми энергетическими затратами.
Разумеется, описанные здесь процессы идеализированы,
на практике все происходит гораздо сложнее, а иногда и
вообще не так. Во-первых, энергетические диаграммы реаль-
ных полупроводников заметно отличаются от абстракции,
представленной на рис. 7, их конкретный вид зависит
от направления в кристалле, а нарушения кристалличес-
кой решетки и вкрапления инородных атомов дают до-
полнительные энергетические уровни и т. п. Во-вторых, все
сказанное о четком расположении электронов на различ-
ных энергетических уровнях (все нижние — заняты, все
верхние — свободны) справедливо лишь при температуре
абсолютного нуля. При любой другой температуре имеют
место колебания кристаллической решетки и энергии этих
колебаний оказывается достаточно для того, чтобы часть
электронов, пусть даже очень незначительная, переско-
чила в зону проводимости (тепловой заброс). Поэтому те
электроны, которые возбуждаются при облучении фото-
нами, образуют добавку к уже имеющимся в зоне про-
водимости,— их называют неравновесными или избыточ-
ными электронами.
Еще один важный момент заключается в том, что кроме
тех прямых переходов, которые уже описаны, могут проте-
кать и многие другие процессы: переходы через промежуточ-
ные энергетические уровни, переход энергии в механичес-
кие колебания кристаллической решетки, захват электронов
(или дырок) примесными атомами и т. п. Все это снижает
эффективность «полезных» преобразований, а может и во-
обще их заглушить.
И наконец еще одно обстоятельство нельзя упускать из
виду. Помимо энергии фотон обладает еще и импульсом
(количеством движения), также однозначно связанным с
длиной волны излучения
Рф = hv/c. (3)
Поэтому, когда происходит то или иное превращение, то
кроме выполнения закона сохранения энергии (из чего мы
постоянно и исходили), необходимо еще и выполнение
закона сохранения импульса. А это существенным образом
сказывается на процессе преобразования: чтобы израсхо-
довать куда-то избыток импульса, необходимо, чтобы во
взаимодействии, кроме электрона и фотона, участвовало
еще и третье тело,— чаще всего это те или иные при-
месные атомы. (Разумеется, это общее положение, во мно-
28
гих частных случаях закон сохранения импульса выпол-
няется при наличии лишь трех действующих лиц гене-
рационно-рекомбинационного процесса: электрона, фотона
и дырки.)
Конечно, можно делать еще много подобных замеча-
ний, можно оговаривать то или это, предостерегать, сом-
неваться, опасаться, но главное остается неизменным: в
кристалле возможны взаимопревращения электронов и
фотонов, основанные на фундаментальных положениях
квантовой физики. Заручившись этим пониманием, мож-
но смело отправиться к берегам далекой пока оптоэлект-
роники, каким бы неведомым и рискованным не представ-
лялось плавание.
§ 3. Соколиный глаз
Все-таки почувствовать намного легче, чем
возбудить в ком-то чувство,— полупроводниковые фото-
приемники были изобретены на полвека раньше, чем по-
лупроводниковые излучатели. Да и «дело» для фотопри-
емников было всегда, ведь природные источники излуче-
ния существуют вечно и независимо от человека, взять хотя
бы Солнце...
Фоторезисторы. Переброс электрона через запрещен-
ную зону (рис. 8) приводит к очевидному эффекту: про-
водимость полупроводника возрастает при освещении. На
этом явлении, названном фотопроводимостью, и основан
Пленка
Рис. 9. Самый старый и самый простой приемник излучения — фото-
резистор: устройство (а), включение в электронную схему (б), спектральная
характеристика (в)
принцип действия фоторезистора. Обычно он реализуется
как толстая пленка подходящего полупроводникового соеди-
нения, нанесенная на керамическую подложку; по краям
пленочной дорожки изготавливаются омические контакты,
к которым подсоединяются внешние токоподводы (рис. 9).
29
Фоторезистор включается в электрическую цепь, например,
в базовую цепь транзисторного усилителя, который помогает
фотоприемнику лучше проявить себя (рис. 9, б).
Если предположить, что поглощение каждого фотона
вызывает появление свободного электрона в точном соот-
ветствии со схемой рис. 8, т. е. квантовый выход rj = 1, то
получить необходимые для расчетов формулы не составит
труда. Пусть поглощение идет со скоростью dN^/dt фото-
нов в секунду и пусть все образовавшиеся электроны при-
мут участие в переносе тока /ф через фоторезистор, тогда
получим
7Ф я dt ’
(4)
где q (= 1,6-10"19 Кл) — заряд электрона. Но величина
dN^/dt прямо нам не известна, на опыте может быть
измерена мощность Рф излучения, поступающего на
фотоприемник. Поскольку она определяется энергией кван-
тов, составляющих это излучение, то используя формулу (1),
легко получить
he dN$
(5)
Объединяя (4) и (5), получаем окончательно
7Ф = he Рф’
Для характеристики эффективности фоторезистора,
возможности сопоставления приборов, работающих при
различных засветках, вводится такой относительный пара-
метр, как фоточувствительность 5Ф, определяемый соот-
ношением
5Ф = /Ф/РФ. (7)
Из формулы (6) получаем
5ф = qX/hc. (8)
Вот те раз! Это же константа — выходит, что ни делай,
а результат будет всегда один и тот же? И еще — чем больше
А, тем больше фоточувствительность, значит, можно увели-
чить ее хоть до бесконечности?
Начнем со второго вопроса. Действительно, это так, и
5Ф — А, но только до какого-то предела. Как только энергия
кванта становится меньше ширины запрещенной зоны, он
уже не способен перебросить валентный электрон в зону
зо
проводимости и никакого фототока вообще не возникает. Это
предельное значение длины волны
= hc/Eg = 1,23/^ (9)
(в последнем равенстве — в мкм, Eg — в эВ) называют
«красной границей» фотоэффекта («красной» потому, что
она ограничивает зависимость 5Ф = /(Л) справа (рис. 9, в),
а не потому, что обязательно попадает действительно в
красную область спектра).
Понятно, что при уменьшении Л фоточувствительность
будет падать. В этом случае каждый фотон несет большую
порцию энергии и при неизменном значении Рф, количество
фотонов в потоке уменьшится, а значит, уменьшится и число
создаваемых ими свободных электронов. Лишнюю же энер-
гию, полученную при отрыве от ядра, электрон бесполезно
растранжирит на соударения с атомами кристаллической
решетки («остывание горячего электрона»).
Перейдем теперь к первому вопросу — неужели мы
действительно бессильны как-то увеличить фоточувстви-
тельность, неужели 5Ф = qX^/hc — предел возможного? Все
рассуждения и выкладки, похоже, вполне корректны, осво-
божденные электроны образуют именно такой ток /Ф, как
задано формулой (4), однако что при этом поделывают
дырки, почему они совсем выпали из нашего рассмотрения?
Известные фотопроводники характеризуются так называе-
мой монополярной проводимостью: ток в них переносится
только свободными электронами, а
дырки, не успев родиться, тотчас же ___.___________Ес
захватываются ловушками. Эти ло--------L---$------Etz
вушки образуются примесными
атомами, специально введенными в
полупроводниковую пленку при ее
нанесении на подложку; на энер-
гетической диаграмме полупро-
водника появляются уровни внутри
запрещенной зоны (рис. 10), их
еще называют и уровнями при-
липания Et. Дырка в ловушке си-
дит не так прочно, как валентный
&
Рис. 10. Ловушки в полу-
проводниковом кристалле
(обозначены штрихами) от-
крывают дополнительные
возможности для квантовых
скачков электронов и дырок
E-t!
электрон в атоме, но все-таки си-
дит и может просидеть довольно долго. И хотя она не
участвует в переносе тока через
полупроводник, но на
характер его протекания оказывает существенное влияние.
Представим себе, что в какой-то момент времени в
полупроводнике поглотилась порция фотонов (скажем,
31
т штук), при этом, как обычно, образовалось т электронов
и т дырок. Свободные электроны под влиянием электриче-
ского поля вытекают из фоторезистора, дав вклад в фототок
в виде импульса с полным зарядом, равным qm, а дырки
останутся, осев на ловушках. Но если это произойдет, то
полупроводник в целом приобретет положительный заряд
(+ qm) и тогда для его компенсации из омического контакта
(левого на рис. 9, а) в полупроводниковую пленку устремят-
ся электроны. Под действием приложенного электрического
поля электроны потекут через фоторезистор, также давая
вклад в 7ф. Это будет продолжаться до тех пор, пока посте-
пенно все дырки, одна за другой, не прорекомбинируют с
протекающими электронами и зарядовая нейтральность по-
лупроводника не восстановится. Рекомбинация представляет
собой статистический, вероятностный процесс и характери-
зуется средним временем жизни электронов т„. Рассмотрен-
ная картина принципиально не меняется, если поток фотонов
не одномоментный (как мы для простоты предположили), а
непрерывный. Получается так, что дырки, сидя на ловушках,
вызывают увеличение, усиление фототока в сравнении с его
значением, задаваемым формулой (6). Несложный расчет
(он действительно несложен и может быть выполнен жела-
ющими с использованием формул из уже упоминавшейся
книги М. Е. Левинштейна и Г. С. Симина) даст
с — НО)
- he * (10)
Здесь - UR — напряжение, приложенное к фоторезистору,
= kT/q (у>о ~ 0,025 В при комнатной температуре) — так
называемый температурный потенциал, параметр, харак-
теризующий энергию свободного электрона в кристалле,
обусловленную тепловыми колебаниями кристаллической
решетки; td — среднее время дрейфа электронов от левого
электрода до правого. Величина td — I2, где I — длина
фотопроводящей полоски. Таким образом, коэффициент
усиления фототока составляет
* = <“>
Подобрав полупроводник с достаточно большим зна-
чением т„, удается получить Kt ~ 105-И0б. Заметим, что
восприимчивость фоторезистора к свету может характеризо-
ваться не только введенным нами параметром 5Ф. Кроме
токовой чувствительности, используется ещё и параметр
вольтовая чувствительность, определяемый изменением
32
напряжения на фоторезисторе при засветке (в технической
литературе эти параметры обозначаются соответственно S/ и
S0- Нередко также оперируют отношением 7?СВ/ЯТ, где
2?св — сопротивление фоторезистора в засвеченном состоя-
нии, a RT — в темновом (его величина определяется элект-
ронами проводимости, обусловленными тепловым забросом).
Итак, фоторезистор можно сделать очень чувствитель-
ным, очень восприимчивым к свету, но и здесь есть предел.
Нельзя увеличивать t/R и уменьшать I беспредельно — воз-
никают некоторые, неучтенные в нашем рассмотрении, огра-
ничивающие процессы. Главным же препятствием при обна-
ружении слабых световых потоков являются шумы.
Что такое шум, знает каждый из нас. В тихой комнате
собеседник услышит ваш шепот, а где-нибудь в ГУМе при-
ходится чуть ли не кричать: обрывки многих разговоров,
шарканье подошв, громыхание перевозимых на тележках
товаров, стрекотание кассовых аппаратов — все это и обра-
зует шум. Шум — это совсем не то, когда рядом с вами и
вашим собеседником, например, громко говорит радио, к
этому можно как-то приспособиться, от этого можно «отстро-
иться» (говоря на языке радиотехники). Шум — это порож-
дение многих причин, несчетного числа случайных, непред-
сказуемых воздействий, в шуме есть все, начиная от глухого
гула вплоть до комариного писка (и не кончая им), пусть
тихо, но все эти ноты в шуме звучат. От шума не «отстро-
ишься», его можно только перекричать. Шум есть везде: на
дне глубочайшей скважины или в толще мирового океана, в
пустыне в безветренную погоду, на Луне, в космосе...
Шумы, но уже электрические, неизбежны и в любой
электронной аппаратуре — никакой постоянный ток не яв-
ляется действительно строго постоянным, он колеблется,
меняется по случайному закону, как говорят, флуктуирует.
Амплитуда этих флуктуаций, характеризующая ток, шума,
ограничивает минимальные полезные токи, с которыми мо-
жет оперировать аппаратура. Когда работа ведется на пре-
деле возможностей, важным параметром становится отно-
шение сигнал/шум — его значение не должно быть меньше
1, а для надежного выделения полезного сигнала неплохо эту
цифру увеличить до 5 т 10. Чем сильнее «шумит» аппара-
тура, тем менее она приспособлена к работе со слабыми
сигналами. Сколько раз заносчивость и честолюбие много-
обещающих новинок электроники оказывались бессильными
именно перед высоким уровнем их шумов!
Шумы фоторезистора имеют двойную природу — элект-
рическую и оптическую. И без засветки между контактами,
зз
2 Ю. Р. Носов
стоит к ним приложить напряжение, как начнет протекать
ток, обусловленный тепловыми забросами электронов. Про-
цесс этот, как и рекомбинация, вероятностный, зависящий
от многих случайностей. Отсюда и шум. Оптическая состав-
ляющая шума определяется тем, что кроме измеряемого
светового сигнала на фоторезистор попадает фоновое излу-
чение от окружающих предметов. И полезное, и фоновое
излучение не строго постоянны, их флуктуации порождают
в конечном счете неконтролируемые колебания фототока,
т. е. его шумовую составляющую. Даже в космосе, отвер-
нувшись входным окошком от Земли и от всех ближайших
небесных тел, фотоприемник ощущает оптический фон —
его посылает звездная пыль нашей Галактики и удаленные
звезды Вселенной.
Все виды шумов, порождаемые тепловыми процессами в
самом фотоприемнике, резко уменьшаются при охлаждении,
вот почему для борьбы с ними широко используется крио-
генная техника: нередко фотоприемники эксплуатируются
при азотных (—77 К), а то и при гелиевых (—4 К) тем-
пературах.
Посмотрим теперь, какими возможностями обладает фо-
торезистор для измерения световых потоков из любой спек-
тральной области, т. е. с любым значением А. Как следует
из формулы (8), выгоднее всего работать вблизи красной
границы фотопроводимости, а для этого надо лишь выбрать
полупроводник с подходящим значением ширины запрещен-
ной зоны в соответствии с (9). Но не тут-то было. Для очень
длинноволнового излучения (Л > 10 -ь 20 мкм) либо нет
подходящих полупроводников, либо они настолько узкозон-
ны, что и к полупроводникам-то их не отнесешь. Но можно
поступить иначе. Если в широкозонный полупроводник,
скажем, все в тот же кремний, ввести примесные атомы,
образующие энергетические уровни в запрещенной зоне
невдалеке от Ес, то для переброса с них электронов в зону
проводимости потребуется энергия намного меньшая, чем Eg
(рис. 10). Эта работа под силу энергетически «хилым» длин-
новолновым фотонам — такой процесс называют примесной
фотопроводимостью. Пожалуй, пора подвести итоги.
Итак, фоточувствительность мы можем сделать очень
высокой, шумы, если полностью не устраним, то хотя бы
«заморозим», под нужный спектр подберем подходящую
примесь — все как-то подозрительно хорошо, подозрительно
потому, что из жизни и из книг мы знаем: «полного счастья
не бывает». И точно, скепсис наш, увы, подтверждается.
Высокая фоточувствительность достигается лишь при высо-
34
ком значении параметра т„, а это — автоматически! — ведет
к снижению быстродействия фоторезистора. В нашем рас-
суждении на с. 32 фототок затянулся на время тп после
окончания светового импульса. Значит, во все это время
фоторезистор не готов к восприятию другого светового им-
пульса, поэтому безошибочно можно работать лишь с редко
чередующимися импульсами. Вот теперь, а не в начале
предыдущего абзаца, мы вправе, наконец, сказать «итак».
Итак, фоторезистор можно приспособить для обнару-
жения очень слабых световых потоков в любой спектральной
области, но при этом он оказывается очень инерционным,
«медленным». Тем же, кто медленно считает и «сообража-
ет», нечего делать в информатике, а значит, и в оптоэлект-
ронике. И действительно, история в конце концов вынесла
фоторезисторам свой приговор (вернее сказать, частное опре-
деление, поставившее эти несомненно полезные приборы на
свое место и ограничившее область их применения), но это
произошло после того, как оптоэлектроника нашла (вернее
сказать, создала) себе подходящего фотопартнера, а до той
поры много воды утекло...
Немного истории. Явление фотопроводимости было от-
крыто и описано в 1873 г.— при освещении селена его
проводимость возрастала. Чего ж тут было открывать, это же
очевидно? Однако дело в том, что не только фотоэффект, как
он проиллюстрирован на рис. 8, но ни электроны с фотонами,
ни энергетические структуры кристаллов не были в ту пору
известны — так что воздадим должное первооткрывателям.
Вскоре в 1887—1888 гг. был открыт внешний фотоэф-
фект — испускание электронов из металла в вакуум при
воздействии света. Для изучения закономерностей этого
явления физики располагали в то время необходимыми
экспериментальными возможностями, потому-то сюда и ус-
тремились лучшие силы. Достаточно сказать, что его иссле-
дованием в разные годы занимались Г. Герц, А. Г. Столетов,
Ф. Ленард, А. Ф. Иоффе; теоретической гений А. Эйнштей-
на увязал фотоэффект (1905 г.) с только что зародившейся
в те годы квантовой механикой.
В порядке отступления заметим, что именно за это, «за
важные физико-математические исследования, особенно за
открытие законов фотоэлектрического эффекта» он был в
1921 г. удостоен высшей научной награды — Нобелевской
премии. А почему так не скоро, лишь через 16 лет, вправе
удивиться мы? И речь идет не о ком-нибудь, а о «самом»
Эйнштейне! Время было неспешное, с признанием заслуг не
очень-то торопились (не то, что ныне), да и «очередь» на
35
Нобелевские премии была немалая. Ведь первым среди
физиков этой награды был в 1901 г. удостоен В. Рент-
ген, который сделал обессмертившее его открытие еще
в 1895 г. и к тому же был на 35 лет старше Эйнштейна.
И в последующие годы — за немногими исключениями —
Нобелевская премия присуждалась классикам второй
половины XIX века — Дж. Дж. Томсону, А. Майкельсо-
ну, Г. Липпману, И. Ван-дер-Ваальсу, В. Вину, Г. Ка-
мерлинг-Оннесу, М. Лауэ, Г. Брэггу, М. Планку. Все это
были маститые, признанные ученые, и открытия их давно
«заждались» признания, так что пришлось 26-летнему
(в 1905 г.) Эйнштейну потерпеть...
Вернемся, однако, к нашему повествованию. Загрязнен-
ность полупроводников начала века, сложность их квантовой
структуры никак не позволяли получить сколько-нибудь
четкие закономерности внутреннего фотоэффекта. Успехи и
неуспехи физиков однозначно спроецировались и на тех-
нику — развитие получила лишь вакуумная фотоэлект-
роника. Первый фотоэлемент явился просто-напросто инже-
нерным слепком классического опыта по фотоэффекту — в
вакуумном диоде катод активировали восприимчивым к
свету сурмяноцезиевым покрытием, в силу чего ток диода
начал зависеть от интенсивности освещения катода.
И все-таки спустя более чем четыре десятилетия после
обнаружения внутреннего фотоэффекта на его основе были
созданы промышленные фотоприемники — селеновые и мед-
нозакисные фоторезисторы. Эти приборы нашли применение
в качестве фотоэкспонометров, как фотосчитывающие го-
ловки воспроизведения звукового сопровождения кинофиль-
мов, в устройствах контроля и автоматики. Но на фоне
развития вакуумной фотоэлектроники, обогатившейся в 30-е
годы такими совершенными приборами, как фотоэлектрон-
ные умножители, видиконы, электрооптические преобразо-
ватели, успехи фоторезисторов выглядели более чем скром-
ными. Новый толчок их развитию дал 1940 г., когда был
создан фоторезистор из сернистого свинца (PbS), чувстви-
тельный в ближней инфракрасной области.
Инфракрасное излучение (открытое в 1800 г. В. Герше-
лем), второе после видимого света по своему значению
излучение, примечательно тем, что, будучи невидимым, оно
тем не менее несет важную информацию о предмете: как
для любого равновесного излучения, ИК свектр однознач-
но определяется температурой, до которой нагрет предмет.
Через сто лет, в 1900 г. немецкий физик М. Планк закре-
пил это положение в своей знаменитой формуле, связы-
36
вающеи интенсивность теплового излучения с длиной
волны при различных температурах нагрева тел. Семейст-
во таких спектральных характеристик, задаваемых фор-
мулой Планка (рис. 11),
идеализированные объек-
ты. Это так называемые аб-
солютно черные тела, т. е.
тела, не отражающие свет
(R = 0, где R — коэффи-
циент отражения). Но и
серые тела (R = const #
# 0) описываются точно
такими же кривыми, лишь
сжатыми по оси ординат
в 1/(1 - R) раз. Укажем
в качестве примера, что
у асбеста R ~ 0,07, а у
отполированного серебра
R « 0,97. Для реальных
тел, которые нельзя отне-
правильно описывает некие
0,1 02 0,5 1 2 5 10 20 50 100
' , ’ А,мкм
Рис. 11. Как проявляется тепловое
-излучение «абсолютно черного тела»
(а) и реальных объектов (6)
сти ни к черным, ни к
серым, выполняются общие закономерности рис. 11, но
их спектры описываются не гладкими, а зазубренными
кривыми.
По-разному излучают тундра и песчаная пустыня, море
и тайга, горы и болотная равнина. Важны при этом время
суток, метеоусловия, освещенность ландшафта. Как ни раз-
нообразны искусственные объекты, но важнейшие из них
вполне реально занести в спектральные каталоги, будь то
турбина самолета или мотор танка, сигнатура ракеты или
раскаленная оболочка космического корабля. И что харак-
терно — максимум информации содержат именно «ИК хво-
сты» излучения.
Правда, многие ИК лучи поглощаются воздухом (вернее,
содержащимися в нем водяными парами), и поэтому издале-
ка не воспринимаются, но, к счастью, имеется несколько
окон прозрачности атмосферы в области А = 2 4- 2,5 мкм,
3,2 ч- 4,2 мкм, 4,5 -г- 5,2 мкм, 8,0 4- 13,5 мкм (так уж пове-
лось, что Природа всегда оставляет нам шанс!). Мы с вами,
дорогой читатель, тоже «светимся», длина волны максиму-
ма спектральной кривой нашего излучения составляет
А = 9,3 мкм. А для планеты Земля при наблюдении из
космоса «нормальная температура» близка к 7 °C. Луна
излучает так, как будто нагрета до 125 °C, конечно, без уче-
та отражения солнечного света. Словом, если научиться
37
улавливать ИК излучение, да еще снимать его спектральную
характеристику, то можно увидеть невидимое.
Вот эта индивидуализированность объектов по их «ин-
фракрасной ауре», с одной стороны, и появление чувст-
вительных фоторезисторов — с другой, дали новый импульс
развитию тепловидения, которое зародилось еще в ЗО-е годы
в рамках вакуумной фотоэлектроники. Всем было ясно, что
тепловизор может стать уникальным инструментом в руках
человека, незаменимым и в медицине, и в технической
диагностике — но не эти проблемы стали тогда «властите-
лями дум». Всего год как началась вторая мировая война, и
Марс властно призвал под свои знамена не только воинов,
но и ученых — напомним, что именно война ускорила
становление радиолокации, ракетной техники, использо-
вание энергии атома. Время шло, война окончилась, но
вызванный ею электронный бум, предвестник нынешней
НТР, не затихал — уверенно и без оглядки осваивался
бескрайний «инфракрасный Клондайк». В дополнение к
сернистому свинцу были синтезированы такие соедине-
ния, как PbSe, InAs, InSb, CdHgTe и многие-многие дру-
гие. Легирование кремния и германия «глубокими» и
«мелкими» примесями (Au, Си, Ga, В, Та, Se и др.) от-
крыло дорогу технологичным примесным фоторезисторам.
Словом, вся наиболее интересная область ИК диапазона
втйють до А = 12-J-14 мкм была уверенно перекрыта. Высо-
кая чувствительность фоторезисторов позволяла им улав-
ливать запуск или полет ракеты за тысячи километров,
медицинские тепловизоры помогали «увидеть» больной ор-
ган, перегревшийся всего лишь на 0,05 °C!
От этого роскошества перепало кое-что и видимому
диапазону спектра — с 1959 г. здесь доминирующее поло-
жение заняли фоторезисторы из сернистого и селенистого
кадмия (CdS и CdSe), перекрывавшие всю красно-зеленую
область и заметно превзошедшие своих предшественников
по фоточувствительности.
В порядке отступления заметим, что и такому «хитрому»
техническому решению, как тепловидение, Природа запасла
свой прототип. Выяснилось, что некоторые виды змей, ка-
жется, гадюки и удавы, имеют, кроме глаз, еще и специаль-
ные органы, чувствительные к тепловому излучению. Из-
бирательность их такова, что змея чувствует температурную
разницу между окружающей средой и живым организмом и
превращает его (этот организм) в свою жертву. Похоже, что
и многие насекомые обладают подобными теплопеленгато-
рами (во всяком случае, после бессонной ночи на даче само
38
собой напрашивается отнести к их числу комаров). Разуме-
ется, ни подражания, ни тем более копирования Природы
техникой нет,— вопреки сложившемуся популяризаторско-
му стереотипу, Человек и в целях, и в средствах, как
правило, самобытен, самостоятелен, идет непроторенным
путем. И именно это естественно, потому что достигнутое
Природой за миллионы лет эволюции, Человек хочет создать
(и создает!) немедленно и в гораздо более совершенном виде.
Продолжим, однако, наше повествование. Важность «фо-
торезисторного» этапа в истории фотоэлектроники заключа-
ется и в том, что были развиты основы теории внутреннего
фотоэффекта применительно к сложным многоуровневым
квантовым системам, детально исследованы многие естест-
венные и искусственные источники излучения, проанали-
зированы электрические, тепловые, оптические источники
шумов, выявлены области возможного применения фото-
приемников. Важно, что обобщение опыта, накопленного к
началу пятидесятых годов выкуумной фотоэлектроникой и
фоторезисторной техникой, помогло выдвинуть задачи даль-
нейшего развития фотоприемников, позволило если не сфор-
мулировать, то хотя бы почувствовать «социальный заказ».
И все-таки недостатки, принципиально присущие фото-
резисторам, так с ними и остались (сохранились они, увы,
и в наше время). В производстве их по-прежнему господст-
вует «кухня»: набрызгают водно-спиртовую суспензию CdS
в смеси с CdSe на подложку, подсушат, отожгут в муфельной
печи, затем еще раз отожгут под слоем порошка, содержа-
щего медь и хлор, иногда еще как-нибудь поколдуют над
заготовкой — и фоточувствительная пленка готова. Понят-
но, что от образца к образцу, от процесса к процессу
параметры сильно «скачут», кроме того, они нестабильны во
времени и очень резко зависят от температуры. Да и зна-
чительную инерционность фоторезисторов, порой характе-
ризующуюся десятыми долями секунды, так и не удалось
преодолеть.
Словом, прогресс прогрессом, но для целей оптоэлект-
роники (которой, правда, пока еще не существовало) все это
совсем не подходило. Стало очевидным, что дальше по тому
же пути идти просто некуда — тупик. Нужны были свежие
идеи, новые концепции. Их подарили транзистор и тран-
зисторная технология.
Первый полупроводниковый фотодиод был создан в
1950 г., и сразу же стало ясно, что это и есть недостающее
звено оптоэлектроники. В новом фотоприемнике угадыва-
лись эффективность и быстродействие, технологичность и
39
дешевизна, надежность и стабильность, универсальность,
совместимость с транзисторами. Правда, пока еще только
угадывались, но дайте срок... Вскоре появились фототран-
зисторы и фототиристоры — возможности нового направ-
ления еще более расширились и укрепились. В каждом из
этих приборов на поверхности полупроводника создавался
фоточувствительный участок, в остальном же устройство
кристалла повторяло обычные диоды, транзисторы, тири-
сторы. В герметизирующем корпусе делали специальное
стеклянное окошко, свет через которое попадал на фото-
чувствительную площадку.
А дальше каждый новый шаг транзисторной электроники
сопровождался чем-то подобным и в области полупровод-
никовых фотоприемников. Разрабатывался очередной класс
диодов — и тотчас же обретал фоточувствительность,— так
появились фотоварикапы, лавинные фотодиоды, р—I—п-фо-
тодиоды, фотодиоды с барьером Шоттки. Были созданы
М Д П (металл-диэлектрик-полупроводник) -транзисторы —
не заставили себя ждать и фоточувствительные МДП-струк-
туры. Началось развитие интегральных схем — появились
фоточувствительные ИС — цифровые и аналоговые интег-
ральные схемы, содержащие в том же кристалле еще и
фотодиод (желающим подробно познакомиться с перечислен-
ными приборами рекомендуем прочесть книгу: М Е. Ле-
винштейн. Г. С. Симин. Барьеры.— М.: Наука. Гл. ред.
физ.-мат. лит., 1987.— 320 с.— (Б-чка «Квант», вып. 65).
В конце 50-х годов, когда транзисторная техника оказала
предпочтение кремнию вместо германия, то же самое сделала
и фотоэлектроника.
Р — /г-переходы. Основу устройства кремниевого фо-
тодиода (рис. 12) составляет р — п-переход, создаваемый
внутри кристалла. Раньше, поясняя фотоэффект (рис. 9), мы
обращали внимание на то, что образование свободного элек-
трона автоматически сопровождается и рождением дырки.
Но это не всегда так. Если в полупроводник каким-то
образом ввести небольшую присадку атомов специальных
примесей (эта операция называется легированием), то мож-
но создать в этом полупроводнике либо избыток электронов,
либо избыток дырок. В первом случае для легирования
используют пятивалентные элементы (Р, As, Sb), их назы-
вают донорами. во втором — трехвалентные (В, Al, Ga, In),
их называют акцепторами. Полупроводники, в которых
свободные электроны преобладают над свободными дырками,
называют полупроводниками с электронной проводимостью,
просто электронными полупроводниками (это отчасти жар-
40
гон) или полупроводниками п-типа. При преобладании ды-
рок — это полупроводник р-типа.
Легирование — это определяющая операция при изго-
товлении полупроводникового прибора. Один из способов
hu
совмещен с самой металлургией слитка: в расплав, из кото-
рого вытягивают кристалл, добавляют нужную примесь.
Но так обеспечивается однородное легирование всего крис-
талла. А чаще всего требуется пролегировать лишь часть
кристалла, необходимо локальное воздействие. Для этого
используют процесс диффузии. Если нагреть полупровод-
никовую пластину в контакте с примесями до высокой
температуры (для кремния — это 1100 -ь 1200 °C), то ато-
мы примеси постепенно проникают (диффундируют) с по-
верхности в глубь пластины. Хотя такое проникновение
измеряется единицами микрометров, а иногда и девятыми
их долями, для получения нужной приборной структуры
этого вполне достаточно. При диффузии полупроводник не
расплавляется, остается твердым, сохраняет свою форму и
свойства.
Другой метод введения примесей в твердый полупро-
водник — ионная имплантация. Это слово все мы слышали
в связи с пересадкой и вживлением тех или иных органов из
одного организма в другой. Для «вживления» атомов приме-
си, например, в кремний, их в специальной установке сна-
чала превращают в ионы, затем ускоряют в электрическом
поле высокого напряжения (до 100000 В) и образовавший-
ся пучок направляют на поверхность полупроводниковой
41
пластины. Ионы буквально вбиваются внутрь образца, рас-
талкивают мирно дремлющие атомы кремния и занимают их
места в кристаллической решетке. Конечно, все это про-
изводится в высоком вакууме, и кремниевая пластина до-
полнительно подогревается на несколько сот градусов.
Структуру, представленную на рис. 12, изготавливают
так. Берут пластину кремния «-типа, на ее поверхности
создают тонкую, но плотную и температуростойкую пленку
диоксида кремния SiO2, а в ней с помощью фотолитографии
изготавливают небольшие круглые отверстия. Затем плас-
тину помещают в печь и через отверствия в пленке осуще-
ствляют локальную диффузию бора на глубину 1—2 мкм —
эта область становится полупроводником p-типа. На за-
ключительном этапе изготавливают омические контакты к
р- и «-областям, пластину разрезают на отдельные кри-
сталлики (чипы), каждый чип монтируют на основание,
подсоединяют внешние токоподводы и герметизируют кол-
пачком со стеклянным окошком. Фотодиод готов. Разумеет-
ся, это сильно упрощенная схема, каждый из процессов сам
по себе очень сложен и интересен. Вот, например, фотолито-
графия. Она позволяет очень точно, очень быстро «рисовать»
на поверхности пластины любые картины и точно наклады-
вать их друг на друга. О фотолитографии написаны тысячи
статей, десятки, если не сотни диссертаций, она сама могла
бы стать «героиней» романа, но... это уже другой роман. Или
взять подсоединение внешних токоподводов к омическим
контактам. Тонкая золотая проволочка диаметром 30 мкм
приваривается одним концом к пятнышку на кристалле,
а другим — к торцу вывода корпуса. Чего ж тут интересного?
А посмотрите, как это делается на современном полупро-
водниковом заводе, например на минском «Интеграле»! Спе-
циальный робот подает кристалл в рабочую зону, при этом
электронное зрение позволяет роботу сориентировать кри-
сталл очень точно, так что сварочный инструмент «жалит»
безошибочно и быстро — цифра 28000 сварок в час, сог-
ласитесь, впечатляет.
Однако — к делу, с полупроводниками всегда так: чуть
отвлечешься — и невольно увлечешься. Поверхность разде-
ла р- и «-областей и представляет собой р-переход (пунктир-
ная линия на рис. 12 — это ее поперечное сечение). Чем же
он так примечателен?
Упрощенная схема рис. 13 поможет нам кое-что понять.
Мысленно представим, что образование р—«-перехода про-
изошло вдруг, в какой-то момент. Тогда свободные электро-
ны справа, где их много, устремятся налево, где их поч-
42
ти нет, а свободные дырки, наоборот,— слева направо
(рис. 13, а). Вследствие этого левая часть станет заряжать-
ся отрицательно, а правая — поло-
жительно, возникнет электрическое
поле, которое остановит «эмигра-
цию», а немногочисленных «пере-
бежчиков» задержит около границы.
В образующемся двойном электриче-
ском слое (рис. 13, б) толщиной в
доли микрометра и сконцентрируется
тормозящее поле (рис. 13, в), здесь
же происходит резкое изменение,
скачок электрического потенциала
(рис. 13, г).
Итак, р—«-переход представляет
собой барьер, удерживающий элект-
роны и дырки в их «родных» обла-
стях. Но электроны слева, а дырки
справа, где они являются неосновны-
ми носителями заряда, просачива-
ются через барьер и даже, более того,
подталкиваются им — похоже на то,
как будто шарики (электроны) ска-
тываются с горки, а пузырьки (дыр-
ки) всплывают к поверхности жидко-
сти в наивысшую точку (рис. 13, г).
Барьеры р—«-перехода обладают
многими удивительными свойствами:
одного барьера в кристалле достаточ-
но, чтобы получить диод, два барьера
образуют транзистор, три — тири-
стор. Короче говоря, р—«-переход
0
©
©
©
©
©
©
©
©
©
5
Рис. 13. Возникновение и
свойства р—«-перехода:
электроны и дырки, под-
талкиваемые силами
диффузии, спешат на-
встречу друг другу (а);
для полупроводниковой электроники
это все, это, это... невольно хочется
перейти на возвышенно-торжествен-
ный тон, сказать что-то значительное
вроде «Гнев, о богиня, воспой Ахил-
леса, Пелеева сына» (начало го-
меровской «Илиады» в переводе
Н. Гнедича). Итак, отступление на
тему: «Воспоем оду р—«-перехо-
ду» — получилось в рифму, но радо-
ваться не стоит: рифма в прозе —
установление равнове-
сия — двойной электри-
ческий слой (б); возник-
новение электрического
поля (в) и скачка потен-
циала (г)
дурной тон. Взглянем на такую зарисовку с натуры. Река
спокойно течет по равнине, по берегам кое-где окаменели
43
меланхолические рыболовы, на песчаном пляже резвятся
дети, а вон там кучка людей уныло ждет парома. Все
размеренно, неторопливо, ничто не задерживает нашего
внимания, смотреть надоедает, мы начинаем беседовать,
разгадывать кроссворды. Но что это? Течение ускорилось,
русло сузилось, впереди показались гранитные валуны и —
в брызгах, в пене, в шуме — водопад! Как все сразу пере-
менилось — на берегу несколько ярко раскрашенных авто-
бусов, толпы оживленных туристов, фотографы, торговцы
сувенирами и сладостями. И уже не до кроссвордов, нам
интересно: у этого «барьера»— жизнь.
— Лишь там, где происходит разрыв непрерывности,
образуются барьеры — лишь там жизнь, жизнь динамичная,
насыщенная, спрессованная во времени. Похоже, это —
всеобщий закон и кажется, что очень удачно книгу о полу-
проводниковых приборах М. Е. Левинштейн и Г. С. Симин
назвали «Барьеры».
Барьер^ образованный р—«-переходом, примечателен в
первую очередь тем, что он изменяется под воздействием
приложенного напряжения. Если в структуре на рис. 13, а
к p-области присоединить плюс, а к «-области минус внеш-
него источника напряжения (прямое смещение), то скачок
потенциала (рис. 13, г) уменьшится. Понижение барьера
приведет к тому, что наиболее «энергичные» из дырок
p-области перепрыгнут через него и перейдут в «-область
(то же произойдет и с частью электронов «-области, дальше
для краткости мы о них говорить не будем). Такие
дырки всегда имеются в наличии: в то время как основная
масса дырок получает от кристаллической решетки свою
усредненную порцию тепловой энергии, заметная часть
дырок — две-три таких порции, а какая-то часть — и де-
сять или двадцать порций. Конечно, вероятность этого не-
велика, но когда дырок несметное множество (в типичных
случаях их 1018 штук/см3), то и «энергичных» оказывает-
ся немало.
Этот процесс называют инжекцией: дырки из р-области,
где их много, при приложении к р—«-переходу напряжения
прямого смещения перетекают в «-область, где их мало.
В «-области дырка — это избыточный неосновной носитель,
таким образом, инжекция представляет собой удобный ме-
ханизм накачки неосновных носителей. Благодаря инжекции
через диод протекает большой прямой ток, инжекция — это
основа принципа действия транзистора, светодиода, лазера,
но... инжекция не имеет никакого отношения к работе
фотодиода. Он нашел себя совсем в другой области.
44
Фотодиод. Если в структуре на рис. 13, а к р-области
приложить минус, а к «-области плюс внешнего источника
напряжения (обратное смещение диода), то скачок потен-
циала (рис. 13, г) станет еще больше. Повышение барьера в
перемещение носителей заряда ничего нового не привне-
сет — через границу беспрепятственно будут по-прежнему
проходить электроны слева и дырки справа. И тех и других
в соответствующих областях очень мало, поэтому ток через
р—«-переход и во внешней цепи тоже будет очень малым.
Это — обратный ток диода, известный каждому радио-
любителю, в случае фотодиода он называется темновым
током. Его конкретная величина зависит от многих причин,
в рекордных образцах он может составлять всего —1 пико-
ампер. Если через такой диод замкнуть батарейку от кар-
манного фонарика, то она разрядится приблизительно через
10000 лет! Конечно, подобной утечкой можно пренебречь,
т. е. условно считать, что ток вообще не протекает, цепь как
бы оборвана. Даже если утечка в сотни и тысячи раз больше,
ее в большинстве схем можно не принимать во внимание.
Однако ситуация кардинально изменяется, если кристалл
диода осветить, причем так, чтобы фотоны поглотились
вблизи р—«-перехода. Возникающие избыточные носите-
ли — электроны в p-области, дырки в «-области — свободно
проходят через барьер, увеличивая обратный ток. Эту добав-
ку называют фототоком, он тем больше, чем интенсивнее
поток фотонов. Вот мы и подошли к сути — полупроводнико-
вый диод при определенных условиях изменяет свой обрат-
ный ток под влиянием засветки, т. е. он является фото-
приемником. Но что это за определенные условия? Да ничего
особенного, все очень просто. Во-первых, надо сделать р-об-
ласть очень тоненькой, и вот почему. В наших предыдущих
рассуждениях р- и «-области были равноправны, на деле же
это не так. Чтобы диод хорошо работал просто как диод, одну
из областей кристалла легируют очень сильно, она ста-
новится хорошо проводящей. Одновременно это приводит к
тому, что время жизни избыточных носителей в ней ничтож-
но мало и они просто «не успевают» дать вклад в фототок.
Поэтому поглощение фотонов в сильно легированной области
(для конкретности на рис. 12 — это р-область) — бесполез-
ная трата.
Во-вторых, конечно же, надо сделать так, чтобы ме-
таллические контакты не затеняли р-область — это оче-
видно, и чтобы свет не отражался от ее поверхности. Только
в этом случае она сыграет роль входного окна, фоточув-
ствительной площадки.
45
Надо еще, чтобы свет полностью поглотился в п-области
(ее называют базой), все, что проскочит, потеряется беспо-
лезно. А это зависит от длины волны излучения: чем больше
Л, тем на большую глубину Л проникает свет в кристалл.
Так, в кремнии для зеленого света (Л = 0,55 мкм) Л ~ 1 мкм,
поэтому толщину p-области надо снижать до десятых и сотых
долей микрометра, а это не просто. Для Л ~ 0,85 мкм (излу-
чение GaAlAs светодиода) уже имеем Л ~ 40—50 мкм, а вот
излучение твердотельного лазера на алюмоиттриевом гра-
нате (Л = 1,06 мкм) поглощается лишь в толще около
0,5—1 мм. Здесь возникает новая трудность — родившиеся
во всем кристалле дырки надо как-то подогнать к р—п-пере-
ходу — лишь там имеется электрическое поле, перебрасы-
вающее их в p-область. Если надеяться, что они сами про-
диффундируют, то, во-первых, сколько их погибнет по до-
роге из-за рекомбинации, а во-вторых, сколько ждать, пока
все соберутся? Для Л = 1,06 мкм это время составит чуть ли
не миллисекунду, а добредут до цели хорошо если несколько
процентов рожденных дырок. Для излучения с Л = 0,85 мкм
ситуация получше, но все равно неприемлемая. Что же
делать? Фактически есть лишь один путь — электрическое
поле, сосредоточенное в р—n-переходе, распространить на
всю базу. Для этого уменьшают проводимость п-области,
всячески предохраняют ее от случайного, паразитного
легирования. Если это удается, то получается полупро-
водник не р- и не n-типа, в нем присутствуют в равных
количествах свободные электроны и дырки, создаваемые
лишь посредством тепловых забросов. Такой полупроводник
называют собственным и обозначают буквой «/» (от англий-
ского intrinsic).
На основе этих концепций и появились р—i—п-фото-
диоды (в глубине кристалла, где фотоны уже не поглощают-
ся, /-область переходит в n-область, к которой легче изго-
товить омический контакт). В этих приборах благодаря
тянущему полю в базе удается обеспечить практически
100 %-ное собирание дырок, а быстродействие достигает
сотен и даже десятков пикосекунд.
При всем, что делается с кристаллом, надо еще хорошо
обработать и защитить поверхность, чтобы темновой ток
фотодиода был мал — именно он и представляет тот шум,
который ограничивает чувствительность. Не будь темнового
тока, можно было бы почувствовать и один фотон (по
крайней мере принципиально). И еще надо заботиться о том,
чтобы свойства фотодиода не ухудшались при повышении и
понижении температуры, чтобы они были стабильны во
46
времени, чтобы прибору не были страшны ни тряска, ни
удары. И при этом он не должен быть очень дорогим.
Можно еще долго перечислять все эти надо, надо, надо —
вот поэтому-то «простым» делом создания и производства
фотодиодов и фотоприемников занимаются многотысячные
научные и заводские коллективы...
По принципу своего действия фотодиод относится к
фотоприемникам, которые обобщенно называют «счетчи-
ками фотонов»,— поглощение каждого фотона вызывает
протекание в цепи одного электрона, и, измеряя фототок,
можно рассчитать поток фотонов по тривиальной формуле
= I^/q. (12)
Конечно, она справедлива, если в приборе нет бесполезных
потерь ни фотонов, ни электронов — об этом мы уже
поговорили достаточно. И «считать» фотоны, начиная чуть
ли не от единиц штук, действительно можно, но это нелег-
ко — слишком слабенький токовый всплеск дает один элек-
трон или одна дырка. Хорошо бы хоть как-то усилить этот
ток внутри самого фотоприемника, тогда проще было бы
согласовать с ним и внешний усилитель. С этой целью стали
развивать фототранзисторы, воспринимающие свет и уси-
ливающие фотосигнал. В некоторых таких приборах уси-
ление может достигать 10000 ч- 100000 раз. Кажется, не-
плохо, но радоваться рано. В той же пропорции усиливаются
и шумы, так что о том, чтобы считать единицы фотонов, не
может быть и речи. И еще — точно в той же пропорции
уменьшается быстродействие. Поэтому фототранзисторы
оказались удобными лишь в «медленных» устройствах авто-
матики, промышленной электроники. Информатика, вся ус-
тремленная на увеличение скорости счета, от этих приборов
отвернулась.
Но все же нашелся другой принцип усиления фотосигна-
лов непосредственно в диоде. Если обратное напряжение
начать увеличивать, то напряженность электрического поля
внутри области объемного заряда возрастает, а сама эта
область расширяется. Дырки, пролетая через нее, могут
разогнаться до такой скорости, что при столкновении с
атомом кремния ионизируют его, при этом образуется сво-
бодная пара «электрон—дырка». Новая дырка присоединя-
ется к прерванному движению изначальной дырки, электрон
устремляется в противоположную сторону. Каждый из этих
носителей — теперь их три — может разогнаться до той же
критической скорости, при которой они способны иони-
зировать атомы кремния. Если это произойдет, носителей
47
станет 9, при следующих подобных актах — 27, 81 и т. д.
Иначе говоря, при некотором обратном напряжении £7лав
начинается процесс «лавинного размножения» носители в
р—«-переходе. Во внешней цепи это проявляется в увели-
чении фототока. Поскольку область объемного заряда неши-
рокая (не более 1 —2 мкм) и носители летят в ней с беше-
ными скоростями (105 ч- 106 см/с), развитие лавины проис-
ходит за доли наносекунды.
Таким образом, в лавинных фотодиодах, ЛФД (так их
называют), удается сочетать значительное усиление фото-
сигнала (до 103—104 раз) с сохранением высокого быстро-
действия — получается, что если хорошо подумать, то мож-
но вопреки поговорке «и капитал приобрести, и невинность
соблюсти».
А как же с шумами? Естественно, что темновой ток
усиливается в ЛФД, но пока даже усиленный, он меньше
собственных шумов последующего усилителя (а он, как и все
в этом мире, тоже шумит), это никаких отрицательных
последствий не имеет. Важно, правда, другое. Стоит чуть-
чуть увеличить напряжение на ЛФД, и ток возрастет на-
столько, что произойдет пробой — в каких-то отдельных
точках р—«-переход «прогорит» и станет непригодным для
работы. ЛФД работает в предпробойном режиме, все время
на грани срыва. А чтобы срыва не произошло, приходится
очень строго стабилизировать найряжение и температуру
(иногда до 0,01 °C). Но что поделаешь — игра стоит свеч.
Заметим, что поиск и прогресс неудержимы, и как бы ни
были привлекательны ЛФД, им не вечно ходить в лидерах.
На новом витке спирали развития физики и технологии
полупроводников появились фототранзисторы, уверенно
шагнувшие в пикосекундный диапазон. В них используются
такие последние крики полупроводниковой моды, как сверх-
решетки, туннельные переходы, металлическая база... Что
это такое, мы непременно расскажем, но... в следующем
издании этой книги — цыплята должны набрать вес.
Продолжим. Конечно, не любой фотодиод может рабо-
тать в лавинном режиме, для этого разработано множество
конструктивно-технологических ухищрений, обеспечиваю-
щих развитие лавины однородно по всей площади р—«-пе-
рехода. Это и выделяет ЛФД, а в обычном фотодиоде про-
бой возникает и удерживается лишь в отдельных точках, да
еще и на поверхности кристалла по принципу «где тонко,
там и рвется».
Вот эти два прибора — р—I—«-фотодиод и ЛФД —
эффективные, быстрые, миниатюрные, надежные, долговеч-
48
ные, технологичные, оснастили наконец-то оптоэлектронику
необходимыми фотоприемниками. Но это не все. В описан-
ных фотодиодах, вернее в их технологии, заключен еще и
огромнейший резерв дальнейшего развития, причем в на-
правлении, нами пока что забытом. Речь идет о принципе
интеграции — опираясь на него, можно создавать структуры
с тысячами фоточувствительных окошек, да еще вкупе со
схемами обработки фотосигналов. И когда в середине 60-х
годов интегральная кремниевая микроэлектроника начала
мощнейший разбег, стало ясно, что и фотоэлектроника
изготовилась к прыжку...
ГЛАВА 2
ДА БУДЕТ СВЕТ!
Слов нет, фотоприемники очень важны для
оптоэлектроники, они обязательны в большинстве мало-
мальски сложных оптоэлектронных систем, можно даже
сказать, что они абсолютно необходимы оптоэлектронике. И
все-таки не с них все начиналось. Лишь появление ис-
точников оптического излучения, источников света, способ-
ных преобразовывать электрические сигналы в поток излу-
чения, причем так, как это надо информатике,— лишь это
позволило всерьез заговорить об оптоэлектронике.
Свет всегда играл важнейшую роль в жизни человека,
являясь и средством познания окружающего мира, и средой
обитаний. С незапамятных времен безотказно работает на
человека свет Солнца и звезд, к ним сам человек добавил
костры, факелы, лучины, свечи, керосиновые лампы, газо-
вые рожки и, наконец, электрические лампы. Но, разумеет-
ся, ни управление солнечными зайчиками, ни включение-
выключение осветительных ламп, пусть даже самыми совер-
шенными интегральными схемами, не могли иметь никакого
отношения к оптоэлектронике. Здесь, как и повсюду в
информатике, нужны миниатюрность, экономичность, быс-
тродействие, направленность воздействия, надежность. Лишь
с появлением светодиодов и лазеров идеи оптоэлектроники
обрели наконец-то реальную основу для своего воплощения.
§ 4. Светодиоды — начало
Чуть-чуть истории. День рождения светодиода
назвать трудно, смешно отыскивать истоки его появления в
развитии известных до того источников света — уж слиш-
ком он не похож на все предшествующее. И все-таки кое-
какая предыстория у светодиода есть. В 1923 г. советский фи-
зик О. В. Лосев, исследуя точечно-контактные карбидокрем-
ниевые детекторы радиотехнического назначения, обнару-
жил, что при пропускании через них электрического тока
может возникнуть зеленовато-голубое свечение. Интенсив-
ность излучения была ничтожной, повторяемость явления
50
оставляла желать лучшего и практического применения
«эффект Лосева» не получил. В 1936 г. француз Дестрио
увидел оранжевое свечение при возбуждении переменным
током порошкообразного сульфида цинка, замешанного на
органическом связующем. И хотя процесс этот получил
техническое воплощение в так называемых электролюмине-
сцентных ячейках, его интенсивность была тоже невелика.
Главный итог этих открытий более чем полувековой
давности заключался в утверждении того, что в полупро-
водниках может осуществляться прямое преобразование
электрической энергии в световую. Но процессы протекают
вяло, не очень уверенно воспроизводятся и, что особенно
важно, теоретически не до конца понятны. В этой экзотике
не очень-то ясно проступал верный курс развития.
Все решило изобретение транзистора. Решило не прямо,
не «в лоб», а в какой-то степени случайно. Ни один гер-
маниевый или кремниевый прибор не засветился, но с
появлением транзистора «мир полупроводников» стал иным:
появилась совершенная технология, была создана теория
р—n-перехода, исследователи получили вкус к синтезу но-
вых, дотоле не существовавших полупроводников высокой
степени чистоты. Одним из таких полупроводников явился
арсенид галлия (GaAs), который после обследования его
свойств показался очень перспективным для изготовления
транзисторов. Начали вкладывать средства, расширили
фронт исследований, научились в конце концов получать
совершенные монокристаллы и изготавливать в них р—п-
переходы. Складывалось вроде бы «все хорошо..., за исклю-
ченьем пустяка» — транзисторы из GaAs не получились.
Заметим, что позже, лет через 10—15, эта задача была
решена и «транзисторные авансы» арсенид галлия покрыл,
но это произошло позже, а тогда в середине 50-х годов начало
казаться, что миллионные затраты выброшены на ветер...
Однако в 1955 г. обнаружилось: арсенидгаллиевый диод
при пропускании через него тока начинает испускать ин-
фракрасное излучение. Первые такие источники, как и в
экспериментах Лосева, были не очень-то интенсивными, но
теперь уже исследователи во всеоружии передовой теории и
технологии четко знали, куда и как идти. И в 1962 г. диоды
из другого, тоже синтезированного в лаборатории, бинарного
полупроводника — фосфида галлия (GaP) засветились уже
по-настоящему — красным светом. Вот эти-то две даты и
определяют время рождения светодиодов.
Рождение света. Действие светодиода основано на прин-
ципе обратимости процессов в квантовом микромире, о
51
котором мы рассказывали на с. 27 и поясняли на рис. 8.
Левая его часть дала объяснение фотоэффекта, в правой —
заложены возможности для генерации излучения. Если в
зону проводимости каким-нибудь способом «накачать» из-
быточные электроны и одновременно обеспечить возмож-
ность их беспрепятственного перескакивания в валентную
зону (это — межзонная рекомбинация), то при каждом
акте электронного перехода в кристалле будет рождаться
фотон с энергией, равной изменению энергии электрона, т. е.
равной Eg.
Из сказанного ясно, чтб надо делать (и что действительно
делают) для генерации света. Вооружившись сегодняшними
знаниями, прокрутим заново киноролик истории с начала
60-х годов. Будем считать, что была поставлена задача
получить красное свечение (хотя в те годы искали, что под
руку подвернется). Красное — это значит, что длина волны
света должна лежать в полосе приблизительно от 650 до
720 нм, возьмем для конкретности Аизл = 690 нм — насы-
щенный красный цвет, близкий к пурпурному. Итак, зай-
мемся мысленно изготовлением светодиода с Аизл » 690 нм.
Прежде всего надо подобрать подходящий полупровод-
ник — ни германий, ни кремний, ни даже арсенид галлия
для этого не годятся: у них слишком узкая запрещенная зона.
Помня об обратимости фотоэффекта и светогенерации, тран-
сформируем формулу (9) к виду
Аизл (нм) = 1230/Е; (эВ). (13)
Значит, для поставленной цели нужен полупроводник с
Eg = 1,78 эВ. Как же так? Ведь фосфид галлия, на котором
впервые получили Аизл ~ 690 нм, имеет Eg = 2,27 эВ. Ис-
тория ошиблась или в наших расчетах что-то напутано?
Уравнение (13) получено из закона сохранения энергии
и потому сомнений вызвать не может. Но не только этим
одним законом определяется поведение электрона в кристал-
ле — здесь, как и в нашей жизни, могут действовать не-
сколько запрещающих инструкций. Один из таких запретов
связан с законом сохранения импульса — каждому школь-
нику известно, что его тоже нельзя нарушать ни при каких
обстоятельствах. Так вот, в некоторых полупроводниках —
их называют прямозонными — импульс родившегося фотона
в точности равен сумме импульсов рекомбинирующих элек-
трона и дырки. Здесь все в порядке и Аизл определяется
соотношением (13). Таков, например, арсенид галлия, име-
ющий Eg = 1,41 эВ и Яизл ~ 900 нм (ближнее ИК излу-
чение). Но есть и другие полупроводники — непрямозонные.
52
Здесь в тройственном братстве — электрон, дырка, фотон —
баланс импульса не выполняется. Поэтому, чтобы не на-
рушить «инструкцию» о сохранении импульса, электрон и
дырка подыскивают в кристалле какой-нибудь подходящий
атом (или дефект), который мог бы легко принять на себя
избыток импульса, и уже на этом атоме вполне законно
рекомбинируют. (Когда мы бежим, внезапно останавливаем-
ся, подпрыгиваем, то все изменения импульса принимает на
себя Земной шар — из-за некоторого различия наших с ним
масс на его движении это фактически никак не сказывается.
То же самое происходит и в микромире, когда легчайшие
электрон и дырка «опираются» на массивный атом.)
В фосфиде галлия роль такого пристанища для электро-
нов и дырок играет комплексное образование атомов цинка
и кислорода, специально введенных в полупроводник. Этот
комплекс, его обозначают Zn—О, характеризуется специ-
альным энергетическим уровнем внутри запрещенной зоны,
отстоящим от дна зоны проводимости на некоторую величину
AEzn-o (уровень Еа — на рис. 10). Теперь все понятно.
Электрон как бы постепенно, поеживаясь, заходит по колено
в воду и лишь затем смело ныряет. Поэтому-то в формулу
(13) в этом случае входит неЕр a (Eg — AjEZn_o) и все сразу
становится на свои места. Конечно, сказанное — это первое
приближение к истине (а может быть, и нулевое) — реаль-
ные процессы намного сложнее. Но как бы там ни было,
знание зонной диаграммы полупроводника позволяет пред-
сказать, какое излучение он может генерировать. Заметим,
что при введении в фосфид галлия азота величина A2?N ока-
зывается иной, чем в случае комплексов Zn—О, и такие кри-
сталлы излучают зеленый свет (Аизл ~ 550 нм). Это явилось
бесплатным подарком для неутомимых исследователей.
Из сказанного вытекает одно очень важное свойство
светодиодов — узость спектральной полосы излучения. Если
бы строго выполнялось (13), то мы имели бы Яизл = const.
Однако электроны и дырки, участвующие в рекомбинации,
занимают не точно самый нижний и самый верхний уровни,
а некоторые полосы уровней («температурное размытие»),
поэтому излучение идет в некоторой полосе длин волн ААИЗЛ
вокруг средней точки Лизл. Как правило, ААИЗЛ ~ 40—100 нм,
что не идет ни в какое сравнение с теми тысячами наномет-
ров, которые характеризуют полосу излучения ламп на-
каливания (представление о них дают графики рис. 11).
Светодиоды — источники спектрально чистого излучения.
Итак, GaAs дает ИК излучение с Лизл ~ 900 нм, GaP —
красный или зеленый свет по нашему выбору — а что делать,
53
если нужна, скажем, желтая или оранжевая расцветка?
Казалось бы, ясно, надо подобрать другие подходящие цен-
тры внутри фосфида галлия. Надо-то надо, да они не желают
подбираться, их попросту нет. А что если оставить эти поиски
вслепую и попытаться сделать такой полупроводник, у ко-
торого ширину запрещенной зоны Eg можно было бы менять,
как захочется? Да еще чтобы этот полупроводник был
прямозонным. Утопия? Оказывается, нет, на помощь прихо-
дят тройные составы.
Берут два похожих по структуре бинарных полупро-
водника с разными значениями Egl и Eg2 и начинают их
соединять в определенных пропорциях (конечно, это не
перемешивание песка с цементом, а тонкий физико-метал-
лургический процесс). И получают — любое значение Eg в
интервале между Egl и Е„2- Смешивая GaP и GaAs, пере-
крывают Eg от 2,2/ до 1,42 эВ, причем до Eg < 1,95 эВ
соединение является прямозонным. Значит, можно получить
светодиоды любого цвета свечения от красного до желтого.
Обозначается это тройное соединение: GaAsi_xPx (или упро-
щенно GaAsP), где х характеризует долю атомов мышьяка в
молекуле GaAs, замещенных атомами фосфора. Другое важ-
ное тройное соединение GaAlAs (сплав GaAs и AlAs) непре-
рывно перекрывает красную и ближнюю ИК области спект-
ра. Успехи с тройными соединениями придали смелость в
экспериментировании с еще более сложными составами, уже
освоено много совершенных четырехкомпонентных соеди-
нений. И все-таки достигнуто не все, чего бы хотелось. По
сути, нет подходящего широкозонного полупроводника для
генерации голубого, синего, фиолетового цветов, не говоря
уже об ультрафиолете.
Есть, правда, карбид кремния (SiC), но эффективность
его свечения пока не намного выше, чем во времена Лосева.
Да и технологически этот материал очень сложен, обработка
его ведется при температуре около 2000 °C. Очень много
широкозонных полупроводников имеется среди полупро-
водников типа А2В5 (это соединение элементов второй и
шестой групп таблицы Менделеева) — они уверенно перек-
рывают синюю область спектра. Но светодиоды из этих
материалов, таких как ZnSe, CdTe, CdS, ZnS, делать пока
не научились (оговоримся, речь идет лишь о промышлен-
ных достижениях — в лабораториях исследователями SiC и
А2В6 — а среди них есть очень убежденные и упрямые —
получены в последнее время обнадеживающие результаты.
Так что если ко времени выхода этой книги в свет направ-
ление А2В6 наконец-то «засветится», автор будет счастлив
54
признать неправомерность своих сегодняшних пессимисти-
ческих оценок).
Будем считать, что с подходом к выбору полупроводника
мы как-то разобрались — пойдем дальше. Как обеспечить
эффективную накачку свободных электронов в зону про-
водимости (или дырок в валентную зону) — ведь именно они
представляют собой то «горючее», без которого невозможна
генерация света. Такой механизм есть и о нем мы уже
упоминали (с. 44) — это инжекция носителей заряда при
смещении р—n-перехода в прямом направлении. Значит,
выбрав подходящий полупроводник, надо создать в нем
р—n-переход. Как это сделать, уже говорилось (см. с. 41 —
42) — если полупроводник n-типа, то с помощью диффузии
в него вводят акцепторную примесь и частично переводят в
полупроводник p-типа. Но вот заковыка, не со всеми полуп-
роводниками это проходит. В кристаллах А2В6 что-то в самой
их природе противодействует превращению из n-типа в
p-тип, во всяком случае за десятилетия исследований каче-
ственные р—n-переходы получить не удалось.
К счастью, другая широкая группа соединений — полу-
проводники типа А3В5 (к ним-то и относятся пионеры све-
тодиодной техники GaAs и GaP) этим недостатком не стра-
дают и позволяют многими различными способами создавать
в них р—n-переходы. Итак, вырезав из слитка подходяще-
го полупроводника тонкую пластину, изготавливают в ней
р—n-переход, затем разрезают ее на кристаллики (следуя
моде на американизмы, их называют чипами), изготавли-
вают контакты-токоподводы к р- и n-областям, монтируют
на ленточную рамку, герметизируют прозрачной пластмас-
сой — и светодиод готов (рис. 14).
Подавая на светодиод напряжение прямого смеще-
ния, снижают потенциальный барьер р—n-перехода (см.
рис. 13) — начинается инжекция, накачка электронов в
n-область (это база светодиода). Механизм инжекции, обла-
дая рядом замечательных свойств, явился буквально наход-
кой для светодиодов (да и для лазеров). Во-первых, эконо-
мичность — каждый электрон, взбираясь на потенциальный
барьер, берет от источника питания почти ровно столько же
энергии, сколько он потом при рекомбинации передает
фотону. (Если внимательно приглядеться к рис. 13, то ока-
зывается, что отдает он даже больше, чем берет. Конечно,
нарушения закона сохранения энергии здесь нет, недостаю-
щая часть заимствуется из резервуара тепловой энергии кри-
сталла — эффект «теплового насоса», известный в физике
термоэлектрического охлаждения. Какая часть кристалла
55
должна была бы при этом охладиться и почему реально
кристалл не охлаждается, а напротив, нагревается,— предо-
ставим любознательному читателю понять самому.) Прямой
ток /пр обычно не превышает 10—20 мА, а прямое напря-
жение Unp 1,5—2,5 В. При таких режимах возбуждения
Рис. 14. Светодиод. Простая рамочная конструкция с пластмассовой опрес-
совкой не передает сложности квантовых процессов, разворачивающихся в
кристалле
достигается полная совместимость светодиодов с транзисто-
рами и интегральными схемами, а это одно из решающих
обстоятельств при выдаче «путевки в жизнь» любому новому
электронному прибору.
Далее. Концентрация накачиваемых электронов прямо
пропорциональна прямому току — это очевидно, ведь ток и
переносится электронами. В свою очередь интенсивность
излучения пропорциональна концентрации электронов, под-
лежащих рекомбинации. Следовательно, интенсивность из-
лучения прямо пропорциональна прямому току, что и вы-
полняется для большинства светодиодов в широком диапазо-
не изменения 11р. Это обеспечивает удобство и простоту
управления свечением светодиодов. Заметим также, что
благодаря малому времени жизни накачиваемых электронов
до рекомбинации (обычно оно не превышает 10“6—10-7 с,
но может быть и 10"8—10“9 с), появляется возможность
импульсного режима работы светодиода — для? этого надо
лишь и прямой ток сделать импульсным.
Сделаем небольшое отступление. Мы употребили выра-
жение «интенсивность излучения» — что это такое, какими
56
вообще параметрами характеризуется светодиод? Наиболее
общеупотребительной является сила света 4 — это прост-
ранственная плотность светового потока. Если излучающий
кристалл принять за геометрическую точку, то сила света в
данном направлении есть отношение светового потока к
телесному углу, в котором он распространяется (рис. 15).
Рис. 15. Пояснения опреде-
лений светотехнических па-
раметров и характеристик.
Лизл - площадь излучающей
площадки, Q — телесный угол
Le—dle/dAww
^изл
Поскольку кристалл неодинаково излучает в разные сторо-
ны, имеется зависимость величины 4,« от направления, ее
графическое изображение называют диаграммой направлен-
ности. Иногда для характеристики светодиода используют
такой параметр, как яркость Д, определяемая отношением
силы света к площади излучающей поверхности. Именно
яркость есть тот параметр, величина которого прямо опреде-
ляет уровень раздражения глаза, иными словами, два источ-
ника одинаковой яркости воспринимаются человеком одина-
ково. Однако реально для пользователя светодиодов яркость
не является действительно характеристическим параметром.
Дело в том, что с помощью оптики «кажущуюся» площадь
свечения можно и увеличивать, и уменьшать, поэтому фак-
тически одинаковыми являются светодиоды с одинаковыми
значениями 4. Сейчас этот параметр используется повсеме-
стно, но на заре светодиодной техники логичным казалось
использовать Д. И некоторые ловкачи, резко уменьшая
излучающую площадку (фотолитография позволяет это де-
лать без труда), ухитрялись средненькие светодиоды превра-
щать в рекордсмены яркости, а одновременно и в рекорд-
смены стоимости — полезно все-таки знать физику луч-
ше других...
Если светодиод излучает в невидимой ИК области спек-
тра, то вместо световых параметров (4) для его харак-
теристики используются более общие энергетические харак-
теристики: сила излучения 4 (ее определение аналогично
определению 4) и мощность излучения £гг. Единицами изме-
рения перечисленных величин являются [4] = лм/стера-
диан (ср), или кандела (кд), [Д] = кд/м2, [4] = Вт/ср,
[£] = Вт.
В принципе, энергетическими параметрами 4 и можно
характеризовать любое излучение, включая и видимое, но
57
тогда «потеряется» специфика воздействия света на челове-
ческий глаз. Дело в том, что спектр фоточувствительности
глаза имеет очень «хитрую» форму (см. рис. 26), поэтому
получается, что 1 Вт излучения несет совершенно разное
количество света (люменов) в зависимости от того, к какой
спектральной области это излучение относится. И наоборот,
чтобы вызвать одинаковую реакцию глаза, мощность «крас-
ного» светодиода (Лизл = 690 нм) должна быть в 120 раз
больше мощности зеленого (Лизл = 555 нм).
Вернемся к анализу работы светодиодов. Мы подобрали
подходящий полупроводник, создали в нем р—п-переход,
приложив прямое смещение, обеспечили накачку электро-
нов... Теперь можно спокойненько пожинать плоды в виде
столь желанного свечения? Как бы не так, «покой нам только
снится». Кроме полезной рекомбинации «зона — зона», есть
еще немало других способов растраты электроном своей
энергии, причем растраты бесполезной. Например, реком-
бинация через глубокие центры — случайные примеси, де-
фекты кристаллической решетки, образующие энергетичес-
кие уровни вблизи середины запрещенной зоны. В этом
случае электрон отдает энергию несколькими порциями,
порождая либо очень длинноволновые фотоны, либо просто
вызывая нагрев кристалла. Особенно существенны такие
процессы в местах выхода р—n-перехода на поверхность
кристалла — это поверхностная рекомбинация. Иногда ре-
комбинирующие электрон и дырка передают избыток энер-
гии и импульса другому свободному электрону, оказавшему-
ся поблизости, а тот постепенно растрачивает ее, «про-
талкиваясь» между атомами решетки. Этот процесс, назы-
ваемый оже-рекомбинацией (по имени французского физика
П. Оже, открывшего ее), особенно заметен при высокой
концентрации накачки, он принципиально неустраним и
ограничивает возможность беспредельного увеличения ин-
тенсивности излучения. Таким образом, чтобы светодиод
ярко светил, надо, как говорят, перекрыть все каналы без
излучательной рекомбинации: «убрать» вредные примеси,
установить оптимальную плотность тока накачки. Теперь-
то, наконец, все? Пожалуй, да, если 'забыть об одной «ме-
лочи» — пока что мы говорили о генерации фотонов внутри
кристалла. А вот какая их часть сумеет свободно вырваться
наружу и порадовать глаз — это еще вопрос.
Во-первых, часть фотонов, даже не долетев до граней
кристалла, поглощается в полупроводнике. В этом случае
закон обратимости процессов в микромире работает против
нас — среда, хорошо генерирующая фотоны, в то же время
58
и отлично их поглощает. Так, в кристалле арсенида галлия
фотоны, летящие в направлении n-области, полностью пог-
лощаются — это уносит половину генерируемой мощности.
Но можно попытаться так модифицировать внутреннюю
структуру кристалла, чтобы вблизи излучающей области
оказались только прозрачные слои. Такое положение авто-
матически реализуется в фосфидгаллиевых диодах — ни
красное, ни зеленое свечение в них не поглощается, потому
что генерируется оно не переходами зона — зона. Все было
бы хорошо, если бы еще не существовало и «во-вторых».
А, во-вторых, то излучение, которое доходит до граней,
в значительной степени отражается внутрь кристалла вслед-
ствие эффекта полного внутреннего отражения (подробнее
об этом в гл. 4, § 4). Граница полупроводник — кристалл
представляет собой практически идеальное зеркало — толь-
ко лучам, упавшим на эту границу почти перпендикулярно,
удается вырваться наружу. Расчет показывает, что из кри-
сталла может выйти немногим более 2 % от родившегося
внутри света. Вот так тйк, как же превратить светодиод из
«вещи в себе» в «вещь для нас»? Ситуация немного улучша-
ется, если над излучающей гранью кристалла разместить
микролинзу — ее функцию выполняет купол пластмассового
герметика (см. рис. 14). В 20 раз повышается светоотдача,
если в форме линзы обработать саму излучающую грань
кристалла. Но это настолько дорого, что оказалось по кар-
ману лишь нашей стране — больше никто в мире таких
излучателей не производит. (Увы, наши светодиоды являют-
ся рекордсменами по стоимости еще и потому, что изго-
тавливаются главным образом из дорогостоящего соединения
GaAlAs, тогда как весь мир работает на более дешевых GaP
и GaAsP.)
Разработчики светодиодов придумали немало различных
приемов, улучшающих вывод света из кристалла. И все-
таки, хотя внутренний квантовый выход г)[а{ в лучших струк-
турах близок к 100 % (каждый электрон порождает фотон),
внешний квантовый выход т)ех{, как правило, не превышает
десяти процентов. В этом направлении еще работать и
работать!
Применение. Но как бы там ни было, светодиоды поя-
вились, и появились они как принципиально новый тип
излучателя, не сопоставимый ни с лампами накаливания, ни
с газосветными источниками. Миниатюрные, яркие, сов-
местимые с транзисторами, надежные и дешевые — по-
нятно, что поле деятельности для них нашлось сразу же.
Как удобное средство визуальной индикации светодиоды
59
монтируются на передних панелях электронных приборов, в
клавишах и кнопках, в настенных выключателях, рукоятках
управления автомашиной, в часах, авторучках,... пожалуй,
сегодня проще перечислить те виды аппаратуры, в которых
нет этих миниатюрных красных светлячков. Особое место
занимает индикация узловых точек электронных схем на
печатных платах — здесь светодиоды дают принципиально
новое средство контроля работоспособности и нахождения
неисправностей в устройствах. Наладчику достаточно бро-
сить беглый взгляд на плату — и он видит, работает ли она,
а если нет, то где находится неисправность.
Светодиоды зеленого цвета свечения нашли применение
для маркировки фотопленки — именно в этой спектральной
области фотоэмульсия особенно чувствительна. Светодиоды
повышенной мощности все чаще находят применение в
принтерах — электронных печатающих аппаратах, исполь-
зующих светочувствительную бумагу. Для этой цели удобны
светодиоды с торцевым излучением: фронтальные поверх-
ности излучающего кристалла покрываются отражающими
пленками и свет вырывается из боковых торцов кристалла в
виде узких ножевидных лучей, параллельных плоскости
р—n-перехода. Узкая диаграмма направленности, высокая
скорость переключения светодиода обеспечивают печатание
до сотни страниц в минуту. «Электронная машинистка» не
только быстра, она, кроме того, не устает, практически не
ошибается, работает бесшумно.
Другое применение светодиодов — подсветка в системах
отображения информации. Сам светодиод при этом остается
как бы в тени — его задача осветить надпись на панели,
шкалу прибора, иногда другой электронный индикатор,
невидимый в темноте. Во всех устройствах индикации —
с прямой визуализацией или через подсветку — светодио-
ды практически вытеснили (или вот-вот вытеснят) ми-
ниатюрные лампочки накаливания, и это несомненный
прогресс. В то же время нельзя не заметить, что во всех
этих применениях функциональные возможности свето-
диода крайне скудны, он может передать нам лишь один бит
информации, характеризующий состояние включено-вы-
ключено, или да-нет.
Но если на общей панели смонтировать в виде двухмер-
ной матрицы набор светодиодов, например, 200—250 строк
по 200—300 точек в каждой строке, то эта матрица будет
обладать неизмеримо большей информационной мощностью,
чем единичный светодиод. Такая матрица позволяет выписы-
вать цифры и тексты, строить графики и гистограммы,
60
отображать «живые картинки». От своих ламповых аналогов,
монтируемых в дни праздничных иллюминаций на особо
выдающихся зданиях Москвы, светодиодные табло отлича-
ются экономичностью, высокой разрешающей способностью,
дешевизной, красочностью, надежностью. Разумеется, они
являются устройствами индивидуального, иногда группово-
го, но не коллективного пользования. Хотя... Как отнестись,
например, к сообщению о том, что одна из зарубежных фирм
создает светодиодное табло площадью 180 м (!), монтируе-
мое по бортам фюзеляжа авиалайнера. Такая сверхдорого-
стоящая реклама в ночном небе, что это — каприз, подобный
самодурству российского купчика эпохи раннего Горького,
или первая ласточка реального технического будущего?..
Еще большей информационной мощностью будет обла-
дать светодиодный экран, если научиться изменять не только
яркость, но и цвет свечения каждого элемента. В созданных
для этой цели светодиодах под одним пластмассовым кол-
пачком монтируются два кристаллика — «красный» и «зе-
леный». Меняя порознь накачку этих двух элементов, можно
перекрыть всю цветовую гамму от красного до зеленого.
Жаль, конечно, что до сих пор не создали еще и светодиода
синего цвета свечения — вот тогда бы можно было син-
тезировать все цвета радуги. Точнее говоря, синие диоды
есть, их делают на карбиде кремния, либо на нитриде галлия,
но оба эти полупроводника сложны в обработке, да и светятся
очень слабо, так что равными партнерами красных и зеленых
светодиодов их никак признать нельзя.
Для наборных табло удобны светодиоды с «памятью».
Оказалось, что путем специальной обработки кристалла
фосфида галлия можно придать ему переключательную ха-
рактеристику. Если к такому прибору начать прикладывать
напряжение, то вплоть до некоторого его «порогового» зна-
чения ток через кристалл протекает ничтожно малый и
свечения нет. Но стоит чуть-чуть превзойти порог, и про-
исходит срыв: ток через кристалл резко возрастает, а напря-
жение на нем само собой падает. Наконец устанавливается
некое равновесное состояние — через светодиод протекает
значительный ток и он светится. Такие светодиоды упроща-
ют требования к устройствам возбуждения.
И все-таки светодиодные табло не прижились — уж
очень хлопотно объединять вместе десятки тысяч отдельных
светодиодов, да еще и схемы управления — в век всеобщей
интеграции это не очень-то смотрится.
Полупроводниковые индикаторы. Положение исправи-
ли индикаторы — интегрированные приборы светодиодного
61
типа, предназначенные для систем отображения информации
(рис. 16). Появились такие индикаторы во второй половине
60-х годов — дорожка к ним от светодиодов была слишком
очевидной, чтобы ее протаптывать долгие годы. Можно,
Рис. 16. Полупроводниковые индикаторы — унификация и разнообразие
например, на одном излучающем кристалле создать несколь-
ко активных зон — сегментов и, включая-выключая их,
синтезировать необходимые знаки. Таковы миниатюрные
цифровые индикаторы для электронных наручных часов,
тех, у которых при нажатии кнопки на черном экране
вспыхивают красные цифры.
Если индикатор нужен большого размера, то выгоднее
его сегменты делать из отдельных кристалликов (этим дости-
гается экономия дорогостоящего полупроводникового ма-
териала) , монтируя их в общий пластмассовый корпус. И в
этом случае он может содержать 7 сегментов, составляющих
любую цифру от 0 до 9, а может набираться в виде матрицы
из 35 точек — тогда получается более универсальный циф-
рознаковый индикатор. Если заранее известно, что в устрой-
стве будет использовано несколько индикаторов вместе, изго-
тавливают многоразрядные индикаторы — несколько одина-
ковых цифр монтируются в виде общей строки. Таковы уже
упоминавшийся четырехразрядный индикатор для наручных
часов или девятиразрядный — для калькуляторов. При мат-
ричном расположении светящихся точек (например, 8x8)
62
получают элемент экрана — тем самым облегчается реали-
зация изначального желания всех «индикаторщиков» иметь
универсальное многоэлементное табло, позволяющее одина-
ково легко высвечивать цифры, буквы, графики, таблицы,
гистограммы, условные знаки. Понятно, что индикаторы
могут быть любого цвета свечения от красного до зеленого —
порукой тому их светодиодное происхождение.
Светодиоды и индикаторы получили широчайшее рас-
пространение в самой разнообразной электронной аппа-
ратуре — их ежегодное мировое производство превышает
10 млрд. штук. Но интересное дело — позиции ламп на-
каливания остались практически не поколебленными. И это
понятно — светодиоды и индикаторы служат лишь целям
отображения визуальной информации, а основное назна-
чение ламп накаливания — давать свет, освещать жилища,
улицы, производственные помещения.
Когда говорят, что светодиоды эффективнее ламп, то
оценки проводятся в расчете «на единицу подводимой мощ-
ности». В случае светодиодов она составляет сотые, иногда
десятые доли ватта. Для информатики — чем меньше, тем
лучше, а для освещения — надо преобразовывать в свет
десятки, сотни, тысячи ватт электрической мощности. Ни
один светодиод на это не способен, а если все-таки ском-
бинировать что-то подходящее из сотни-другой отдельных
кристалликов, то цена такого осветителя окажется слишком
внушительной. Кроме того, есть и одно существенное тех-
ническое ограничение — для освещения почти всегда хо-
чется иметь солнечный, т. е. белый свет, а этого светодиоды
дать не могут, по крайней мере пока не могут. И тем не
менее кое-какие, пока еще не очень заметные, шаги в этом
направлении делаются. Поговаривают о том, чтобы некото-
рые марки автомашин оснастить стоп-сигналами из наборов
сверхинтенсивных светодиодов. Конечно, это еще не осве-
щение, но такая «обкатка», по-видимому, резко снизит
стоимость ярких светодиодов. А там, быть может, появятся
полупроводниковые светильники и бытового назначения —
ведь где-то и в светотехнике, несомненно, полезными ока-
жутся направленность их свечения, перестройка цвета, эко-
номичность, долговечность... Но все-таки пока «осветитель-
ные» успехи светодиодов равны нулю, а будущее туманно,
зато, наоборот, в невидимой области спектра светодиодами
достигнуто очень много, да и перспективы, несомненно,
радужные.
ИК излучатели. Мы не раз подчеркивали, что для физи-
ки, в отличие от психофизики, видимый диапазон спектра
63
ничем особенным не выделяется внутри всего оптическо-
го излучения. Но так получилось, что для генерации в
ближней инфракрасной области нашелся превосходный по-
лупроводник: и эффективный, и технологичный, и ста-
бильный. Это арсенид галлия и тройное соединение гал-
лий-алюминий арсенид.
Еще в 1974 г. экспериментально было доказано, что
внутренний квантовый выход излучателей на основе этих
соединений может достигать 100 %, а это — непремен-
ное условие и для достижения высокого значения внешне-
го квантового выхода. И действительно, эти светодиоды с
Л-изл ~ 800—900 нм характеризуются наивысшей эффек-
тивностью: т/ext > Ю % У промышленных образцов и
Tit* > 50 % — у лабораторных. Важно, что именно в этой
же области спектра лежит и максимум чувствительно-
сти наиболее совершенных фотоприемников — кремниевых
р — I — n-фотодиодов. Если в видимой области спектра
светодиодам приходится считаться с капризами человеческо-
го глаза (рис. 26) и подлаживаться под них, то в ближней
ИК области GaAs (GaAlAs)-излучатель и Si-фотодиод бук-
вально «нашли друг друга». И хотя это случилось до извест-
ной степени случайно, но в конечном счете важно, что это
состоялось. На основе союза этой пары и зародилась прак-
тическая оптоэлектроника.
Прежде всего это коснулось устройств автоматики.
Вспомним электронного контролера в метро — лампочка
светит на фотоэлемент, и прерывание луча фиксируется
как проход человека. На том же принципе, но добавив к
этому миниатюрность, экономичность, быстродействие, ра-
ботает и полупроводниковая пара ИК излучатель — фо-
тодиод. Подсчет деталей на конвейере, определение скорости
вращения диска, измерение степени провисания нити или
проволоки, фиксация момента достижения стрелкой из-
мерительного прибора критической отметки, невидимый оп-
тоэлектронный сторож (рис. 17)— эти примеры применения
названной пары, без сомнения, могут быть дополнены са-
мими читателями.
Другая интересная сфера — связь на сверхкороткие рас-
стояния в пределах прямой видимости. Если на выходе
передатчика поставить ИК излучатель, модулируемый зву-
ковым сигналом, поступающим от микрофона, а на входе
приемника — фотодиод, то получим идеальную систему для
бесшумных переговоров. Оснастив ею шлемы космонавтов,
работающих на космической станции, тем самым освобож-
дают их от паутины проводов, сковывающих и без того
64
3 Ю. Р. Носов
Контроль
положения объектод
Контроль
прокладок в бутылочных
крышках
Рис. 17. Различные профессии дружной оптоэлектронной пары (светодиод — фотодиод)
затрудненные перемещения. Если передатчик разместить в
телевизоре, а приемник — в оголовье наушников зрителя,
можно смотреть телепередачи, не мешая звуковым сопро-
вождением окружающим. Тот же принцип заложен и в
устройствах дистанционного бесконтактного управления те-
левизорами, видеомагнитофонами и другими приборами.
Удобство, качество, комфорт — все это вполне в духе при-
ближения к будущему электронному обществу.
Посылки коротких импульсов ИК излучения, их прием
после отражения от объекта и измерение временнбго интер-
вала, разделяющего два этих события,— такой алгоритм
лежит в основе оптоэлектронной локации. Конечно, для
этого нужно сконцентрировать излучение в тонкий направ-
ленный луч, а это непросто, но все же измерение расстояний
в десятки метров для светодиодных дальномеров — вполне
посильная задача.
Оптроны. Принципиально новый прибор получается,
когда излучатель и фотоприемник конструктивно объединя-
ют в едином корпусе так, что между ними существует прямая
оптическая связь, а электрической связи нет (рис. 18). Эти
приборы получили название оптронов. Однако из-за того,
Рис. 18. Оптроны — непревзойденные помощники всех, кому нужно соче-
тать связь и развязку (схемы транзисторной (а), диодной (6) и резисторной
(в) оптопар)
что одна из американских фирм ухитрилась зарегистри-
роваться под названием «Optron» (еще в середине 60-х го-
дов) , международные организации не рекомендуют исполь-
зовать то же слово для названия прибора, дабы не делать
бесплатной рекламы удачливой фирме. Поэтому в техниче-
ской документации приходится использовать не очень удач-
ный термин оптопара. Оптрон, включенный между дву-
мя точками электронной схемы, связывает их между собой
с помощью оптического сигнала. Электрический импульс
возбуждает светодиод, его излучение воздействует на
фотоприемник и в нем вновь преобразуется в электри-
ческий импульс — таким довольно вычурным способом
оптрон передает информацию. Но зато внутри оптрона
вход не связан с выходом, электрическая цепь оборвана. Что
это дает?
66
Высоковольтным сильноточным блоком, скажем, элект-
ромотором станка, тиристорным преобразователем, мощным
выпрямителем, мы хотим управлять с помощью микроэлект-
ронного компьютера с его пятивольтовым питанием. Или,
более того, управлять аппаратурой, подключенной к высо-
кому потенциалу ЛЭП,— напряжение здесь может состав-
лять и десятки, и сотни киловольт. Медицинский электрон-
ный прибор, который касается своими щупальцами па-
циента, должен абсолютно гарантировать, что никакого
паразитного «пролезания» высокого напряжения не произой-
дет. Или еще проблема — соединение блоков аппаратуры,
выполненных на разных сериях интегральных схем, со свои-
ми напряжениями питания и со своими уровнями входных-
выходных сигналов. Как соединить несоединимое?
Вот здесь-то и идет в дело оптрон с его двойственной
природой элемента связи и развязки одновременно. Конеч-
но, и в «дооптронную» эпоху перечисленные проблемы
как-то решались — для этой цели использовались импульс-
ные трансформаторы или электромеханические реле. Но
реле громоздки, не очень-то долговечны, медленны в работе,
восприимчивы к вибрациям и ударам. Трансформаторы тоже
неидеальны: пропуская импульс в нужном направлении, они
не страхуют и от обратной реакции — изменения токов и
напряжений в управляемом блоке, хотя и в сильно ослаблен-
ном виде, все-таки попадают в управляющий блок. Вот и
получается иногда так: принесли в цех сверхсовременный
контрольно-измерительный прибор на самых лучших интег-
ральных схемах, а он при каждом включении кранового
электромотора или агрегата электросварки дает сбой. А то и
вообще выходит из строя — нежная электроника не вы-
держивает соседства с суровой электротехникой. Оптроны
как элементы развязки идеальны: какие бы электрические
бури ни бушевали со стороны фотоприемника, он ведь все
равно не засветится — в обратную сторону информации хода
нет. Чисто внешне оптроны неотличимы от обычных тран-
зисторов или интегральных схем, вся оптоэлектроника обла-
чена в стандартные корпуса. Электрические сигналы, воз-
буждающие оптрон, также вполне подобны тем, которые
приняты в транзисторной технике, в отличие от импульсных
трансформаторов и реле. Миниатюрные, долговечные, сов-
местимые с микроэлектроникой оптроны стали незамени-
мыми и широко применяемыми элементами в вычислитель-
ной технике, автоматике, связи, радиотехнике, медицин-
ской электронике, приборостроении, гибких роботизирован-
ных системах.
67
♦ ♦
♦
Очень много привлекательного в светодиодах, и все же
очевидна их недостаточность для оптоэлектроники. Светят
они слабенько, а главное — не направленно, спектр излу-
чения очень узкий, но все же не монохроматический. По-
этому передаемая светом светодиода информация неизбежно
будет бесполезно «растекаться» и соответствующие систе-
мы — будь то передача, обработка, запоминание инфор-
мации — окажутся неэффективными. В свое время изобре-
тение оптрона было провозглашено началом практической
оптоэлектроники. Действительно, оптроны, как элементы
развязки, получили широкое промышленное распростра-
нение. Более того, было предпринято немало попыток создать
на основе этих приборов принципиально новую схемотех-
нику логических и запоминающих устройств, усилителей и
генераторов.
Но очень быстро разобрались — универсальной оптрон-
ная оптоэлектроника быть не может. Светодиоды со всеми
их производными, используя теперешнюю фразеологию, за-
няли в оптоэлектронике свою «экологическую нишу», до-
вольно-таки значительную, но не более того. Оптоэлект-
роника продолжала ждать суженого...
§ 5. Его величество лазер!
К счастью, ожидание не затянулось — поя-
вился лазер. Этот генератор света, или более широко —
генератор оптического излучения, принципиально отличен
от всех предшествующих источников, нередко даже опе-
рируют термином «долазерные излучатели». Луч обычного
гелий-неонового лазера представляет собой почти идеальную
прямую линию. Расплывание в несколько угловых секунд
глазом не заметишь, лишь пройдя расстояние в 1 км, лазер-
ный луч из точки расползется в пятно диаметром около 1 см.
Именно о яркости лазера правомерно сказать «ярче тысячи
Солнц», не будь это сказано раньше о взрыве атомной бомбы
(так называется книга американского исследователя Р. Юнга
об истории разработки ядерного оружия). А монохрома-
тичность? Конечно, строго монохроматические колебания —
это математическая условность, любой источник генерирует
не на одной длине волны Аизл, как мы это абстрактно
представляем, а в некоторой полосе длин волн ДЛ, охваты-
вающей значение Аизл слева и справа. Поэтому для оценки
того, насколько источник близок к идеально монохроматиче-
68
скому, используют параметр ДЛ/ЛИЗЛ — его называют сте-
пенью монохроматичности. Для примера укажем, что для
солнечного света значение этого отношения составляет 5—6
(здесь уместнее говорить о приближении к «идеальной»
немонохроматичности), для светодиодов — 1/10 -е- 1/20,
для рядового лазера — менее 0,000001. А рекордсмены
лазерного семейства могут похвастаться значениями
дл/лизл = 10-14!
Вот такая невиданная ранее пространственная и спект-
ральная концентрация лазерного излучения и позволяет
утверждать, что лазер — это действительно источник, прин-
ципиально отличный от всех других источников излучения.
Кстати говоря, когда в экспериментах пытаются обнаружить
начало перехода от обычного излучения к лазерному, то
именно сужение спектральной линии и проявление направ-
ленности свидетельствуют об этом.
Итак, лазер, похоже, и является именно тем излучате-
лем, который необходим оптоэлектронике, призванной ре-
шать такие задачи, как передача, преобразование, запись
информации. Однако не будем спешить с окончательным
заключением — ведь пока что мы обсуждали лазерное излу-
чение как некую абстракцию, в отрыве от его реального
приборного воплощения. Восполним этот пробел. Вот перед
нами все тот же упоминавшийся ранее гелий-неоновый
лазер: полуметровая стеклянная трубка в металлическом
кожухе, подключенная к источнику возбуждения, масса
которого несколько килограммов. Нужны тысячи вольт
электрического напряжения, чтобы зажечь в трубке газовый
разряд, в недрах которого и зарождаются лазерные молнии.
А теперь положим рядом современную сверхбольшую
интегральную схему, корпус которой не превышает разме-
ром почтовую марку, что не мешает ей содержать миллион-
другой транзисторов, успешно работающих от маленьких
батареек. Почти в той же пропорции, что и габариты,
соотносятся и стоимости лазера и интегральной схемы. Сов-
местимы ли эти два изделия? Согласитесь, не очень. И эта
несовместимость исторически подтвердилась с полной опре-
деленностью — многочисленные попытки использовать ла-
зеры в микроэлектронных вычислительных устройствах фак-
тически провалилась. Вот уж поистине «в одну упряжку
впрячь не можно вола и трепетную лань» (похоже, что
несмотря на все его уникальные способности, именно лазер
выступал в роли неповоротливого вола).
Очевидно, что достигнуть совместимости можно лишь
в одном-единственном варианте — если лазер, как и
69
микросхемы, будет полупроводниковым с такими вытека-
ющими отсюда особенностями, как малые габариты, эко-
номичность, долговечность, технологичность, дешевизна.
Без претензии на историю. Заря лазерного утра занялась
давно, еще в 1916 г., когда Альберт Эйнштейн открыл эф-
фект вынужденного излучения, открыл теоретически, как
говорится, «на кончике пера». Если электроны в веществе
возбудить особым образом, а затем запустить в это вещество
световую волну, то, распространяясь вглубь, интенсивность
волны не ослабевает (что вполне естественно из-за погло-
щения), а наоборот, возрастает (что вполне неестественно).
Такое активное вещество может не только усиливать свет,
но и генерировать его, причем — теория и это предсказа-
ла — в виде строго монохроматического потока. Так что же
помешало тогда, в начале века, изготовить лазер? А то, что
уж очень «хитрый» способ возбуждения надо было реализо-
вать. Когда пригляделись к формулам Эйнштейна, оказа-
лось, что для этого надо всего лишь нагреть вещество до
температуры... ниже абсолютного нуля. Абстракция, шутка
гения, игра ума? Провидел ли Эйнштейн будущий лазер или
просто постулировал вынужденное излучение, чтобы снять
противоречия в теории и придать ей законченность и стро-
гость — об этом мы вряд ли когда-либо узнаем: черновиков,
подобных пушкинским с профилями декабристов на полях,
великий мыслитель не оставил (Эйнштейн обычно уничто-
жал рукописи после их опубликования, и, по-видимому,
поэтому случайно уцелевшая рукопись с выкладками по
теории относительности была продана в США на аукционе
в 1988 г. за 1 155 000 долларов!).
С течением времени выяснилось все-таки, что достигнуть
такого возбужденного состояния — его назвали инверсией
населенностей — можно, не выходя за рамки реального
физического мира. Надо только подобрать подходящее веще-
ство и способ его возбуждения. В 1954 г. решающий шаг был
сделан: поток молекул аммиака, тщательно отсортированных
в магнитном поле по одинаковой степени возбужденности,
при попадании внутрь СВЧ резонатора начал излучать элек-
тромагнитные волны! Правда, возбуждение молекул бы-
ло очень слабым, поэтому излучение оказалось длинно-
волновым и пришлось на сантиметровый радиодиапазон
(Лизл = 1,24 см). Но главное было сделано: эксперименталь-
но подтверждена правильность теории Эйнштейна о возмож-
ности вынужденного излучения. Новое направление физики,
а затем и техники, получило название квантовой элект-
роники. Первый квантовый генератор по случайному сте-
70
чению обстоятельств получил название молекулярного гене-
ратора (или мазера, в нем ведь работали молекулы ам-
миака)— этот термин так и остался в литературе. Приятно
упомянуть, что у истоков этих фундаментальных открытий
стояли отечественные ученые А. М. Прохоров и Н. Г. Басов,
которым совместно с американцем Ч. Таунсом в 1964 г. была
присуждена Нобелевская премия «за фундаментальные ис-
следования в области квантовой электроники, которые при-
вели к созданию генераторов и усилителей нового типа —
мазеров и лазеров».
А кстати, почему лазер назвали лазером? «Известно,—
ответит подкованный читатель,— по первым буквам англий-
ского «lught amplification by stimulated emission of radiation»,
что в переводе означает «усиление света посредством вынуж-
денной генерации излучения». Так-то оно так, но не все
очень уж просто. В его (лазера) ранние годы в переводах с
английского слово laser нас заставляли заменять на ОКГ
(оптический квантовый генератор), полагая, что так точнее,
понятнее, а главное, патриотичнее. Пикантно, что спустя
десятилетие, когда употребление слова лазер стало у нас
повсеместным и естественным, по-видимому, те же термино-
логические законодатели в ГОСТе на термины и определения
рядом со словом «лазер» вписали: «ндп, оптический кванто-
вый генератор, ОКГ». Здесь «ндп» означает — недопустимо.
Похоже, что рыцари подобной «перестройки» существовали
задолго до начала перестройки. Заметим, что лет за пятнад-
цать до этого что-то подобное произошло и с транзистором.
Кое-кто еще помнит дискуссии пятидесятых годов, когда
всерьез обсуждалось, как же его называть — «кристалли-
ческий триод», «полупроводниковый усилитель» или еще
как-нибудь получше. И когда нормализаторы склонились к
первому из этих терминов, лавину жизни уже невозможно
было остановить: общепринятым стало «транзистор». Поче-
му-то всегда именно общественность, стихия называли все-
таки «кошку кошкой» и почему-то всегда вопреки суровым
нормализаторам. Как часто это заимствование «чужих» наи-
менований представляется кому-то (да еще из тех, кто
командует терминологией) недостойным, какая против
этого ведется ожесточенная борьба, сколько затрачивает-
ся энергии, чаще всего бесполезно! А казалось бы, чего
проще — быстрее пошевеливаться да открывать и изо-
бретать самим, а не вслед за Америкой. Ведь в те же годы,
когда шла борьба с laser'oM, разносились по миру такие
термины, как «sputnik», «lunnik», и даже старый, как мир,
напиток на Западе вдруг переименовали в «lunnikoff Wodka»!
71
К сожалению, с лазером, как перед тем и с транзистором,
было не так...
Сразу же после создания молекулярного генератора стало
ясно, что где-то на том же пути могут «встретиться» и
генераторы света — ведь теория Эйнштейна формулирова-
лась применительно именно к оптике, а то, что первый
экспериментальный прорыв осуществился в радиодиапазо-
не,— всего лишь случайность. Начались поиски подходящих
активных веществ, способов возбуждения, конструкций ге-
нераторов. И в 1960 г. почти одновременно были созданы
твердотельный и газовый лазеры.
В твердотельном лазере активным веществом служил
рубиновый цилиндрический стержень, его возбуждение осу-
ществлялось оптически — засветкой от газосветных ламп
высокой интенсивности. При этом чтобы обеспечить ин-
версию населенностей в кристалле рубина, лампы работали
в режиме кратковременных сверхъярких вспышек, поэтому
и лазер работал лишь в импульсном режиме.
В газовом лазере смесь гелия и неона вводилась в
вакуумируемую стеклянную трубку с вваренными двумя
электродами. Прикладывая к ним высокую разность по-
тенциалов, зажигали в трубке газовый разряд, который и
приводил к возникновению желанной инверсии населенно-
стей возбужденных электронов в газовой смеси. Гелий-нео-
новый лазер излучал в непрерывном режиме.
Существенным отличием обоих типов лазеров от моле-
кулярного генератора на аммиаке явилась конструкция резо-
натора. Объемный СВЧ резонатор представляет собой замк-
нутую металлическую полость с расстояниями между стен-
ками, близкими по порядку величины к длине волны из-
лучения. Понятно, что такой резонатор, вполне реальный,
когда длина волны характеризуется сантиметрами или хотя
бы миллиметрами, теряет смысл в оптическом диапазоне, где
длина колебаний менее 1 мкм. А резонатор лазеру нужен
обязательно — только он вынуждает возбуждаемые элект-
роны «разряжаться» в виде монохроматического потока из-
лучения, и только благодаря резонатору процесс лазерной
генерации может поддерживаться длительное время.
К счастью, подходящий резонатор был давно известен в
оптике — это резонатор Фабри—Перо, представляющий
собой просто-напросто два плоских параллельных зеркала,
обращенных отражающими поверхностями друг к другу.
Когда между ними распространяются световые волны, то
условие резонанса выполняется лишь для тех из них, длина
волны которых укладывается целое число раз на длине
72
резонатора; прочие волны вследствие хаотической интерфе-
ренции постепенно затухают. Ввели этот простейший резо-
натор, изобретенный еще в 1899 г., в конструкцию лазера —
и получилось. Вот так три очень давних открытия (на-
помним, что газовый разряд известен физикам еще с се-
редины XIX века), сплетенные воедино разумом человека,
привели к созданию одного из самых удивительных элект-
ронных приборов второй половины XX века. Но для этого
потребовались ясное понимание цели, совершенные методы
анализа, сверхчистые материалы.
Теоретическое предсказание полупроводникового лазера
относится к 1957—1959 гг., а в 1961 г. уже полностью стало
ясно, как он должен быть устроен. Дело было лишь за
одним — активным материалов. Наиболее изученные и осво-
енные к тому времени полупроводники — германий и крем-
ний, увы, почти не обладали эффектом излучательной
рекомбинации — возбужденные в них электроны, возвраща-
ясь в равновесное состояние, «предпочитали» разбазаривать
свою энергию, передавая ее малыми порциями кристалличе-
ской решетке, нежели затратить ее на рождение фотона. Тут
уж не до лазерного эффекта, когда и слабенького светодиода
на этих полупроводниках не получилось. Возникли сомнение
и разочарование.
К счастью, к этому времени уже довольно неплохо
разобрались во взаимосвязи квантовой структуры полупро-
водника и его способности к свечению. Неуспех с германием
и кремнием в значительной степени был предсказуем — оба
они относятся к непрямозонным полупроводникам, а в них,
за редким исключением, квантовый выход излучательной
рекомбинации очень мал. Следовало искать среди прямозон-
ных полупроводников, некоторые из них были уже достаточ-
но известны и проверены на возможность свечения. Естест-
венно, что наибольший интерес привлекли полупроводники
из числа соединений А3В5 — в ведущих лабораториях мира
настойчиво обследовали InSb, GaSb, GaAs. Темп работ был
очень высок, в чем-то ситуация напоминала гонку середины
80-х годов, когда развернулась «охота» на высокотемпера-
турные сверхпроводники. И в самый канун 1963 г. свер-
шилось — почти одновременно в США и СССР были созданы
первые полупроводниковые лазеры на основе арсенида гал-
лия (GaAs). Как и в случае со светодиодами, этот полупро-
водник сторицей вернул физикам то, что было затрачено на
его разработку и изучение.
Первые шаги. Первый полупроводниковый лазер чисто
внешне во многом походил на светодиод. В пластинку
73
арсенида галлия n-типа, легированную теллуром, с помощью
высокотемпературной диффузии «загоняли» акцепторную
примесь — цинк. Концентрация цинка намного больше кон-
центрации теллура, поэтому в зоне диффузии происходит
превращение полупроводника из n-типа в p-тип. Эта прев-
ращенная зона простирается на глубину в несколько микро-
метров от поверхности пластины. Таким образом, параллель-
но этой поверхности внутри пластины образуется р—п-пере-
ход. Затем, нажимая пластину острием ланцета, выкалывают
из нее крошечные квадратные кристаллики. Специфика
монокристалла проявляется в том, что пластина колется
строго по кристаллографическим плоскостям — поэтому бо-
ковые противоположные грани кристалликов оказываются
идеально плоскопараллельными и почти идеально зеркаль-
ными. Таким образом, минимальными техническими сред-
ствами решается одна из важнейших лазерных проблем —
создание резонатора Фабри-Перо. (Заметим, что, несмотря
на почти 30-летнюю историю развития лазеров, лучшего
способа получения зеркальных полупроводниковых поверх-
ностей так и не придумали.) Затем каждый из кристалликов
своей нижней гранью напаивается на массивный медный
кристаллодержатель (для теплоотвода), а к верхней грани
присоединяется токоподвод — структура готова для исследо-
вания (рис. 19, а). При приложении напряжения между
кристаллодержателем и верхним токоподводом (минус — на
кристаллодержателе) через кристалл — поперек — начина-
ет протекать прямой ток и возникает инфракрасное излу-
чение, причем, как и положено светодиоду, излучение слабое
и направленное во все стороны.
По мере возрастания тока /пр интенсивность излуче-
ния также возрастает, но при достижении некоторого зна-
чения /пор (его назвали пороговым) и при его превышении
картина излучения резко изменяется. Во-первых, преобла-
дающим становится узкий поток, вырывающийся через бо-
ковую грань там, где ее пересекает р—«-переход. Во-вторых,
интенсивность этого потока гораздо резче возрастает при
дальнейшем увеличении /пр, чем в предпороговой области
(рис. 19, б). И, наконец, в-третьих, спектральная полоса
этого излучения гораздо уже, чем в светодиодном режиме.
Все эти признаки, без сомнения, указывают на то, что перед
нами лазер.
А как же обстоит дело с инверсией населенностей? Что
было сделано для того, чтобы ее достичь? Сначала чуть
подробнее о самом этом эффекте, о том, почему его свя-
зывали с отрицательной температурой, и о том,
74
почему он способен приводить к усилению и генера-
ции света.
Ранее уже говорилось, что энергия электронов в веществе
изменяется не непрерывно, а дискретно — на энергетичес-
кой диаграмме электроны «перескакивают» с уровня на
Рис. 19. Все о полупроводниковом лазере: устройство (а), излучательная
характеристика (б), «обычная» и инверсная населенность энергетических
уровней (в), энергетическая диаграмма вырожденного р—n-перехода (г)
уровень. Особенность любого равновесного состояния состоит
в том, что электроны стремятся заполнить (и заполняют)
нижние уровни, оставляя верхние свободными. Если веще-
ство начать возбуждать, допустим, нагреть до температуры
7, то электроны начинают перескакивать на более высокие
уровни, причем вероятность того, что электрон окажется на
75
том или ином уровне, тем меньше, чем выше этот уровень
расположен (рис. 19, в). Это — естественно, это — закон
природы.
Заметим в порядке отступления, что мы здесь говорим
не о точном (детерминированном) попадании электрона на
такой-то уровень, а о вероятности попадания электрона на
него. Язык вероятностей, язык статистики характеризует
поведение частиц в микромире. Но лишь когда частиц в
веществе очень много. Языки детерминированный и ста-
тистический дают одинаковый результат.
Распределение вероятности /, представленное на
рис. 19, в, 1, выражается формулой
/ - ехр (-Е/ЛТ),
которая описывает известное распределение Больцмана
(справедливое при не очень высокой концентрации возбуж-
денных электронов), предложенное знаменитым австрий-
ским физиком еще в 1866 г. Если теперь в этой формуле
мы примем, что Т < 0 (еще раз подчеркнем, что это всего
лишь математическая абстракция), то «нормальная» кар-
тинка как бы переворачивается и на верхних уровнях ока-
зывается больше электронов, чем на нижних (рис. 19, б, г).
Это и есть та самая инверсия населенностей, которая не-
обходима для усиления света. Допустим, что мы научи-
лись создавать такую ситуацию, нашли механизм накачки
электронов на уровень Д, оставляя пустым, незанятым
уровень Если теперь пустить вдоль кристалла фотон с
энергией Ли = Е2 — Еъ то по дороге, встречаясь с электро-
нами на Е2, он будет способствовать их сталкиванию на
уровень El. При этом каждый электрон породит фотон с
энергией Лу = Е2 — Еу. Но не только частота будет у
исходного и рожденного фотона одинаковой, общими оказы-
ваются и направление распространения, и поляризация.
Доказать это нелегко, но интуитивно это очевидно, было бы
странным ожидать чего-либо иного. Вследствие того, что
переход электрона Е2 -> Ег и рождение фотона вынужда-
ются начальным фотоном, этот механизм усиления или
излучения называют вынужденным. Как синонимы исполь-
зуются понятия индуцированное, стимулированное излу-
чение. Напротив, излучение светодиода, когда каждый акт
перехода электрона с верхнего уровня на нижний происхо-
дит статистически, хаотично, вне зависимости от поведения
других возбужденных электронов, такое излучение называ-
ют спонтанным — оно характеризуется случайными на-
правлениями распространения отдельных квантов, направ-
76
лениями их поляризации, да в какой-то мере и длиной
волны кванта.
Итак, с одного бока в кристалл лазера входит один фотон,
а с другого выходит несколько таких же фотонов — усиление
налицо. Конечно, это в идеале, реально же имеются два вида
потерь: во-первых, часть входящих в кристалл фотонов
поглощается в нем, не приняв участия в индуцировании
излучения, и, во-вторых, часть электронов с уровня Еъ не
дождавшись стимулирующего фотона, переходит на уровень
Ei спонтанно, давая при этом вклад в светодиодное, а не
лазерное излучение. Так обстоит дело с механизмом уси-
ления. Для генерации излучения используется традици-
онный для радиотехники принцип положительной обратной
связи, который реализуется так: часть фотонов, падающих
изнутри кристалла на его боковую зеркальную грань, вы-
ходит из кристалла (выходной поток), а часть — отра-
зившись — возвращается обратно и распространяется к про-
тивоположной грани. И так многократно, пока не «израсхо-
дуются» все электроны на уровне Е2. Что касается самого
первого фотона, который и вызывает генерацию, то он легко
зарождается вследствие какого-либо случайного «падения»
одного из электронов с уровня Е2.
Нарисованная картина описывает импульсный режим
работы; для того чтобы сделать его непрерывным, необ-
ходимо постоянно подкачивать электроны на уровень Е2 и
освобождать от них уровень Еъ т. е. поддерживать инверсию
населенностей. Вот так, мы снова подошли все к тому же —
как ее обеспечить?
Структура энергетических уровней атомов *) гелия и
неона в газовом лазере (рис. 20) способствует протеканию
следующих процессов. Во-первых, при зажигании газового
разряда образующиеся свободные электроны, сталкиваясь с
атомами гелия, переводят часть из них на уровень Е[. Прин-
ципиальная особенность смеси Не—Ne состоит в практи-
чески точном совпадении уровня Е{ гелия с уровнем Е2 неона.
Поэтому очень велика вероятность так называемой резонан-
сной передачи энергии возбужденного атома гелия атому
неона. При этом атом гелия благополучно возвращается на
уровень Ео, а атом неона перескакивает с уровня Е$ на уро-
вень Е2, минуя уровень E'{. Поскольку в смеси газов концен-
трация атомов гелия раз в десять превосходит концентрацию
атомов неона, то рассмотренный «хитрый» процесс является
*) Разумеется, речь по-прежнему идет о возбуждении электронов в
атоме, что эквивалентно возбуждению атома.
77
доминирующим и преобладает над «нормальным» возбуж-
дением атомов неона, при котором часть их попадает на
уровень E'i, но еще большая часть — на уровень Е". Об-
щий итог совместного действия всех процессов — инверсия
Рис. 20. Квантовые пе-
реходы в гелий-неоновой
смеси газового лазера
населенностей электронов на уровнях Е{ (здесь их мало) и
Е'г (здесь — много). Излучение гелий-неонового лазера,
красное с Лизл = 633 нм, рождается при вынужденных паде-
ниях электронов с уровня Е^ на Е"\ освобождение уровня
происходит очень быстро (таково свойство этого уровня, что
электроны здесь не задерживаются) благодаря спонтанным
переходам электронов на уровень Eq (ьепъ в отношении
уровней Eq и Ei инверсии населенностей нет).
«Что же во всем этом хитрого?— воскликнул один
восьмиклассник, выслушав объяснение автора.— Все вполне
естественно.» И, пожалуй, он прав, это типичный пример
последовательной смены отношения к проблеме от «этого не
может быть никогда» до «это же ясно каждому».
В полупроводниковом диоде инверсия населенностей мо-
жет достигаться лишь в том случае, когда обе обкладки
р—n-перехода так сильно легированы, что энергия, необ-
ходимая электрону для преодоления потенциального барье-
ра, превышает ширину запрещенной зоны (рис. 19, г). Такое
состояние полупроводников называют вырожденным и ха-
рактерно оно тем, что (например, для p-об ласти) часть
уровней в валентной зоне не заполнена электронами. По-
этому при достаточно высоком значении прямого смещения,
когда барьер снижается и электроны в больших количествах
инжектируются в левую часть в зону проводимости, возника-
ет состояние инверсии населенностей — у дна зоны про-
водимости электронов больше, чем у потолка валентной
зоны. Естественно, что то же самое выполняется для дырок
78
в п-области, из чего, в частности, следует, что для получения
лазерного эффекта хотя бы одна область полупроводника
должна быть вырожденной (это было предсказано совет-
скими учеными в 1961 г.).
Вот так в диоде, изготовленном на основе вырожденного
арсенида галлия, удалось счастливо сочетать три условия
лазерной генерации: возможность создания инверсии насе-
ленностей электронов (или дырок), высокую вероятность
излучательной рекомбинации этих электронов, наличие ре-
зонатора Фабри—Перо. Правда, необходимо выполнить
еще и четвертое условие, о котором фактически уже го-
ворилось, но в неявной форме. Речь идет о превышении
некоторого уровня возбуждения, некоторого порога, выше
которого именно вынужденное излучение начинает преобла-
дать над другими, нелазерными, потерями возбуждаемых
электронов. Это достигается посадкой кристалла на мас-
сивный медный теплоотвод, охлаждением до температуры
жидкого азота (—196 °C) и пропусканием коротких импуль-
сов прямого тока большой амплитуды.
Вот теперь, кажется, все, и действительно, соединение
этих четырех условий и привело к появлению в конце 1962 г.
полупроводникового инжекционного лазера. Восторгам не
было границ, на физиков посыпались награды и благодеяния,
в журнальных публикациях запестрели упоминания гипер-
болоида инженера Гарина, сами физики щедро раздавали
интервью и авансы. О новом электронном чуде заговорила
широкая публика. Казалось очевидным, что вот-вот в опто-
электронике начнутся большие перемены, появятся оптиче-
ская связь, сверхскоростные оптические ЭВМ, еще что-
нибудь в этом роде. Но время шло, а реального применения
хоть в какой-нибудь аппаратуре только что родившийся
лазер не находил. И вскоре эйфория сменилась разочаро-
ванием, в которое пока еще не хотелось верить.
Лазер работал лишь при азотной температуре и в импуль-
сном режиме — любая попытка нарушить хотя бы одно из
этих условий немедленно вела к «прогоранию» р—п-пе-
рехода и выходу лазера из строя. Да и в этом неудобном
режиме время нормальной работы в лучшем случае изме-
рялось десятками часов. Оказалось также, что по степени
монохроматичности (ДА/АИЗЛ ~ 0,005) полупроводниковый
лазер всего лишь раз в 10 ч- 20 превосходил светодиод, но
зато в десятки тысяч раз уступал газовому лазеру. И по
угловой расходимости генерируемого луча (а « 30°) он боль-
ше походил на улучшенный, подправленный оптикой све-
тодиод. «Какой же это лазер?» — воскликнули обманутые
79
в своих ожиданиях оптоэлектронщики-примененцы, оби-
женно прекратили эксперименты с новым прибором и вновь
обратились к бесплодному теоретизированию по поводу бли-
стательного будущего «идеальной» оптоэлектроники.
Самое страшное заключалось в том, что невозможность
преодолеть недостатки полупроводникового лазера получила
у ученых вполне строгое физическое обоснование. Инжек-
тируемые электроны создают инверсию населенностей лишь
в непосредственной близости от р—n-перехода, здесь зарож-
дается и распространяется вынужденное излучение (актив-
ная зона). Но ведь ничто не удерживает электроны в этой
зоне, значительная их часть диффундирует в глубь кристал-
ла и там они спонтанно рекомбинируют, не давая вклад в
лазерную генерацию. Что-то подобное происходит и с фото-
нами — зеркала резонатора Фабри—Перо не так уж уверен-
но удерживают их от вытекания вбок из активной зоны.
Потерянные электроны и фотоны не просто бесполезно вы-
ходят из игры — на каждый из них затрачивается порция
энергии, так что в конечном счете все это вызывает разогрев
кристалла. Пороговые плотности тока для первых образцов
были близки к 100 000 А/см2, это значит, что через кри-
сталл размером 0,5 х 0,5 мм2 надо было пропускать ток в
сотни ампер! А такую нагрузку способны выдержать лишь
полупроводниковые вентили с кристаллом величиной по
крайней мере с копеечную монету. Стало ясно — без сни-
жения порогового тока, причем снижения резкого, минимум
на 1,5 ч- 2 порядка, ничего путного из лазеров не получится.
Конечно, правильно сформулировать задачу — это очень
важно, иногда даже говорят — это половина дела. Но как
же все-таки быть со второй половиной? Как удержать неу-
гомонных переносчиков электрического тока и оптического
излучения в тончайшей (не более 1 мкм) области кристалла?
Как сделать р—n-переход полностью «непрозрачным» для
основных носителей? Вопросы, вопросы, вопросы...
Гетероструктуры. Могло статься так, что все эти вопросы
так бы и остались без ответа — мало ли физических диковин
из эмбрионального состояния сразу отправилось на пенсию?
И осталось бы в истории физики что-нибудь вроде неболь-
шого сочинения на тему «Блеск и нищета полупроводнико-
вого лазера». Могло, но не стало. Уже в 1963 г. был изобре-
тен, а в 1967 г. реализован гетеролазер, или лазер на основе
гетероструктуры, который и решил все проблемы.
Гетероструктура состоит из двух соединенных вместе
различных полупроводников с разными значениями ширины
запрещенной зоны (рис. 21, а). Благодаря этому грани-
80
ца между ними — гетеропереход — обладает свойствами
р—«-перехода в их идеальном представлении. В частности,
даже при очень больших прямых смещениях и больших
прямых токах потенциальный барьер полностью не исчезает
Рис. 21. Гетероструктуры очень привлекательны встроенными внутри них
потенциальными барьерами. Энергетические диаграммы односторонней (а),
двойной (б) гетероструктур и гетероструктуры с раздельным ограничением
электронов и фотонов (в)
(никуда не денешь разницу ЛЕ = Eg2 — EgJ, так что «заслон-
ка», препятствующая просачиванию через границу основ-
ных носителей, остается все время. Значит, если р—«-пере-
ход совместить с гетеропереходом, то мы получим идеальный
инжектор — даже при очень высоких плотностях тока он
будет впрыскивать только неосновные носители. Благодаря
этому можно осуществить значительно более сильную на-
качку электронов, чем в случае с р—«-переходом. Другой
не менее важный момент заключается в том, что в случае
гетероперехода нет необходимости использовать вырожден-
ный полупроводник — инверсия населенностей в базовой
области достигается и при низких уровнях легирования при
условии, что соседняя инжектирующая область является
более широкозонной. Отказ же от вырожденного полупро-
водника полезен тем, что в чистом кристалле значительно
меньшая доля электронов теряется на безызлучательную
рекомбинацию. В вырожденных сильно легированных кри-
сталлах это неизбежно, мы уже говорили о неустранимом
эффекте оже-рекомбинации (см. с. 58).
Все эти теоретические выкладки подтвердились — как
только создали лазер с гетеропереходом, так сразу же умень-
шили плотность порогового тока раз в пять. Но и этого мало,
очень скоро от такой односторонней гетероструктуры пе-
решли к двусторонней, или двойной, гетероструктуре
(рис. 21, б). Идея ее очевидна — добавить еще один гетеро-
переход с противоположной стороны базы. Здесь не нужен
р—«-переход, так как ижекция неосновных носителей уже
обеспечена — такой гетеропереход называют изотипным
(переход между двумя полупроводниками с разной шириной
4 Ю. Р. Носов 81
запрещенной зоны, но с одинаковым типом проводимости,
все равно п или р). Образованный этим гетеропереходом
потенциальный барьер надежно препятствует вытеканию
электронов из базы и расползанию их по кристаллу. Таким
образом, двойная гетероструктура уверенно решает пробле-
му локализации электронов в тонкой активной зоне — ею
является узкозонная базовая область, зажатая между ши-
рокозонными обкладками.
Но и это еще не все. Оказалось, что изменение ширины
запрещенной зоны ведет и к изменению оптических свойств
кристалла, в частности, к изменению показателя прелом-
ления п (так уж получилось, что одной и той же латинской
буквой обозначены совершенно разные величины — что
поделаешь, и то и другое обозначения общеприняты, так что
менять их не стоит; надеемся, читатель без труда распознает,
что означает п в каждом конкретном случае). Обычно с
ростом Eg величина п падает, вследствие этого получается,
что активная зона представляет собой световод — косые
лучи света, распространяющиеся вдоль базы, при падении
на гетерограницы претерпевают полное внутреннее отра-
жение (подробнее об этом см. § 10) и не выходят из базы.
Таким образом, в двойной гетероструктуре обеспечивается
локализация не только электронов, но и потока излучения.
Все это привело к тому, что как только создали двойной
гетеролазер, сразу получили уменьшение пороговой плот-
ности тока в 30—50 раз. Стала возможной работа при
комнатной температуре в непрерывном режиме — мучи-
тельные и бесполезные потуги как-то получить то же самое
для лазеров на однородном полупроводнике стали забываться
как кошмарный сон. По существу, это было второе рождение
полупроводникового лазера: первый раз он появился на свет
как удивительный физический феномен, гетеропереходы
сделали его предметом техники.
Но мы несколько забежали вперед. На многие удивитель-
ные свойства гетеропереходов внимание было обращено еще
в начале 50-х годов. Так, один из создателей первых тран-
зисторов, В. Шокли, запатентовал транзистор с гетеропере-
ходом со стороны эмиттера, уповая именно на его идеальные
инжектирующие свойства. Запатентовал, да не сделал, неяс-
но было — как? В 1960—1962 гг. было опубликовано и
получило заметный резонанс в научных кругах несколько
исследований гетеропереходов в системе германий — ар-
сенид галлия. Различие в ширинах запрещенных зон этих
полупроводников было вполне заметным (0,72 и 1,41 эВ),
температуры их технологической обработки были близкими,
82
строение кристаллической решетки однотипным. Это поз-
волило пленку одного из компонентов вырастить на подлож-
ке из другого, в результате чего получался единый по
структуре монокристалл с гетеропереходом внутри него. Эти
работы позволили разработать углубленную физическую
модель гетероперехода, получить некоторые интересные экс-
периментальные результаты, но главное — создание прибо-
ров с идеально инжектирующими и удерживающими носи-
тели заряда, границами — не состоялось. И не случайно.
Германий и арсенид галлия не очень-то охотно «сшивались»
в единый монокристалл — поэтому там же, где возникал
гетеропереход, образовывалась сильно дефектная область,
этим и смазывалось ожидаемое. Если бы тогда можно было
взглянуть на дело глазами исследователя семидесятых годов,
то, конечно, пара Ge—GaAs не была бы выбрана — но ко
всему наука приходит не вдруг. И все-таки статьи про-
звучали (сейчас модель Андерсона, их автора, называют
классической), они впервые показали, что гетероперехо-
ды — это явь.
Задавшись целью создать гетеролазер — а в головах он
уже существовал с 1963—1964 гг., в ведущих лабораториях
США, СССР, Японии занялись поисками подходящей полу-
проводниковой системы. Было ясно, что ключ к успеху
именно в этом. Попробуйте натянуть дачную изгородь из
двух кусков металлической сетки, отличающихся размером
клеток. Сколько бы вы не бились, в месте их соединения
всегда будет сохраняться какой-то дискомфорт: мелкие клет-
ки растянутся, крупные сожмутся. Ничего не поделаешь —
такова природа вещей. То же самое и в микромире. Кристалл
полупроводника состоит из бесчисленного набора элементар-
ных ячеек, в каждой из которых группа атомов объединена
в ту или иную пространственную геометрическую фигуру:
куб, тетраэдр, октаэдр и т. п. Понятно, что два полупро-
водника можно более или менее бездефектно сочленить друг
с другом в едином монокристалле и получить качественный
гетеропереход только в том случае, если их элементарные
ячейки одинаковы по виду и близки по размерам.
Разумеется, поиски повели вокруг арсенида галлия, благо
уже было известно о его явной предрасположенности к из-
лучательной рекомбинации и, кроме того, на его основе мож-
но было изготавливать тройные соединения с разными значе-
ниями ширины запрещенной зоны. Наиболее привлекатель-
ным представлялось соединение GaAsP — замещение части
атомов мышьяка атомами фосфора к тому времени научи-
лись проделывать достаточно уверенно и воспроизводимо.
83
Для этого использовался процесс газовой или газотранспорт-
ной эпитаксии. Вообще эпитаксия, или эпитаксиальное вы-
ращивание, означает такой процесс, при котором на одной
из граней исходного монокристалла (его в этом случае назы-
вают подложкой) осаждают атомы того же или другого мате-
риала так, что монокристалл как бы доращивается. Образую-
щийся слой называют эпитаксиальной пленкой (как прави-
ло, выращиваются достаточно тонкие слои); если материалы
подложки и пленки одинаковы, то это гомоэпитаксия, если
различны — гетероэпитаксия. Так вот, при газовой эпитак-
сии в высокотемпературную печь помещают подложку из
GaAs, а над нею пропускают газы, содержащие соединения
Ga, As, Р (рис.
ГазоЬая
смесь
22, а). В зоне реакции эти соединения
а
Нагреватель К&арцедая труда
Подложка £
Грасритодый
нагреватель
Подложка
Шихта
Кассета
о о о о о о о
/ \ Поворотный.
I у' механизм
5
Держатель
Подложки
Рис. 22. Получение эпитаксиальных полупроводниковых пленок можно
осуществлять несколькими методами: газотранспортным (а), жидкостным
(б), молекулярно-лучевым (в)
разлагаются, и на подложку оседают атомы галлия, мышья-
ка, фосфора. В газовую смесь добавляют также соединения,
содержащие донорные или акцепторные примеси, для при-
дания осаждающейся пленке проводимости п- или р-типа.
84
Понятно, что эпитаксия относится к разряду тончайших
процессов полупроводниковой технологии. Подложка долж-
на быть идеально ровной и тщательно очищенной, реактивы
можно использовать только суперчистые. Точнейшее поддер-
жание температурного режима и скорости потока газов
требует обязательного применения датчиков и компьютеров.
Промышленная эпитаксиальная установка представляет со-
бой дорогостоящий вакуумный агрегат, буквально нашпиго-
ванный электроникой и занимающий просторную комнату
(газовая эпитаксия широко применяется в технологии крем-
ния и многих других полупроводников, поэтому мы так
подробно на ней и остановились).
Но гетеролазеры на основе GaAsP-структур получить не
удалось — тогда еще не было ясно, что для качественных
гетеропереходов совпадение размеров решеток двух полу-
проводников должно выполняться с точностью до 0,1 %, а
то и более! Мышьяк и фосфор этого не обеспечивали.
Была и другая предположительно подходящая система —
это соединение GaAlAs, получающееся при взаимопроникно-
вении GaAs и ALAs. Но очень неприятен в работе алю-
миний — при проведении газовой эпитаксии он всегда «ухи-
тряется» окислиться, а кроме того, многие составы на его
основе нестабильны во времени. И все-таки две-три группы
исследователей поверили именно в эту систему. С совет-
скими физиками, возглавляемыми Ж. И. Алферовым (тогда
еще не академиком, и даже не доктором наук), автору
довелось в пору 60-х годов встречаться. Не так уж много
опыта, чуть больше точного знания, еще побольше ин-
туиции, но главное — неукротимое честолюбие, безоглядная
вера в себя, работоспособность, энергия, молодой задор —
вот что привело к успеху. Именно GaALAs-гетеролазер дал
те блестящие результаты, которые были предсказаны и
которых с таким нетерпением ждали. Судьба воздала долж-
ное «безумству храбрых».
Для выращивания соединений GaAlAs и гетеропереходов
на их основе пришлось разработать совсем другой метод
эпитаксиального выращивания — жидкофазную, или жид-
костную, эпитаксию. Вообще говоря, этот метод был хорошо
известен и ранее, но именно в применении к GaAlAs-системе
доведен до совершенства.
Подложку из арсенида галлия помещают в высокотем-
пературную печь в специальной графитовой кассете, имею-
щей несколько отделений (рис. 22, б). В одном отделе-
нии расположены подложки, в соседних — шихта из смеси
GaAs, Ga и Al. По мере нагрева печи шихта превращается в
85
однородный расплав и при достижении рабочей темпера-
туры — что-нибудь около 700 °C — кассету наклоняют так,
что шихта переливается в соседнее отделение и залива-
ет подложку. Вот тут-то и начинается жидкостная эпитак-
сия — на поверхности подложки кристаллизуется соедине-
ние GaAlAs, процент алюминия в котором (а значит, и
ширина запрещенной зоны) зависит от состава шихты. По
истечении расчетного времени расплав с поверхности под-
ложки удаляют, и если после охлаждения печи извлечь
пластину, то на ней обнаружится пленка полупроводника
GaAlAs, являющаяся естественным продолжением исходного
монокристалла. Понятно, что все механические действия в
нагретой печи осуществляются с помощью специальных
манипуляторов, успешное проведение процесса зависит и
от изобретательности в выборе конструкции кассеты — на
рис. 22, б иллюстрируется лишь принцип, реальные кассеты
бывают очень «хитрыми». Понятно также, что атмосфера в
печи — инертный газ, именно этим, а также тем, что
жидкостная эпитаксия имеет значительно более низкую
температуру, чем газовая, и обеспечивается предохранение
алюминия от окисления. Не извлекая пластину с эпитакси-
альной пленкой из печи и смахнув с нее отработанный рас-
плав, можно залить ее порцией свежего расплава другого сос-
тава — так выращиваются многослойные гетероструктуры.
(Заметим, что технология жидкостной эпитаксии приго-
дилась и светодиодной технике — самые яркие индикаторы
изготавливаются как раз на структурах GaAlAs, полученных
этим методом. Так лазеры отблагодарили светодиоды за
своевременную «подсказку» относительно предпочтитель-
ности GaAs среди других излучающих полупроводниковых
соединений.)
По мере развития техника жидкостной эпитаксии не
просто достигла высокого совершенства, а приобрела поис-
тине неограниченные возможности — технологи научились
получать пленки толщиной от 10 мкм до 10 нм, менять их
состав либо плавно, либо скачкообразно, выращивать в
едином процессе несколько десятков слоев, если надо.
Ясное понимание физических закономерностей, успехи
в синтезе и материаловедении тройного соединения арсенида
галлия — алюминия, развитие промышленной технологии и
аппаратуры жидкостной эпитаксии дали в начале 70-х годов
гетеролазерам «путевку в жизнь».
Триумфальное шествие. Но кроме этих, можно сказать,
внутренних причин возможности создания гетеролазеров,
появилось еще и одно «внешнее» обстоятельство, нс менее
86
Рис. 23. От гетерострукту-
ры — к гетеролазеру. Кри-
сталлы с полосковой гео-
метрией активной области
(а), с зарощенной структу-
рой (б), с распределенной
обратной связью (в) и с
двумя излучающими зо-
нами (г)
важное для развития этих приборов. Обстоятельство, о ко-
тором нередко забывают, заключалось в том, что на гетеро-
лазеры возник спрос. Наука движет вперед Технику,' но и
Техника движет Науку. Мы восхищаемся открытиями, на-
много обогнавшими время, но ведь, если без эмоций,— это
чаще всего бесплодная трата потенций человечества. И боль-
шинство таких открытий забывается — все равно, что сеять
по снегу. Звездный час физического
открытия наступает тогда, когда его
фактически уже ждет Техника, по-
рой, правда, об этом не подозревая.
С 1970 г. началось развитие во-
локонно-оптических линий связи
(ВОЛО — к ним шли долгой, не
очень торной дорогой, но все-таки
пришли (см. гл. 4). Это направле-
ние объединило в себе прежде всего
сверхпрозрачные волокна и совер-
шенные гетеролазеры. И те, и дру-
гие появились в преддверии 70-х
годов и начали стремительно раз-
виваться, подгоняя друг друга. Не
будь гетеролазеров, оптическая
связь была бы невозможна, а не
возникни оптическая связь — гете-
ролазеры и по сей день могли бы
развиваться «ни шатко, ни валко».
«Классическая» конструкция
гетеролазера (рис. 23, а) основана
на двойной гетероструктуре с поло-
сковой геометрией активной обла-
сти, характерные размеры которой:
длина — 400 мкм, ширина 20 мкм,
толщина 0,1 4- 0,5 мкм. При ти-
пичной плотности порогового тока
14-3 кА/см2 такой лазер зажига-
ется при пропускании тока порядка
100 4- 200 мА. Для транзисторных
схем накачки это многовато, поэто-
му дальнейшим шагом явилось соз-
дание «зарощенных» гетерострук-
тур (рис. 23, б), в которых активная
область зажата гетеропереходами еще и с боков. Накачка
такой нитевидной зоны инверсии населенностей требует
не более десятка миллиампер. А рекорд малости порогового
тока составил 0,13 мА! — ох, нелегко писать о лазерах,
87
так стремителен их прогресс: ведь еще совсем недавно
цифрой 10 мА определяли что-то вроде теоретического пре-
дела. Причем рекорд этот относится к 1990 г., а что будет
достигнуто к моменту, когда вы, дорогой читатель, откроете
эти страницы, невозможно и предположить. На каждый
«проглатываемый» миллиампер возбуждающего тока двой-
ной гетеролазер способен выдавать световой поток мощно-
стью 0,1—0,5 мВт — для волоконной связи этого вполне
достаточно.
По мере прогресса ВОЛС перед лазерной техникой были
поставлены новые проблемы. Во-первых: повышение ско-
рости переключения. Надо, чтобы изменение заполнения
энергетических уровней в активной зоне безынерционно
отзывалось на изменение тока накачки: включили ток — и
тотчас же возникла инверсия населенностей, выключили —
возбужденные электроны мгновенно исчезли. Разумеется,
«мгновенно, тотчас же» никогда не проявляются в букваль-
ном смысле, все имеет свою меру. Если в первых гетерола-
зерах время переключения составляло десяток наносекунд,
то к концу 80-х годов оно уменьшилось до единиц пикосе-
кунд (!). Достигнуто это уменьшением всех определяющих
размеров активной зоны, так что повышение быстродействия
и уменьшение порогового тока идет рука об руку.
Во-вторых: обеспечение когерентности лазерного излу-
чения (что гораздо сложнее).
О чем идет речь и для чего это нужно? Когда световая
посылка распространяется по волокну (или вообще по како-
му-то другому световоду), она расплывается во времени:
строго прямоугольный импульс на входе световода стано-
вится колоколообразным на выходе. Соседние импульсы
начинают наползать друг на друга, порой их уже невозможно
различить — этим и ограничивается скорость передачи ин-
формации. Причинами расплывания является иеМонохро-
матичность луча: пространственная его расходимость харак-
теризуется углом а, спектральная неоднородность — поло-
сой излучения ДА (или относительным параметром ДЛ/Л).
О влиянии угловой расходимости на расплывание световых
импульсов, распространяющихся по волокну, говорится в
гл. 4. А спектральная неоднородность обусловливает извест-
ную из общего курса физики дисперсию света: как правило,
в оптической среде при возрастании длины волны скорость
распространения света возрастает (за исключением случаев
аномальной дисперсии, когда имеет место обратный эффект).
Это значит, что длинноволновая составляющая световой
посылки (А = Аизл + ДА/2) придет на выход волокна рань-
88
ше, чем его коротковолновая составляющая (Л = Аизл —
— ДА/2) — прямоугольный импульс расползется. Заметим,
что те же характеристики лазеров (а и ДА) важны и в других
областях их применения: в голографии, оптической памяти,
спектроскопии.
Понятие когерентности является в определенном смысле
синонимом понятий «согласованность, корреляция» в приме-
нении к волновым и колебательным процессам. Идеально
когерентная волна — это бесконечная во времени, без нача-
ла и без конца, синусоида, имеющая одинаковую фазу по
всему фронту светового потока (т. е. в плоскости, пер-
пендикулярной направлению его распространения). Но ведь
любой поток складывается из отдельных фотонов, а они
все-таки хоть чуточку различны. Кроме того, возникают
искажения из-за конечности размеров апертур, через кото-
рые проходит лазерный луч, и возникающей вследствие этого
дифракции. Таким образом, некогерентность любого реаль-
ного потока несомненна, практически можно лишь оценивать
степень приближения к идеалу, что мы и делаем, вводя
параметры а и ДА/АИЗЛ. Заканчивая разговор о когерент-
ности, хотелось бы предложить читателю такую образную
оценку: параметры i]exn КПД, ^изл характеризуют «количес-
тво», а а и ДА/АИЗЛ — «качество» генерируемого излучения.
Вернемся к гетеролазеру. Уменьшение размеров актив-
ной области, необходимое для улучшения количественных
параметров, автоматически ведет к ухудшению когерент-
ности: дифракция «размазывает» поток в пространстве, а
ослабление роли зеркального резонатора — в спектральной
области. Однако нашли выход и из этого безвыходного
положения — придумали гетеролазер с распределенной об-
ратной связью, или со встроенной дифракционной решеткой
(рис. 23, в). Волнистая поверхность одной из границ ак-
тивной зоны, выполняющая роль дифракционной решетки,
способствует тому, что резонансная частота светового потока
в лазере начинает в большей степени определяться не тор-
цевыми зеркалами, а шагом решетки (он обычно близок к
0,16 мкм). Причем известно, что чем больше штрихов в
решетке, тем выше ее избирательность, т. е. с тем более
узким спектром частот эта решетка резонирует. Изготав-
ливая около 200 штрихов, сужают полосу генерации до
ДА 0,001 нм и получают типичные для газового лазера
значения ДА/Аизл ~ 10“6. Разумеется, для этого приходится
повозиться: не так-то просто получить эти 200 штрихов
внутри гетероструктуры на поверхности одного из слоев —
но если надо, значит надо. При еще большем усложнении
89
конструкции удается продвинуться до ДЛ/ЛИЗЛ « 10-9, а со
специальным внешним резонатором — и до АА/ЛИЗЛ « Ю-11.
Правда, этот резонатор представляет собой сложное устрой-
ство длиной в 20 -ь 30 см, так что выигрыша по габаритам
по сравнению с газовым лазером уже почти нет. Заметим
еще, что такая высокая степень монохроматичности реализу-
ется лишь при малой выходной мощности лазера. И все-таки,
как говорят, закончив поисковый этап работы,— показана
возможность,— и это очень важно, так как красивое конст-
рукторское решение неизбежно появится.
Еще одно требование, которое предъявили ВОЛС гетеро-
лазерам — изменить сам спектр излучения, «перебраться»
в диапазон Лизл « 1,3 -ь 1,55 мкм. Оказалось, что именно для
такого излучения оптические волокна обладают наименьшей
дисперсией и наибольшей прозрачностью. Понятно, что эту
проблему никакими конструктивными усовершенствова-
ниями не решить — надо менять исходный полупроводник
на более узкозонный. Подходящих для смешивания би-
нарных составов нашлось немало (например, GaAs—InAs,
GaAs—GaSb, InP—InAs), но ни одно из образующихся
тройных соединений не обеспечило получения качественных
гетеропереходов — уж слишком разными оказывались раз-
меры взаимозамещающихся атомов Ga и In, As и Sb, Р и As.
Похоже, нас с вами, читатель, уже не удивит, что и из этого
«совершенно безвыходного» положения был найден выход.
Дело решила весьма симпатичная идея синтезирования чет-
верных соединений, вместо ранее получивших распростра-
нение тройных. Допустим, в какой-то элементарной ячейке
кристалла арсенида галлия атом Ga заменен более крупным
атомом In. Ячейка, естественно, несколько разбухает, вокруг
нее возникнут напряжения и дефекты. Если же в какой-то
ячейке атом As заменен меньшим атомом Р, то ячейка,
наоборот, сожмется и вокруг нее тоже образуются дефекты.
Но если осуществлять обе замены одновременно, да еще
«поиграть» вводимыми концентрациями атомов In и Р, то
можно полностью скомпенсировать разбухание одних ячеек
похудением других. Такой совершенный состав соединения
InGaAsP и послужил основой для создания гетеролазеров,
излучающих в области Лпзл «1,3-5- 1,55 мкм.
Но, пожалуй, самой сложной для гетеролазеров остается
проблема продвижения в коротковолновую область спектра,
фигурирующую во многих технических применениях. Более
чем за 20 лет от первоначальной длины волны GaAlAs-гете-
ролазера (Яизл « 850 нм) удалось сдвинуться «влево» всего
лишь на 20 % (до Яизл ~ 670 нм). При этом мощность
90
излучения оказывается лишь на уровне 1 мВт. А более
широкозонного полупроводника, чем GaAlAs, да еще способ-
ного конкурировать с ним, пока что-то не обнаруживается.
Правда, похоже, что и к этой проблеме подбирают ключик.
Давно известны нелинейно-оптические кристаллы *), спо-
собные удваивать, утраивать, учетверять частоту колебаний
проходящего через них светового потока. Но в последнее
время их научились делать очень миниатюрными и с КПД
преобразования в десятки процентов. Это значит, что, запу-
ская в такой кристалл луч света с длиной волны Яизл и
мощностью ^изл, на выходе можно получить излучение с
длиной волны Яизл/2 и мощностью (0,3 4- 0,5) 0*изл. Пока
удачные эксперименты проведены с твердотельными лазе-
рами: длину волны Яизл = 1,06 мкм преобразуют в Лизл =
= 0,53 мкм и даже в Аизл = 0,26 мкм. Ясно, что рано или
поздно эти гибридные устройства будут созданы и на основе
гетеролазеров (интересно, что специалисты по нелинейной
оптике трактуют такое устройство как «нелинейный кри-
сталл, возбуждаемый лазером», а лазерщики — как «лазер
с нелинейно-оптическим преобразователем»,— в науке, как
и в политике, каждый рекламирует свою программу, или,
говоря попросту, «всяк кулик свое болото хвалит...»).
По мере преодоления лазерных проблем разработчики
развили такую технологическую мощь, которая позволяет
им не только делать необходимое, но еще оставляет резервы
для заделов на будущее.
Появились лазеры, содержащие на том же кристалле еще
и схему возбуждения, такая интеграция — важный шаг к
дальнейшей микроминиатюризации и к повышению быстро-
действия. Специально для ВОЛС создали двухволновые ла-
зеры — в одном кристалле поблизости друг от друга распо-
лагают две нитевидные (или полосковые) активные зоны,
причем каждая излучает на своей длине волны (рис. 23, г).
Потоки от этих зон с Я1 и Л2 распространяются в волокне, не
смешиваясь, на выходе их можно разделить и порознь про-
детектировать. Итог — удвоение пропускной способности
ВОЛС. Используя технику встроенных дифракционных ре-
шеток, научились выводить лазерный луч не только в на-
правлении вдоль плоскости р—/г-переход а, но и перпендику-
лярно ей. Появилось немало и других новинок. По изобилию
*) Нелинейная оптика изучает явления, возникающие при распростра-
нении интенсивного лазерного излучения в различных средах. Простых книг
по этому предмету пока не написано, поэтому интересующихся отсылаем к
серьезной монографии: Дмитриев В. Г., Тарасов Л. В. Прикладная не-
линейная оптика.— М., Радио и связь, 1982 г.
91
открытий и стремительности их реализации этот лазерный
Ренессанс сродни золотому веку транзисторов и транзистор-
ной технологии (50-е годы). И все-таки...
Третье рождение? И все-таки, то, что достигнуто —
достигнуто в милливаттном диапазоне мощностей излуче-
ния. Это удовлетворяет ВОЛС, но ведь ВО Л С — не един-
ственная область применения лазеров. В начале 80-х годов
во весь голос заявила о себе оптическая память (см. гл. 4),
использующая лазер как остро отточенный скальпель, вы-
жигающий микроскопические метки на носителе. Вот здесь-
то мощность лазера стала важнейшим параметром, именно
она определяет быстродействие и емкость устройства. Да и
только ли в оптической памяти дело? Если посмотреть по
сторонам на «смежников», то есть, кому позавидовать —
одни лазеры прокладывают новые пути в термоядерном
синтезе, другие пытаются поражать ракеты на расстоянии в
тысячи километров, третьи — режут и сваривают метал-
лические листы. А здесь — милливатты. Обидно...
Развитие технологии позволило в начале 80-х годов в
очередной раз удивить мир новинкой гетероэпитаксиальной
техники — были созданы лазеры с раздельным ограничением
(РО) электронов и фотонов (рис. 21, в). Активную зону
делают сколь возможно тонкой — это позволяет снизить
пороговую плотность тока; реально научились делать слои
толщиной около и>эл ~ 0,01 мкм, т. е. всего —10 нм. Но в
таком волноводе не может распространяться световая волна,
потому что Яизл » угэл, а при этом условии поток вытекает
во все стороны. Поэтому слой, соседний с активным, делают
специально нелегированным толщиной worrr ~ 0,3 ч- 0,5 мкм
и ограничивают его еще одним гетеропереходом. Световая
волна, зарождаясь и усиливаясь в зоне и>эл, распространяется
по области wOKT, благо она обладает всеми условиями для
этого — малым поглощением света и хорошими волновод-
ными свойствами. Стало возможным увеличить и длину
активной зоны, доведя ее до 1 ч- 1,5 мм, а это повышает
интенсивность генерации.
Результаты превзошли все ожидания и в очередной раз
перечеркнули многие теоретические пределы. Уже в 1988 г.
изготовили РО-гетеролазеры с пороговой плотностью тока
&ор — 0,1 кА/см2, КПД ~ 40 % и с выходной мощностью
5?зл ~ 6 Вт (на одной из конференций автору довелось видеть
такой лазер в работе — по-детски радуясь, докладчик про-
жигал лучом бумагу). Научились делать лазерные решет-
ки — в одном гетерослое располагают параллельно друг
другу десятка два-три одинаковых активных зон. Излучае-
92
мая мощность подскочила до 100 -е- 200 Вт. А когда перешли
к двумерным решеткам — несколько решеток друг над дру-
гом,— речь пошла уже о киловаттах. И все это в едином
полупроводниковом кристалле, поперечное сечение которого
составляет несколько десятков квадратных миллиметров.
Право, теряешься, после какой из приведенных цифр ставить
восклицательный знак. Некоторые склонны считать появ-
ление структур с раздельным ограничением и супертонкими
активными слоями третьим рождением полупроводникового
лазера (связывая первое рождение с GaAs-лазером образца
1963 г., а второе — с появлением гетеролазера).
Конечно, все эти успехи потребовали очередного рывка
в технологии. Еще дальше продвинулась жидкостная эпи-
таксия; создано новое семейство реагентов, позволившее
резко понизить температуру газотранспортного процесса. Но
главное — развили принципиально новый метод — молеку-
лярно-лучевую эпитаксию (МЛЭ, рис. 22, в). При этом
используется обычный метод вакуумного термического на-
пыления веществ на подложку. Обычный, да не совсем —
остаточное давление в системе не должно превышать
10"7 Па. Это на несколько порядков меньше, чем в дей-
ствительно обычных напылительных установках, но лишь
при таком высоком вакууме осаждаемое вещество обра-
зует монокристаллическую эпитаксиальную пленку. Тем-
пература подложки почти комнатная, поэтому структу-
ра пленок совершенна. А низкая скорость процесса обес-
печивает высокую точность управления толщиной и соста-
вом пленок.
Переход к сверхмалым толщинам области инверсии на-
селенностей электронов знаменовал собой не только чисто
количественные изменения и приобретения. Дело в том, что,
перейдя рубеж ~ 10 нм, физики одновременно «перешли
Рубикон», отделяющий классический мир электрона от его
квантового мира. В приближении квантовой механики элек-
трон отождествляется с так называемой волной де Бройля
(или, точнее, с пакетом, сгустком волн), которая харак-
теризует вероятность его нахождения в той или иной точке
пространства в тот или иной момент времени. Языку клас-
сической физики с его точным указанием традиционных х,
у, z квантовая механика противопоставляет язык вероятно-
стей, статистически ожидаемых интервалов Дх, Ду, Az,
причем именно этот язык более строг и более точен. Указать
абсолютно точное место пребывания электрона невозможно,
иногда в шутку говорят, что «электрон — это размазанная
по объему вероятность».
93
В GaAs протяженность волнового пакета де Бройля близ-
ка к яБ ~ 5 4- 10 нм, и толщину активной зоны надо
сопоставлять именно с этим размером. Если зона толстая
(и>эл » АБ), скажем, ~ 0,2 0,3 мкм, то электрон может
рассматриваться как классическая частица, только задавать
его координату z мы можем с точностью —1 % от толщины
зоны — этого всегда достаточно, так как обычная экс-
периментальная ошибка близка к ±10 %. Но если активная
зона столь тонка, что и>эл ~ АБ, то понятие координаты для
электрона вообще теряет смысл. Если мысленно перемещать-
ся по толщине, то обнаружится, что в любой момент времени
электрон пребывает «везде и нигде», иными словами, поло-
жение электрона характеризуется лишь двумя координатами
в плоскости активной зоны, т. е. х и у.
В этой связи говорят о «двухмерном электронном газе»,
удерживаемом гетеропереходами в квантовой яме или «кван-
товом ящике». А само проявление квантовых свойств элект-
ронов, зажатых в очень ограниченном пространстве, назы-
вают эффектом размерного квантования. И что же это
меняет, в чем проявляется? А вот в чем. Волна де Бройля,
распространяясь вдоль активной зоны, не чувствует тех
изменений решетки, которые носят периодический характер,
т. е. она нечувствительна ни к собственным атомам решетки,
ни к примесям. Это проявляется в высокой скорости распро-
странения электронов, такой же, как в чистом нелегирован-
ном полупроводнике. Реальный выигрыш в скорости распро-
странения электронов может составить несколько раз по
сравнению с толстыми активными зонами, где квантовая
природа электрона так очевидно не проявляется. Это при-
водит к увеличению коэффициента усиления вынужденного
излучения и соответственно к снижению пороговой плот-
ности тока и повышению КПД.
Сказанное, по существу, и определило успехи РО-ла-
зеров, по крайней мере наполовину. Не правда ли, немало?
И все же не это главное. Главное — внимание!— заключа-
ется в том, что при столь малых толщинах эпитаксиальных
пленок существенно изменяются их собственные свойства.
Во-первых, появляются новые разрешенные энергетические
уровни, т. е. изменяется энергетическая диаграмма этого
полупроводника по сравнению с тем случаем, когда пленка
точно того же материала была бы толстой. Теоретические
оценки показывают, что если наносить последовательно слой
за слоем, меняя должным образом состав и толщину каждого
из слоев, то можно создать структуру с любым — в прин-
ципе — желаемым видом энергетической диаграммы. Набор
94
таких чередующихся сверхтонких гетеропленок (их может
быть от десятка до нескольких тысяч) называют сверхрешет-
кой. (Заметим в порядке отступления, что овладение техно-
логией сверхрешеток делает вполне реальным и научно
обоснованным возрождение алхимии. Например, комбини-
руя в слоях сверхрешетки атомы углерода, кремния, кисло-
рода, принципиально возможно организовать такую элект-
ронную структуру кристалла, которая в точности совпадет с
той же структурой кристалла золота. А значит, и все прояв-
ления вновь созданного кристалла — блеск, химическая
пассивность и т. п.— будут такими же, как у золота. Как
говорил Райкин, определяя суть художественного процесса,
надо «просто класть нужную краску в нужное место». Но
чтобы реализовать это, алхимикам XXI века (раньше, к
счастью, это вряд ли состоится) надо подняться на новые
высоты материаловедения, физико-химии, математического
моделирования, специального машиностроения, аналитики и
при этом еще слить вместе достижения во всех перечислен-
ных областях.)
Во-вторых, и это может быть даже еще важнее, сверхре-
шетка, даже при существенном различии составов соседст-
вующих слоев, ведет себя как единый, структурно однород-
ный кристалл — механические напряжения выправляют
различия размеров элементарных ячеек: рыхлые ячейки
сжимаются, плотные — слегка растягиваются. Обязательное
совпадение размеров элементарных ячеек веществ, сшивае-
мых в гетероструктуру, в случае сверхрешетки оказывается
вовсе не обязательным.
Умелое сочетание «во-первых» и «во-вторых» позволит
получать прямозонные (а значит, хорошо излучающие) по-
лупроводники с любой шириной запрещенной зоны и тем
самым закрыть лазерами всю видимую и, возможно, ульт-
рафиолетовую область спектра. Не исключено, и это уже
ощущается в атмосфере научного поиска, открытие новых
физических явлений, близких к фундаментальным, изобре-
тение принципиально новых электронных приборов и техно-
логий. Овладение сверхрешетками даст человечеству «могу-
щество бога». Но все это в будущем, потому мы и поставили
страницей выше: внимание! Внимание! Не пропустите сча-
стливую возможность приложить свои силы, энергию, увле-
ченность к наведению порядка в этом удивительном ми-
кромире полупроводниковых лазеров, квантовых ящиков,
сверхрешеток.
ГЛАВА 3
УКРОЩЕНИЕ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ
§ 6. Немного о том, что хорошо известно
То, что мир буквально залит светом, люди
ощущали с незапамятных пор; фактически зримо воспри-
нимаемый световой мир и был той реальностью, в которой
существовал человек. И, разумеется, с таких же незапамят-
ных времен люди стремились запечатлеть, зафиксировать
увиденное — так появились живопись, скульптура, позднее
литература. Но при всем благоговении перед этими искусст-
вами, ставшими неотъемлемой частью человеческой циви-
лизации, зададимся вопросом — точны ли они, однозначно
ли отображают окружающее? Сколько, например, спорят о
том, кто именно запечатлен в знаменитой «Джоконде»,
последние рентгенографические «раскопки» подводят даже к
заключению, что это ни много ни мало — автопортрет. Или
возьмем вот такое строгое описание. «Глубокий, но пологий
овраг. По бокам в несколько рядов головастые, книзу исщеп-
ленные ракиты. По оврагу бежит ручей; на дне его мелкие
камешки словно дрожат сквозь мелкую рябь. Вдали на
конце-крае земли и неба, синеватая черта большой реки.»
(Тургенев, «Деревня»). Можно побиться об заклад, что два
читателя представят себе две разные картины, а третий
вообще ничего не «увидит» — что делать, он лишен вообра-
жения. Конечно, нам возразят, что задачи литературы и
живописи не столь утилитарны, но где же тогда искать
точное, однозначное отображение окружающего мира?
Дело кардинально изменилось после изобретения фото-
графии, а затем кинематографа — стало возможным запе-
чатлевать мир и в статике, и в динамике. И все-таки о
восприятии и отображении световых картин как потока
видеоинформации пока еще рано было говорить. Специаль-
ные условия съемок, достаточно сложная и продолжительная
технология получения снимков не позволяли осуществлять
восприятие мира в реальном времени. Об обработке этой
информации всерьез не может быть и речи — разве что
назвать «обработкой» подбор фотографий в семейный альбом
96
или режиссерский монтаж кинофильма из многих километ-
ров наобум отснятого материала с помощью ножниц и клея.
Когда в конце 40-х годов появились первые ЭВМ — у
нас их тогда называли счетно-решающими устройствами,—
на страницах популярных изданий замелькали фразы такого
типа: подобно тому как паровая машина и электромотор
освободили мускульную силу человека от изнурительного
труда, ЭВМ освободят мозг человека от рутинных вычис-
лений. И приводились данные о скорости перемножения
десятка двадцатизначных чисел или о вычислении числа л
до 1001 знака. И по сей день, характеризуя ЭВМ, используют
такой показатель, как число простейших операций, выпол-
няемых ею в единицу времени. И хотя количественно пока-
затель этот за 40 лет заметно подрос — от 103 опер/с у
первых ЭВМ до сегодняшних 1О10 опер/с — суть подхода
осталась неизменной.
Однако так ли уж часто нам приходится заниматься
вычислениями, особенно в повседневной жизни? Если не
считать школьные задачки, то почти ничего и не останется.
Расчет времени на дорогу до школы или работы? Опреде-
ление площади садового участка? Со всем этим мы справля-
емся без напряжения. Даже семейный бюджет обычно рас-
считывают без помощи ЭВМ, а если при этом и испытывают
какие-то затруднения, то связаны они отнюдь не с вы-
числениями...
Но ведь чем-то мозг действительно занят, или, говоря
техническим языком, он непрерывно ведет обработку инфор-
мации. Конечно, не той, что закодирована в бесконечных
перфолентах, поглощаемых компьютерами. Информацию
мозгу доставляют наши органы чувств — зрение, слух,
обоняние, осязание, вкус — причем решающую роль играет
зрение. Установлено, что не менее 90 % всей информации
из окружающего мира поставляют мозгу глаза. Значит,
основное, с чем оперирует мозг,— это зрительно вос-
принимаемые образы. Даже то, что мы слышим, в мозгу
тоже преобразуется в картины, прежде чем подвергнуться
обработке.
Таким образом, на вход нашего мозгового компьютера
поступает видеоинформация, поэтому он должен иметь (и
имеет) входное устройство, преобразующее ее в биоло-
гические воздействия. Это — аппарат зрения. А чем завер-
шается процесс мышления? Опять же не таблицей чисел, как
у ЭВМ. Когда все продумано, то ответ мы, как говорят, видим
внутренним взором. Происходит обратное преобразование
биологического возбуждения в зрительно воспринимаемый
97
образ, т. е. снова в видеоинформацию. Пример: десяти-
классница продумывает свой выпускной вечер: мысленно
перебираются все платья, украшения, прически, мысленно
же она видит себя в актовом зале, у окна, у колонны, с
цветами, в танце и т. п. Итог всех этих «вычислений» —
тоже зрительный образ.
Лишь тогда ЭВМ встанут вровень с мозгом, когда они
научатся так же, как мы, свободно и естественно оперировать
с видеоинформацией, вот почему все современные програм-
мы создания искусственного интеллекта в качестве обяза-
тельных фрагментов включают в себя разработку системы
восприятия и распознавания образов и системы отображения
информации. Назначение первой из этих систем — преоб-
разование зрительного образа в комбинацию электрических
сигналов, назначение второй — обратное преобразование
этого электрического множества в зрительный образ. Такой
двойной перевод — дело ответственное, здесь фальшь не
скроешь. Когда Пушкин в переводе на английский звучит
подобно Тредиаковскому, англичанин искренне уверен, что
именно так тяжеловесно и писал великий русский поэт.
Несуразицу могут увидеть лишь немногие посвященные.
А вот если, скажем, два переводчика последовательно пере-
ведут тургеневскую «Му-му» сначала, например, на какой-
нибудь занзибарский, а потом с занзибарского снова на
русский и при этом получится чеховская «Каштанка», чита-
тель без труда смекнет: что-то не так. Оба преобразования:
свет — электричество и электричество — свет должны быть
адекватными, информация лишь перетекает из одной формы
в другую.
Удобный для техники алгоритм прямого и обратного
преобразования прост и логичен (рис. 24, а). Мысленно
расчленим воспринимаемую картину на большое число строк
и столбцов,— маленькие квадратики, образующиеся в мес-
тах пересечений, представляют собой элементы разложения.
Каждый элемент нумеруется двумя числами: номером строки
п и номером столбца т, обозначить его естественно как Апт.
Будем считать, что в пределах каждого квадратика световое
поле однородно, в нашем примере возможны три варианта
окраски: белая, серая, черная. Теперь, начиная с элемента
Ап (в верхнем левом углу), станем равномерно продвигаться
вправо вдоль строки и встречу с каждым новым элементом
отмечать электрическим импульсом В. Белый квадратик —
импульсом амплитуды 1, серый — 1/2, черный — 0. Пройдя
первую строку, переходим на крайний левый элемент второй
строки, снова начинаем двигаться вправо — и так до тех пор,
98
Рис. 24. Как формируется видеосигнал (6) и технические средства телевидения (а)
пока не переберем все элементы всех строк. Порядковый
номер импульса, соответствующего элементу Апт, будет, как
нетрудно проверить, j = (п - DM + т, а общее число им-
пульсов N-M (здесь N — число строк, М — число столбцов;
п = 1, 2, . . ., N, т = 1,2,..., М). В итоге получаем
электрический сигнал, состоящий из импульсов, следующих
друг за другом через равные временные интервалы и име-
ющих одну из трех амплитуд: 1, 1 /2, 0. Это — видеосигнал.
Так, двухмерная картина, развернутая по координатам х и
у, преобразовалась в электрический сигнал, развернутый по
одной координате — времени t; от множества {Лпш} мы
перешли к множеству {ВД.
Для обратного преобразования видеосигнал подается на
устройство, имеющее экран из NM элементарных ячеек.
Первый импульс включает (окрашивает) верхнюю левую
ячейку экрана, второй — вторую ячейку в той же строке и
т. д. В результате действия видеосигнала на экране вырисо-
вывается картина, полностью подобная исходному образу,
вернее, его промежуточному огрубленному ячеистому пред-
ставлению.
Это — схема. Теперь кое-что о технике. Понятно, что
формирователь видеосигналов должен иметь фоточувстви-
тельный растр, а устройство отображения — светогене-
рационный. И там, и там необходима система сканиро-
вания — последовательного обегания и опроса всех элемен-
тов разложения. Чем чаще сменяются картины, тем быстрее
должно осуществляться сканирование. Чтобы точнее вос-
принять и передать изображение, нужно, чтобы растр содер-
жал как можно больше элементов разложения, их число
определяет разрешающую способность устройства. При де-
лении элементов разложения лишь на белые, серые и чер-
ные не избежать пятнистости изображения, для передачи
оттенков и полутонов необходимо восприятие и отображе-
ние большого числа градаций яркости или градаций серо-
го. И, наконец, надо уметь не потерять цвет. О том, что все
это значит, и о количественных мерах мы поговорим
чуть позже...
Естественно, что наилучшие технические средства для
описанных преобразований должна и может дать оптоэлек-
троника — она ведь и базируется на переходах свет
электричество и электричество свет, ей, значит, и кар-
ты в руки.
Но оптоэлектроника пришла не на пустое место, техника
ведь не обязана была ожидать появления этого совершенства.
Еще в 30-е годы в недрах вакуумной электроники зародилось
100
телевидение (наше любимое ТВ), ставшее со временем поис-
тине универсальным средством восприятия передачи и отоб-
ражения самой различной видеоинформации, начиная от
простейших текстов и кончая движущимися изображения-
ми (здесь и в дальнейшем мы имеем в виду не только на-
ши домашние телевизоры, а всю совокупность технических
средств телевидения *) и примыкающих к нему областей
техники, в частности, дисплеи). Основу передатчика те-
левизионной системы (рис. 24, б) составляет видикон —
специфическая электронно-лучевая трубка. С помощью
объектива изображение фокусируется на мишень, которая
изнутри покрыта тонкой пленкой фоточувствительного по-
лупроводникового состава. Свет возбуждает в пленке свобод-
ные электроны, причем их количество пропорционально
освещенности данного участка мишени и времени экспо-
зиции. Незасвеченная пленка обладает очень высоким удель-
ным сопротивлением, поэтому возбужденные электроны ос-
таются на своих местах, не расползаются по поверхности, по
крайней мере в течение некоторого времени. Таким образом,
световой образ преобразуется в зарядовый рельеф полупро-
водниковой пленки. На эту процедуру отпускается время
1/25 с, время телевизионного кадра. После этого осуществ-
ляется считывание. Электронный луч, формируемый в про-
жекторе и отклоняемый системой пластин по вертикали и
горизонтали, последовательно сканирует, обегает всю ми-
шень, «чувствуя» заряженность каждой точки и отзываясь
на ее изменения соответствующими пульсациями тока луча.
На нагрузочном резисторе, включенном в цепь электронного
луча, выделяется видеосигнал, который и несет полную
информацию о зарядовом рельефе, а следовательно, и о
световом образе, породившем этот рельеф. Как видим, в ви-
диконе сочетаются два обязательных момента: наличие фо-
точувствительной мишени и развертка, сканирование элек-
тронного луча, обеспечивающее считывание накопленной
растром информации. С годами видиконы достигли высокой
степени совершенства: габариты их удалось снизить до раз-
меров пальца, долговечность повысилась до тысяч и десятков
тысяч часов, фоточувствительность и разрешающая способ-
ность приблизились чуть ли не к пределу возможного. Меняя
состав полупроводниковой пленки, разработчики научились
придавать мишени почти любые спектральные свойства —
*) Нами не рассматривается передача ТВ-сигналов от передатчика к
приемнику, т. е. те процессы, которые фактически определили название
этого научно-технического направления.
101
так появились и непрестанно появляются плюмбиконы, кад-
миконы, сатиконы, халниконы, ньюкосвиконы...
Основу телевизионного приемника составляет другая
электронно-лучевая трубка — кинескоп. Его экран покрыт
тонкой пленкой люминофора — порошкообразного полупро-
водникового состава, светящегося при возбуждении быст-
рыми электронами. В горловине вакуумированного стеклян-
ного баллона кинескопа, как и у видикона, смонтированы
электронный прожектор и электромагнитная система го-
ризонтальной и вертикальной развертки электронного луча.
За время телевизионного кадра этот луч, последовательно
прочерчивая строку за строкой, обегает весь экран. При этом
интенсивность луча модулируется видеосигналом, поступа-
ющим в ТВ-приемник, так что каждая точка экрана приобре-
тает свою яркость. Люминофорам свойственна память — луч
уже далеко, а свечение еще продолжается какое-то время.
Поэтому, а также из-за инерционности зрения весь экран,
засвеченный видеосигналом одного кадра, воспринимается
как единое целое. А смена 25 кадров в секунду, кадров, лишь
слегка отличающихся друг от друга, передает слитное дви-
жение. Так работает черно-белый (фактически серо-зеле-
ный) экран телевизора, но общие принципы распространя-
ются и на другие их разновидности. Так, один из способов
создания цветного изображения состоит в следующем: на
поверхности экрана создается матричная структура триад —
набора из трех рядом расположенных люминофорных точек,
каждая из которых может светиться красным, зеленым или
синим светом; точки триад возбуждаются тремя порознь
управляемыми электронными лучами; наблюдаемый цвет
свечения формируется как сумма трех цветов (см. § 7). В
отличие от схематического рассмотрения алгоритма вос-
приятия образов и отображения, где мы для наглядности
применили дискретный подход, в реальных ТВ-устройствах
все происходит несколько иначе. Элемент разложения экра-
на телевизора представляет собой пятнышко без резких
границ, размеры его определяются диаметром луча и расп-
лыванием свечения в люминофорной пленке. И яркость
свечения меняется не ступенчато, а плавно — видеосигнал,
формируемый видиконом,— это не набор импульсов, а не-
прерывная зазубренная кривая.
За более чем полувековую историю технические средства
телевидения, базирующиеся на уникальных возможностях
электронно-лучевых трубок, достигли высокой степени со-
вершенства. Телевизоры и дисплеи уверенно закрепились
среди самых ходовых видов электронной аппаратуры, общая
102
площадь всех экранов, ежегодно выпускаемых заводами
мира, превышает 1000 гектар! Так что конкуренту (а опто-
электроника, похоже, вступила на этот путь) следует отда-
вать себе ясный отчет — перед ним не «ветряные мельницы».
Отнюдь...
Но прежде чем перейти к сути предстоящей схватки,
порассуждаем немного о том, что же такое «зрительно вос-
принимаемый образ» — ведь на предыдущих страницах та-
кое понятие постоянно фигурировало. Что видят наши глаза?
Каким образом? Не знать этого — значит, решать проблему
овладения видеоинформацией с завязанными глазами.
§ 7. Взгляд изнутри
Познание аппарата человеческого зрения для
оптоэлектроники, оперирующей с видеоинформацией, явля-
ется важнейшим делом. Глаз — и потребитель средств отоб-
ражения информации, глаз — и пример для подражания
тому, кто пытается заменить его средствами электроники.
Обращаясь к зрению, техник вступает в неведомый ему мир
психофизики. Сразу же оговоримся — в области исследо-
вания человека вряд ли есть еще такая же сложная проблема,
как зрительное восприятие, разве что механизм памяти не
менее труден в понимании.
Сложность эта продиктована тем, что в формировании
зрительного ощущения участвует не только глаз, но и заты-
лочные области головного мозга, соединенные с глазом нерв-
ными волокнами. При изучении этого процесса мы сталкива-
емся с несколькими видами превращения энергии из одного
вида в другой. Под воздействием света происходит хими-
ческое превращение фоточувствительных молекул глаза
(в сетчатке). Затем энергия химического возбуждения прев-
ращается в энергию электрического импульса, распростра-
няющегося по соединительным нервным волокнам. И, нако-
нец, в зрительной коре электробиологическое превращение
энергии формирует такое состояние клеток и такие связи
между ними, которые интерпретируются мозгом как образ,
картина. Протекающие процессы очень сложны, однозначно
объяснить их не всегда удается, однако многие факты,
характеризующие зрение, достаточно твердо установлены и
можно попытаться перевести их на язык, понятный технике.
Конечно, при этом неизбежна некоторая схематизация, ог-
рубление тонкостей и нюансов, утрата индивидуальных осо-
бенностей, но все это необходимо для получения такой
физической (и в конечном счете — математической) модели
ЮЗ
зрения, без которой невозможен прогресс в деле создания
электронного глаза.
Прежде всего эта схематизация касается общей структу-
ры зрительного аппарата (рис. 25). Переходя на технический
язык, можно сказать, что его блок-схема (рис. 25, б) вклю-
чает следующие части: адаптивную оптическую систему 1
тело
а
Рис. 25. Зрение и мозг (а). Как бы сложно это ни было, все можно
схематизировать и перевести на язык техники (б)
(внешние элементы глаза), сервопривод 2 (глазные мышцы),
многоэлементный фотоприемник 3 (сетчатка), оперативное
запоминающее устройство 4 (все та же сетчатка с запасаемой
в ней химической энергией), информационные коммуни-
кации 5, включая цепь обратной связи 6 (соединительные
нервные волокна) и микропроцессор 7 с долговременным
запоминающим устройством 8 (кора головного мозга).
Теперь легко схематизировать и процесс восприятия.
Через объектив оптической системы внешнее изображение
фокусируется на фотоприемник, в нем преобразуется в набор
электрических сигналов, эти сигналы записываются в опе-
ративное запоминающее устройство (освобождая фотопри-
104
емник для восприятия новых картин), откуда по каналам
связи передаются в микропроцессор и после обработки в нем
ложатся в долговременную память. Микропроцессор же по
цепи обратной связи дает команды сервоприводу, обес-
печивающему оптимальную настройку оптической системы.
Все очевидно, все понятно — вот если бы еще и в действи-
тельности было так просто.
Внешние части глаза — зрачок, хрусталик, стекловидное
тело — обеспечивают фокусировку воспринимаемого изоб-
ражения на сетчатой оболочке. Приноравливаясь к внешним
условиям, зрачок то сужается, то расширяется, изменяя
интенсивность пропускаемого света чуть ли не в 20 раз, а
изменение кривизны хрусталика перестраивает фокусиров-
ку. Характерно, что все это глаз проделывает слегка небреж-
но, не слишком торопясь (сужение зрачка, например, может
длиться и секунды, и даже минуты) и как бы не очень
тщательно — так, фокусировка на краях сетчатки обычно
нерезкая, расплывчатая. Похоже, что в этом проявляются
защитные тенденции организма. Нужно ли искусственному
глазу копировать все особенности естественного,— не оче-
видно, но очевидно, что автоматизм подстройки оптической
системы очень полезен.
Пространственные возможности зрения характеризуются
следующими цифрами. Полные углы обзора неподвижным
глазом составляют 120° по горизонтали и 90° по вертикали,
а чтобы уверенно все рассмотреть, эти углы не должны
превышать 20° и 15° соответственно. Отсюда сразу же следует
оптимальный формат отношения сторон ТВ-экрана 4 : 3.
Быстро и не напрягаясь, глаз воспринимает предметы с
угловыми размерами более 1° (спичечный коробок на рассто-
янии 2 м), а если очень захочет, то сможет почувствовать
одну угловую минуту. Небольшие детали удобно рассмат-
ривать на расстоянии в 25—35 см от глаза, крупные пред-
меты воспринимаются лишь с дистанции, в 3—4 раза пре-
вышающей их размеры («лицом к лицу лица не увидать,
большое видится на расстояньи» — подметил Есенин). Ко-
нечно, приведенные цифры (впрочем, как и все последу-
ющие) характеризуют некоторого усредненного наблюдате-
ля — индивидуальные отличия могут быть довольно суще-
ственными. Замечено, например, что асы бильярда уверенно
забивают такие шары, в розыгрыше которых направление
удара должно быть выдержано с точностью, заметно меньшей
угловой минуты. Про таких обычно говорят, что зоркость у
них не только в глазах, но и в руке (как знать, может, в
этом и есть что-то от правды?). Иногда углы обзора заметно
105
превышают усредненные цифры — этим, например, пыта-
лись объяснить уникальный футбольный феномен знамени-
того Пеле. Однако если его удивительные по неожиданности
и точности пасы объяснять лишь особенностями зрения, то
пришлось бы приписать ему углы обзора не меньше 360°!
Похоже, что для хорошей игры в футбол слегка выпуклых
глаз явно недостаточно.
Пройдя через оптическую систему, свет достигает «свя-
тая святых» — глазного дна, выстланного сетчатой оболоч-
кой. Сетчатка состоит из светочувствительных рецепторов,
представляющих собой комплексные соединения белка и
светопоглощающей молекулы. Рецепторы, как правило, име-
ют вытянутую удлиненную форму, их поэтому называют
палочками. В каждом глазе насчитывается приблизительно
по 125 миллионов палочек. А в небольшой центральной
области глазного дна размещены колбочки — рецепторы,
имеющие утолщенную часть. Колбочек всего около 6 мил-
лионов и они раз в 500 менее чувствительны, чем палочки.
Казалось бы, зачем они глазу? А вот зачем. Среди колбочек
имеется три разновидности, каждая из которых особенно
активна к воздействию красного, зеленого или синего света.
Автоматика мозгового управления отлажена так, что днем
при ярком освещении работает колбочковое зрение (его еще
называют фотопическим, или дневным), глаз не очень
зорок, но зато воспринимает цветовую окраску. В сумерках
происходит переключение на палочковое (или скотопичес-
кое, ночное) зрение — глаз становится острее, но цвето-
восприятие пропадает (известное утверждение «ночью все
кошки серы, все женщины хороши» имеет, как видим,
вполне научное обоснование).
Характерная особенность палочкового зрения — это рез-
кая неравномерность чувствительности внутри видимой час-
ти спектральной области: высокое значение 5Ф в желто-зе-
леной области и резкий спад (до ~ 0) в пурпурно-красной
и фиолетовой зонах. Многочисленные обследования пока-
зали, что вид функции 5ф = /(А) в первом приближении
можно считать одинаковым для всех людей. Эту кривую,
характеризующую усредненного человека, называют функ-
цией видности человеческого глаза (рис. 26). Она строго
определена ГОСТом и используется для контроля свето-
технических приборов. Но не следует забывать, что живая
природа никогда не укладывается в прокрустово ложе ника-
кого, даже самого совершенного, ГОСТа — индивидуальные
отклонения неизбежны (так, например, дети гораздо лучше
взрослых чувствуют сине-фиолетовые составляющие).
106
Количество рецепторов однозначно определяет разре-
шающую способность глаза. При этом число палочек явно
избыточно и обусловлено стремлением к достижению наи-
высшей чувствительности, поэтому в расчет должны идти
Рис. 26. Кривая видности — основа взаимоотношений светотехники с гла-
зом человека
лишь колбочки — именно их количество и служит ориен-
тиром при выборе числа элементов разложения электронных
видеоинформационных устройств.
И механизм переключения зрения с ночного на дневное,
и перестройка глазного объектива — все это самозащита
глаза. Природа позаботилась о том, чтобы человек мог
нормально воспринимать практически любые световые сиг-
налы, поступающие из окружающего мира, разумеется, ми-
ра естественного, незнакомого с такими, например, «свето-
выми ударами», которые сопровождают ядерные взрывы или
вспышки лазера. Порог чувствительности глаза — это де-
сятки фотонов, а болевое ощущение вызывает яркий солнеч-
ный свет. Динамический диапазон воспринимаемых яркостей
перекрывает чуть ли не триллионократное (!) их изменение.
Живой организм как бы приглушает, притупляет сильное
внешнее раздражение, прежде чем начать на него реа-
гировать, и наоборот — при слабых воздействиях он мо-
билизует все свои потенциальные возможности (за еди-
ничными фотонами «охотятся» группы палочек).
Количественно это удовлетворительно описывается зако-
ном Вебера—Фехнера, установившим логарифмическую
связь психофизиологической реакции того или иного органа
чувств с интенсивностью физического возмущения:
^-фзл Л 1g С£фиЗ / -^ПОр) +
В этой формуле ЬфЗЛ — физиологически ощущаемое
раздражение (холодно, громко, светло), £фИЗ — величина
107
действующего физического фактора (температура, звуковое
давление, яркость источника), a, b, LnOp — константы. При-
чем Lnop представляет собой минимальную пороговую вели-
чину физического воздействия, которую способен почувст-
вовать человек. Из структуры формулы Вебера—Фехнера
видно, что в то время как физическое раздражение растет на
порядки, наши ощущения усиливаются лишь в разы.
Закон этот, математически сформулированный в се-
редине прошлого века физиком Г. Фехнером на основе эмпи-
рических наблюдений психофизиолога Э. Вебера, нагляднее
всего иллюстрируется на примере нашей слуховой системы
(заметим в скобках, что Веберов, внесших заметный вклад
в науку и культуру, было много,— «наш» менее известен,
чем композитор К. Вебер или магнитолог В. Вебер, но с
формулы, названной его именем, фактически началось раз-
витие психофизики). Звучание новомодной рок-группы в
сотни тысяч (а то и в миллионы) раз интенсивнее звука
тихого разговрра, а воспринимаемая человеком громкость
при этом изменяется лишь в 10—100 раз. А вообще от порога
слышимости и до возникновения болевых ощущений пере-
крывается диапазон интенсивностей звука в миллионы мил-
лиардов раз. Чтобы такой диапазон стал доступен для опи-
сания, удобно сравнивать два источника звука по логариф-
му отношения их интенсивностей £фИ31 и £физ2. Величину
1g (Д|>из1/Дьиз2) назвали бел (Б) в честь изобретателя теле-
фона А. Белла; на практике употребляется величина, в
десять раз меньшая,—децибел (дБ). В дальнейшем децибе-
лы стали использоваться не только в акустике, но и в оптике,
радиотехнике — всюду, где диапазон сопоставляемых вели-
чин очень большой. Когда говорят о звуковых или яркостных
децибелах, имеется в виду, насколько превышается порог
чувствительности уха или глаза LnOp. Шелест листьев дает
20 дБ (т. е. физическая интенсивность этого звука в 100 раз
выше той, которую человек способен почувствовать, сидя,
например, в звукоизолированной комнате), тихий разго-
вор — 50—60 дБ, громыхание грузовика — 100—110 дБ,
исполнение «хард-металл» — до 140—160 дБ. Экран вклю-
ченного телевизора на 60 дБ ярче того, что может почувст-
вовать глаз, белая бумага, освещенная настольной лампой,—
это 80 дБ, а солнечный свет — 140—160 дБ. Диапазон
физических яркостей источников, воспринимаемых глазом,
лежит в пределах от 10-7 до 105 кд/м2; в интервале 10~7 ч-
ч- 1 кд/м2 работает палочковый механизм зрения, и цвето-
вого восприятия нет. Но, разумеется, этот гигантский диапа-
зон перекрывается не весь сразу: одновременно человек
108
различает до 8—10 градаций яркости, и для того, чтобы
перейти в другую область яркостей, глазу нужно время на
адаптацию, иногда до десятков минут.
Специфичны временные характеристики аппарата зре-
ния. Химические процессы в рецепторах довольно инерцион-
ны, поэтому на очень быструю смену впечатлений глаз не
реагирует: установлено, что при частоте световых посылок
более 15 4- 50 Гц мерцание не ощущается. Отсюда следует
ряд важных для практики выводов. Во-первых, любое наблю-
даемое и воспроизводимое действие можно представить в
виде последовательности неподвижных картин (кадров), не-
значительно отличающихся друг от друга. Если частота их
следования составляет не менее 25 -г 30 кадр/с, мы видим
непрерывно изменяющееся действие — именно такие стан-
дарты приняты в телевидении и кино. Второй вывод продол-
жает первый. Работа ТВ-передатчика может быть организо-
вана так, чтобы в течение 1/25 с он разглядывал изобра-
жение, затем мгновенно (т. е. очень быстро) сбрасывал
воспринятое в секцию оперативной памяти, освобождая себя
для восприятия следующего кадра. Очевидно, что такое
восприятие в режиме накопления значительно повышает
чувствительность прибора. Аналогично этому при работе
ТВ-экрана (или дисплея) он может светиться неизменно в
течение 1 /25 с после поступления очередного кадра (память
люминофора).
Наконец, третье. Инерционность фотохимических про-
цессов в сетчатке проявляется в действии закона Тальбота:
кажущаяся яркость непостоянного источника равна средней
за период наблюдения яркости. Будут ли непрерывно све-
титься элементы экрана, будут ли они ярко вспыхивать от
очень коротких (микросекундных) управляющих импуль-
сов — глазу все равно, если усредненный поток излучения
один и тот же. Восприятие объекта зависит не только от его
яркости, но и от контрастности, т. е. от того, насколько он
выделяется из фона. Количественно контраст определяется
как К = (L„CT - £фон)/Д<сг, где L„CT, Z^H — яркости источ-
ника и фона соответственно. Пороговый контраст близок
к 1—2 %, для надежного выделения из фона надо, чтобы
К ~ 15—20 %.
Самое удивительное и до известной степени уникальное
свойство человеческого зрения — это восприятие и раз-
личение цвета. Природа позволяет нам заглянуть в нее через
узенькую спектральную щелку в полосе длин волн от 0,38
до 0,78 мкм — но до чего же эта область насыщена! Видит
весь животный мир, многие его представители гораздо зорче
109
человека, кто-то видит в темноте, кто-то в воде, но лишь
человеку присуще столь развитое цветовое зрение, остальной
животный мир к восприятию цветов либо частично, либо
полностью слеп. Несомненно — это одно из проявлений
высшей организации человеческого мозга.
Различение цветов для нас настолько естественно и
подсознательно, что порой между психическим состоянием и
восприятием какого-то цвета существует однозначная связь.
Видишь цвет — возникает состояние, имеется состояние —
ощущаешь цвет (хотя перед глазами его нет). У некоторых
людей лирическое настроение окрашено в голубой цвет,
драматическое — в фиолетовый; оранжевые краски порож-
дают маршевый мажорный подъем, а в охристо-коричневой
гамме, как утверждает один кинооператор, есть ностальгиче-
ское очарование... Обычный неподготовленный человек раз-
личает до двухсот цветов, художник — около трех тысяч, а
с помощью специальных цветовых атласов (используемых,
например, в текстильной промышленности) перенумерованы
миллионы оттенков. В основе этого лежит аппарат трихро-
матного зрения — тот экспериментально установленный
факт, что сетчатка содержит три сорта колбочек, избиратель-
но чувствительных к красному, зеленому, синему цветам.
Математизация цветового мира, столь необходимая технике,
является одной из наиболее сложных проблем психофизики.
Ученые стремятся построить изотропное сенсорное простран-
ство цветоразличения, адекватное зрительному восприятию,
составить полное и точное математическое решение той
задачи, ответ которой пока знает лишь Природа.
Сложностей много, но многое и достигнуто, во всяком
случае теория первого приближения создана. По современ-
ным понятиям, любой цвет может быть представлен векто-
ром, составляющими которого являются три различные ос-
новные цвета. Принципиально в качестве основных могут
быть выбраны самые разнообразные тройки, но, учитывая
устройство человеческого глаза, удобнее всего для этого
использовать красный, зеленый и синий. Оперируя первыми
буквами соответствующих слов английского языка, говорят
об R-G-B-цветовом пространстве. Итак, в соответствии с
теорией любой цвет может быть образован смещением крас-
ного (R), зеленого ((7), синего (В) в определенных про-
порциях. Переход от цвета к цвету может осуществляться
непрерывно через бессчетное множество цветовых оттенков.
Математически операция смешивания определяется тремя
кривыми сложения, каждая из которых пытается как-то
смоделировать спектр фоточувствительности одного из сор-
110
Рис. 27. Кривые сложения системы
R—G—В. Для лучшего соответствия
действительности кривой R пришлось
«забраться» в отрицательную область
(соответствующие ординаты этой час-
ти кривой указывают, сколько крас-
ного надо «вычесть» из смеси)
тов колбочек (рис. 27). Преобразование цветового векторно-
го пространства от объема к плоскости позволяет построить
цветовой график, внутри которого каждая точка соответст-
вует тому илц иному цвету (рис. 28). Выпуклая кривая —
ее называют локусом — об-
разована спектрально чис-
тыми цветами, центр гра-
фика (х = у = 1/3) пред-
ставляет собой белый цвет,
правильнее — свет, полно-
стью бесцветный, ахрома-
тический. Если через центр
провести прямую линию, то
ее пересечение с локусом
дает два цвета, называемые
дополнительными: при пра-
вильном подборе их интен-
сивностей их смешивание
дает белый свет. Но не каж-
дому цвету есть подходя-
щий напарник — вся си-
не-зеленая область спектра
для «обеления» требует до-
бавки не одного, а по край-
ней мере двух цветов.
Цвет, представленный ка-
кой-либо точкой на прямой
внутри локуса, имеет пре-
имущественную окраску,
совпадающую с точкой ближайшего пересечения локуса.
А насыщенность, чистота цвета определяется тем, насколько
близка точка Ц к локусу (100%-ная чистота) или к центру
(нулевая насыщенность).
Установлено, что при индикации цифр, текстов, гра-
фиков надежнее воспринимаются контрастные насыщенные
цвета, а вот когда надо показать движение, необходимо
работать на полутонах, иначе картина смазывается. Это
значит, что таких, например, двух цветов, как красный и
зеленый, для кино или телевидения явно недостаточно:
любые их смеси спектрально чисты, резки и для смягчения
их надо обязательно подсинить. Кривые сложения, цветовой
график образуют психофизический фундамент колоримет-
рии — науки об аддитивном смешении цветов и измерении
цвета. Из них же вытекают требования, которым должны
удовлетворять фотоприемники и экраны для того, чтобы
111
правильно воспринять цветовые воздействия и правильно их
представить зрителю.
...Наукой о цвете занимались многие замечательные
ученые, начиная с Ньютона, Гюйгенса, Мариотта. Особенно
удивляют находки и догадки М. В. Ломоносова, который,
0,1 0,5 0,4 0,5 0,6 0,7 х
Рис. 28. Цветовой график — упрощенная математическая абстракция цве-
тового мира
проведя в течение трех лет более трех тысяч опытов по
смешению красок при изготовлении мозаики и цветных
стекол, сформулировал ряд общих положений. 1 июля 1756 г.
на торжественном публичном заседании Петербургской ака-
демии наук он произнес «Слово о происхождении света,
новую теорию о цветах представляющее». Будучи последо-
вателем волновой гипотезы Гугения (так русифицированно
тогда называли Гюйгенса), утверждавшей, что свет — это
колебание особой среды — эфира, Ломоносов ввел представ-
ление о трех родах частичек эфира: крупных* средних,
мелких. В качестве итогового тезиса звучит: «Наконец,
нахожу, что от первого рода эфира происходит цвет красный,
от второго — желтый, от третьего — голубой. Прочие цвета
рождаются от смешения первых». Трехцветность, принцип
смешивания цветов, даже правильная расстановка избран-
ных опорных цветов по мере уменьшения длины волны —
112
все это справедливо и сегодня (и будет справедливо всегда).
И это говорилось тогда, когда авторитет Ньютона сделал
господствующим корпускулярное представление света и ос-
новывался на смешении семи цветов.
А развитая трехкомпонентная теория цвета еще ожидала
своего утверждения (Юнг, 1802 г.; Гельмгольц, 1852 г.).
В середине XIX века Максвелл заложил математические
основы колориметрии, в 1892 г. Кениг и Дитеричи экс-
периментально определили спектральные чурствительно-
сти рецепторов глаза — абстракция и опыт, наконец,
сомкнулись...
Заканчивая, еще раз следует подчеркнуть приближен-
ность, упрощенность нарисованного механизма зрения. Изо-
тропное трехкомпонентное цветовое пространство — это все-
таки удобная идеализация. На самом деле линейность не
выполняется — один и тот же цвет по-разному воспринима-
ется в зависимости от яркости, окраски фона, от многих
других факторов. Я-6-В-треугольник (см. рис. 28) охваты-
вает явно не все цвета, поэтому нередко слышатся голоса об
увеличении числа основных цветов (вплоть до двенадцати).
Все, о чем говорилось, характеризует усредненного на-
блюдателя. Реально женщины видят иначе, чем мужчины,
а дети — иначе, чем старики. Имеется не менее десятка
видов цветовой неполноценности — у кого-то искажены
спектры рецепторов, а у кого и колбочек-то всего два вида
или даже один.
Зрительному аппарату свойственны и другие причуды.
Оказывается, соседние участки сетчатки взаимозависимы,
поэтому и возникают такие эффекты, как кажущееся изме-
нение формы и цвета предмета в зависимости от вариаций
фона, своевольное «оконтуривание», выделение фигур, сли-
вающихся с фоном, и прочие оптические чудеса. Нередко
мозг домысливает то, чего мы вообще не видим, и этот
«синтезированный мир» становится для нас не менее досто-
верным, чем мир реальный.
Зрительный аппарат непрерывно изменяется: устойчивые
связи глаза с мозгом формируются, начиная с рождения
вплоть до отрочества, достигая к этому времени 3 миллионов
каналов. В дальнейшем доминирует механизм разрушения,
деградации, отключения нервных связей — у человека в
зрелом возрасте их число едва ли достигает одного миллиона.
При этом связь глаза с корой головного мозга меняется не
только количественно, но и качественно: ухудшается вос-
приятие яркостных градаций, снижается порог чувствитель-
ности, притупляется цветовосприятие и цветоразличение.
5 Ю. Р. Носов
ИЗ
(Эта грустная динамика предопределяет, в частности, обре-
ченность многих нововведений в школьном образовании,
ориентирующихся на то, что «в современных условиях»
ребенок формируется якобы быстрее. Реформы часто изоб-
ретают те, у кого сенсорный аппарат находится в стадии
деградации, а применяются они к тем, у кого этот аппарат
фактически еще не сложился.)
Нервные связи глаза с мозгом совсем не то, что, скажем,
электрический провод — последние научные веяния утвер-
ждают «векторный принцип передачи сигналов в нервной
системе». Чем дальше в лес, тем больше дров, не правда ли?
Или вот еще цитата, поясняющая (?) суть нервных связей:
«Концептуальная рефлекторная дуга включает в себя три
нейронные системы: афферентную систему (сенсорный ана-
лизатор), состоящую из рецепторов, градуальных нейро-
нов...» и так далее в том же духе *).
Вот с какой непростой, ускользающей субстанцией при-
ходится общаться оптоэлектронике в деле восприятия и
отображения видеоинформации. Но больше всего впечатляет
все-таки не это, а то, с какой веселой уверенностью, без тени
мистики и трепета перед секретами Природы ученые и
инженеры замахнулись на то, чтобы встать вровень с чело-
веческим зрением. Научить электронику видеть так же, как
видит глаз, научить электронику рисовать такие картины,
которые глаз не отличил бы от природных — вот так фор-
мулируется задача, не больше, не меньше. И похоже, что
мы явимся свидетелями (а некоторые и участниками) того,
как эта задача будет решена.
§ 8. Ожившая информация
Индикаторный бум. Так уж получилось, что
первым, на чем всерьез попробовала себя оптоэлектроника,
стали приборы для устройств отображения информации. И
не только попробовала, но и громогласно заявила о себе
всему электронному миру.
Эти приборы, способные преобразовывать электрические
импульсы в световые сигналы, переводить информацию с
языка электроники на язык зрительно воспринимаемых об-
разов, способные, наконец, визуализировать информацию
(здесь разными словами сказано об одном и том же), эти
приборы называются индикаторами. В широком смысле слова
*) Соколов Е. И., Измайлов Ч. А. Цветовое зрение.— M.: Изд-во МГУ,
1984.
114
индикатор — это прибор, отображающий ход процесса или
состояние объекта наблюдения в форме, удобной для вос-
приятия человеком. Здесь мы рассматриваем лишь индика-
торы, воздействующие на зрение.
Желание визуализировать информацию электрических
сигналов было всегда, но вакуумная электроника давала для
этого слишком скудные средства (мы пока забываем о ТВ).
В 50-е годы очень широко были распространены миниатюр-
ные неоновые лампочки, эдакие оранжевые светлячки тол-
щиной в карандаш. Но они могли высветить лишь один бит
информации, «да» или «нет», да еще подсветить текст или
число, заранее выгравированное на лицевой панели. В конце
50-х годов появились цифровые газоразрядные индикаторы,
так называемые ИНы (индикаторы неоновые). По принципу
свечения они повторяли неонки, но отличались от них
конструктивно. Внутри громоздкого стеклянного баллона
располагался пакетный набор из десяти проволочных цифр
от 0 до 9. По команде от управляющей схемы газовый разряд
расцвечивает контуры какой-либо одной из этих цифр,
правда, остальные проволочки пакета при этом не просто
лишние — они откровенно мешают восприятию. Кроме того,
ИНы «полыхали» своим оранжевым пламенем так осле-
пительно, что стоило в комнату через окно пробиться сол-
нечному лучу, как уже нельзя было уверенно понять, горит
индикатор или нет? А увеличишь мощность разряда — дол-
говечность индикатора станет такой мизерной, что уж и
термин-то этот (вечность, да еще и долгая) становится как-то
неудобно использовать. Эти первые примитивные цифровые
индикаторы с жестко заданной системой отображаемых сим-
волов и сегодня еще можно увидеть в очень старых кассовых
аппаратах.
Иногда еще применяли для отображения информации,
особенно графической, осциллографы с малюсеньким, с чай-
ное блюдце, экраном, стали приспосабливать для этого и
телевизионные трубки, постепенно трансформируя их в сов-
ременные дисплеи. Но эта техника только нарождалась, была
громоздка, несовершенна, а главное — очень дорога (что
сохранилось и в наши дни). Для выписывания цифр или
небольших текстов применять трубочные индикаторы — это
«стрелять из пушки по воробьям».
Но ведь уже наступило время, когда транзисторы повсе-
местно и плодотворно трудились, а с 1960 г. громогласно зая-
вили о себе интегральные схемы и развитие электроники ста-
ло раскручиваться в темпе вестерна. Существовавшие инди-
каторы повисли тяжелыми гирями на ногах стремительного
115
бегуна, майку которого украшала гордая эмблема «Микро-
электроника».
...И вдруг за какие-нибудь 3—4 года техника отобра-
жения информации изменилась до неузнаваемости, грянула
«индикаторная революция». Первый ход сделали полупро-
водники, и ход этот даже для посвященных был неожидан-
ным — в 1964 г. появились фосфидгаллиевые красные и
зеленые светодиоды, а в 1967 г.— красные знакосинтези-
рующие индикаторы на основе GaAsP-соединения. Вскоре из
«великолепной семерки» цветов радуги четыре самых любез-
ных глазу — красный, оранжевый, желтый, зеленый —
были получены. Для полноты коллекции недоставало голу-
бого, синего и фиолетового. Но так ли уж часто в жизни нам
нужны синие лампы? Голубой цвет слишком бледен для
целей индикации, а фиолетовый многие вообще воспринима-
ют как черный. Короче говоря, с этой ущербностью све-
тодиодов легко смирились, тем более что тогда многое рисо-
валось в розовом свете и, казалось, вот-вот синяя птица будет
поймана. (Заметим, что когда в 80-е годы синие светодиоды
все-таки были созданы, на них не очень-то набросились
потребители — не получив нужного ранее, техника на-
училась как-то обходиться без синей краски, а переучиваться
никому не хочется.)
Светодиоды и индикаторы (см. § 4) — миниатюрные,
яркие, экономичные, долговечные, совместимые с интеграль-
ными схемами, дешевые — ознаменовали очередной триумф
полупроводниковой электроники и начало конца застойного
периода в технике визуализации информации. Стало хоро-
шим тоном использовать светодиоды где надо и где не надо —
без них аппаратура уже не могла считаться престижной.
Транзистор дал аппаратуре интеллект, светодиод подарил ей
улыбку. И все-таки это было лишь начало...
В 1969—1970 гг. грянул еще более громкий гром среди
ясного неба — в мир индикации буквально ворвались и за
несколько лет покорили его жидкие кристаллы (ЖК). Око-
лонаучный обыватель еще и к твердым-то кристаллам (к
полупроводникам) не слишком привык, а тут вдруг такое
курьезное словосочетание. Это походило на шутку. Однако
новые вещества действительно были жидкими, а свойства их
действительно во многом копировали кристаллы. Но самое
пикантное заключалось в том, что это необычное словосоче-
тание употреблялось в связи с новым типом индикатора.
Никто еще толком не понял, что такое ЖК, в достоверность
сообщений об уникальных параметрах жидкокристалли-
ческих индикаторов (ЖКИ) многие попросту не верили, а
116
эти самые индикаторы, почти минуя лабораторную стадию,
шагнули в промышленность. И через пару лет неоперив-
шиеся птенцы начали уверенно конкурировать со светодио-
дами, вытесняя их из наиболее массовой аппаратуры. К
концу 70-х годов лидерство ЖКИ стало очевидным, со второй
половины 80-х годов они доминируют — каждые 8—9 инди-
каторов из 10, изготавливаемых в мире, приходится на долю
ЖКИ. Такой мгновенно возникший и так долго продолжа-
ющийся бум — редкость даже в микроэлектронике.
Внешне жидкокристаллический индикатор (рис. 29)
очень прост и мало чем напоминает светодиодный: две
Рис. 29. Жидкокристаллические индикаторы
стеклянные обкладки, между которыми заключен тончай-
ший слой жидкого кристалла, по периферии одной из обкла-
док — контактные площадки, к которым подходят внешние
токоподводы. И по своему проявлению ЖКИ ничуть не
похож на светодиодный индикатор — какое бы напряжение
мы ни прикладывали к токоподводам, свечение не возникает.
Вот так тйк, что ж это за индикатор? Однако зададимся
вопросом: действительно ли надо обязательно высвечивать
цифры и буквы, чтобы их воспринимать? А как же газета,
книга, надпись мелом на доске? Они ведь не светятся, а
информации несут сколько угодно. Более того, общаться с
газетой или книгой нам гораздо удобнее и приятнее, чем,
скажем, с текстом неоновой рекламы или экраном дисплея.
Вот так и ЖКИ — приложение напряжения меняет цвет
участков стеклянной обкладки, комбинируя включенные
сегменты, можно синтезировать любую букву или цифру.
117
ЖКИ позволяет электронными средствами выписывать тем-
ные буквы и цифры на светлом фоне. И не только выписы-
вать, но и сохранять и стирать, если надо. Светодиодные и
жидкокристаллические индикаторы иллюстрируют две прин-
ципиально различные концепции реализации средств отоб-
ражения: первые являются приборами с активным растром,
воздействующим на зрение генерацией света, вторые —
приборами с пассивным растром, управляемо изменяю-
щими оптические характеристики различных участков этого
растра и использующими внешнюю подсветку.
А внешняя подсветка, например солнечный свет, не
требует от пользователя затрат энергии, поэтому индикато-
ры с пассивным растром могут быть фантастически эко-
номичными (что в принципе недостижимо для индикаторов
со светогенерацией). Так и случилось с ЖКИ.
Простота и экономичность — эти основные достоинства
ЖКИ, казавшиеся на первых порах лишь плодом недобро-
совестной рекламы, привлекли к этим необыкновенным ин-
дикаторам такой интерес, которого не часто удостаивались и
звезды Голливуда. Широкая публика с удивлением узнала,
что открыты жидкие кристаллы еще в 1889 г., что имеются
тысячи органических составов, проявляющих жидкокри-
сталличность и обладающих многими очень интересными
эффектами, что еще в ЗО-е годы разработаны основы теории
этих веществ и что... никакого практического применения
они пока не находили. Составы были грязными, неста-
бильными, жидкокристаллические эффекты проявлялись не-
четко, вяло, не было веры в то, что из них выйдет что-нибудь
действительно путное. И лишь когда в 60-е годы к ним
обратились электронщики (не по счастливой ли случай-
ности?), ситуация кардинально изменилась.
Последующая история ЖК — пример того, как электро-
ника, неудержимая и ненасытная в своем развитии, нередко
перетряхнув старье, пылящееся в кладовой человеческих
знаний, вдруг являет миру жемчужины. Фактически первые
80 лет из жизни жидких кристаллов напоминают нам теперь
историю раннего средневековья: медленное течение жизни с
продолжительными застоями; бессистемное накопление слу-
чайных фактов; открытия если и совершаются, то почти не
осознаются и остаются неизвестными даже специалистам...
Электроника властно оборвала эту спячку, обрушив на жид-
кие кристаллы мощный арсенал своих возможностей — син-
тез сверхчистых материалов, тончайшую аналитику, преци-
зионность тонкопленочной технологии. Электроника дала
жидким кристаллам ясную производственную перспективу,
и это оказалось решающим — с 1969—1970 гг. ЖК начали
118
свою вторую жизнь, а если оценивать строже, то лишь теперь
началась история жидких кристаллов и окончилась их затя-
нувшаяся предыстория. Жидкие кристаллы начали широко
применяться в вычислительной технике и химии, оптоэлек-
тронике и медицине, сельском хозяйстве и приборостроении.
В биологии начали развивать своеобразные и, похоже, весь-
ма плодотворные идеи, трактующие основу живого орга-
низма — клетку — как специфический ЖК. Электроника
дала жидким кристаллам путевку в жизнь, но и сама при
этом приобрела универсальное средство для отображения
информации.
Разумеется, не все было гладко в истории становления
ЖКИ. Первые приборы были очень недолговечны — то через
тысячу, а то и через несколько сот часов какой-нибудь
сегмент отказывал. Очевидным недостатком являлся очень
малый угол обзора — стоило взглянуть на ЖКИ чуть-чуть
сбоку, и цифры сливались с фоном. Перекрашивание сегмен-
тов происходило очень медленно, иногда, особенно на холо-
де, в течение чуть ли не секунды. Кроме того, ЖКИ были
только черно-белыми, а светодиодные индикаторы блистали
разнообразием ярчайших красок. Все это несколько остудило
первоначальные восторги, но одновременно прибавило энер-
гии и упорства разработчикам ЖКИ. Синтезировались все
более чистые составы, открывались новые эффекты, разра-
батывалась оптимальная схемотехника управления, создава-
лась, наконец, мощная промышленная база по производству
ЖКИ. На все это ушли годы и годы, но ушли не зря. Срок
службы индикаторов давно уже превысил 10 лет, резко
повысилась четкость, контрастность, «читабельность» зна-
ков, обеспечивались большие углы обзора. Синтезировали
цветные жидкие кристаллы, нашли составы, обладающие
памятью: энергия им нужна лишь на переключение из одного
состояния в другое, а затем все сохраняется и при отключен-
ном питании. Поговаривают о замене стеклянных обкладок
ЖКИ гибкими пластиковыми лентами — такие индикаторы
можно натягивать на искривленные поверхности. Появятся
ткани с управляемым жидкокристаллическим рисунком —
какие это откроет возможности перед техникой отображения
информации (да, пожалуй, и перед декоративным искусст-
вом) , пока можно лишь фантазировать.
Начало 70-х годов — время расцвета полупроводнико-
вых и жидкокристаллических индикаторов, период «бури и
натиска» в технике отображения информации, это время
преподнесло нам еще один, совсем уж странный сюрприз.
Сюрприз, который всей своей сущностью как бы стремился
119
подтвердить избитое утверждение, что «новое — это хорошо
забытое старое».
Речь идет о разнообразных вакуумных индикаторах
(рис. 30), общей отличительной особенностью которых явля-
ется использование вакуумируемого стеклянного баллона.
Рис. 30. Плазменная панель (а) и флуоресцентные индикаторы (б)
Первыми среди них были плазменные панели, использу-
ющие оранжевое свечение газового разряда. Как, вправе
удивиться читатель, ведь газоразрядные индикаторы выпу-
скались уже в 50-х годы, и мы только что, несколькими
страницами раньше, раскритиковали неонки и ИНы? Под
новым именем старые знакомцы? Попробуем разобраться.
Основу плазменной панели составляет «сэндвич», со-
стоящий из двух параллельных стеклянных пластин; общая
толщина панели несколько миллиметров, в крайнем случае
3 + 4 см. И это при размере по диагонали от 30 ч- 40 см до
1,5 v 3 м. Количество высвечиваемых^чеек характеризует-
ся цифрами от нескольких тысяч и до нескольких мил-
лионов. Каждая ячейка может включаться независимо от
других, а из миллиона точек совсем несложно синтезировать
страницы цифровой и текстовой информации. По самой
своей сути плазменная панель — это универсальный индика-
тор, удобный для коллективного восприятия в таких обще-
ственных местах, как универсамы, гостиницы, выставочные
120
залы, вокзалы, аэропорты. Особенно привлекательна точеч-
ная структура растра для отображения гистограмм, кривых,
чертежей и конструкций — неслучайно плазменные панели
заняли лидирующее положение на рынке бурно развива-
ющихся графических дисплеев.
Так что же роднит плазменные панели с раскритикован-
ными газоразрядными индикаторами 50-х годов? Вакууми-
рованный стеклянный баллон? Да, но он изменился до
неузнаваемости, превратился в плоскую панель, удобную и
для изготовителя, и для потребителя. Система внутренних
электродов? Но и она стала совсем другой и по технологии
изготовления, и по функциональным возможностям. Плаз-
менные панели — плоские, с большим числом регулярно
расположенных одинаковых элементов, изготавливаемых
методами групповой обработки — в гораздо большей степе-
ни являются дегищами микроэлектроники, чем вакуумной
электроники. Вот что действительно один к одному заимство-
вано у ИНов, так это физика газоразрядного свечения.
Немного позже плазменных панелей появился и другой
представитель отряда вакуумных индикаторов — вакуумный
люминесцентный (или флуоресцентный, как чаще говорят
за рубежом) индикатор (ВЛИ). Каждому, кто имел дело с
настольными калькуляторами и мини-ЭВМ, наверняка за-
помнилось и понравилось мягкое зеленое свечение ВЛИ.
Миниатюрный цилиндрический стеклянный баллончик на-
вязчиво возвращает нас к ламповой родословной этого прибо-
ра, но внутри баллончика — микроэлектронная начинка:
плоская керамическая панелька с высвечивающимися сег-
ментами и спрятанными сзади нее управляющими микро-
схемами. Флуоресцентные индикаторы как-то очень гар-
монично соединили в себе три крупных достижения науки и
техники: физику низковольтной катодолюминесценции, пле-
ночную микроэлектронную технологию и автоматизирован-
ное сборочное оборудование вакуумной промышленности,
освободившееся от ламп, вытесненных транзисторами. Это
предопределило низкую стоимость индикаторов и, соответ-
ственно массовое распространение — незаметно приборы, о
которых не так-то уж много пишут и говорят на конфе-
ренциях, заняли второе, после ЖКИ, место. Достаточно
сказать, что именно им скорее всего предстоит основать новое
поколение приборных щитков автомобилей. А по массовости
с автомобильной электроникой мало что может сравниться.
Индикаторный бум начался 20 лет назад, и, пожалуй,
одна из наиболее примечательных его особенностей заклю-
чается в том, что он продолжается и сегодня. Продолжается
121
с неослабевающей силой. Год от года все разнообразнее, все
эффективнее, все комфортнее становятся жидкокристал-
лические, вакуумные, полупроводниковые индикаторы; не-
удержимо растут объемы производства, появляются новые
области применения. Казалось бы, эти «три кита» индика-
торной техники, так гармонично встроившиеся в интеграль-
ную микроэлектронику и дополнившие ее средствами само-
выражения, должны окончательно закрыть проблему. Но
нет. Особенность мира отображения информации состоит в
том, что это не только техника, это еще и психофизика
оператора, это и эстетические вкусы «человека просто»,
желающего не столько работать с индикатором, как с элек-
тронным прибором, сколько отдыхать с ним, получать удо-
вольствие. А вкусы, ох, как различны. Никто ведь не думает,
что в живописи, например, какой-то один стиль, одна манера
письма, одна цветовая гамма может заменить, превзойти,
перекрыть все остальные. Реалистические шедевры великих
не преградили дорогу импрессионистам, а их удивительно
очеловеченные полотна (кажется, лучшего для души не
может быть) не остановили потоки модернизма... Похоже,
что и «индикаторную живопись» никогда не удастся полно-
стью удовлетворить одной или тремя техническими реали-
зациями. Поиски продолжаются.
Очень перспективными считают электрохромные инди-
каторы. Если через тонкую пленку некоторых специальных
веществ пропустить импульс тока, то пленка меняет свой
цвет со светло-серого до густо-синего. Внешне эти индика-
торы похожи на ЖКИ, но отличаются от них тремя су-
щественными моментами: электрохромность обладает па-
мятью — перекрашенный участок месяцы и годы остается
неизменным без приложения напряжения; этим индикато-
рам неведома проблема угла обзора и они полностью твер-
дотельные. Еще более похожи на ЖКИ электролитические
и электрофоретические индикаторы: конструкция прак-
тически та же самая, но зазор между стеклянными об-
кладками заполняется не жидким кристаллом, а либо жид-
костью, содержащей красящие пигментные частицы, либо
никелевым электролитом. Приложение напряжения к тому
или иному сегменту перекрашивает данный участок повер-
хности индикатора, синтез знаков осуществляется так же,
как в ЖКИ.
Сегнетокерамические и магнитооптические индикато-
ры основаны на способности некоторых видов керамики и
ферромагнетиков изменять свою прозрачность при воздей-
ствии электрического и магнитного полей соответственно. Их
122
отличительная особенность — полная твердотельность, спо-
собность работать в жестких эксплуатационных условиях, в
частности при очень резких изменениях температуры (живя
в зоне умеренного климата и общаясь с индикаторами глав-
ным образом в комнатных условиях, мы редко задумываемся
о том, что в горячих цехах рядом с технологическими
установками бывает и 4-100, и +150 °C, а в Антарктиде,
например, —60 °C — не диковина). От каждого из пере-
численных приборов мы вправе чего-нибудь ожидать, на-
пример, лучшей цветности, экономичности, дешевизны и
т. п., но пока ни один из них не вошел в широкую промыш-
ленную практику. Главная причина этого — отсутствие
надежных материалов: то они нестабильны, то дороги, то не
совмещают всех необходимых технических характеристик.
Словом, эффектов много, а реализации их в материале нет.
Поиски приводят порой к очень неожиданным решениям,
нередко к курьезам. То патентуется парожидкостная ячейка,
в которой изменение цвета обусловлено чередованием испа-
рения и конденсации воды. А то совсем уж в детективной
манере сообщается, что глина из некоторых областей восточ-
ного побережья Англии (почему именно оттуда?!) может
управляемо изменять свои оптические свойства. Или — не
в шутку ли?— предлагают использовать в индикаторах
свечение бактерий... Пойдет ли все это в дело, стоит ли этим
заниматься? Но помните, у Ю. Левитанского: «...Вы полагает
все это будет носиться? Я полагаю, что все это следует
шить...». Как говорится, поживем — увидим, причем если
успехи будут, мы их действительно увидим. Пора, однако,
приостановить это чисто внешнее описание индикаторного
бума — ни исторический экскурс, ни состояние рынка, ни
тем более метафоры и литературные параллели не в состоя-
нии дать точный ответ на вопрос: «кто есть кто?» и как
ситуация может измениться в будущем. Только знание и
правильная оценка физико-технологических основ данного
направления дает ключ и к объяснению истории, и к коррект-
ному прогнозированию перспективы. Полупроводниковые
индикаторы мы уже проанализировали (см. § 4), теперь
настала очередь заняться двумя другими из трех китов
индикаторной техники.
Жидкие кристаллы. В электронике применяются в
основном так называемые нематические жидкие кристаллы.
Этот термин происходит от «нема» (по-греч.— нить) и связан
с тем, что молекулы ЖК веществ имеют сильно вытяну-
тую нитевидную конфигурацию, причем в состоянии рав-
новесия эти молекулы проявляют тенденцию к какой-либо
123
Преимущественной ориентации. Если ЖК начать охлаждать,
то при некоторой температуре Ткр жидкость превратится в
лед, т. е. в обычный твердый кристалл; если же ЖК нагре-
вать, то под влиянием теплового движения одинаковая ори-
ентация молекул начинает нарушаться и при некоторой
температуре их расположение в объеме оказывается
полностью хаотическим, кристаллические свойства исчезают
й вещество превращается в изотропную обычную жидкость.
Вот в этом-то интервале температур ЛГЖК = + Ткр и
заключается все дело. Очень многие вещества, буквально—
тысячи, обладают свойствами жидкого кристалла, да толь-
ко величина ДТЖЖ очень мала — градусы или десятые
доли градуса. Практически использовать их жидкокри-
сталличность не удается. А вот когда научились син-
тезировать составы, у которых ДТ^ составляет несколь-
ко десятков градусов и середина этого интервала прихо-
дится на комнатную температуру, тогда и началось приме-
нение ЖК.
Углубленные исследования жидких кристаллов позво-
лили выявить целый набор удивительных свойств. Уже
говорилось, что молекулы в объеме ЖК как-то определенно
ориентированы, однако силы взаимодействия между молеку-
лами слабы, поэтому даже очень легкие внешние воздействия
могут изменить характер ориентации, т. е. фактически из-
менить структуру вещества. А поскольку ЖК — это все-таки
Жидкости и обладают незначительной вязкостью, переори-
ентация происходит достаточно быстро. Далее, удобным
внешним воздействием, вызывающим переориентацию, мо-
жет быть электрическое поле. Дело в том, что вытянутость
молекулы Предопределяет различие многих ее свойств в
направлении вдоль большой оси этой молекулы и пер-
пендикулярно этому направлению. В частности, в таком
микроскопическом молекулярном объеме оказывается зави-
сящей от направления величина диэлектрической проница-
емости: для ее характеристики используют два параметра,
естественно, обозначаемые как еци е±. Такая диэлектричес-
кая анизотропия молекулы приводит к тому, что электри-
ческое поле оказывает на нее ориентирующее действие.
Если Де = (ец — е±) > 0 (это ЖК с положительной анизот-
ропией), то молекулы ориентируются вдоль поля. А ес-
ли Де < 0 (отрицательная анизотропия) — поперек поля.
(Справедливость этого легко понять, приняв во внимание,
что поле всегда стремится увеличить емкость системы: при-
двинуть друг к друЬу обкладки конденсатора, втянуть
между обкладками диэлектрик с большой диэлектрической
124
проницаемостью и т. п.— это читатель понимает без по-
яснений.)
Слой жидкого кристалла с различной ориентацией своих
нитевидных молекул может обладать и различными опти-
ческими характеристиками. Вот так цепочка взаимоувязан-
ных свойств ЖК замкнулась и привела нас к практически
важному выводу: в жидких кристаллах могут проявляться (и
действительно проявляются) электрооптические эффекты,
т. е. явления изменения оптических свойств при электриче-
ском воздействии.
Теперь дело за малым — подобрать подходящий эффект
и использовать его для изготовления индикатора. Истори-
чески первым таким эффектом, с которого, по сути, и
начались ЖКИ, явился эффект динамического рассеяния.
Устройство индикатора (рис. 31) очень просто: между
двумя стеклянными обкладками заключен слой толщиной не
Рис. 31. Как устроен
самый простой жидко-
кристаллический инди-
катор
более 5—10 мкм жидкого кристалла с отрицательной анизот-
ропией, на нижней обкладке — сплошной непрозрачный
контакт, на верхней — отдельные прозрачные токопрово-
дящие контакты-сегменты; по образующей пластинки скреп-
лены герметиком. Вот и все — не правда ли, тезис о простоте
ЖКИ эта конструкция вполне подтверждает?
Рассмотрим включение-выключение одного из сегментов.
Когда сегмент отключен, слой ЖК под ним пребывает в
каком-то слегка ориентированном состоянии, может быть,
даже случайном, нормально пропускает свет, вследствие чего
мы видим в этом месте нижний контакт, который образует
светлое поле (фон) индикатора.
Включаем сегмент, т. е. прикладываем к нему достаточно
большой потенциал. Для наглядности будем считать, что
125
нарастание потенциала происходит постепенно. Прежде все-
го это приведет к ориентации молекул поперек поля, причем
тем более настойчивой, чем выше приложенный потенциал.
Но возникает и еще один эффект противоположного харак-
тера, суть которого связана с протеканием тока через жид-
кость. Вообще говоря, чистые ЖК — это изоляторы с очень-
очень высоким удельным сопротивлением (р > 1016 Ом-см
при комнатной температуре). Перед заливкой между обклад-
ками в ЖК вводят дополнительные примеси, которые дис-
социируют, обогащая состав свободными ионами (при этом
удельное сопротивление снижается до р ~ 1О10 * 10пОм-см,
но остается еще очень высоким). Вследствие этого прило-
жение к сегменту управляющего потенциала вызывает поток
ионов, тем более интенсивный, чем выше потенциал. Ионы
на своем пути сталкиваются с молекулами ЖК и стараются
развернуть их вдоль поля. Таким образом, молекула однов-
ременно испытывает ориентирующее действие поля и де-
зориентирующее действие ионного тока. При малом напря-
жении превалирует первый эффект, и внешне все остается
неизменным — мы воспринимаем сегмент как светлый фон.
Но при достижении некоторого напряжения динамического
рассеяния идр действие двух противоположных тенденций
сравнивается, в жидкости возникает турбулентность, начи-
наются беспрестанные и беспорядочные колебания молекул.
Ранее упорядоченная спокойная структура ЖК разрушается,
помутневший слой перестает пропускать свет, и мы наблю-
даем потемнение сегмента. Это и есть эффект динамического
рассеяния.
Понятно, что чем меньше толщина слоя ЖК, тем меньше
величина идр и тем быстрее происходят переходы структуры
жидкости из одного состояния в другое. Реально рабочие
напряжения и плотности токов достигают значений 10*
* 30 В и 1 * 10 мкА/см2, время переключения — сотых
долей секунды. Правда, при охлаждении молекулы могут
стать уж очень неповоротливыми и время переключения
иногда возрастает до долей секунды. Индикатор становится
неработоспособным еще до того, как ЖК «заледенеет».
Приведенные значения напряжений и токов вполне
устраивают микроэлектронику, и все же хочется еще умень-
шить энергопотребление, благо природа ЖК вроде бы это
позволяет. Кроме того, описанные индикаторы имеют малые
углы обзора (на них надо смотреть почти фронтально) и
недолговечны (ионный ток вызывает эрозию электродов).
Это также стимулировало поиски новых электрооптических
явлений.
126
Из того, что найдено до сих пор, наибольшие успехи
выпали на долю твист-эффекта (с модным в 60-е годы
танцем его роднит общая отличительная черта — скру-
чивание). В ЖКИ, основанном на этом эффекте (рис. 32),
стеклянные обкладки подвергаются специальной обработке,
вследствие которой они приобретают ориентирующее дей-
ствие. Простейший способ — натирание пластины в одном
направлении: возникающие параллельные риски заставляют
молекулы ЖК вблизи пластины располагаться вдоль них
(еще раз напомним, что межмолекулярные связи в ЖК очень
слабы и молекулы охотно подчинаются любой сильной во-
ле — в данном случае рискам, процарапанным на стекле).
Пластины располагают так, что их риски взаимно пер-
пендикулярны. Тогда оказывается, что и большие оси моле-
кул ЖК у нижней и верхней пластин взаимно перпендику-
лярны, но и там, и там они параллельны поверхностям
пластин. В толще жидкости ориентация молекул постепенно
меняется от верхней граничной ориентации к нижней. Это
и означает, что структура кристалла скручена — можно
мысленно представить, что вначале обе пластины были
ориентированы одинаково, а потом одну из них повернули
на 90° и она увлекла за собой молекулы ЖК (именно так
скручивается тело танцующего твист — порасспросите-ка
ваших родителей).
Вторая особенность устройства твист-ЖКИ заключает-
ся в том, что в них используется ЖК с положительной
127
анизотропией. Если к какому-то сегменту приложено напря-
жение, то все молекулы поворачиваются на 90° и располага-
ются вдоль поля, при этом — обратите внимание!— скру-
ченность структуры исчезает: молекулы во всем объеме
ориентированы теперь одинаково.
Разумеется, скручивание-раскручивание структуры ЖК
осуществляют не ради развлечения. Оказалось, что слой
скрученного ЖК вращает плоскость поляризации проходя-
щего света на 90°. Этот эффект и используется в работе
индикатора.
Напомним, что естественный солнечный свет так же, как
и свечение различных осветительных приборов, не поляризо-
ван. Это значит, что колебания отдельных волн, составля-
ющих поток, хаотичны, т. е. равновероятны все направ-
ления, перпендикулярные световому лучу. Но если на пути
светового потока поместить поляризатор — это тонкая про-
зрачная пластинка или пленка, то через нее пройдут лишь
волны с каким-то одним направлением колебаний — теперь
уже свет поляризован. Глазу это безразлично, но боль-
шинство кристаллов, в том числе и жидкие, поляризацию
света чувствуют. Если конструкцию индикатора дополнить
одной или двумя пластинами поляризатора, соответству-
ющим образом повернутыми, то на ЖК будет воздействовать
поляризованный свет, по-разному отражающийся в зави-
симости от того, скручена или однородна структура.
Твист-эффект, в отличие от динамического рассеяния,
является чисто полевым, для его реализации нет необ-
ходимости в пропускании через жидкость электрического
тока. Это предопределяет существенный, на несколько по-
рядков выигрыш в энергопотреблении. Оказалось также, что
и напряжение возбуждения может быть снижено до единиц
вольт. И, наконец, у твист-ЖКИ значительно больше угол
обзора, лучше контрастность, «читабельность» знаков, выше
разрешающая способность. Именно твист-эффект принес
окончательную победу ЖКИ в их соревновании с другими
типами индикаторов.
А вообще в ЖКИ успешно используется не менее десятка
различных эффектов, и каждый дает какое-то новое полез-
ное качество индикатору. Вот только один пример: эффект
«гость-хозяин» (почему-то ЖК мир полюбил такие образ-
ные, олитературенные термины). В жидкость вводится не-
большая добавка красителя. В зависимости от ориентации
собственной нитевидной молекулы (хозяин) молекула кра-
сителя (гость) может быть заслонена от падающего света
либо открыта ему. В первом случае свет не чувствует
128
наличия красителя и слой ЖК прозрачен, во втором — свет
поглощается молекулами красителя, а это и означает ок-
рашенность жидкости. Поскольку подходящих красителей
очень много, цветовые возможности жидких кристаллов
практически безграничны. Знакомство с жидкими кристал-
лами неизбежно подводит к заключению, что, без сомнения,
немало интересных эффектов еще ждут своего открытия,
более того, не исключено, что будут синтезированы и составы
с принципиально новой совокупностью свойств.
Вакуумные индикаторы. Две разновидности индикато-
ров — люминесцентные и газоразрядные — объединяет на-
личие в их конструкции вакуумируемого стеклянного бал-
лона; физика же свечения у них различна.
Вакуумные люминесцентные индикаторы (ВЛИ) исполь-
зуют принцип низковольтной катодолюминесценции, т. е.
свечение люминофора при его бомбардировке медленными
электронами с энергией менее 100 эВ. Внешне все обстоит
так же, как в телевизионном кинескопе: катод испускает
электроны, они разгоняются и бомбардируют анод, на повер-
хности которого нанесена пленка люминофора. Возникает
свечение. Но в механизме протекания процесса есть сущест-
венное различие. Электроны луча кинескопа, ускоренные
напряжением в 15—20 кВ, проникают в люминофорный слой
на несколько десятков микрометров, при этом каждый быс-
трый электрон, взаимодействуя со встречными атомами,
порождает сотни и тысячи свободных электронно-дырочных
пар. Их рекомбинация и обусловливает свечение. Возбуж-
дение очень эффективно, поэтому время экспозиции может
быть ничтожно малым, а значит, возможно сверхскоростное
сканирование луча по поверхности экрана, что и составляет
основу работы кинескопа.
При низковольтной катодолюминесценции электроны
поглощаются в тончайшем приповерхностном слое люмино-
фора, при этом каждый из них образует лишь несколько
свободных электронно-дырочных пар. Чтобы накопить воз-
буждение, необходимо время. Рекомбинация пар эффек-
тивно происходит не там, где они родились (на поверхности),
а в толще люминофорной пленки, куда постепенно эти пары
диффундируют. Для этого тоже нужно время. В итоге полу-
чается, что низковольтная катодолюминесценция значитель-
но медленнее высоковольтной, необходимые время экспози-
ции и плотность тока луча при этом намного больше, так что
сканирование оказывается невозможным.
В качестве низковольтных катодолюминофоров исполь-
зуются различные широкозонные полупроводники, главным
129
образом ZnS, ZnO, CdS. Заметим, что, в отличие от полуп-
роводниковых индикаторов, люминофорные пленки имеют
не монокристаллическую, а поликристаллическую структу-
ру, характеризующуюся беспорядочным хаотическим скоп-
лением мельчайших монокристаллов, иногда с линейными
размерами в несколько микрометров.
Устройство люминесцентного индикатора традиционно
для электровакуумных приборов (рис. 33). В цилиндричес-
ком или плоском вакуумированном стеклянном баллоне
Катод
Сетка
Экран
Люминофор
.Подложка
баллон
Аноды
Рис. 33. Флуоресцентный индикатор (в разрезе) очень многое заимствует
от обычной электронной лампы
размещена керамическая плата, на которой нанесены люми-
нофорные сегменты с токоподводами к ним. Электроны
испускаются накаленным нитевидным катодом и ускоряются
положительным потенциалом, приложенным к сетке. Вклю-
чение заданного набора сегментов позволяет высветить циф-
ру, букву, их наборы, риски линейной шкалы.
ВЛИ обладают отличными эргономическими *) харак-
теристиками: высокой яркостью, приятным глазу зеленым
свечением, широким углом обзора, четкостью и контрастно-
стью. Очень удобно, что по уровням питающих токов и
напряжений они полностью совместимы с управляющими
кремниевыми МДП интегральными схемами, кристаллики
которых нередко монтируются на той же керамической
плате, например, на ее задней стороне.
Газоразрядные индикаторы (ГРИ), наиболее развитыми
среди которых являются плазменные панели, используют
люминесценцию, свечение газового разряда. Конструктив-
*) Эргономика — наука, изучающая воздействие на человека условий
среды, окружающей его в процессе производства.
130
ную основу ГРИ составляет элементарный газоразрядный
промежуток, заключенный между анодом и катодом, распо-
ложенными в вакуумированном баллоне, заполненном ине-
ртным газом. При достаточно большом напряжении между
анодом и катодом (это, как правило, 250 350 В, а мини-
мальная величина все-таки больше 100 В) толща газа ста-
новится электропроводящей вследствие ее ионизации. Име-
ющиеся в газе хотя бы в ничтожных количествах свободные
электроны и ионы разгоняются полем, при этом электроны
ионизируют нейтральные атомы, а ионы выбивают из катода
новые свободные электроны. Процесс развивается лавинооб-
разно, приостанавливается размножение ионов и электронов
лишь тогда, когда весь промежуток между анодом и катодом
оказывается ионизированным. Смесь ионов и оторвавшихся
от них электронов, состоящая сплошь из заряженных частиц
и в то же время электрически нейтральная, как целиком, так
и в каждом отдельном микрообъеме называется плазмой (это
четвертое агрегатное состояние вещества, не тождественное
ни одному из трех общеизвестных: твердому, жидкому,
газообразному).
Наряду с ионизацией (развал атома на электрон и ион)
в плазме непрерывно протекает и обратный процесс. Естест-
венно, что каждый элементарный акт образования нейтраль-
ного атома сопровождается выделением порции энергии в
виде кванта излучения. Если подобрать подходящий газ, то
и получим столь желанное свечение. Самым распространен-
ным, практически чуть ли не единственным, наполнителем
баллона ГРИ является неон — каждому из нас, несомненно,
доводилось встречаться с его ярким светло-оранжевым све-
чением. Слов нет, этот цвет хорош для броской рекламы,
призванной взбудоражить наблюдателя, но в обычных ус-
ловиях, особенно при чтении с близкого расстояния, при-
ятнее более спокойные тона. Для этого приходится идти на
ухищрения. Баллон заполняют ксеноном — он генерирует
невидимое ультрафиолетовое излучение, а стенки баллона
покрывают пленкой фотолюминофора, преобразующего это
излучение в видимое. Подбирая соответствующий состав,
можно получить и синий, и зеленый, и красный цвет. Но,
разумеется, такое двойное преобразование сопровождается
дополнительными потерями энергии, поэтому и без того
низкое значение КПД (у лучших ГРИ оно не превышает
сотых долей процента) становится еще меньше.
Управлять яркостью свечения можно, изменяя напря-
жение между анодом и катодом и плотность разрядного тока.
Однако поскольку процессы в газе развиваются по своим
131
внутренним законам, да еще и лавинообразно (режим тле-
ющего разряда), стабилизировать их интенсивность затруд-
нительно. Поэтому для ГРИ наиболее характерен режим
включено-выключено, изменять градации яркости трудно.
Если же перейти к слабому возбуждению газа, когда лавина
не возникает (тихий разряд), то управлять интенсивностью
свечения легко, только само-то свечение оказывается нич-
тожным. Как всегда, проблемы...
Простейшая плазменная панель устроена так (рис. 34).
Две параллельные стеклянные обкладки по периферии со-
единены между собой герметиком, а тонкая щель между
Рис. 34. Плоскостность и однород-
ность структуры — основа устрой-
ства плазменной панели (стеклян-
ные обкладки «разбиты», чтобы
удобно было заглянуть внутрь)
ними откачана и заполнена неоном. Размещенная внутри
этой щели центральная пластина перфорирована десятками
тысяч небольших круглых отверстий; поверхности обкладок
расписаны дорожками взаимно ортогональных столбцовых и
строчных пленочных металлических прозрачных электродов.
Пересечение пары дорожек приходится над центром ячейки
перфорации, таким образом, вся панель представляет собой
матрицу газоразрядных промежутков, включаемых по ко-
манде. Конечно, это всего лишь принцип, реальные конст-
рукции более сложны, но регулярность расположения не-
зависимых ячеек, использование пленочной технологии, де-
шевизна исходных материалов, плоскостность конструкции
неизменно остаются характерными признаками плазменной
панели.
Возбуждение ячеек может осуществляться не только
постоянным, но и переменным напряжением, к сожалению,
в обоих случаях это напряжение составляет несколько сот
вольт, так что для ГРИ приходится разрабатывать специаль-
ные высоковольтные транзисторы и интегральные схемы.
На полпути к экрану. Цифробуквенный индикатор, эле-
мент линейной шкалы, бегущая строка — это лишь начало,
132
трамплин, оттолкнувшись от которого хотелось бы покорить
рекордные высоты мира отображения информации. А это,
разумеется, экран, подобный экранам телевизора и дисплея.
В сущности говоря, размышления об экране начались сразу
же, как только родились индикаторы нового поколения. Как
всегда, «вначале было слово» — едва-едва появились пер-
вые, еще не очень-то совершенные семисегментные полу-
проводниковые и жидкокристаллические индикаторы, как
применительно к ним зазвучало гордое «дисплеи». Это был
очевидный аванс, стремление забежать в будущее, но в то
же время в этом, не заслуженном еще названии проявлялось
и понимание того, что рано или поздно новые направления
приведут к созданию дисплеев. Замелькали статьи о твердо-
тельных экранах, о безвакуумных экранах, о плоских экра-
нах — во всем этом разными словами с нажимом на что-то
самое привлекательное ощущалось желание, иногда еще
только мечта, создать принципиально новый аналог кинеско-
па — основы телевизионной и дисплейной техники. А соб-
ственно говоря, почему надо менять кинескоп, чем он плох?
Оптимист напомнит об огромном прогрессе телевизоров
за 60 лет: большой площади экрана, четком, контрастном,
ярком свечении, удивительном многоцветье и сочности кра-
сок (в особенности если кинескоп — японский). Сиди, смот-
ри и радуйся, что большинство из нас и делает ежевечерне.
А пессимист возразит, что за 60 лет кинескоп не очень-то
изменился — все та же стеклянная трубка, похожая на
уродливую грушу, только со временем она стала крупнее и,
пожалуй, на вид еще уродливее, да начинка «груши» сильно
усложнилась.
Но как бы там ни было — об альтернативе кинескопу
задумались давно, интуитивно (да и не только) почувство-
вав, что рано или поздно он станет главным тормозом в
развитии электроники.
Ежегодно в мире выпускается приблизительно 60 млн.
цветных кинескопов (это данные за 1986 г.) — так сколько
же лет понадобится, чтобы накормить телевидением неохва-
ченную пока часть населения планеты? Да и население не
дремлет — ежегодный прирост превышает 100 млн. чело-
век. Поэтому объем производства должен резко возрасти и
не просто на столько-то процентов в год, а резко, скачком,
раз в 5—10. Естественно, что стоимость этой продукции
должна уменьшиться примерно в той же пропорции — ведь
при всей важности средств отображения человечество должно
еще тратиться на еду, одежду, автомобили, жилища, эко-
логию, развлечения... Но таких «больших скачков» развитая
133
промышленность, существующая десятки лет, совершить не
может. Значит, нужно найти какие-то неэволюционные пути
преодоления телевизионного голода. А ведь кроме теле-
видения неумолимо грядет дисплеизация, представляющая
собой зримую часть того айсберга, имя которому компью-
теризация.
Так что же кроме дороговизны нам не нравится в кине-
скопе? Во-первых, громоздкость, ведь пользователю нужен
только экран, а все остальное — это ненужное, но, увы, не
бесплатное, приложение. Телевизор занимает часть ком-
наты, а что делать, если семья хочет иметь их парочку?
В машину, на природу приходится брать лишь аппараты
с крошечным экранчиком. А психофизика считает, что
для приближения к идеалу (идеал — это крупноформатное
объемное ТВ) экран должен увеличиться до 1,5 + 2 м по
диагонали. Появление в наших комнатах телегероев в нату-
ральную величину породит эффект присутствия и даст ощу-
щение объемности. Понятно, что при существующей кон-
фигурации кинескопа это попросту нереально. Надо «сплю-
щить кинескоп» сделать его плоским, но как? Кстати, это
позволило бы решить и многие другие телевизионно-дис-
плейные проблемы — создать действительно персональный
компьютер, изготовить электронную книгу, карманный те-
левизор. И еще одно. Опыт микроэлектроники показал, что
изделие лишь тогда удобно изготавливать, когда оно плоское
и его обработка ведется с одной стороны. А баллон кинескопа
при изготовлении надо все время крутить, да еще забираться
внутрь него — так низкой стоимости не достигнешь.
Уверен, попадись эта книга на глаза читателям из стар-
шего поколения электронщиков, непременно кто-то вспом-
нит, что еще в 60-е годы на одной из электронных выставок
в Японии демонстрировался плоский экран. Это была тонкая
стеклянная пластина, покрытая полупроводниковой плен-
кой, на которой высвечивались бледно-желтые картины,
слегка напоминающие телевизионные. Но приглядевшись к
экспонату внимательнее, заметили, что устройство управ-
ления этим экранчиком занимало целый шкаф. Потребляе-
мая мощность составляла несколько киловатт, экран так
разогревался, что его надо было специально охлаждать.
По современным воззрениям плоский экран должен в том
же объеме содержать и схему управления, причем интеграль-
но объединенную со светящимся растром, кроме того, должна
обеспечиваться полная электрическая совместимость с сов-
ременной микроэлектроникой. Для кинескопа обязательно
высоковольтное (10 и- 30 кВ) возбуждение: чтобы собрать
134
электроны в тончайший луч, интенсивно возбудить люмино-
фор, осуществить быструю развертку, электроны надо сильно
разогнать. А иметь в массовой, да еще компактной аппара-
туре такие напряжения — значит, сидеть на бочке с поро-
хом, ожидая взрыва или самовозгорания (что, увы, и случа-
ется). Но это не все. Аналоговые ТВ-видеосигналы так
сложны в обработке, что для них приходится создавать свою
специфическую элементную базу. А генеральное направ-
ление развития микроэлектроники связано с цифровыми
интегральными схемами, хотелось бы и ТВ переориенти-
ровать на них. И при всех условиях — необходимо снижение
потребляемой мощности, как обязательное условие эко-
номичности, долговечности, компактности.
Наконец, третий момент. Кинескоп необходимо ваку-
умировать, состоит он из большого числа деталей, различных
по исходному материалу, внешнему виду, эксплуатацион-
ным свойствам. Кинескоп — типично гибридное, а не интег-
ральное устройство, со всеми вытекающими отсюда недостат-
ками и ограничениями. Полагаю, вы никогда не роняли
телевизор на пол? И слава богу, не роняйте и впредь. Но
ведь средства отображения информации, телевизионные при-
емники и дисплеи нужны нам не только дома, но в самолете
и в шахте, в тропиках и в Антарктике, в космосе и на
океанском шельфе. Резкая смена температур, вибрация,
удары — все это не очень-то по душе электровакуумным
приборам.
Итак, экраны нового, оптоэлектронного поколения дол-
жны быть плоскими, совмещенными со схемами управления,
низковольтными и экономичными, твердыми или хотя бы
безвакуумными, надежными и долговечными, дешевыми и
пригодными для условий массового производства. При этом,
конечно, необходимо не утерять, а по возможности и приум-
ножить то, что завоевано предшественниками: высокое раз-
решение, контрастность, яркость и, конечно же, цветовос-
произведение. Вот такие приблизительно «условия конкурса
на замещение должности кинескопа» (отнюдь не вакантной)
сформулировались в начале 70-х годов.
Первую заявку на успех сделали плазменные панели. По
сути своей конструкции с самого начала они изготавливались
как модули, из которых методом бесшовной стыковки можно
набрать экран любой площади. Такие размеры как 1,5 х 2 м2
или 2 х 3 м2 для этих панелей вполне реальны и не предел.
Наборная панель может содержать сотни тысяч и миллионы
отдельных светящихся ячеек, т. е. столько же, сколько их в
маске цветного кинескопа или даже больше. Казалось бы,
135
чем не телевизор! И действительно, движущиеся картины на
таком экране можно демонстрировать вполне сносно. Но, к
сожалению, не более чем сносно. Во-первых, газовый разряд
в ячейке либо горит, либо нет, а ведь надо передавать
градации яркости свечения, полутона. Без этого в телеви-
дении делать нечего. И второе. Ведь плазменные экраны —
черно-белые (точнее, темно-оранжевые), а от цветных изоб-
ражений никто сегодня отказываться не хочет. Да и оранже-
вый цвет, так приятно возбуждающий интерьер вечернего
города мельканием реклам, этот цвет отнюдь не столь любе-
зен глазу человека, присевшего отдохнуть у телевизора. Так
что «телевизионную заявку» плазменных панелей, похоже,
следует признать неудачной. Но добротно сделанная вещь,
как правило, где-нибудь да находит себе применение. Появ-
ление плазменных панелей совпало по времени с пробуж-
дением интереса к графическим дисплеям персональных
компьютеров. Вот здесь-то плазменные панели с их ячеистой
организацией экрана оказались вне конкуренции, потому что
жидкокристаллические экраны в комнатных условиях без
яркой подсветки не очень хорошо воспринимаются и потому
многими потребителями используются не очень охотно. По-
прежнему плазменные панели господствуют в сфере крупно-
форматных информационных экранов, устанавливаемых в
аэропортах, на вокзалах, в гостиницах, на улицах.
Не все в мире согласны и с фиаско плазменных панелей
в области бытового телевидения. Пожалуй, вынесенный вы-
ше приговор нельзя считать окончательным и не подле-
жащим обжалованию. Ведь кроме тлеющего разряда, кото-
рый сегодня применяется, есть еще тихий разряд, хорошо
управляемый и способный передать необходимые телеви-
дению градации яркости. Да и на оранжевом свечении «свет
клином не сошелся». Уже говорилось, что если заполнить
панель не неоном, а ксеноном, то разряд сопровождается
интенсивным ультрафиолетовым излучением, которое с по-
мощью люминофоров можно преобразовать в видимое. При
этом можно получить любой оттенок, в частности восп-
роизвести мозаику триад красного, зеленого, синего цве-
тов — основу телевидения. В 1986 г. появилось рекламное
сообщение о разработке газоразрядного цветного «настенного
телевизора» толщиной менее сантиметра. При ближайшем
ознакомлении оказалось, что это пока лишь небольшой
фрагмент экрана, но ведь сообщила о нем японская (!)
фирма. Так что есть все основания ждать...
И все-таки как бы ни совершенствовались плазменные
панели, кое-какие неприятности останутся при них навсегда:
136
это — высоковольтное возбуждение (сотни вольт), значи-
тельная потребляемая мощность, большие размеры элемен-
тарной ячейки. Поэтому в портативную батарейную аппара-
туру путь им заказан, зато открыта сфера крупноформатных
экранов, а она ведь тоже необъятна. Так что к данному
случаю вполне подходит традиционное напутствие «большо-
му кораблю — большое плавание».
Несомненным премьером среди плоских экранов стали
жидкие кристаллы. С самого начала появления ЖКИ обра-
щалось внимание на их ничтожное энергопотребление, низ-
ковольтность возбуждения, простоту создания растров малой
и большой площади. Все эти их качества как бы под-
талкивали разработчиков к созданию жидкокристаллических
экранов (ЖКЭ), в особенности для портативной аппаратуры,
где фактически альтернатива им и не просматривалась. Уже
во второй половине 70-х годов разнообразные ЖКЭ поя-
вились в продаже, а в 1982 г. мир возбудило сенсационное
сообщение: «телевизор на запястье». Это специалисты япон-
ской фирмы «Сейко» научились демонстрировать телеви-
зионные действия на экране электронных наручных часов.
Правда, сам телевизионный приемник помещался в кармане
пиджака и незаметно соединялся проводами с часами. Число
строк экрана не соответствовало телевизионным стандартам,
кадры сменялись замедленно, так что быстрые движения
смазывались. И самая главная неприятность заключалась в
том, что экраны эти были нецветными. Тем не менее начали
выпускаться более совершенные аппараты с размером экрана
6 см, а затем и 7,5 см по диагонали — началась эра карман-
ного телевидения.
И все-таки первые ЖК телевизоры больше смахивали на
игрушки, престижные, дорогостоящие, праздничные суве-
ниры. Их появление лишь доказало «теорему существо-
вания», необходимо было еще очень много поработать, чтобы
облечь это существование в реальную плоть и вдохнуть в
него подлинную жизнь. Первое, в общем-то очевидное,
усовершенствование заключалось в том, что на задней плас-
тине экрана смонтировали специально изготовленную тон-
кую плоскую люминесцентную лампу, излучающую чистый
белый свет. При этом ЖК ячейки используются просто как
управляемые светоклапанные элементы: включено — белый
свет лампы проходит к наблюдателю, выключено — не про-
ходит. Теперь экран не зависел от капризов и случайностей
внешнего освещения, кроме того, он стал надежно работать
в комнатных условиях, где обычно жидкие кристаллы смот-
рятся неважно. Экран стал действительно черно-белым, а
137
отсюда оставался всего лишь шаг до цветного растра. На
наружную поверхность экрана научились наносить тонкую
полимерную пленку, представляющую собой трехцветный
масочный светофильтр, т. е. мозаику микроскопических
красных, зеленых, синих пятнышек, сгруппированных в
тройки (R-, G-, В-триады). Размеры этих пятнышек раз в 5
меньше, чем в триаде цветного кинескопа,— этим обес-
печивается высокое разрешение. Широкая свобода в выборе
материалов светофильтров позволяет получить любую насы-
щенность, чистоту, сочность красок. Чтобы сделать экран
еще тоньше, еще миниатюрнее, лампу подсветки стали
помещать с одного из торцов панели, так чтобы свет про-
низывал слой жидкого кристалла сбоку (обратим внимание
на то, что и в самой современной электронике находится
место «старым» изделиям: такова здесь люминесцентная
лампа, габариты и энергопотребление которой определя-
ющим образом влияют на качество ЖКЭ). Итак, первая
проблема успешно решена: создан растр, содержащий огром-
ное количество ячеек, объединенных в прямоугольную мат-
рицу, причем каждая из ячеек светится одним из трех
основных цветов и яркостью этого свечения можно управ-
лять. Но это еще не экран.
Вот здесь-то мы подошли ко второй проблеме — как
управлять свечением, если ячеек в экране по крайней ме-
ре несколько сот тысяч? В кинескопе это проделывает юр-
кий электронный луч, который за 1/25 секунды обегает
все точки экрана, заставляя каждую светиться по-своему.
В плазменной панели применяют так называемое муль-
типлексирование: на каждую ячейку подают импульс на-
много мощнее того, который нужен для ее возбуждения, но
зато и намного короче. Благодаря этому один генератор
может «обслуживать» не одну ячейку, а много, например,
все ячейки одной строки. Если по-прежнему на весь кадр
отведено 1/25 секунды, то возбуждающий генератор часть
этого времени занимается с одной ячейкой, часть — с дру-
гой и т. д. Глаз, как мы отмечали, быстрых изменений
яркости не ощущает, сглаживая, усредняя мерцание. А
количество генераторов в управляющем устройстве резко
сокращается.
Но что возможно в плазменной панели, где газовый
разряд и вспыхивает и гаснет за микросекунды, не годится
для жидких кристаллов. Как помните, их молекулы нето-
ропливы, малоподвижны, и чтобы поменять ориентацию, им
подчас требуются сотые доли секунды. Хочешь — не хочешь,
а на каждую ячейку должен работать свой возбуждающий
138
генератор. Конечно, при современном уровне развития ми-
кроэлектроники сделать микросхему, содержащую несколько
сотен тысяч простеньких генераторов, возможно; если и не
на одном кристалле, то хотя бы на десятке. Но вот как
соединить растр со схемой управления — ведь не спаяешь
же полмиллиона хвостиков друг с другом. Стало ясно —
только технологическая интеграция растра со схемой воз-
буждения может решить проблему.
Это утверждение звучит пустым призывом, упомянутое
«ясно» — ясно и без глубокого изучения проблемы, но ясно
также, что путей для такой технологической интеграции
попросту нет, и вот почему. Транзисторы изготавливают из
монокристаллического кремния, а его самые крупные на
сегодня слитки имеют диаметр 150 мм. Если из такого слитка
вырезать пластину, а из нее вписанный квадрат, то сторона
его будет около 100 мм. Вот тот максимум размера под-
ложки, внутри которой можно изготовить необходимые мил-
лионы транзисторов, на поверхность нанести слой жидкого
кристалла, загерметизировать и получить столь желанный
интегрированный со схемой управления ЖКЭ. Размер, как
видим, явно недостаточный, но важнее, пожалуй, другое:
такая подложечка будет на вес золота (напомним, что при
изготовлении СБИС тот же миллион транзисторов размеща-
ют на площади кристалла около 1 см5, а чем больше пла-
стина, тем вероятнее наткнуться на дефект и загубить всю
схему). Образцы миниатюрных ЖКЭ на кремниевых под-
ложках все-таки изготовили, но это была всего лишь демон-
страция правильности самого принципа интеграции.
К счастью, неожиданно подвернулась совсем другая воз-
можность реализации той же идеи — помогли смежники.
Проблема получения кремниевых поверхностей большой
площади является центральной в деле создания фото-
электрических солнечных батарей. Выкладывать 100-, 150-
Миллиметровыми пластинами «энергетические крылышки»
космического корабля, общая площадь которых исчисляется
десятками квадратных метров,— занятие кропотливое, не
очень надежное и очень дорогое.
Чего только ни перепробовали создатели солнечных ба-
тарей, и с начала 80-х годов в технику уверенно вошло новое
понятие аморфный кремний (обозначают его a-Si). У каж-
дого из нас со словом «аморфный» связано какое-то свое
представление, но все обычно сходятся на том, что это что-то
бесформенное, рыхлое, случайное. Так нас учили в школе,
так оно, в сущности, и есть. Но одна из примечательных
особенностей нашего времени — подвергать устоявшиеся
139
истины сомнению, проверять их возможностями прецизион-
ной технологии»
В монокристалле каждый атом кремния четырьмя своими
валентными электронами обменивается со своими четырьмя
соседями, каждый из которых также отдает ему один из своих
валентных электронов» Так образуется кристаллическая ре-
шетка, геометрически строго определенная, с полностью
заполненными валентными связями каждого атома кремния,
с однозначно заданными свойствами, воспроизводимая и
стабильная. А в аморфной пленке некоторые связи оборваны
и, значит, не заполнены, атомы не образуют решетку,
попросту располагаясь друг на друге, как песчинки в песке.
Поскольку они не держатся крепко друг за друга, плен-
ка оказывается рыхлой, непрочной, плохо проводящей
электрический ток. При очень сильной степени аморфи-
зации — каждый атом сам по себе — электропроводности
вообще нет. Но, пожалуй, самое главное другое — структура
и свойства этих пленок нестабильны во времени: разорван-
ные связи стремятся как-то заполниться, и это происходит
случайно, хаотично, непредсказуемо. С любыми свойствами
материала техника как-то может примириться, но только не
с их нестабильностью и невоспроизводимостью.
В 1976 г. полупроводниковый мир облетело сенсационное
известие: если осаждение аморфной пленки кремния вести в
присутствии водорода, то включение протонов в состав плен-
ки приводит к «залечиванию», заполнению оборванных свя-
зей — пленки становятся стабильными. Такой гидрогени-
зированный a-Si (по сути, когда говорят об a-Si, то имеют в
виду именно гидрогенизированный материал) оказался очень
симпатичным материалом. Как и обычный кремний — он
полупроводник, но, меняя режимы осаждения, можно изме-
нять ширину его запрещенной зоны. Можно легировать его
примесями, получая проводимость м- и p-типов, можно
изготавливать диоды и МДП-транзисторы. Правда, под-
вижность электронов и дырок в a-Si намного меньше, чем в
монокристаллическом и даже поликристаллическом крем-
нии, поэтому транзисторы имеют невысокое быстродействие,
но зато... Здесь мы подошли к основному, из-за чего и
разгорелись страсти вокруг a-Si. Осаждается пленка аморф-
ного кремния в вакуумированной камере путем разложения
газообразного моносилана (SiH4) в плазме высокочастотного
разряда (и, разумеется, в присутствии водорода). Осаждают-
ся пленки толщиной около 1 мкм на стеклянные подложки,
причем размеры их могут быть какими угодно. Осаждение
идет равномерно на всей площади, процесс поддается полной
140
автоматизации, получающиеся кремниевые структуры очень
дешевы. Пример: один из западных заводиков с персоналом
в 16 человек (из них директор, секретарша, машинист-
ка — перебор управленцев встречается не только у нас) в
течение года изготавливает 1,5 гектара (!) a-Si-пленок на
стеклянных подложках. Обратили внимание, какую несвой-
ственную для микроэлектроники единицу — гектар — мы
здесь использовали?
Вот теперь можно, да и пора перейти к изготовлению
жидкокристаллического экрана (рис. 35). На исходную
4 4 4 4 14 4~Ч- Поляризатор
Разрез
Стеклянная
—обкладка
^.Прозрачный,
^контакт
ч Р-,6-,В-срильтры
^Ораентант
транзисторы
*******
Рис. 35. Цветной
жидкокристалличе-
ский экран — все
составные части
удается «сынтегри-
ровать» в едином
кремния и в ней изготавливают те самые сотни тысяч
транзисторов, которые необходимы для коммутации ячеек
экрана. Электрод истока каждого из этих МДП-транзисторов
выполняется в виде квадратика размером около 150 х
х 150 мкм2 (огромный по микроэлектронным меркам) —
это нижняя обкладка элементарной ЖК ячейки. Тран-
зисторы эти «медленные», но вполне успевающие выпол-
нять свою переключательную деятельность при смене 25 кад-
ров в секунду. Но для управления переключателями, для
141
рассылки им команд, заложенных в видеосигнале, нужны
высокоскоростные регистры сдвига (они шаг за шагом пере-
мещают информацию вдоль строки или вдоль столбца), а для
этого, естественно, нужны быстродействующие транзисторы.
Что же делать? Уже не удивительно, что и эта задача
решается, причем тоже красиво. Периферийную часть a-Si-
пленки подвергают локальному лазерному отжигу, в ре-
зультате которого аморфный кремний кристаллизуется и
образуется тонкая поликристаллическая пленка. Подвиж-
ность электронов и дырок в поликремнии значительно выше,
чем в a-Si, во столько же раз более быстродействующими
оказываются изготовленные здесь транзисторы.
Итак, подложка со схемой управления и коммутации —
ее называют активной подложкой или активной матри-
цей — изготовлена. Дальнейшая последовательность сло-
ев — ориентант, жидкий кристалл, еще ориентант, верхняя
стеклянная обкладка со сплошным прозрачным контактом,
масочный светофильтр, поляроидные пленки с верхней и
нижней сторон экрана — очевидна, обо всем этом рассказы-
валось ранее. Единственное пояснение: ориентант — это
специальная пленка, обладающая ориентирующим воздей-
ствием на ЖК молекулы; описанная ранее натирка пластин
используется лишь при пояснении принципа действия ЖКИ
да в наиболее простеньких приборах.
Глядя на рис. 35, думается: как здесь много слоев, какое
сложное сооружение ЖКЭ! Но ведь, кроме двух стеклянных
обкладок да еще пленок поляризаторов, все остальное — это
микронные или субмикронные пленки, так что общая тол-
щина ЖКЭ определяется лишь обкладками. Типичное ее
значение — менее 1 см для экранов с диагональю до 30 см,
рекордные толщины приближаются к 1—2 мм. Вот так це-
почка поисков и находок счастливо замкнулась в прекрасное
ожерелье — появился плоский, интегрированный с устрой-
ством управления, цветной жидкокристаллический теле-
визионный экран. Карманные ЖК телевизоры с диаго-
налью экрана 100—150 мм, персональные микрокомпью-
теры уверенно шагнули в большой мир (приятно упомя-
нуть здесь отечественную модель «Электроника МК90» с
ее ЖК экраном на 120-64 ячеек, бодро выписывающим
тексты, графики, арксинусы в такт «Подмосковным вече-
рам»). И шаг этот необратим, все увереннее развертываются
работы по созданию крупноформатных жидкокристалличес-
ких экранов.
А что же проводники, эти пионеры нового поколения
устройств отображения, неужели они остались в стороне от
142
проблемы плоского экрана? В разное время предпринимались
попытки создания наборных экранов. То объединяли вместе
десятки тысяч «дуэтов» из красного и зеленого светодиодов
(третьего участника классической триады — синего све-
тодиода — фактически нет), то набирали матрицу из эле-
ментов, содержащих несколько десятков светящихся то-
чек,— это вроде бы попроще. Но получить что-то большее,
чем бегущая строка, не удалось. В 1972, 1973 гг. делались
прогнозы, что со временем появится какой-то полупро-
водник, который в одиночку сумеет перекрыть все цвета
свечения от красного до синего (так, например, намекали на
карбид кремния), при этом будет прост в обработке, дешев.
Прогноз не подтвердился. Фактически в научных кругах
сформировалось вполне определенное представление о бес-
перспективности создания плоского экрана на основе све-
тодиодной технологии. Монокристаллы, что бы там ни было,
сложны в обработке, дороги, а главное — это принципиаль-
но — из них получают лишь пластины малой площади.
Но полупроводники не собираются сдаваться, это слово,
пожалуй, вообще нельзя ставить рядом с «основателями»
современной микроэлектроники. Кроме монокристалличес-
кой, есть ведь еще и пленочная технология — уж ей-то
большие площади никак не заказаны.
Более полувека назад (см. с. 51) было открыто, что
некоторые смеси, состоящие из органического связующего
(биндера) и полупроводникового порошка, могут светиться
при пропускании через них переменного тока. Свечение это
очень тусклое, и тем не менее эффект нашел практическое
применение. Толстую пленку смеси легко нанести (намазать,
набрызгать) на диэлектрическую подложку любой площа-
ди — так изготавливаются экраны размерами в десятки
квадратных метров, пригодные для применения где-нибудь
в центре управления космическим полетом или в полутемном
бункере штаба крупного воинского соединения.
Попробовали те же полупроводники без биндера на-
носить на стеклянную подложку в виде тонкой пленки (это
делается путем испарения исходного вещества в вакуумной
установке), и яркость свечения возросла в десятки раз.
Исследования показали, что получающиеся при этом пленки
представляют собой мелкодисперсные поликрйсталлические
структуры, а при пропускании тока через них в каждом
мельчайшем зернышке происходит инжекция и рекомбина-
ция электронов почти так же, как это осуществляется вблизи
р—n-перехода светодиода. Значит, простейшим способом,
напыляя тонкую пленку, можно сразу получить мириады
143
светодиодиков, образующих экран любой площади,— это ли
не победа?
Но проходили годы и десятилетия, а настоящих прав
гражданства ни толсто- ни тонкопленочные экраны не полу-
чали. Дешевые, разноцветные, с большой светящейся пло-
щадью, яркие (в случае тонкопленочных) — все бы хорошо,
да только работали они не очень долго: толстопленочные —
тысячи часов, тонкопленочные — сотни, а то и десятки
часов. Это «только» и решило вопрос — с развитием све-
тодиодов пленочные индикаторы совсем «потускнели». На-
правление стали считать бесперспективным, широкая обще-
ственность о нем забыла... Но лет десять назад все изме-
нилось — придумали такой способ обработки, который сразу
же решил проблему стабильности. Догадались пленку полуп-
роводника заключить между двумя диэлектрическими плен-
ками, а уже на эти обкладки наносить металлические плен-
ки. Постоянный ток, как прежде, через такую структуру не
пропустишь, но ведь можно воспользоваться переменным.
Схема управления несколько усложнилась, но свечение
не пропало. А диэлектрический «плащ» надежно защитил
пленку от разрушения. Как только полупроводник перестал
соприкасаться с металлическими электродами, прекрати-
лись коррозия, электромиграция примесей, другие вред-
ные эффекты.
Итак, светогенерационный растр современного тонкопле-
ночного полупроводникового экрана — это МДПДМ-струк-
тура: на стеклянную подложку напыляют сплошную пленку
металла, затем тончайшую пленку высококачественного бес-
пористого диэлектрика (например, SiO2, А12О3, TiO3, Y2O3 —
возможности для фантазии здесь безграничны), затем —
«сверкающее сердце» растра — полупроводниковую пленку
(обычно ZnS), затем — снова пленку диэлектрика и, на-
конец,— сегменты прозрачной металлической пленки. Все
это пятиэтажное образование по толщине не превышает
1—2 мкм и может создаваться в едином технологическом
процессе. Разумеется, используя опыт ЖКЭ, полупровод-
никовые экраны изготавливают на активной подложке — на
стекле перед напылением растра уже создана пленочная
транзисторная схема управления (естественно, что при этом
сплошной металлический контакт оказывается наверху
структуры).
Уверенно получено желтое свечение, для этого в ZnS
добавляют марганец. Но используя в качестве присадок
самарий, тербий, тулий, можно получить все цвета классиче-
ской триады: красный, зеленый, синий. Правда, пока еще
144
некоторые цвета не очень-то ярки (плох, например, крас-
ный), пока еще в растре встречаются дефекты, однако в
целом подпольный период развития пленочных полупро-
водниковых экранов можно считать закончившимся: сегодня
по темпам развития они обходят даже ЖКЭ. А преимущества
по сравнению с ЖКЭ у пленочных экранов есть, и немалые:
они не требуют подсветки, у них шире диапазон рабочих
температур. Словом, опять конкуренция.
В решении проблемы плоского экрана полупровод-
ники могут удивить нас с еще одной, несколько неожи-
данной стороны. Если удастся изготовить полупровод-
никовые лазеры красного (он уже есть), зеленого (поч-
ти есть) и синего цветов свечения, то на их основе
можно будет сконструировать проекционный телевизион-
ный приемник.
Цветной проекционный ТВ-приемник имеет три спе-
циальных кинескопа — красный, зеленый, синий — с не-
большими экранами и очень высокой яркостью свечения. С
помощью оптической системы генерируемые ими изобра-
жения увеличиваются, проецируются на внешний экран и
там совмещаются. То же самое с помощью лазеров может
быть сделано иначе — лазерный луч, направленный на
экран, будет выписывать на нем ТВ-кадр так же, как это
проделывает электронный луч в кинескопе. Не надо только
люминофора, не надо и вакуума — световой луч беспрепят-
ственно распространяется в воздухе. Для цветного изобра-
жения надо совместить картинки от трех лазеров.
Проекционные телевизоры есть и сейчас, но это громозд-
кие, сложные и очень дорогостоящие «игрушки», исполь-
зуемые в специальных телезалах для избранных. А телеви-
зор на полупроводниковых лазерах мог бы уместиться в
портативной кинокамере, экран же для него — скажем,
свободная часть стены — всегда найдется. Вот таким могло
бы стать решение проблемы плоского настенного телевизора,
задержка за «небольшим» — нужны яркие, компактные,
долговечные, дешевые красные, зеленые, синие лазеры, да
еще и такие же устройства лазерной развертки. А развер-
нуть лазерный луч ох как не просто — он ведь электриче-
ски нейтрален, не то, что поток электронов, который пос-
лушно и быстро отзывается на действие электрических и
магнитных полей.
Так что проекционное лазерное телевидение пока дер-
жится в уме, в трезвых инженерных расчетах выступают
жидкокристаллические, полупроводниковые пленочные да
плазменные экраны — именно они, вооруженные своими
6 Ю. Р. Носов 145
,^2
Рис. 36. Кине-
скоп тоже может
быть плоским
удивительными достоинствами, смело вступили в телеви-
зионно-дисплейный мир.
Однако пока конкурентной борьбы с кинескопами не
получается — уж очень сильны позиции электронно-луче-
вых трубок. Хотя, пожалуй, конкуренция все-таки проявля-
ется и, в частности, вот в такой своеобразной форме. Десятки
лет грушеобразная форма кинескопа практически не изме-
нялась. Но, оказывается, могут быть и другие конструкции
(рис. 36): электронная пушка (7) и гор-
ловина трубки располагаются параллельно
люминофорному экрану (2) и вводится
специальное электростатическое отклоняю-
щее устройство (3), изгибающее траекто-
рию электронного луча (4) на 90°. При
общей толщине 3 н- 7 см удается получить
экраны с диагональю 10 -г 30 см. Это уже
неплохо; удастся ли теми же средствами
перейти к большому формату,— покажет
будущее. Но очевидно одно — кинескопы
будут защищать свои позиции и идя на-
встречу плоскоэкранной моде...
Новые экранные герои, ЖКЭ и другие,
в основном проявляют себя в новых, ранее
не занятых, сферах отображения инфор-
мации. Жидкие кристаллы уже открыли
нам карманное телевидение (правда, пока
преимущественно в Японии), плазменные
панели обогащают мир машинной графики
и осваивают рынок крупноформатных информационных таб-
ло. А впереди ждут своего часа дисплеизация миниатюрных
персональных компьютеров, системы отображения самолета
и автомобиля. Очень привлекает идея «настенного телеви-
дения» — и здесь надежда на новинки оптоэлектроники. А
безбумажное книгопечатание? Если вспомнить, что в раз-
витых странах на душу населения ежегодно производится по
2—3 центнера бумаги *) (тогда как мяса всего лишь килог-
рамм 70), то станет ясно, о решении какой важнейшей
экологической проблемы идет речь. Ну и, разумеется, тра-
диционное бытовое телевидение — если не в этом веке, то
в начале будущего кинескопам все-таки придется поте-
сниться. В общем, дел для плоских экранов хватает, горизон-
ты их применения неоглядны — слово за ними.
*) Разумеется, лишь часть этого количества, но значительную, состав-
ляет «интеллектуальная бумага».
146
§ 9. Электронное зрение
В предыдущем параграфе мы «разобрались» с
приемным, отображающим концом видеоинформационной
системы, основу которого составляет кинескоп. Но ведь и
электронно-лучевой глаз на входном, передающем начале
этой системы, базирующийся на видиконе, обладает всеми
теми же несовершенствами: наличие вакуумированного
объема, высоковольтное питание, несовместимость с тран-
зисторами, не во всем удовлетворительные эксплуатацион-
ные качества, дороговизна. И если уж оптоэлектроника
замахивается на действительную революцию в области ви-
деоинформационных систем, то и входное устройство она
обязана сделать микроэлектронным, т. е. миниатюрным,
плоским, твердотельным.
Похоже, что это наконец-то состоялось и очередное
потрясение вслед за транзистором, микропроцессором, лазе-
ром нам готовит прибор с зарядовой связью (ПЗС). Это дитя
полупроводниковой электроники, мало чем по внешнему
виду отличающееся от обычных интегральных схем и назван-
ное чисто техническим и достаточно прозаическим именем,
обладает удивительными свойствами. ПЗС способны почув-
ствовать, воспринять световую картину и преобразовать ее
в электрический сигнал специального вида, пригодный для
возбуждения телевизионного экрана. И все это проделывает
кремниевый кристаллик размером в половину почтовой мар-
ки. С появлением ПЗС в литературе замелькали такие
выражения, как «электронный глаз», «электронное зрение»,
причем с течением времени они все больше утрачивают свой
метафорический оттенок.
Но чтобы ни говорилось о ПЗС, несомненно одно: он —из
семейства фотоприемников, поэтому вернемся ненадолго к
§ 3 — именно там предыстория ПЗС: «Когда в середине
60-х годов интегральная кремниевая микроэлектроника на-
чала мощнейший разбег, стало ощущаться, что и фотоэлек-
троника изготовилась к прыжку...». Результат этого прыжка
теперь хорошо известен — планка была покорена на отмет-
ке, рядом с которой значится ПЗС.
Рождение. Прибор с зарядовой связью изобретен в
1969 г. и представлен на суд общественности в 1970 г.
Теперь, когда все позади, его устройство представляется
простым, естественным, логичным — в сущности, так оно и
есть. Судите сами.
Кремниевый кристалл покрыт тонкой изолирующей
пленкой диоксида кремния, на его поверхности часто-часто
147
нанесены параллельные друг другу узкие алюминиевые по-
лоски, подобно штакетнику в дачном заборе. Только попе-
речное соединение этих «штакетин» чуть посложнее, чем в
заборе. Вот фактически и все (рис. 37, а).
Рис. 37- Прибор с зарядовой связью: внешний вид и устройство (а),
трехтактный «танец» зарядовых пакетов (6), электронная микрожизнь (в)
При засветке кристалла в нем в приповерхностной об-
ласти возбуждаются свободные электроны. К каждому треть-
ему электроду приложено внешнее напряжение и возбуж-
денные электроны стягиваются под этими электродами, об-
разуя зарядовые пакеты. После окончания экспозиции к
электродам, соседним с занятыми, начинают прикладывать
чередующиеся управляющие напряжения, и зарядовые паке-
ты, перемещаясь внутри кристалла вдоль «частокола», пос-
ледовательно поступают на выход устройства (в патенте на
ПЗС так и сказано: «передача локализованного заряда с
помощью манипуляции электрическими потенциалами»).
Так световое изображение преобразуется в видеосигнал.
Специфика работы ПЗС и его функциональные возмож-
ности вызвали к жизни целый ряд названий этого устройства,
которые иногда используют как синонимы. Некоторые пола-
гают, что название «прибор с переносом заряда» наиболее
полно отвечает физической сущности прибора. Нередко
употребляют термины «формирователи сигналов изобра-
жений» , «формирователи видеосигналов», «фоточувстви-
тельные мишени (матрицы, добавляя к ним непременное —
твердотельные)»,— но в этих терминах проявляется не суть,
а лишь функция устройства. Поэтому предпочтителен все же
«прибор с зарядовой связью», тем более что и за рубе-
148
жом неизменно общепринятым остается CCD (charge-coupled
device).
После того как изобретение состоялось, историки, как это
всегда бывает, занялись поисками предшественников. Раско-
пали, что еще в начале 30-х годов один из основоположников
телевидения В. К. Зворыкин (американский инженер-иссле-
дователь, выходец из России) предложил устройство, состоя-
щее из цепочки конденсаторов, соединенных между собой
идеальными однонаправленными ключами. Последовательно
замыкая ключи и меняя напряжение на конденсаторах,
можно было перемещать заряд вдоль цепочки. Реального
применения устройство не получило.
Совсем незадолго до изобретения ПЗС что-то подоб-
ное было предложено и осуществлено на основе крем-
ниевого кристалла; роль цепочки конденсаторов выпол-
няла цепочка р—n-переходов, а ключами между ними
являлись МДП-транзисторы. Эти микросхемы, получив-
шие название пожарных цепочек, почти в точности
предвосхитили алгоритм работы ПЗС, за исключением того,
что стереотип мышления не позволил их изобретателям
слить воедино элементы хранения и передачи зарядовых
пакетов. А этот момент принципиален, без него пожарные
цепочки явились лишь полупроводниковой реализацией ста-
рой идеи.
Прибор с зарядовой связью — это тоже последователь-
ность близко расположенных друг к другу конденсаторов.
Каждый конденсатор образован алюминиевым электродом
(верхняя обкладка), участком диэлектрической пленки (ди-
оксид кремния), лежащей под электродом частью полупро-
водникового кристалла (нижняя обкладка). Как видим, ниж-
няя обкладка у всех конденсаторов общая. Каждый конден-
сатор способен накапливать заряд — в этом-то и суть
конденсатора, а общность подложки предопределяет воз-
можность перетекания заряда из одного конденсатора в
другой. Существенно, что при перетекании зарядовый пакет
все время остается внутри кристалла, причем сам кристалл
однороден и не содержит каких-то различных областей, как,
например, транзистор. Принцип свободного и управляемого
блуждания зарядового пакета вдоль поверхности полупро-
водникового кристалла явился отличительной особенностью
ПЗС. В этом приборе счастливо соединились фоточувстви-
тельный растр, представляющий собой набор одинаковых
дискретных ячеек, и механизм встроенного электронного
самосканирования, осуществляющий вывод информации по-
следовательно со всех ячеек растра. А это как раз то, что
149
составляет суть видикона, что нужно для преобразования
изображения в видеосигнал. Во всяком случае — это основа
такого преобразования, остальное — дело техники, а зна-
чит — лишь времени и затрат.
...В той первой демонстрации 1970 г. были показаны
линейный ПЗС с 96 элементами в одной строке и мат-
ричный — с числом элементов 8 х 8. По современным мер-
кам это еще не ПЗС, это скорее дитя ПЗС, а, может быть,
и эмбрион. Но эмбрион оказался жизненно активным, он так
напористо рвался в большую жизнь оптоэлектроники, что
заговорили о нем очень скоро.
Вечное движение. Итак, основной структурный фраг-
мент ПЗС — это строка: регулярная последовательность
металлических электродов на оксидированной поверхности
кремния (рис. 37, а). Как правило, ширина электродов близ-
ка к 5 мкм, зазоры между ними около 1 т 2 мкм, толщина
пленки диоксида кремния не более 0,1 мкм.
В исходном состоянии ко всем вторым электродам из
каждой тройки приложено относительно большое напря-
жение хранения (Uxp = 5 + 10 В), а электроды 1 и 3 зазем-
лены (рис. 37, б). Засветка ПЗС вызывает образование сво-
бодных электронов: чем больше интенсивность светового
потока и время его воздействия (их произведение — это
экспозиция), тем больше электронов возникает. Поскольку
пленка диоксида очень тонка, электрическое поле проникает
сквозь нее — в полупроводнике, под электродом 2 образу-
ется потенциальная яма. Поэтому возбужденные светом
электроны, беспорядочно блуждая в окрестностях от места
рождения, в конце концов оказываются под электродом 2
(рис. 37, в). Они скапливаются у границы раздела крем-
ний—диоксид; расчеты показывают, что толщина их слоя не
превышает 10 нм, т. е. около 20 атомных слоев кремния. Эти
«локализованные поверхностные зарядовые пакеты» (выра-
жение из патента на ПЗС) образуются под каждым вторым
электродом, причем, напомним, заряд тем больше, чем выше
освещенность данной области. Вот так световая картина
преобразовалась в подобную ей картину распределения за-
рядов вблизи поверхности кремния.
Электрон, попав в потенциальную яму, частично ком-
пенсирует действующее в ней поле и тем самым уменьшает
глубину ямы. Поэтому в каждой яме может быть накоплен
заряд не больше некоторого максимального QMaKC, величина
которого определяется формулой плоского конденсатора:
С2макс ’ Суд ’ f/Xp,
150
где 5Э — площадь электрода 2, Суд — удельная емкость
структуры металл — диоксид — кремний (она тем больше,
чем тоньше пленка диоксида кремния).
Электроны в потенциальной яме — не деньги на сбер-
книжке, что-то все время покушается на их целостность и
сохранность. Пусть слабенько, но непрерывно идет тепловая
генерация дырок, а встреча электрона с дыркой оканчивается
рекомбинационной драмой — электрон из свободного ста-
новится связанным и выпадает из пакета подвижных зарядов.
Значительно более интенсивно рекомбинация осуществляет-
ся на поверхностных ловушках: на границе раздела крем-
ний — диоксид неизбежно много нарушений кристалличес-
кой решетки. Таким образом, и тепловая генерация дырок,
и поверхностная рекомбинация постепенно «обгладывают»
хранящийся зарядовый пакет — информация, как говорят,
разрушается. Но это не все. В объеме кремния и на его
поверхности вне области потенциальной ямы также идет
непрерывная тепловая генерация электронов и дырок. Избы-
точные дырки смешиваются с основными и никакого замет-
ного действия на прибор не оказывают. А электроны ведут
себя так же, как и те, которые возникают под действием
света, поэтому часть из них неизбежно оказывается в потен-
циальной яме. Это — паразитный заряд, маскирующий по-
лезный зарядовый пакет. Понятно, чем интенсивнее термо-
генерация и чем дольше длится фаза накопления и хранения,
тем опаснее накопление паразитного заряда.
При очень яркой засветке потенциальные ямы пере-
полняются, электроны хаотически растекаются вокруг, что
проявляется в расплывании передаваемого изображения
вблизи ярких точек. Этот неприятный эффект назы-
вается блюминг, для его локализации между каждыми
двумя ПЗС-строчками изготавливают в кристалле продоль-
ные ниточки n-типа (стоп-каналы), которые препятствуют
произвольному растеканию избыточных электронов по всему
кристаллу.
При слабой засветке заметный зарядовый пакет под
электродом 2 может быть накоплен путем увеличения
времен экспозиции. Однако ограничение этому кладут
рекомбинационные процессы — по прошествии неко-
торого времени добавка электронов вследствие генерации
светом компенсируется их потерей вследствие реком-
бинации.
Заметим, что при восприятии изображение каждая ячей-
ка ПЗС ведет себя во многом подобно фотодиоду, демон-
стрируя все те же закономерности. Такие понятия, как
151
поглощение излучения и глубина его проникновения, кван-
товый выход фотоэффекта, собирание носителей заряда,
спектральная зависимость чувствительности по типу пред-
ставленной на рис. 10, в, наличие красной границы спект-
ра,— все это справедливо для МДП-конденсатора в той же
степени, как и для фотодиода.
Далее — самосканирование. Аккорд первый: к элект-
роду 3 прикладывается напряжение считывания (UC4 =
= 10—15 В), заметно превышающее потенциал хране-
ния. Справа от места расположения накопленного зарядо-
вого пакета образуется более глубокая потенциальная яма.
Поскольку электроды 2 и 3 расположены близко друг от
друга, а потенциальные ямы несколько выходят за их
границы, то происходит слияние двух ям в одну с неровным
ступенчатым дном (рис. 37, в). Естественно, электроны
перетекают в глубокую часть этой ямы, т. е. оказыва-
ются под электродом 3. Теперь звучит второй аккорд:
напряжение с электрода 2 снимается, а на электроде 3
уменьшается до Uxp. В результате этого картина оказыва-
ется точно такой же, как после засветки, только сдвинутой
на одну ячейку вправо. То же самое происходит и вблизи
всех остальных троек электродов слева и справа от рас-
сматриваемого нами фрагмента строки. (Заметим, что в
переносе участвуют все-таки все три электрода — пока 2 и
3 трудятся, электрод 1 выполняет роль барьера, препятству-
ющего перетеканию заряда влево.) Исполняя эту несложную
трехтактную мелодию, мы потянем зарядовые пакеты на
край строки.
Под крайним правым электродом образован р—п-пере-
ход (это выход), подошедший к нему пакет на нагрузочном
резисторе превращается в импульс напряжения, амплитуда
которого пропорциональна величине заряда. Заметим, что
весь ПЗС может состоять из одной строки (линейный ПЗС),
в этом случае рассмотренный процесс полностью описывает
его работу. Линейный ПЗС способен воспринимать одномер-
ную картину (например, положение столбика ртути в термо-
метре) , для восприятия двумерных образов необходимо еще
дополнительное механическое сканирование перпендикуляр-
но направлению строки (это осуществляется в фототеле-
графии, где текст и ПЗС перемещаются друг относитель-
но друга).
Для полностью электронного восприятия двумерных об-
разов служат матричные ПЗС — приборы, в которых име-
ется не одна, а множество одинаковых строк. Процессы в
каждой из них идут так, как описано выше.
152
Итак, в ПЗС картина светового поля преобразуется в
картину (рельеф) зарядов, а они — в последовательность
электрических импульсов (видеосигнал). Это — простейшая
схема полупроводниковой пьесы, она под силу любому про-
винциальному режиссеру, однако со временем в ПЗС пришли
свои — «полупроводниковые» — Чеховы, Станиславские,
Шостаковичи, которые ввели в пьесу побочные интриги,
по-новому организовали мизансцены, изменили аранжиров-
ку... Об этом поговорим позже, а сейчас, заканчивая, от-
метим, что ПЗС — прибор динамического типа, он не может
долго находиться в каком-то одном режиме.
Параметры ПЗС. Фоточувствительность 5Ф(А/Вт или
А/лм) определяют тем же, чем и у фотодиодов: квантовая
эффективность (обычно т] ~ 1), паразитное отражение света
от элементов конструкции или поглощение в них, неполное
поглощение света в толще кремния (для ИК составляющей)
или поверхностная рекомбинация (для синей части спектра).
Однако имеются и принципиальные отличия. Фотодиод, как
правило, работает «в паре» с каким-нибудь светодиодом или
лазером, излучающим на одной длине волны. Таковы лазеры
и светодиоды. А ПЗС воспринимает световую картину, охва-
тывающую широкий спектральный диапазон, иногда это вся
видимая область спектра, иногда какая-то часть ее. Значит,
ПЗС должен иметь высокую чувствительность в длинновол-
новой и коротковолновой областях одновременно, а это
непросто.
Сканирующая способность ПЗС характеризуется вели-
чиной относительных потерь заряда при единичном акте
передачи |. Это безразмерная величина, характеризующая
относительную потерю электронов при перетекании пакета
из-под электрода 2 под электрод 5. Кроме тех потерь,
которые присущи режиму хранения, имеются еще и ди-
намические потери. Чтобы получить от ПЗС то, что нужно,
управляющие напряжения на его электродах меняют с
высокой частотой, поэтому получается так, что пакет еще
не полностью перетек, а фаза управления уже сменилась.
И все-таки несмотря на все потери, удается получить | <
< 10“3 -ь 10"4, это значит, что, пройдя 100 ячеек, заряд
уменьшится лишь на 1 %. Чтобы этого достигнуть, исполь-
зуют совершенные кристаллы кремния с малым содержа-
нием объемных дефектов; специально разработали тех-
нологию выращивания диоксида кремния, обеспечивающую
малую плотность поверхностных дефектов. Но этого ма-
ло — значительные резервы снижения заложены и в ра-
зумном использовании ПЗС. Во-первых, установили, что
153
поверхностная рекомбинация заметно ослабляется, если по-
до всеми электродами создать потенциальные ямы, пусть
даже совсем неглубокие. Для этого на все электроды (про
которые мы раньше говорили, что они заземлены) подается
небольшое напряжение смещения (Ucn = 1 — 3 В). Но это не
все. Чтобы ослабить «прожорливость» оставшихся поверхно-
стных ловушек, в строку ПЗС через входной р—п-переход
непрерывно вводят небольшие, постоянные для всех ячеек
фоновые заряды. Ловушки тотчас начинают заниматься ре-
комбинационными играми с этими зарядами и меньше обра-
щают внимания на генерируемые светом зарядовые пакеты.
Конечно, на выходе ПЗС фоновый сигнал несколько иска-
жает полезный (абсолютно их разделить не удается), но
ничего не поделаешь — за каждое приобретение приходится
чем-то платить.
Возможности ПЗС в части регистрации неярких изобра-
жений ограничиваются шумами. Генерация электронов при
засветке, их собирание в потенциальные ямы, рекомбинация
на объемных и поверхностных ловушках, перетекание из
ямы в яму — все эти процессы являются статистическими,
не строго постоянными во времени. Шумит буквально все: и
само действующее изображение, и фоновое излучение «не-
нужных» предметов, и фоновый заряд, и электронный уси-
литель на выходе ПЗС. Совершенствование технологии,
охлаждение кристаллов ПЗС позволяют снизить шумы на-
столько, что удается регистрировать зарядовые пакеты, со-
держащие лишь несколько десятков электронов. В пересчете
на плотность поверхностного заряда это дает бМИн/^э ~
~ 50 пКл/см2. А максимальный заряд, при котором еще не
наступает переполнения потенциальных ям, для наиболее
тонких пленок диоксида кремния составляет QMaKC /5Э ~
~ 50 нКл/см2. Отношением этих двух величин определяет-
ся динамический диапазон — он характеризует способность
прибора одновременно воспринимать большее или меньшее
число градаций яркости. Чтобы не оперировать с очень
большими и сильно различающимися цифрами (для приве-
денных £)мин и QMaKC динамический диапазон D составляет
1000, а может достигать 10 000 или падать до 100), перехо-
дят к децибелам, полагая D = 20 lg (QMaKC/QMHH). Для
вещательного телевидения, например, необходимо обеспе-
чить D > 60 дБ.
Быстродействие ПЗС характеризуется значением мак-
симальной тактовой частоты сканирования F^. Большое
число ячеек в растре ПЗС требует и очень быстрого их
опроса, иначе картина расплывется или кадры будут
154
сменяться недопустимо редко. Движение зарядового па-
кета вдоль поверхности определяется законами диффу-
зии, при этом время перетекания заряда определяется со-
отношением
Znep ^пер ’ I / Fn»
где I — шаг решетки (сумма ширины электрода и зазора
между электродами), /л„ — подвижность электронов. Чем
меньше Z, тем больше градиент концентрации электронов
вдоль поверхности и тем быстрее идет их диффузия; кроме
того, чем меньше Z, тем на меньшее расстояние надо про-
двинуться зарядовому пакету. Поэтому в формулу и входит
Z2, наличие в знаменателе пояснений не требует. (За-
метим, что структура формулы для /пер полностью ана-
логична такой же формуле, определяющей перенос зарядов
в транзисторах.)
Константа Лпер определяется тем, насколько тщательно
мы хотим «выскрести» все электроны из передающей ямы,
т. е. тем, какое значение | нас устраивает. Реально Лпер =
= (100 -ь 200) В-1. Очевидно, что
F — 1 /t
J такт х / *пер’
Если подставить типичные значения Z = 7 мкм (5 мкм —
ширина электрода и 2 мкм — зазор) и = 200 см2/(В-с),
то получим F^ = (2 4- 4) МГц. «Но почему взято такое
значение /лп, ведь по всем справочникам оно в несколько раз
больше?» — подловит нас подкованный читатель. Увы, увы,
увы! В справочниках приводится объемная подвижность
носителей зарядов, а вблизи поверхности она существенно
уменьшается из-за повышенной дефектности этой области.
Казалось бы, можно уменьшить размер Z — благо современ-
ная технология это позволяет — но тогда уменьшатся ве-
личины зарядовых пакетов и выделять их на фоне шумов
может оказаться очень сложно. Так что проблема повышения
7*такт — это действительно проблема, ведь в приведенной
формуле вроде бы и «потянуть»-то больше не за что.
Разрешающая способность ПЗС характеризует способ-
ность прибора к неискаженной передаче геометрии вос-
принимаемых образов. Чем выше разрешающая способность,
тем более мелкие детали объекта воспринимаются, тем более
плавно и гладко передаются его контуры. Для количествен-
ного описания используются: общее число элементов разло-
жения (обычно задается число строк N и число столбцов Л/,
тогда общая емкость матрицы N-M)\ число элементов раз-
ложения, отнесенных к единице длины или к единице
155
площади; число эквивалентных телевизионных строк или
линий (ТВЛ) — оно не всегда совпадает с N.
Плотность темнового тока X — параметр/ позволяющий
оценить роль паразитных рекомбинационно-генерационных
процессов. Величина X однозначно определяет максималь-
ные времена экспозиции 4ксп.макс и хранения 4Р при заданных
уровнях потерь заряда. Так, малокадровые ПЗС (приборы,
которые по роду своего использования могут очень долго
«смотреть» на неподвижные неяркие объекты) сумеют на-
копить достаточно большие зарядовые пакеты лишь в том
случае, если несущественно накопление паразитного заряда.
Количественно это и определяется плотностью темнового
токаХ; нем она меньше, тем лучше. Возьмем, например,
ПЗС с7т~ 0,5 нА/см2. Тогда за время экспозиции 4КСП =
= 2 с паразитный заряд составит всего лишь 1 % от возмож-
ной величины QMaKC. Кроме перечисленных основных пара-
метров, важны еще очень многие характеристики, такие,
например, как потребляемая мощность, форма управляющих
импульсов, емкости входного и выходного элементов, одно-
родность параметров по площади растра... ПЗС — функ-
ционально сложное устройство, иногда его измерить и оце-
нить оказывается не легче, чем изготовить.
«Через тернии к звездам». Займемся теперь совершенст-
вованием ПЗС. Прежде всего надо обеспечить эффектив-
ность фотоэлектрического преобразования — без этого при-
бор попросту не существует, какое уж тут твердотельное
телевидение. Алюминиевые электроды хоть и тонки, но свет
не пропускают, а отражают, поэтому возбуждение кремния
идет лишь через узкие межэлектродные зазоры. Перевер-
нули кристалл, стали светить с обратной чистой стороны, и
неплохо получилось. Но для этого пришлось толщину крем-
ния уменьшить до 10 мкм — работать с такими пластинами,
разумеется, невозможно. Поэтому в каждом отдельном кри-
сталле с обратной стороны подо всей площадью растра
вытравливают углубление с плоским дном, края кристалла
остаются толстыми и служат опорой для 10 мкм-мембраны.
Конструкция при этом оказывается не только очень сложной,
но и экзотической: теряется основная прелесть микроэлект-
ронной планарной технологии — обработка деталей в одной
плоскости. Столбовой дорогой оказался другой путь — за-
мена алюминия на поликристаллический кремний (поли-
кремний) . Поликремниевые затворы толщиной около 1 мкм
прозрачны для видимого света и в то же время удается
сделать их достаточно хорошо проводящими. Все бы непло-
хо, но все-таки сине-фиолетовая составляющая и при таких
156
толщинах поглощается электродами — изображение за-
метно краснеет. Изобретательность разработчиков и здесь
нашла выход — вытравливание окон внутри поли-
кремниевых затворов (рис. 38) — но это, конечно же,
усложнение технологии и опять уход вбок — как и в
Рис. 38. Вытравливание окон в поликремниевых затворах помогает ПЗС
лучше почувствовать синий свет
случае с обратной засветкой. Кажется, что надо все-таки
просто научиться делать очень тонкие и однородные по-
ликремниевые пленки.
Основная проблема технологии ПЗС — как снизить
потери заряда при передаче и повысить тактовую частоту?
157
Без этого нечего и мечтать о полноформатном телевидении,
для которого необходимы фоточувствительные мишени с
N х М ~ 0,5 млн. штук и FTaKT ~ 10 МГц. Технологи ПЗС
разработали сверхчистые процессы выращивания диоксида
кремния на поверхности подложки, широко используются
разнообразные геттеры, буквально высасывающие из объема
и с поверхности те загрязнения, которые каким-то чудом
сумели просочиться в будущий ПЗС. Честно говоря, рука не
подымается писать «загрязнения». Стерильность полупро-
водников давно уже стала расхожим фактом, в случае ПЗС
она поднялась на еще более высокий уровень — меньше
одного дефекта на десятки миллиардов здоровых атомов.
Пожалуй, даже гомеопаты усомнятся в действенности таких
присадок, а технологи ПЗС рвутся все дальше и дальше,
обсуждая возможности космического материаловедения. Но
где-то уже проглядывают ограничения, во всяком случае
плотность поверхностных дефектов уже приблизилась к тео-
ретическому пределу. Так что же делать, как дальше умень-
шать | и увеличивать FTaKr?
К счастью, еще в начале 70-х годов была предложена
ПЗС-структура, в которой канал переноса зарядовых пакетов
удалось сдвинуть с поверхности внутрь объема кремния. Для
этого в традиционной структуре дополнительно у поверх-
ности формируется тонкий «-слой так, что вдоль всего
кристалла он оказывается разделенным р—«-переходом, па-
раллельным верхней грани кристалла (рис. 39). На входе и
i выходе этого слоя, т. е. по кра-
ям ПЗС-строки, изготавли-
I __________п_______ваются омические контакты.
\ 4 -------От внешнего источника к ним
) Р \
г 1 прикладывается положитель-
I______________________I ный потенциал, вытягиваю-
щий электроны из этой об-
Рис. 39. ПЗС^объемным кана- ласти и обедняющий СЛОЙ.
При приложении напряжения
к затвору под ним, как и ранее, образуется потенциальная
яма и обе обедненные области — приповерхностная и вблизи
р—«-перехода — сливаются, причем внутри этой единой
потенциальной ямы максимум потенциала оказывается не у
границы раздела кремний — диоксид, а на глубине около
0,5 мкм. При засветке возбуждаемые носители заряда скап-
ливаются именно в этой плоскости; интересно, что никаких
видимых преград для них нет ни сверху, ни снизу — заря-
довый пакет «повисает» внутри кристалла, удерживаемый
лишь электрическим полем особой конфигурации: оно от-
158
талкивает заряды и от поверхности кристалла, и из глу-
бины объема.
Дальше все происходит, как в «обычном» поверхностном
ПЗС,— манипулируя потенциалами на электродах, удается
сдвигать зарядовые пакеты вдоль канала, причем они все
время остаются в глубине. Эти приборы, естественно, по-
лучили название ПЗС с объемными каналами, или попросту
объемные ПЗС, Иногда также используются термины «ПЗС
со скрытым каналом», «перистальтические ПЗС» (peristal-
tikos — обхватывающий и сжимающий — относится к кон-
фигурации электрического поля).
В объемном ПЗС одним выстрелом удается убить сразу
двух зайцев — избавиться от воздействия поверхностных
ловушек на зарядовые пакеты (итог — снижение £ до 10~5)
и увеличить подвижность электронов по крайней мере раза
в 2—3. При этом возрастает раз в 5—7 потому, что
кроме возрастания подвижности существенным оказывает-
ся еще и действие тянущего электрического поля, суще-
ствующего внутри объемного канала (в поверхностном кана-
ле электроны перетекают из ячейки в ячейку главным
образом благодаря диффузионному механизму). В итоге и
7*такт ~ ЮО МГц для объемных ПЗС оказывается впол-
не реальным. Но — за все надо платить. Объемный ПЗС
значительно сложнее поверхностного, часть площади кри-
сталла тратится бесполезно. Удельная емкость р—«-пере-
хода меньше, чем тот же показатель у МДП-конденсато-
ров, поэтому объемные ПЗС имеют меньшие значения QMaKC
и соответственно более узкий динамический диапазон D,
Словом, как всегда, «что-то теряешь, что-то находишь».
Вот поэтому-то потребовалось более пяти лет, чтобы объем-
ные ПЗС встали на ноги — произошло это лишь к кон-
цу 70-х годов.
Немало выдумки проявили разработчики, чтобы упро-
стить управление передачей заряда в ПЗС. Казалось бы, чего
же тут сложного — подавай на три группы электродов (все
1-е, соединенные вместе, все 2-е и все 3-и) последовательно
импульсы с амплитудой £7ем, £7хр, UC4 — обычный трехфазный
режим. Но представим, что эти импульсы действуют не
строго синхронно. Например, на каком-то электроде импульс
UC4 закончился, а импульс Uxp чуть-чуть запоздал. Это
приведет к тому, что переместившийся под этот электрод
зарядовый пакет начнет утекать обратно — правильность
работы ПЗС резко нарушится. А очень точно совместить
прямоугольные импульсы довольно-таки затруднительно,
поэтому им специально придают трапецеидальную форму и
159
обеспечивают частичное наложение фронтов импульсов друг
на друга. Итог всего этого — потеря быстродействия и
усложнение организации схем управления.
Но асимметрию потенциальных ям с уклоном дна вправо,
в направлении переноса заряда, можно обеспечить не только
комбинацией потенциалов на электродах, но и чисто тех-
нологическим путем, например, выращиванием разной
толщины диоксида кремния под соседними электродами
(рис. 40). В этом случае там, где диэлектрик тоньше, потен-
циальная яма будет глубже. Такой встроенный перекос
Рис. 40. Двухфазный ПЗС с
неоднородной диэлектричес-
кой пленкой
потенциального рельефа вдоль канала позволяет обойтись
всего лишь двухфазным (двухтактным) режимом управ-
ления. А это — и упрощение схемы управления, и повы-
шение степени интеграции, ведь в каждой типовой ячейки
теперь нужны лишь два электрода, а не три.
Неоднородность диэлектрика — всего лишь пример, тот
же эффект достигается путем локального гребенчатого под-
легирования кристалла кремния, неоднородностью формы
электродов и многими другими приемами. Более того, изоб-
- рели ПЗС с «виртуальной» фазой, которые вообще обходятся
однотактным управлением. Эта скрытая «как бы» фаза
образуется запрятанными внутрь диэлектрика или внутрь
кристалла проводящими полосками n-типа, соединенными
между собой и не подключаемыми к внешнему источнику
напряжения. Потенциал на этих электродах изменяется сам
собой благодаря изменению концентрации носителей заряда
в прилежащих областях кремния. Благодаря этому «вирту-
альная фаза» делает свое дело — подталкивает зарядовые
пакеты к выходу.
Важнейшее свойство ПЗС — способность к’ цветовос-
приятию, формирование «цветных» видеосигналов. Если
вспомнить механизм цветовосприятия глаза (§ 7) и устрой-
ство цветных экранов (§ 8), то станет понятным, что зада-
ча цветного ПЗС состоит в выработке трех видеосигна-
лов — красного, зеленого, синего, каждый из которых,
пройдя путь от передатчика до приемника, промодулирует
свой электронный луч телевизора или свою группу ячеек
плоского ЖКЭ.
160
Вполне логичным явилось то, что в первых цветных
ПЗС-системах световой поток, падающий на объектив от
изображения, пространственно разлагался (например, с по-
мощью оптической системы) на три потока — крас-
ный, зеленый, синий,— каждый из которых восприни-
мался своей ПЗС-матрицей, формирующей соответствую-
щий видеосигнал. Такой чисто механический подход в
общем решал проблему, но его сложность и дороговизна
не удовлетворяли разработчиков. Лишь по мере увели-
чения числа ячеек в растре ПЗС стало возможным создание
интегрированного однокристального варианта. Для этого на
поверхность кристалла наносится пленочный цветокоди-
рующий светофильтр. После многочисленных экспериментов
от, казалось бы, логичного сочетания R-, G-, В-ячеек отка-
зались в пользу набора комбинированных цветов на их
основе; одну из удобных комбинаций составляют голубой,
зеленый и желтый цвета. При этом исходят из того, что
голубой = синий + зеленый , а желтый = красный + зеле-
ный. То есть все необходимые цветовые компоненты имеются
с некоторым перекосом в сторону зеленого — этим достига-
ется наибольшая разрешающая способность ПЗС, так как
именно в зеленом свете глаз обладает максимумом чув-
ствительности.
Как и в случае ЖКЭ (см. § 8), цветокодирующий фильтр
представляет собой тонкую полимерную пленку, локально
обработанную для придания нужной окраски — она либо в
готовом виде наклеивается на ПЗС-кристалл, либо изго-
тавливается непосредственно на его поверхности. Безгра-
ничные варианты раскраски светофильтров и расположения
в нем ячеек в сочетании с большими возможностями мате-
матической обработки видеосигналов каждого цвета служат
основой для непрерывного совершенствования цветовос-
приятия ПЗС. Но и то, что уже достигнуто, по меньшей мере
великолепно.
Через узкую горловину. На этом можно было бы и
закончить разглядывание ПЗС изнутри, если бы не один
вопрос, который, чувствуется, уже давно мучает читателя.
Ведь растр содержит около полумиллиона ячеек, и, пробе-
гая подо всеми электродами, зарядовые пакеты неизбежно
погибнут — для этого даже самое рекордное значение £
окажется неприемлемо большим. Как все-таки реально осу-
ществляется самосканирование? Как накопленный за время
кадра океан информации выплеснуть через узкую горло-
вину выхода?
161
Даже в простейшей конструкции, в линейном ПЗС, не
все происходит так, как описывалось выше. На рис. 41
показаны три варианта считывания: один — классический
и два — с разделением областей накопления 1 и передачи 2.
Такое усложнение оправдано тем, что каждую из цепо-
считывания линейных ПЗС
чек можно раздельно оптими-
зировать. Цепочка передачи
зарядов не требует фоточув-
ствительности (напротив, она
затеняется), а от области на-
копления только это и требу-
ется, что же касается пере-
дачи, то каждый зарядовый
пакет должен лишь раз сос-
кользнуть вбок.
Значительно более много-
вариантны матричные ПЗС.
Вот, например, как работает
матрица с кадровым переносом, состоящая из фоточув-
ствительной секции, секции хранения и регистра гори-
зонтального переноса (рис. 42, а). В течение времени
. Секция
накопления
а
__ Секция
хранения
Регистр
' сдЬига
5
Рис. 42. Устройство (а) и динамика переноса зарядов (б) в ПЗС с кадровым
переносом
экспозиции (1/25 с) на фоточувствительную секцию через
объектив проецируется световое изображение и в ней соз-
дается соответствующий зарядовый рельеф (рис. 42, б). За-
162
тем вдоль каждого вертикального столбца все зарядовые
пакеты синхронно переносятся в секцию накопления. Время
этого кадрового сдвига равно M-tnep и может составлять
несколько десятков микросекунд, т. е. ничтожную долю от
времени экспозиции. После того как накопленная инфор-
мация сброшена в секцию хранения, секция накопления
оказывается опустошенной и готовой к продолжению своей
фотопреобразовательной деятельности — начинается вос-
приятие следующего ТВ-кадра. И в это же время секция
хранения с помощью регистра переноса начинает разгру-
жаться. Теперь хранящаяся картина режется построчно:
сначала нижняя строка опускается в регистр переноса и вся
картинка соответственно опускается на одну строку вниз.
Затем в регистре эти заряды переносятся в поперечном
направлении и с помощью выходной схемы преобразуются в
последовательность импульсов напряжения соответствую-
щих амплитуд. Скорость поперечного переноса подбирается
в несколько раз большей скорости кадрового сдвига с тем,
чтобы не затормозить работу матрицы.
После выноса наружу зарядов нижней строки секции
хранения та же участь постигает последовательно и заряды
всех остальных строк — к моменту окончания экспозиции
второго ТВ-кадра секция хранения оказывается полностью
опустошенной и готовой к приему новой порции инфор-
мации. Вот так телевизионное действие, кадр за кадром,
построчно нашинкованное, образует бесконечную последо-
вательность импульсов — видеосигнал.
Даже не читая это в общем-то простое описание, а лишь
внимательно приглядевшись к рис. 42, б, можно без труда
самостоятельно сообразить, как работает ПЗС-матрица с
кадровым переносом — настолько все логично, взаимоувя-
зано, целесообразно. Гармонию мира мы воспринимаем как
красоту, согласитесь, что и устройство матрицы и ее действия
не могут не вызвать хотя бы некоторого эмоционального
восхищения.
Еще один, очень модный, вариант организации вывода
зарядов из ПЗС представляют собой матрицы со строчно-кад-
ровым переносом. Здесь секции накопления и хранения как
бы вдвинуты друг в друга — рядом с каждым фоточув-
ствительным столбцом находится затененный от света стол-
бец хранения — переноса. Если при кадровом перено-
се одному из зарядов приходится пробежать через (2N +
+ М + 1) ячеек, то при строчно-кадровом переносе эта
максимальная цифра снижается до (N + М + 1) — выиг-
рыш налицо. Правда, технология при этом намного сложнее
163
и не всем по зубам, но с течением времени трудности как-то
незаметно и вроде бы сами собой (особенно при взгляде со
стороны) постепенно преодолеваются.
Развитие системы строчно-кадрового переноса и некото-
рых других, близких к ней, позволили по-иному взглянуть
на саму первооснову ПЗС — однородность его структуры.
В этих системах заряд, накопленный в фоточувствительном
элементе, испытывает лишь однократный перенос в линию
передачи. Значит, разделение функций между ячейками
ПЗС может быть полным: одни ячейки только воспринимают
свет, другие служат лишь для самосканирования. Поэтому в
качестве фоточувствительных элементов могут использо-
ваться не толкьо МДП-конденсаторы. Широкое применение
получили фотодиоды с р—м-переход ом, удобные тем, что их
гораздо легче приспособить для эффективного восприятия
синего света. Известны попытки нанесения на поверхность
ПЗС-кристалла, затененного от света, тонкой фоторези-
стивной пленки — ею воспринимается световой образ, а ПЗС
производит сканирование. Но при этом значительная инер-
ционность фоторезистивного растра вступает в очевидное
противоречие с быстродействием развертки.
Гораздо более перспективными оказались такие гиб-
ридные системы, в которых фоточувствительный растр обра-
зуют фотодиодные матрицы на основе узкозонных полупро-
водников, а для сканирования используется все тот же
проверенный кремниевый ПЗС-кристалл. Дело в том, что
именно узкозонные полупроводники обладают необходимой
восприимчивостью в инфракрасной области, ведь длина вол-
ны красной границы спектра ~ 1/Eg (здесь Eg — ширина
запрещенной зоны полупроводника). Используя соединение
InAs (Eg = 0,33 эВ), можно продвинуться до А ~ 3,7 мкм, а
используя InSb (Eg = 0,18 эВ) — до 2 ~ 7 мкм. Особенно
удобны тройные соединения CdHgTe и PbSnTe (KPT и СОТ
в русском звучании), у которых изменением состава до-
стигается и изменение спектральной области наивысшей
чувствительности вплоть до практически важного диапазона
А = 8 4- 12 мкм. Все бы хорошо, но беда в том, что ПЗС-эф-
фект на всех этих материалах реализовать в полной мере не
удается — уж очень высокая плотность дефектов образуется
у них на поверхности. Поэтому-то и приходится проблему
твердотельного тепловидения решать с помощью гибрид-
ных систем.
«Давайте говорить друг другу комплименты». Не худо
бы теперь подвести итоги, сравнить ПЗС со своим конкурен-
том — видиконом, тем более что конкурент отнюдь не
164
собирается сдавать своих позиций, его производство, на-
против, все более и более расширяется.
Спектральный диапазон обоих приборов очень широк:
если учесть и все экзотические варианты, описанные в
литературе, то этот диапазон простирается от рентгеновского
излучения <А ~ 0,1 нм) до среднего ИК диапазона (z~ 8 +
4- 12 мкм), охватывая, естественно, всю видимую область
(Л = 380 -г 780 нм). Но по-прежнему синий свет остается
труднодоступной зоной для ПЗС, электронно-лучевые при-
боры справляются с его восприятием гораздо свободнее.
Приборам с зарядовой связью присуща высокая кванто-
вая эффективность, высокая фоточувствительность, особен-
но существенные на фоне малых шумов. Благодаря этому их
пороговая чувствительность может составлять буквально
единицы или десятки фотонов. И при сильных освещениях
ПЗС ведет себя молодцом: максимальная поверхностная
плотность накапливаемого заряда может достигать 1012 элек-
трон/см2, что в пересчете даже на минимальную площадь
одного электрода приводит к весьма внушительной цифре
100 000 электронов. И еще одно. Если вспышка очень яркая,
потенциальные ямы ПЗС переполнятся, изображение на
экране расплывется — электронный глаз на мгновенье ос-
лепнет. То же самое свойственно и живому глазу, так что
это представляется вполне естественным и, пожалуй, даже
целесообразным — как-то надо защищать себя и отключать-
ся при сильных засветках. Видикон тоже отключается, но,
увы, совсем не так: при пересветке может произойти выго-
рание фоточувствительного покрытия части экрана и вре-
менное ослепление становится постоянным.
Разрешающая способность и цветовосприятие — пожа-
луй, с этого и стоило бы начать, это именно то, что в первую
очередь воздействует на нас с телеэкрана. За несколько
десятилетий видиконы усовершенствовались так, что зритель
с самым утонченным колористическим мироощущением не
может предъявить никаких претензий. Созданы видиконы,
удовлетворяющие требованиям стандартов телевидения вы-
сокой четкости, а это около 1200 строк вместо традиционных
625 и практически полное соответствие 36-миллиметровой
цветной кинопленке, которая по-прежнему остается этало-
ном качества восприятия изображений.
В ПЗС-матрицах пока что удалось достигнуть 600 ТВЛ,
а при использовании светофильтров — 400—425 ТВЛ (инте-
ресно, что здесь нет механического уменьшения втрое — это
следствие оптимизации фильтров). Надо сказать и еще об
одном: практики подметили, что почему-то при равенстве
165
строк ПЗС-изображение оказывается лучше, чем вид икон-
ное, дополнительный выигрыш в четкости обеспечивает ша-
шечное расположение ячеек в матрице. Чем больше работа-
ют с ПЗС, тем больше открывается возможностей повышения
качества восприятия, при этом важно, что все они уверенно
реализуются технологически. Но все же будем беспристраст-
ны и признаем — по разрешению и по цветоразличению ви-
диконы ушли вперед. (Мы здесь не принимаем во внимание
такую недоступную для видиконов возможость, как гиб-
ридная сборка в единую матрицу большого числа ПЗС-кри-
сталлов; таким способом уже давно удалось получить в ви-
деоаппарате разрешение, эквивалентное десяткам тысяч (!)
телевизионных линий.)
Для очень многих применений массогабаритные показа-
тели видеовоспринимающего устройства являются определя-
ющим фактором. Здесь несомненное преимущество за ПЗС.
И дело не только в собственных габаритах чувствительного
элемента — сегодняшний полудюймовый видикон не больше
мизинца, и хотя ПЗС-микросхема в десяток раз меньше по
объему, камера, весящая несколько килограммов, эту раз-
ницу фактически не почувствует. Но ПЗС не требует высо-
ковольтного питания, потребляемая им мощность может
быть на порядок меньше, чем в случае видикона,— вот это-то
и трансформируется в значительный массогабаритный вы-
игрыш. Или взять охлаждение, фактически обязательное для
любого прибора, работающего вблизи порога чувствитель-
ности. Кристалл ПЗС непосредственно монтируется на мас-
сивное основание полупроводникового микрохолодильни-
ка — отвод тепла очень эффективен, энергозатраты не-
велики и в конечном счете устройство может быть весьма
миниатюрным. С видиконом ничего подобного не получает-
ся — стеклянную трубочку и закрепить, и охладить значи-
тельно сложнее.
Конструктивные различия обусловливают и такие неос-
поримые достоинства ПЗС, как отсутствие микрофонного
эффекта, нечувствительность к электрическим и магнитным
полям, взрывобезопасность.
ПЗС-матрицы долговечны; практически, если преодоле-
ны технологические недочеты, они могут безотказно и не
деградируя работать десятки лет. Но самое главное заклю-
чается в том, что ПЗС обладают рядом свойств, прин-
ципиально не реализуемых в электронно-лучевых трубках.
Во-первых, это жесткий геометрический растр, в котором
каждая ячейка однозначно определена двумя своими ко-
ординатами п, т — номерами строки и столбца. Импульс от
166
каждого такого элемента можно сколько угодно гонять по
системе обработки видеосигнала без опасения, что он где-то
затеряется или перепутается с другим каким-то импульсом.
Равноправность всех ячеек исключает возникновение дис-
торсии — искажения прямых линий на периферии экрана —
непременного спутника всех трубок.
Во-вторых, произвольная выборка информации. Ряд кон-
струкций ПЗС обеспечивает возможность свободного досту-
па к любой ячейке, не тревожа остальные и не проводя
традиционного вытягивания зарядов из всей строки. Трубкам
это недоступно.
В-третьих, это широта функциональных возможностей и
обработка информации внутри кристалла ПЗС. Фильтрация
оптической информации, распознавания образов, хранение
сигналов, задержка их распространения, коррекция и коди-
ровка, выделение, подчеркивание контуров — все это под
силу ПЗС, причем применительно к цифровой и к аналоговой
форме представления информации.
В-четвертых, это дешевизна, потенциально свойственная
ПЗС, как изделию интегральной электроники (когда эта
потенция реализуется, видиконы начнут сходить со сцены).
Суммируя, можно заключить, что ПЗС идеально впи-
сывается в господствующую ныне идеологию всеобщей ком-
пьютеризации. Этот момент, не свойственный видико-
нам, является принципиальным. Пожалуй, сказать, что
ПЗС — это твердотельный аналог видикона,— значит неоп-
равданно принизить ПЗС, явно погрешить против истины,
которая заключается в том, что ПЗС представляет собой
новое, следующее за электронно-лучевыми трубками по-
коление приборов для восприятия и обработки видеоин-
формации.
Из лабораторий — в большую жизнь. Вполне естествен-
но, что с таким «джентльменским набором» превосходных
качеств приборы с зарядовой связью буквально нарасхват.
Кому же не захочется приобрести электронное зрение?
Еще в 1974 г. в зарубежной периодике появилось рек-
ламное сообщение о первой промышленной ТВ-камере, соз-
данной на основе ПЗС. Ее растр содержал 256 х 220 элемен-
тов, уже через год это число выросло до 512 х 320. Тогда же
была создана и цветная трехкристальная ТВ-камера. Каза-
лось бы, все хорошо, но странное дело: чуть ли не каждые
3—4 месяца появлялись сообщения о «первой (?) промыш-
ленной ТВ камере на ПЗС».
Главным, что тормозило выход ПЗС на широкую арену,
были технологические трудности и несовершенства, поэтому
167
широкое промышленное применение ПЗС-камер не могло
стать реальным фактом.
Но одна из «профессий» ПЗС развивалась, не считаясь с
затратами,— речь идет о космическом телевидении. Про-
фессия, прямо скажем, престижная, выигрышная — ведь
последние десятилетия приучили нас взирать в космос с
обостренным вниманием, интересом, ожиданием.
...Ушел в историю 1986 г. — год, когда легендарная
комета Галлея в очередной раз прошла «поблизости» от
Земли. Впервые увиденная в небе далекого 446 года до нашей
эры, эта комета была научно открыта англичанином Галлеем
около 300 лет назад и, разумеется, получила его имя. Осо-
бенное внимание ученого мира она привлекла строгой перио-
дичностью своего поведения — через каждые 75—76 лет
комета подлетает к Земле. Последний раз это было в 1910 г.
и тогда ученые опробовали на ней весь наличный арсенал
методик наблюдения и изучения. Впервые «длинноволо-
сую космическую вертихвостку» сфотографировали. И тогда
же — с завистью к потомкам и надеждой на них — многие
вопрошали: а как пройдет рандеву Земли с кометой в
1986 году? К встрече готовились загодя и очень тщатель-
но. Развернулась дискуссия — чем оснастить телевизион-
ные камеры на борту ракеты, посылаемой для близкого
знакомства с кометой. До этого много раз и вполне ус-
пешно в космическом телевидении использовались видико-
ны. Не должны подвести они и на этот раз, но уж очень
хотелось попробовать самое новейшее. Рискнули: советский
проект «Венера — Галлей», объединенный Европейский
«Джотто», японский «Планета-А» решительно сориентиро-
вались на ПЗС.
Автору довелось как-то беседовать с одним из виновников
запуска ПЗС на космическую траекторию: «Конечно, мы
пошли на огромный риск — радиационные пояса, необычные
условия экспуатации и вообще... Хотя, пожалуй, выбора у
нас не было, уж очень хороши массогабаритные харак-
теристики, жесткий растр — ну да Вы и сами все знаете...».
Вот так — идущие впереди просто обязаны рисковать!
Разумеется, все было не просто — взял да поставил.
Пришлось поработать и оптоэлектронщикам. В дополнение
к стандартным ПЗС-матрицам размером 512 х 576 элемен-
тов специально изготовили уникальные образцы с числом
элементов 800 х 800, 1000 х 1000 и даже 1500 х 1500! Тем
самым был превышен рубеж 2 миллионов элементов, харак-
терный для телевидения высокой четкости, правда, заметим,
не все из созданного использовалось.
168
Обеспечили сверхточную юстировку кристалла ПЗС и
оптического объектива. Ввели в электронную систему каме-
ры микропроцессорную высокоскоростную обработку инфор-
мации, снимаемой с ПЗС. Используя специальные эталоны,
организовали строгую стабилизацию уровня освещенности
прибора *). Но игра стоила свеч — какие удивительные
снимки внутренних областей и ядра кометы Галлея (от
которого наш космический аппарат «Вега-2» прошел на
расстоянии около 9 тыс. км) удалось получить! Пожалуй,
такого не могли предугадать даже самые раскованные
предсказатели в 1910 г. (впрочем, и мы вряд ли в состоя-
нии представить — хотя бы контурно — протокол встречи
2062 года).
Успешно пройдя крещение, ПЗС отправились в новое
путешествие, и хотя «Фобосы» в начале 1989 г. один за
другим трагически погибли, электронный глаз свое дело
сделал — четкие рельефные снимки крохотного спутника
Марса были переданы на Землю (рис. 43). Однако каким бы
притягательным ни был космос — решающее место действия
приборам с зарядовой связью отводится на Земле.
Рис. 43. Крохотный спут-
ник Марса — Фобос, уви-
денный ПЗС-глазом
В 1979 г. ведущие фирмы Японии, США, СССР, ФРГ
почти одновременно создали технологию ПЗС с объемными
каналами, а вслед за тем некоторые освоили ее промышлен-
но. Стандартными и достаточно дешевыми стали матрицы с
*) Подробно об этом можно прочесть в сборнике: Научное космическое
приборостроение.— М.: Металлургия, 1983, вып. 2.
169
общим числом элементом 300—400 тыс. и линейки, содер-
жащие 1000—2000 ячеек.
Увеличение числа элементов и улучшение переноса за-
ряда явились основой для эффективного применения цвето-
кодирующих фильтров — однокристальные «цветные» ПЗС
стали реальностью. Именно такого электронного глаза не-
терпеливо поджидала техника уже давно — ПЗС устреми-
лись в большую жизнь.
Современная цветная ПЗС-камера выглядит традици-
онно (рис. 44), внутри нее кроме фоточувствительного
Рис. 44. ПЗС-видеокамера
элемента и оптической системы размещено несколько печат-
ных плат, нашпигованных интегральными схемами, и ми-
ниатюрное дисковое запоминающее устройство.
Сфера деятельности для таких ПЗС-камер открывается
необозримая. Вот, например, ПЗС-система установления
личности по отпечаткам пальцев. При расшифровке папил-
лярных линий она способна различить до 256 градаций
шкалы серых тонов, тогда как глаз человека различает не
более 30 градаций. Или еще пример. При оценке состояния
и сохранности архивных документов контролируют контраст
чернил и пергамента, степень покоробленности страниц,
170
наличие следов бактериального или химического воздей-
ствия. ПЗС-камера повышает производительность осмотра
раз в 10, исключает ошибки, обеспечивает достоверность
анализа.
Только ПЗС-камеры способны дать зрение роботу, прев-
ратить его в повседневного спутника человека, сделать де-
шевым, долговечным, научить противостоять таким жи-
тейским встряскам, как резкие изменения температур, уда-
ры, попадание во влажную среду. Обязательно и резкое
улучшение массогабаритных характеристик там, где харак-
тер работы это позволяет, роботы должны быть миниатюр-
ными. А в ряде случаев это их свойство становится опреде-
ляющим. Одна из долгосрочных японских программ предус-
матривает разработку микроробота, способного проникать
внутрь человеческого организма с целью диагностики и
лечения *).
ПЗС-камера, размером со спичечный коробок, может
внимательно наблюдать за ребенком, играющим в кроватке,
или за больным, и в случае чего срочно призвать няню или
медсестру. Электронный контролер в универсамах и на
автострадах заботливо и ненавязчиво помогает гражданам
удерживаться в рамках дозволенного. ПЗС-камера удобна в
качестве зеркала заднего вида на автомашине. В автопоездах
нового поколения, перевозящих взрывоопасные и легковос-
пламеняющиеся жидкости, западногерманская фирма «Дай-
млер-Бенц» ставит на прицепе телекамеру, чтобы водитель
на мониторе в кабине мог видеть обстановку в мертвой зоне,
недоступной обычным зеркалам заднего вида. Невольно
вспоминается происшествие лета 1988 г., когда американ-
ский трейлер где-то на дорогах Иллинойса нечаянно обронил
около сотни бочек с цианистым калием и, падая, они раз-
бивались и заражали почку. Пожалуй, 1000-долларовая
ТВ-система с ПЗС-камерой была бы недорогой платой за
предотвращение катастрофы.
ПЗС-камера в качестве дверного глазка позволяет вос-
производить в углу экрана комнатного телевизора лицо
человека, звонящего в квартиру. А дальше хозяин решает —
открыть ли дверь с помощью дистанционного пульта управ-
ления или заняться более детальным изучением посетителя,
развернув его изображение на весь экран. Сложно, дорого?
*) Как тут не вспомнить «Тайны анатомии» К. Доннер,— Мир, 1988,
в которой брат и сестра Макс и Молли, по волшебству уменьшившиеся,
путешествуют внутри человека. Похоже, что эта детская сказка на наших
глазах может стать реальностью.
171
Что же делать — ведь преступность, увы, не только не
исчезает, а напротив, становится все более изощренной.
Новая и чрезвычайно широкая область применения ПЗС-ка-
мер связывается с измерительной техникой. Расстояние меж-
ду любыми двумя ячейками мишени строго задано и точно
известно, фотоответ любой из ячеек точно «привязан» к
временнбй оси — это и служит основой высокой метро-
логической точности ПЗС. При испытании самолетов в аэро-
динамической трубе удается фиксировать механические пе-
ремещения меток с точностью до 0,1 мкм, а в металлообра-
ботке — вплоть до 0,01 мкм.
Особую значимость приобретают ПЗС в эндоскопии.
Исследования внутренних органов с использованием види-
конной камеры, состыкованной с окуляром стандартного
фиброскопа, развиваются достаточно давно. Очень удобно
вывести изображение одновременно на экраны нескольких
мониторов: хочешь — организуй консилиум, хочешь — чи-
тай лекцию студентам. Кроме того, появляется еще и воз-
можность следить за динамикой болезни, использовать ЭВМ
для обработки информации. Все это может обеспечить и
цветная ПЗС-камера, но миниатюрность ПЗС-кристалла,
низковольтность его питания позволяют смонтировать его на
конце фиброскопа, вводимом внутрь организма. При этом
стекловолоконный световод заменяют тонкими соединитель-
ными проводами. Увеличивается долговечность эндоскопа —
волокна все-таки частенько ломаются,— повышается ком-
фортность его использования (если вообще позволительно
использовать этот термин применительно к тем, кто вынуж-
ден заглатывать трубочку). Кроме того, волоконные свето-
воды имеют очень малый угол обзора, врач видит лишь
незначительную часть исследуемой поверхности, а это не-
удобно. ПЗС лишены этого недостатка.
Но, разумеется, самый невероятный бум ожидается (и он
уже начался в передовых странах мира) при внедрении
ПЗС-камер в самую массовую сферу видеоинформационного
рынка — телевидение, кино, видео, фотографию. Обычно в
видеокамере конструктивно объединяются два блока: собст-
венно ПЗС-камера и магнитное видеозаписывающее устрой-
ство — за рубежом это принято называть камкордером
(производное от camera + recorder). Более того, нередко для
оперативного просмотра только что отснятого материала в
саму видеокамеру встраивается еще и упрощенное видеовос-
производящее устройство с плоским телевизионным экра-
ном, в качестве которого лучше всего, разумеется, исполь-
зовать жидкокристаллический. Эти малогабаритные аппара-
172
ты явились уверенной заявкой на универсальное видео-
записывающее устройство. Появившись в начале 80-х годов,
к середине текущего десятилетия камкордеры получили уже
заметное распространение. Ряд фирм, в основном японских
(США почему-то без борьбы уступили эту нарождающуюся
сферу электронного рынка), повели борьбу за снижение
массогабаритных показателей, увеличение времени записи и
уменьшение стоимости камкордеров. Для технического уров-
ня бытовых камкордеров в 1987—1988 гг. характерны такие
цифры: масса 1—1,5 кг, время записи — 1—1,5 часа, стои-
мость 1,5 тыс. долларов. В них применяются ПЗС-матрицы,
содержащие 570 -s- 576 строк и по 700 4- 800 элементов в
строке, так что общее число элементов разложения достигает
400 ч- 500 тыс. Используются и черно-белые матрицы, но
главным образом цветные на основе масочных светофильт-
ров. По качеству отснятого изображения эти аппараты при-
близительно эквивалентны бытовым кинокамерам с 8-мил-
лиметровой пленкой. Хотя камкордеры еще и дороги, неко-
торые фирмы, стремясь захватить будущие рынки сбыта,
откровенно идут на все. В 1987 г. выпущен, например,
детский камкордер по несуразно низкой цене 150 долларов.
Конечно, в нем многое упрощено, он черно-белый, и запись
ведется на обычную звуковую кассету, но все же 150 долла-
ров — это очень немного. Разумеется, приручив детей,
фирма получит уверенный доступ к кошелькам их родителей.
Так что на первых порах можно и расщедриться. В 1987 г.
всего было изготовлено около 3 млн. бытовых камкордеров,
в 1988 г. их производство увеличилось до 10 млн. штук.
Сложнее обстоит дело с профессиональными ПЗС-каме-
рами. Здесь диктат (иногда косность) стандартов, неумоли-
мость требований высокого качества съемок постоянно ох-
лаждают пыл тех, кто пытается внедрить новое. В студийных
камерах ПЗС-мишени пока что практически не используют-
ся, а репортерские по-прежнему используют принцип цвето-
деления и восприятия каждой составляющей своим отдель-
ным ПЗС-кристаллом. Весит такая камера около 10 кГ, так
что при съемке она располагается на плече.
Похоже, однако, что ближайшее пятилетие сможет внес-
ти кардинальные изменения и в эту «святая святых» те-
левидения. Сейчас по инициативе ведущих ПЗС-фирм фор-
мируется новый стандарт, который в конечном итоге дол-
жен обеспечить телевидение высокой четкости (переход от
575 ч- 625 строк к 1100 4- 1500 строкам), разумеется, цвет-
ное, да еще и «переносимое». Для этого ПЗС-камера должна
разбухнуть до 1100 х 1400 элементов, а частота считывания
173
подняться до 20 МГц. Задача не из простых, но зато каче-
ство съемок станет сравнимо с качеством, обеспечиваемым
36-миллиметровой кинопленкой. Иыми словами, можно
ожидать, что к 1995 г. или около того последний бастион
киношников электроникой будет взят.. Естественно, что на
этой унифицированной, единой технической основе сблизят-
ся (а скорее всего, вообще сольются) три разные сегодня
музы: кино, телевидение, видео.
А что же «старушка — фотография»? Объем информации
при записи неподвижных картин значительно меньше, чем
при телесъемке, поэтому становятся возможными более про-
стые в сравнении с камкордерами технические решения.
ПЗС-фотоаппарат внешне выглядит точно так же, как обыч-
ные «Кодак» или «Зенит», к виду которых мы привыкли.
Непосредственно за объективом располагается фоточувстви-
тельная ПЗС-матрица, в боковинах, обычно занимаемых
кассетами с фотопленкой, теперь размещаются миниатюр-
ные никель-кадмиевые аккумуляторы, в остальном объе-
ме — дисковое магнитное запоминающее устройство. Диа-
метр диска, как правило, составляет 47 мм (вдвое больше
3-копеечной монеты), на нем размещается до 50 цветных
фотокадров. Отснятый материал может либо воспроизво-
диться на экране телевизора, либо с помощью принтера
печататься на бумаге. Качество электронных фотоснимков
пока еще не очень высокое и заметно уступает уровню
обычных 36-миллиметровых фотоаппаратов — ведь ПЗС-
матрица содержит около 400 тыс. элементов разложения, а
разрешающая способность фотопленки эквивалентна 3 млн.
элементов. Кроме того, большая доля вины за невысокое
качество ПЗС-фотоснимков приходится и на печатающие
устройства. Так что пути совершенствования электронной
фотографии ясны — нужны лишь время и деньги.
Каждое новое достижение электроники будет приводить
к совершенствованию и электронных фотоаппаратов, и кам-
кордеров. В последние годы в арсенале средств памяти
уверенно заявили о себе оптические дисковые накопители,
использующие лазерную запись и считывание (см. § 11). При
внешнем сходстве с магнитными накопителями они обладают
по крайней мере на порядок более высокой плотностью
записи и неизмеримо более длительным временем хранения
(до 30—100 лет). Нет сомнения, что объединение двух чудес
оптоэлектроники — фоточувствительного ПЗС и лазерного
дискового ЗУ — и создание на этой основе нового поколения
видеозаписывающих устройств не за горами.
А полупроводниковая память вообще не хочет ждать.
Уверенно перешагнув уровень 1 М (запоминание 1 млн. бит
174
информации на одном кристалле), СБИС ЗУ достигли в
конце 80-х годов отметки 4 М и приглядываются к «планке»,
поднятой на высоту 64 М. Для того чтобы попробовать, этого
вполне достаточно — уже созданы фотоаппараты, где диско-
вое ЗУ заменено полупроводниковым. Правда, пока удается
записать лишь 4 фотоснимка, но ведь субмикронная техно-
логия еще только-только оторвалась от старта, так что
прогресс неизбежен. Зато сразу же преодолеваются прин-
ципиальные недостатки дисковых ЗУ — как-никак диск
должен вращаться со скоростью 3600 об/мин, и попробуй-
те-ка при этом исключить истирание деталей или полностью
обезопасить аппарат от ударов! А твердотельный электрон-
ный фотоаппарат обещает не только качественный скачок
эксплуатационных возможностей, но и — это самое глав-
ное — достижение действительно низкой стоимости.
Рождение твердотельных теле-, видео-, фотокамер — это
не просто очередное техническое усовершенствование, пусть
даже очень существенное. Это еще и ключ к решению
экологических и отчасти социальных проблем.
...После того как в 1839 г. Л. Ж. М. Дагер сообщил
Парижской Академии наук о возможности фотографии *),
и в еще большей степени после изобретения в 1895 г.
братьями Л. и О. Люмьерами кинематографа человечество
получило не только замечательные средства овладения ми-
ром видеоинформации, но и целый ворох проблем. Особенно
острыми они стали, когда к середине 20-го века в мире
развилась мощнейшая кино-фотоиндустрия.
Каждому известно, что используемые в фотографии све-
точувствительные слои представляют собой тот или иной
галогенид серебра (так называемые AgHal-материалы).
Только наличие серебра придает этим составам целый ком-
плекс удивительных свойств: чуть ли не предельно дос-
тижимую чувствительность (по этому параметру впереди
лишь человеческий глаз), высочайшую разрешающую спо-
собность, способность различать большое число градаций
яркости, неограниченное время сохранности фотоснимков.
Однако по мере развития фото-кинопроизводства все более
ощутимым становится дефицит серебра, в некотором роде
постепенно серебро становится «на вес золота» (это не мета-
фора, в конечном счете доступность того или иного ма-
териала определяется его содержанием в литосфере — все
*) К числу изобретателей фотографии по справедливости относят фран-
цуза Ж. Н. Ньепса и англичанина В. Г. Ф. Талбота, но Дагер дал имя
новому процессу — дагеротипия — и фактически этим одним отодвинул
нежелательных соавторов в тень.
175
остальное преодолевается технологией,— а по этому пока-
зателю золото в несколько раз обгоняет серебро). Вот первая
проблема.
Но это не все, есть и вторая. Фотографический процесс
включает в качестве обязательного компонента длительную
и сложную химическую обработку фотоматериалов. Фото-
пленка не может использоваться повторно, ненужное оседает
мертвым грузом или должно уничтожаться. Извлечение се-
ребра из отходов фотопроцесса настолько рутинно и не-
производительно, что нередко им вообще пренебрегают. В
наш век малоотходных, экологически чистых технологий все
это как-то не смотрится.
И третья проблема. Все, что связано с фотографирова-
нием, осуществляется главным образом ручным трудом. И
съемки, и обработка фотоносителей, и монтаж кинолент
(ножницы и клей — по-прежнему основа этого процесса)
кустарны и слабо поддаются автоматизации или хотя бы
механизации.
Поиски путей разрешения этих проблем ведутся давно и
с большим упорством, наиболее многообещающей альтерна-
тивой представляется «несеребряная фотография». За полто-
ра века и в особенности интенсивно за последние 30—40 лет
достигнуто немало — копирование первичных изображений,
размножение чертежей и текстов. Но главное — художест-
венная фотография, требующая передачи полутонов, по-
прежнему опирается на серебряный пьедестал. В одной из
недавних обобщающих монографий сказано: «... для полу-
чения изображений несеребряные материалы не составляют
серьезной конкуренции галогенидосеребряным, и это поло-
жение, очевидно, сохранится на ближайшие десятилетия *).
Это приговор. Причем, похоже, что «приговор окончатель-
ный и обжалованию не подлежит». Неужели положение
столь безнадежно? Да, если не шагнуть куда-то вовне из
сферы сложившихся стереотипов. Там же сказано: «...пред-
ставляется более важным выдвигать и оценивать новые идеи
в области несеребряной фотографии, чем заниматься огра-
ниченной, хотя и полезной работой по техническому совер-
шенствованию уже реализованных идей».
Нет сомнения, что ПЗС относится к разряду именно
таких новых идей, похоже, что это «волосок из бороды бога»,
ухватившись за который удастся обеспечить полную и пос-
ледовательную электронизацию мира видеоинформации.
*) Несеребряные фотографические процессы /Под ред. А. Л. Карту-
жанского.— Л.: Химия, 1984.
176
ГЛАВА 4
ФОТОНЫ И БИТЫ
То, что в овладении видеоинформацией опто-
электроника достигла удивительных успехов, в общем-то не
удивительно — кому же, как не ей, сподручнее мани-
пулировать со световыми картинами. Но свойства потоков
оптического излучения и,фотонов — элементарных частичек
этих потоков — позволяют надеяться на то, что и в обычной
информатике, информатике электрических импульсов и маг-
нитных доменов, оптоэлектроника тоже может проявить
себя. Причем во всех определяющих сферах: в обработке,
передаче, хранении информации. Очень привлекательной
при этом представляется возможность взаимного преобразо-
вания оптических и электрических воздействий, что предоп-
ределяет совместимость оптоэлектронных информационных
систем с электронными и магнитными.
История распорядилась так, что началось все с оптичес-
кой связи.
§ 10. Световодная связь
Путь к триумфу. Как только ни называли наше
время? Атомный век, нейлоновый, технологический, век
национально-освободительных движений, век сексуальной
революции. Коммуникационный взрыв — тоже одна из при-
мечательных, характернейших черт современности. Вряд ли
есть необходимость обрисовывать важность связи для чело-
вечества, приводить избитые примеры, когда оперативная
надежная связь спасала кому-то жизнь, и наоборот, от
разрыва связи возникали катастрофы, вряд ли стоит восста-
навливать в памяти читателя многократно виденные им
фильмы, в которых задерганный небритый военачальник
хриплым голосом, то умоляя, то требуя, беспрерывно просит:
«Связь, связь, связь!..». Первое из четырех звеньев военной
электроники США (знаменитое C3I - communication, com-
mand, control, intelligence) образует связь.
Однако на две особенности современного состояния этой
области техники следует специально обратить внимание.
7 Ю. Р. Носов 1^7
Во-первых, это высокие темпы прироста традиционных
средств связи. Возьмем то, что под рукой,— телефон.
В начале 80-х годов на каждые 100 жителей Земли прихо-
дилось в среднем 15 телефонов — ох, как лукаво подмигива-
ет нам это среднее, сочетающее 80 телефонов на 100 аме-
риканцев с 1 телефоном на 1000, а то и на 10 000 аф-
риканцев. В 1990 г. полное количество телефонов приближа-
ется уже к 1 миллиарду. Но предел телефонного насыщения
еще очень далек: в качестве первого рубежа выдвигается
отношение «100 на 100», а идеальное будущее видится как
«200 на 100» — 2 аппарата на каждого человека. Анализ
показывает, что во всех развитых странах мира увеличение
затрат на средства связи превышает прирост национального
дохода (в процентах, разумеется).
Вторая особенность заключается в возникновении все
новых и новых видов услуг связи. Главное, что добавилось
к традиционным телеграфу, телефону, радио и телевидению,
это локальные линии передачи данных, которыми оперируют
ЭВМ. Выяснилось, что компьютеры не менее чем люди
склонны к общению друг с другом, объединение их единой
сетью связи оказывается очень полезным. Простой пример:
ночное машинное время стоит дешевле дневного, поэтому
некоторые английские фирмы абонируют американские ком-
пьютеры в ночные для США часы, общаясь с ними через
каналы спутниковой связи. В выигрыше оказываются обе
стороны. Кабельное телевидение (КТВ), видеотелефон, те-
лекс, телетекс, видеотекс, телефакс, телефото, телетекст,
биоэлектросвязь (телеметрия биоинформации — медконт-
роль и медобслуживание по проводам) — одно лишь перечи-
сление терминов показывает, как расширилась сфера связи.
Развитие телекоммуникаций стало обязательным условием
компьютеризации общества и в то же время частью ее.
Однако быстрое развитие сети электросвязи натал-
кивается на целый ряд сложных технических и эконо-
мических проблем, среди которых на одном из первых мест
находится «теснота», образовавшаяся в традиционных кана-
лах связи.
Известно, что достижимая скорость передачи инфор-
мации тем больше, чем выше рабочая частота канала /.
Поэтому вся история развития связи — это продвижение
вверх по шкале частот (или вниз по шкале длин волн): от
низкочастотной проводной связи к коаксиальным кабелям и
радиоволнам и сверхвысоких частот. Техника последователь-
но осваивала метровый, дециметровый, сантиметровый диа-
пазоны, а сейчас бьется над миллиметровым. И каждый
178
новый диапазон давал что-то новое: от телеграфа и телефона
к радио и телевидению.
Всеохватывающая тенденция развития связи распростра-
нилась не только на частотные свойства каналов, она затро-
нула и расстояния между соединяемыми объектами. Сегбдня
нас удовлетворяет лишь глобальная связь, т. е. возможность
осуществления надежной дешевой связи на любые рассто-
яния. А расстояния эти могут быть и сверхдальними, и
сверхкороткими. Расстоянием около 1 мкм разделены эле-
менты в современном транзисторе, на расстояниях 0,01
-s- 1 см необходимы связи внутри кристалла интегральной
схемы, на единицы и десятки сантиметров разнесены инте-
гральные схемы друг от друга на плате. Блоки аппаратуры
требуют для своего соединения коммуникаций длиной в
единицы и десятки метров, а выносные терминалы нередко
отстоят от центрального процессора на расстояние вплоть до
нескольких километров. Городская, региональная, зоновая
связь простирается на сотни километров, дальняя маги-
стральная связь ограничена лишь размерами континентов,
океанов или всего земного шара.
Связь не только многое дает компьютеризации, но и
многое берет у нее: важнейшее — это замена аналоговых
сетей цифровыми и совмещение передачи сигналов с их
обработкой (телематика). Электрические сигналы, в которых
закодированы человеческая речь или ТВ-кадр, являются
аналоговыми: они представляют собой замысловатую не-
прерывную кривую с резкими всплесками (крик) и про-
валами с плавным дальнейшим течением (шепот). Кривую
эту по всему тракту, через все антенны, соединители, уси-
лители надо передать без искажений, иначе получится, что
в Москве в студии исполняют «Модерн токинг», а в Хаба-
ровске слышат «хард-металл». Надо-то надо, но как? Чем
больше бились над этой проблемой, тем яснее становилось,
что никакое усовершенствование аппаратуры не может ее
решить. Спасает лишь новый принцип — переход от анало-
говой информации к цифровой, в связи—это импульсно-ко-
довая модуляция (ИКМ). С помощью специальной процеду-
ры, называемой дискретизацией, аналоговый сигнал заме-
няется последовательностью одинаковых по амплитуде очень
коротких импульсов — их количество, вернее, плотность на
оси времени и несет в себе всю необходимую информацию.
Появился специальный класс интегральных схем, обслужи-
вающих ИКМ: на передающем конце—это аналого-цифро-
вые преобразователи (АЦП), на приемном — цифро-анало-
говые (ЦАП). А в канале связи теперь вместо электрического
179
всплеска мы будем иметь дело с очень густым частоколом
импульсов, при передаче «впадины» импульсы, напротив,
очень редки. Передать импульс гораздо проще: как бы он ни
исказился, его все-таки не потеряешь, а каким он придет на
приемный конец, неважно, потому что там импульсы просто
подсчитываются. (Описанное — лишь одна из простейших
схем ИКМ.)
Переход к ИКМ резко повышает надежность и дальность
связи, но вместе с тем требует существенного улучшения
частотных свойств каналов. Чем точнее мы хотим закодиро-
вать аналоговый сигнал, тем большим числом импульсов это
приходится делать, а значит, они должны быть короче и
канал связи за то же время должен пропускать большее число
импульсов. В обмен на точность, надежность, дальность ИКМ
потребовала широкополосности, а традиционные коммуни-
кации не всегда могут предоставить то, что необходимо. Вот
поэтому-то связисты неустанно ищут новые средства пере-
дачи информации, и в последнее время наибольшие надежды
возлагаются на волоконнооптические линии.
Волоконнооптические линии связи (ВОЛС), называемые
также световодными системами, волоконнооптическими ли-
ниями передачи, представляют собой принципиально новый,
отличный от всего предыдущего вид связи. Эта новизна
заключается в двух основных моментах: во-первых, инфор-
мация передается не электрическими и не радио-, а свето-
выми импульсами (точнее, оптическими импульсами ближ-
него ИК диапазона) и, во-вторых, эти световые посылки
распространяются внутри очень тонких длинных волокон из
прозрачного кварца. Как пояснял один из популяризаторов,
«луч света проходит по оптическому волокну подобно пуле,
летящей в стальной трубе и рикошетирующей от ее стенок».
Подобно, но не так, заметим мы от себя,— механизм
распространения света, конечно же, иной, чем полет пули.
Отличия ВОЛС от предшественников в деле передачи инфор-
мации оказались столь существенными и столь привлека-
тельными, что это дало право одному из апологетов нового
вида связи сопоставить его по значимости с изобретением
паровой машины, электрической лампочки и транзистора.
Если выше, говоря о развитии индикаторов, мы употребили
понятие бум, то в применении к тому, что происходило с
оптической связью, следовало бы использовать (бум)2 или
даже (бум)3.
...Историю оптической связи принято начинать с сигналь-
ных костров, которыми пользовались наши далекие предки
для предупреждения о приближении врагов. Затем подробно
180
с иллюстрациями и цитатами из первоисточников описыва-
ется зеркальный телеграф, действительно существовавший
во Франции и кое-где еще в XVIII—XIX веках. Порой
подробно и всерьез анализируются трубчатые светопроводы
со встроенными в них линзами, проектировавшиеся в первой
половине XX века. Желающие детально познакомиться с
этой световодной экзотикой могут, например, обратиться к
популярной брошюре Т. Оокоси «Оптоэлектроника и опти-
ческая связь» (Мир, 1988).
Мы здесь не излагаем эту общепринятую предысторию
волоконнооптической связи не потому, что она уже много-
кратно описана, но потому, что ни сигнальные костры, ни
зеркальные семафоры не составляют ее предысторию — в
этом наше глубокое убеждение. Все эти очевидные анах-
ронизмы, не получившие реального технического развития,
имеют такое же отношение к ВОЛС, какое можно было бы
усмотреть между чудо-блохой лесковского Левши и микро-
электроникой или между шарманкой и магнитофоном. Ха-
рактерный штрих. В 1970 г. один из наиболее авторитетных
американских журналов — труды Общества радиоинжене-
ров (Proceedings of the IEEE) — посвятил проблеме оптиче-
ской связи специальный выпуск. Номер издавался как юби-
лейный и назывался «Десятилетие оптической связи». Его
составители вели начало отсчета, конечно же, не от сигналь-
ных костров древности и даже не от появления стекловоло-
конных жгугов (что могло бы представиться вполне логич-
ным), а от времени изобретения лазера, ставшего первым
реальным средством оптической связи.
Тончайшие волоконные световоды, объединяемые в жгу-
ты, широко использовались, начиная с 50-х годов XX века,
с целью передачи света по криволинейным траекториям. Они
получили распространение в приборостроении для подсветки
труднодоступных мест, для преобразования формы светового
луча, для ряда других применений, их стали широко исполь-
зовать в медицине в качестве эндоскопов, вводимых внутрь
человеческого организма, их демонстрация широкой публике
всегда вызывала удивление и восхищение.
Волоконная оптика — так назвали это техническое
направление — получила обширную прессу: журнальные
публикации, монографии, конференции. Но никто из ав-
торитетов не представлял, что эти, приблизительно метро-
вые, волокна смогут когда-нибудь вытянуться в километро-
вые нити, никто не предсказывал их коммуникационного
будущего. И понятно почему — дело было не только в
низкой прозрачности волокон (пройдя метровую длину, свет
181
угасал наполовину), самое главное — не было источника
излучения, который смог бы запустить мощный луч в тон-
чайшее, тоньше волоса, волокно. Лишь изобретение лазера
кардинально изменило ситуацию.
Поэтому-то составители упомянутого выпуска почтенно-
го журнала и повели отсчет оптической связи от года появ-
ления лазера (1960 г.). И что же? После анализа на двухстах
страницах различных лазеров и фотоприемников, схем их
оптимального включения и согласования, условий и особен-
ностей распространения лазерных лучей в атмосфере, опыта
эксплуатации первых линий лазерной связи следовало общее
откровенно пессимистическое резюме: прошедшее десяти-
летие не привело к сколько-нибудь значимым практическим
успехам, более того, и перспектив-то не видно. Проблема
фактически закрывалась, говоря попросту, это были «похо-
роны по первому разряду».
А между тем еще за 4 года до этого появилась статья
англичанина Као, сумевшего отойти от идеологии открытой
оптической связи, мысленно объединить лазер и оптическое
волокно и предсказать возможность волоконнооптической
связи, если волокно сделать достаточно прозрачным. Именно
от этого 1966 г. и ведут обычно отсчет подлинной истории
ВОЛС, хотя предсказание Као осталось незамеченным и
могло бы вообще затеряться, если бы... По иронии судьбы
как раз в 1970 г., когда авторитеты вынесли приговор опти-
ческой связи, именно в июле 1970 г. специалисты амери-
канской стекольной фирмы «Корнинг глас» сообщили об
изготовлении кварцевого волокна с потерями пропуска-
ния 16 дБ/км *), что было даже меньше пороговой цифры
(20 дБ / км), приведенной в статье Као. На таком волокне и
с имевшимися тогда лазерами можно было начинать строить
системы. Техника получила световод, который в отличие от
его мнимых предшественников представлял целостную кон-
струкцию, не содержащую набора линз, зеркал или других
оптических элементов. Отсюда автоматичеки следовали та-
кие качества нового средства светопередачи, как надежность,
простота изготовления и эксплуатации, дешевизна. Разуме-
ется, пока еще утверждения об этих свойствах могли делать-
ся лишь в качестве принципиальной их достижимости. Но-
вые световоды, внешне подобные обычным металлическим
проводам, тонкие и гибкие, были удобны для прокладки в
существующих подземных кабелепроводах, в стенах зданий,
*) Эта единица измерения потерь, читаемая как «децибел на километр»
объяснена на с. 190.
182
в монтажных жгутах радиоаппаратуры. А затухание свето-
вого импульса в них было столь незначительно, что его
можно было передать на 1—2 км, на приемном конце уси-
лить до первоначального вида (регенерировать), вновь пере-
дать еще на 1—2 км и т. д.
Так занялась заря волоконнооптической связи, занялась
вопреки прогнозам скептиков, благодаря мощному техноло-
гическому прорыву. И началось. Десятки фирм, лабораторий
включились в увлекательную гонку: кто быстрее сделает
волокна более качественными, более длинными, более деше-
выми. Первые кварцевые волокна были двухслойными: сер-
дцевина диаметром 50 мкм состояла из кварца очень высокой
чистоты, наружная оболочка диаметром 125 мкм чуть-чуть
отличалась от сердцевины оптическими свойствами. Лучи
света распространяются внутри сердцевины, отражаясь от
оболочки и послушно следуя за всеми изгибами волокна. И,
вопреки сложившимся житейским представлениям о хруп-
кости стекла, волокно оказалось очень прочным: если его
тщательно изготовить, без царапин и трещин, то по проч-
ности оно в несколько раз превосходит сталь.
На первых порах особенно много усилий затрачивали на
очистку кварца, и не зря — уже к 1974 г. получили волок-
на с затуханием около 2 дБ/км, что позволяло увели-
чить длину отрезка линии между двумя регенераторами до
10—20 км. Это уже была не просто демонстрация возмож-
ности передачи информации светом — новые волокна по
дальности передачи превзошли металлические провода. Рез-
ко ускорилось развитие лазеров: хотя гетеролазеры уже
давно были созданы, их производство и применение факти-
чески отсутствовало. А без этого, как известно, всегда хро-
мают такие показатели, как надежность, долговечность,
эксплуатационные свойства, стоимость. Получился типич-
ный замкнутый круг: массового потребителя не устраивали
привлекательные, но изобиловавшие многими дефектами
дорогие «игрушки», а производители не очень-то расщедри-
вались на совершенствование неходовых изделий...
Оптическая связь разорвала этот порочный круг и вывела
лазеры из «застойного периода» — началось их массовое
производство, стали появляться все более совершенные кон-
струкции, резко улучшились характеристики и главное —
что многим вообще казалось непреодолимым — удалось
устранить отказы. Долговечность лазеров от сотен часов
возросла до десятков и сотен тысяч часов.
Создатели ВОЛС научились сращивать волокна друг с
другом и одевать их в защитную рубашку, создавая тем
183
самым кабели «бесконечной» длины; были разработаны оп-
тические разъемные соединители, разветвители, переключа-
тели. Начался инженерный период в жизни ВОЛС с его
победами, уступками и компромиссами, каждодневной ру-
тиной, скрупулезным собиранием зернышек экономической
эффективности, стандартизацией и унификацией. Замель-
кали сообщения о прокладке то в одной, то в другой стране
волоконных коммуникаций длиной в десятки, а то и в сотню
километров: к концу 70-х годов превышен рубеж 1000 км.
Выигрышным оказалось применение ВОЛС и на очень ко-
ротких расстояниях в условиях индустриальных предприя-
тий, внутри зданий. Нередко там, где физически сложно, а
то и вообще невозможно было проложить новый телефонный
кабель, проблему расширения каналов связи успешно ре-
шали ВОЛС. Наряду со всем этим непрерывно росла и
пропускная способность волоконных световодов.
Для характеристики этого показателя канала связи ис-
пользуются два параметра: упомянутая ранее максимальная
рабочая частота /макс (Гц) и максимальная скорость передачи
цифровой информации Гмакс (бит/с). Но для большей на-
глядности можно ввести еще и такую обобщенную ха-
рактеристику, как число одновременно передаваемых по
этому каналу телефонных разговоров Как это? Мы не
очень-то помним, а подчас и просто не знаем (хотя и не
смеем в том признаться), что по одному проводу, например,
между Москвой и Санкт-Петербургом передается одновре-
менно 120, а то и 600 телефонных разговоров. Диапазон
звуковых частот человеческой речи простирается от 100 Гц
до 3—4 кГц, или, как говорят, занимает полосу частот
приблизительно в Д/^ф = 3—4 кГц. Если частотные возмож-
ности кабеля значительно шире, то полезным оказывается
принцип частотного разделения каналов: первый телефон-
ный разговор ведут в том диапазоне, который мы указали, а
второй с помощью специальной аппаратуры переводят в
более высокочастотную область (разумеется, сохраняя для
него полосу ДДф), третий поднимают по шкале частот еще
выше и так до тех пор, пока не исчерпывают все частотные
возможности канала. Проходя по тракту, все эти разноча-
стотные разговоры не смешиваются друг с другом, на прием-
ном конце их разделяют специальными частотными фильт-
рами и дальше по обычным проводам отсылают каждый
своему абоненту. Чтобы разговоры не наползали друг на
друга, полосу частот, отводимую каждому из них, делают
равной Д/тф = 5 кГц. Таким образом, всего по одному тракту
можно одновременно пропустить = f / Д/-^ телефонных
184
разговоров, если величина / очень велика, то можно исполь-
зовать другую меру — число одновременно передаваемых
телевизионных программ которое рассчитывается точно
так же, только А/тв ~ 6 МГц.
Вернемся, однако, к ВОЛС. Их технический уровень кон-
ца 70-х годов характеризовался значением N^ = 103—104.
Это заметно превосходило возможности кабельной связи.
И тем не менее, несмотря на быстрое развитие и распрост-
ранение ВОЛС, серьезной конкуренции с металлическими
коммуникациями пока еще не возникло.
А физикам не терпелось, они подталкивали инженеров
на новые технологические подвиги, подобно тому как в
эскимосской упряжке задние собаки подкусывают передних,
не желая видеть, что передним приходится пробиваться в
толще снега. Исследования показали, что очень выгодно
сместиться в более длинноволновую область оптического
спектра, чем та, в которой работали существующие гетеро-
лазеры (Аизл ~ 0,82 мкм). Когда изготовили излучатели с
длиной волны в диапозоне Яизл =1,3-5- 1,55 мкм, удалось
снизить затухание сигнала в волокнах до 0,2 дБ/км. Не
менее важным было и то, что волокна в этой области
обеспечивали очень малое искажение формы передаваемых
световых импульсов. С начала 80-х годов началось развитие
ВОЛС второго поколения, и уже к 83-му году изготовили
отрезки длиной более 100 км, по которым без регенерато-
ров-усилителей одновременно можно было передавать 20 ты-
сяч телефонных разговоров. Преимущество ВОЛС перед
металлическими коммуникациями стало очевидным, и новая
идеология связи заняла господствующее положение.
Тогда-то зародились и начали реализовываться прес-
тижные гигантские проекты транс- и межконтинентальных
линий. Особенно полно вся совокупность достоинств ВОЛС
демонстрируется подводными коммуникациями — долговеч-
ность и надежность их должны быть прямо-таки фантасти-
ческими, кому же захочется заниматься ремонтными рабо-
тами на дне океана! Уже в 1985 г. ВОЛС поднырнула под
Ламанш, в 1988 г. вступила в строй трансатлантическая
линия ТАТ-8, соединившая Америку с Европой. А в неда-
леком будущем ВОЛС соединят Австралию с Америкой
и Азией.
Кажется, и нашему пещерному уровню в технике ВОЛС
(в 1987 г. самая протяженная экспериментальная линия
была проложена между Санкт-Петербургом и Сосновым
бором на 121 км (!?)) может прийти конец. В 1989 г. дос-
тигнуто соглашение с компаниями США, Японии, Дании о
185
прокладке по территории СССР кругосветной ВОЛС, которая
пересечет Европу, Азию, Америку, а также Тихий, Атлан-
тический и Индийский океаны. Когда?..
А физикам по-прежнему неймется. В лабораториях уже
продемонстрированы ВОЛС, по которым одновременно мож-
но передавать до 30 миллионов телефонных разговоров.
Показано — правда, пока лишь теоретически — что, пере-
бравшись в еще более длинноволновую область оптического
спектра, можно будет увеличить безрегенераторный отрезок
линии до 1000 км, а то и больше. А в некоторых специальных
волокнах с дополнительной лазерной подкачкой энергии уже
удалось передать световой импульс длительностью 50 пс на
расстояние 4000 км (!), и он при этом сохранил и свою
форму, и амплитуду. Пожалуй, достаточно, пора перевести
дух и попробовать разобраться, на каком фундаменте все это
основано, каковы физические и технологические пред-
посылки столь бурного прогресса, что за неугомонные бесе-
нята вселились в ВОЛС и подстегивают их — «вперед,
вперед, вперед»?
Эти удивительные волокна. Классическое оптическое
волокно (рис. 45) представляет собой двухслойный световод:
внутренняя его сердцевина оптически более плотна, чем
Рис. 45. Полное внутреннее отражение — основа распространения световых
лучей в двухслойном волоконном световоде
наружная оболочка. Это означает, что показатели прелом-
ления этих двух частей связаны неравенством пс > по^
В этом случае для части световых лучей, введенных в
сердцевину через торец, выполняется условие полного внут-
реннего отражения: энергия такого луча при падении на
границу сердцевина-оболочка полностью переходит в энер-
гию отраженного луча, преломленный луч, уходящий в
оболочку, вообще не образуется.
Хотя траектория каждого из лучей представляет собой
ломаную линию, световой поток в целом распространяется
вдоль оси волокна. Подчеркнем еще раз, что условие полного
внутреннего отражения выполняется лишь для части лучей,
186
образующих с осью световода небольшие углы. Простейшие
выкладки с использованием школьных знаний о связи углов
падения, отражения и преломления приводят к такому вы-
ражению (желающие вправе проверить автора):
sin <р0 = NA = V2nc Дп,
где •Дп = пс - по6. Величина sin <pQ называется числовой
апертурой волокна, NA — ее английская аббревиатура.
Лучи внутри угла называют апертурными, вне этого
угла — внеапертурными. Внеапертурные лучи, падая на
границу сердцевина — оболочка, каждый раз делят свою
энергию между отраженным и преломленным лучами; пре-
ломленные лучи выходят в оболочку, а затем и вообще из
световода и безвозвратно теряются. После многих актов
отражения от границы сердцевина — оболочка внеапертур-
ные лучи полностью вытекают из сердцевины.
Из формулы для NA видно, что для увеличения чис-
ловой апертуры (а это облегчает ввод света) следовало бы
увеличивать Дп, однако если материалы сердцевины и
оболочки слишком разнятся, то между ними возникает
термическое рассогласование и волокно трескается. Поэто-
му ищут какой-то компромисс, реально удается выполнить
Дп = 0,02 ч- 0,005.
Если волокно изогнуть (но не очень резко), то все
геометрические соотношения для углов падения, отражения
и преломления остаются практически неизменными только
чуть-чуть уменьшается апертурный угол ^>0- Это означает,
что световой поток послушно следует за всеми изгибами
световода, распространяясь по любой криволинейной трае-
ктории (хотя по-прежнему от границы до границы отрезок
каждого луча строго прямолинеен). Практически стандарт-
ное волокно с диаметром сердцевины 50 мкм можно навивать
на палец.
Такое непривычное распространение светового потока
впервые экспериментально было продемонстрировано
Дж. Тиндалем членам Лондонского Королевского общества
в 1870 г. Этот опыт можно воспроизвести самостоятельно
(рис. 46). Когда нижнее отверстие в сосуде открывается, свет
лампочки распространяется внутри вытекающей струи.
В этом эксперименте роль оболочки играет воздух (пс ~
~ 1,33, поб = 1), а струя видится нам освещенной потому,
что часть световой энергии просачивается наружу из-за
дрожания границы вода — воздух.
Теоретические рассуждения говорят нам о том, чтб надо
сделать, но не говорят — как: здесь начинается область
187
экспериментов, изобретательства, проб и ошибок, область
технологии. На сегодня разработано немало способов из-
готовления волокон. Оптические волокна 50-х годов из-
готавливали из многокомпонентных стекол: в порошок
Рис. 46. Опыт Тиндаля.
Повторяя его, не забудьте
хорошо защитить металли-
ческие элементы от дейст-
вия воды
диоксида кремния SiO2 как основы добавляются в качестве
добавок окислы Na2O, CaO, MgO, А12О3 и другие, смесь
тщательно перемешивается и расплавляется в огнеупорном
тигле. Изменяя состав, легко управлять в широких преде-
лах величиной показателя преломления и. Стержень из
стекла одного состава плотно вставляли в трубку из стекла
другого состава, затем, непрестанно вращая, их спекали
вместе на огне газовой горелки, и когда вся структура
размягчалась, растягивали ее в длинную тончайшую нить.
Вроде бы все просто и хорошо управляемо, но высокая
светопроводимость при этом не получается. Во-первых, ис-
ходные стекла не удается изготовить достаточно прозрач-
ными, а, во-вторых, граница сердцевина—оболочка всегда
получается несовершенной — как ни очищай заготовки,
нежелательные загрязнения на контактирующих поверхно-
стях все равно остаются.
Волокна для линий связи изготавливают обычно методом
химического парафазного осаждения кварца (рис. 47). Че-
рез разогретую кварцевую трубку пропускают газовую смесь
четыреххлористого кремния и кислорода. Внутри трубы в
зоне ее нагрева до 1400 °C в этой смеси происходит реакция
с образованием кварца (его химическая формула SiO2),
который оседает на стенках трубы. Спустя некоторое время
в газовую смесь добавляются окислы бора или германия, при
этом оседает легированный кварц с немного увеличенным
значением п. После получения слоев требуемой толщины
"трубу нагревают до размягчения и «схлопывания» — так
образуется исходная двухслойная заготовка. Газообразные
188
реактивы могут быть тщательно очищены, процесс осаж-
дения протекает в комфортных условиях, поэтому заготов-
ки очень качественны. Описанный процесс получения заго-
товки легко управляется и контролируется главным образом
через состав и скорость газового потока и температуру
нагрева трубы.
Впечатляет и установка для перетяжки заготовок в во-
локно. Когда на вибрирующем телескопическом лифте
поднимаешься на ее верхнюю пло-
щадку, расположенную на высоте
трехэтажного дома, как-то даже не
верится, что все это огромное соо-
ружение предназначено для изго-
товления тончайшего волокна. На
самом верху заготовка разогревает-
ся и размягчается и вниз тянется все
утончающаяся нить, которая где-то
на уровне второго этажа приобрета-
ет заданный диаметр. А дальше,
еще очень горячая, она проходит
через экструзер с расплавом поли-
мера и выходит из него в защитной
пластмассовой рубашке, надежно
залечивающей случайные трещин-
ки и царапинки на поверхности во-
локна и не дающей им разрастаться.
Толщина такого волоконного моду-
ля составляет 0,6 ч- 0,8 мм.
В реальных условиях эксплуа-
тации используются, конечно, не
волокна и не модули, а волоконно-
оптические кабели. Для этого не-
сколько модулей, например 4, вме-
сте с упрочняющими полимерными
нитями спирально обвивают вокруг
осевой утолщенной нити, а поверх
всего создают многослойную поли-
мерную оболочку, защищающую
метим, что сделать надежный качественный кабель ничуть
не проще, чем получить сверхчистое волокно — первые
экспериментальные ВОЛС страдали не столько от низкого
светопропускания, сколько от полевых грызунов и насеко-
мых, неравнодушных ко многим полимерам).
Кроме стеклянных и кварцевых волокон, научились из-
готавливать полимерные волокна — технология их очень
Рис. 47. Как изготавлива-
ется заготовка для вытяги-
вания кварцевых волокон-
ных световодов
волокна от влаги (за-
189
проста, материалы дешевы, но достигутного светопропуска-
ния хватает лишь линиям длиной не более нескольких
десятков метров.
При изготовлении волокон обязательно контролируют
потери пропускания светового сигнала и спектральную
зависимость этих потерь. Во входной торец световода вво-
дится лазерный поток точно известной мощности Рвх, а на
втором конце световода с помощью фотодиода измеряют
выходную мощность РВЬ1Х. Поскольку ослабление сигнала
может достигать десятков, сотен, тысяч раз, то удобно
оперировать с логарифмическими величинами. Потери про-
пускания света, отнесенные к единице длины волокна, опре-
деляют так:
1 р
В = - • 10 1g —— децибел/километр (дБ/км),
*-• ^вых
здесь L — длина контролируемого отрезка волокна, км.
Если L = 1 км и РВЬ1Х = 0,1Рвх, то В = 10 дБ/км, а если
Рвых = 0,01Рвх, то В = 20 дБ/км.
Выше мы приводили такую рекордную по малости потерь
цифру, как 0,2 дБ/км. Для сравнения укажем, что, на-
пример, оконное стекло характеризуется потерями В =
— 100000 дБ/км. Это значит, что через 2,5-километровую
толщу рекордного волокна все видится так же, как через
оконное стекло толщиной 5 мм.
Спектральные зависимости В = f (Л) для разных воло-
кон достаточно однотипны и имеют вид спадающей вправо
зазубренной кривой (рис. 48). С ее расшифровкой пришлось
Рис. 48. Сложный спектр
поглощения излучения в
кварцевом волокне
повозиться. Во-первых, существует механизм поглощения
излучения, вызванный электронными переходами в атомах
кремния и кислорода. Но интенсивно этот механизм работает
лишь в ультрафиолетовой области, а при Л ~ 1 мкм вызыва-
емые им потери не превышают 0,01 дБ/км. Во-вторых,
190
поглощение может быть обусловлено возбуждением молеку-
лярной связи Si—О; оно, напротив, значительно лишь в
дальней инфракрасной области, а при А < 1,5 мкм не пре-
вышает 0,02 дБ/км. Слава богу, эти физически неуст-
ранимые механизмы оставляют в кварце «окно» высочайшей
прозрачности вблизи Л » 1 -s- 1,5 мкм.
К сожалению, это пока не все. Как бы тщательно ни
осаждалась кварцевая пленка, она всегда содержит микроне-
однородности, обусловленные флуктуациями состава в объе-
ме,— где-то чуть-чуть больше кремния, а где-то — кисло-
рода. И это тоже неустранимо — таковы неумолимые законы
статистики. А любая неоднородность — это источник рассея-
ния световой волны, изменение же ее направления может
привести к выходу из апертурного угла и, как следствие,
к уходу в оболочку. Процесс рассеяния света на очень
мелких неоднородностях (с размерами, много меньшими
длины волны света) исследовал знаменитый английский
физик Дж. Рэлей и еще в 1871 г. установил, что вызываемые
этим рассеянием потери обратно пропорциональны Л4. Расчет
и эксперимент применительно к кварцу показывают, что
рэлеевские потери составляют 0,14 дБ / км при А = 1,5 мкм.
(Заметим, что абсолютная величина этих потерь все-таки
зависит от технологии осаждения кварца, главным образом
от температуры, поэтому сохраняется надежда на сниже-
ние потерь.)
Все перечисленные потери относятся к категории собст-
венных, как говорят, фундаментальных — они обусловле-
ны свойствами чистого кварца. Но есть еще и загрязнения.
Медь, железо, никель, хром, магний порождают интен-
сивные полосы поглощения вблизи Л ~ 1 мкм. Единственный
способ борьбы — очистка исходных реактивов до уровня де-
сятимиллионных долей процента. Этому научились. А вот от
следов воды в кварце избавиться не удается, но, к счастью,
поглощение, связанное с гидроксилом ОН, характеризуется
отдельными острыми пиками (зазубринками на рис. 48), и
для работы всегда можно отыскать подходящий «провал»
между ними.
Рассеяние и поглощение света вызывается такими несо-
вершенствами, как колебания диаметра сердцевины по длине
волокна, незначительной эллиптичностью сердцевины, мик-
ротрещинками, возникающими в процессе изготовления или
при эксплуатации, дефектами, создаваемыми космическими
лучами и другими видами радиации.
Вот, пожалуй, и все о потерях в световодах — в очеред-
ной раз мы видим, что красивая физическая идея может
191
умереть, если ее не подкормить сверхчистыми материалами
и прецизионной технологией.
Но после того, как достигли высокой чистоты волокон,
поняли, что загрязнения — это цветочки, а ягодки впере-
ди. Импульс может почти без ослабления пройти через
отрезок волокна, нигде не затеряется, но при этом так
расползется вширь, что никакая электроника его не рас-
познает. Иными словами, кроме амплитудных могут быть
еще и частотные, временные искажения передаваемого сиг-
нала. А следствие этого — наложение соседних импульсов
друг на друга, частичное или полное их слияние и, в
конечном счете, ошибки в передаче информации. Известно,
что любой оптический материал обладает дисперсией. Ис-
следования кварца показали, что количественная мера это-
го нежелательного эффекта составляет —120 пс/(км-нм).
Если в качестве излучателя используется самый обычный
гетеролазер с ’ДА « 2 нм, то размытие фронта светового
импульса при прохождении отрезка волокна длиной в 1 км
составит примерно
120 пс/(км нм) х2нмх 1км~ 0,24 нс.
Много это или мало и с чем это сравнивать, будет видно
из дальнейшего. А сейчас еще немного о дисперсии. Оказа-
лось, что приведенная числовая величина справедлива лишь
для GaAlAs-лазеров, т. е. при Лизл « 825 нм. Если же увели-
чивать длину волны, то дисперсия уменьшается и при Аизл ~
«1,27 мкм становится «нулевой» (так было сказано в первой
статье, посвященной этому эффекту). Вот поэтому-то сдвиг
в область, близкую к А « 1,3 -ь 1,55 мкм, столь желателен:
здесь одновременно уменьшаются и потери, и дисперсия.
Все сказанное относится к размытию светового импуль-
са, обусловленному свойствами кварца как светопроводя-
щей среды, но, к сожалению, это отнюдь не единствен-
ный эффект.
Приглядимся повнимательнее к светопередаче по волок-
ну, проиллюстрированной на рис. 45. Луч, распространя-
ющийся строго вдоль оси волокна, и луч, упавший на торец
под углом у?0, оба дойдут до выходного конца световода, и
это нас радует — световая энергия не растерялась по дороге.
Но нельзя не увидеть и другое: пути, пройденные этими
двумя лучами, различны, а значит, различно и время, через
которое они попадут на выход. Происходит «завал» фронтов,
прямоугольный на входе световой импульс превращается в
трапецеидальный на выходе. Это явление называют дис-
персией волокна или волноводной дисперсией, его количес-
192
твенная характеристика — постоянная дисперсии т — лег-
ко рассчитывается (с учетом размерного коэффициент):
т ~ NA2, мкс/км. При этом выводе учтено, что Ап « и,
а п ~ 1,5. Для типичных световодов NA ~ 0,2, значит, про-
ходя каждый километр по такому волокну, фронт «зава-
ливается» на 40 нс. Эффект, как видим, значительно
более существенный, чем дисперсия в кварце. В первом
приближении это эквивалентно рабочей частоте волокна
/макс = 4 МГц-км. По такому светопроводу короткие им-
пульсы или быстро меняющийся аналоговый сигнал далеко
не передашь. Что же делать? Из формулы для т это вроде бы
ясно — уменьшать числовую апертуру. Но при этом умень-
шается и мощность потока, вводимого в волокно,— полу-
проводниковый лазер излучает в довольно широком прост-
ранственном угле, а мы из всего этого вырежем лишь узкую
часть. Так что этот путь — уменьшение NA —путь комп-
ромисса, и очень далеко по нему не продвинешься, можно
получить лишь небольшие выгоды.
Выход нашли в другом. Если оптическую плотность
кварца, его показатель преломления п менять от центра
волокна к периферии не резко, ступенчато, как это про-
исходит на границе сердцевина — оболочка, а постепенно,
плавно, то характер распространения световых лучей суще-
ственно изменяется (рис. 49). Ломаные линии превращаются
Рис. 49. В градиентном волоконном световоде световые лучи распространя-
ются по синусоиде или скручиваются в спираль
в синусоиды или в винтовые линии, к этому приводит
явление рефракции — искривление световых лучей в неод-
нородной оптической среде. Однако распространяясь по раз-
ным траекториям, два луча, упавшие в одну точку торца
световода под разными углами, пройдя некоторое рассто-
яние, вновь встречаются в одной точке — и так многократно
по всей длине волокна. Световод обладает свойством само-
фокусировки лучей, поэтому он получил название селфок
(от анг. self focuse); в дальнейшем более употребительным
стал термин градиентное волокно, учитывающий наличие
того или иного изменения показателя преломления вдоль
радиуса, т. е. наличие градиента п (г). Но ведь и в гра-
диентном волокне луч /, распространяющийся вдоль оси, и
луч 2, пробегающий полусинусойду, проходят до встречи в
точке фокуса разные расстояния. Что же мы приобрели в
193
сравнении со ступенчатым волокном? А вот что. Осевой
луч 1 распространяется в области максимальной оптической
плотности, а значит, с минимальной скоростью — напом-
ним, что скорость света в веществе равна с/п, где с — его
скорость в пустоте. А синусоидальный луч 2 большую часть
пути проходит в среде с меньшей оптической плотностью,
скорость его выше, чем у луча /. Вот и получается, что при
различии длин путей времена их прохождения могут быть
одинаковыми — надо только не лениться и подобрать нуж-
ный закон изменения п = f (г). А это — в наш век поваль-
ного увлечения математическим моделированием — толь-
ко бросьте клич! Толпы теоретиков-расчетчиков букваль-
но набросились на оптимизацию градиентного волокна, и в
2—3 года проблема была полностью «обглодана». Нужный
профиль распределения п (г) нашли, однако выявились
некоторые «но». Во-первых, даже незначительное откло-
нение от теоретической кривой приводит к заметному раз-
балансу времен распространения. Во-вторых, достигнутая
компенсация справедлива лишь строго для одной длины
волны света А, а реальный поток охватывает некоторую
полосу ДА. И, наконец, в-третьих, предложенную кривую
практически реализовать невозможно — технология не
имеет такого средства (пожалуй, именно с этого следовало
бы начать, тогда «во-первых» и «во-вторых» потеряли бы
смысл). И тем не менее как-то приблизиться к требованиям
теоретиков удавалось, поэтому градиентное волокно по-
лучило широчайшее распространение. По сравнению со сту-
пенчатым волокном волноводная дисперсия уменьшилась в
десятки раз. Именно градиентные волокна практически пов-
семестно использовались в ВОЛС 70-х годов. Но... «все течет,
все меняется». В самом принципе приравнивания различных
лучей друг с другом есть что-то искусственное, поэтому чуть
что не так — технология «сползла», температура измени-
лась, поставили другой излучатель — и сразу же возникает
разбаланс. Достижение сверхмалой дисперсии в градиент-
ном волокне — задача трудно разрешимая.
И вот от сложного снова вернулись к простому, к двух-
слойному волокну со скачкообразным изменением по-
казателя преломления. Но это была простота на новом, как
говорится, качественно ином уровне. Если диаметр серд-
цевины уменьшить, то число лучей, которые имеют пра-
во в нем распространяться, становится все меньшим и
меньшим. Мы не оговорились — именно число лучей. Стро-
гий математический анализ показывает, что распростра-
няться по волокну могут не любые лучи с <р < <р0. Ока-
194
зывается, углы <р должны принимать лишь некоторые опре-
деленные (квантованные) значения, а значит, их всегда
конечное число. Ситуация здесь в точности такая же, как и
в СВЧ резонаторах, где могут существовать лишь определен-
ные, а не любые радиоволновые колебания. Эти «разре-
шенные» лучи и соответствующие им световые волны на-
зывают модами. Каждая мода распространяется по во-
локну всегда по-своему, хоть чуточку, но не так, как другие.
Именно уравниванием скоростей распространения раз-
ных мод мы только что занимались, описывая градиент-
ное волокно.
А в двухслойном волокне никаких возможностей для
такого уравнивания нет. Но зато есть другой, очевидный
путь — оставить только одну моду, тогда и уравнивать
ничего не придется. Так начали развиваться одномодовые
волокна. Заметим, что теперь, когда устранена волноводная
дисперсия, ограничивающим фактором становится дисперсия
кварца — вот здесь-то и пригодятся нам эксперименты,
обнаружившие спектральную область нулевой дисперсии.
Одномодовые волокна по-настоящему эффективны лишь в
диапазоне Л = 1,3 ч- 1,55 мкм. Выше было сказано, что по
мере уменьшения диаметра сердцевины уменьшается число
разрешенных мод, наконец, остается лишь одна — фак-
тически это осевой луч. Одномодовые волокна имеют диа-
метр сердцевины 3 -ь 7 мкм (напомним, что это в десять раз
тоньше человеческого волоса) и значение NA «0,1. Значит,
излучение надо в них вводить от источника со светящимся
пятнышком микронных размеров и с расходимостью потока
не более чем несколько градусов. Так что проблема одномо-
довых ВОЛС объединяет в себе и уникальное одномодовое
волокно, и специальные типы лазеров, и технологию их
точнейшей взаимной юстировки. Но «игра стоит свеч» —
рекорды одномодовых ВОЛС намного превзошли то, что было
достигнуто градиентной связью. Вот, например, характери-
стика одной из таких линий 1983—84 гг.: за 1 секунду по
ней можно без регенератора передать на расстояние 160 км
полный текст всех 30 томов Большой Советской Энцикло-
педии. И это еще не все — при передаче не произойдет ни
одного сбоя, ни одной ошибки, а если непременно захочется
«поймать» линию хотя бы на одной ошибке, придется пов-
торить передачу раз 5—10.
Удивительный мир физики заключен в волоконных све-
товодах! Об этом как-то и не думается, когда смотришь на
такую внешне обычную, очень простую по устройству воло-
коннооптическую линию связи (рис. 50).
195
Конкуренты, где вы? Теперь, после того, как мы «из-
нутри» заглянули в волокна, прошествовали по аллеям
замечательных достижений и погрустили в лабиринтах не-
решенных проблем, теперь мы вправе попытаться ответить
Рис. 50. Волоконная линия связи со всеми ее удивительными свойствами
внешне выглядит совсем просто и обычно
на вопрос: действительно ли оптическая связь заслуживает
великого будущего, и если да, то какими особенностями
ВОЛС это вызвано?
Главное, малое затухание и искажение сигнала при его
прохождении по волокну. По этому показателю ВОЛС пре-
восходят чуть ли не на порядок коаксиальные металли-
ческие кабели. А это — стоимость прокладки и эксплуатации
линий. Важно, что в ВОЛС потери не зависят от частоты
сигнала, поэтому расчет и проектирование таких линий
намного проще кабельных. Большая длина межрегенера-
ционного участка (десятки километров) приводит к тому, что
в пределах, например, города регенераторы вообще не нуж-
ны. И, наконец, важно, что прогресс технологии обещает
увеличить протяженность безрегенераторных линий до со-
тен, а, возможно, и тысяч километров.
Важна, конечно, не только длина линии, но и то, с какой
скоростью по ней можно передавать информацию. Исполь-
зование одномодовых волокон, сверхбыстродействующих ла-
зеров и фотодиодов позволило довести этот показатель до
ИГ бит/с. Но и это не предел. Анализ распространения
оптических лучей по световоду показывает, что и пройдя
очень большие расстояния, разные лучи не смешиваются, их
196
можно на приемном конце разделить. Уже опробованы экс-
периментальные линии, где световые посылки в волокно
вводятся несколькими полупроводниковыми лазерами, отли-
чающимися друг от друга длиной волны излучения. Оценки
показывают, что этот процесс — его называют оптическим
мультиплексированием — может успешно протекать при
увеличении числа лазеров вплоть до 100. Учитывая еще, что
в одном кабеле могут находиться тысячи оптических воло-
кон, получаем предельную скорость передачи информации
по кабелю на уровне Гмакс ~ 10Л бит/с. Такого ни один вид
связи предоставить не может.
Дальше других, быстрее других — это звучит почти как
девиз легкоатлетов-олимпийцев: «citius, altius, fortius!».
Но все достоинства сразу же сойдут на нет, если не
обеспечивается надежность передачи сообщений. И здесь
ВОЛС удивляют нас, пожалуй, больше всего. Световой
сигнал, распространяющийся по волокну, совершенно бес-
чувствен к внешним электромагнитным воздействиям.
А воздействия эти в наш радиоэлектронный век уже давно
перестали быть просто отдельными случайными помехами.
К разрядам молний добавились бесчисленные радиопере-
датчики, электромоторы, силовые ядерные установки и мно-
гое другое, распространяющее излучения. Для примера ука-
жем, что видеоиндикаторная аппаратура ЭВМ, в которой
происходит усиление слабых сигналов до сотен и тысяч
вольт, может быть почувствована на расстоянии до не-
скольких сотен метров. И это при всех принимаемых сред-
ствах защиты. Там, где наблюдается скопление, скученность
электрорадиоаппаратуры (а где этого нет?), нередко образу-
ется «электронный смог». И это не просто образ, удушающее
действие этого смога, к сожалению, более чем реально.
В 1984 г. в ФРГ разбился истребитель «Торнадо», проле-
тавший вблизи мощных радиопередатчиков широковеща-
тельных станций — эксперты установили, что это вызвало
сбои в ЭВМ системы управления полетом самолета,— сбои,
оказавшиеся роковыми... Защита от «электронного смога» —
это тяжелая металлическая экранировка, усложнение аппа-
ратуры, ее дублирование. А ВОЛС защищена от вредных
воздействий самим физическим принципом, используе-
мым ею. Волоконную линию можно повесить на опорах ЛЭП
или совместить с токоподводами трамваев, троллейбусов,
электричек.
У этого свойства волокон есть и вторая сторона — они
не только не чувствуют электромагнитных помех, но и сами
не излучают. В наше время, когда информация может быть
197
самым дорогим товаром, эта скрытность ВОЛС представля-
ется очень ценным качеством. Электрогерметичность ВОЛС
(помехи не просачиваются ни внутрь, ни наружу) открывает
кардинальный путь решения проблемы электромагнитной
совместимости радиоаппаратуры.
Оптические кабели намного легче металлических —
здесь сказывается и различие плотностей используемых ма-
териалов, и исключение металлической экранировки. Иногда
это свойство ВОЛС оказывается решающим. Так, например,
появилось много проектов непосредственной кабельной связи
земли с летательными аппаратами. Здесь и связь с ракетой
на начальном участке ее полета, когда радиосвязь сильно
осложнена стартовыми помехами; после выполнения своей
функции кабель просто отрывается. Или беспилотный само-
лет-разведчик, летающий вдоль позиций, «привязанный» к
командному пункту свободно разматывающимся волокон-
ным кабелем. Такая возможность, недоступная металли-
ческим связям, позволяет значительно упростить бортовую
аппаратуру.
И, наконец, ВОЛС дешевы, по крайней мере потенциаль-
но. Металлические кабели используют дорогостоящие медь
и свинец, запасы которых в недрах непрестанно истощаются.
А оптическим волокнам нужен кварц, изготавливаемый в
конечном счете из песка, запасы которого несметны. Но,
разумеется, дело не только в доступности сырьевой базы.
Большая длина межрегенераторных участков ВОЛС при-
водит к сокращению радиоэлектронного обрамления, умень-
шаются затраты на прокладку, волоконные линии проще и
дешевле в эксплуатации. А стоимость в конечном счете
является основной, интегральной характеристикой каждого
нового вида электронных услуг, будь то обработка, хранение
или передача бита информации.
Успехи волоконной связи позволили по-новому взгля-
нуть и на возможность открытой оптической связи, кото-
рую поначалу мы забраковали из-за ненадежности. По-
явление совершенных полупроводниковых лазеров и фо-
топриемников, разработка высокочувствительных электрон-
ных схем делают такую связь вполне реальной, а в ряде
случаев и более предпочтительной. Такова связь в откры-
том космосе, где нет ни туч, ни туманов, такова связь в
глубинах океанов, где радиоволны быстро затухают. Нет
сомнения, что в освоении шельфа оптика еще скажет не
одно веское слово. А шельф покорить не так-то просто,
специалисты считают, что по сравнению с ним космос —
это курорт.
198
Оптическая связь открывает реальные технические
возможности осуществления вековечной мечты челове-
чества — создания системы глобальной всеобщей связи
для консолидации всех живущих на Земле в единое
дружное сообщество.
§ 11. Оптическая память
Память, несомненно, является определяющим
атрибутом человеческой сущности. Развитая способность
запоминания, хранения, воспоминания самой разнообразной
информации из окружающей среды выделяет человека среди
всех представителей животного мира. Именно память делает
человека Человеком. А совокупная память отдельных ин-
дивидуумов, коллективная память всего человеческого сооб-
щества, материализовавшаяся в книгах, картинах, нотах,
фотографиях, чертежах, кинофильмах, грампластинках и во
многом-многом другом, составляет суть цивилизации. Пара
литературных примеров. Те из вас, кто прочитал «И дольше
века длится день» Чингиза Айтматова, наверняка обрати-
ли внимание на мрачную легенду о манкуртах. У детей
«убивали» память, и, подрастая, они становились надеж-
ными, бесстрастными телохранителями своих владык, спо-
собными, не рассуждая, убить собственную мать. Человек,
потерявший память, сохранил человеческий облик, но стал
чудовищем.
В романе Г. Панджикидзе «Спираль» (журнал «Дружба
народов», 1988, № 11, 12) мозг умирающего академика
имплантируют в череп молодого человека, и после операции
внутреннее Я этого интегрированного индивидуума полно-
стью сохраняет свою «академическую родословную». С этим
перекликаются размышления одного из зарубежных ученых
Ф. Дрейка о том, что в будущем человечество обязатель-
но придет к «бессмертию», которое трактуется как «не-
ограниченное сохранение непрерывной памяти». Пожалуй,
достаточно о значимости памяти — пора переходить к
предмету.
С возникновением вычислительной техники появились
и начали развиваться принципиально новые — электрон-
ные — средства памяти. Функциональное назначение за-
поминающих устройств (ЗУ) заключается в записи, хра-
нении и неразрушающем считывании записанной ин-
формации. Характеризуя память ЭВМ, обычно говорят об
иерархическом принципе ее построения как наиболее целе-
сообразном. Рядом с процессором трудятся оперативные ЗУ,
199
очень быстрые, но не очень емкие; вне ЭВМ — архивные
ЗУ, обладающие огромной емкостью, но значительно более
медленные. И — многочисленные разновидности ЗУ про-
межуточного типа. Образно все здание памяти представля-
ется в виде пирамиды, нижние этажи которой, естественно,
занимает архив.
Так вот, одна из определяющих тенденций прогресса
ЭВМ заключается в опережающем, ускоренном развитии
средств памяти — современные компьютеры не столько вы-
числяют, сколько манипулируют данными, хранящимися в
запоминающих устройствах. Подсчитано, что для вступ-
ления в так называемое информационное общество — об-
щество, в котором компьютеризация охватит все сферы
производства, управления, науки, образования, культуры,
быта, развлечений — ежегодный прирост емкости ЗУ в
расчете на одного человека должен приблизиться к 1 млрд,
бит (такая информация содержится приблизительно в сотне
книжных' томов).
Известная японская программа разработки ЭВМ пятого
поколения среди пяти основных направлений работ на второе
место ставит создание и накопление базовых массивов зна-
ний. Подчеркнем, что речь идет уже не о базах данных, а о
базах знаний, для создания которых необходимо запоми-
нание и хранение информации во всех возможных ее формах:
цифровой и аналоговой, в форме двумерных и трехмерных
многоцветных картин. (Для интересующихся укажем, что
четыре других направления работ связываются с параллель-
ной обработкой информации, машинным восприятием чело-
веческого языка в речевой и письменной формах, развитием
новых методов обработки знаний и созданием программ
решения логических задач.)
Замечено, что пирамида памяти с течением времени
деформируется, все более заостряясь вверху и уродливо
расползаясь у основания. Почему? Оперативные ЗУ, занима-
ющие верхние этажи пирамиды, нашли для себя вполне
подходящую элементную базу — это полупроводниковые
интегральные схемы, подобные тем, которые используются
в процессоре. Вот поэтому-то процессор ЭВМ и его опе-
ративное ЗУ идут в будущее рука об руку в полном согласии
ДРУГ с другом.
В нижних этажах пирамиды гармония разрушается.
Строительный материал архивных ЗУ — магнитные ленты
и диски — тоже непрерывно прогрессирует, но за полу-
проводниковыми собратьями им не угнаться. И чем более
производительными становятся ЭВМ, тем явственнее прояв-
200
ляется «тирания» архивных ЗУ, нередко они требуют для
своего размещения огромного зала, тогда как процессор
умещается в одной стандартной стойке. Если так пойдет и
дальше, то ЭВМ станут подобны динозаврам (рис. 51):
небольшая, быстро соображающая головка (процессор) со-
единяется длинной и достаточно толстой шеей (коммуника-
ции обмена данными) с массивным, неповоротливым, порой
Рис. 51. Гипертрофия архивной памяти
безобразным туловищем (архивная память). Если же учесть,
что все чаще комплексы ЭВМ объединяются локальными
сетями, то, продолжая аналогию, придется представить целое
стадо таких динозавров, связанных друг с другом кончиками
длинных хвостов. Пока «динозавры» размещаются в спе-
циальных кондиционированных залах вычислительных цен-
тров, их жизнеспособность еще как-то может быть обеспече-
на, но ведь ЭВМ должны уметь ездить в машинах, летать в
самолетах и на космических кораблях.
Поэтому уменьшение габаритов долговременных ЗУ,
причем существенное, по крайней мере на порядок, стало
201
проблемой номер один современной вычислительной тех-
ники — без ее решения как бы гигантские супер-ЭВМ
не постигла та же судьба, которую история уготовила ди-
нозаврам...
Оптика делает заявку. Уже в конце 60-х годов начал
ощущаться дискомфорт, в 70-е годы громко заговорили о
дисгармонии полупроводниковых микропроцессоров и маг-
нитных ЗУ как об очевидной проблеме. Вычислительная
техника стала очень благосклонно относиться к появлению
альтернативных направлений в развитии средств памяти.
Важнейшее место среди них заняла оптическая память,
сулящая информатике наиболее радужные перспективы.
Первыми оптическими ЗУ, появившимися в промышлен-
ности ряда развитых стран в 1984 г., стали оптические
дисковые накопители (ОДН). Идея их проста.
Кто из нас в раннем детстве не увлекался выжиганием
на фанерках, фокусируя солнечный свет с помощью линзы?
Если выжженную точку отождествить с логической единицей
(«1»), а нетронутую поверхность — с логическим нулем
(«0»), и если теперь перемещать фанерку под лучом, а сам
луч при этом прерывать по программе (например, перекры-
вая его ладонью), то и получим простейшее оптическое
запоминающее устройство. Дальше, как говорится, «дело
техники». Конечно, в запоминающем устройстве никто не
использует свет от солнца, его и не собрать в маленькое
пятно — фокус всегда размазан, а по периферии пятна
расходятся радужные кольца. Да и фанерка как носитель
информации, разумеется, не годится. Нужен мощный моно-
хроматический излучатель с узкой диаграммой направлен-
ности, интенсивность которого можно было бы просто и
быстро модулировать,— излучатель миниатюрный и долго-
вечный. Это — полупроводниковый инжекционный лазер, а
носитель пришлось создавать специально — об этих «опти-
ческих дисках» ниже.
В структурной схеме ОДН (рис. 52) центральное зве-
но — это и есть оптический диск, на котором световые лучи
оставляют метки памяти. Для записи луч лазера фоку-
сируется на поверхности вращающегося диска, при этом
мощность излучения подбирается такой, чтобы метка обра-
зовывалась за несколько десятков наносекунд. Этим достига-
ется и достаточно высокая скорость записи, и то, что вслед-
ствие вращения метка не размазывается вдоль дорожки, и
сохраняет форму кружочка. На источник импульсного воз-
буждения от ЭВМ поступает последовательность командных
импульсов, и по этой программе лазер то дает яркую вспыш-
202
ку, то гаснет на мгновенье — так записываемая информация
вводится в световой луч, а через него переносится на враща-
ющийся носитель. После каждого оборота диска сервосистема
переводит луч лазера на следующую дорожку, и запись
Рис. 52. Структурная схема оптического дискового накопителя. Примерно
так же устроен и лазерный электрофон
продолжается. Кроме информационных меток, наносятся
еще и вспомогательные — метки слежения за дорожкой и
метки считывания. Метки первого вида призваны удер-
живать лазер на дорожке: если он чуть соскользнет, то
механизм обратной связи возвращает его «на путь истин-
ный». Метки второго вида ускоряют поиск нужного массива,
они образуют ключ-шифр.
При считывании мощность лазера снижается настолько,
чтобы луч не мог ни создать новых меток, ни исказить
существующие. Модуляция отключается, излучение посту-
пает непрерывно. Световой луч, «ощупывая» вращающийся
диск, по-разному отражается от меток и от нетронутой
поверхности. Так записанная информация переходит в луч
считывания, затем попадает на фотодиод, где преобразуется
в электрические импульсы, которые после усиления посту-
пают на выход накопителя.
Важнейшим параметром ОДН является минималь-
ный диаметр метки, создаваемой лазером,— он одно-
значно определяет плотность записи информации на носи-
теле (измеряется в единицах бит/см2). Известно, что на
какие бы ухищрения мы ни пускались, световой поток
невозможно свести в геометрическую точку — явление
дифракции, рассеяние света на краях диафрагмы приво-
дит к тому, что минимально достижимый диаметр
203
сфокусированного пятна близок к длине волны исполь-
зуемого излучения Лизл.
Но одно дело теория, другое реальность. Попробуйте
собрать в такое пятнышко свет от обычной лампочки на-
каливания — ничего не выйдет. И тому есть несколько
причин, причем причины, принципиально неустранимые.
Во-первых, нить лампы накаливания — это ведь не гео-
метрическая точка: для одного светящегося участка строго
выполнено условие фокусировки, другой участок, находя-
щийся чуточку дальше от объектива или ближе к нему,
видится размазанным. А если излучающий элемент попы-
таться свести в точку, то и мощность излучения станет
мизерной. Вторая причина связана с тем, что белый свет,
излучаемый лампой, содержит множество цветовых состав-
ляющих от красного до фиолетового. А любая оптическая
система имеет, к сожалению, хроматическую аберрацию —
она по-разному фокусирует излучение разных цветов. Толь-
ко лазер, генерирующий почти монохроматическое излу-
чение в виде узкого луча, позволяет вплотную приблизиться
к теоретически минимальному размеру метки. Конечно,
для того, чтобы лазерная головка записи-считывания была
достаточно миниатюрной, пригодны только полупроводни-
ковые лазеры. Слава богу, ОДН пришли не на пустое
место — уже в течение десятилетия до этого интенсив-
но развивалась волоконнооптическая связь и для ее нужд
было освоено производство разнообразных полупроводнико-
вых лазеров. Конечно, пришлось многое усовершенство-
вать — ОДН требуют более интенсивного излучения, но
основа уже имелась. Это все те же арсенид-галлиевые ге-
теролазеры — надежные, долговечные, генерирующие на
длине волны Лизл = 0,85 мкм. Именно оптические ЗУ сти-
мулируют в первую очередь развитие гетеролазеров с раз-
дельным ограничением (см. § 5) — увеличение мощности
излучения прямо переходит в быстродействие ЗУ. А умень-
шение длины волны — прямой путь к повышению плотности
записи. Похоже, что именно ОДН перехватывают эстафет-
ную палочку у ВОЛС, именно на ОДН все определеннее
ориентируется лазерная техника.
Разумеется, многое еще зависит и от оптической систе-
мы, сопрягающей оптический диск с лазером и фотодиодом
(рис. 52). Микрообъектив 1 собирает бблыпую часть лазер-
ного излучения и формирует нерасходящийся, довольно ши-
рокий, круглый в сечении луч. Попав на следящее зеркало,
он направляется в заданную точку диска, при этом микро-
объектив 2 фокусирует его в пятно размером около 1 мкм.
204
Призматический светоделитель необходим для считывания.
Лазерный луч, дважды пройдя через четвертьволновую плас-
тинку (слева направо, и после отражения от диска — справа
налево), так изменяет свою поляризацию, что на диагональ-
ной границе раздела двух призм он почти полностью отра-
жается в направлении фотоприемника. Луч лазера с исход-
ной поляризацией при записи проходит через светоделитель
практически беспрепятственно. Так «автоматически» обес-
печивается разведение лучей записи и считывания.
Вот теперь структура ОДН описана полностью. Так ли?
Ведь реально все эти элементы соединяются не бумагой, на
которой выполнен рис. 52, и не стрелками, изображающими
световые лучи. Кроме того, надо вращать диск, переводить
лазерный луч с дорожки на дорожку, изменять положение
следящего зеркала. Все это выполняет электромеханический
сервопривод, который должен обеспечить высокое постоян-
ство скорости вращения, мгновенные остановки и изменения
направления вращения, отсутствие биений, точную фик-
сацию совмещающихся элементов. Причем все должно вы-
полняться вне зависимости от износа трущихся деталей и их
температурных деформаций. Укажем для примера, что ради-
альные биения должны быть не более 0,1 мкм, а неста-
бильность скорости вращения на уровне 0,01 %. К счастью,
и для традиционных ЗУ нужна подобная сервосистема, при-
чем все более совершенная и прецизионная. Так, зазор
между головкой и магнитным диском должен составлять
0,1 мкм, а в некоторых специальных случаях и 0,01 мкм —
при этом даже микробы и вирусы на поверхности диска
становятся помехой. Аэродинамика подобных систем «выли-
зана» настолько, что ей могли бы позавидовать и создатели
знаменитых МИГ-29. Так что и в области сервопривода
оптике было что позаимствовать у предшественников, и она,
разумеется, позаимствовала. Окажется ли этого достаточно
для оптических накопителей? Не станет ли механика тормо-
зом, а то и вовсе непреодолимым барьером на пути их
прогресса? Подыскивать аргументы для положительного от-
вета на эти вопросы становится все труднее... Однако вряд
ли оправданно выступать пессимистами, заглядывая в буду-
щее, время ведь что-то подскажет — да и сегодняшние
успехи ОДН настраивают скорее на мажорный лад.
Оптические диски. Итак, лазер «стреляет» короткими и
яркими световыми вспышками, сообразительная оптическая
система рассылает их куда надо, фотодиод взамен каждой
«проглоченной» порции света выдает соответствующую пор-
цию электрического тока, многочисленные неутомимые
205
моторчики крутятся быстро и бесшумно... И все-таки это
всего лишь инструментарий.
Основа накопителя — это оптический диск и все в ус-
тройстве ОДН подчинено тому, чтобы максимально плотно
и быстро наполнить диск информацией или быстро и без-
ошибочно прочитать записанное. Наиболее распространен-
ным методом записи оптических импульсов стало выжига-
ние, проплавление микроотверстий в тонкой металлической
пленке. Чтобы этот процесс протекал наилучшим образом,
на тщательно отполированной поверхности стеклянной заго-
товки изготавливается четырехслойная пленочная структура
(рис. 53). Луч лазера фокусируется на пленке рабочего
Рис. 53. Оптический диск: выжигание меток или образование микровздутий
металла и в небольшой области разогревает его до расплав-
ления. Силы поверхностного натяжения растягивают расп-
лав, и в пленке раскрывается сквозное отверстие. Толщина
пленки ничтожна, она не превышает 0,02 ч- 0,05 мкм, по-
этому форма отверстия повторяет сечение лазерного луча, а
диаметр отверстия может быть даже несколько меньше ука-
занного ранее дифракционного предела. Удается получить
отверстия диаметром 0,3 + 0,5 мкм, в промышленных ЗУ
они обычно близки к 1 мкм, а расстояния между соседними
отверстиями и между дорожками — к 2 мкм.
Три других слоя структуры также важны, каждый из них
делает свое дело. Диэлектрический подслой имеет высокое
значение коэффициента отражения — это облегчает раз-
личение 0 и 1 при считывании. Алюминиевый экран возвра-
щает назад те лучи, которые, не поглотившись, прошли через
пленку металла, и тем самим повышает эффективность
использования лазерной энергии. Верхнее толстое прозрач-
206
ное защитное покрытие обеспечивает надежность записи и
считывания — случайные пылинки, осевшие на его поверх-
ности, не воспринимаются оптической системой, так как они
находятся не в фокусе объектива 2 (см. рис. 52). Иное дело
если бы пылинки попадали прямо на металлическую пленку:
в этом случае они бы работали точно так же, как и метки,
искажая смысл записанного.
В качестве рабочего металла традиционно используется
теллур — он просто напыляется в виде однородных тонких
пленок, легко плавится, в нем долго сохраняются выжжен-
ные отверстия. Ускоренные испытания при повышенной
температуре позволяют оценить срок хранения не менее чем
в 10 лет.
Еще лучшие результаты по долговечности дает замена
теллура на титан, платину, золото — получаем более 30 и
даже 100 лет хранения. Но это требует увеличения мощно-
сти лазерного луча, поэтому вместо проплавления использу-
ют метод создания микровздутий. Для этого диэлектричес-
кий подслой изготавливают из материала с низкой темпера-
турой испарения — при нагреве образуется пузырек газа,
вспучивающий нерасплавившуюся металлическую пленку
(рис. 53). Считывание информации основывается на том, что
отражательная способность вздутия намного выше, чем у не-
искаженного участка поверхности металла. Первые успехи
придали исследователям уверенность — теперь уже никого
не сдерживает благоговение перед уникальной лазерной тех-
никой. Оказалось, что оптические диски можно изготавли-
вать и из пластмассы, одна английская фирма разработала
совсем дешевую пленку, своими свойствами напоминающую
обыкновенную бумагу и пригодную для выжигания меток.
Все это носители для однократной записи — хозяин
ОДН может по своему желанию единожды заполнить их и в
дальнейшем читать записанное столько раз, сколько захочет.
А подготовили почву для них постоянные носители, пущен-
ные в мир фирмой Филипс еще в 1972 г. Они изготавлива-
ются в фабричных условиях. В специальной студии на
установке, использующей мощный газовый лазер (Лизл «
— 0,48 мкм), информация записывается на оптический диск
путем выжигания отверстий. Только диск этот сделан осо-
бенно тщательно, а запись ведется особенно аккуратно.
В результате получается образцовый диск, мастер-диск,
оригинал — это все названия одного и того же. С мастер-дис-
ка традиционными методами полиграфической технологии
изготавливают металлические матрицы. С матрицы литье-
вая установка воспроизводит пластмассовые копии — по
207
3—4 штуки в минуту. На них затем напыляют тончайшую
алюминиевую или золотую пленку — участки металла на
плоской поверхности и во впадинах обладают разными отра-
жающими свойствами. Затем две копии склеивают рельефом
внутрь (для защиты), и двусторонняя пластинка готова.
Как говорится, «дешево и сердито», конечно, дешево
только в том случае, если с одного оригинала наштампо-
вать, например, сотню тысяч, еще лучше, миллион одина-
ковых копий. А это возможно при записи вполне определен-
ной специфической информации — вот так и появились вна-
чале аудиодиски с очень качественной цифровой записью
музыкальных программ, а затем — видеодиски с телевизи-
онной начинкой. Все рекорды массовости побивают рок-ви-
деоклипы, объединившие две основные современные формы
развлечений — рок-музыку и телевидение. Проигрыватели
оптических дисков, их чаще называют лазерными электро-
фонами (схема — упрощенный вариант рис. 52), получают
многомиллионное распространение в развитых странах.
Все это хорошо, скажете вы, но как можно оптические
диски ставить в один ряд с магнитными? Ведь магнитную
запись хочешь — хранишь, хочешь — стираешь и пишешь
новое. И полки захламлять не надо, и деньги на новые диски
попусту не расходуются. А оптическая запись — что-то
вроде наскальной живописи: нарисованное сохраняется на-
веки, но для каждого нового рисунка нужна новая скала.
Оптические диски для многократной перезаписи инфор-
мации, их еще называют реверсивными, стираемыми дис-
ками, пока еще не получили повсеместного промышленного
распространения, но несколько подходящих физических эф-
фектов для них уже подобрано.
Пока наибольшие симпатии приобрели магнитооптиче-
ские диски. Некоторые ферромагнитные пленки, например
сплавы марганец — висмут или аморфный состав железо —
кобальт — гадолиний — тербий, в местах разогрева лазер-
ным лучом меняют свои магнитные свойства, как иногда
говорят, магнитную полярность. Вследствие этого «превра-
щенные» участки — метки записи — изменяют поляриза-
цию отраженного луча света иначе, чем остальная поверх-
ность. Если в схеме рис. 52 на выходе лазера поместить
поляризатор, а перед фотодиодом — анализатор, то при
считывании лучи, отраженные от метки и от нетронутой
поверхности, вызовут разную реакцию фотодиода. Различие
это очень незначительно, логические «1» и «О» очень похожи
друг на друга, но все-таки современная электроника умуд-
ряется их различить.
208
Для стирания весь диск либо помещают в магнитное
поле, либо нагревают и охлаждают. Похоже, что цикл
запись — считывание — стирание можно повторять сколько
угодно раз — магнитооптические диски не утомляются, и в
этом их основное достоинство. Но зато время хранения не
превышает всего двух лет — утеряно достоинство опти-
ческих дисков и приобретен порок магнитных. И еще одно.
Для магнитооптических дисков не годятся обычные лазер-
ные электрофоны, рассчитанные на диски с выжженны-
ми отверстиями или с микровздутиями — нужны новые
проигрыватели.
Терять уже приобретенное кому же захочется — поэтому
ищут и другие реверсивные носители. Некоторые пленки —
халькогенидные стекла, окислы ванадия, сплавы селен —
индий — сурьма и другие — в местах нагрева лазерным
лучом изменяют кристаллическое строение на аморфное, а
вместе с этим и коэффициент отражения. Для стирания вся
пленка либо засвечивается, либо нагревается. Эффект —
очень удобный для реверсивной записи, но кратность циклов
перезаписи повторения невелика. Обследуются и фотохром-
ные вещества, обратимо меняющие свой цвет при лазерном
воздействии. Словом, поиски продолжаются...
«Время разбрасывать камни и время собирать камни...»
Оптические дисковые накопители с носителями однократной
записи начали триумфальное шествие по бескрайним про-
сторам информатики. Особенно полезными они оказываются
там, где магнитные ЗУ буквально захлебываются в океане
данных: метеорологическая информация, различные све-
дения о воздействии Солнца на нашу планету, «цифровые
карты» залежей полезных ископаемых, сейсмические данные
(вот бы оптика помогла нам предсказывать землетрясения!).
В 1988 г. в Японии пущен в оборот 1 млн. миниатюрных
оптических карточек для статистических медицинских обс-
ледований: в них и рентгеновские снимки, и анализы крови,
и уровни холестерина — словом, история болезни объемом
в 800 страниц. И любую справку врач может получить за
несколько секунд. Малоформатные лазерные пластинки, вы-
пущенные в Англии для автомобилистов, вместили всю
дорожную сеть страны. А для нужд почтового ведомства на
одной пластинке записали 23 млн. адресов и почтовых ин-
дексов. Американцы поместили ОДН в космические ракеты
и беспилотные самолеты-разведчики.
В мире запоминающих устройств оптика заявила о
себе громогласно и решительно, заставив конкурентов
призадуматься... Но, странное дело, оптические дисковые
8 Ю. Р. Носов
209
накопители не только не вытеснили магнитные ЗУ, но даже
не поколебали их позиций — не так-то легко вскочить в
быстро идущий поезд. И тем не менее заговорить о себе ОДН
заставили — «невиданная плотность записи», «на смену
магнитной памяти», «революция ЗУ» и т. д. и т. п.— все
чаще стали появляться сопоставления оптических и маг-
нитных ЗУ. И невольно в этих сравнениях начинает фи-
гурировать «идеальное ЗУ», то, к чему надо стремиться,
эталон. Несомненно, что искусственная память будущего
информационного общества не сведется лишь к огромной
емкости и низкой стоимости, к тому, в чем состязаются друг
с другом ОДН и магнитные ЗУ. Ориентиром, образцом
все-таки остается человеческий мозг со всем многообразием
его количественных и качественных особенностей, но мозг
улучшенный, усовершенствованный так, как это способна
сделать электроника, мозг, лишенный человеческих не-
достатков.
Конечно, первое, в чем выигрывает оптическая память
по сравнению с магнитной, это плотность записи на носите-
ле. Локальность лазерного воздействия обеспечивает вы-
игрыш на 1—2 порядка, достигнутая плотность составляет
1Сг бит/см2, в перспективе на тех же принципах можно
преодолеть и рубеж 109 бит/см2. Много это или мало? Судите
сами. Еще в 1986 г. на оптическом компакт-диске была
записана вся Британская Энциклопедия, а о предельной
плотности записи тогда и не мыслилось. При использовании
оптики родоначальнику и королю рока Элвису Пресли,
мировому рекордсмену по числу записанных песен (659!),
потребовалось бы не 90 дисков-гигантов, а всего один ком-
пакт-диск.
Очень важно, что в ОДН информацию можно вводить не
только в цифровой, но и в аналоговой форме — графики,
рисунки, чертежи, тексты могут быть прямо вписаны лучом
лазера на носитель. Благодаря этому существующие банки
данных можно дополнить банками изображений — искусст-
венная память станет богаче, разнообразнее.
Повышение плотности записи, относительная простота
устройства и эксплуатации ОДН автоматически ведут к
снижению стоимости бита хранимой информации — показа-
теля, который, по мнению большинства авторитетов, оказы-
вается определяющим, когда приходится выбирать между
разными ЗУ. Многих привлекает в ОДН долговечность и
надежность хранения информации — очень часто именно
это становится решающим фактором. Выжженные метки
оптических дисков живут до 1000 лет, а бесконтактность
210
лазерного считывания — надежный гарант сохранения це-
лостности записанного. На магнитных же носителях домены
разрушаются за год-два, при считывании головка скользит
по поверхности, порой нанося ей повреждения.
Правда, оптическая память заметно уступает магнитной
по времени выборки, что в общем-то естественно: в бблыпем
хранилище труднее отыскать нужное, чем в меньшем. И еще
одно обстоятельство — оптическим дискам порой нелегко
прорваться через заградительную сеть стандартов, вырабо-
танных для магнитной памяти за десятилетия. Этим стан-
дартам ОДН не во всем удовлетворяют, своих пока что еще
не создали, а в промышленности соответствие стандарту —
все равно что предъявление пропуска в проходной «почтово-
го ящика».
Пока оптические и магнитные ЗУ выясняют отношения
между собой, посмотрим, как соотносятся они с мозгом?
Естественно, что машинная и биологическая память одина-
ковы по функциональному назначению: запоминание (за-
пись), хранение, извлечение (считывание). Механизм памя-
ти является объектом пристального внимания ученых-фи-
зиологов. В настоящее время предлагаются различные моде-
ли механизма памяти. Например, такая. В мозгу могут быть
выделены механизмы оперативной и долговременной памя-
ти. Первый основан на активных процессах возбуждения
нервных клеток — этим достигается быстродействие, но
нужны непрерывные затраты биоэнергии. Поэтому емкость
такой памяти невелика, а стоит человеку уснуть, опе-
ративная память стирается — все, как в ЭВМ при отклю-
чении питания. Механизм долговременного запоминания
основан на химических превращениях клеток (ну чем не
перемагничивание доменов?), поэтому после «записи» до-
полнительные энергозатраты не нужны. Емкость мозга
огромна — на языке ЭВМ она оценивается числом 1012 -ь
-т* 1013 бит (это несколько тысяч плотно заполненных опти-
ческих дисков). Но расходуется эта емкость очень аккуратно:
даже за всю жизнь не срабатывается и 10—20 %. Поэтому-
то мозг и способен так долго сохранять свежесть — лет 50,
а то и больше. Достигается это жесткой самодисциплиной,
удерживающей память от переполнения. Кроме того, ненуж-
ная информация периодически стирается, оставляя место для
новых «записей». Как ни парадоксально, но хороший аппа-
рат памяти должен не только надежно запоминать, но и
уверенно, бесследно забывать ненужное. Реверсивность за-
щищает мозг от того, чтобы он не превратился в «библиоте-
ку, от которой утерян ключ».
211
Через органы чувств в головной мозг устремляется столь-
ко информации, что, не защити он себя, его огромной
емкости не хватило бы и на месяц. Первую преграду воз-
двигает аппарат кратковременной памяти, который не про-
пускает через себя то, что не прошло обработку в мозговом
«процессоре», что неинтересно или затронуло человека на
мгновенье. Так, не оседают в памяти лица уличной тол-
пы, сюжеты и образы малохудожественных книг и филь-
мов, речи политических лидеров. Но и то, что входит в
долговременную память и задерживается в ней, с тече-
нием времени стирается, если сознание-процессор пере-
стает к этому обращаться. Кйк мозг расставляет метки, что
сохранить, что стереть, каков механизм забывания ненуж-
ного,— не очень ясно, но механизм этот существует. Пси-
хологи считают, что способность запоминать и помнить
достигает пика приблизительно к 25-летнему возрасту, а
затем постепенно начинает ослабевать. Правда, и в возрасте
40—50 лет человек может запоминать что-то не хуже моло-
дого, но лишь в том случае, когда это не просто запоминание
(как принято говорить, «механическое» запоминание), а
запоминание в сочетании с использованием накоплен-
ного опыта.
Здесь мы подошли еще к одному очень важному мо-
менту. Запоминание информации в мозге даже с натяжкой
нельзя сопоставить с перемагничиванием доменов или вы-
жиганием лазерных меток. Этот процесс у человека не
сводится к строго (или сухо) логическому, абсолютно точно-
му, бесстрастному. Запоминая, человек что-то убирает из
образа, а что-то и добавляет, сравнивает с чем-то ранее
увиденным, подыскивает аналогии в совсем других областях
и т. п. Говоря обобщенно, это процесс творческий, запо-
минание информации всегда сочетается с ее одновременной
обработкой.
Далее. Запись на оптический диск ведется последователь-
но бит за битом, ее так и называют — побитовой. И мозг
проделывает приблизительно то же, что человек, когда он,
например, читает книгу. Но ведь более характерны и другие
ситуации... Вы вбежали в соседнюю комнату, из которой
раздался хлопок, и мгновенно увидели дымящийся цветной
телевизор, оценили расстояние от него до оконных занавесок,
зафиксировали испуганные глаза младшей сестренки и еще
многое другое. Мозг обладает способностью параллельного
ввода информации, причем ввод этот осуществляется кон-
вейерно, синхронно с течением времени, как принято го-
ворить в технике, в реальном масштабе времени, А оптиче-
212
ское ЗУ (да и магнитное тоже), как бы резво диск ни
вращался, восприняло бы эту картину (меточка за меточ-
кой, ничего не пропуская) тогда, когда это вряд ли было бы
уже нужно... И еще одно. Запись на дисках ведется по
преимуществу цифровым методом, те аналоговые формы
восприятия чертежей, кривых, гистограмм, которые доступ-
ны лазерному лучу, вряд ли можно считать действительно
аналоговыми. Передача полутонов, цветовых оттенков, дву-
мерных или тем более объемных картин требует огромно-
го, порой фантастического объема цифровой информации.
А аналоговое восприятие, присущее мозгу, пусть не такое
точное, как цифровое, обходится совсем незначительными
средствами.
Но не только тем, как запоминается информация, но и
тем, что получается в итоге, биопамять принципиально
отличается от искусственной. Лазерный луч помещает дан-
ный конкретный бит в конкретную точку диска, каждый бит
имеет свой «адрес», ничто не перепутается, не потеряется.
Это предмет гордости ОДН — в обилии выжженных точек
сохранить идеальный порядок. Но так ли уж это идеально?
А если царапина исказит диск, если вообще кусочек диска
отколется? Все, что там было, пропадет безвозвратно. Есте-
ственно, скажете вы, ведь произошла катастрофа, как же ее
предусмотреть и тем более преодолеть?
Нет, неестественно, возразит многоопытный мозг, по-
видавший разное за миллионы лет эволюции. Катастро-
фы так же естественны, как и нормальное течение жизни.
И если к катастрофам не приспособиться, не выработать
против них защитной реакции — вот это действительно
будет катастрофа. Мозг к запоминанию даже простейшей
информации привлекает большую группу клеток, причем не
обязательно близких друг к другу. Запись как бы размазы-
вается по объему. И в случае повреждения части мозгового
ЗУ память ослабевает, но записанная ранее картина сохра-
няется полностью.
Теперь уже естественным представляется и различие в
поиске и считывании информации сравниваемых видов па-
мяти. Для машинных ЗУ типична адресная выборка —
информация отыскивается точно по адресам, предписывае-
мым программой. Мозг тоже способен на это, но он может
излекать желаемое и совсем другим способом. Речь идет об
ассоциативном поиске, при котором выборка осуществляет-
ся по тем или иным качественным признакам, присущим
большому массиву информации. В новелле К. Чапека
«Поэт» инспектор полиции, расследуя наезд автомобиля на
213
старушку, использует свидетельские показания очень рассе-
янного поэта, который при этом присутствовал и, придя
домой, написал стихотворение, что называется по горячим
следам. В нем были и такие строки: «О шея лебедя! О грудь!
О барабан и эти палочки». Когда нарушителя обнаружили
(именно по показаниям поэта), оказалось, что номерной знак
его автомашины — вы уже, конечно, догадались — 235.
Конечно, ассоциативная выборка может приводить и к не-
точностям или ошибкам при считывании, но она резко
ускоряет поиск, что особенно существенно при большой
емкости памяти. Как и ранее — хорошо совмещать оба вида
поиска, и мозг это может.
Однако постараемся быть объективными — каким бы
совершенством ни являлся человеческий мозг, но «и на
Солнце есть пятна». Хорошо, конечно, что забывая, мозг
защищает себя от полного износа. Но если он забывает то,
что как раз хотелось бы сохранить? Или наоборот, вдруг
выплеснет из своих глубин такое, что во время урока вы
неожиданно начинаете сотрясаться от едва сдерживаемого
хохота? Мозгу трудно запоминать монотонные, ничем не
примечательные цифровые данные — сколько, например,
вы помните телефонных номеров? А в простейшей ДВК их
может храниться тысячи...
Рабочая температура мозга — наши неизменные 36,6,
уже на отметке 37 мы ставим красную черту. А если
допустить типичные для технических требований колебания
на ±3°С? Хорошо еще, если + 3°С, — воспаленное вообра-
жение хоть как-то будет цепляться за канву действитель-
ности. А если — 3°С? Такое, пожалуй, лучше и не представ-
лять... Очень незначительные изменения давления, влаж-
ности, даже магнитного поля Земли, не говоря о вибрациях,
ускорениях, ударах,— все это мозгу категорически противо-
показано. Конечно, неплохо бы это выправить, но при-
ходится принимать мир таким, каков он есть.
И все-таки — огромная емкость, надежное хранение,
параллельно-последовательный ввод-вывод аналоговой и
цифровой информации, адресный и ассоциативный поиск,
обработка информации на всех стадиях записи, хранения,
считывания — эта «визитная карточка» человеческого мозга
способна охладить пыл любого претендента на господство в
царстве Мнемозины (в греческой мифологии — богиня
памяти)...
Оптика примеривается ко второй попытке. Понятно, что
дисковые накопители — оптические или магнитные — как
бы они ни совершенствовались, никогда не смогут «дотянуть-
214
ся» до идеала. Нужна какая-то новая идея, новый принцип,
новый физический эффект.
Оказывается, подходящий эффект есть, эффект этот —
оптический и открыт он был еще в 1947 г. английским
ученым венгерского происхождения Д. Габором. Это голо-
графия — способ записи световых потоков, существенно
отличающийся от фотографии и значительно превосходящий
ее своими возможностями. Но голография требует когерент-
ного излучения, поэтому до 1960 г., пока не был изобретен
лазер, голография «пребывала в спячке» (выражение Габора
из речи по поводу присуждения ему Нобелевской премии
1971 г.), а уже в 1961 г. были получены первые лазерные
голограммы. Слово голограмма, как известно, происходит от
двух греческих слов: holos, что означает «весь» или «закон-
ченный», и gramme — «письмо», «часть рукописи». Голо-
грамма — это полное сообщение, или запись о наблюдаемом
предмете или сцене.
О голографии написано немало, поэтому — кратко.
В фотографии свет, отраженный предметом, фокусируется
объективом на поверхности пленки (или пластинки), покры-
той фотоэмульсией, основу которой составляют галогениды
серебра. Изменения интенсивности света, падающего на
разные участки, проявляются на негативе в виде различной
плотности серебра.
Но ведь свет — это электромагнитная волна, а она
характеризуется не одной лишь интенсивностью. Важна
частота колебаний, она свидетельствует о цвете, и это также
способен зафиксировать фотоснимок (цветная фотография).
Но волна обладает еще одной характеристикой — фазой р,
и небезразлично, на какой фазе световая волна «ударилась»
о предмет и отразилась от него. Но ни один регистратор света
не способен зафиксировать фазу волны: колебания происхо-
дят с такой высокой частотой (в миллионы раз превышающей
частоту радиоволн), что и в фотоэмульсии, и в глазу чело-
века неизбежно усреднение по очень большому числу коле-
баний, и отсюда — «потеря» фазы, потеря объемности.
Принято считать, что голография — очень сложный процесс.
И это верно, но лишь до той поры, пока голография не была
изобретена, теперь же, когда все разложено по полочкам,
понять голографию ничуть не сложнее, чем традиционную
фотографию.
Голограмма получается без объектива, поскольку здесь
изображение предмета не формируется. Вместо этого свет от
лазера расщепляется на два пучка при помощи полупроз-
рачного зеркала (рис. 54). Свет одного из этих пучков
215
(предметный пучок) направляется на предмет, который
отражает его и рассеивает в сторону фотопластинки. Свет
второго пучка (опорный пучок) прямо направляется на
фотопластинку.
Лазер Полупрозрачное
зеркало
Предмет
И 0
Фот о пласт анка
Изображение
2
Запись Восстановление
5
Рис. 54. Голография — «замораживание» световых волн: вспомним об
интерференции (а); как получить голограмму (б)
На фотоэмульсии фиксируется картина интерференции
этих двух пучков, проявляющаяся в виде светлых и темных
волнистых линий и точек без каких-либо внешних признаков
изображения, скрытого в ней. Тем не менее эта картина,
несмотря на кажущийся хаос, содержит полный зрительный
216
образ предмета. Степень потемнения эмульсии определяется
не только интенсивностью предметного пучка в этой точке
(как при фотографии), но и разностью фаз предметной и
опорной волн. Если волны приходят синфазно, их ампли-
туды складываются, если в противофазе — вычитаются
(рис. 54). Опорная волна, ничем не искажаемая, несет в себе
как бы базу сравнения, начало отсчета для фазы предметной
волны; в этой связи говорят, что голография содержит
«встроенную оптику». Таким образом, интерференционная
фотографическая картина содержит в закодированном виде
информацию и об амплитуде, и о фазе волнового фронта
рассеянного предметом света, а это и означает полное изоб-
ражение предмета.
Итак, на фотопластинке запечатлелась мгновенно остав-
ленная, «замороженная» световая волна, отраженная пред-
метом. Но как же в этой причудливой шифрограмме разгля-
деть сам предмет? Теперь это уже несложно, достаточно
лишь воспользоваться принципом обратимости волн. Если
осветить фотопластинку с записанной голограммой потоком
света, в точности идентичным опорному, то возникающее
при этом изображение оказывается неотличимым во всех
своих трех измерениях от вида реального предмета. Этот
процесс называется восстановлением, реконструкцией го-
лограммы.
Голография, позволяющая записать, сохранить, вос-
становить световую волну со всеми ее тонкостями, есте-
ственно, привлекла к себе внимание тех, кто задумы-
вался об оптической памяти. Еще в 1967 г., лет за пят-
надцать до появления оптических дисковых накопителей,
начали развиваться концепции голографических запомина-
ющих устройств (ГЗУ). Но ограниченность .технических
средств не могла позволить и не позволила достигнуть в ту
пору успеха, сегодня же, когда оптоэлектроника на подъе-
ме,— иное дело.
Структурная схема голографического ЗУ (рис. 55) яв-
ляется естественным развитием схемы записи и восста-
новления голограмм и совершенно не похожа на ОДН ни
составом элементов, ни системой связей между ними. Эле-
менты здесь не просто новые, многие из них созданы спе-
циально для ГЗУ.
Начнем, например, с лазера. Поскольку интерференция
возможна лишь в когерентном свете, пригоден только газо-
вый лазер, например, гелий-неоновый. Но он работает лишь
в непрерывном режиме, поэтому устройство содержит
217
оптические затворы 1 и 2, способные по программе преры-
вать лазерный луч.
Фотоприемник в схеме рис. 55 — многоэлементный,
матричный со встроенным самосканированием (например,
Рис. 55. Голографическое запоминающее устройство — что ни элемент, то
новинка: отсюда и сложность и большие ожидания
ПЗС) — только такой в состоянии расшифровать считывае-
мую голограмму
Управляемый оптический транспарант представляет
собой двухкоординатную матрицу из набора ячеек свето-
клапанного типа: каждая из этих ячеек по команде извне
может становиться либо прозрачной, либо непрозрачной.
Тем самым световой поток кодируется не только во времени
(это делает обычный световой затвор), но и по площади
поперечного сечения. Поэтому такие транспаранты называ-
ют также пространственно-временными модуляторами
света (ПВМС). Управление ячейками транспаранта может
быть электрическим или оптическим, ПВМС первого типа
представляет собой, например, жидкокристаллический мат-
ричный экран.
Дефлектор (от лат. deflectio) — отклоняю) — устрой-
ство, управляемо изменяющее направление лазерного лу-
ча. Наглядный пример дефлектора — поворачивающее-
ся зеркало, но практически используются электроопти-
ческие системы, не содержащие механически перемещаю-
щихся частей.
Оптические затворы, ПВМС, дефлекторы представляют
собой сложные устройства, для их создания используется
большое количество физических принципов, оптически ак-
тивных материалов, конструкций и технологий. Большин-
ство этих элементов — практически все виды ПВМС и
218
дефлекторов — до сих пор не вышли из стен лабораторий.
Каждая из названных оптоэлектронных диковин заслужива-
ет специального рассказа.
Процесс записи выглядит следующим образом. В управ-
ляемый оптический транспарант вписывается страница ин-
формации — тот или иной набор темных и светлых пятен,
затворы 7 и 2 на некоторое время открываются, и страница
в виде голограммы переносится в левый верхний угол фото-
пластинки. На транспарант выводится новая страница ин-
формации и в это же время вступает в игру дефлектор,
изменяющий направление лазерного луча. Затворы 7 и 2
вновь щелкают, и вторая страница информации оседает на
фотопластинке рядом с первой. Процесс повторяется много-
кратно до заполнения всей фотопластинки — общее число
голограмм достигает сотен и тысяч. После проявления фото-
пластинка может сохраняться сколь угодно долго.
При считывании прежде всего дефлектор по команде от
программатора нацеливается на нужную голограмму. Затем
затвор 7 срабатывает (затвор 2 во время считывания остается
закрытым, запирая предметный луч) — и восстановленная
голограмма (т. е. ранее записанная страница черно-белых
ячеек) отображается на фотоприемник, содержащий столько
же фоточувствительных элементов, сколько ячеек в ПВМС.
Возникающие на каждом элементе электрические импульсы
последовательно подаются на выход устройства — считы-
вание одной голограммы завершилось.
Чтобы ГЗУ от лабораторных образцов (а сегодня это так)
шагнули к совершенным промышленным изделиям, необ-
ходима и совершенная элементная база. Все это, в принципе,
уже есть, все это ускоренно развивается и вот-вот станет
достоянием разработчиков устройств памяти (пессимист,
правда, заметит, что «вот-вот» растянулось уже более чем
на 30 лет). Но — будем оптимистами и помечтаем о совер-
шенных голографических ЗУ!
Лишь по плотности записи они сродни ОДН — и там,
и здесь все определяется длиной волны излучения лазера.
А дальше начинаются различия, да какие! За один цикл в
ОДН записывается одна метка, а в ГЗУ — страница, и в ней
может быть хоть миллион меток. То же самое и при считы-
вании. Эта параллельность ввода-вывода информации оче-
видно роднит ГЗУ с мозгом. Внутри считанной страницы
дальнейшая выборка идет последовательно бит за битом —
опять же как в мозгу.
На этом аналогии, даже совпадения, не кончаются.
Голографическая запись характеризуется тем, что волна,
219
отраженная от одной ячейки транспаранта, например от
прозрачной «1», воздействует на всю площадь голограммы,
т. е. получается, что любой бит размазывается по этой
площади, подобно тому как это происходит в мозгу. Диаметр
голограммы может достигать миллиметра, что в сотни раз
больше диаметра лазерной метки в ОДН. Отсюда повышен-
ная надежность хранения информации в голограммах —
незначительные пылинки и даже царапинки йм не страшны.
На транспарант можно записывать не только черные и белые
нули и единицы, но и картины, образы, в том числе и
цветные полутоновые. Для голографии могут использоваться
фотопластинки с очень толстой эмульсией — запись в ней
осуществляется не только на поверхности, но и во всем
объеме — вот еще путь резкого повышения плотности записи
и еще одно приближение к серому веществу внутри наших
черепных коробок. Все манипуляции с лазерным лучом,
переписывание транспаранта, перестройка других элементов
осуществляются чисто электронным способом — в устройст-
ве может вообще не быть механически перемещающихся,
трущихся (и, увы, истирающихся) деталей и узлов. Вот еще
один, и опять принципиальный, шаг от ОДН к мозгу. Как
и дисковые накопители, голография подыскивает ревер-
сивный материал, подходящий для многократной переза-
писи. Помещая на пути предметного лазерного луча оп-
тические фильтры, линзы, призмы, дифракционные решет-
ки и т. п., можно осуществлять разнообразную обработ-
ку голограмм, обеспечивая, в частности, и ассоциативный
поиск. В одной брошюре по голографической памяти про-
мелькнула курьезная опечатка: «запонимающее устройст-
во». А, может быть, эта корректорская оплошность — про-
рочество? Может быть, ГЗУ действительно сможет и за-
поминать, и понимать?
Совершенные голографические ЗУ пока не созданы, но
сообщения о победах этого направления появляются все чаще
и чаще. Вот—голографический фильтр, позволяющий раз-
познать любой летящий объект, зарегистрированный лока-
тором. Уже давно создан голографический банк изобра-
жений, содержащий... отпечатки пальцев всех преступников
в США. А в Англии начали выпуск денежных чеков, поддел-
ка которых исключается благодаря нанесению на них голо-
граммы с портретом Шекспира (неплохое использование
классического наследия!). Пока это отдельные штрихи, част-
ности; сложится ли из нцх принципиально новая голо-
графическая запоминающая и вычислительная техника —
пркажет будущее.
220
§ 12. Оптический компьютер — перспектива
или утопия?
Еще тогда, когда оптоэлектроника ничего не
имела — ни светодиодов, ни приличных фотоприемников,
ни, тем более, полупроводниковых лазеров, разнообразных
индикаторов, приборов с зарядовой связью, вообще ничего,—
так вот уже тогда, «на заре туманной юности», целью и
смыслом этого направления провозглашался оптический
компьютер. Что это такое, никто толком не знал, но рисо-
валось что-то грандиозно-фантастическое, значительно пре-
восходящее электронные вычислительные машины. Пред-
ставлялось, что оптоэлектроника скоро заменит микроэлек-
тронику с ее транзисторами и только появившимися тогда
интегральными схемами. Именно заменит, ни много ни мало.
Что поделаешь — юности и бедности присущ максимализм.
Во второй половине 60-х годов промелькнуло сообщение,
что одна американская фирма создала такой оптический
компьютер. Никаких технических подробностей сообщение
не содержало. Взбудоражив мир, оно было равнодушно вос-
принято в США — глава фирмы до этого уже «прославился»
несколькими несостоявшимися научными сенсациями. И в
данном случае все оказалось блефом. Однако идея опти-
ческих вычислений, столь привлекательная в теории и сама
по себе отнюдь не являющаяся блефом, продолжала вол-
новать и физиков-экспериментаторов, и инженеров-элект-
ронщиков.
Какое-то время возможность реализации этой идеи свя-
зывалась с оптронами, но низкие экономичность и быстро-
действие этих приборов напрочь закрыли им дорогу в инфор-
матику (см. § 4).
Другой путь поисков оптического компьютера связан с
обработкой светового потока как носителя огромного массива
информации. Отвлекитесь на минуту от чтения, взгляните в
окно. То, что вы увидели — школа во дворе, десятка два
«Жигулей» на асфальтовой площадке, несколько чахлых де-
ревьев да девочка, играющая с собакой,— требует для записи
на стандартном машинном языке миллиардов и миллиардов
бит. Пока только все это перепишешь да заведешь в компь-
ютер — девочка школу кончит, собака помрет. А световой
луч схватывает картину всю вдруг и мгновенно переносит ее
туда, куда нужно. Поэтому, если научиться оперировать со
световыми потоками, преобразовывать их, как нам хочется,
откроются огромные возможности по обработке информации.
Простенький житейский пример. Самолет летит над урен-
гойской тайгой и ему надо сбросить груз на место будущей
221
газовой разработки. Для решения этой задачи можно приспо-
собить такую «оптическую ЭВМ» (рис. 56). Объектив 1
непрерывно рассматривает местность и фокусирует увиден-
ное на фотопластинку 2, содержащую характерный признак
Рис. 56. Оптический параллельный компьютер — простейшая схема
местности, где надлежит сбросить груз (на рис. 56 это
Т-образный костер). Проходящий световой поток фикси-
руется фотоприемником 5, сигнал которого поступает на
исполнительное устройство 4, имеющее пороговую входную
характеристику. Когда обе картины — на фотопластине и на
местности — совпадают, сигнал фотоприемника достигает
максимума, исполнительное устройство срабатывает и груз
летит вниз. Как говорится, «простенько и со вкусом». А ес-
ли поручить эту задачу традиционной электронике, само-
лету пришлось бы захватить с собой все ЭВМ, размещенные
в высочайшем здании — Главном вычислительном цент-
ре ЦСУ, которое имеет неясно сколько этажей, а строилось
лет семнадцать... Невиданное ускорение вычислений, ре-
шение задач в реальном масштабе времени, даваемое
оптоэлектроникой, достигается благодаря конвейерному
вводу и параллельной обработке информации. Если с
помощью электрических импульсов можно сложить циф-
ру с цифрой, то слияние световых потоков эквивалент-
но одновременному сложению миллиарда цифр с другим
миллиардом. Ввод же оптической информации осуществля-
ется тотчас же, как только обрабатываемое изображение
засветило входной зрачок объектива «оптической ЭВМ».
Фактически выполнение той или иной математической
операции с огромным массивом информации, содержа-
щейся в целой картине или нескольких картинах, осу-
ществляется старым, испытанным в фотографии способом:
щелк — и готово.
222
Конечно, на рис. 56 дана уж слишком упрощенная схе-
матизация — ясно, что эта «ЭВМ» неработоспособна: коле-
бания освещенности местности, невозможность абсолютного
совпадения картин, масса других моментов тому причина.
Но ясно также, что описанный принцип вполне жизнеспосо-
бен и может быть аппаратурно значительно осовременен,
если использовать фиксированный источник света (лазер),
характерные приметы местности вводить в управляемый
оптический транспарант, а дискретный фотоприемник за-
менить матричным. При этом становится возможным сопо-
ставление и не полностью совпадающих картин — проведя
поэлементное сравнение, вычислитель сообщит нам о сте-
пени взаимной корреляции этих картин.
Давно известно, что многие оптические элементы с про-
ходящими через них световыми потоками проделывают те
или иные математические преобразования: так призма осу-
ществляет спектральное разложение (опыт Ньютона), а лин-
за, напротив, интегрирование пространственное. Помещая
эти элементы или их комбинации в вычислитель рисунка 56,
можно осуществлять аналоговую обработку информации,
закодированной в световом потоке, прошедшем через тран-
спарант. Причем еще раз подчеркнем два момента: огром-
ное количество одновременно обрабатываемой информации
(столько бит, сколько элементарных ячеек в транспаранте;
может быть, и миллион, например) и мгновенность обра-
ботки (поток лишь должен пройти через линзу).
Усилиями ученых и инженеров удалось создать целый
ряд сверхпроизводительных оптических вычислителей, при-
годных для быстрого решения некоторых весьма сложных
характерных задач. Итогом двадцатилетних усилий все-таки
стало практическое подтверждение того, что оптика может
хорошо, лучше чем микроэлектроника, решать некоторые
задачи. Но в то же время — и здесь мы подходим к
накопленному за это время опыту разочарований — стало
ясно и то, что оптика не может сделать все. Вот первый минус
таких параллельных оптических компьютеров — они не
универсальны, а универсальность ЭВМ, пригодность для
работы в любой области, будь то вычисления или другая
обработка данных,— важнейшее их достоинство.
Второе: точность оптических вычислителей невысока —
линзы неидеальны, излучение лазеров «пятнисто», элементы
оптической системы практически невозможно полностью
согласовать между собой. Все эти «шумы» могут до неузна-
ваемости исказить обрабатываемую картинку — вот и сбро-
сит самолет свои грузы не газовикам Уренгоя, а овцеводам
223
Туркмении... И еще одно: описанные устройства очень слож-
ны, ненадежны, капризны — прогромыхает ли за окном
машина, изменится ли в комнате температура—и, глядь, уже
произошла разъюстировка всех с трудом согласованных эле-
ментов. Оптика есть оптика.
Какой из перечисленных недостатков хуже, трудно ска-
зать, но сообща они делают общее дело — не дают возмож-
ности оптическим параллельным процессорам войти в жизнь.
И увы, все эти недостатки носят принципиальный, похоже,
непреодолимый характер.
Словом, осуществлять вычисления «с помощью электри-
чества и света» оказалось не так-то просто, и, оглядываясь
на 25 лет назад, оценивая шапкозакидательство той роман-
тической поры, приходится искать оправдание в чем-то вроде
«как молоды мы были» или «боже, какими мы были наив-
ными»,— да простит читатель цитирование этих замечатель-
ных строк, где ни попадя.
Но ведь можно и оптическую вычислительную технику
попытаться пустить по той же проторенной дороге, которую
когда-то открыли электронике транзисторы. Для этого лишь
необходимо создать ...оптический трансзистор. В тиши
лабораторий такой транзистор уже создан, а точнее, даже не
один (это, пожалуй, не так уж и хорошо). Что привлекает
вычислительную технику в транзисторе? Его способность
очень быстро, управляемо и почти без затрат энергии «пере-
скакивать» из одного состояния (не пропускающего электри-
ческий импульс в другое (пропускающее этот импульс без
потерь и искажений). Это свойство называют бистабильно-
стью — транзистор может стабильно находиться в одном из
двух устойчивых состояний.
По аналогии с электрической бистабильностью, реализу-
ющейся в транзисторе, может существовать и оптическая
бистабильность: в одном устойчивом состоянии прибор
пропускает свет, в другом — не пропускает.
Быстродействие транзистора, если оценивать его лишь с
принципиальных позиций, определяется инерционностью
перемещения носителей заряда в кремнии (предельная ско-
рость не превышает 107 см/с) и паразитными реактивно-
стями — емкостью и индуктивностью элементов конструк-
ции. А оптика не знает аналогов конденсатору и катушке
индуктивности, скорость же света на три с половиной поряд-
ка превышает указанную цифру. Значит, в принципе, от
оптики можно ожидать многого.
Поиски оптической бистабильности (а она интересна для
широкого класса различных оптических приборов) начались
224
с конца 70-х годов, в 1980 г. этой проблемой занялось
специальное Европейское общество. К настоящему времени
синтезированы различные материалы и изготовлены слож-
ные, хитрые структуры, обладающие оптической бистабиль-
ностью. Упрощенно это выглядит приблизительно так. Ска-
жем, какой-то кристалл или пленка не пропускают луч
лазера, но стоит этот кристалл осветить очень слабым пото-
ком от другого излучателя с другой длиной волны и кристалл
становится прозрачным. Это явление называют фотореф-
ракциещ объясняется оно сильной зависимостью оптических
свойств некоторых кристаллов (в частности, показателя пре-
ломления) от наводимых светом дефектов.
Если кристалл поместить в резонатор Фабри — Перо, то
возникают еще и линейно-оптические явления — эффект
‘фоторефракции проявляется резче. Нередко кристалл обла-
дает памятью — новое состояние сохраняется и после окон-
чания возбуждающего воздействия. Часто сам лазерный луч
является управляющим, лишь бы его интенсивность пре-
высила некоторый порог. Одним словом, «возможны вариан-
ты». Неизменным остается одно: слабый световой импульс
управляет гораздо более мощным лазерным потоком, т. е.
все подобно тому, как это происходит с электрическими
сигналами в транзисторе. Оказалось, что затраты энергии на
переключение оптического транзистора из одного состояния
в другое могут быть меньше, чем в случае обычного, электри-
ческого транзистора, но самое главное — все-таки другое.
Оптические транзисторы, как и ожидалось, могут намного
превосходить обычные по быстродействию — для их харак-
теристики пришлось даже извлечь на свет божий практи-
чески не употребляющуюся единицу измерения времени —
фемтосекунду (это 10-15 с, за это время Спутник, мчащийся
по околоземной орбите, сместится меньше чем на тысячную
долю толщины волоска — впечатляюще, не правда ли?).
Все это замечательно, но кроме новых физических прин-
ципов необходимы еще и соответствующие технологические
средства. Ведь если представить себе бистабильные кри-
сталлики, размещающиеся между зеркалами и соединяемые
с лазерными структурами и между собой отрезками воло-
конных световодов, то совершенно очевидно, что, пользу-
ясь таким «детским конструктором», оптическую ЭВМ не
построить.
К счастью, подходящее технологическое одеяние для
оптических транзисторов есть. Это интегральная оптика —
научно-техническое направление, сформировавшееся как
итог развития нескольких концепций. Развитие волоконно-
225
оптической техники естественно зародило мысль: а почему
бы не сделать подобные светопроводы тонкопленочными, ис-
пользуя весь арсенал микроэлектронной технологии? Их наз-
вали плоскими диэлектрическими волноводами, отразив в
этом термине и аналогию с радиоволнами СВЧ волноводами.
Итак, исторически первая концепция интегральной оп-
тики — изготовить и исследовать пленочный аналог цилин-
дрического волоконного световода, а что это даст — время
подскажет.
Вторая концепция отражает стремление как-то преодо-
леть изначальную ущербность традиционного оптического
приборостроения. То, чем издавна вооружила техника че-
ловека, это линзовая оптика — тончайшее и точнейшее
объединение в единые приборы наборов линз, призм, зеркал,
дифракционных решеток, светофильтров и других элемен-
тов. Оптические приборы получили, широчайшее распрост-
ранение, они так же необходимы, как и электронные прибо-
ры. Но линзовая оптика громоздка, требует прецизионной
юстировки, плохо защищена от внешних воздействий. Слож-
ность, иногда даже вычурность формы делает оптические
элементы дорогими. Все эти недостатки носят принципиаль-
ный характер, они являются прямым следствием объемности
линзовой оптики. Развитие микроэлектроники, кремниевых
больших интегральных схем возбудило желание попытаться
сделать оптические элементы планарными (плоскими), да
еще и объединить их в процессе изготовления в единое целое.
Помогла оформиться этому желанию еще и «градиентная
оптика», ставящая целью достижение линзового, например,
эффекта посредством локального изменения оптических ха-
рактеристик стеклянной пластинки, а не посредством при-
дания ей чечевицеобразной формы.
Наконец, третья концепция — оптоэлектронная. Опто-
электронщики научились делать великолепные лазеры, фо-
топриемники, модуляторы света, дефлекторы, словом, целый
набор элементов для манипулирования со световыми сигна-
лами. Ну и что? Ведь чтобы из этих элементов сделать
мало-мальски сложное устройство, их надо объединить в
единое целое, да еще такое, чтобы было подстать микро-
электронике. Значит, надо научиться на основе всех этих
элементов изготавливать оптические (или оптоэлектронные)
интегральные схемы, а для этого нужны еще и световодные
межсоединения.
Основу любого устройства интегральной оптики состав-
ляет плоский диэлектрический волновод, он может прямо
напыляться на подложку или изготавливаться внутри нее
226
п2>п.
Рис. 57. Световоды могут быть
не только волоконными, но и
плоскими
(рис. 57). Обязательно при этом одно: показатель прелом-
ления материала световода должен быть больше, чем у
подложки,— тогда свет распространяется внутри этого све-
товода. Обычно толщина световода соизмерима с длиной
волны света и составляет десятые
доли или единицы микрометров.
А ширина —- от единиц до десят-
ков микрометров.
Если очень близко от одного
световода параллельно ему изго-
товить другой, то между ними
становится возможной перекачка
энергии излучения. Если на све-
товоде нанести решетку из рисок,
то эта рифленая область выпол-
нит функцию зеркала. Световод с утолщением или световод,
повторяющий вмятину в подложке, работает как линза.
Это—пассивные элементы.
Структура полупроводникового лазера — например, ти-
пичная микрополосковая с распределенной обратной связью
(см. рис. 23, в) — по самой своей сути является интеграль-
но-оптической — ни убавить, ни прибавить. Фотоприемники
относительно легко изготавливают, используя технологию
барьера Шоттки. Если на тщательно очищенную поверх-
ность полупроводника напылить металлическую пленку, то
на грание между ними образуется потенциальный барьер. Он
ведет себя так же, как и р — и-переход, обеспечивая этой
простенькой структуре фотодиодные свойства. А вот типич-
но интегрально-оптический элемент — интерференционный
модулятор Маха — Цандера
(рис. 58). Полосковый вол-
новод изготавливается из
электрооптического мате-
риала — его показатель пре-
ломления изменяется при
воздействии электрического
поля. В обычном состоянии
интенсивность световой вол-
ны, поступившей на вход,
делится поровну между дву-
мя идентичными плечами,
при их слиянии обе волны
тоже сливаются, так что на выходе имеем то же, что и на
входе (за исключением потерь в материале). Если же к
электродам приложить напряжение, то показатель прелом-
ления в левом плече возрастет, скорость распространения
Подложка
Электроды
Плоский,
долнодод
Рис. 58. Интегрально-оптический
интерферометр Маха—Цандера
227
света уменьшится и к точке слияния волны из правого и
левого плеча подойдут с разными фазами. Если, например,
разность фаз составит л (волны придут к противофазе), то
вследствие интерференции одна волна полностью погасит
другую — светового потока на выходе не будет. Значит,
изменяя напряжение управления, можно модулировать ин-
тенсивность проходящего потока в пределах от его мак-
симального значения до нуля. Малые размеры элементов
модулятора, отсутствие электрических реактивностей обес-
печивают предельную частоту модуляции до десятков гига-*
герц. При этом управляющее напряжение составляет всего
лишь единицы вольт.
Создавая и объединяя на общей подложке различные
элементы, уже научились создавать быстродействующие
АЦП и логические схемы, широкополосные спектроанализа-
торы и корреляторы, специализированные процессоры для
решения некоторых конкретных задач. Многие устройства
интегральной оптики успешно применяют для вполне прак-
тических целей. И все же...
Интегральная оптика зародилась в 1970 г., т. е. тогда же,
когда возникла волоконная связь, микропроцессоры, прибо-
ры с зарядовой связью. Каждое из этих направлений сегодня
являет собой мощную индустрию, а интегральная оптика, по
сути, все еще не может вырваться из лабораторной реторты.
Все дело в том, что интегральная оптика пока еще не нашла
для себя удобного единого материала, подобного тому, каким
стал для микроэлектроники кремний. Наилучшие волноводы
изготавливаются из стекол и полимеров; модуляторы — из
ниобата лития; лазеры, фитодиоды и бистабильные элемен-
ты — из арсенида галлия и некоторых других полупро-
водников.
Это — основная нерешенная проблема, но есть и множе-
ство других сложностей, о которых в конце книги упоминать
не очень бы хотелось. Лучше скажем о приятном: в послед-
ние годы появилась надежда, причем надежда, опирающая-
ся на исключительно животворный физико-технологичес-
кий фундамент — квантово-размерные структуры и сверх-
решетки (см. § 5). Несомненно, что к моменту выхода этой
книги в свет (даже при «оперативности» нашего книгоизда-
тельского дела) для оптических транзисторов и оптических
интегральных схем время дифирамбов еще, увы, не настанет,
но думается, что рано или поздно они все-таки заслужат
право на восторженные оды.
ОПТОЭЛЕКТРОНИКА ПРОДОЛЖАЕТСЯ,.,
(мимолетный взгляд из 1992 года)
Во времена революций хорошие книги пишутся
нечасто. Тем более «вечные книги». Беспрестанная смена
декораций, чрезмерная ажиотированность не дают возмож-
ности сосредоточиться, по-философски спокойно осмыслить
происходящее. Кажется совсем недалек год 1985, тем бо-
лее 1989-й, а где они — «герои» первых лет перестройки?
Одни затерялись в долларовых джунглях Америки, дру-
гие оказались в Матросской тишине, третьи вообще бес-
следно канули в Лету. Ежегодно появляются новые имена,
но вряд ли и эти следует запоминать — скорее всего им
уготована участь предшественников... «Война и мир» писа-
лось через полвека после того, как отгремели последние
залпы войны.
Эта книга написана за несколько лет до ее опублико-
вания — таково наше время, не до книг. Поэтому было
любопытно оценить и ответить на вопрос: «умчалась вдаль
лихая колесница» или «а воз и ныне там». Оказалось: и то
и то. Общие положения книги, физические принципы опи-
санных оптоэлектронных приборов, конечно же, не изме-
нились, цифры, рекордные достижения, конечно же, из-
менились. Это естественно; и если бы только это, то автору
не стоило бы и оглядываться. Но, оказывается, современная
технологическая революция так существенно модифицирует
известные уже издания, беспрестанно предлагая новые ма-
териалы, конструкции, способы и даже новые физические
принципы, что порой трудно распознать, где происходят
изменения чисто количественные, а где качественные.
Обратимся к нашим героям, посмотрим, каковы они
«пять лет спустя».
Что, например, поделывал в последние годы премьер
оптоэлектроники — полупроводниковый лазер. Понятно,
что по каждому параметру шло непрестанное улучшение:
пороговый ток снижался, быстродействие повышалось, спек-
тральная линия сужалась и т. д. Конечно, правильнее ска-
зать не «снижался», а «снижали», не «повышалось», а
«повышали» — за всем этим не течение времени, но упор-
229
ный труд технологов. И тем не менее все это ожидаемо,
ничего удивительного нет (как говорится, «им за это зар-
плату платят»).
Но появилось и кое-что настолько новое, о чем, скажем,
лет десять назад даже и не думалось. Речь идет о лазерах с
поверхностным излучением. Во всех оцисанных в книге
конструкциях лазеров излучение распространяется в объеме
кристалла вдоль поверхности и выходит наружу через скол
боковой грани. Мы имеем дело с горизонтальным оптическим
резонатором, образуемым зеркальными поверхностями боко-
вых сколов. Длина резонатора, т. е. длина лазера, составляет
обычно сотни микрометров и ее нельзя значительно умень-
шить без опасения резко увеличить расходимость лазерного
луча и расширить спектральную полосу.
В лазере с поверхностным излучением создается вер-
тикальный резонатор, поэтому излучение выходит перпен-
дикулярно поверхности кристалла. В типичном образце ак-
тивная структура представляет собой цилиндрический стол-
бик диаметром 1,5 мкм, выступающий над поверхностью
на 5 мкм. Область, в которой зарождается излучение, на-
ходится внутри этого столбика, объем ее составляет всего
0,5 мкм3 — все приведенные размеры в десятки раз меньше,
чем размеры тех же областей у лазеров с горизонтальным
резонатором и торцевым излучением. Достоинства новых
лазеров многообразны и очевидны, но все же упомянем
основные из них.
Во-первых, это резкое уменьшение всех характеристи-
ческих размеров и как следствие — столь же резкое умень-
шение тока возбуждения. Оценки, подкрепленные экспе-
риментально, показывают, что пороговый ток такого лазера
составляет всего 10 мкА. Могли ли такое себе представить
«отцы-основатели», когда 30 лет назад декабрьскими вече-
рами 1962 г. для получения лазерной генерации они бук-
вально вгоняли в арсенидогаллиевый кристаллик импульсы
тока в добрую сотню ампер?
Во-вторых, это планарность технологии — воздействия
на полупроводниковую пластину осуществляется только с
одной стороны, с обращенной к оператору верхней поверх-
ности. Это автоматически обеспечивает возможность груп-
повой обработки — в описанном выше устройстве за один
технологический проход создается не единичный лазерный
столбик, а столько, сколько позволит площадь пластины.
Отсюда, тоже автоматически, вытекает возможность интег-
рации лазеров и высокая плотность их компоновки. Два
миллиона излучающих столбиков на 1 см2 — для начала,
230
пожалуй, не так уж плохо. При этом планарная техноло-
гия обеспечивает высочайшую степень воспроизводимости
структур, высокую производительность и, как следствие,
низкую стоимость изделий.
Из конструктивно-технологических особенностей прямо
следует еще кое-что. Луч лазера круглый в сечении —
хорошо совмещается со всеми оптическими элементами,
имеющими сферическую симметрию, неприятности астиг-
матизма сводятся до минимума (у лазера с торцевым излу-
чением поперечное сечение луча имеет форму сильно сплю-
щенного эллипса и его округление очень непростое дело).
Столбики одной пластины очень естественно объединя-
ются в лазерную решетку, которая характеризуется высокой
степенью когерентности излучения и значительной мощ-
ностью — понятно, что эту многомиллионную армию абсо-
лютно одинаковых солдатиков не так уж трудно заставить
шагать в ногу.
Еще одно. Столбики из полупроводниковых соединений,
тройных или четверных (см. гл. 2, стр. 101—109), можно
выращивать на подложке из совершенно другого материала,
например из кремния. А это не только дальнейшее удешев-
ление, это еще и интеграция лазеров с кремниевыми интег-
ральными схемами, т. е. то самое слияние, сращивание
оптики и электроники, о котором мечталось.
Вот что дает лазерам новая технология, следовало бы все
же в нашем перечислении «во-первых» и «во-вторых» поме-
нять местами.
Спрашивается, почему же лазеры с поверхностным излу-
чением не придумали раньше, очевидно, что и связанные с
ним идеи лежат на поверхности? Так-то так, да не совсем.
Если, например, представить, что мы изловчились и изго-
товили столбики по традиционной «торцевой» технологии,
то оказалось бы, что излучение полностью утратило направ-
ленность и в значительной степени — когерентность. По
существу получился бы точечный светодиод, а не лазер.
В основе лазера с поверхностным излучением лежит много-
слойная квантово-размерная структура; только «рассажи-
вая» электроны по «квантовым ящикам», можно заставить
их генерировать фотоны, как нам хочется. При этом «мно-
гослойная» означает на 5—10 слоев — с этим бы справились
и раньше. В той структуре, которая здесь описана, 521 слой!
Нетрудно сообразить, что толщина каждого из них не пре-
вышает 1—3 моноатомных слоев. А нередко сообщается о
создании разнородных слоев с толщиной в десятые доли
размера атома — что это такое, не всегда может объяснить
231
и сам создатель подобных слоев. Так что только на базе
принципиально новой физики и новой технологии, нашед-
ших и дополнивших друг друга, оказалось возможным соз-
дание очередного оптоэлектронного чуда — лазера с повер-
хностным излучением (мы говорим «очередного», потому что
уверены: «не последнего»).
Анализировать прогресс каждого оптоэлектронного на-
правления — это заново писать книгу, поэтому ограничимся
лишь беглым взглядом.
Очень бурно развиваются плоские экраны, по-прежнему
здесь лидируют жидкие кристаллы, а вот в группе остальных
«гонщиков» произошли заметные и в общем-то ожидаемые
перемены. Ко второму месту все решительнее подбираются
электролюминесцентные полупроводниковые экраны, оттес-
нив вакуумные люминесцентные, но пока еще уступая плаз-
менным панелям. Отчетливо проявляется известная тен-
денция: в конечном счете побеждает то направление, физи-
ческие преимущества которого носят долгосрочный прин-
ципиальный характер — подходящая технология рано или
поздно находится. А электролюминесцентные экраны полно-
стью твердотельны, изготавливаются методами планарной
технологии, обладают отличными эксплуатационными и эр-
гономическими качествами. Правда, одна из сфер техники
отображения информации — крупноформатные экраны —
безраздельно остается за плазменными каналами. Похоже,
что и жидкие кристаллы будут не столько вытеснять их,
сколько привлекать себе в союзники. Так, например, в одном
из проектов ЖК-экрана с диагональю 1—1,5 м в качестве
подложки используется активная матрица с плазменной
адресацией. Вместо тонкопленочных транзисторов, харак-
терных для систем возбуждения ЖК-экранов небольшого
размера, здесь используется сетка тончайших каналов, про-
травленных вдоль стеклянной подложки и заполненных ге-
лием или неоном.
В ионизованном состоянии газ является проводящим, в
деионизованном — непроводящим, т. е., управляя газовым
разрядом в каждом канале, можно заставить работать всю
сетку как матрицу переключателей. Такое решение пробле-
мы активной матрицы для ЖК-экрана может оказаться
лучше транзисторного, так как изготовление транзисторов
на очень большой площади затруднительно.
Формирователи изображений на основе ПЗС проходят
стадию постепенного накопления, казалось бы, незаметных
достижений, но эта эволюционность вот-вот удивит нас
прыжком на уровень ТВЧ (телевидения высокой четкости),
232
представляющего собой одну из самых престижных и доро-
гостоящих программ современной электроники.
Самым значительным достижением в развитиии ВОЛС,
как это не парадоксально, стала, пожалуй, та будничность,
с которой повествует о них пресса. По-прежнему не менее
редки сообщения о новых рекордах в повышении пропускной
способности ВОЛС (3 • 1О10 бит/с — уже почти обыденно, а
для сенсационности говорят и о триллионе бит/с!), но все
же основной лейтмотив: использование ВОЛС стало нормой,
как использование проводной или спутниковой связи. И это
наиболее серьезное признание успехов некогда экзотическо-
го коммуникационного средства!
В предложенной читателям книге, разумеется, не «вся
оптоэлектроника». На это указывалось и раньше, это есте-
ственно — нельзя объять необъятное. Фактически отобрано
лишь то, что она принесла на алтари двух богов (или
идолов?): Телевизора и Компьютера. В жертву первому идут
самые совершенные средства восприятия и отображения
окружающего мира, второй — ненасытен по части обра-
ботки, хранения, передачи потоков информации.
Еще год-другой тому назад не надо было бы обосновывать
правильность такого выбора. Но... неумолимое время меняет
и объекты поклонения. Сегодня, когда от изменения цен на
энергоносители зависят не только благосостояние и комфорт,
но и само выживание нации, пожалуй, «главным»-то боже-
ством становится Энергия. Приятно, что оптоэлектроника
может быть полезной и ему.
Солнечные батареи, непосредственно преобразующие
энергию солнечных лучей в электрическую, появились еще
в 1952 г. Отдельный элемент такой батареи — это фотодиод,
в котором под воздействием излучения возбуждается фото-
э.д.с. Если к выводам фотодиода подключить ту или иную
полезную электрическую нагрузку (радиоприемники, элек-
тромоторчик ит. п.), то потечет электрический ток. Наибо-
лее удобным материалом оказался кремний — его спект-
ральная характеристика хорошо согласуется со спектром
солнечного света, да и технологически он самый удобный
полупроводник. Правда, эдс кремниевого фотодиода неве-
лика, всего 0,4—0,6 В, но объединив много элементов в
батарею, можно обеспечить необходимые для данной на-
грузки напряжение и ток.
Подробно описывать солнечные батареи вряд ли необхо-
димо — тому, кто по выставкам или фотографиям знакбм с
космическими «Бостоками», «Союзами», «Аполлонами», на-
верняка запомнились их «крышки». Большая площадь фото-
233
чувствительной площадки солнечного элемента — его от-
личительная особенность (надо захватить побольше солнеч-
ных лучей). Кстати, космос стал первым полигоном для
солнечных батарей: во-первых, в этих условиях им фак-
тически не было альтернативы (так и хочется изречь: «без
оптоэлектроники не было бы и космонавтики»), а во-вторых,
первые солнечные батареи были очень дороги и для пользо-
вания на Земле являли собой непозволительную роскошь.
Но «разогнавшись» в космосе, обретя промышленную
мощь, солнечные батареи «спустились на Землю». Характер-
но, что этому в определяющей степени способствовал «энер-
гетический кризис» начала семидесятых годов, связанный с
арабо-израильскими конфликтами и резким подорожанием
ближневосточной нефти.
Разумеется, не только страх перед подорожанием нефти
стимулировал многомиллионные долларовые инъекции в
солнечную энергетику. Кроме этого — конъюнктурного —
момента имелось много веских принципиальных причин
общего характера.
Во-первых, в солнечных батареях идет преобразование
света в электричество с высоким кпд. Правда, сегодняшние
промышленные элементы имеют кпд 10—15 % (нередко
и ниже), но ведь рекордные цифры превышают 50 %, а
теоретический предел около 93 %! Для сравнения напом-
ним, что в естественно-искусственном цикле традицион-
ной энергетики «растительный фотосинтез — органичес-
кое топливо (дерево, уголь) — паровая турбина — элект-
рогенератор» кпд составляет — сколько бы Вы думали? —
0,001 %! Это прямое следствие многостадийного непрямого
преобразования. Да и длительность цикла более чем
впечатляющая: десятки лет — по дереву, миллионы —
по углю.
Второе достоинство солнечных батарей — автономность
и вечность (пока Солнце светит!). Оставим на время космос,
ведь надо подпитывать ретрансляторы радиорелейных линий
где-нибудь в пустыне, удаленные необслуживаемые нефтя-
ные насосы, метеостанции, АТС на селе, дорожные знаки на
автострадах. Все требует энергии, но подводить линию элек-
тропередачи не всегда экономически оправданно, иногда и
вовсе невозможно. А как удачно солнечные батареи встраи-
ваются в бытовую аппаратуру: часы, калькуляторы, видео-
магнитофоны! Технологический прорыв последнего деся-
тилетия привел к тому, что солнечные элементы вышли на
первое место в мире среди источников питания по такому
важнейшему обобщенному показателю как отношение раз-
234
виваемой мощности к массе, подойдя вплотную к заветной
цифре 1 кВт/кг!. Так что симпатии «малой энергетики»
несомненно принадлежат оптоэлектронике. Да и такая ли уж
она «малая»? Еще в 1981 г. «солнцелет» — небольшой пи-
лотируемый самолет на солнечных батареях — совершил
показательный перелет на 250 км через Ламанш, с 1987 г.
регулярно проводятся трансавстралийские ралли для «сол-
нечных» электромобилей.
Конечно, в компании гигантов тепловой, гидро- и атом-
ной энергетики солнечным элементам делать нечего, хотя...,
может быть, «пока»? Много лет обсуждается проект космиче-
ской солнечной электростанции. Предполагается, что она
распластается на площади в тысячи гектаров, элементы
будут изготавливаться там же на космическом заводе. Собрав
с этого кремниевого поля электроэнергию, ее преобразуют в
СВЧ-луч, который направят на гигантскую антенну, разме-
щенную где-нибудь в безлюдном уголке Земли. Если проект
состоится, то человечество получит наконец-то «экологи-
чески чистую» энергию.
Вернемся, однако, к оптоэлектронике «малых форм»,
оперирующих с различными видами информации. Широкое
наступление по всему фронту, непрестанное восхождение от
рекорда к рекорду, цифры одна другой фантастичнее —
казалось бы, чего же еще? Но почему информатика до сих
пор не стала оптоэлектронной, и не видно, чтобы стала
таковой в обозримом будущем?
Ларчик открывается просто — «остальной мир» тоже не
дремлет. Тому, кто хочет вторгнуться в информатику, надо
обойти микроэлектронику — этот гигантский, вечно живой,
все подчиняющий Солярис.
Основной показатель интегральной схемы — степень
интеграции, определяемая числом транзисторов, размещен-
ных на одном кристалле. Чем выше степень интеграции, тем
функционально насыщеннее схема, тем больше человечес-
ких потребностей она удовлетворяет. Сегодняшнюю хоро-
шую, но далеко не рекордную интегральную схему можно
охарактеризовать такими запоминающимися примерными
цифрами: размер кристалла ~0,1 см2, размер элемента
транзистора —1 мкм, число транзисторов на кристалле
~1 мкм. Особенность технологического прогресса заклю-
чается в том, что он идет не в одном каком-то направле-
нии, а буквально во всех, где можно достичь повышения
степени интеграции.
Первое — это уменьшение размеров транзисторов. Раз-
виваемая «субмикронная технология» обещает достигнуть
235
0,1—0,2 мкм, что позволяет прогнозировать к 2000 г. изго-
товление на одном кристалле миллиарда (!) транзисторов.
Но это не все. Появились трехмерные, объемные интег-
ральные схемы — здесь транзисторы располагают не в од-
ном, как обычно, а в нескольких слоях кремния, располо-
женных друг над другом и связанных пленочными межсо-
единениями. Уже реализованы «трехэтажные» схемы (при
этом высота каждого этажа не превышает 1—2 мкм), но нет
принципиальных ограничений для создания не только «вы-
сотных зданий», но и полупроводниковых «небоскребов».
Копать можно не только вглубь, можно еще и расширять
поле. Что мешает увеличить площадь кристалла, зачем
вырезать их из пластины, а не сразу же соединить друг с
другом, превратив всю пластину в сверхгигантскую интег-
ральную систему? Если принять во внимание, что диаметр
кремниевых пластин в ближайшие 5—7 лет достигнет
200—250 мм, то нетрудно сосчитать, что «интеграция на
целой пластине», ИЦП (так назвали эту технологию) может
дать более чем тысячекратный выигрыш в степени интег-
рации. Изготовленные первые образцы «интегральных плас-
тин», в которых более сотни микросхем памяти объединены
в единый ансамбль, явились полупроводниковыми аналога-
ми компакт-дисков, аналогами, не нуждающимися в ме-
ханических приводах, допускающие быструю и произволь-
ную выборку информации. Вот уж поистине развитие идет
по спирали!
В 1958—59 гг. почти по такому же алгоритму была
изобретена интегральная схема. Один из ее творцов Роберт
Н. Нойе (недавно скончавшийся) так вспоминал то время:
«Интегральная схема — плод моей лени. Мы брали тран-
зисторы, которые были аккуратно расположены на крем-
ниевой пластине, разрезали пластину на мелкие кусочки и
затем отгружали их потребителям, которые должны были
вновь собрать эти кусочки вместе. Я и подумал: нельзя ли
выбросить все эти промежуточные шаги и соединить тран-
зисторы друг с другом, пока они все находятся на одной
кремниевой пластине. Мы так и поступили». Все очень
просто, но за этой простотой два года напряженнейшего
труда, пока не были найдены способ изоляции транзисторов
друг от друга в одной пластине и способ создания межсое-
динений пленочной металлизацией...
Если когда-то достижение всех трех направлений —
субмикронной технологии, трехмерных схем НЦП — со-
единятся (а это несомненно), то в одной такой интегральной
системе, даже считая по средним цифрам, может быть
236
реализовано около триллиона (!) транзисторов. Вот к какому
конкуренту должна примериваться оптоэлектроника.
Но и это не все, микроэлектроника готова перескочить
через самое себя. В недрах ее зародилось принципиально
новое направление — наноэлектроника. Швейцарские уче-
ные Г. Рорер и Г. Биннинг, нобелевские лауреаты 1986 г.,
создали сканирующий туннельный микроскоп, прозволя-
ющий изучать и модифицировать поверхность вещества на
атомном уровне. Вольфрамовое острие, располагающееся в
вакууме над доверхностыо на расстоянии около 0,5 нм, при
пропускании импульсов тока способно определить природу
находящегося под ним атома, а при необходимости и пере-
местить его в нужную точку. Открылась удивительная воз-
можность — вместо транзисторов создавать новые элементы,
состоящие всего лишь из нескольких атомов! Все рево-
люционные последствия развития нанотехнологии пока еще
даже не осмысленны, но уже сообщается о практических
результатах, буквально вызывающих шок. Так, например, с
помощью сканирующего туннельного микроскопа (точнее,
наноскопа) внутри одного углубления современного оптиче-
ского компакт-диска удалось разместить 10 000 углублений
диаметром 10 нм и глубиной 0,5 нм. Конечно, до суперьем-
кого дискового накопителя еще далеко, но заявка сделана.
Вот почему, оценивая достижения оптоэлектроники, на-
до постоянно сопоставлять их с достижениями «смежников».
В этой связи важность, значимость приобретают не столько
те или иные рекордные цифры, сколько новые качества,
такие, которые другими средствами попросту не могут быть
реализованы. Когда мы читаем или слышим о «разумном»,
«интеллектуальном» дисплее, о плоском настенном теле-
визоре, о «зрячем» компьютере, об оптоэлектронной книге,
цифровой бумаге (это аналог оптического диска) и о многом,
подобном этому,— мы уверены: оптоэлектроника необхо-
дима, она живет и развивается. Здесь мы ставим точку,
добавив после этого всего лишь пару слов.
Многострадальная Родина наша переживает мрачное вре-
мя — продажность, воровство, взяточничество, низкопок-
лонство захлестывают едва приметные островки гражданст-
венности, честности, человечности. Как удержаться, как
оградить душу? Ответ известен: Литература, Живопись,
Музыка — вот те вешки, цепляясь за которые можно не
увязнуть в болоте безнравственности. К ним причислим
Науку и Технику в той их части, которая связана не с
приобретением благ, а с познанием и открытием нового, с
творческим огнем созидания.
237
Оптоэлектроника несомненно занимает свое достойное
место в ряду нравственных ценностей человечества. Она,
как, пожалуй, ни одна другая сфера электроники, сразу же
стала очень близкой человеку, его простым, извечным,
естественным потребностям. Причина этого очевидна: Опто-
электроника (не пожалеем заглавной буквы и здесь) опе-
рирует со светом, это и «обрабатываемый материал», и
«средство обработки», и ее конечный итог одновременно.
А где свет, там тепло, счастье, любовь, жизнь... Светом
пронизаны стихи Пушкина и Шиллера, он переполняет
партитуры Моцарта и Чайковского, свет струится с полотен
титанов Ренессанса и импрессионистов. Никто из вели-
чайших физиков-мыслителей не обошел стороной проблему
света — Аристотель, Галилей, Ньютон, Ломоносов, Макс-
велл, Эйнштейн...
Вам мало этих авторитетов? Тогда на прощание:
«3. И сказал Бог: да будет свет. И стал свет.
4. И увидел Бог свет, что он хорош; и отделил
Бог свет от тьмы» (Ветхий завет, Первая книга
Моисеева, глава I, стих 3, стих 4),
«Вы — свет мира» (От Матфея, глава 5, стих 14 —
Иисус Христос, Нагорная проповедь).
ОГЛАВЛЕНИЕ
Вместо введения — приглашение в цирк...................... 3
Глава 1. У ПОДНОЖИЯ ПИРАМИДЫ............................. 13
§ 1. Что такое элементная база? ...................... 13
§ 2. Эти удивительные превращения .................... 20
§ 3. Соколиный глаз................................... 29
Г л а в а 2. ДА БУДЕТ СВЕТ! ............................. 50
§ 4. Светодиоды — начало.............................. 50
§ 5. Его величество лазер ............................ 68
Г л а в а 3. УКРОЩЕНИЕ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ................... 96
§ 6. Немного о том, что хорошо известно .............. 96
§ 7. Взгляд изнутри.................................. 103
§ 8. Ожившая информация ............................. 114
§ 9. Электронное зрение.............................. 147
Г л а в а 4. ФОТОНЫ И БИТЫ ............................. 177
§ 10. Световодная связь ............................. 177
§11. Оптическая память.............................. 199
§ 12. Оптический компьютер — перспектива или утопия? . . 221
Оптоэлектроника продолжается... (мимолетный взгляд из
1992 года) .......................................... 229
Научно-популярное издание
НОСОВ Юрий Романович
ДЕБЮТ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
БИБЛИОТЕЧКА «КВАНТ», ВЫПУСК 84
Заведующий редакцией Н. А. Носова
Редактор В. Я. Дубнова
Редактор-организатор Л. 3. Симакова
Художник Б. М. Рябышев
Художественный редактор Г. М. Коровина
Технический редактор И. 111. Аксельрод
Корректор Л. С. Сомова
ИБ №41093
Сдано в набор 08.06.92. Подписано к печати 19.11.92. Формат 84x108/32. Бумага тип. № 2.
Гарнитура тайме. Печать офсетная. Усл. печ. л. 12,6. Усл. кр.-отт. 13,02. Усл.-изд. л. 14,35.
Тираж 9895 экз. Заказ № 260. С-090.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Наука»
Главная редакция физико-математической литературы
117071 Москва В-71, Ленинский проспект, 15
Четвертая типография издательства «Наука»
630077 г. Новосибирск, 77, Станиславского, 25