211service.com
Nobel för revolutionerande optisk teknologi
De 2009 Nobelpriset i fysik har tilldelats tre forskare vars arbete har legat till grund för modern telekommunikation och digital bildbehandling. Priset uppmärksammar Charles K. Kao, vars upptäckter ledde till ett genombrott inom fiberoptik, och Willard S. Boyle och George E. Smith, som uppfann CCD (charge-coupled device) bildsensor.
Nobelpristagare: Vinnarna av årets Nobelpris i fysik är, från topp till botten, Charles K. Kao, tidigare från Standard Telecommunication Laboratories, och Willard S. Boyle och George E. Smith, tidigare från Bell Laboratories.
Optiska fibrer bär nästan all telekomdata och utgör ryggraden i Internet. I kombination med lasern och transistorn har uppfinningen av en effektiv optisk fiber med låg förlust möjliggjort nästan omedelbar kommunikation över hela världen, säger H. Frederick Dylla, chef för American Institute of Physics, i ett uttalande.
Arbetet utfördes i mitten av 1960-talet. Uppfinningen av lasern i början av 1960-talet sporrade forskare att utveckla ett praktiskt överföringsmedium för ljus, som kan överföra data mycket snabbare än radiovågor. Optiska fibrer verkade dock inte lovande vid den tiden på grund av deras höga dämpningshastighet: endast cirka 1 procent av ljuset som skickades genom fibern skulle sändas så långt som 20 meter.
Kaos insikt var att fokusera inte bara på ljusets fysik, utan på själva mediets materiella egenskaper. 1966, som ung ingenjör vid Standard Telecommunication Laboratories i Harlow, U.K., upptäckte Kao de bakomliggande orsakerna till dämpning i optisk fiber: järnföroreningar fick den att absorbera och sprida ljuset. Rent glas, föreslog han, skulle bli en bättre bärare och skulle också ge kostnadsfördelar.
Efter ytterligare studier av hur ljus med olika våglängder färdas genom olika medier, pekade Kao och hans kollegor på kiseldioxid som det bästa materialet. Men kiseldioxid är svårt att arbeta med. Ett team av forskare vid Corning Glass Works realiserade Kaos konstruktioner 1970, med hjälp av en högtrycksreaktionskammare för att bilda de första optiska fibrerna med låg förlust, och andra på Bell Laboratories förfinade tillverkningstekniken för att få ner kostnaderna.
Moderna optiska fibrer är till och med bättre än vad Kao förutspått och förlorar bara 5 procent av ljuset över en kilometers sträcka. 1988 lades den första interkontinentala optiska fibern, som var 6 000 kilometer, ned mellan Europa och Amerika; idag finns det över en miljard kilometer optisk fiber runt om i världen, och mer läggs till varje dag.
Den andra halvan av årets Nobelpris i fysik går till uppfinnarna av CCD, en enhet som omvandlar bilder till elektriska signaler och därigenom revolutionerar fotografi och digital bildbehandling.
Medan Kaos arbete växte fram ur en samlad ansträngning att hitta ett bättre telekommunikationsmedium, var Boyle och Smiths oväntade. De utvecklade CCD på Bell Labs 1969, efter att ha skissat upp den grundläggande designen under en timmes brainstormingsession. Principen bakom CCD är den fotoelektriska effekten, som delvis teoretiserades av Albert Einstein, vilket gav honom Nobelpriset 1921 . När de bombarderas av en foton, avger vissa material en elektron. Boyle och Smiths design är ett kiselchip vars yta är täckt med ett rutnät av kondensatorer som lagrar de elektroner som skapas när chipet är belyst. Varje kondensator är en pixel. Antalet elektroner som lagras vid varje kondensator är proportionell mot intensiteten av ljuset i den delen av bilden. Bilden kan läsas ut genom att dra laddningarna från CCD:n.
Fördelen med CCD framför ljuskänsliga kemiska filmer och även det mänskliga ögat är dess höga känslighet. Över hela ljusspektrumet, från infraröd till röntgenstrålar, kan CCD:er fånga 90 procent av inkommande fotoner. Ögat eller en filmkamera fångar bara 1 procent av dessa fotoner.
Ett år efter deras uppfinning, gjorde Boyle och Smith en videokamera baserad på den digitala bildsensorn; 1981 lanserade Sony marknaden första CCD-kameran , Mavica. Astronomer var tidiga användare och har använt sensorerna för att fånga bilder av avlägsna himlaobjekt som hittills varit osynliga.
Idag möter CCD en viss konkurrens från ett annat digitalt bildchip som uppfanns ungefär samtidigt – CMOS (komplementär metall-oxid-halvledare). Båda enheterna är beroende av den fotoelektriska effekten. Medan CCD styr elektroner från chippet i en enda ström för att läsas ut, läses data från CMOS-pixlar ut på plats, vilket sparar ström och förlänger batteritiden. CMOS är dock inte lika känsligt som CCD, vilket fortfarande har fördelar för avancerade applikationer som astronomi och medicinsk bildbehandling.