Włókna światłowodowe

Połowę Nagrody Nobla z fizyki w 2009 roku otrzymał Charles K. Kao (Chiny) za przełomowe prace w zakresie transmisji światła we włóknach optycznych (światłowodach), które wykorzystuje się w telekomunikacji. Drugą połową dostali Amerykanie Willard S. Boyle i George E. Smith (USA), którzy w słynnych Bell Laboratories wynaleźli matrycę CCD, która zastąpiła kliszę fotograficzną we współczesnych aparatach cyfrowych, kamerach wideo, teleskopach i we wszelkich innych urządzeniach rejestrujących obraz i światło.

Charles K. Kao Urodził w 1933 roku w Szanghaju. W wieku 24 lat ukończył brytyjską Politechnikę Woolwich. Następnie pracował jako inżynier w firmie Standard Telephones and Cables Ltd., brytyjskiej filii amerykańskiej korporacji ITT. W 1960 r. zatrudnił się w centrum badawczym firmy - Standard Telecommunications Laboratories Ltd. W 1965 roku doktoryzował się z zakresu elektryki w Imperial College w Londynie. Już w następnym roku, razem z George'em Hockhamem, opublikował swoją przełomową pracę dotyczącą światłowodów, nagrodzoną Noblem. W latach 1987-96 pełnił funkcję zastępcy rektora na Chińskim Uniwersytecie w Hongkongu. W 1996 roku przeszedł na emeryturę ale od tej pory zajmował różne funkcje w firmach elektronicznych a Azji Wschodniej.

Światło załamuje się na granicy dwóch ośrodków, a kiedy przechodzi z ośrodka gęstszego do rzadszego pod kątem większym od granicznego (na przykład ze szkła do powietrza) to zachodzi całkowite wewnętrzne odbicie bez straty energii. Promienie pozostaną więc uwięzione w gęstszym ośrodku, niczym w lustrzanej pułapce. Taki ośrodek może być dla fal świetlnych czymś w rodzaju przewodu (dokładniej falowodu, a w przypadku światła widzialnego światłowodu).
Już na początku lat dwudziestych zeszłego wieku pojawiły się pierwsze pomysły, by szklanymi rurkami doprowadzić światło. Ale światłowody stały się naprawdę potrzebne dopiero w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych zeszłego wieku, z chwilą kiedy ruszała rewolucja w telekomunikacji , na orbitę wystrzelono satelity i pojawiła się telewizja. W tym samym czasie wynaleziono też lasery, czyli doskonałe źródło światła.

George E. Smith Urodził się w 1930 roku niedaleko Nowego Jorku. W 1955 roku ukończył studia na Uniwersytecie Pensylwanii i doktoryzował się na Uniwersytecie w Chicago. Przez 37 kolejnych lat pracował, aż do emerytury, dla francuskiej firmy telekomunikacyjnej Bell Laboratories. Tam w 1969 roku wraz z Willardem Boylem poszukując nowego sposobu rejestracji obrazu na potrzeby wideotelefonu, opracował matrycę CCD.

W ówczesnych włóknach szklanych światło było mocno tłumione i rozpraszało się już po kilku, kilkunastu metrach. A naukowcy bezskutecznie głowili się, jak usprawnić konstrukcję falowodów, by można było przesyłać światło przynajmniej na odległość kilometrów.
Charles K. Kao był wtedy młodym inżynierem w brytyjskich Standard Telecommunication Laboratories, szefem małej grupy, która na samym początku składała się tylko z niego i jednego podwładnego - George'a A. Hockhama (wielki pominięty podczas tegorocznego rozdania Nobli). Oni też zajęli się problemem mocnego tłumienia światła w szklanym włóknie i przyjrzeli się własnościom szkła. Odkryli, że wszystkiemu winne są zanieczyszczenia znajdujące się w szkle.

Fragment kolorowej matrycy CCD

W pracy opublikowanej w 1966 r. Kao przewidywał, że włókno wykonane z idealnego szkła nie będzie tłumiło światła. Kolejnym sukcesem Kao było stwierdzenie, że straty światła stają się zaniedbywalne, jeśli średnica włókien jest porównywalna z długością fali światła. Cztery lata później udało się potwierdzić przewidywania Kao. Cieńsze od ludzkiego włosa włókna szklane zaczęto stosować w telekomunikacji. W 1975 r. położono pierwsze szklane połączenie telekomunikacyjne w Wielkiej Brytanii. Dziś długość wszystkich światłowodów na kuli ziemskiej szacuje się na miliard kilometrów, można byłoby je rozwinąć z Ziemi do Marsa.


Zasada działania tego urządzenia opiera się na zjawisku fotoelektrycznym, polegającym na wybijaniu elektronów przez padające fotony (kwanty czyli "porcje" światła). Matryca CCD (Change-Coupled Device) jest rodzajem krzemowego obwodu scalonego, na powierzchni którego wytworzona jest matryca złożona z dziesiątków tysięcy komórek uszeregowanych w rzędy i kolumny. Każda komórka zawiera miniaturowy kondensator. Światło padające na płytkę krzemową generuje w krysztale swobodne ładunki elektryczne, które docierają do najbliższych kondensatorów, gdzie są magazynowane. Wielkość ładunku zgromadzonego w kondensatorze w ciągu określonego czasu jest miarą natężenia światła padającego na daną komórkę. Problemem jest zebrać informację o ładunkach w poszczególnych kondensatorach. Tę zagadkę rozwiązali Willard Boyle i George Smith, którzy pracowali w słynnych Bell Laboratories w New Jersey (USA).

Willard S. Boyle Urodził się w 1924 r. w Kanadzie. Studiował fizykę w Montrealu na Uniwersytecie McGilla. W 1950 r. uzyskał doktorat z fizyki. Trzy lata później rozpoczął pracę w prestiżowym oddziale badawczym Bell Telephone Laboratories w New Jersey. W 1962 r. wraz z Donem Nelsonem opracował pierwszy laser rubinowy o pracy ciągłej, a następnie z Davidem Thomasem laser półprzewodnikowy. W tym samym roku rozpoczął współpracę z NASA przy programie Apollo. Od 1964 r. Boyle poświęcił się pracy nad układami scalonymi. Boyle pracował w Bell Telephone Laboratories do 1979 roku, po czym przeszedł na emeryturę.

17 października 1969 roku pod presją zmniejszenia funduszy na badania, w ciągu godziny wpadli na rozwiązanie. Polegało ono na zbieraniu ładunków poszczególnych komórek linia po linii i zmianie dwuwymiarowego obrazu w jednowymiarowy ciąg sygnałów elektrycznych. Poszczególne porcje ładunku przesuwali cyklicznie od jednej komórki do sąsiedniej, zgodnie z impulsami napięcia podawanymi na odpowiednie elektrody. Ten ruch można zorganizować tak, żeby porcje ładunku zgromadzone w poszczególnych komórkach matrycy docierały kolejno do "ostatniej" komórki, gdzie zostaną wzmocnione i przekształcone w sygnał cyfrowy, czyli ciąg impulsów napięciowych.

Supermatryca CCD o rozdzielczości 100 megapikseli przy rozmiarach około 10 x 10 cm

Boyle i Smith po tygodniu skonstruowali prototyp. W 1970 r. zaprezentowali pierwszą jeszcze prymitywną kamerę cyfrową. Dwa lata potem jedna z firm zaczęła seryjną produkcję cyfrowych matryc. Najpierw pojawiły się one w teleskopach i przyrządach naukowych rejestrujących światło z kosmosu, a potem w aparatach medycznych, elektronice codziennego użytku. Dziś aparaty i kamery cyfrowe niepodzielnie królują na rynku. To dzięki CCD możemy oglądać na przykład zdjęcia wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a lub wykrywać nowe planety pozasłoneczne (przykładem jest polski projekt wykrywania planet pozasłonecznych OGLE. W medycynie matryce CCD reagują zarówno na podczerwień, jak i na promieniowanie rentgenowskie i mogą być 1000 razy bardziej wrażliwe na światło niż film fotograficzny.
Matryca CCD jest wykonana z krzemu, podobnie jak inne elementy współczesnej elektroniki. Dlatego można wszystko łatwo połączyć wszystko w jedną całość: rejestrację obrazu, przetworzenie go na postać zero-jedynkową zrozumiałą dla komputera i zminiaturyzować, żeby cały aparat mieścił się np. w maleńkiej komórce.

Opracowano na podstawie internetowych informacji zamieszczonych w serwisie naukowym Gazety Wyborczej i serwisie naukowym portalu Onet.

---

« Poprzednia  Następna »