Чарльз Куен Као Великобритания	Уиллард Стерлинг Бойл, США	Джордж Элвуд Смит США

В работе нобелевского комитета наблюдается некоторая цикличность – премии по физике чередуются: физика элементарных частиц или космология, физика конденсированного состояния, оптика. Поэтому присуждение премии в этом году оптикам было вполне предсказуемым событием.

Нобелевской премией отмечены два научных достижения, которые формируют основу сегодняшних информационных технологий; они определили множество практических новшеств нашей каждодневной жизни и дали принципиально новые инструменты для научного исследования.

Половина премии досталась Чарльзу К. Као за основополагающие исследования передачи света по волокну для оптических коммуникаций. Вторую половину премии разделили Уиллард С. Бойл и Джордж Э. Смит за изобретение полупроводниковой схемы преобразования изображений – ПЗС- матрицы.

Принцип передачи света внутри оптоволокна был впервые продемонстрирован еще в конце 19-го века, но развитие современных оптоволокон началось только в 1950-х годах, после изобретения лазера, за которое в 1964 году Нобелевская премия по физике была присуждена Ч.Таунсу, Н.Басову и А.Прохорову. Оптика тех времён, однако, не отличалась высоким качеством, и свет, пройдя по оптическому кабелю не больше 20 метров, рассеивался на 99%.

В 1966 году инженер Чарльз Као в Великобритании обнаружил причину быстрого рассеяния и придумал, каким образом его можно избежать: свет рассеивался на металлических примесях в стекле. Стекло, очищенное от примесей железа, оказалось более дорогим, но значительно лучшим проводником света. С волокном из самого чистого стекла стало возможным передавать сигналы более чем на 100 километров. Первое ультрачистое волокно было успешно изготовлено только четыре года спустя, в 1970 г.

Поэкспериментировав с разными материалами и лазерами разной длины волны, Ч.Као и его коллеги обнаружили, что наиболее подходящим материалом для волокна является диоксид кремния – это именно тот материал, который используется в современной электронике. Эксперименты и исследования продолжались уже в знаменитых лабораториях Белла, где и был разработан современный технологический процесс производства недорогого оптоволокна.

Состоит оптоволокно из центрального проводника света (сердцевины) – стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла – оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В оптоволокне световой луч обычно формируется полупроводниковым или диодным лазером. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника оптоволокно подразделяется на одномодовое и многомодовое.

Современное оптоволокно оказалось даже лучше, чем мог представить в те годы Ч.Као. Оно способно проводить свет, рассеивая не более 5% на каждый километр длины. В 1988 г. был проложен первый межконтинентальный оптоволоконный кабель длиной 6000 км, связавший Америку с Европой. С течением времени и развитием массового производства волоконная оптика дешевела, и теперь уже даже в обычную квартиру некоторые Интернет-провайдеры готовы протянуть оптоволокно, которого уложено по всей планете уже больше миллиарда километров.

Оптоволокно может быть использовано и как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, дает оптоволоконным датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Оптоволокна широко используются для специального освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптоволокна используются для обозначения маршрута с крыши в какую-нибудь часть здания. Оптоволоконное освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные ёлки.

Большая часть трафика в современных коммуникационных сетях приходится на передачу изображений. Вторая часть Нобелевской премии 2009 г. связана с работами, результаты которых сделали возможным это «чудо» последних десятилетий 20-го века.

В 1969 г. Уиллард Бойл и Джордж Смит изобрели первую успешную технологию преобразования оптического изображения в электрические сигналы, используя оригинальный цифровой датчик – прибор с зарядовой связью (ПЗС-матрица). В основе действия этих устройств лежит фотоэлектрический эффект, за открытие которого А.Эйнштейн в 1921 г. также получил Нобелевскую премию.

Некоторые материалы, в частности, кремний, под воздействием света начинают испускать электроны. Это принцип работы большинства современных солнечных батарей. В сущности, разработанные У.Бойлом и Дж.Смитом кремниевые чипы – те же солнечные батареи, но только маленького размера и разделённые на ещё более мелкие ячейки (пикселы), каждая из которых хранит свои собственные электроны, выбитые из кремния светом. И чем больше в какой-то из ячеек скопилось электронов, тем интенсивнее будет яркость фрагмента в полученной в результате картинке. Электрический заряд из сетки ячеек может быть считан и уже дальше преобразован в изображение.

Приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, в которых можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Однако способность элемента памяти устройства получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту сделала данное применение ПЗС устройств основным.

Впоследствии под руководством Кацуо Ивама компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер. Ивама умер в августе 1982 года. Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной плите для увековечения его вклада в общечеловеческий прогресс.

Воспринимая весь электромагнитный спектр – от теплового излучения до рентгеновских лучей – ПЗС-матрицы способны собирать до 90% падающих на них фотонов, в отличие от фотоплёнки или человеческого глаза, которые воспринимают не более 1% света. Уже в начале 1970-х годов У.Бойл и Дж.Смит пошли дальше, разработав прототип цифровой видеокамеры. Астрономы приспособили изобретение физиков для съёмки отдалённых небесных тел – им как раз требовались высокочувствительные устройства. А уже в начале 1980-х годов Sony наладила массовое производство цифровых фотоаппаратов.

Пойманные матрицей фотоаппарата фотоны превращаются в электрические импульсы, а те – в байты информации. А ещё через пару секунд фотография, пропутешествовав половину планеты по оптоволокну, попадает от вашего друга на другом континенте к вам в ящик электронной почты. Это чудо – заслуга трёх физиков, почти сорок лет назад придумавших, как остановить и передать свет. В частности, и при написании этой заметки существенно использовались данные и возможности Интернет.

И.Митропольский

Чарльз Куен Као, родился в 1933 г. в Шанхае, Китай. Британский и американский гражданин. Доктор философии Электро-технического университета Лондона с 1965 г., вице-канцлер Китайского университета в Гонконге. С 1996 г. в отставке.

Уиллард Стерлинг Бойл, родился в 1924 г. в Амхерсте, Канада. Канадский и американский гражданин. Доктор философии по физике Университета МакГилла, Канада, с 1950 г., руководитель подразделения Лабораторий Белла, США. В отставке с 1979 г.

Джордж Элвуд Смит, родился в 1930 г. в США. Американский гражданин. Доктор философии по физике Университета Чикаго с 1959 г., глава отдела Лабораторий Белла, США. В отставке с 1986 г.