La Academia Sueca de las Ciencias ha concedido el premio Nobel de Física de 2009 a los "maestros de la luz": Charles Kuen Kao, Willard Sterling Boyle y George Elwood Smith. La mitad del galardón, con una cuantía de casi medio millón de euros, será para C. K. Kao, por sus innovadoras ideas en el estudio y desarrollo de las comunicaciones ópticas mediante la transmisión de la luz por fibras ópticas ultrapuras. La otra mitad la compartirán, a partes iguales, W.S. Boyle y G.E. Smith por la invención del circuito semiconductor para la adquisición de imagen, conocido como CCD, del inglés<em> "<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device" target="_blank">charge coupled device</a>",</em> o dispositivo de carga acoplada. Ambos descubrimientos han desempeñado un papel crucial en el vertiginoso desarrollo de la moderna sociedad de la información, que tanto ha revolucionado nuestro día a día.
En la década de los 60,
Charles K. Kao era un joven ingeniero de la STL en Harlow, Reino Unido, que dirigía un pequeño grupo de investigación dedicado al desarrollo de las comunicaciones ópticas. El objetivo de su investigación era aumentar el ancho de banda de las comunicaciones ópticas, así como aumentar la distancia a la que éstas se podían transmitir. Es decir, cómo enviar más información por segundo y cómo hacerlo más lejos. Diferentes grupos de investigación habían sugerido que las fibras ópticas eran perfectas para tal propósito. Las
fibras ópticas son diminutos cables transparentes por los que la luz puede propagarse de manera confinada siguiendo la curvatura del cable en cuestión.
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| Las fibras ópticas hoy en día son los cimientos fundamentales de la sociedad de la información |
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Las fibras ópticas existentes en aquel momento tenían un problema esencial que limitaba su uso a unos pocos metros e impedía la implementación de cualquier aplicación práctica: La atenuación de estas fibras era extremadamente alta. A principios de 1960, la atenuación de una fibra óptica era del orden de 1000 dB/km. Esto significa que, para una fibra de 20 metros, algo menos del 1% de la luz a la entrada de la fibra era capaz de alcanzar el extremo final. Los investigadores de la época en esa área consideraban que esta atenuación tan extremadamente alta se debía a un límite físico fundamental de las fibras, y que sería difícil de solventar. Kao y sus colaboradores fueron capaces de ver más allá. Realizaron cálculos y simularon las propiedades fundamentales de las fibras. Los resultados que obtuvieron contradecían las ideas de la época, y apuntaban a que la atenuación de las fibras se debía principalmente a la presencia de impurezas, sobre todo de iones de hierro, que actuaban como centros de absorción y de esparcimiento de la luz. Kao y su grupo sugirieron que, refinando los procesos de fabricación de las fibras ópticas y empleando los materiales adecuados, sería posible eliminar las impurezas y obtener una atenuación de apenas unos pocos dB/km. El límite superior para hacer viables las comunicaciones ópticas mediante fibras ópticas se había establecido en 20dB/km. Si las predicciones de Kao eran correctas, se superaría con creces este límite, y las fibras ópticas se convertirían en las autopistas de la comunicación óptica. Kao y sus colaboradores publicaron sus resultados en 1966.
Charles Kao no fue sólo un físico visionario, también fue un excelente comunicador de sus ideas. Durante varios años tuvo que aguantar las críticas de sus coetáneos y convencerles de que sus predicciones eran correctas. Kao y su grupo continuaron su investigación y analizaron diversos materiales que permitieran la fabricación de fibras ópticas puras sin impurezas y con una atenuación baja. En 1969 publicaron un nuevo trabajo en el que se sugería la idoneidad del óxido de silicio (SiO2) para la fabricación de las fibras. La sílice es un material extremadamente abundante en la corteza terrestre: la arena de las playas de todo el mundo está formada de sílice y por tanto es un material barato y fácilmente accesible. Desafortunadamente, la sílice tiene un punto de fusión extremadamente alto y la tecnología del momento no estaba lista para fabricar fibras de este material. Hubo que esperar algunos años hasta que una compañía norteamericana desarrolló la tecnología de deposición química en fase vapor (CVD) en 1970 y que permitió la fabricación de las primeras fibras basadas en sílice con una atenuación de 4 dB/km, tal y como Kao y su grupo habían predicho. A los pocos años, la atenuación era tan sólo de 1 dB/km. Es decir, para una fibra de un kilómetro el 80% de la luz a la entrada alcanzaba el extremo final de la fibra.
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| Y han hecho posible el desarrollo de Internet, la segunda revolución de la sociedad de la información tras la invención de la imprenta por Gutenberg |
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Hoy en día las fibras ópticas basadas en sílice poseen una atenuación menor de 0,2 dB/km, y permiten la propagación de señales luminosas durante cientos de kilómetros antes de que sea necesario volver a amplificarlas. Hoy día miles de millones de kilómetros surcan los fondos oceánicos y la longitud de fibras instaladas aumenta cada día en miles de kilómetros. Las fibras ópticas hoy en día son los cimientos fundamentales de la sociedad de la información, permiten el envío de cantidades ingentes de datos, billones de bits en apenas unos segundos a miles de kilómetros (el ancho de banda actual supera los terabits/s) y han hecho posible el desarrollo de Internet, la segunda revolución de la sociedad de la información tras la invención de la imprenta por Gutenberg.
Una parte considerable de los datos que circulan por Internet, a través de las fibras ideadas por Kao, son imágenes y vídeos digitales que se logran gracias al sensor CCD presente en nuestras cámaras digitales. La invención del sensor semiconductor para la adquisición de imagen CCD ha sido galardonada con la otra mitad del premio Nobel de física de 2009.
Corría el año 1969 cuando Willard S. Boyle y George E. Smith idearon la tecnología de carga acoplada o CCD, del inglés "charge coupled device", basada en un circuito semiconductor y que permitió desarrollar el sensor de imagen digital. Ambos se encontraban trabajando en los laboratorios Bell Labs, en New Yersey cuando en apenas una tarde de octubre de 1969 diseñaron los principios básicos del dispositivo. Los dos primeros artículos científicos referentes al sensor de CCD aparecieron en 1970 en la revista "Bell Systems Technical Journal". Un artículo teórico publicado por W.S. Boyle y G.E. Smith (49 (1970) 587) y otro artículo experimental publicado por G.F. Amelio, M.F. Tompsett y G.E. Smith (49 (1970) 593). Por alguna razón, Tompsett y Amelio, que contribuyeron a fabricar el primer prototipo experimental, han sido excluidos del galardón, no sin cierta polémica.
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| La invención del circuito semiconductor para la adquisición de imagen CCD no sólo ha supuesto la revolución de la fotografía y vídeo digital, también ha revolucionado la investigación en multitud de campos como la medicina |
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El sensor CCD es un dispositivo que permite adquirir imágenes de manera electrónica y que permite convertir esa señal electrónica en bits que pueden emplearse para reconstruir una reproducción digital de la imagen. El sensor está constituido por miles de de elementos llamados píxels, cada uno de los cuales constituirá un punto de la imagen. Los píxels del sensor se ordenan en filas y columnas, como si de un mosaico se tratase. Cada píxel está constituido por circuito acumulador de carga semiconductor tipo CMOS (del inglés complementary metal-oxide-semiconductor), con un tamaño típico de unas 10x10 micras cuadradas, aunque existen tamaños mayores y menores. El funcionamiento del sensor CCD se basa en el efecto fotoeléctrico cuya explicación teórica le valió a Albert Einstein el premio Nobel de Física en 1921. Cuando la luz incide sobre un píxel, se genera una carga eléctrica proporcional a la intensidad de la luz incidente: a más intensidad de luz, más carga se genera. Esta carga se almacena en la región semiconductora del píxel. Mediante un circuito electrónico y un conversor analógico-digital, la carga eléctrica de cada píxel se va leyendo de manera secuencial. En la primera fila del sensor, se lee la carga del primer píxel y luego se transfiere la carga de todas las demás columnas adyacentes, como si se tratara de una cadena de personas que apagan un incendio y en la que cada uno pasa un cubo de agua al siguiente en la fila. Una vez se han leído todos los píxels de la primera fila, se transfiere la carga de todos los píxeles de la segunda fila a la primera, y se repite el proceso de lectura de las columnas. Este proceso se repite hasta que se completa la lectura de todos los elementos del sensor. La información adquirida entre todos los píxeles permite reconstruir una imagen digital, puesto que se conoce con precisión la cantidad de luz incidente en cada uno de los elementos del sensor. La resolución de la imagen dependerá por tanto del tamaño de cada píxel y del número total de estos en cada fila y columna (dimensiones del sensor CCD). La transferencia de carga es muy efectiva y se puede realizar de manera casi continua, lo que confiere a los sensores CCD una tremenda velocidad de adquisición de imágenes. Además, la sensibilidad de los píxeles es altísima en un rango de longitudes de onda que va desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano, con un rango dinámico extremadamente alto, superando con creces a las películas fotográficas convencionales.
La invención del circuito semiconductor para la adquisición de imagen CCD no sólo ha supuesto la revolución de la fotografía y vídeo digital, también ha revolucionado la investigación en multitud de campos como la medicina, en la que las cámaras CCD se usan tanto para el diagnóstico de enfermedades como para la microcirugía en el interior del cuerpo humano. También ha revolucionado la astronomía, permitiendo la adquisición de imágenes del espacio exterior inimaginables hasta el momento, o ha permitido la eclosión y el rápido desarrollo de campos en la física experimental como la óptica cuántica.
