Nobelpreis in Physik für Pioniere der Faseroptik und des CCD-Sensors

Charles K. Kao sowie Willard S. Boyle und George E. Smith werden für ihre grundlegenden Arbeiten geehrt, die die moderne Informationsgesellschaft geprägt haben.

 

Dass man die Bekanntgabe der Nobelpreisträger weltweit direkt über das Internet verfolgen kann, illustriert die weitreichenden Konsequenzen, die die 40 Jahre zurückliegenden Pionierarbeiten der drei geehrten Forscher haben. Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften verleiht in diesem Jahr den Nobelpreis in Physik zur Hälfte an Charles Kuen Kao für seine Pionierleistungen auf dem Gebiet der Faseroptik, und zu je einem Viertel an Willard Sterling Boyle und George Elwood Smith, die den CCD-Sensor entwickelt haben. Während die Glasfaser die Datenübertragung revolutioniert hat, haben CCD-Sensor u. a. die Möglichkeiten der wissenschaftlichen Fotographie in ungeahnter Weise erweitert.

Der 1933 in Schanghai geborene Charles Kuen Kao hatte an der University of London Elektroingenieurwissenschaften studiert und war nach seiner Promotion zu STL (Standard Telecommunication Laboratories) in Harlow gegangen. Dort hat er ab 1965 zusammen mit dem Theoretiker G. A. Hockham die optischen Eigenschaften von Glasfasern untersucht, insbesondere in Hinblick auf ihre Nutzung für die optische Kommunikation. Im Gegensatz zu anderen auf diesem Gebiet tätigen Forschern studierten Kao und Hockam nicht nur die Physik von optischen Wellenleitern sondern auch den Einfluss der Materialeigenschaften auf die Lichtausbreitung. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass die auftretenden Verluste vor allem durch Absorption und Streuung verursacht werden.

Charles K. Kao

Die Untersuchungen von Kao und Hockam zeigten, dass sehr reine Glasfasern Lichtsignale über 100 Kilometer übertragen sollten und nicht bloß über 20 Meter, wie es mit den damals zur Verfügung stehenden Glasfasern möglich war. Damit war die Suche nach möglichst reinen und fehlerfreien Materialien eröffnet. Kao hielt geschmolzenes Silikatglas für den besten Kandidaten. Doch zunächst mussten technische Schwierigkeiten bei der Herstellung von Fasern aus diesem Material gelöst werden, was schließlich Forschern der Corning Glass Works in den USA im Jahre 1970 gelang. Glasfasern mit einem Kern aus dotiertem und einem Mantel aus reinem Glas ermöglichten bald eine Übertragung von Lichtsignalen über Entfernungen, wie sie Kao vorhergesagt hatte. Schon 1975 wurden die ersten kommerziell genutzten Glasfaserleitungen installiert und 1988 das erste transatlantische Glasfaserkabel verlegt. Ob Telefon, Internet oder wissenschaftliche Datenübertragung – die Glasfaser ist heute unentbehrlich.

Ein erheblicher Teil der durch Glasfasern übertragenen Datenflut geht auf Bilder zurück, die mit CCD-Kameras aufgenommen wurden. Für die Entwicklung des Charge Coupled Device werden Willard Sterling Boyle (geb. 1924 in Amherst, Kanada) und George Elwood Smith (geb. 1930 in White Plains, New York) geehrt. Sie hatten ihre folgenreiche Erfindung 1969 als Forscher an den Bell Laboratorien in einem einstündigen Brain-Storming skizziert. In einem CCD-Sensor führt das einfallende Licht dazu, dass sich an einer Halbleiteroberfläche elektrische Ladungen sammeln, die dann durch eine Kette von Elektroden zum Rand des lichtempfindlichen Bereichs transportiert und dort ausgelesen werden. Eine Matrix aus zahlreichen Pixeln kann auf diese Weise ein elektronisches Bild erstellen.

            

Willard S. Boyle                                    George E. Smith

(Bilder: National Academy of Sciences)

Eine CCD-Videokamera konnten Boyle und Smith schon 1975 präsentieren. Doch erst 1981 kam die erste CCD-Bildkamera auf den Markt, die zwar mit herkömmlichen Kameras noch nicht konkurrieren konnte, die aber eine folgenreiche Entwicklung einleitete. Der erste Bildsensor mit 1,4 Megapixel erschien 1986, und 1995 gab es die erste volldigitale Fotokamera. Seither haben Digitalkameras die Amateur- und die Profiphotographie erobert. Auch die wissenschaftliche Photographie wurde durch CCD-Kameras revolutioniert. So hat das Hubble-Weltraumteleskop mehrere solcher Kameras an Bord. Die damit gewonnenen astronomischen Aufnahmen z. B. von Galaxienhaufen haben unser Bild vom Universum nachhaltig geprägt. Den „Pixelrekord“ hält derzeit PAN-STARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System), eine Anordnung Kameras auf Hawaii mit über 5 Gigapixel.

RAINER SCHARF

 GWF