Tecnologie ottiche innovative

mondo digitale - Foto di IlkerIl premio Nobel per la fisica 2009 è stato dato a tre ricercatori il cui lavoro ha portato alla scoperta e all’implementazione di importanti applicazioni nella tecnologia digitale: le fibre ottiche e il CCD che rappresentano le basi per le moderne telecomunicazioni e il digital imaging.

Charles Kao ha condotto studi che hanno portato a importanti passi in avanti nelle fibre ottiche, Willard Boyle e George Smith hanno inventato il CCD (charge-coupled device).

Fibre ottiche

Le fibre ottiche trasportano i dati e formano l’impalcatura di Internet.
“Quando vengono combinati laser e transistor, la creazione di una fibra ottica efficiente e a bassa dispersione rende possibili comunicazioni quasi istantanee in tutto il mondo” spiega Frederick Dylla, direttore dell’American Institute of Physics.

Le scoperte risalgono a metà degli anni ’60, periodo durante il quale, grazie all’invenzione del laser avvenuta pochi anni prima, gli scienziati erano fortemente motivati a sviluppare un supporto pratico per la trasmissione della luce che permettesse una trasmissione di dati migliore e più veloce rispetto alle onde radio.

All’epoca le fibre ottiche non sembravano promettenti a causa dell’elevata attenuazione, infatti, solo l’1% della luce inviata veniva trasmessa a 20 metri di distanza.

Charles Kao ebbe il merito di prestare maggiore attenzione alle proprietà del materiale piuttosto che alla fisica della luce così scoprì le cause dell’attenuazione nella fibra ottica: impurità di ferro causavano l’assorbimento e la dispersione della luce.
Suggerì che il vetro puro si sarebbe rivelato un carrier migliore e meno costoso.

Dopo numerosi studi volti a capire come viaggia la luce alle diverse lunghezze d’onda attraverso diversi materiali, Kao e colleghi trovarono che il biossido di silicio (la silice) risulta essere il materiale migliore sebbene difficile da lavorare.

Sulla base del lavoro di Kao, nel 1970 i ricercatori della Corning Glass Works realizzarono le prime fibre ottiche a bassa dispersione mediate una camera di reazione ad alta pressione. Nello stesso periodo altri gruppi di ricerca perfezionarono la tecnica al fine di ridurre i costi di produzione.

Le fibre ottiche moderne sono perfino migliori rispetto alle più rosee previsioni di Kao: perdono appena il 5% della luce su una distanza pari a un chilometro.

Nel 1988 la prima fibra ottica intercontinentale, lunga 6000 chilometri, collegò l’Europa con l’America ed oggi sono presenti più di un miliardo di chilometri di fibre ottiche nel mondo.

Charge-Coupled Device

Il CCD (Charge-Coupled Device), sviluppato nel 1969 da Boyle e Smith, è un dispositivo che converte le immagini in segnali elettrici rivoluzionando il mondo della fotografia e del digital imaging.
Questo dispositivo si basa sull’effetto fotoelettrico, teorizzato in parte da Albert Einstein.
Alcuni materiali, quando vengono bombardati con fotoni, emettono un elettrone.

Boyle e Smith crearono un chip di silicone la cui superficie risulta coperta da una griglia di semiconduttori che stoccano gli elettroni in modo proporzionale all’intensità della radiazione elettromagnetica che colpisce il singolo condensatore.
Questi condensatori vanno a formare un circuito in modo che ognuno di essi, sollecitato da un impulso elettrico, possa trasferire la propria carica ad un altro elemento adiacente.
Inviando al dispositivo una sequenza d’impulsi, si ottiene un segnale elettrico che permette di ricostruire la matrice dei pixel che compongono l’immagine proiettata sulla superficie del CCD.
Questa informazione può essere usata direttamente in forma analogica per riprodurre l’immagine su monitor o per registrarla su supporti magnetici, oppure può essere convertita in formato digitale su file.

Il vantaggio del CCD rispetto alle pellicole sensibili alla luce e perfino rispetto all’occhio umano è la sua elevata sensibilità.
Il CCD è in grado di catturare il 90% dei fotoni in entrata lungo tutto lo spettro della luce, dall’infrarosso ai raggi x. L’occhio umano può catturare solo l’1% di questi fotoni.

Un anno dopo l’invenzione, Boyle e Smith misero a punto il prototipo di una videocamera basata sulla tecnologia del sensore digitale e nel 1981 vennero sviluppate le prime videocamere CCD.

Oggi la tecnologia CCD è in competizione con un altro chip per il digital imaging, il CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor). Entrambi si basano sull’effetto fotoelettrico però CMOS sfrutta un sistema che permette il risparmio di energia e prolunga quindi la durata della batteria. Tuttavia i sensori CMOS non sono sensibili quanto quelli CCD che rimangono pertanto la migliore soluzione per le applicazione avanzate come nel campo dell’astronomia e della medicina.