Gospodari svetlosti

19. oktobar 2009.

Pošaljite komentar

Ovogodišnji dobitnici Nobelove nagrade iz Fizike su tri naučnika koji su odigrali veoma važnu ulogu u razvoju informacionih tehnologija. Čarls Kuen Kao (Charles Kuen Kao) je dobio polovinu Nobelove nagrade za otkrića koja su postavila temelje tehnologije optičkih vlakana, koja se danas kao najefikasnija koristi za skoro sve tipove komunikacije u svetu. Drugu polovinu Nobelove nagrade podelili su Viljard Sterling Bojl (Willard Sterling Boyle) i Džordž Elvud Smit (George Elwood Smith) za otkriće digitalnog optičkog senzora – CCD (Charge-Coupled Device), koji danas čini osnovni deo skoro svakog digitalnog fotoaparata ili digitalne kamere.

Dobitnici Nobelove nagrade za fiziku za 2009.

Kada su u Stokholmu proglašeni dobitnici Nobelove nagrade iz fizike, veliki deo sveta je do te informacije došao gotovo momentalno. Približno brzinom svetlosti, najvećom mogućom brzinom, poruka se širila svetom. Tekst, slika i ton, kroz optička vlakna i prostor, dolazili su do raznih uređaja koji se u domovima koriste za prijem informacija, gotovo u trenutku. Ovako brz prenos informacija je danas pogodnost koju mnogi uzimaju zdravo za gotovo, toliko naviknuti, da svoj život ne bi sa lakoćom mogli zamisliti bez ove tehnologije.

Glavni preduslov za razvoj komunikacija kakve danas poznajemo, bila su optička vlakna, koje je Čarls Kao izumeo pre četrdesetak godina.

Nakon samo par godina, Viljard Bojl i Džordž Smit, doneli su revoluciju na polju fotografije, jer zahvaljujući njihovom otkriću, film više nije potreban fotoaparatima i kamerama, jer se slike mogu snimiti pomoću elektronskog čipa (CCD) koji su oni dizajnirali. Ovo otkriće je otvorilo put digitalnom prenosu slika, koje sada masovno kruže internetom, kroz optičke kablove širom sveta.

Kako zarobiti svetlost?

Sunčeva svetlost je ono zahvaljujući čemu vidimo svet. Međutim, mnogo vremena je trebalo da prođe da bi ljudi bili u mogućnosti da kontrolišu svetlost na takav način da pomoću nje mogu slati različite kodirane poruke ka više primalaca i to istovremeno. Ova tehnologija je zahtevala brojne izume, kako velike, tako i manje, kako bi postavila temelje modernog informatičkog društva. Tehnologija optičkih vlakana je zahtevala razvoj novih tehnologija izrade stakla.

Takođe je bio potreban i pouzdan izvor svetlosti, do čega se došlo razvojem poluprovodnika. Konačno, bila je potrebna i ogromna mreža koja bi bila sastavljena još od tranzistora, pojačavača, skretnica, predajnika i prijemnika, kao i mnogih drugih elemenata koji bi radili simultano. Telekomunikaciona revolucija, čije posledice sagledavamo, omogućena je radom hiljada naučnika i pronalazača iz celog sveta.

Velika svetska izložba koja je održana 1889. godine u Parizu slavila je stogodišnjicu Francuske buržoaske revolucije. Čuveni Ajfelov toranj je postao jedno od najpoznatijih obeležja ove izložbe. Međutim, izvanredna igra svetlom koja je tada priređena bila je slabije zapamćen spektakl. To je bila fontana koja je ispuštala mlazove vode obasjane raznim bojama. Izvor ove inspiracije bio je u ranijim pokušajima iz sredine XIX veka da se naprave svetlosni zraci koje bi nosila voda. Ovi pokušaji su pokazali da, kada se mlaz vode obasja Sunčevom svetlošću, svetlost putuje kroz njega i prati njegov oblik.

Nobelova nagrada

Naravno, efekti svetlosti u vodi ili staklu datiraju od mnogo ranije. Još pre 4 500 godina u Mesopotamiji i Egiptu se pravilo staklo. Venecijanski majstori stakla su koristili razne kombinacije osvetljenja i oblika za kreiranje svojih dekoracija. Sečeno i brušeno staklo je korišćeno za izradu svećnjaka i lustera, a misterija duge je izazivala maštu mnogih muškaraca i žena davno pre nego što su zakoni optike doneli odgovore u XVII veku. Međutim, samo oko 100 godina nas deli od trenutka kada su ove ideje sazrele i ljudi počeli da razmišljaju o primeni zarobljenih svetlosnih zraka.

Zraci Sunčeve svetlosti koji padaju u vodu se savijaju kada pogode njenu površinu, zato što je optički indeks prelamanja vode veći od optičkog indeksa prelamanja vazduha. Ako se svetlosni zrak pusti sa druge strane, da putuje iz vode ka vazduhu, postoji mogućnost da on neće uopšte ni izaći iz vode, već će biti reflektovan nazad. Ovaj fenomen čini osnovu tehnologije talasovoda, gde je svetlost zarobljena unutar vlakna sa većim optičkim indeksom prelamanja u odnosu na okolinu. Zrak svetlosti koji je pušten u optičko vlakno, odbija se od staklene zidove i kreće se unapred kroz njega, jer je optički indeks prelamanja stakla veći od optičkog indeksa prelamanja vazduha koji ga okružuje.

U medicini se još od 1930. godine koriste kratka, prosta optička vlakna. Pomoću tankih staklenih cevčica, lekari mogu zaviriti u želudac pacijenta ili osvetliti pacijentov zub tokom operacije. Međutim, kada bi se vlakna dodirnula, svetlost bi izlazila iz jednog u drugo, a i brzo su se habala. Presvlačenje vlakana staklenom oblogom sa nižim indeksom prelamanja dovelo je do primetnog poboljšanja. Tako da se do šezdesetih godina XX veka napravio veliki korak ka razvoju instrumenata za gastroskopiju i druge medicinske potrebe.

Za komunikaciju na velikim udaljenostima, ova optička vlakna su i dalje bila beskorisna, a da stvar bude još gora, malo naučnika je bilo zainteresovano za optičku svetlost, jer je to bilo doba elektronike i radio talasa. Tokom 1956. godine, prvi transatlantski kabl je postavljen i imao je kapacitet od 36 simultanih telefonskih poziva. Nakon toga, sateliti su počeli da pokrivaju ostatak komunikacionih potreba – telefonija se dramatično razvila, a televizijski prenosi su zahtevali još veće kapacitete. U poređenju sa radio talasima, infracrveno i vidljivo svetlo mogu nositi desetine hiljada puta više informacija, tako da potencijal optičkog svetla nije nadalje mogao biti ignorisan.

Prečnik jezgra optičkog vlakna je oko 10 mikrometara – vlakno je tanje i od vlasi

Pronalazak lasera početkom šezdesetih godina, bio je odlučujući korak za optiku vlakana. Laser je bio stabilan izvor svetlosti, koji je emitovao intenzivan i jako usmereni snop svetlosti, idealan za korišćenje sa tankim optičkim vlaknima. Prvi laseri su emitovali infracrvenu svetlost i zahtevali su hlađenje, ali su tokom sedamdesetih konstruisani praktičniji laseri, koji su mogli da rade i na sobnim temperaturama. Ovo je bio tehnološki proboj koji je praktično rodio optičku komunikaciju. Sve informacije je sada bilo moguće kodirati u ekstremno brzo treptanje svetlosti, koje bi predstavljalo digitalne jedinice i nule. Međutim, na pitanje kako bi takav signal mogao da se prenese na veće daljine i dalje nije bilo odgovora, jer je nakon 20 metara, samo 1% svetlosti koja je ušla u vlakno uspevao da bude detektovan.

Smanjenje ovog gubitka svetlosti je postalo izazov za vizionare, kao što je Čarls Kao. Rođen je 1933. godine u Šangaju, a preselio se sa porodicom u Hong Kong 1948. godine. Obrazovao se kao inženjer elektronike i branio svoju doktorsku tezu 1965. godine u Londonu. Do tada je već uveliko bio zaposlen u Standard Telecommunication Laboratories, gde je zajedno sa svojim kolegom Džordžem Hokamom (George Hockham) pažljivo izučavao staklena vlakna. Njihov cilj je bio da bar 1% svetla koje uđe u optičko vlakno ostane u njemu nakon pređenog 1 kilometra.

Januara 1966. godine, Kao je prezentovao svoje zaključke. Nisu nesavršenosti vlakna bile glavni problem, već je samo staklo bilo to koje je moralo biti čistije i savršenije da bi se njegovi ciljevi ostvarili. On je takođe dodao da je to izvodljivo, ali uz velike napore. Sledeći cilj je bio da se napravi staklo takve providnosti koja do tada nikada nije bila postignuta. Kaov entuzijazam je inspirisao druge istraživače da dele njegovu viziju o potencijalu optike vlakana u budućnosti.

Staklo se pravi od kvarca, jednog od široko rasprostranjenih minerala na Zemlji. Ipak, da bi se napravilo najčistije staklo na svetu, Kao je predložio da se od kvarca istopljenog na 2000 stepeni Celzijusa, izvuku jako tanka vlakna. Nakon 4 godine, 1971. naučnici kompanije koja ima preko 100 godina iskustva u izradi stakla, Corning Glass Works, iz Sjedninjenih Američkih Država, koristeći hemijske procese, proizveli su optičko vlakno dugačko 1 kilometar.

Optička vlakna sačinjena od stakla čine osnovu našeg informacionog društva

Jako tanka vlakna, napravljena od stakla, mogu se činiti jako krhkim i lomljivim. Međutim, kada se staklo pravilno izvuče u tanku nit, njegova svojstva se menjaju. Postaje čvrsto, lagano i savitljivo, što mora biti preduslov, ukoliko će se vlakno zakopavati, provlačiti ispod vode ili savijati na ćoškovima. Za razliku od bakarnih kablova, staklena vlakna nisu osetljiva na grmljavinu i na njih ne može uticati loše vreme kao na radio talase na primer.

Trebalo je poprilično vremena da bi se Zemlja povezala optičkim vlaknima. 1988. godine, prvi optički kabl je provučen ispod dna Atlantskog okeana, između Amerike i Evrope. Bio je 6000 kilometara dugačak. Danas, telefonski signali i podaci putuju mrežom optičkih staklenih vlakana čija ukupna dužina iznosi oko 1 milijardu kilometara. Ako bi se ta dužina obmotala oko naše planete, načinila bi oko 250 hiljada namotaja, a treba imati u vidu i da se količina optičkih vlakana koja stupaju u upotrebu povećava iz minuta u minut..

Čak i u najčistijim staklenim vlaknima, signal se lagano gubi tokom puta i mora biti pojačan ukoliko se prenosi na ogromne distance. Ovaj problem, koji je ranije zahtevao elektroniku, danas je rešen optičkim pojačavačima. To je okončalo nepotrebne gubitke koji su se dešavali kada bi svetlost morala biti pretvarana u elektronske signale i elektronski signali ponovo u svetlost. Danas 95% svetlosti ostaje u vlaknima nakon punog kilometra pređenog puta, što je broj koji bi trebalo uporediti sa Kaovom ambicijom da na istu razdaljinu prenese samo 1% svetlosti.

Takođe, danas nije moguće pričati o samo jednoj vrsti optičkih vlakana. Izbor vlakana podleže razmatranju potreba komunikacije i troškova. Vlakna se odlikuju kombinacijama veličina, karakteristika materijala i talasnih dužina svetlosti. Poluprovodnički laseri i svetlosne diode veličine zrna peska čine da mrežama optičkih kablova teku informacije čitave telefonije i interneta celog sveta. Infracrvena svetlost, talasne dužine 1.55 mikrometara, danas se koristi za sve tipove komunikacije na veliku daljinu, jer su na toj talasnoj dužini gubitci najmanji.

Kapacitet optičkih mreža i dalje raste zapanjujućom brzinom, a prenošenje hiljada gigabita po sekundi više nije san. Tehnološki napredak teži u smeru sve interaktivnije komunikacije, gde će optički kablovi biti sve dostupniji i na kraju spajati čak i naše kuće sa velikom mrežom. Tehnologija već postoji, a šta mi radimo sa njom je drugo zajedničko pitanje.

Digitalno oko

Ponekad se izumi čine iznenađujućim, a među takve sigurno spada CCD senzor. Bez CCD čipova, razvoj digitalnih fotoaparata i kamera išao bi mnogo sporijim tokom. Da nije CCD-a, ne bismo bili u mogućnosti da vidimo zadivljujuće fotografije svemira snimljene Svemirskim teleskopom Habl ili slike crvene pustinje na našoj susednoj planeti – Marsu.

Pomenuti fenomeni definitivno nisu ono što su pronalazači CCD-a, Viljard Bojl i Džordž Smit, zamišljali kada su započeli svoj rad. Oni su jednog septembarskog dana 1969. godine, na tabli u Bojlovoj kancelariji, postavili osnovu modela foto senzora. U to vreme, oni nisu imali na umu kako snimiti fotografiju, već im je cilj bio da naprave bolju elektronsku memoriju. CCD je kao memorijski medijum sada uveliko zaboravljen, ali se zato nalazi na za to vreme veoma neočekivanom mestu – digitalnim kamerama i fotoaparatima, kao osnovna komponenta. Priča o CCD senzoru je još jedna uspešna priča naše elektronske ere.

Baš kao i mnoge druge elektronske naprave, digitalni foto senzor, CCD, napravljen je od silicijuma. Veličine poštanske marke, silicijumska podloga drži milione foto-ćelija osetljivih na svetlost. Digitalna fotografska tehnologija koristi foto-elektični efekat, koji je prvi objasnio Albert Ajnštajn, za šta je 1921. godine dobio i Nobelovu nagradu. Ovaj efekat se dešava tako što svetlost pogodi silicijumsku podlogu i izbije elektron u foto-ćeliju. Oslobođeni elektroni se sakupljaju u ćelijama koje se ponašaju kao mali kontejneri. Što je veći intenzitet svetlosti, oslobodi se i veći broj elektrona koji popunjavaju ove male kontejnere.

Kada se kroz CCD matricu propusti električni napon, sadržaji kontejnera se mogu pročitati - red po red, elektroni iz matrice izlaze u jednu vrstu prenosnika. Tako na primer, CCD matrica dimenzija 10 x 10 elemenata se transformiše u niz dužine 100 elemenata. Na ovaj način CCD čip transformiše optičku sliku u elektronske signale koji se kasnije prevode u digitalne jedinice i nule. Svaka ćelija može se predstaviti kao jedan element slike – piksel. Kada se širina CCD čipa, izražena u pikselima, pomnoži sa dužinom istog, dobija se kapacitet slike celog foto senzora. Tako CCD čip dimenzija 1280 x 1024 piksela ima kapacitet 1.3 megapiksela (1.3 miliona piksela).

CCD, digitalni optički senzor, konvertuje sliku u elektronske signale koji se prevode u digitalne

CCD renderuje sliku kao crno-belu, tako da razni filteri moraju biti korišćeni kako bi se dobile informacije o bojama svetlosti. Jedan od filtera koji propuštaju osnovne boje – crvenu, zelenu i plavu, postavljen je iznad svake foto-ćelije foto-osetljivog senzora. Zbog prirode osetljivosti ljudskog oka, broj zelenih piksela je duplo veći od broja crvenih ili zelenih. Za preciznije fotografisanje mogu se koristiti razne složene tehnike upotrebe filtera.

Na pitanje kako su Bojl i Smit došli na ideju da razvijaju CCD tokom njihovog kratkog breinstorminga koji se odigrao pre četrdesetak godina, odgovor je interna politika njihovog poslodavca u firmi Bell Labs. Njihov šef ih je ohrabrivao da razvijaju bolju, takozvanu babl memoriju (bubble memory), koja predstavlja još jedan od izuma laboratorije u kojoj su radili. Nakon što je osnovni model CCD-a završen, bilo je potrebno samo nedelju dana da tehničari naprave prvi prototip. Kao memorija, CCD je odavno zaboravljen, ali je zato postao centar fotografske tehnologije.

Prvi originalni nacrt CCD senzora koji su načinili Bojl i Smit

Bell Labs je zaposlio Amerikanca Džordža Smita 1959. godine, koji je tokom svog rada u ovoj kompaniji zabeležio 30 patenata. Kada se penzionisao 1986. godine, posvetio se svojoj životnoj strasti – plovidbi okeanima i kao rezultat toga, oplovio je našu planetu više puta.

Do 1969. godine Viljard Bojl je ostvario nekoliko važnih otkrića, među kojima su i otkrića vezana za razvoj prvog svetskog crvenog lasera. Bojl je rođen u zabačenom delu Kanade, gde je do 15. godine obrazovanje sticao zahvaljujući svojoj majci, u svojoj kući. Bell Labs je postalo njegovo radno mesto 1953. godine, a šezdesetih godina je sa 400 000 naučnika u Americi, radio na projektu slanja prvog čoveka na Mesec 20. jula 1969. godine.

Prednosti digitalnog optičkog senzora, ubrzo su postale vidljive. Samo godinu dana nakon otkrića, 1970. godine, Smit i Bojl su po prvi put bili u stanju da predstave CCD u svojoj video kameri. Godine 1972. američka kompanija Fairchild je konstruisala prvi fotografski senzor dimenzija 100 x 100 piksela, koji je ušao u serijsku proizvodnju nekoliko godina kasnije. Bojl i Smit su, 1975. godine, konstruisali digitalnu video kameru dovoljne rezolucije za prenošenje televizijske slike.

Do 1981. godine se i na tržištu pojavio prvi fotoaparat sa ugrađenim CCD senzorom. Iako sa izrazito primitivnim karakteristikama u poređenju sa savremenim fotoaparatima, ovi fotoaparati su zaslužni za početak digitalizacije fotografije – digitalna fotografija je rođena. Pet godina kasnije, 1986. godine, napravljen je prvi senzor rezolucije 1.4 megapiksela i nakon 9 godina, 1995. godine, prvi potpuno digitalizovani fotoaparat se pojavio na tržištu. Proizvođači foto opreme širom sveta su brzo prihvatili ovu tehnologiju i usledilo je razvijanje sve jevtinijih i kvalitetnijih proizvoda.

Sa aparatima opremljenim digitalnim senzorima umesto filma, era u istoriji fotografije, koja je počela 1839. godine, kada je Luis Dager (Louis Daguerre), prezentovao fotografski film, kao svoj pronalazak, pred Francuskom akademijom nauka, je završena.

Kada je reč o svakodnevnoj fotografiji, ispostavlja se da su digitalne kamere i fotoaparati postali komercijalni uspeh. Nedavno je CCD senzore izazvala druga tehnologija – CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). To je tehnologija koja je razvijena u isto vreme kada i CCD. Obe tehnologije rade na principu foto-efekta, ali dok se kod CCD čipa foto-ćelije očitavaju red po red, u CMOS senzoru se očitava svaka ćelija posebno.

CMOS troši manje energije, tako da baterije traju duže, a i duže vreme je njegova proizvodnja jevtinija. Međutim, mora se napomenuti da su karakteristike ovog čipa i veći šum, kao i gubitak kvaliteta slike. CMOS tehnologija takođe nije dovoljno osetljiva za određene oblasti u kojima se fotografija primenjuje. Ova tehnologija se danas najčešće koristi u kamerama mobilnih telefona i za neke druge vrste fotografije. Ipak, obe tehnologije se konstantno razvijaju kako bi se primenile u razne svrhe.

Pre 3 godine, CCD je dostigao rezoluciju čipa od 100 megapiksela. Iako kvalitet slike ne zavisi samo od broja piksela, dostizanje ove rezolucije je napravilo još jedan korak u razvoju digitalne fotografije. Postoje oni koji predviđaju da budućnost pripada CMOS, pre nego CCD senzoru. Drugi ipak misle da će ove dve tehnologije nastaviti da prestižu jedna drugu duže vreme.

U početku, niko nije predviđao da će CCD postati osnovni alat moderne astronomije. Međutim, upravo zahvaljujući digitalnoj tehnologiji, širokougaona kamera Svemirskog teleskopa Habl, u stanju je da pošalje na Zemlju predivne fotografije svemira. Senzor ove kamere se prvo sastojao od samo 0.64 megapiksela, ali je kasnije, kada su 4 ovakva senzora međusobno povezana, kamera davala fotografije rezolucije od 2.56 megapiksela. Ovo je bio veliki posao osamdesetih godina, kada je teleskop projektovan. Danas, satelit Kepler, opremljen je mozaičkim senzorom od 95 megapiksela, i naučnici se nadaju da će otkriti planete slične Zemlji, koje kruže oko drugih zvezda.

CCD je otvorio oči nauci – jedna od mnogobrojnih fotografija koje je snimio Svemirski teleskop Habl

Još su ranije astronomi shvatili prednosti digitalnog optičkog senzora. On pokriva ogroman deo elektro-magnetnog spektra – od X zraka do infracrvenog svetla i hiljadama puta je osetljiviji od fotografskog filma. Od 100 fotona, CCD je u stanju da uhvati do 90, gde bi fotografska emulzija ili ljudsko oko uhvatili jedva 1. Za samo nekoliko sekundi se na CCD sakupi svetlost koja dolazi sa udaljenih nebeskih objekata, za šta je ranije trebalo nekoliko časova ekspozicije fotografskih filmova.

1974. godine je prvi put digitalni fotografski senzor iskorišćen za fotografisanje Meseca i nakon toga su astronomi munjevitom brzinom prihvatali ovu tehnologiju. Na jednom od teleskopa američke nacionalne opservatorije Kitt Peak u Arizoni je, već 1979. godine, montirana digitalna kamera rezolucije 320 x 512 piksela.

Danas, kad god se negde koristi fotografija, video ili televizija, digitalni optički senzori su sigurno umešani u proces. Koriste se i u svrhe nadgledanja, kako na Zemlji, tako i u svemiru. Takođe se CCD koristi u medicini za snimanje unutrašnjih organa u svrhe dijagnoze oboljenja. Digitalni optički senzor je postao široko korišćena tehnologija, kako u nauci, tako i u svakodnevnom životu, kako na dnu okeana, tako i u svemiru. Pomaže nam da otkrijemo fine detalje veoma udaljenih i veoma malih objekata, kao i da trajno zabeležimo divne trenutke našeg života.

Nikola Božić

Prema: www.nobelprize.org.