2009 Nobel, Física: Todas las quinielas fallaron, se lo llevan ingenieros en fibra óptica y sensores CCD

Por Francisco R. Villatoro, el 6 octubre, 2009. Categoría(s): Ciencia • Física • General • Historia • Noticias • Óptica • Personajes • Physics • Science ✎ 6

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Muchos reclaman que los Premios Nobel se han de reciclar. Ahora mismo lo que llamamos Física es muy diferente a lo que era a principios del s. XX. No hay un Premio Nobel de Ingeniería, pero a veces son ingenieros los que lo reciben. Es el caso de este año en el que se han premiado a dos tecnologías ópticas revolucionarios que todos usamos cotidianamente, incluso sin saberlo. La fibra óptica y los sensores CCD. Los ganadores no estaban en ninguna quiniela (pues todas las quinielas presentaban físicos y no ingenieros). Yo conozco en detalles el trabajo de Charles Kuen Kao, he impartido hasta cursos de doctorado sobre el mismo. La otra mitad del premio, Willard Boyle y George Smith inventaron los sensores CCD mientras trabajaban en los ya desaparecidos Bell Labs, New Jersey, en 1969. Buena presentación «comercial» del premio en El Mundo, «El Nobel de Física premia a tres pioneros de la sociedad de la información,» Agencias, 06 octubre 2009 [visto vía menéame]. Por cierto, el descubrimiento de estos investigadores es tan poco técnico que cualquiera puede entender perfectamente sin mayores conocimientos la Información Científica publicada por la Academia Sueca. A veces hay que premiar lo que todo el mundo sabe. Kao debe estar dando saltos de alegría… estoy seguro de que nunca lo hubiera esperado.

Dibujo20091006_total_internal_reflection_illustrationEl fundamento físico de la propagación de señales es fibra óptica es la reflexión total interna. Un lápiz sumergido parcialmente en un vaso de agua parece doblado. Visto al revés, desde el agua hacia el aire, el lápiz se dobla más en el aire que dentro del agua, de tal forma que hay un ángulo crítico respecto de la vertical para la cual un haz de luz en el agua no se transmite al aire (tendría que doblarse con un ángulo mayor de 90º). Este es el fenómeno de la reflexión total interna, que ilustra la figura de la izquierda. Toda la luz se refleja, aunque hay ciertas pérdidas. Este fenómeno permite que una señal de un láser se propague a lo largo de una fibra óptica si ésta está formada por un núcleo (core) con un índice de refracción mayor que el material que lo recubre (recubrimiento o cladding).

Las comunicaciones utilizando fibra óptica empezaron a ser una realidad en la década de 1960 con la invención del láser (Premio Nobel de 1964 a C.H. Townes, N.G. Basov y A.M. Prokhorov) y, uno años más tarde, de los láseres semiconductores a temperatura ambiente, desarrollados gracias a los avances en heteroestructuras, semiconductores formados por capas alternas (Premio Nobel del 2000 a Z.I. Alferov y H. Kroemer). El problema de las primeras fibras ópticas eran las pérdidas (la atenuación de la señal), de hasta 1000 dB/km (menos del 1% de la señal óptica lograba transmitirse en 20 metros de fibra). La figura de la izquierda, arriba, lo ilustra muy bien. Para propagar una señal durante kilómetros de fibra se necesitan pérdidas extremadamente bajas.

Charles K. Kao era una joven ingeniero que trabajaba bajo las órdenes de A.L. Karbowiak que tras su defensa de tesis doctoral se dedicó a estudiar la razón física de las pérdidas en fibra óptica. Demostró que el problema eran las impurezas y que para lograr utilizar la fibra óptica de forma práctica era necesario fabricar fibras ópticas ultrapuras con unas pérdidas de unos 20 dB/km y utilizar un diseño del perfil del índice de refracción de la fibra que permite la llamada comunicación monomodo. Publicó su trabajo junto a George A. Hockham en «Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies,» Proceedings of the IEE-London 113: 1151-1158, 1966 (reimpresión IEEE en 1986 con DOI) [para ser un artículo que merece un Premio Nobel ha sido muy poco citado, menos de 200 veces; lo que se explica por ser un trabajo de ingeniería y no de física como tal].

Kao afirmó que era necesario fabricar fibra de silicio sin impurezas. ¿Cómo fabricar fibra óptica de la máxima pureza?Investigadores de la empresa Corning Glass Works, en EE.UU., lograron fabricar cuatro años más tarde fibras de alta calidad por estirado capaces de alcanzar los 20 dB/km. Rápidamente en los 1970 se produjeron grandes avances en las técnicas de control de la fabricación de fibra óptica por estirado que llevaron a que a finales de dicha década ya se alcanzace el límite teórico para silicio de 0,2 dB/km para señales con una longitud de onda de 1550 nanómetros. Ello llevó a la explosión del uso de la fibra óptica comercial en comunicaciones durante la década de los 1980.

Dibujo20091006_first_ccd_deviceEn cuanto a la otra mitad del premio, los dispositivos CCD basados en tecnología MOS, Willard Sterling Boyle y George Elwood Smith enviaron el 16 de febrero de 1970 la solicitud  de patente US Patent 3858232 «Information Storage Devices,» y dos artículos uno teórico y otro experimental en el mismo número de la revista Bell Systems Technical Journal [W.S. Boyle and G.E. Smith, 49 (1970) 587; G.F. Amelio, M.F. Tompsett and G.E. Smith, 49 (1970) 593; no he encontrado estos artículos en la web]. Este invento se popularizó rápidamente gracias al artículo de W.S. Boyle y G.E. Smith, «Charge-coupled Devices — A New Approach To MIS Device Structures,» IEEE Spectrum pp. 18-27, July 1971.

Recomiendo la lectura de la historia de este invento relatada por el propio Smith en George E. Smith, «The invention of the CCD,» Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 471: 1-5, 21 September 2001. La foto de la izquierda presenta el primer CCD fabricado en los Bell Labs donde los sensores están colocados en línea en lugar de en forma de matriz, como es habitual hoy en día en cámaras fotográficas, telescopios, etc. Para los interesados, una buena explicación de cómo funcionan físicamente los dispositivos CCD la podéis encontrar en muchos lugares, por ejemplo, en Courtney Peterson, «How It Works: The Charged-Coupled Device, or CCD,» Journal of Young Investigators, Volume 3, March 2001.

Este año la Academia Sueca ha ido por lo seguro. Ninguna posibilidad de error. Grandes éxitos comerciales de la ingeniería óptica. Enhorabuena a los ganadores.



6 Comentarios

  1. Bueno, los Nobel siempre han sido muy pragmáticos y ha premiado más aquello que es útil que los resultados muy teóricos. El ejemplo paradicmático es el propio Einstein, que lo recibió por el «modesto» trabajos sobre el efecto fotoeléctrico y no por la relatividad.

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