Det är enkelt att förstå varför föreliggande pristagare fick priset, en kines, en kanadensare och en amerikan. Uppfinningarna följer med bred marginal Nobels idé om en upptäckt med omedelbart genomslag för mänskligheten.

För ovanlighetens skull är det inga obskyra partiklar eller märkliga magnetfält som belönas utan någonting väldigt rakt på sak som vi alla kan ta på, och i många fall arbetar handgripligt med hela tiden. Det är ljusmästarna som belönas i år. De tre pristagarna har alla jobbat med ljus, att framföra det eller fånga det.

Vi börjar med att citera nobelkommitténs uttalande: Detta års nobelpris i fysik utges för två vetenskapliga framsteg som hjälpt till att lägga grunden för dagens nätverkssamhälle. De är grunden till många praktiska uppfinningar som underlättat vardagslivet och givit oss nya verktyg för vetenskaplig forskning.

Den optiska fibern

Vi tar det göttigaste ur nobelkommitténs motivering för den första halvan av priset: En halva går till Charles K. Kao från Standard Telecommunication Laboratories i Harlow i England och vid Kinesiska universitetet i Hong Kong. för hans banbrytande framsteg vad gäller överföring av ljus i fibrer för optisk kommunikation.


Här pillar Kao vid sin optiska bänk i England på 60-talet.

1966 gjorde Charles K. Kao en upptäckt som ledde till ett genombrott inom fiberoptiken. Han beräknade noggrant hur man skulle kunna överföra ljus långa avstånd i optiska fibrer. Med en fiber av det allra renaste glas skulle man kunna sända ljus 100 kilometer, jämfört med de 20 meter som gick med de fibrer som fanns på 1960-talet. Kaos entusiasm fick andra forskare att dela hans visioner om fiberoptikens framtidsmöjligheter. Den första ultrarena fibern framställdes 1970, bara fyra år senare.

Redan de gamla egyptierna kände till, nåja kunde utnyttja, principen att ljus bryts när det går från ett material med ett brytningsindex till ett med ett annat index. Egyptierna utnyttjade detta till dekorationer som bröt ljus som prismor. Mot mitten av 1800-talet funderade de stora vetenskaparna på hur ljus kunde överföras i en vattenstråle utan att läcka ut från strålen. Roligt som underhållning, men först under 1950-talet kom man på att om man försåg en glasfiber med ett hölje (cladding) med annat brytningsindex, höll sig ljuset kvar inne i fibern genom totaltreflektion. Genom att förse det hela med ett yttre hölje skyddades fibern från repor och skador som fick ljuset att läcka ut. Det blev nu möjligt att göra bra, böjliga endoskop för exempelvis undersökningar inuti människoproppen.

Men ingen använde fibern till kommunikation. Atlantkablarna på 50-talet var av koppar och satelliterna tillkom mot slutet av detta decennium med sina radiolänkar. Den vidare vägen mot optisk kommunikation är dock kantad av nobelpris (exempelvis lasern år 1964, halvledarlasern år 2000). Men glas var för smutsigt i mitten av 60-talet och dämpningar på 1000 dB/km var normala. Det var i princip oanvändbart.


Principen för en optisk fiber med ett kärnmaterial, normalt 10 mikrometer i diameter, med ett brytningsindex, och en mantel, cladding, med ett annat index, normalt 125 mikrometer i diameter. Utanpå detta tillkommer många andra lager för att få upp dragstyrkan.

1966 ägnade sig Kao huvudsakligen åt materialforskning och kom fram till att man kunde komma ned till ett par decibels förluster per kilometer om man kunde bli av med järnjoner i glaset (SiO2) och hitta rätt våglängd, nämligen mellan 1,3 - 1,55 mikrometer och använda sig av single-mode, alltså om man kunde undvika studsar inuti fibern.

Rätt idé hade alltså sprutat fram 1966, men det var svårt att framställa rent kiseldioxid eftersom smältpunkten var så hög. 1969 lyckades dock Corning Glass Works i USA, efter direkt inspiration av en av Kaos artiklar, framställa en kapslad fiber med SiO2 dopat med titan i kärnan och rent SiO2 som cladding. Som Kao hade förutsagt, kom man ganska snart ned till en dämpning under 1 dB/km.

Resten är, som man brukar säga, historia och idag kan vi inte klara oss utan optisk fiber.

Rent glas

För att du ska förstå hur rent glaset i en fiber är, så föreställ dig en vanlig, vikbar glasvägg som de flesta butiker har. När man veckat ihop vanligt fönsterglas till ungefär 30 centimeters tjocklek är det i princip ogenomskinligt. Titta i valfri shoppinggalleria. Hade glaset varit av optisk fiberkvalitet hade du kunnat ha en ruta som var en kilometer tjock och du skulle inte ha sett den. Det är skillnaden!

Har vi för mycket fiber?

Bilden ovan är ett exempel ur Google Earth som visar de fiberkablar som ligger på havsbotten och förbinder Europas olika delar med varandra och med USA. Det är obegripligt många.

Fibrer man gräver ned i marken eller lägger ut på havsbotten idag har alltid fler fiberpar än man kan använda. En typisk sjökabel har kanske 16 eller 48 fiberpar, men oftast är det inte ekonomiskt försvarbart att tända mer än ett eller två par. Med modern transmissionsutrustning kommer man upp i flera terbyte per sekund i ett par och så mycket behöver ingen, för närvarande. TAT-14-kabeln mellan Danmark och USA klarar egentligen 640 Gbps men just nu är det för mycket för att vara praktiskt användbart och man kör bara 160 Gbps. IP-Only, till exempel, som har fibrer över hela Sydsverige och till Danmark och Finland, har som motto att ha ”tillräcklig kapacitet” för att inte behöva ta till konstlade bandbreddsslukande protokoll som MPLS och tillhörande dyrbar utrustning. Deras kabel till Finland via Åland har 48 fibrer och klarar egentligen 153,6 terabit per sekund. Det är helt enkelt ofattbart mycket, så till en början har man bara tänt en fiber (3,2 terabit per sekund) och hyr ut några andra som svartfiber. Notera att hela Sveriges samlade trafik till Internet bara är cirka 30 gigabit per sekund. Fibern själv är gränslös. Det är vår primitiva drivutrustning som sätter gränserna.

Eller är det så att fibrer bara är till för den rika världen? Vi har nästan för mycket av det goda, medan till exempel Afrika nästan inte har några fibrer alls. Ställen som börjat få fiber nu är Östeuropa, eftersom de genom Sovjetunionens försorg hade väldigt lite kopparinfrastruktur. Där går utbygganden raskt. Det inre av Ryssland, Kazakstan, Mongoliet och Kina får förmodligen inte se fibrernas ljus under vår livstid.

CCD-arrayen

Dan andra halvan av priset går till Willard S. Boyle och George E. Smith anställda vid Bell Laboratories i Murray Hill i New Jersey i USA för at de uppfunnit en avbildande halvledarkrets - CCD-sensorn.


Boyle och Smith testar en CCD-array i en TV-kamera.

1969 uppfann de den första användbara avbildningsmetoden med en digital sensor, en CCD (Charge-Coupled Device). CCD-tekniken drar nytta av den fotoelektriska effekten, en teori som lades fram av Albert Einstein, och för vilken han fick Nobelpriset år 1921. Det är genom denna effekt som ljus kan omvandlas till elektriska signaler. Utmaningen när bildsensorn konstruerades var att samla in och mata ut signalerna från väldigt många bildpunkter (pixlar) på kort tid.

Fototransistorn hade funnits före 1969, likväl som många andra ljuskänsliga komponenter, men en transistor vars förstärkning påverkades av ljus var inte tillräckligt för att få till en sensor som kunde exponeras och lagra en bild. Man behövde en hink som kunde lagra elektrisk laddning, och kunde släppa ifrån sig den på kommando.

Den grundläggande idén är följande: På ett substrat av p-dopat kisel bygger man upp en matris av mycket små hinkar som kan lagra elektroner (charge) som uppstår när ljus träffar strukturen. Mängden elektroner är direkt proportionell mot mängden ljus, ända tills hinken fylls över, överexponeras. Hinkarna töms (coupling) efter exponeringstiden över i andra hinkar dolda för ljus, varifrån den elektriska laddningen kan slangas ut och mätas.

Man bygger upp en ledande grop (charge potential well) i en för övrigt isolerande omgivning (potential barrier) i kislet. Gropen är normalt utförd som en diod, en sk fotodiod. När ljus träffar gropen och kislet runt omkring slår fotonerna loss elektroner ur kislet, som samlas i potentialgropen. Ju mer ljus, desto flera elektroner samlas.

I en 12 megapixel-sensor finns det alltså 12 miljoner sådana här gropar och tillhörande barriärer och styrelektroder. Gånger tre, eftersom man har en röd, en grön och en blå. Fotodioderna i sig är inte känsliga för olika färger, utan man har lagt små bitar av färgfilter ovanpå varje grop (mikrometerstorlek).

När man samlat tillräckligt med elektroner lägger man på spänning på styrelektroderna (transfer gates) så att en ny potentialgrop bildas invid fotodioden och den lagrade laddnigen puttas över till denna. Laddningen puttas vidare över flera potentialbarriärer och över till överföringsledningens potentialgrop (charge transfer potential well). Hela raden med laddningar (i en 12 megapixel-sensor kan det bli upp till 3500 stycken åt gången) flyttas samtidigt ut i ett intilliggande, för ljus dolt analogt skiftregister och börjar skiftas ut i längsled med precis samma potentialgrops-puttar-metod som ovan. Skiftregistret är dolt för ljus så att inte infallande ljus ska kunna bygga på eller tömma ut laddningarna som förflyttas. Alla 3500 skiftregister kan givetvis inte skiftas ut samtidigt för man kan inte läsa av 3500 utputtade laddningar samtidigt, utan man får ta skiftregistren ett efter ett.

Resultatet blir, med rätt klockfrekvenser, helt vanlig video, om laddningarna körs in i en laddningsförstärkare och matas ut som elektriska signaler tillsammans med lämpliga synkpulser. I stillbildskameran sätter man istället en analog-digitalomvandlare efter laddningsförstärkaren och omvandlar den analoga nivån till ett åttabitars värde. Detta kan därefter lagras i ett flashminne.

Efter detta tömmer man potentialgropen till ett förutbestämt värde genom att dumpa eventuell kvarvarande laddning till en avloppsränna (lateral overflow drain) och potentialgropen, det vi numera kalla pixeln, är klar att ta emot mera ljus.

I en filmkamera går det här kontinuerligt, men i en stillbildskamera stänger man slutaren först så att alla celler kan tömmas ordentligt och få ett stabilt startvärde. Därefter öppnar man slutaren under så kort tid att cellerna fylls precis lagom, det vi kallar ”rätt exponeringstid”.

Tveksamma principer och tveksamma kunskaper

Vad ska man säga om fredspriset då? Det går inte att inte kommentera det. Fredspriset kommer alltid att vara kontroversiellt. Det är ohjälpligt att det ibland hamnar hos skurkar. Michail Gorbatjov fick 1990 det för att han, utan att han själv förstod hur eller ens hade det för avsikt, lyckades fälla Sovjetkommunismen, men ett par månader senare lät han ockupera Litauens större städer, med mycket blodspillan som följd när stridsvagnar rullade över civila.

Vad ska man säga om svenska folket då? Kommentarerna i rikspressen är deprimerande. Det tycks huvudsakligen handla om a) människor helt utan historiekunskaper som snackar en massa goja om Nobel och hans industriimperium och framhåller honom som krigshetsare, fast han i själva verket var pacifist. För honom var det otänkbart att använda dynamiten i krig, den var till för gruvdrift, det som hade fört Sverige framåt som industrination. Och b) så bor på tok för många pristagare i USA och alla USA-hatare har sin field-day just nu när de får hävda en hel massa himmelsblå teorier om varför just amerikaner hyllas, när det i själva verket visar sig att amerikanerna inte alls är i majoritet. Det faktum att det finns ungefär 5000 universitet och colleges i USA och att de har massor av pengar betyder ”beklagligtvis” att de uppnår resultat också. Dessa måste ”tyvärr” belönas trots att USA-hatarstaben gör sitt bästa för att förringa dem.

Mer upplysning om nobelpris, teknologi och kanske extra mycket om Alfred Nobels liv och gärning behövs, för svenskarna är oerhört efterblivna. Förmodligen beror det på att dagens ungdomar har tittat mer på MTV, orealistiska fiktiva polisutredningar och modevisningar än något med verklighetsförankring, för att kunna tillägna sig några reella kunskaper om världen. Jag citerar en insändare i Aftonbluddret: ”Medicinpristagarna kommer att ge oss kunskap om hur man botar cancer, en fruktansvärd sjukdom som miljoner människor lider av. För Aftonbladet är Anna Anka viktigare.”

Det enda som stör undertecknad är att vi inte längre får se snillen spekulera. Bengt Feldreich frågar inte längre världens främsta skallar vad de tror om utvecklingen och ber att få svar på sin fråga: Finns det vetenskaplig intuition?

För visst gillar du optiska fibrer och halvledare? Innerst inne?

Läs mer

Nobelorganisationen: http://nobelprize.org/index.html
Fysikpriset: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics
Optiska fibrer och sjökablar beskrivs mycket, mycket, mycket närmare i http://techworld.idg.se/2.2524/1.131310
Beviset för att fibrer alltid har högre kapacitet och att det förmodligen går att fortsätta på den bogen ett tag till, finns i http://techworld.idg.se/2.2524/1.215856/sunet-forst-med-40-gigabit-per-sekund-under-atlanten
Beskrivning av CCDns princip med interaktiva guider: http://microscopy.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/ccdanatomy.html
http://www.science.ca/scientists/scientistprofile.php?pID=129&pg=1
Massor om ljuskänsliga element: http://microscopy.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/concepts.html