高锟（左） 威拉德·博伊尔（中） 乔治·史密斯（右）
2009年度诺贝尔物理学奖授予了对光的研究成果为现代数字时代奠定基础的科学家。前香港中文大学校长高锟(Charles Kao)获得了该奖项的一半奖金500万瑞典克朗（约70万美元），他在1960年代第一次向世界展示了通过光导纤维内的光来实现数字通信的可能性。
另一半奖金授给了贝尔实验室的威拉德·博伊尔(Willard Boyle)和乔治·史密斯(George Smith)，以表彰他们发明了电荷耦合(CCD)图像传感芯片――这是今天数码相机中的关键部件。
光纤通信初见曙光
高锟的研究使得通过纤维光学进行远距离通信成为可能。我们知道，玻璃的折射率比空气更高，因此光在沿一根玻璃棒传输后大部分仍会留存其中不受损失，这种现象被称为全内反射。不过在1990年代早期，这种通过折射来有效制导光线的方式还局限于短距离内。譬如，医生用来检查病人胃肠道的内窥镜，使用的就是光导纤维。
由于存在衰减，即光在纤维中传输时能量会损耗，大多数人认为通过光导纤维远距离传输光信号是不现实的。在1960年代早期，用最先进的光纤传输，光的损耗高达每公里1000分贝。因此，建立在光纤基础上的通信网络可行性极小。
1965年，在英国哈洛(Harlow)的标准电信实验室工作的高锟认为，衰减是由制造光纤的玻璃中的杂质引起的，它并不是构成玻璃主要成分的硅的固有属性。他设想，若使用提纯后的玻璃，完全有可能将衰减率降到每公里20分贝以下。
在接下来的5年里，高锟试图以他的光纤通信梦想游说其他的实验室。号称英国的贝尔实验室的英国邮政研究局察觉到该项技术的优势，并在相邻城镇的电话交换中心安装了基干光缆。
高锟的预言在1970年得到验证。当年，纽约康宁玻璃公司成功制造出了衰减率低得多的光导纤维。在其他实验室设法提纯普通玻璃时，康宁公司却选择从名为熔融石英的二氧化硅的高纯形态着手，这是该公司早先开发的成果。
通过向含钛熔凝硅石纤维的光导纤维芯材掺杂质，康宁公司成功地将衰减率降低到每公里17分贝。紧接着，康宁以二氧化锗为掺杂物，又将衰减率降到每公里仅4分贝。今天，最好的光纤其衰减率每公里不到0.2分贝。
高锟的研究至今已有40年，而光纤也已进入到现代电信包括互联网的心脏。
数字心脏CCD
如同贝尔实验室的团队获得1956年诺贝尔奖是由于晶体管的发明那样，CCD的出现也取代了一项现有的电子管的技术。晶体管取代了易碎的电子管放大器和电子管开关；而CCD则终止了易碎的、图像易模糊的基于真空设备(包括光电导体)作为电视摄像机中特定传感器的地位。最终，CCD成了普通消费者手中便携式摄像机和数码相机的心脏，它的原理甚至超越了该项技术的意义本身。
胜利之光大闪耀
当博伊尔和史密斯研究CCD时，一开始他们是将其作为用于可视电话和计算机中的新颖的存储芯片。该芯片由“磁泡”存储器组成。磁泡是一项于1960年代在贝尔实验室开发的新兴技术，用于将数据作为磁信号，即在半导体薄膜上形成的磁泡来记录。
磁泡存储器最终被更为先进的硬盘记录方式所取代，但博伊尔和史密斯想知道是否它有可能完成与电荷类似的工作：成为小小的电子“水桶”用在微芯片中表示二进制数据？如果能，数据该如何存储，又如何被读出?
这一对搭档开辟了一条具有独创性的途径以推进这项研究：他们意识到他们可以在一块芯片上堆放许多列彼此靠得很近的电容，当一个电容存放数据的一个“位”时，电容中就充满电子。每个电容附带一条“计时”线，而一个适当的脉冲经由该计时线将每个电荷桶末端的内容送到下一个电容。以这种方式，一系列的“时钟脉冲”将把整个一行“位值”送到芯片的边缘，再由晶体管从中读出一系列的1和0。
由于电荷是成对地向前翻到下一个单元，该设备由此成为了人们熟知的电荷耦合器，简称CCD。又由于它们工作的方式类似于救火队传递水桶的方式，该设备也称“组桶式器件”。
由于芯片的光敏度，即意味着光不能长久保持记忆，必须通过光电转换将光信号转为电信号。由于聚焦在CCD上的光能将其外壳的电子撞击下来，并依照在该点的光强度在单元中建立一个电荷，因而博伊尔和史密斯开发出了一个高分辨率的模拟图像传感器，用来转换由每一行单元所生成的电荷或像素，并将它们变为可被读出的数字数据。CCD绝没有电子管所固有的诸如灵敏度低、易碎和图像模糊等问题。
由于CCD芯片的出现，1970年世界上首次出现了摄像机，1975年又出现了具有广播品质的TV图像；同样它也在天文学和医学成像等领域引发了革命性的成像技术。
资料来源 New Scientist
责任编辑 则 鸣