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Nobel des technologies optiques révolutionnaires
le 2009 Prix Nobel de physique a été décerné à trois chercheurs dont les travaux ont constitué la base des télécommunications modernes et de l'imagerie numérique. Le prix récompense Charles K. Kao, dont les découvertes ont conduit à une percée dans la fibre optique, et Willard S. Boyle et George E. Smith, qui ont inventé le capteur d'image CCD (charge-coupled device).
Lauréats du prix Nobel: Les lauréats du prix Nobel de physique de cette année sont, de haut en bas, Charles K. Kao, anciennement de Standard Telecommunication Laboratories, et Willard S. Boyle et George E. Smith, anciennement de Bell Laboratories.
Les fibres optiques transportent la quasi-totalité des données télécoms et constituent l'épine dorsale d'Internet. Lorsqu'elle est combinée avec le laser et le transistor, l'invention d'une fibre optique efficace et à faible perte a rendu possible une communication presque instantanée à travers le monde entier, a déclaré H. Frederick Dylla, directeur de l'American Institute of Physics, dans un communiqué.
Les travaux ont été réalisés au milieu des années 1960. L'invention du laser au début des années 1960 a incité les chercheurs à développer un moyen de transmission pratique pour la lumière, qui peut transmettre des données beaucoup plus rapidement que les ondes radio. Les fibres optiques, cependant, ne semblaient pas prometteuses à l'époque en raison de leurs taux d'atténuation élevés : seulement environ 1% de la lumière envoyée à travers la fibre serait transmise jusqu'à 20 mètres.
L'idée de Kao était de se concentrer non seulement sur la physique de la lumière, mais sur les propriétés matérielles du milieu lui-même. En 1966, alors qu'il était jeune ingénieur chez Standard Telecommunication Laboratories à Harlow, au Royaume-Uni, Kao a découvert les causes sous-jacentes de l'atténuation dans la fibre optique : les impuretés du fer l'obligeaient à absorber et à disperser la lumière. Le verre pur, a-t-il suggéré, ferait un meilleur support et présenterait également des avantages en termes de coût.
Après d'autres études sur la façon dont la lumière de différentes longueurs d'onde voyage à travers différents supports, Kao et ses collègues ont indiqué que le dioxyde de silicium était le meilleur matériau. Mais le dioxyde de silicium est difficile à travailler. Une équipe de chercheurs de Corning Glass Works a réalisé les conceptions de Kao en 1970, en utilisant une chambre de réaction à haute pression pour former les premières fibres optiques à faible perte, et d'autres de Bell Laboratories ont affiné la technique de fabrication pour réduire les coûts.
Les fibres optiques modernes sont encore meilleures que ce que Kao avait prédit, ne perdant que 5% de la lumière sur une distance d'un kilomètre. En 1988, la première fibre optique intercontinentale, longue de 6 000 kilomètres, est posée entre l'Europe et l'Amérique ; Aujourd'hui, il y a plus d'un milliard de kilomètres de fibre optique dans le monde, et de plus en plus chaque jour.
L'autre moitié du prix Nobel de physique de cette année revient aux inventeurs du CCD, un appareil qui convertit les images en signaux électriques, révolutionnant ainsi la photographie et l'imagerie numérique.
Alors que le travail de Kao est né d'un effort concerté pour trouver un meilleur moyen de télécommunications, celui de Boyle et Smith était imprévu. Ils ont développé le CCD aux Bell Labs en 1969, après avoir esquissé la conception de base au cours d'une session de brainstorming d'une heure. Le principe du CCD est l'effet photoélectrique, qui a été en partie théorisé par Albert Einstein, ce qui lui a valu le Prix Nobel en 1921 . Lorsqu'ils sont bombardés par un photon, certains matériaux émettent un électron. La conception de Boyle et Smith est une puce de silicium dont la surface est recouverte d'une grille de condensateurs qui stockent les électrons créés lorsque la puce est illuminée. Chaque condensateur est un pixel. Le nombre d'électrons stockés dans chaque condensateur est proportionnel à l'intensité de la lumière dans cette partie de l'image. L'image peut être lue en retirant les charges du CCD.
L'avantage du CCD par rapport aux films chimiques sensibles à la lumière et même à l'œil humain est sa haute sensibilité. Sur tout le spectre de la lumière, de l'infrarouge aux rayons X, les CCD peuvent capturer 90 % des photons entrants. L'œil ou un appareil photo argentique ne capture que 1 % de ces photons.
Un an après leur invention, Boyle et Smith ont fabriqué une caméra vidéo basée sur le capteur d'image numérique ; en 1981, Sony a mis sur le marché le première caméra CCD , le Mavica. Les astronomes ont été les premiers à les adopter et ont utilisé les capteurs pour capturer des images d'objets célestes distants qui étaient jusque-là invisibles.
Aujourd'hui, le CCD fait face à la concurrence d'une autre puce d'imagerie numérique inventée à peu près à la même époque, le CMOS (complémentaire métal-oxyde-semiconducteur). Les deux appareils reposent sur l'effet photoélectrique. Alors que le CCD dirige les électrons de la puce en un seul flux à lire, les données des pixels CMOS sont lues sur place, ce qui économise de l'énergie et prolonge la durée de vie de la batterie. Cependant, le CMOS n'est pas aussi sensible que le CCD, qui présente toujours des avantages pour des applications avancées telles que l'astronomie et l'imagerie médicale.