ข่าวสาร

แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 29 | ค.ศ.2009 สำหรับความสำเร็จที่เกี่ยวข้องกับการส่งแสงผ่านเส้นใยนำแสงเพื่อใช้ในการสื่อสาร และ จากการประดิษฐ์วงจรสารกึ่งตัวนำสำหรับรับภาพ

บทความ | ดร.ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร

นักวิจัยอาวุโส ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค-สวทช.)

ระบบการสื่อสารที่ใช้ในช่วงที่ผ่านมาจะส่งผ่านตัวกลางที่เป็นคลื่นวิทยุที่มีความถี่ต่ำ หรือ ส่งในรูปของกระแสไฟฟ้าไปกับสายทองแดง ทำให้จำนวนข้อมูลที่ส่งไปได้ในแต่ละครั้งมีไม่มากนัก วิธีการหนึ่งที่สามารถเพิ่มช่องทางการส่งข้อมูลให้มากขึ้นได้ก็คือ การเพิ่มความถี่ของตัวกลางอย่างคลื่นที่ใช้ให้มีความถี่สูงขึ้น และ แสงเองก็เป็นตัวกลางหนึ่งที่หลายคนให้ความสนใจ โดยช่องทางหนึ่งที่จะส่งแสงจากจุดเริ่มต้นไปยังจุดหมายปลายทางได้ก็จะต้องเป็นแก้ว

ลักษณะของเส้นใยนำแสง (ภาพจาก Washinton Post)

แก้วกับแสงได้มีการใช้งานร่วมกันมานานแล้ว อย่างน้อยก็ 4500 ปีมาแล้วที่แก้วได้ถูกผลิตขึ้นในยุคเมโสโปเตเมีย (Mesopotamia) และ อียิปต์โบราณ รวมไปถึงชาวเวนิสที่ได้สร้างสรรค์แก้วที่สวยงามขึ้นมาสำหรับใช้หักเห สะท้อน และ กระเจิงแสงจากโคมไฟ

ในส่วนของเส้นใยแก้วนำแสงเองก็ได้นำมาใช้ทางการแพทย์ตั้งแต่ช่วงปี ค.ศ. 1930 สำหรับดูภายในกระเพาะผู้ป่วย หรือ ส่องแสงไปที่ช่องปากระหว่างทำฟัน ซึ่งเส้นใยแก้วนำแสงแบบนี้ไม่เหมาะกับการนำแสงเพื่อการสื่อสารระหว่างกัน เพราะว่ามีแสงรั่วระหว่างที่แสงเคลื่อนที่อยู่ในเส้นใยแก้วนำแสง และ แสงที่ส่งเข้าไปจะถูกลดทอนลงไปมากเมื่อเดินทางไปได้เพียงไม่กี่เม

การเคลือบสารเพิ่มเข้าไปรอบๆ เส้นใยแก้วนำแสงในช่วงเริ่มต้นของทศวรรษที่ 1960 เพื่อไม่ให้แสงรั่วไปมาระหว่างเส้นใยแก้วนำแสงที่อยู่ใกล้กัน ได้แสดงให้เห็นแนวทางที่เป็นไปได้มากขึ้นในการส่งข้อมูลผ่านเส้นใยแก้วนำแสง แต่อุปสรรคที่สำคัญ คือ กำลังของแสงที่เดินทางอยู่ในเส้นใยแก้วนำแสงยังถูกลดทอนลงไปมาก

จนกระทั่งปี ค.ศ. 1966 ที่ Charles Kuen Kao ได้เสนอแนวทางผ่านบทความวิชาการด้วยการใช้เส้นใยแก้วนำแสงที่สร้างขึ้นจากแก้วที่มีความบริสุทธิ์มากๆ อีก 4 ปีต่อมา นักวิทยาศาสตร์ที่บริษัท Corning Glass ในสหรัฐฯ โดยการนำของ Robert Maurer ได้ผลิตเส้นใยแก้วนำแสงที่สร้างขึ้นจากวัสดุดังกล่าวด้วยกระบวนการ Chemical Vapor Depositon (CVD)

CCD ตัวแรกของโลก (ภาพจาก nobelprize.org)

ภายหลังต่อมาทีมงานภายใต้การนำของ John McChesney ได้ดัดแปลงกระบวนการ CVD ซึ่งทำให้สามารถผลิตเส้นใยแก้วนำแสงในเชิงอุตสาหกรรมได้อีก และอีกสองถึงสามปีถัดมา ทีมวิจัยสามารถทำให้ค่าการลดทอนของแสงที่เดินทางอยู่ภายในเส้นใยแก้วนำแสงลดลงจาก 20 dB/km ที่ Charles Kao เคยตั้งเป้าไว้ว่าเพียงพอต่อการส่งข้อมูลไปเป็น 1 dB/km

ปัจจุบันค่าการลดทอนที่ความยาวคลื่นแสง 1550 nm ลดลงเหลือน้อยกว่า 0.2 dB/km ในมุมมองของคนที่อยู่ในอุตสาหกรรมเส้นใยแก้วนำแสงถือว่า Charles Kao ทำหน้าที่หว่านเมล็ดไว้ Robert Maurer ได้รดน้ำเพื่อให้เมล็ดงอกออกมา และ J. MacChesney เป็นคนทำให้ต้นไม้นั้นโตขึ้นอย่างงดงาม

อีกผลงานหนึ่งที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีนี้คือตัวรับภาพชนิด Charge Coupled Device (CCD) ที่ช่วยเก็บภาพให้อยู่ในรูปของข้อมูลดิจิทัล โดยในปี ค.ศ. 1969 Willard Biyle และ George Smith ได้เริ่มต้นจากความพยายามที่จะออกแบบและสร้างหน่วยความจำอิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพที่ดีขึ้น

แต่ผลทีมได้รับกลับเป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถเก็บประจุไฟฟ้าและสามารถอ่านค่าประจุไฟฟ้าออกมาได้ โดยอาศัยพื้นฐานของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริค ซึ่งเมื่อแสงตกกระทบลงบนซิลิคอนจะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกไปสะสมในบริเวณเก็บประจุ และเมื่อแสงมีปริมาณมากประจุไฟฟ้าที่สะสมไว้ก็จะมากขึ้นตาม

หลังจากนั้นเมื่อใส่แรงดันไฟฟ้าเข้าไปจะทำให้อิเล็กตรอนค่อยๆ เลื่อนออกไป ในปี ค.ศ. 1970 ทั้งสองคนได้สาธิตกล้องวิดีโอที่มีตัวรับภาพชนิด CCD อยู่ หลังจากนั้นอีกสองปีต่อมาบริษัท Fairchild ได้ผลิตตัวรับภาพ CCD ขนาด 100×100 จุด และ ในปี ค.ศ. 1975 ทั้งสองคนได้สร้างกล้องดิจิทัลขึ้นซึ่งเป็นเวลาเดียวกันกับที่วิศวกรที่บริษัท Kodak ในสหรัฐฯ ได้ประดิษฐ์กล้องดิจิทัลขึ้นเช่นกัน และในปี ค.ศ. 1981 กล้องดิจิทัลก็ได้มีจำหน่ายขึ้นเป็นครั้งแรก จนปัจจุบันกล้องดิจิทัลได้มีขนาดเล็กพอที่จะบรรจุอยู่ในโทรศัพท์มือถือและใช้งานอย่างแพร่หลายทีเดียว

โครงสร้างของ CCD ที่ให้ภาพสีในปัจจุบัน (ภาพจาก Washington Post)

กล้องดิจิทัลตัวแรกของโลกกับผู้ประดิษฐ์ Steven Sassion ในปี ค.ศ. 1975 ขณะทำงานที่บริษัท Kodak ในสหรัฐฯ (ภาพจาก T. S. Perry, “Digital Photography: The Power of Pixels,” IEEE Spectrum, Jan. 2011)

ประวัติย่อ : Charles K. Kao

Charles K. Kao เกิดที่เมืองเซียงไฮ้เมื่อวันที่ 4 พฤศจิกายน ค.ศ. 1933 ในครอบครัวที่มีฐานะดีโดยบิดามีวุฒิทางกฎหมายจากสหรัฐฯ และจากการที่บิดาและมารดาไม่ค่อยมีเวลาจึงต้องมีครูมาสอนพิเศษที่บ้านในช่วงวัยเด็ก ช่วงที่เรียนชั้นประถมศึกษาเขายังชอบทดลองทางวิทยาศาสตร์และชอบอ่านหนังสือวิทยาศาสตร์ ช่วงที่ประเทศจีนเกิดความวุ่นวายทางการเมือง ครอบครัวได้ตัดสินใจย้ายไปฮ่องกง Charles K. Kao ได้เข้าเรียนระดับมัธยมศึกษาที่ St. Joseph’s College และต่อมาเข้าเรียนที่ University of Hong Kong ในช่วงเวลาสั้นๆ แล้วจึงไปศึกษาทางด้านวิศวกรรมไฟฟ้าที่ Woolwich Polytechnic สหราชอาณาจักร หลังจากจบการศึกษาในปี ค.ศ. 1957 ได้ทำงานที่ Standard Telephones & Cables ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของบริษัท International Telephone & Telegraph ในฝ่ายคลื่นไมโครเวฟ ช่วงปี ค.ศ. 1970-1974 ได้ก่อตั้งภาควิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ที่ Chinese University of Hong Kong (CUHK) และในช่วง 9 ปีที่ทำงานกับ CUHK (เริ่ม ค.ศ. 1987) ในตำแหน่งรองประธานของมหาวิทยาลัย เขาได้พยายามสร้างโอกาสให้ทุกคนสามารถสร้างสรรค์ผลงานและมีโอกาสเติบโตในอาชีพได้

ประวัติย่อ : Willard S. Boyle

Willard S. Boyle เกิดเมื่อวันที่ 19 สิงหาคม ค.ศ. 1924 ที่แคนาดา บิดาเป็นแพทย์ประจำท้องถิ่น เขาเป็นคนช่างสังเกตจากการที่แม่ได้ฝึกฝนเขาในวัยเด็ก เขาศึกษาที่ McGill University และได้รับปริญญาตรีในปี ค.ศ. 1947 และปริญญาโทและเอกในปี ค.ศ. 1948 และ 1950 ตามลำดับ จากนั้นได้เข้าทำงานในห้องปฏิบัติการรังสีในเมือง McGill เป็นเวลาหนึ่งปีแล้วเปลี่ยนไปทำงานสอนที่ Royal Military College เป็นเวลา 2 ปี ก่อนที่จะเข้าร่วมงานกับทาง Bell Laboratories

ประวัติย่อ : George E. Smith

George E. Smith เกิดในมลรัฐนิวยอร์คของสหรัฐฯ เมื่อวันที่ 10 พฤษภาคม ค.ศ. 1930 หลังจากจบมัธยมศึกษาได้ทำงานเป็นคนตรวจตราสภาพอากาศของกองทัพเรือสหรัฐฯ และใช้เวลาว่างลงเรียนวิชาใน Univerity of Miami ต่อมาเขาโอนวิชาที่ได้เรียนมาเพื่อเข้าศึกษาทางฟิสิกส์ต่อที่ University of Pennsylvania และจบการศึกษาในปี ค.ศ. 1955 ในปี ค.ศ. 1959 ได้รับปริญญาเอกทางฟิสิกส์จาก University of Chicago และได้ตัดสินใจเข้าร่วมงานกับ Bell Laboratories ทันทีในแผนกใหม่ที่ Willard S. Boyle เป็นหัวหน้า

แหล่งข้อมูล

P. C. Schultz, “Making the first low-loss optical fibers,” Optics and Photonics News, Vol. 21, No. 10, pp.30-35, October 2010.
https://nobelprize.org , accessed Feb 2019.
https://en.wikipedia.org , accessed Feb 2019.
ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร, โฟโทนิกส์ มหัศจรรย์แห่งแสง, นานมีบุ๊คพับลิเคชัน, กรุงเทพฯ, กุมภาพันธ์ 2549.

ข่าวสาร

แหล่งข้อมูล

บทความที่เกี่ยวข้อง