Am 23. September 2018 verstarb ein 84-jähriger Herr in Sha Tin, Hongkong. Zu dieser Zeit haben Sie vielleicht seinen Tod betrauert, wie viele andere, die ihn zutiefst respektierten. Obwohl er in Hongkong ein bekannter Name ist, kennen Sie eigentlich seinen Beitrag zu unserem täglichen Leben? Seine Forschung ist entscheidend für die moderne Kommunikationstechnologie, damit sie ihren heutigen Höhepunkt erreichen und unser Leben viel bequemer machen kann. Dieser Herr ist der Träger des Nobelpreises für Physik 2009, der „Vater der Faseroptik“, Prof. Sir Charles K. Kao.
Wenn wir in der Zeit vor tausend Jahren zurückreisen würden, wäre es sehr schwierig für uns, unsere Freunde und Familie zu kontaktieren, die Tausende von Kilometern entfernt sind. Ein berühmter chinesischer Dichter, Du Fu (712–770), sagte einmal: „Ein Brief von zu Hause ist zehntausend Goldstücke wert“, was die Schwierigkeit für alte Soldaten widerspiegelt, während eines Krieges Nachrichten von ihren Familien zu erhalten. Bis ein Familienbrief auf dem Schlachtfeld ankommt,charles k. kao ist der Empfänger vielleicht schon ein Kriegsopfer. Glücklicherweise wurden Fortschritte erzielt. Zunächst mit der Erfindung von Telegraf, Radio und Telefon im 19. Jahrhundert. Die transkontinentale Kommunikation ist viel bequemer geworden, aber es gab immer noch Einschränkungen. Es blieb eine Herausforderung, eine große Menge an Informationen zu einem erschwinglichen Preis über eine lange Distanz zu übertragen. Die Wissenschaftler des 20. Jahrhunderts setzten ihre Hoffnungen auf einen zukunftsträchtigen Werkstoff, Glas.
Faseroptik ist eine dünne Faser, die normalerweise aus Glas oder Kunststoff besteht, um Lichtsignale zu leiten. Das physikalische Prinzip dahinter ist einfach. Licht hat beim Durchgang durch verschiedene Medien unterschiedliche Brechungsindizes. Je nach Einfallswinkel wird es unterschiedlich stark gebrochen ( ). Wenn Licht von einem Medium mit einem höheren Brechungsindex zu einem mit einem niedrigeren Brechungsindex gelangt und der Einfallswinkel größer als ein bestimmter Grad ist (d. h. der kritische Winkel), wird das Licht vollständig zum ursprünglichen Medium zurückreflektiert. Dieses Phänomen wird „Totalreflexion“ genannt (Abbildung 1). Charles k. kao Die Faseroptik macht sich dieses Phänomen zunutze – der Kern der Faser besteht aus einem Medium mit einem höheren Brechungsindex und der Mantel besteht aus einem anderen Material mit einem niedrigeren Brechungsindex. Durch Auswahl eines geeigneten Einfallswinkels kann das Licht, das in die Faser eintritt, auf den Kern beschränkt werden und zum Ende der Faser „prallen“. Lichtsignale können daher geführt und übertragen werden.
Aber es war leichter gesagt als getan. Damals gab es viele praktische Hindernisse für die Nutzung von Licht zur Signalübertragung. Das Hauptproblem war die hohe Dämpfungsrate. Wenn Licht ein Medium durchdringt, wird seine Intensität reduziert und kann daher nicht effektiv übertragen werden. Selbst bei Verwendung des damals „transparentesten“ Glases als Medium hätte der Dämpfungskoeffizient 200 Dezibel pro Kilometer (dB/km) erreicht [1] – das heißt, mit jedem Kilometer, den das Licht ausbreitet, würde die Intensität abnehmen um 1020 mal. Dies macht optische Kommunikation unmöglich.
Eine der wegweisenden Arbeiten, die Prof. Kao berühmt machten, trug den Titel Dielectric-fiber surface waveguides for optical frequencys, die von Prof. Kaos Kollege George Hockham mitverfasst wurde. Sie postulierten, dass eine Fernkommunikation möglich wäre, wenn der Dämpfungskoeffizient von Glas auf 20 dB/km reduziert werden könnte [2]. Einfach ausgedrückt: Wenn wir Glas herstellen können, das „sauber“ genug ist, sollte sich Licht darin über eine lange Strecke ausbreiten können, ohne zu stark abgeschwächt zu werden. Prof. Kao und sein Kollege führten die hohe Dämpfungsrate auf die Verunreinigungen im Glas zurück – Eisenionen (Fe2+- und Fe3+-Ionen) trough.
Die Zeitung von 1966 erregte jedoch nicht die Aufmerksamkeit der meisten anderen. Einige Gruppen dachten sogar, dass es nicht sinnvoll wäre, die Verunreinigungen zu entfernen, weil es die intrinsischen Eigenschaften von Glas sind, die es als Material für die Lichtübertragung ungeeignet machen. Glücklicherweise gab Prof. Kao nicht auf. Er reiste um die ganze Welt, um seine Idee bekannt zu machen, und überzeugte erfolgreich viele Forschungsgruppen, auf diesem Gebiet Fuß zu fassen. Darüber hinaus wandte sich Prof. Kao an viele Glashersteller und überzeugte sie, das Glas zu entwickeln, das den in der Veröffentlichung genannten Anforderungen entspricht.Charles k. kao schließlich gelang es Corning 1970, das Glas mit einem Dämpfungskoeffizienten von 17 dB/km herzustellen, wodurch die Hypothese von Prof. Kao bestätigt werden konnte. (Corning reduzierte den Dämpfungsfaktor zwei Jahre später sogar auf 0,4 dB/km!) Danach reifte die Technik schnell. Heute kann der Dämpfungskoeffizient einer modernen Glasfaser weniger als 0,1 dB/km betragen [3], und jede Faser kann einige zehn TB (1012 Byte) an Daten pro Sekunde übertragen. Dies ermöglicht es uns, auf einfache Weise eine große Menge an Informationen zu erhalten.
Der Fortschritt der modernen Technologie ermöglicht es uns, sofort und bequem zu kommunizieren. Dies veränderte unser tägliches Leben und verkürzte die Distanz zwischen den Menschen – die Geburt des Internets, gefolgt von der Erfindung von Social Media und Instant Messaging Apps. Prof. Kao weigerte sich, seine Erfindung für optische Fasern zu patentieren, was teilweise ihre breite und schnelle Einführung auf der ganzen Welt beschleunigte. Wenn moderne Kommunikationstechnologie ein ausuferndes Feuer ist, dann muss Prof. Kao die erste, unverzichtbare Funke sein.
