Politische Demonstrationen, ein abstürzendes Flugzeug oder das Missgeschick eines Mitbürgers – im digitalen Zeitalter lässt sich all das schon wenige Sekunden später von überall auf der Welt begutachten: Handykameras nehmen das Geschehen auf, per mobilem Internetzugang wird das Foto oder Video dann auf eines der vielen sozialen Netzwerke überspielt und schon ist es geschafft. Für viele ist dieses Kunststück bereits zur Normalität geworden.

Vor einigen Jahrzehnten hätte man dieses Szenario dagegen noch unter Sciencefiction verbucht und schon den ersten Schritt angezweifelt: das Digitalfoto. Denn die Augen einer jeden modernen Kamera – so genannte CCD-Sensoren – kamen erst 1969 auf die Welt. Deren Erfinder Willard Boyle und George Smith, beide von den Bell Laboratories im US-Bundesstaat New Jersey, hatten damals aber eigentlich ganz anderes im Sinn: Sie wollten einen Datenspeicher entwickeln, in dem sie Informationen in Form von elektrischer Ladung ablegen können.

Schnell merkten sie allerdings, dass ihre Idee einen idealen Bildsensor abgibt. Denn die winzigen Zellen oder Pixel, die sie in Spalten und Reihen auf einer Siliziumplatte angeordnet hatten, waren lichtempfindlich. Trifft also ein Lichtquant einer bestimmten Frequenz auf einen der Bildpunkte, schlägt es dort nach den Prinzipien des fotoelektrischen Effekts ein Elektron heraus. Das optische wird hier also in ein elektrisches Signal umgewandelt, denn die Anzahl der freigesetzten Ladungen pro Fotozelle ist proportional zur Intensität des eingestrahlten Lichts.

Nicht nur Herz der Digi-Cam: CCD-Sensoren
© Royal Swedish Academy of Sciences
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernNicht nur Herz der Digicam: CCD-Sensoren
CCD(Charge Coupled Device)-Sensoren bestehen aus einer Anordnung von Sensorelementen, die bei Lichteinwirkung Elektronen an der Halbleiterschicht sammeln. Dadurch wird die Beleuchtungsstärkeverteilung per innerem fotoelektrischem Effekt in eine Ladungsverteilung gewandelt. Sie kann, pro einzelne Fotozellen summiert, dann seriell ausgelesen und nach einer Analog-Digital-Wandlung der elektrischen Signale in ein digitales Bild umgesetzt werden. Willard S. Boyle und George E. Smith erhielten für ihre Pionierarbeit beim Entwickeln der ersten CCD-Sensoren 2009 50 Prozent des Nobelpreises für Physik.
Nach der Belichtung werden die Ladungen Reihe für Reihe ausgelesen: Dabei reicht jede Zelle ihre gesammelten Elektronen an ihren Nachbarn weiter, bis diese am Rand des Sensors in ein digitales Signal konvertiert werden. Die Verteilung der Ladungen wird im Computer dann wieder zu einem Bild zusammengesetzt, dessen Auflösung gerade der Anzahl der Pixel entspricht. Bis jetzt sind die Bilder allerdings schwarz-weiß – erst durch verschiedene Filter kommt Farbe ins Spiel.

1970 demonstrierten Boyle und Smith ihre CCDs bereits als Bildaufzeichnungssensor in einer Videokamera. Ein weiteres Jahr verging, bis eine amerikanische Firma den ersten 100-mal-100-Pixel-Bildsensor herstellte. 1981 erschien dann die erste CCD-Kamera auf dem Markt – in einfachster Ausstattung und enorm sperrig. Aber der Grundstein für schlanke Digitalkameras, die sogar in Handys passen, war gelegt.

Vor einigen Jahrzehnten hätte man sich aber auch den zweiten Schritt des obigen Szenarios noch nicht träumen lassen: die blitzschnelle Datenübertragung. Ermöglicht wird sie mit Hilfe von Kommunikationssatelliten und Glasfaserkabeln, in denen die Daten mit nahezu Lichtgeschwindigkeit um die Welt geleitet werden. Zwar gab es in den 1960er Jahren auch schon optische Fasern und Laser, so dass Informationen in Form von Lichtpulsen hätten übertragen werden können. Doch die Lichtsignale kamen gerade einmal 20 Meter weit; danach war nur noch ein Prozent des eingestrahlten Lichts übrig.

Das Prinzip der Glasfaser
© Royal Swedish Academy of Sciences
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernDas Prinzip der Glasfaser
Glasfasern haben einen Durchmesser von rund 125 Mikrometern; der Kern ist mit rund 10 Mikrometern dünner als ein einzelnes Haar. Für optische Kommunikation benutzt man heute Infrarotlicht einer Wellenlänge von 1,55 Mikrometer, mit dem die geringsten Verluste auftreten.
Die Faser besteht damals wie heute aus einem Glaskern, der einen etwas höheren Brechungsindex besitzt als seine glasige Ummantlung. Das durch den Kern geleitete Licht wird auf diese Weise immer wieder nach innen hin gebrochen und somit auf Kurs gehalten. Aber was schwächte das Licht in den früheren Kabeln so stark ab? Charles Kao von den Standard Telecommunication Laboratories im englischen Harlow tüftelte – wie damals viele – an dem richtigen Rezept, um weitere Distanzen mit den Lichtpulsen zurückzulegen. Sein erklärtes Ziel lag bei einem Kilometer.

Anders als die meisten Kollegen berücksichtigte er nicht nur die Physik, die sich im Wellenleiter abspielte, sondern auch dessen Materialeigenschaften. Im Januar 1966 präsentierte Kao dann seine Ergebnisse: Unreinheiten in der Glasfaser, vornehmlich Eisenionen, seien schuld an der mageren Lichtausbeute. Das Glas müsse also reiner werden. Die Architektur des Wellenleiters, Strahlungs- und andere Dämpfungsverluste hätten dagegen nur einen kleinen Effekt.

Zusammen mit anderen Wissenschaftlern untersuchte er fortan verschiedene Materialen auf ihre Lichtleitertauglichkeit. Quarzglas (SiO2) schien sich für die optische Kommunikation am besten zu eignen. Dieses allerdings in der gewünschten Reinheit herzustellen, war die nächste große Herausforderung in damaligen Zeiten. Arbeitsgruppen auf der ganzen Welt forschten intensiv an Techniken, die verlangten, Glasfasern herzustellen. 1970 war es dann geschafft: Die Lichtpulse liefen endlich einen Kilometer; dann hatten sie allerdings ebenfalls 99 Prozent der anfänglichen Intensität eingebüßt.

Inzwischen hat sich das Verhältnis umgekehrt. Nach 1000 Metern sind immer noch 95 Prozent des Lichts vorhanden. Optische Verstärker kümmern sich zusätzlich darum, dass das Signal auch auf viel weiteren Wegen nicht verloren geht. Und das ist auch nötig, denn würde man alle auf dieser Erde verlegten Glasfaserkabel aneinanderheften, wären sie eine Milliarde Kilometer lang – Tendenz steigend.

Die Physik-Nobelpreisträger 2009
© Richard Epworth; National Academy of Engineering; National Inventors Hall of Fame Foundation/SCANPIX
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernDie Physik-Nobelpreisträger 2009
Charles Kao (links) erhält die Hälfte des Nobelpreises für Physik 2009. Der 1933 im chinesischen Schanghai geborene Physiker hatte im Jahr 1966 berechnet, wie Licht über große Entfernungen über optische Glasfasern übertragen werden kann. Auf Basis seiner Kalkulationen entstanden nur vier Jahre später Lichtleiter, die neue Maßstäbe auf diesem Gebiet setzten. Kao arbeitete vor seiner Pensionierung zunächst bei Standard Telecommunication Laboratories von Harlow in Großbritannien sowie an der Chinese University of Hong Kong.

Je ein Viertel des diesjährigen Preises gehen an den 1924 in Kanada geborenen Willard Boyle (Mitte) und den heute 79-jährigen George Smith (rechts), die in den Bell Laboratories in Murray Hill, New Jersey, 1969 den ersten erfolgreichen digitalen Bildsensor, den CCD-Sensor (Charge Coupled Device) ersonnen haben. Der Sensor nutzt den fotoelektrischen Effekt, um Licht in elektrische Signale umzuwandeln. Die Herausforderung bestand darin, die große Anzahl an Signalen zu erfassen und auszulesen. Heute finden sich CCDs in digitalen Kameras und in vielen medizinischen Anwendungen.
Aus dem digitalen Zeitalter sind beide Erfindungen nicht mehr wegzudenken. Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften würdigte sie deshalb mit dem diesjährigen Nobelpreis für Physik – spät, aber verdient.