As Fibras Ópticas, o Sensor CDD, e o Prêmio
Nobel de Física (PNF) de 2009. O PNF de 2009 foi
compartilhado da seguinte maneira: metade ao físico norte-americano Charles Kuen Kao (n.1933) (nascido na
China) pela sua descoberta de como transmitir luz por intermédio das fibras ópticas; e a segunda metade
dividido entre os físicos, também norte-americanos, Willard
Sterling Boyle (n.1924) (nascido no Canadá) e George Elwood Smith (n.1930), pela invenção do primeiro sensor de
imagem digital, um circuito semicondutor de imagem, conhecido como sensor CDD (Charge-Coupled Device) (Dispositivo
de Carga-Emparelhada). Vejamos como aconteceram essas descobertas. Muito embora a passagem
(certamente guiada por reflexão total) da luz em pedaços de
vidros coloridos tivesse sido usada como decoração no Egito e na Mesopotâmia,
cerca de milhares de anos antes de Cristo, a ideia de
guiar a luz em um meio denso por intermédio da reflexão total, deve-se
aos físicos, o suíço Jean-Jefe (Daniel) Colladon (1802-1893) e o francês Jacques Babinet (1794-1872) que, em 1842, e, independentemente,
discutiram a possibilidade de guiar a luz em um jato de água ou mesmo em um
tubo de vidro recurvado. Mais tarde, em 1870, o físico inglês John Tyndall (1820-1893) realizou uma experiência na qual guiava
a luz em um jato de água que fluía entre dois recipientes. É oportuno registrar
que a reflexão total da luz acontece quando ela passa de um meio mais
denso para um meio menos denso, com um ângulo de incidência maior que o chamado
ângulo
limite: este é o ângulo de incidência que correspondente a um ângulo de
refração igual a 900. No começo do Século Estimulado pela experiência
de Tyndall e considerando as deficiências da fibra
de vidro apontadas acima, em 1952, o físico indiano Narinder
Singh Kapany (n.1927)
iniciou seus trabalhos que o levaram à invenção da fibra óptica: uma fibra de vidro revestida por um material cujo
índice de refração é um pouco menor do que a do vidro. Por sua vez, em 1954 (Nature 173,
p. 39), o físico holandês Abraham Cornelis Sebastien van Heel (1899-1966)
descreveu uma técnica para transmitir imagens ópticas sem
aberração (perdas), empregando um guia dielétrico revestido com uma camada de
material de baixo índice de refração. Seu objetivo estava relacionado
apenas com o alinhamento de imagens. Aliás, nessa mesma Nature 173 e na mesma página 39, Kapany e o
físico e matemático inglês Harold H. Hopkins (n.1918) (o inventor da lente
zoom, em 1948) publicaram um trabalho no qual descreveram suas
experiências com a transmissão de luz por intermédio de um dispositivo formado
de um feixe de fibras ópticas; novas
experiências com esse dispositivo foram descritas por Kapany
e Hopkins, em 1955 (Óptica Acta 4, p. 164). Nessas pesquisas, eles usaram esse dispositivo
para aplicações citoscópicas, por exemplo, examinar o
trato (aparelho) digestivo humano. (Registre que Hopkins já pensara nesse
problema em decorrência dos trabalhos que realizara, em 1943 e 1945, sobre a
resolução de microscópios quando iluminado com luz polarizada). Em 1957, Kapany publicou artigos no Journal of the Optical Society of America 47, sobre a tecnologia de fibras ópticas que
havia desenvolvido: isoladamente (p. 413); com J. A. Eyer
e R. E. Keim (p. 423); com Hopkins (p. 594); e com J.
N. Pike (p. 1109). Em 1961 (Journal of Applied Physics 32,
p. 36), E. Snitzer apresentou uma proposta de como realizar
uma ação
de laser (sobre laser, ver verbete nesta série) em
uma fibra óptica. Essa proposta foi
concretizada, em 1964 (Applied Optics 3, p. 1182),
quando Snitzer e C. J. Koester
conseguiram uma ação laser em uma fibra de vidro dopada com neodímio (Nd). É interessante notar que, na primeira metade da década
de 1960, as fibras ópticas utilizadas
apresentavam uma alta atenuação expressa em db/m [db = decibel = b/10;
o bel (b) é uma unidade adimensional que exprime o
quociente entre duas potências (elétrica ou acústica), sendo uma de referência;
o número de bels é dado pelo logaritmo decimal daquele quociente]. Com
efeito, apenas cerca de um por cento (1%) de luz era transmitida em cada Agora, vejamos o trabalho de
Kao que o levou a ganhar a metade do PNF2009. Kao se graduou em Engenharia Elétrica na Universidade de Londres, em 1957, e
nessa mesma Universidade defendeu sua Tese de Doutorado (Quasi-Optical Waveguides),
em 1965, sob a orientação do físico australiano Antoni
Emil Karbowiak (n.1923) que dirigia um grupo de
pesquisas em comunicação óptica no Standard
Telecomunications Laboratories
Ltd. (STL), em Harlow, na Inglaterra, no qual Kao trabalhava desde 1960. Observe que o STL era uma
subsidiária da indústria norte-americana International Telephone and Telegraph Corporation (ITT).
Quando Karbowiak decidiu voltar para a Austrália, sugeriu
a Kao que iniciasse um pequeno grupo de pesquisas
para investigar o mecanismo de dissipação de materiais dielétricos usados em fibras ópticas. Kao
passou então a trabalhar com o físico e engenheiro inglês George Alfred Hockham (n.1938); este, junto com Karbowiak,
no STL, desde 1961, estudava as perdas em fibras dielétricas [com diâmetro da
ordem 1 No artigo que Kao escreveu com Hockham referido
acima, Kao afirmou: -...uma fibra de material de vidro construída em uma estrutura revestida
... representa uma possível guia de onda óptica
prática com importante potencial como uma nova forma de comunicação ... .
Comparada com os cabos co-axiais usados em sistemas de radiocomunicação, esta
nova forma de guia de onda tem uma grande capacidade de informação e possíveis vantagens
de custo material. Tendo como base essa premonição, Kao
continuou suas pesquisas no STL, agora com novos parceiros, T. W. Davies, M. W. Jones e C. R.
Wright, tentando diminuir as impurezas do vidro [principalmente íons de ferro
(Fe)] e fazendo cuidadosas medidas da atenuação da luz, nesses vidros
purificados, e em outros materiais, usando diferentes comprimentos de onda.
Como resultado desse trabalho, eles publicaram artigos em 1968 (Journal of Scientific Instruments 1, p. 1063) e em
1969 (Journal of Scientific Instruments 2, p. 331; 579). Nessas pesquisas, Kao descobriu que a sílica [dióxido de silício (SiO2); material transparente, parecido com o
vidro] fundida tinha uma pureza compatível com a comunicação óptica
que ele previra. Contudo, como esse material apresentava uma alta temperatura
de fusão e, portanto, de difícil fabricação e manipulação, os Laboratórios de
Fibras Ópticas mundiais preferiam usar o vidro, porém sem muito sucesso, já que
a perda continuava sendo grande. Porém, em 1970 (Applied Physics Letters 17, p. 423), os físicos
norte-americanos F. P. Kapron, Donald D. Keck e Robert D. Maurer (n.1924),
pesquisadores do Corning Glass Works,
nos Estados Unidos (sob a liderança de Maurer),
anunciaram que haviam desenvolvido o método químico CVD (Chemical Vapor Deposition) e com ele construíram fibras ópticas de sílica e revestiram-na
com sílica
fundida. Contudo, para que o caroço (“core”) da fibra e seu
revestimento tivessem índices de refração próximos, eles doparam o caroço com
titânio (Ti). Com essa fibra eles conseguiram uma perda de 20 db/km. Mais tarde, em 1973 (Applied Physics Letters 22, p. 307), Keck,
Maurer e P. C. Schultz anunciaram que haviam
conseguido uma nova fibra óptica
ainda com sílica, com o caroço, porém dopado com germânio (Ge), e uma
perda de 4 db/km, para luz de Por outro lado, nas décadas
de 1970 e 1980, nos Laboratórios Bell,
os físicos norte-americanos John B. MacChesney (n.1929)
e P. B. O´Connor modificaram
o CVD, criando o MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition), o que lhe permitiram inventar um gel de
alta pureza para revestir o caroço de sílica usada na fibra óptica. Esse trabalho rendeu a eles as seguintes Patentes: US444705 (22/02/1974);
US828617 (29/08/1977); US117522 (01/02/1980); US217027-A (12/08/1980); US559729
(09/12/1983) e US4217027-B (15/07/1986).
É interessante registrar que, no final da Nobel Lecture de Kao,
lida por sua mulher Gwen M. W. Kao,
no dia 08 de dezembro de 2009, ela afirma que: - Charles Kao plantou a semente, Robert (Bob) Maurer regou e John MacChesney
cresceu suas raízes. Registre-se que, em 1988,
foi instalado o primeiro cabo transatlântico de fibra óptica, e que tinha a capacidade para 40.000 conversas
telefônicas simultâneas. Hoje (fevereiro de 2010), com uma atenuação abaixo de
0,2 db/km, para luz de Tratemos, agora, das
contribuições de Boyle e Smith que os levaram a ganhar a segunda metade do
PNF2009, pela invenção do sensor CDD,
importante para a invenção da câmara
digital. Antes, no entanto, vejamos o desenvolvimento da fotografia
para entendermos o significado dessas invenções. Em 1685, o óptico alemão
Johann Zahn (16351-1707) publicou o livro intitulado Oculus Artificials Teledioptricus Sive Telescopium (“Teledióptrico
Óculos Artificial ou Telescópio”), no qual ilustrou, por intermédio de
diagramas e esboços, vários dispositivos ópticos, como, por exemplo, a câmara escura (já conhecida pelas
antigas civilizações como, por exemplo, a chinesa, a egípcia e a grega: um
buraco feito em uma parede produzindo uma imagem invertida na parede oposta de
uma sala escura), a lanterna mágica [inventada
cientista alemão, o jesuíta Athanasius Kircher (c.1602-1680), em 1646] e o retroprojetor [ou projetor de filmes (slides):
um sistema óptico formado de lentes e um espelho côncavo, que concentra a luz
(vinda de uma lâmpada colocada na frente do espelho) sobre uma transparência (slide) e a projeta em
uma tela (screen) colocada a
certa distância]. Mais tarde a câmara
escura foi aperfeiçoada e tornou-se um instrumento portátil, com lentes e linguetes variáveis para tornar nítida, em um vidro fosco,
a imagem de um determinado objeto. Contudo, não se sabia como fixar essa
imagem. Em 1724, o químico e filósofo alemão Johann Heinrich Schulze (1867-1744) descobriu que certos “sais de prata”,
notadamente o cloreto de prata (AgC A ideia
de gravar imagens foi retomada no final do Século 18. Com efeito, desde 1793, o
litógrafo francês Joseph Nicéphore Niépce (1765-1833) e seu irmão Claude Niépce
(oficial da Marinha Francesa), tentaram obter imagens gravadas quimicamente
usando uma câmara escura com uma pequena lente convexa.
Contudo, as imagens obtidas desapareciam rapidamente. Depois de alguns anos de
pesquisa, Joseph conseguiu, em 1816, substituir o vidro fosco por papel com
cloreto de prata (AgC Com a morte de Joseph Niépce, em 1833, o prosseguimento de seus experimentos
fotográficos foi conduzido, por seu sócio, o pintor, cenógrafo e químico
francês Louis Jacques Mande Daguerre (1787-1851) que
havia descoberto, em Esse processo de fixação de
imagens – a fotografia – também foi
desenvolvido na Inglaterra, ainda no Século 18. Com efeito, em 1835, o químico
inglês William Henry Fox Talbot (1800-1877) inventou
um papel fotossensível que havia sido mergulhado alternadamente em soluções de
nitrato de prata (AgNO3) e cloreto de sódio
(NaC As placas fotográficas (daguerreótipos e talbótipos)
apresentavam um problema, pois eram feitas de vidro e que precisavam ser
preparadas pouco antes da exposição e reveladas imediatamente após; daí o nome
original de fotografia com placa úmida. Esse problema foi contornado, em
torno de 1870, com a invenção da chapa seca (dry plate), uma
suspensão gelatinosa de brometo de prata (AgBr)
que poderia ser preparada antes da exposição e reveladas muito depois. Esse
processo era cerca de 60 vezes mais rápido do que o talbótipo.
Um dois pioneiros nessa nova técnica fotográfica foi o inventor norte-americano
George Eastman (1854-1932) ao criar, em Outro grande avanço na técnica
fotográfica ocorreu com a descoberta da fotografia colorida. Sua ideia inicial
foi proposta pelo pianista e inventor francês Louis Arthur Ducos
du Hauron
(1837-1920) ao sugerir, em 1862, o chamado método subtrativo baseado no fato de
que um pigmento colorido absorve todas as cores exceto a sua própria, que a
reflete. Em 1868, ele obteve a patente francesa desse seu método (Fr83061), que
usava as propriedades aditivas das cores fundamentais (vermelho, verde e azul)
e as subtrativas das anticores fundamentais (cyan, magenta e amarelo). Essa
sua invenção foi descrita no livro intitulado Les Couleurs en Photographie (“As Cores em Fotografias”), publicado em
1869. Note que a primeira fotografia
colorida foi tirada por du
Hauron, em 1877, de uma vista de Aven,
no sudoeste da França, onde se encontra a Cathédrale
Saint-Caprais. Uma nova ideia
para o desenvolvimento da fotografia
colorida aconteceu em 1890, quando o físico alemão Otto Wiener
(1862-1927) desenvolveu uma técnica com a qual obteve ondas luminosas
estacionárias, em que os nós e os antinós eram
separados em intervalos de ~ 2 A técnica desenvolvida por du Hauron,
em 1869, foi usada pelos músicos norte-americanos Leopold
Godowsky, Jr. (1900-1983) (também químico) e Leopold Damrosch Mannes (1899-1964) para inventarem o filme Kodachrome,
patenteado em abril de 1935 (U.S. Patent 1.997.493) (solicitada em janeiro de 1922). Ele
consta, basicamente, de três emulsões luminosas sensitivas para a luz: camada
de cima - azul, camada do meio - verde, e camada inferior - vermelho. Depois
segue uma sequência de cores subtrativas: amarelo, magenta e cyan, para formar o negativo. Para maiores detalhes ver: pt.wikipedia.org/wiki/Leopold_Godowsky_Jr. // Leopold Mannes. Agora, vejamos os trabalhos nobelísticos de Boyle e Smith realizados nos Laboratórios Bell, em New Jersey, Estados Unidos. Boyle defendeu sua Tese de
Doutoramento em Física na McGill University (Canadá), em 1950, e foi para a Bell, em 1953; Smith doutorou-se também em Física na Chicago University, em 1959, e neste
mesmo ano foi trabalhar na Bell. Na
década de 1960, Boyle era o Diretor Executivo do Laboratório de Desenvolvimento de Dispositivos Semicondutores (hoje,
Divisão de Ciências da Comunicação) e
Smith era Chefe de um de seus Departamentos (hoje, o de Integração em Escala Muito Grande). Em Contudo, a eficiência de
transferir bolhas de cargas (charge bubbles) usando o BBD era limitada pelo comprimento da
cadeia de transistores. Desse modo, segundo Smith descreveu em artigo publicado
em 2009 (Nuclear Instruments
and Methods in Physical Research A607, p. 1), em 17 de outubro de 1969,
ele foi ao gabinete de Boyle, e juntos, no quadro negro e por quase uma hora,
esquematizaram a estrutura básica do sensor
CCD que seria usado para transferir cargas elétricas. Basicamente, o CCD é
um capacitor do tipo Si-MOS (silício-metal-oxide semiconductor) que registra imagens na forma
eletrônica, e, portanto, podem ser usadas em um filme fotográfico. Com efeito,
quando a superfície do semicondutor [Si, dopado com boro (B) para transformá-lo
em um portador do tipo p] recebe luz, há formação de bolhas de cargas em virtude do efeito foto-elétrico.
[Lembrar que a banda proibida (entre a banda de condução e a banda
de valência) do Si vale 1,14 eV;
assim, fótons com energia acima desse valor poderá liberar elétrons, segundo a
teoria proposta pelo físico germano-norte-americano Albert Einstein (1879-1955;
PNF, 1921), em 1905, conforme vimos em verbete desta série]. O problema que
então se apresentou a eles foi o de encontrar um modo engenhoso de transportar
essas cargas de maneira ordenada. Em vista do exposto acima,
Boyle e Smith então idealizaram o seguinte: na estrutura superficial CCD foi
colocado uma série de diminutos fios (eletrodos) formando uma matriz de
pequenas células foto-sensitivas (hoje, elas são
chamadas de pixels e têm dimensões ~ 10 Como o CCD transforma
uma imagem em uma série de pulsos elétricos, logo se observou que ele poderia
ter diversas aplicações tecnológicas, dentre elas, a câmara digital (CD), inventada em 1981. Mais tarde, em Concluindo este verbete, é
interessante destacar que a invenção do circuito integrado (CI) (chip – pastilha) pelo engenheiro
eletrônico norte-americano Jack St. Clair Kilby
(n.1923; PNF, 2000), em março de 1959, foi importante para o invento de
diversos tipos de sensores de imagens, como o CMOS (complementary-metal-oxide-semiconductor),
este em 1968 [Peter J. W. Noble, Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) - Transactions on Electron Devices
ED-15, p. 202] e em 1969 [P. K. Weimer, W. S. Pike, G. Sadasiv, F. V. Shallcross and L. Meray-Horvath, Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) – Spectrum 6, p. 52; Savvas G. Chamberlain, Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) – Journal of Solid-State
Circuits SC-4,
p. 333], e o CCD (visto neste verbete), em 1970. 
|
m (= 10-
850 
) e o nitrato de prata (AgNO3),