Manapság már teljesen természetesnek vesszük, hogy egyre több helyen használnak optikai szálat, optikai kábelt a nagysebességű információátvitelben. Arra meg egyáltalán nem gondolunk, hogy aki mindehhez az elméleti és a gyakorlati utat kitaposta és tevékenységét a fizikai Nobel-díjjal jutalmazták, mindössze öt évvel ezelőtt hunyt el, tehát jócskán kortársunk volt. Ebben a megemlékezésben Charles Kuen Kao 90. születésnapja okán megismerkedhetünk érdekesen alakult életútjával, kitartó munkájának az eredményével – és egy szinte váratlanul érkezett Nobel-díj előtörténetével.

Charles Kuen Kao 1933. november 4-én született Sanghaj francia koncessziós területén. Édesapja, Kao Chun-Hsiang a koncessziós terület egyik bírója, majd később a Soochow University összehasonlító jogi professzora volt. Kao még egész fiatalon a kínai klasszikus irodalommal foglalkozott, amibe négy évvel fiatalabb öccse vezette be. A családnak egyébként komoly irodalmi gyökerei voltak, nagyapja Kao Hsien tudós volt, de egyben költő, kalligrafikus és a hagyományos kínai festészet művelője is volt. Emellett angolt és franciát is tanult a Shanghai World Schoolban. A kínai polgárháború vége felé, 1949-ben a család átköltözött Hongkongba és ott a St. Josephs College-ban tanult négy éven keresztül, ahol egyre inkább az elektronika kezdte érdekelni. Mivel a Hongkongi Egyetemen akkoriban még nem volt villamosmérnök képzés, 1953-ban a hongkongi brit követség segítségével Londonba ment és a Wollwich Polytechnic – a mai University of Greenwich – kebelén belül szerezte meg villamosmérnöki oklevelét. Ennek a birtokában az ITT leányvállalatánál, a Standard Telephones and Cables North Woolwich-i üzemében helyezkedett el. Az első évben, mint gyakornok, a cég különböző részein dolgozott, majd ennek letelte után a mikrohullámú divízióban helyezkedett el.

Az STL-nél ismerkedett meg 1957-ben a leendő feleségével, Gwen May-Wan Wong-gal is, aki már az Egyesült Királyságban született. 1959-ben házasodtak össze Londonban és két gyermekük is született, 1961-ben egy fiú és 1963-ban egy lány, akik ma mindketten Kaliforniában, a Szilícium-völgyben élnek.

A házassága után Kao úgy érezte, ideje más munkát keresni és jelentkezett a Loughborough Polytechnic oktatói állására. Feleségével együtt utazott el a felvételi interjúra, s mikor megkapta az állást, azonnal le is előlegeztek egy újonnan épült házat és visszautaztak beadni a felmondásukat. Amikor az STL egyik felsővezetője meglátta Kao felmondását, aki ismerte a mikrohullámú divízióban végzett munkáját, azonnal érezte, hogy ezt az embert nem szabad elengedni a Standard-től. Rögtön felkereste Kao-t és felajánlotta, hogy dolgozzon tovább a cég harlowi Standard Telecommunication Laboratories (STL) kutatólaboratóriumában. További ajánlata volt, hogy a felesége számára is találnak ott munkát. Az ajánlat minden szempontból annyira jó volt, hogy nagy elnézéskérések közepette lemondta a Loughborough-i állást és ügyvédet fogadott a házfoglaló visszaszerzésére. Ahogy Kao ezt egy interjúban megfogalmazta, ezen a felsővezetői lépésen múlt, hogy utána még harminc évig az ITT Corporation körein belül dolgozott. Ezzel párhuzamosan a University of London külső hallgatójaként 1965-ben megszerezte a PhD fokozatát is.

Az STL-ben Kao kutatási feladata az optikai kommunikáció volt. Akkoriban ezt a technológiát elvetették, mert az első próbálkozásoknál kiderült, hogy akkora a csillapítása az optikai szálnak, hogy 10-15 méternél távolabb már nem érzékelhetők a jelek. Kao viszont úgy gondolta, hogy nem az elképzelés a rossz, hanem a használt optikai szál szennyezettsége okozza a nagy csillapítást. Antoni Karbowiak vezetése alatt – akinek a főnöke Alec Reeves, a PCM rendszer szabadalmaztatója volt – sikerült elérnie, hogy alaposabban tanulmányozhassa a különböző optikai szálakat, ebből egy egész széles kollekciót gyűjtött össze különböző gyártóktól és megkezdte a kísérleteit. Ezek alapján megerősödött benne a feltételezés, hogy az optikai szálak anyagának a szennyezettsége és a csillapítása között valóban összefüggés van. 1964 decemberében Kaot kinevezték az STL elektro-optikai csoportja vezetőjének, mert Karbowiak elfogadta az ausztrál University of New South Wales egyik tanszékének a vezetésére a felkérést, ezzel megüresedett a helye. Első lépése rögtön az volt, hogy létrehozott egy optikai kommunikációs programot, egyben törölte Karbowiak kutatási tervét, ami a vékonyréteg-hullámvezetők irányába próbálta a kutatást folytatni. Kollégájával, George Hochhammel abba az irányba indultak el, hogy jobban megértsék a kezdetleges optikai szálak viselkedését és ötvözték az elméleti fizikai ismereteket az anyagismereti diszciplínával. A kutatási eredményeket 1966 januárjában egy londoni IEE (Institution of Electrical Engineers, brit szervezet, nem azonos az IEEE-vel) konferencián előadásban ismertette Kao, és még ugyanebben az évben megjelent a publikációjuk „Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies” címmel az IEE Proceedings kiadványban. A nyolc oldalas publikáció konklúziói imponálóak voltak. Ebben leírták, hogy ha olyan köpennyel rendelkező üvegszerű szálat hoznak létre, ahol a szál magjának az átmérője összemérhető a használt fény hullámhosszával és a köpennyel együtt az átmérő a hullámhossz százszorosa, ahol a mag törésmutatója 1%-kal magasabb, mint a köpenyé, akkor ezen a szálon egy új technológiájú átvitelt lehet megvalósítani. Az így elkészített szál kellően hajlékony, de mégis kezelhető lesz, míg a szál magja sokkal nagyobb átviteli kapacitással fog rendelkezni, mint az akkor használt koaxiális kábelek vagy a vezeték nélküli rádiórendszerek. Megvalósításának az egyetlen feltétele, hogy kellően alacsony csillapítású legyen a szál anyaga, ami még sok kutatást igényel, de nem tartozik a megoldhatatlan feladatok közé.

Ezzel elméletileg megalapozták az optikai szál létjogosultságát az alkalmazható átviteli közegek palettáján, de hiányzott még az igen kis csillapítású „üvegszerű anyag” létrehozása. Hockham közben elhagyta az STL-t, így Kaonak új csapatot kellett szerveznie, de ekkor már látta, hogy komoly értelme van a kutatásnak. Ahogy egyre-másra végezték a vizsgálatokat különböző anyagokon, egyre nyilvánvalóbbnak látszott, hogy a nagy csillapítást alapvetően nem az optikai szálon belüli szórás (scattering) okozza, mint azt korábba gondolták, hanem az elnyelés (absorption), amit az anyag tisztaságával lehet csökkenteni.

Szisztematikusan megmérték a különböző fényvezető anyagok csillapítását különböző hullámhosszakon és közben elméletben is keresték a mérési eredményeket megmagyarázó anyagtechnológiai okokat. A mérésekből Kao arra jutott, hogy a nagy tisztaságú olvasztott szilícium-dioxid (SiO₂) adja a legjobb eredményeket, de ez is csak meghatározott hullámhosszakon. Ettől kezdve már gyártástechnológiai kérdéssé vált a megfelelő optikai szál előállítása. Kao ezért 1966 tavaszán az USA-ba utazott és sorra járta az ottani üveg- és polimergyárakat, hosszan és alaposan tárgyalva a gyártástechnológiát. 1969-ben már sikerült ömlesztett szilícium-dioxidból egy kísérleti szálat létrehozni, aminek a csillapítása 4 dB/km alatt volt, ami a korábbi 20 dB/km körüli értékekhez képest már egészen jónak mutatkozott. Persze a most használt optikai szálak 0,15-0,4 dB/km csillapításától még messze volt, de jól érzékeltette, hogy realitássá válhat a nagytávolságú átvitel is.

1970-ben egy váratlan fordulat következett be az életében, amikor a hongkongi Kínai Egyetem felkérte Kao-t, hogy hozzon létre egy elektronikával foglalkozó tanszéket. Az STL ismét gálánsnak mutatkozott és két évre elengedte Kao-t úgy, hogy továbbra is az STL alkalmazottja maradhatott. A két évből végül is négy év lett, de Kao minden nyáron visszatért az STL-hez és folytatta a kutatásait. Közben pedig felállította a tanszéket Hongkongban, kidolgozta az oktatási tervet és be is indította az elektronikai képzést.

Ez idő alatt, 1974-re a technológia annyit fejlődött, hogy már ipari méretekben is lehetségessé vált az alacsony csillapítású optikai szál előállítása. Ekkor az ITT visszahívta Kao-t azzal, hogy az ITT amerikai gyárában, ami Virginia állam Roanoke városában volt, támogassa a gyártás bevezetését. Itt először főmérnökként, majd alelnökként és tudományos igazgatóként dolgozott. 1982-re már az ITT vezető tudományos szakembere lett és emellett a Yale Egyetemen professzori állása is volt. 1985-től egy évig Nyugat-Németországban a SEL kutatóközpontjában dolgozott, 1986-ban pedig már az ITT kutatási igazgatója lett.

A következő években számtalan szakmai közéleti funkciót töltött be és rengeteg szakmai elismerés, kitüntetés övezte életútját. 2004-ben azonban Alzheimer-kórt diagnosztizáltak nála, ami elsődlegesen a beszédképességét érintette, miközben a memóriája és a gondolkodási képessége intakt maradt. Emiatt 2008-ban visszavonult a kaliforniai Mountain View-ba, hogy gyermekei és unokái körében élhessen.

2009. október 6-án érte a hír, hogy az optikai átvitel terén végzett kutatásai és elért eredményei alapján elnyerte a fizikai Nobel-díjat. Mivel abban az évben két másik fizikus is Nobel-díjat kapott a töltés-csatolt eszközök (CCD) terén végzett munkájáért, így Kao harmadmagával kapta meg a díjat. Kao feleségével, Gwennel ment el a december 10-i Nobel-díj átadására, ahol már beszédet nem tudott mondani, de tiszta fejjel élte meg a nagy megtiszteltetést. Kao nevében a felesége mondta el, hogy a díj egy részét Kao orvosi kezelésére fordítják, de 2010-ben létrehozták a Charles K. Kao Alapítványt az Alzheimer-kóros betegek támogatására. Ugyanebben az évben lovaggá ütötték, így Sir Charles Kao-ként élte a napjait. 2016-ban Kao állapota tovább romlott, már egyensúlyi problémái is voltak és megjelentek a demencia jelei is. Felesége kitartó gondozása mellett Kao 2018. szeptember 23-án hunyt el a hongkongi Bradbury Hospice-ban 84 éves korában.

 

dr. Bartolits István