展望二十一世纪通信与光电子技术的发展

展望二十一世纪通信与光电子技术的发展中国科学院院士北京交通大学教授简水生目录一、二十一世纪是能源危机和绿色能源革命的世纪二、中央提出“建成资源节约型的社会，把我国建成创新型国家”三、建设以光纤通信为基础的信息安全网是资源节约型社会的重要组成部分四、太阳给人类提供无尽的能源五、研究新型光伏电池是光电子领域贯穿二十一世纪的研究热点六、建设创新型国家是同学们的历史使命一、二十一世纪是能源危机和绿色能源革命的世纪在20世纪人类社会的科学技术得到了飞速的发展，从“爱因斯坦的相对论”到“宇宙飞船和空间站的建立”，从微电子技术的发明到每秒运行几十万亿次的计算机，由我国古代诗人李白所惊叹的“蜀道之难难于上青天”，到现代的“北京到成都，可以一天往返”，实际上这种现代文明是建筑在能源消耗提高的基础上。常规能源有尽时世界已探明石油储量只能供应41年。其中67％在中东，7～9％在里海，27％分布在美国，俄罗斯，非洲，拉美和我国（我国只占3％）常规能源是指石油，天然气和煤炭，这是地球46亿年形成过程中太阳给予地球能源的储存。常规能源有尽时我国的能源状况现已探明，常规能源总量为一万亿吨标准煤，但目前可开采的总能源为1500亿吨标准煤。2003年我国常规能源消耗为16.78亿吨标准煤。2004年消耗常规能源已达19.6亿吨标准煤，进口原油1.6亿吨，成品油4000万吨常规能源有尽时我国电力供应以煤电为主，2002年我国SO2排放量高达1927万吨。2020年我国CO2排放量将居世界第一，环境污染，土壤酸化，粮食减产，植被破坏，引发大量呼吸道疾病，威胁人民身体健康，而且温室效应将使世界环境产生剧烈变化，使人类生存受到威胁。隐藏的危机世界上为石油已经不宣而战。有的国家宣称，为“反恐”须驻兵马六甲海峡，甚至日本也宣称要派舰队到马六甲海峡保护日本的侨民。围绕里海的石油，许多国家发生了所谓的“颜色革命”我国进口石油90％通过海上运输，80％须经过马六甲海峡，形势十分严峻。2020年前，我国将新建27个百万级核电站，但只能节省1.2亿吨标准煤。我国天然铀短缺，进口铀的困难要更大一些。二、中央提出“建成资源节约型的社会，把我国建成创新型国家”解决能源危机，出路何在？一是进行节约二是进行绿色能源革命为此，中央提出了“建设资源节约型社会”的方针政策。在今年召开的科技工作会议所通过的决议中，明确提出了今后十五年内科技工作以创新为核心，确定了：自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来的重大科技战略方针，要把我国建成创新型国家。这就为我国进行绿色能源革命奠定了政治基础。三、建设以光纤通信为基础的信息安全网是资源节约型社会的重要组成部分实现了从电通信到光通信的跨越发展，电通信传输媒质为同轴电缆，每管同轴耗铜量100～200Kg/Km光通信传输媒质为光纤，每根光纤的重量27g/Km，售价100元/Km，传输话路为数百万话路～数千万话路为人类社会提供了史无前例的最廉价的传输平台光通信实际上是由传输和交换所组成的，光纤已经解决了光的传输问题，但是光的交换并未实现。到目前为止，国际上在光的交换方面并未取得突破性进展，而是需要由光变成电进行交换再变成光，这就像高速公路没有立交桥一样，很难发挥光传输的巨大优势。目前的电交换在互联网中就是包交换（或分组交换），在这种交换系统中，发讯者发出的包可以从任意一条闲置的电路传给受讯者，即受讯者与发讯者之间并无固定电路连接，使受讯者不能实时准确地获得发讯者的地址码，这就为病毒流行、黑客入侵、网上赌博、网上银行盗窃、黄色和信息垃圾泛滥提供了可乘之机，阻碍了电子商务的迅速发展，危害到社会的稳定和安全，也危及青少年的健康成长。同时也阻碍了互联网自身的发展。目前互联网的安全仅仅依靠各种防火墙来提供保证，但这并不能从根本上解决网络的安全问题。目前计算机的速度已经达到了每秒数十万亿次，即将达到每秒千万亿次的量级，在这样高的计算速度下，任何防火墙和密约都将被迅速解密。三、建设以光纤通信为基础的信息安全网是资源节约型社会的重要组成部分而且在未来战争中，敌我双方首先攻击的将是对方的网络，网络的安全牵系到国家的安危、社会的稳定和信息社会的进一步发展。我们所提出的“基于分布式波分复用、光纤空间交换的光路交换网”就可从结构上确保网络的安全。不仅在未来战争中敌方很难攻入到“基于分布式波分复用、光纤空间交换的光路交换网”中，而且这种网络可以为人们随时随地办公提供安全保证；还可提供远程医疗和手术、远程机械操作、远程双向教学和远程多端电视电话会议；还可充分利用宽带网大通信容量的特点实现世界上任何旅游景点的虚拟现实，人们可以在各地的立体的彩色的虚拟现实演示厅中遨游全世界风景秀丽的景点和名胜古迹，从而实现“从根本上改变人们生活方式、工作方式和学习方式”的理想。三、建设以光纤通信为基础的信息安全网是资源节约型社会的重要组成部分2005年统计我国有汽车3000万辆，耗油量约占全国耗油量的33％，人们预计若干年后我国的汽车拥用量将达一亿辆以上，耗油量占全国耗油量的60％。而且城市交通严重堵塞，道路与车辆的矛盾永远得不到解决，环境污染严重，有关资料报道，在卫星上观察到北京市的汽车尾气污染居世界首位。以光纤通信为基础的信息安全网创造了人们可以在家庭办公的条件，不必每天按时乘车上班，城市交通的堵塞问题可以得到根本性的改善，环境得到保护，能源消耗可以得到极大的节约。三、建设以光纤通信为基础的信息安全网是资源节约型社会的重要组成部分现在我经常乘飞机到外地开会，头天下午汽车送我到机场，乘飞机到达开会地点，对方来车接至会议宾馆，第二天上午做报告或发言，下午用车送我到机场，晚上乘机回到北京，再用车送我回家。这不仅时间利用率很低，而且要消耗多少的能源啊!有了以光纤通信为基础的信息安全网，就可以实现多端会议电视，在多端电视会议上进行学术讨论或报告，这不仅可以提高工作效率，而且可以节约大量的能源。通过以光纤通信为基础的信息安全网，可以在远程教学中实现学生提问，师生共同讨论的新局面。这对提高农村的教学质量和提高农民的素质将起到极其巨大的作用。由此可见，以光纤通信为基础的信息安全网将为资源节约型社会做出极其巨大的贡献。三、建设以光纤通信为基础的信息安全网是资源节约型社会的重要组成部分四、太阳给人类提供无尽的能源地球所接收的太阳能功率平均每平方米为1353千瓦，这就是所谓的太阳常数。太阳每秒照射到地球上的能量约为500亿吨煤，比目前全人类的能耗量大3.5万倍。太阳内部的核聚变可以维持几百亿年，相对应人类的有限生存时间而言，太阳能可以说是取之不尽，用之不竭。太阳辐射在地球上的能量71％照在海洋上，所蒸发的水落在陆地上形成河流、湖泊为人类提供生存用水和带来所谓的水利发电。由于太阳照射产生各地区的温差，从而产生了风，甚至是飓风。它可给人类造成灾害，人们也可利用风能发电。太阳照在我们祖国的陆地上全年的辐射能相当于24000亿吨标准煤，为我国煤矿的储存量的2.4倍。由于我国东部和西部地区地理情况不同，其接收太阳能的效率也不同。如下图所示。四、太阳给人类提供无尽的能源四、太阳给人类提供无尽的能源沙漠地区将能集中地提供丰富的太阳能。我国现有的沙漠约为52万公里，沙漠化土地17.6万平方公里，潜在沙漠化土地15.8万平方公里，三者共计85.4万平方公里，其中大部分集中在内蒙古地区和新疆地区。如果太阳能化为电能的效率为15%，每平方米的面积将能提供0.036千瓦的电能，其日平均将能提供约0.41千瓦的电能。85万平方公里的沙漠地区将提供20000座核电站的电功率。只要开发利用2％不到的荒漠，就可以发出相当于2003年全年的耗电量。据预测，到2050年，可能约需2500×160千瓦的电力，仅由沙漠的12.5％的面积，约为10万平方公里就能满足所有的电力需求。内蒙古自治区的面积约110万平方公里，其中沙漠和沙漠化面积约为20～30万平方公里，所以，仅内蒙古自治区的沙漠面积就能为中国在2050年以及今后的发展提供所需要的足够的电力。如何利用太阳的辐射能，目前比较成熟的就是光伏电池。一般是采用多晶硅制造的，它的转换效率也为10～15%，目前正在努力突破20％的关口。一种在单晶硅片上、下表面分别沉淀P型和N型非晶硅薄膜制成的HIT电池效率已达到21％；当今世界上光电转换效率最高的砷化镓多结太阳能电池在聚光265倍的阳光条件下，光电转换效率已高达35％，并正在向40％的新高峰攀登。其它多种多样的属于光电子领域的光伏电池正在研究之中。五、研究新型光伏电池是光电子领域贯穿二十一世纪的研究热点问题是造价太贵！我们的责任就是降低造价六、建设创新型国家是同学们的历史使命中国人能不能建成创新型国家？历史回答：能现实回答：能同学们回答：能谢谢！