信息材料：編織未來通信網(wǎng)絡(luò)

　　■編者按

　　五十年前，硅材料的研制成功和硅晶體管的發(fā)明，導(dǎo)致了電子信息行業(yè)的一次大革命。材料科學(xué)在不斷地向前發(fā)展，隨之而來的光通信時代、量子時代帶給人們的是更多的“不可思議”。973計劃“信息功能材料相關(guān)基礎(chǔ)問題”項目組首席科學(xué)家王占國院士告訴我們：“二十一世紀的信息技術(shù)以材料、器件和電路為一體的信息功能材料為基礎(chǔ)，融最先進的微電子、光電子和光子技術(shù)于一體。事實上，新一代材料形成新一代技術(shù)，催生新一代的產(chǎn)業(yè)?！?

　　輕輕推開房門，一個頭發(fā)花白，臉龐清瘦的慈祥老人出現(xiàn)在記者眼前。不緊不慢的語速，平易近人的微笑，初次見面記者就被王占國院士的平和所打動。他把一瓶礦泉水塞到記者手中，一下子就拉近了我們的距離。采訪在一個很寬松愉快的氛圍中開始……

　　記者：有人說，信息功能材料是現(xiàn)代信息技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，它能夠引領(lǐng)社會的發(fā)展，您是否贊同這個觀點？

　　王占國：我贊同。21世紀的信息技術(shù)以材料、器件和電路為一體的信息功能材料為基礎(chǔ)，融最先進的微電子、光電子和光子技術(shù)于一體。事實上，新一代材料形成新一代技術(shù)，催生新一代的產(chǎn)業(yè)。

　　記者：這個結(jié)論是不是已經(jīng)被近幾十年的歷史發(fā)展所證明？

　　王占國：是的。上世紀50年代，硅材料的研制成功和硅晶體管的發(fā)明，導(dǎo)致了電子信息行業(yè)的一次大革命。今天的計算機、數(shù)碼相機、錄音機、手機等都是在此基礎(chǔ)上誕生的。沒有硅材料和硅晶體管的發(fā)明，就不會有今天的微電子時代。

　　大家都知道光通信效率要比傳統(tǒng)的電通信高很多倍。上世紀70年代，砷化鎵半導(dǎo)體材料研制成功，使研制半導(dǎo)體激光器成為可能，而激光器是實現(xiàn)光通信的關(guān)鍵器件。同時，科學(xué)家又研制出光纖，這兩項技術(shù)發(fā)明引領(lǐng)了光通信時代的到來。

　　現(xiàn)在，我們對超晶格、量子阱這一詞可能都不太陌生，它是現(xiàn)代移動通信的基礎(chǔ)。晶體材料，如硅、砷化鎵等，原子之間的間距比較近，而在超晶格中，原子之間的距離遠遠超過正常晶體中原子間的距離。但超晶格材料在自然界中是不存在的，只能靠人工制造。超晶格理論的提出以及相關(guān)材料的研制成功，使現(xiàn)代的信息技術(shù)和航空、航天技術(shù)等得到突飛猛進的發(fā)展。

　　記者：我們現(xiàn)在都在談納米材料、納米技術(shù)，并且它在生產(chǎn)和生活中已經(jīng)得到初步的應(yīng)用，那納米技術(shù)或者說納米材料在未來信息技術(shù)發(fā)展中又將扮演一個什么樣的角色？

　　王占國：基于納米科學(xué)與技術(shù)的納米電子學(xué)和納米光電子學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用將會使人類進入量子時代。

　　我們知道，微電子學(xué)的發(fā)展是依賴于波爾茲曼方程和統(tǒng)計力學(xué)，屬牛頓力學(xué)范疇，納電子學(xué)則依賴于量子器件，波函數(shù)工程，屬量子力學(xué)范疇。納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展將使人們進入一個“變幻莫測的”量子世界?？梢灶A(yù)料，將來的量子信息處理速度要遠遠超過今天的信息處理速度。

　　量子技術(shù)用于通信還有一個很大的好處，這就是保密性非常好，信息在中途傳播過程中，只要有人竊取或偷聽，就可以立刻被發(fā)現(xiàn)。

光電技術(shù)在通信中起重要作用，同時也面臨瓶頸。

　　記者：目前，現(xiàn)代通信所面臨的瓶頸問題是什么？我國通信以及信息處理領(lǐng)域還存在哪些問題？

　　王占國：當前，光電信息網(wǎng)絡(luò)和信息處理在通信中起著重要的作用，但其發(fā)展面臨著瓶頸問題，如光電信號間轉(zhuǎn)換能力的滯后和電子線路速度的限制。加速發(fā)展光電信息功能材料，可以說是本世紀初世界范圍內(nèi)面臨的最重大的科學(xué)問題之一。

　　我國光纖通信和移動通信發(fā)展十分迅速，市場規(guī)模約占全球10%%—15%%，需求極為巨大。然而，目前我國光纖通信、移動通信，甚至國防建設(shè)所需的關(guān)鍵器件和電路的芯片(材料)，幾乎都依靠進口，嚴重制約了信息產(chǎn)業(yè)的自主發(fā)展，威脅著國家安全。

　　為此，自主、創(chuàng)新、高速地發(fā)展我國的信息功能材料，滿足我國信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展和國防建設(shè)對信息功能材料的迫切需求，是擺在我們面前亟須解決的重大科學(xué)問題，也正是973項目“信息功能材料相關(guān)基礎(chǔ)問題”在著手研究的中心課題。

項目組如何攻關(guān)？

　　記者：5年來，項目組具體的研究思路是什么？

　　王占國：我們的總體研究思路是：根據(jù)“有限目標、重點突出”的原則，以新一代信息技術(shù)和國防建設(shè)的需求為背景，研制出新一代通信網(wǎng)絡(luò)、高速信息處理和國防建設(shè)急需的信息功能材料，從根本上提高我國材料學(xué)科的整體水平與創(chuàng)新能力，徹底解決關(guān)鍵器件和電路芯片(材料)的國產(chǎn)化問題。

　　記者：就像您前面所說的，光電信息網(wǎng)絡(luò)在國民生產(chǎn)中很重要，但還有很多瓶頸問題沒有解決，我們項目在這一領(lǐng)域是怎么進行攻關(guān)的？

　　王占國：在光通信上，我們專門設(shè)置了兩個課題對其進行研究，已經(jīng)取得很多重要成果。 　　光纖通信速率理論上可以達到1000Gb/s以上，而目前我國光通信主干道的傳播速率是2.5Gb/s。我們項目組經(jīng)過幾年攻關(guān)，已經(jīng)成功地研制出滿足10Gb/s需求的光通信光發(fā)射模塊和探測器，這意味著在不增加光纖數(shù)量的情況下光纖傳輸效率提高了4倍。這項成果已具備了向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的能力。

　　另外，現(xiàn)在的光纖通信一般傳100公里之后，就需要把光信號轉(zhuǎn)換為電信號進行放大，然后再轉(zhuǎn)換為光信號進行傳輸，這不僅大大地降低了光纖的傳輸效率，轉(zhuǎn)換成本也比較高。如果采用我們研制的半導(dǎo)體光放大器和大功率量子點激光泵源，結(jié)合摻鉺光釬，在光電轉(zhuǎn)換的地方用泵浦激光器通過摻鉺光釬對光信號進行直接放大，從而省去了光電、電光的轉(zhuǎn)換，這將有助于光通信網(wǎng)絡(luò)信息處理瓶頸的解決。

　　記者：我們了解到，我們這個項目在具有前瞻性的重大科研問題上也做了不少工作？

　　王占國：除了致力解決當前信息領(lǐng)域的瓶頸問題之外，我們項目還有一個重大的特色，就是具有前瞻性。正如我剛才說的，新興材料是信息社會的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)。早在7年前，我們這個項目就把氮化鎵、氧化鋅等第三代半導(dǎo)體材料作為本項目的主要內(nèi)容之一開展了研究。所謂第三代半導(dǎo)體材料就是寬禁帶半導(dǎo)體材料，它的發(fā)光波長短（紫外），具有耐高溫、抗輻照等特點，可廣泛地應(yīng)用在軍事、空間技術(shù)和高密度存儲等方面；在生活上可以用于照明、大屏幕顯示等。另外，本項目首先開展的太拉赫茲物理和器件研究，已成為目前國內(nèi)外研究的熱點之一。

　　記者：發(fā)光的波長進入紫外區(qū)有什么好處，能舉例介紹么？

　　王占國：最常見的例子就是在軍事上的應(yīng)用，我們以前的大多數(shù)常用的半導(dǎo)體材料只對白光和紅外光靈敏，不能探測紫外光。而氮化鎵的好處是，它對白光是透明的，僅對紫外光靈敏，稱之為太陽盲光探測器。在戰(zhàn)場上，一些軍用飛機經(jīng)常從太陽光方向進行攻擊，以前對白光靈敏的探測器對著太陽光無法探測，而用氮化鎵制作的探測器可以很容易的探測到來犯戰(zhàn)機。

　　另外，紫外線還有很多用途，如人體血管壁上有很多沉淀物，紫外線可以把它“融化”等等。

　　記者：經(jīng)過5年的艱辛探索，我國材料科學(xué)研究水平和創(chuàng)新能力是不是有了很大的提高，并在國際上占有一席之地？

　　王占國：5年來，我們從21世紀初我國信息技術(shù)發(fā)展和國家安全對信息功能材料的需求出發(fā)，選擇具有自己特色和良好基礎(chǔ)以及可能觸發(fā)新的技術(shù)革命的微結(jié)構(gòu)材料體系為突破點，發(fā)展了有自主知識產(chǎn)權(quán)的按信息功能要求設(shè)計電子行態(tài)、裁剪和構(gòu)造其材料結(jié)構(gòu)的理論方法及其制備技術(shù)，顯著地提高我國半導(dǎo)體材料科學(xué)研究的整體水平和創(chuàng)新能力,并在國際該領(lǐng)域多個方面占有了一席之地；我們在突破信息網(wǎng)絡(luò)和高速信息處理瓶頸，為解決光纖通信、移動通信和高速信息處理所需的關(guān)鍵器件和電路芯片（材料）的國產(chǎn)化問題，擺脫依賴進口的被動局面,加速我國信息高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國防建設(shè)等方面做出了自己的貢獻。