展望二十一世纪通信.ppt

展望二十一世纪通信展望二十一世纪通信与光电子技术的发展与光电子技术的发展 中国科学院院士中国科学院院士 北京交通大学教授北京交通大学教授简水生简水生目目 录录一、二十一世纪是能源危机和绿色能源革命的世纪一、二十一世纪是能源危机和绿色能源革命的世纪二二、中中央央提提出出“建建成成资资源源节节约约型型的的社社会会，把把我我国国建建成成创创新新型国家型国家”三三、建建设设以以光光纤纤通通信信为为基基础础的的信信息息安安全全网网是是资资源源节节约约型型社社会的重要组成部分会的重要组成部分 四、四、太阳给人类提供无尽的能源太阳给人类提供无尽的能源 五五、研研究究新新型型光光伏伏电电池池是是光光电电子子领领域域贯贯穿穿二二十十一一世世纪纪的的研研究热点究热点六、建设创新型国家是同学们的历史使命六、建设创新型国家是同学们的历史使命一、一、二十一世纪是能源危机和绿色能源革命的世纪二十一世纪是能源危机和绿色能源革命的世纪n在在20世纪人类社会的科学技术得到了飞速的发展，世纪人类社会的科学技术得到了飞速的发展，从从“爱因斯坦的相对论爱因斯坦的相对论”到到“宇宙飞船和空间站宇宙飞船和空间站的建立的建立”，从微电子技术的发明到每秒运行几十，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蜀道之难难于上青天”，到现代的，到现代的“北京到成北京到成都，可以一天往返都，可以一天往返”，实际上这种现代文明是建，实际上这种现代文明是建筑在能源消耗提高的基础上。筑在能源消耗提高的基础上。常规能源有尽时常规能源有尽时n世界已探明石油储量只能供应世界已探明石油储量只能供应41年。年。n其中其中67在中东，在中东，79在里海，在里海，27分布在美分布在美国，俄罗斯，非洲，拉美和我国（我国只占国，俄罗斯，非洲，拉美和我国（我国只占3）n常规能源是指石油，天然气和煤炭，这是地球常规能源是指石油，天然气和煤炭，这是地球46亿亿年形成过程中太阳给予地球能源的储存。年形成过程中太阳给予地球能源的储存。常规能源有尽时常规能源有尽时n我国的能源状况我国的能源状况n现已探明，常规能源总量为一万亿吨标准煤，但目现已探明，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前可开采的总能源为1500亿吨标准煤。亿吨标准煤。n2003年我国常规能源消耗为年我国常规能源消耗为16.78亿吨标准煤。亿吨标准煤。n2004年消耗常规能源已达年消耗常规能源已达19.6亿吨标准煤，进口原亿吨标准煤，进口原油油1.6亿吨，成品油亿吨，成品油4000万吨万吨常规能源有尽时常规能源有尽时n我国电力供应以煤电为主，我国电力供应以煤电为主，2002年我国年我国SO2排放排放量高达量高达1927万吨。万吨。n2020年我国年我国 CO2排放量将居世界第一，环境污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，使人类生存受到威将使世界环境产生剧烈变化，使人类生存受到威胁。胁。隐藏的危机隐藏的危机n世界上为石油已经不宣而战。世界上为石油已经不宣而战。n有的国家宣称，为有的国家宣称，为“反恐反恐”须驻兵马六甲海峡，甚至须驻兵马六甲海峡，甚至日本也宣称要派舰队到马六甲海峡保护日本的侨民。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围绕里海的石油，许多国家发生了所谓的“颜色革命颜色革命”n我国进口石油我国进口石油90通过海上运输，通过海上运输，80须经过马六甲须经过马六甲海峡，形势十分严峻。海峡，形势十分严峻。n2020年前，我国将新建年前，我国将新建27个百万级核电站，但只能个百万级核电站，但只能节省节省1.2亿吨标准煤。亿吨标准煤。n我国天然铀短缺，进口铀的困难要更大一些。我国天然铀短缺，进口铀的困难要更大一些。二、二、中央提出中央提出“建成资源节约型的社会，建成资源节约型的社会，把我国建成创新型国家把我国建成创新型国家”n 解决能源危机，出路何在？解决能源危机，出路何在？一是进行节约一是进行节约 二是进行绿色能源革命二是进行绿色能源革命 为此，中央提出了为此，中央提出了“建设资源节约型社会建设资源节约型社会”的方针政策。在的方针政策。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，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。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是资源节约型社会的重要组成部分n实现了从电通信到光通信的跨越发展，实现了从电通信到光通信的跨越发展，n电通信电通信 传输媒质为同轴电缆，每管同轴耗铜量传输媒质为同轴电缆，每管同轴耗铜量100 200Kg/Km 光通信光通信 传输媒质为光纤，每根光纤的重量传输媒质为光纤，每根光纤的重量27g/Km，售价售价100元元/Km，传输话路为数百万话路数千万话路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。高速公路没有立交桥一样，很难发挥光传输的巨大优势。n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，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、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。被迅速解密。三、建设以光纤通信为基础的信息安全网三、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是资源节约型社会的重要组成部分n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。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基于分布式波分复用、光纤空间交换的光路交换网网”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攻入到“基于分布式波分复用、光纤空间交换的光路交换网基于分布式波分复用、光纤空间交换的光路交换网”中，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从根本上改变人们生活方式、工作方式和学习方式”的理想。的理想。三、建设以光纤通信为基础的信息安全网三、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是资源节约型社会的重要组成部分n20052005年年统统计计我我国国有有汽汽车车30003000万万辆辆，耗耗油油量量约约占占全全国国耗耗油油量量的的3333，人人们们预预计计若若干干年年后后我我国国的的汽汽车车拥拥用用量量将将达达一一亿亿辆辆以以上上，耗耗油油量量占占全全国国耗耗油油量量的的6060。而而且且城城市市交交通通严严重重堵堵塞塞，道道路路与与车车辆辆的的矛矛盾盾永永远远得得不不到到解解决决，环环境境污污染染严严重重，有有关关资资料料报报道道，在在卫卫星星上上观观察察到北京市的汽车尾气污染居世界首位。到北京市的汽车尾气污染居世界首位。n以以光光纤纤通通信信为为基基础础的的信信息息安安全全网网创创造造了了人人们们可可以以在在家家庭庭办办公公的的条条件件，不不必必每每天天按按时时乘乘车车上上班班，城城市市交交通通的的堵堵塞塞问问题题可可以以得得到到根根本本性的改善，环境得到保护，能源消耗可以得到极大的节约。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是资源节约型社会的重要组成部分n现现在在我我经经常常乘乘飞飞机机到到外外地地开开会会，头头天天下下午午汽汽车车送送我我到到机机场场，乘乘飞飞机机到到达达开开会会地地点点，对对方方来来车车接接至至会会议议宾宾馆馆，第第二二天天上上午午做做报报告告或或发发言言，下下午午用用车车送送我我到到机机场场，晚晚上上乘乘机机回回到到北北京京，再再用用车车送送我我回回家家。这这不不仅仅时时间间利利用用率率很很低低，而而且且要要消消耗耗多多少少的的能能源源啊啊!有有了了以以光光纤纤通通信信为为基基础础的的信信息息安安全全网网，就就可可以以实实现现多多端端会会议议电电视视，在在多多端端电电视视会会议议上上进进行行学学术术讨讨论论或或报报告告，这这不不仅仅可可以以提提高高工工作作效效率率，而而且且可可以以节节约约大大量量的的能能源源。通通过过以以光光纤纤通通信信为为基基础础的的信信息息安安全全网网，可可以以在在远远程程教教学学中中实实现现学学生生提提问问，师师生生共共同同讨讨论论的的新新局局面面。这这对对提提高高农农村村的的教教学质量和提高农民的素质将起到极其巨大的作用。学质量和提高农民的素质将起到极其巨大的作用。n由由此此可可见见，以以光光纤纤通通信信为为基基础础的的信信息息安安全全网网将将为为资资源源节节约约型型社社会会做做出出极极其其巨巨大的贡献。大的贡献。三、建设以光纤通信为基础的信息安全网三、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是资源节约型社会的重要组成部分四、四、太阳给人类提供无尽的能源太阳给人类提供无尽的能源n地地球球所所接接收收的的太太阳阳能能功功率率平平均均每每平平方方米米为为1353千千瓦瓦，这这就就是是所所谓谓的的太太阳阳常常数数。太太阳阳每每秒秒照照射射到到地地球球上上的的能能量量约约为为500亿亿吨吨煤煤，比比目目前前全全人人类类的的能能耗耗量量大大3.5万万倍倍。太太阳阳内内部部的的核核聚聚变变可可以以维维持持几几百百亿亿年年，相相对对应应人人类类的的有有限限生生存存时时间间而而言言，太太阳阳能能可可以以说说是是取取之之不不尽尽，用之不竭。用之不竭。n太太阳阳辐辐射射在在地地球球上上的的能能量量71照照在在海海洋洋上上，所所蒸蒸发发的的水水落落在在陆陆地地上上形形成成河河流流、湖湖泊泊为为人人类类提提供供生生存存用用水水和和带带来来所所谓谓的的水水利利发发电电。由由于于太太阳阳照照射射产产生生各各地地区区的的温温差差，从从而而产产生生了了风风，甚甚至至是是飓飓风风。它可给人类造成灾害，人们也可利用风能发电。它可给人类造成灾害，人们也可利用风能发电。n太太阳阳照照在在我我们们祖祖国国的的陆陆地地上上全全年年的的辐辐射射能能相相当当于于24000亿亿吨吨标标准准煤煤，为为我我国国煤煤矿矿的的储储存存量量的的2.4倍倍。由由于于我我国国东东部部和和西西部部地地区区地地理理情况不同，其接收太阳能的效率也不同。如下图所示。情况不同，其接收太阳能的效率也不同。如下图所示。四、四、太阳给人类提供无尽的能源太阳给人类提供无尽的能源四、四、太阳给人类提供无尽的能源太阳给人类提供无尽的能源n沙沙漠漠地地区区将将能能集集中中地地提提供供丰丰富富的的太太阳阳能能。我我国国现现有有的的沙沙漠漠约约为为52万万公公里里，沙沙漠漠化化土土地地17.6万万平平方方公公里里，潜潜在在沙沙漠漠化化土土地地15.8万万平平方方公公里里，三三者者共共计计85.4万万平平方方公公里里，其其中中大大部部分分集集中中在在内内蒙蒙古古地地区区和和新新疆地区。疆地区。n如如果果太太阳阳能能化化为为电电能能的的效效率率为为15%，每每平平方方米米的的面面积积将将能能提提供供0.036千千瓦瓦的的电电能能，其其日日平平均均将将能能提提供供约约0.41千千瓦瓦的的电电能能。85万万平平方方公公里里的的沙沙漠漠地地区区将将提提供供20000座座核核电电站站的的电电功功率率。只只要要开开发发利利用用2不不到到的的荒荒漠漠，就就可可以以发发出出相相当当于于2003年年全全年年的的耗耗电电量量。据据预预测测，到到2050年年，可可能能约约需需2500160千千瓦瓦的的电电力力，仅仅由由沙沙漠漠的的12.5的的面面积积，约约为为10万万平平方方公公里里就就能能满满足足所所有有的的电电力力需需求求。内内蒙蒙古古自自治治区区的的面面积积约约110万万平平方方公公里里，其其中中沙沙漠漠和和沙沙漠漠化化面面积积约约为为2030万万平平方方公公里里，所所以以，仅仅内内蒙蒙古古自自治治区区的的沙沙漠漠面面积积就就能能为为中中国国在在2050年年以及今后的发展提供所需要的足够的电力。以及今后的发展提供所需要的足够的电力。n如如何何利利用用太太阳阳的的辐辐射射能能，目目前前比比较较成成熟熟的的就就是是光光伏伏电电池池。一一般般是是采采用用多多晶晶硅硅制制造造的的，它它的的转转换换效效率率也也为为101015%15%，目目前前正正在在努努力力突突破破2020的的关关口口。一一种种在在单单晶晶硅硅片片上上、下下表表面面分分别别沉沉淀淀P P型型和和N N型型非非晶晶硅硅薄薄膜膜制制成成的的HITHIT电电池池效效率率已已达达到到2121；当当今今世世界界上上光光电电转转换换效效率率最最高高的的砷砷化化镓镓多多结结太太阳阳能能电电池池在在聚聚光光265265倍倍的的阳阳光光条条件件下下，光光电电转转换换效效率率已已高高达达3535，并并正正在在向向4040的新高峰攀登。的新高峰攀登。n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。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、五、研究新型光伏电池是光电子领域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贯穿二十一世纪的研究热点n 问题是造价太贵！问题是造价太贵！我们的责任就是降低造价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六、建设创新型国家是同学们的历史使命n中国人能不能建成创新型国家？中国人能不能建成创新型国家？n历史回答：能历史回答：能n现实回答：能现实回答：能n同学们回答：能同学们回答：能谢谢 谢！谢！