信息材料：编织未来通信网络

　　■编者按

　　五十年前，硅材料的研制成功和硅晶体管的发明，导致了电子信息行业的一次大革命。材料科学在不断地向前发展，随之而来的光通信时代、量子时代带给人们的是更多的“不可思议”。973计划“信息功能材料相关基础问题”项目组首席科学家王占国院士告诉我们：“二十一世纪的信息技术以材料、器件和电路为一体的信息功能材料为基础，融最先进的微电子、光电子和光子技术于一体。事实上，新一代材料形成新一代技术，催生新一代的产业。”

　　轻轻推开房门，一个头发花白，脸庞清瘦的慈祥老人出现在记者眼前。不紧不慢的语速，平易近人的微笑，初次见面记者就被王占国院士的平和所打动。他把一瓶矿泉水塞到记者手中，一下子就拉近了我们的距离。采访在一个很宽松愉快的氛围中开始……

　　记者：有人说，信息功能材料是现代信息技术的物质基础，它能够引领社会的发展，您是否赞同这个观点？

　　王占国：我赞同。21世纪的信息技术以材料、器件和电路为一体的信息功能材料为基础，融最先进的微电子、光电子和光子技术于一体。事实上，新一代材料形成新一代技术，催生新一代的产业。

　　记者：这个结论是不是已经被近几十年的历史发展所证明？

　　王占国：是的。上世纪50年代，硅材料的研制成功和硅晶体管的发明，导致了电子信息行业的一次大革命。今天的计算机、数码相机、录音机、手机等都是在此基础上诞生的。没有硅材料和硅晶体管的发明，就不会有今天的微电子时代。

　　大家都知道光通信效率要比传统的电通信高很多倍。上世纪70年代，砷化镓半导体材料研制成功，使研制半导体激光器成为可能，而激光器是实现光通信的关键器件。同时，科学家又研制出光纤，这两项技术发明引领了光通信时代的到来。

　　现在，我们对超晶格、量子阱这一词可能都不太陌生，它是现代移动通信的基础。晶体材料，如硅、砷化镓等，原子之间的间距比较近，而在超晶格中，原子之间的距离远远超过正常晶体中原子间的距离。但超晶格材料在自然界中是不存在的，只能靠人工制造。超晶格理论的提出以及相关材料的研制成功，使现代的信息技术和航空、航天技术等得到突飞猛进的发展。

　　记者：我们现在都在谈纳米材料、纳米技术，并且它在生产和生活中已经得到初步的应用，那纳米技术或者说纳米材料在未来信息技术发展中又将扮演一个什么样的角色？

　　王占国：基于纳米科学与技术的纳米电子学和纳米光电子学的发展和应用将会使人类进入量子时代。

　　我们知道，微电子学的发展是依赖于波尔兹曼方程和统计力学，属牛顿力学范畴，纳电子学则依赖于量子器件，波函数工程，属量子力学范畴。纳米科学与技术的发展将使人们进入一个“变幻莫测的”量子世界。可以预料，将来的量子信息处理速度要远远超过今天的信息处理速度。

　　量子技术用于通信还有一个很大的好处，这就是保密性非常好，信息在中途传播过程中，只要有人窃取或偷听，就可以立刻被发现。

光电技术在通信中起重要作用，同时也面临瓶颈。

　　记者：目前，现代通信所面临的瓶颈问题是什么？我国通信以及信息处理领域还存在哪些问题？

　　王占国：当前，光电信息网络和信息处理在通信中起着重要的作用，但其发展面临着瓶颈问题，如光电信号间转换能力的滞后和电子线路速度的限制。加速发展光电信息功能材料，可以说是本世纪初世界范围内面临的最重大的科学问题之一。

　　我国光纤通信和移动通信发展十分迅速，市场规模约占全球10%%—15%%，需求极为巨大。然而，目前我国光纤通信、移动通信，甚至国防建设所需的关键器件和电路的芯片(材料)，几乎都依靠进口，严重制约了信息产业的自主发展，威胁着国家安全。

　　为此，自主、创新、高速地发展我国的信息功能材料，满足我国信息技术产业高速发展和国防建设对信息功能材料的迫切需求，是摆在我们面前亟须解决的重大科学问题，也正是973项目“信息功能材料相关基础问题”在着手研究的中心课题。

项目组如何攻关？

　　记者：5年来，项目组具体的研究思路是什么？

　　王占国：我们的总体研究思路是：根据“有限目标、重点突出”的原则，以新一代信息技术和国防建设的需求为背景，研制出新一代通信网络、高速信息处理和国防建设急需的信息功能材料，从根本上提高我国材料学科的整体水平与创新能力，彻底解决关键器件和电路芯片(材料)的国产化问题。

　　记者：就像您前面所说的，光电信息网络在国民生产中很重要，但还有很多瓶颈问题没有解决，我们项目在这一领域是怎么进行攻关的？

　　王占国：在光通信上，我们专门设置了两个课题对其进行研究，已经取得很多重要成果。 　　光纤通信速率理论上可以达到1000Gb/s以上，而目前我国光通信主干道的传播速率是2.5Gb/s。我们项目组经过几年攻关，已经成功地研制出满足10Gb/s需求的光通信光发射模块和探测器，这意味着在不增加光纤数量的情况下光纤传输效率提高了4倍。这项成果已具备了向产业转化的能力。

　　另外，现在的光纤通信一般传100公里之后，就需要把光信号转换为电信号进行放大，然后再转换为光信号进行传输，这不仅大大地降低了光纤的传输效率，转换成本也比较高。如果采用我们研制的半导体光放大器和大功率量子点激光泵源，结合掺铒光钎，在光电转换的地方用泵浦激光器通过掺铒光钎对光信号进行直接放大，从而省去了光电、电光的转换，这将有助于光通信网络信息处理瓶颈的解决。

　　记者：我们了解到，我们这个项目在具有前瞻性的重大科研问题上也做了不少工作？

　　王占国：除了致力解决当前信息领域的瓶颈问题之外，我们项目还有一个重大的特色，就是具有前瞻性。正如我刚才说的，新兴材料是信息社会的物质基础和先导。早在7年前，我们这个项目就把氮化镓、氧化锌等第三代半导体材料作为本项目的主要内容之一开展了研究。所谓第三代半导体材料就是宽禁带半导体材料，它的发光波长短（紫外），具有耐高温、抗辐照等特点，可广泛地应用在军事、空间技术和高密度存储等方面；在生活上可以用于照明、大屏幕显示等。另外，本项目首先开展的太拉赫兹物理和器件研究，已成为目前国内外研究的热点之一。

　　记者：发光的波长进入紫外区有什么好处，能举例介绍么？

　　王占国：最常见的例子就是在军事上的应用，我们以前的大多数常用的半导体材料只对白光和红外光灵敏，不能探测紫外光。而氮化镓的好处是，它对白光是透明的，仅对紫外光灵敏，称之为太阳盲光探测器。在战场上，一些军用飞机经常从太阳光方向进行攻击，以前对白光灵敏的探测器对着太阳光无法探测，而用氮化镓制作的探测器可以很容易的探测到来犯战机。

　　另外，紫外线还有很多用途，如人体血管壁上有很多沉淀物，紫外线可以把它“融化”等等。

　　记者：经过5年的艰辛探索，我国材料科学研究水平和创新能力是不是有了很大的提高，并在国际上占有一席之地？

　　王占国：5年来，我们从21世纪初我国信息技术发展和国家安全对信息功能材料的需求出发，选择具有自己特色和良好基础以及可能触发新的技术革命的微结构材料体系为突破点，发展了有自主知识产权的按信息功能要求设计电子行态、裁剪和构造其材料结构的理论方法及其制备技术，显着地提高我国半导体材料科学研究的整体水平和创新能力,并在国际该领域多个方面占有了一席之地；我们在突破信息网络和高速信息处理瓶颈，为解决光纤通信、移动通信和高速信息处理所需的关键器件和电路芯片（材料）的国产化问题，摆脱依赖进口的被动局面,加速我国信息高技术产业发展和国防建设等方面做出了自己的贡献。