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漫谈光电信息技术和激光--周炳琨院士访谈录

 [流金作者:佚名  流金来源:网络转摘  添加时间:2007-11-13 20:01:43  阅读:7295次][字体: ]
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郭桐兴:各位观众,大家好!欢迎大家来到院士访谈栏目,我是郭桐兴。今天我们非常荣幸地请到了中国科学院院士,第三世界科学院院士,中国光学学会理事长,教育部科技委副主任,我国著名的激光与光电子技术科学家周炳琨院士。周炳琨院士曾任国家863计划光电子器件与集成技术专家组组长,中国科学院半导体研究所副所长,国家光电子工业中心主任,国家自然科学基金委员会副主任,美国光学学会国际委员会委员等。周老师您好,欢迎您。
 
周炳琨:谢谢,很高兴能够在腾讯网做客,来到院士访谈栏目和大家见面。
 
郭桐兴:谢谢。今天我们想请周老师针对光电信息技术和激光这样一个话题,谈一下周老师的一些观点和看法。首先想请您介绍一下什么是光电子信息技术?
 
周炳琨:好的。光电子信息技术主要就是利用光和电子的结合,来为我们今天的信息技术服务,这就叫做光电子信息技术。
 
郭桐兴:光和电的结合,优点有哪些呢?
 
周炳琨:有很多优点,其中最重要的优点,就是光的频率很高,比我们一般的无线电、微波高好几个数量级,因此它的带宽也可以宽好几个数量级。用光来通信,它的带宽就特别宽,这就为我们今天网络世界提供了一个主要的保障。另外,我们利用激光,它是一个平行的光,可以聚焦得很细很细。过去信息技术里面有唱片,用一根钢针在唱片上滑动读出信号,现在我们可以用激光聚焦成比针头还细得多的这样一个光的针,直径只有大约一个微米,利用光针记录或读出信号,这就是我们今天的光盘信息存储技术,这些都是信息技术当中重要的组成部分。所以说,光电结合正像我们光学老前辈王大行院士说的:光电结合如虎添翼,这个“虎”是电子技术,现在再加上光子技术,就是光电结合,造就了我们今天的信息社会的基础之一。
 
郭桐兴:信息光电子技术主要包括哪些内容呢?
 
周炳琨:最重要的就是光通信、光存储(光盘)、光的显示、光传感等等,这些都是很重要的领域。尤其是光通信技术,也就是光纤通信,可以说是奠定了我们今天网络时代的基础之一。大家知道计算机发明是1946年,距今60多年了。互联网概念提出来的时候,是60年代末,为什么一直到90年代中才迅速发展,逐渐普及到,大家都用了,成为全世界的互联网。而且又经过了最近十年来的发展,到了今天人人用互联网这个地步。这里面重要的就是有了光纤通信技术。我们所说的网络,就是计算机加通信。过去计算机发展很快,但通信带宽不够。有了光通信,带宽才能成量级地增加。
 
郭桐兴:你能举个例子,说明一下吗?
 
周炳琨:我举一个例子,过去我们的通信手段,主要是用微波的同轴电缆来传输信息,一条微波同轴电缆只能传一千多路电话。我们现在是以一路电话占的带宽为单位,就传一千多路电话。而我们今天发展起来的网络,是用光纤通信,就是在干线里面铺上包含许多(例如20根)光纤的光缆,普通的一条光缆就可以传240万路电话,就是说比过去提高了几个量级了。
所以说没有光通信,互联网不可能发展到今天,也不可能大家都在网上,也就不可能有我们今天的这个环境,比如我们今天可以在网络上跟广大网友们见面,这都是不可能的。我们现在说的每句话和录像,也就是多媒体数据都是通过光纤走,如果光纤带宽不够谈何互联网。我可以给大家举一下我们光纤通信现在所达到的规模。2003年完成过一个全世界的光纤通信网,全长32万公里,经过了175个国家,从美国的西海岸出来,一直回到东海岸,把世界都连起来。现在的互联网也形成了新的“丝绸之路”,就是通过中国的新疆,到俄罗斯一直到欧洲,这就是新的“丝绸之路”,或者说是“虚拟丝绸之路”。
 
还有一个消息,去年台湾海峡地震,光纤断了一个多月,影响了网络、影响了交流,影响了经济。现在正在建第二条中美光纤光缆,在明年奥运会之前开通,一共是一万八千公里,但容量可以同时传送6200万路电话,就是说美国有6200万人和中国6200万人,每人都可以有一部直通电话一样,同时通话。这又比我刚才说的240万路电话带宽高了25倍,这才几年的工夫,就达到6200万路,这个带宽作为我们互联网的保障,起的作用很大,要不然不可能有我们今天这样一个互联网环境。
 
另外一个就是光盘(光存储),就是利用光针代替原来唱盘的钢针,大家知道光盘已经发展到了蓝光光盘,一张光盘的容量是25 G,现在DVD是4.7G,现在一张蓝光光盘是25个G。而且这个光盘最重要,最吸引人的地方,就是它能够非常便宜的大量复制,这样就成为了一个信息传播、信息普及的主要工具,这个是别的代替不了的。大家知道我们现在做一张光盘,做一个DVD光盘,实际上是在机器上用模子压出来的,一两秒钟压一张。
 
郭桐兴:成本很低,生产速度跟快。
 
周炳琨:成本几毛钱,所以才可能几十万张、几百万张的发行,这个是别的东西代替不了。虽然现在的磁盘、电子存储U盘发展得挺快,但第一它的价钱目前还太贵,比如歌手可以出一张光盘唱片,大家都买得,要是用U盘,那买不起,几十块钱成本太高;另外复制太麻烦,至少要一两分钟一个U盘才能出来,而光盘快得很。
 
郭桐兴:等于一秒钟或者不到一秒钟的速度,就成功了。
 
周炳琨:对,从技术来说,确实是一个革命性的东西。当然,它的负面影响就使得过去那些盗版猖獗,随着我们国家大力的教育、惩处,我相信这个问题现在已经好得多了。
 
郭桐兴:随着法制的健全。
 
周炳琨:就自觉地减少了。
 
郭桐兴:总的来说给人们的生活质量提高了很多。
 
周炳琨:对。还有一个值得提出来的,就是显示,这也是我们光电信息领域里面市场最大的一个,家庭要电视,计算机要屏幕,手机要屏幕,这个显示比光纤通信、光盘市场都要大,这是非常有前途的,被看好的光电信息技术。现在主要是液晶、等离子体等等,下一代是什么?我想给大家介绍两个,一个是有机发光管(OLED)。就是利用有机材料做的发光管,用它作为显示屏的像素,由于是主动发光,所以和液晶就不太一样,液晶显示屏在大太阳的时候就不行了。现在已经有了用有机LED(有机发光管)做的数码相机屏幕,在大太阳天也能看得清楚,这就好很多。另外正在发展一种有机薄膜的发光,这种薄膜加上电可以发光。将来用它做成显示屏的一个一个的像素。这种显示屏的主要优点是可以弯曲,是柔软的,因为是薄膜。现在已经有可以卷起来的显示器,大家可以畅想将来我们计算机不是现在这个样子了,而是像一幅画轴一样,CPU这些都在轴里面了,外面的显示器是一个薄膜的,卷起来就完了,你要用的时候拉开就可以了。
 
郭桐兴:给我们描述了一个非常美好的未来。
 
周炳琨:这些都是光电技术将来可能给我们带来的许许多多的想象不到的东西。
 
郭桐兴:可见光电技术未来得发展前景日新月异。
 
周炳琨:是的。
 
郭桐兴:请您给我们介绍一下什么是激光,以及激光的发展历史。
 
周炳琨:我刚才说的光纤通信就用激光,光盘也要用激光,显示也要用发光管。激光的发明就更早了,是1960年美国人发明的。激光发明的历史,就是一个一个的创新历史,我在学校给同学讲课,就把激光发明的历史作为一种创新案例。激光的发明历史可以一直追溯到1900年,一百年的光电技术创新历史。1900年普朗克(Max Planck)提出了辐射能量量子概念,还有爱因斯坦的功劳,他提出了来受激辐射概念,一直到今天,有各种各样的创造发明,我今天没有时间仔细讲这个,这里面有非常多的创新。从提出新的概念,一直到创造发明各种各样的激光应用,由于激光的发明和应用,一共有13个人获得诺贝尔奖,这在其他领域当中是不多见的。
 
1960年发明了激光。这个激光和我们一般的光有什么差别呢?最主要的差别,一个就是它的方向性,一发出来方向性特别好;第二,发出来的功率可以非常大。当然还有其他的特性,比如说光谱单色性,干涉性等等,这些都是学术上的名词了,都有用。
 
激光发明以后导致了两大类应用,一个是信息应用,一个是能量应用。所谓信息应用,我们把光或者是光子作为信息的一个载体,大家知道电子就是信息的载体,我们说话、电视都通过电子来做信息处理和传输的。过去就是用电子作为信息载体,但是也可以用激光或者是光子作为信息载体,这就是光电通信,光盘等等,这就叫做激光的信息应用,它就导致了信息光电子技术。第二个是能量应用。每一个光子都是有能量的,也就是说激光是有功率的。激光的功率差别很大,用在光纤通信和光盘里面的半导体激光器,它的功率只有毫瓦量级。但是用在别的上面,比如工业加工和其它能量应用的激光,它的连续功率是千瓦量级,脉冲功率甚至可以到十的十五次方瓦。这种激光一发射出来,可以把空气都击穿了,空气都电离了。千瓦大功率激光是用来加工的,这个激光功率很大,我们需要很小心,拿一块耐火砖放在激光前面,都会烧穿过去。从一两公里以外发射一束大功率激光,能够把厘米厚的钢板打穿,这就是能量激光。这种激光能量就有很多应用。
 
郭桐兴:还可以用在哪些领域呢?
 
周炳琨:有很多,很重要的应用。我挑主要的来说,因为应用领域很多。一个就是利用激光做加工、制造,我们叫激光制造。像汽车车身的焊接、飞机的焊接等等很多地方都用激光,它的焊缝特别好。切割也可以,还有打孔、打标,比如各种机器或零件上面打的标号就是用激光打。还有一个笑话,甚至阳澄湖的螃蟹,在壳上用激光打标号,免得人家假冒。所以一般的加工上面用激光已经很普遍了。
 
更尖端的,就是将来的微型医疗器械和传感器的微型零件,我们都可以用激光来加工。
 
郭桐兴:微米大小什么概念?
 
周炳琨:十的负六次方米。我们的头发直径大约百个微米量级,就是说比头直径发还要小。
 
郭桐兴:肉眼很难看到。
 
周炳琨:对,这样小零件可以做成,例如马达的叶片。
 
郭桐兴:这样的马达用在什么地方呢?
 
周炳琨:设想将来可以用在医疗中,做血管的“清道夫”,把血管上面积累的血栓等等都去掉。
 
郭桐兴:通过人体的血管,让它进入血管里面。
 
周炳琨:对,可以这样设想,马达在里面转,然后把血栓等抽出来,这对人类健康非常有用。还有就是传感器,现在的传感器越做越小,我还要补充一句,将来的网络终端,人们预计传感器终端的数量会远远超过我们现在的计算机终端,到处都是传感器。当然最简单的传感器就是摄象头了,摄象头连上网就是传感器终端了,将来还有各种各样的网络传感器帮助我们的工作和生活。所以说将来的微型传感器会有非常广泛的应用。据说还有像苍蝇大小的微型传感器,可以在天上飞,你根本都不知道,实际上在监视你。
 
郭桐兴:可以用于军事情报。
 
周炳琨:对,这些都需要微纳加工技术,激光微纳加工,就是微米的大小,纳米的精度。第二个和人们生活有很大联系的,就是激光医疗,激光可以做手术刀。激光可以聚焦得很细,如果做手术,可以用它来切。
 
郭桐兴:比如切开皮肤,是不是有可能伤及到肌肉或者是其他部位?
 
周炳琨:这个就需要看外科医生的了,他们有经验,可以掌控。本来用刀子来切,可能会有细菌什么的,现在用激光切。我也看过用激光切的,会有烟冒出来,就马上抽走,但也有好处,就是自动缝合了。大家知道,激光还可以治疗近视眼,焊接视网膜脱落,这是眼科方面。在牙科方面,可以用激光代替牙钻。
 
郭桐兴:可以减少人的痛苦。
 
周炳琨:对,当然还有很多。所以激光医疗应该说是非常有前途的。另外现在还有一个新出现的,对我们节省能源有用的,就叫做固态照明。
 
郭桐兴:怎么理解呢?
 
周炳琨:我们现在用的白炽灯泡和日光灯都是真空的,是玻璃泡。现在发明了一种半导体做的发光二极管,就是平常在街上看到的大屏幕显示,里面都是一个一个的半导体发光二极管。
 
郭桐兴:发光的屏是二极管组成的。
 
周炳琨:每一个像素是红的、绿的、蓝的三个发光二极管在那儿,经过计算机控制,就成了彩色图象。发光二极管的英文名字缩写叫做LED。这个发光二极管的发光效率特别高,可以比我们的灯泡、荧光灯的发光效率高很多。现在人们就在用半导体发光二极管做成白光的,和我们照明一样的光,就用它来照明。由于它是固体的,所以叫做固态照明。
 
郭桐兴:用不着从电厂输电线过来。
 
周炳琨:不是,也需要电,但省电。这个叫做固态照明,我们国家也在大力地抓这个。现在世界照明用的量,占我们整个用电量的很大一部分,大概是12%。我听有的人讲,如果我们全国的白炽灯将来都能够用发光二极管代替的话,省下来的能源就不得了,据说能省下一个三峡电站,节能很重要。当然现在主要是降低固态照明的价格。
 
郭桐兴:现在成本是不是比较高。
 
周炳琨:成本还是高。
 
郭桐兴:还没有完全达到普及的水准。
 
周炳琨:还需要发展一段时间。但我认为这个会很快地达到。现在的大屏幕显示都用上了,还有一些景观的显示也用上了。包括手电筒,任何商店里面可以买到发光二极管的手电筒,特别省电,我有一个,一节电池用了很久也没有用完,这些都是节能的设备。能量应用还包括很多军事上面的应用,利用它的能量作为武器、控制等等。
 
郭桐兴:航天技术、卫星、火箭等等。
 
周炳琨:对。在越南战争的时候,美军曾经实验过致盲枪,打一束激光,对着你的眼睛打,你的眼睛在短时间,一两天看不见了,也就是丧失战斗力了。当然激光武器的真正目的,我看国外的一些报道,都是为了打导弹,把你的传感器烧坏,你也就完了。就像这个摄像机,不用把你的摄像机烧了,就用激光把后面的CCD烧了也就完了。所以这方面的能量应用还有很多很多。
 
郭桐兴:我们在以前的报道里面也看到过,有一些激光武器、激光枪,装备了美国的部队,而且杀伤力相对可观。
 
周炳琨:这些都在探索之中。
 
郭桐兴:《2006—2020年国家中长期科学技术发展规划纲要》里面,就把咱们的激光技术列入了八大前沿技术之一。可见激光技术对未来的科技发展是一个相当重要的项目。
 
周炳琨:对,因为会影响到我们国家的经济建设、国防建设、对我们国家竞争力的影响、提升也很大。
 
郭桐兴:也标志着一个国家的科学技术水平。
 
周炳琨:是的。
 
郭桐兴:下面请您给我们介绍一下光电信息技术与激光技术的现状,目前世界以及咱们中国大概是一个什么样的情况?
 
周炳琨:我刚才已经谈到了一些。从信息技术来说,最明显的标志,就是光纤通信已经为我们网络世界的未来发展铺平了道路。大家都知道带宽这个问题,现在干线上的光纤通信带宽足够用,就是说我们已经修好了非常宽的一个高速公路,问题是现在上面跑的汽车还不够,以后你再增加多少汽车,也就是说带宽,光纤通信都没有问题。
 
郭桐兴:现有的硬件部分。
 
周炳琨:刚才我说的中美第二条光缆通信,可以同时传送6200万路电话,你再多铺几条都没有什么问题。所以这方面的水平,应该说国外达到什么水平,我们国内也是什么水平。
 
郭桐兴:基本上跟国际先进国家是同步的。
 
周炳琨:对,光存储技术是两个方向,一个是光盘,蓝光的一张光盘25G。目前还在发展一种体全息光存储技术。可以把我们需要记录的信息变成一块材料里面的折射率的改变,能够把信息的强度和相位都记录下来,记到一个物质的折射率变化里面,这叫做体全息记录。当年美国有一个关于纳米技术的预测报告说,用一小块方糖大小的材料,可以把美国国会图书馆的所有的资料都存在里面,现在应该说可以做到。当然在可以长期存储的材料方面还有一些问题需要解决。
 
郭桐兴:主要是材料,比如光盘存储的时间。
 
周炳琨:光盘没有问题了。
 
郭桐兴:我们现在有的光盘可以存储多少年?
 
周炳琨:十年、二十年没有问题,需要看质量。我们自己写的这种,上面有一些材料,可能寿命低一点。模压的那种,保存应该是无限期的,等于是压出来的,那个是机械的东西没有保存寿命问题。光盘现在是发展到了这个地步,但是现在光盘和磁盘、U盘在进行着很大的竞争,因为磁盘发展的也非常快了。我刚才说光盘便宜,磁盘也很便宜了。DVD,4.7个G,比如成本一块钱,卖出来几块钱,现在磁盘一个G也就是几块钱。还有电子存储,就是U盘,也是整天降价。所以说我的观点是,发展任何一项技术,你要发展不可替代的,就站住脚了。我们发展一项技术,都要仔细地分析这个问题,比如光纤通信和光盘对比,现在光纤通信就没有什么能够代替它。现在大家都在提出下一代网络怎么发展,包括体系结构等等,但没有人说不用光纤通信技术,改变不了。但是光存储、光盘就很难说。
 
郭桐兴:将来可能有替代品。
 
周炳琨:现在发展速度很快,我已经见到了,歌手发唱片的时候,不用光盘,发U盘。
 
郭桐兴:现在有这样的了?
 
周炳琨:有了,在国外的商店里面有卖U盘的。
 
郭桐兴:携带起来方便一些。
 
周炳琨:对。所以说我们发展技术就是要不断地注意这种东西。现在的发展大致就是这些。我刚才说的显示,包括有机二极管显示屏刚刚用在数码相机上,离发展到电视上面还有一个过程。能够弯曲的显示屏还是一个想象。
 
郭桐兴:可能有一天就会研制成功了。
 
周炳琨:对,人类想象的东西,哪怕是非常古老的大家所想象的东西,好像都实现了。过去说的顺风耳、千里眼都实现了。
 
郭桐兴:包括上天。
 
周炳琨:对,都实现了。人类只要有充分的想象力,经过努力,事情总能够实现。现在能量激光应用方面,我觉得最重要的,将来对人们生活最有直接影响的、影响最大的还是医疗方面。如果在医疗方面,激光对于生物医疗科学的应用能够继续成熟、普及的话,将对人们的生活起到很大的作用。信息固然重要,但随着人们生活水平的提高,随着科技越来越以人为本,那就需要关心人的生活质量、健康。从这个意义来说,激光生物医疗技术的重要性,包括未来得重要性不亚于信息。信息方面,激光已经为信息技术铺下了一个坚实的基础,但在人类的健康、生物医疗方面,未来还有很多路需要走。在微纳加工方面,我们希望能够做到非常小的传感器,或者深入到人体内部的,我们希望把这个东西发展起来,为人类的健康服务。可以和微电子结合起来发展一类传感器,结合无处不在的网络,在每个人身上都是一个网络终端,那个时候就要用无线网络。比如一个人在野外散步、爬山,耳朵里面听着音乐,身上带着传感器。他的一切行动都和网络连在一起,医生随时随地知道他的身体状况,包括心跳、脉搏、血压等等,重要的一些身体指征都知道。在这个当中我们的光电技术会起到一定的作用。
 
郭桐兴:还有一些报道,将来不光人在什么地方都可以遥控或者是操控,跟你相关的一些电器。
 
周炳琨:对。
 
郭桐兴:比如家里的冰箱、微波炉。
 
周炳琨:我刚才说,网络的干线通信已经没问题了,现在的一个挑战或者是还没有决策好的东西,就是宽带如何进入家庭。现在光纤进入大楼已经没有问题了,但进到每家每户现在还是电线,电线的上网速率还是受限制,如果每家每户的上网速率真正到一百兆宽带,电线是不行的。现在是两种方案,一种是光纤直接到户,就像电视的插孔一样,我们将来有光纤插孔,一插上就可以了。
 
郭桐兴:就像是你进入了一个高速公路?
 
周炳琨:对,插上以后,就可以把你的电视、计算机等等都和网络连接起来,这就是光纤到户。各个国家都在试点,日本、韩国试点得最厉害,他们认为这个有前途,中国也正在试点,北京的一些小区也有。
 
郭桐兴:光纤到户大概还需要多长时间?
 
周炳琨:光纤到户主要不是技术问题,主要是经济问题。就是说到一个户要多少钱。
 
    郭桐兴:就是说费用,是不是所有的用户能够承受得住?
 
周炳琨:对,您刚才问我什么时候能够实现,这就需要看成本了,如果成本逐渐降低,人们的购买力逐渐提高,同时网络上的内容更为丰富,这就是我们腾讯网及其同行业的任务了。现在是高速公路很宽,上面跑的东西还不够多。
 
郭桐兴:“车”不多,硬件部分没问题了,软件部分还有待于丰富和提高。
 
周炳琨:对,远程医疗、远程教育(这方面现在已经做得不错了),在家里面就可以跟医院连起来。老百姓还是需要看网络能够提供什么东西,如果就是提供文字,音乐,电视,我看自己的广播电视也可以了。或者仅仅是提供文字新闻,我们现在的网络线也就可以了。如果可以提供一些医疗、教育的服务,比如小孩上的课和大学的课堂都连起来了,可能在家里面上的课就像在清华、北大上的一样,在家里面看病就像去到协和医院一样。如果能够提供这样的资源服务,你再贵一点,他也要。我觉得现在的网络缺乏的不是硬件,而是资源,是我们需要开发更多的服务。光纤到户,我刚才说了价格,实际上应该把服务提到第一位,如果有更多的服务,高一点价格也不是问题。
 
郭桐兴:如果是在偏远的地区,比如从广西、云南到北京来,来的路费成本也是很高的,而可以利用网络信息技术进行直接沟通,这是好事。从这个意义来讲也降低了成本。
 
周炳琨:是的。
 
郭桐兴:所以这个发展前景是很好的。
 
周炳琨:固态照明也在发展,我们国家建了很多厂,逐渐地就会上来了。
 
郭桐兴:这个潜力也很大,包括节约能源,按照您描述的前景来说,潜力是非常大的。
 
周炳琨:对。这个领域的发展,也是大家的焦点问题。过去激光是为信息服务,现在还需要为节约能源、保护环境服务。提起能源,有一个很长远的目标,可能要三五十年以后才能够见分晓的,就是所谓激光的核聚变。
 
郭桐兴:给我们解释一下核聚变。
 
周炳琨:核聚变就是氢弹,如果不控制它,它就成为武器了。如果能够控制它,让它一点一点发出能量,那就是能源了。激光可以为未来受控制的氢弹或者是人造太阳服务,因为太阳就是核聚变不断地发能量,我们现在用的这些能量都是太阳的核聚变。如果将来激光能够实现可控制的核聚变或者是可控制的氢弹,那能源就没问题了,因为氢弹的原料在海水里面含量很大,海水那么多。
 
郭桐兴:取之不尽,用之不竭。
 
周炳琨:对。从激光的信息应用和能量应用来看,我们还面临着许多的挑战,对于我们人类来说就有很多机遇,我们要选准一个方向,进行创新。整个激光的发展和应用历史都充满了创新。
 
郭桐兴:您给我们描述了未来光电信息技术和激光的一个非常美好的明天,我们非常感谢您。
 
周炳琨:谢谢。
 
郭桐兴:各位观众,刚才周老师给我们做了有关光电信息技术和激光这样一个话题的精彩讲话,我们对周老师表示衷心地感谢。
 
周炳琨:谢谢大家。
 
    郭桐兴:同时也感谢大家收看我们院士访谈栏目,我们在下一期院士访谈栏目里再见,谢谢!
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