1、大家好大家好2022-6-22材 料 与 社 会 发 展第十讲第十讲 材料与信息技术材料与信息技术2022-6-23 信息时代信息时代 信息技术信息技术 信息材料信息材料2022-6-24信息时代信息时代农业时代农业时代工业时代工业时代信息时代信息时代 人类社会时代变迁：人类社会时代变迁：劳动，土地密集劳动，土地密集 机器、工厂为主机器、工厂为主 不再以体能和机械能为主，不再以体能和机械能为主，而是以智能为主而是以智能为主2022-6-25是人类的一切生存活动和自然存在所是人类的一切生存活动和自然存在所传达出来的信号和消息。它一般泛指传达出来的信号和消息。它一般泛指我们所说的消息、情报、指令、
2、数据我们所说的消息、情报、指令、数据及信号等周围环境的知识。及信号等周围环境的知识。信息信息、物质（材料）物质（材料）和和能源能源构成世界的三大要素构成世界的三大要素信息信息: : 可传递性和共享性可传递性和共享性 信息必须依附于载体信息必须依附于载体 信息的可处理性信息的可处理性 信息的时效性信息的时效性信息的主要特征信息的主要特征2022-6-26信息时代的特征信息时代的特征信息量大爆炸信息量大爆炸信息传递非常快捷信息传递非常快捷信息处理十分迅速信息处理十分迅速量化标志为量化标志为3T3T光通信速率：光通信速率： 1T bits/s计算机速度：计算机速度： 1T bits/s光盘存储密度：
3、光盘存储密度：1T bits/in2光电子学光电子学光子学光子学2022-6-27 信息成为最为重要的战略资源信息成为最为重要的战略资源 信息产业上升为最重要的产业信息产业上升为最重要的产业 信息网络成为社会的基础设施信息网络成为社会的基础设施伊拉克战争伊拉克战争 非对称性非对称性 微软微软 苹果苹果WTO WTO 全球化全球化 一体化一体化 地球村地球村2022-6-28 1992年，前美国副总统年，前美国副总统阿尔阿尔戈尔戈尔提出美国信息高速公路法案。提出美国信息高速公路法案。 1993年年9月，美国政府宣布实施一项新的高科技计划月，美国政府宣布实施一项新的高科技计划“国家信息国家信息基础
4、设施基础设施”（NII），旨在以因特网为雏形，兴建信息时代的高速），旨在以因特网为雏形，兴建信息时代的高速公路公路“信息高速公路信息高速公路”，使所有的美国人方便地共享海量的信，使所有的美国人方便地共享海量的信息资源。息资源。 信息高速公路实质上是高速信息电子网络：能给用户随时提供大量信息高速公路实质上是高速信息电子网络：能给用户随时提供大量信息，由通信网络、计算机、数据库以及日用电子产品组成的完备信息，由通信网络、计算机、数据库以及日用电子产品组成的完备网络体系。开发和实施信息高速公路计划，不仅促进信息科学技术网络体系。开发和实施信息高速公路计划，不仅促进信息科学技术的发展，而且有助于改变人
5、们的生活、工作和交往方式。的发展，而且有助于改变人们的生活、工作和交往方式。 信息高速公路信息高速公路(Information Highway)2022-6-29信息技术信息技术是指信息的是指信息的获取、处理、传输、获取、处理、传输、存储和显示存储和显示的技术，即人们对信的技术，即人们对信息的获取、处理和应用的能力。息的获取、处理和应用的能力。信息技术信息技术: : 信息技术信息技术 信息获取技术信息获取技术信息处理技术信息处理技术信息传输技术信息传输技术信息存储技术信息存储技术信息显示技术信息显示技术2022-6-210人类史上的五次信息技术革命 语言的使用语言的使用 造纸术和印刷术的应用造
6、纸术和印刷术的应用 文字文字的使用的使用 电报、电话、广播、电视的发明与普及应用电报、电话、广播、电视的发明与普及应用 计算机的普及应用和计算机与现代通信技术的结合计算机的普及应用和计算机与现代通信技术的结合口耳相传口耳相传 便于信息传输和收集便于信息传输和收集易于存储易于存储 克服时间局限克服时间局限存储空间存储空间 传播范围传播范围速度速度 容量容量 时空界限时空界限2022-6-211信息技术的应用 网上学校、现代远程教育网上学校、现代远程教育 信息高速公路、信息高速公路、 “地球村地球村” 自动取款机、可视电话、远程诊疗自动取款机、可视电话、远程诊疗 网上购物、信息检索、电子邮件网上购
7、物、信息检索、电子邮件2022-6-21220世纪以来，信息技术经历：世纪以来，信息技术经历： 电子学和微电子学技术电子学和微电子学技术 信息的载体 电子电子 光电子学技术光电子学技术 信息的载体 电子和光子电子和光子 光子学技术光子学技术 信息的载体 光子光子 2022-6-213信息材料信息材料概述概述能源能源、信息信息和和材料材料是现代文明的三大支柱，是现代文明的三大支柱，而材料又是一切技术发展的物质基础。而材料又是一切技术发展的物质基础。2022-6-214n 存储器材料存储器材料的变迁大致可分为四个阶段：由的变迁大致可分为四个阶段：由19551955年的存年的存储器为水银延迟线储器为
8、水银延迟线19631963年的存储器为具有方形磁滞特年的存储器为具有方形磁滞特性的铁氧体磁心性的铁氧体磁心19701970年涂敷的氧化铁粉（磁盘）年涂敷的氧化铁粉（磁盘）近近1010年光存储技术年光存储技术（可擦写光盘的介质材料有磁光型和相（可擦写光盘的介质材料有磁光型和相变型两类）变型两类）n 光通信系统材料光通信系统材料: : 低损耗光纤（光导纤维：高纯石英低损耗光纤（光导纤维：高纯石英掺杂掺杂P P、GeGe等元素等元素氟化物玻璃光导纤维）、化合物半氟化物玻璃光导纤维）、化合物半导体激光器、大屏幕显示导体激光器、大屏幕显示等相关材料的研制是其发展的等相关材料的研制是其发展的基础和核心。基
9、础和核心。n 电子工业数千亿的全球市场，电子工业数千亿的全球市场，90%90%的市场份额是硬件及的市场份额是硬件及其相关材料。其相关材料。 2022-6-215n 新能源技术：新能源技术：如受控核聚变、太阳能利用、地热发电、如受控核聚变、太阳能利用、地热发电、磁流体发电、氢能贮存等方面的发展，很大程度上取决磁流体发电、氢能贮存等方面的发展，很大程度上取决于新材料研制和开发。于新材料研制和开发。 n 例：太阳能是目前人类受惠最大的自然资源。但太阳能例：太阳能是目前人类受惠最大的自然资源。但太阳能是低值能源，只能达到是低值能源，只能达到1KW/m1KW/m2 2, ,且转换率只且转换率只10-20
10、%10-20%。要提。要提高发电效率高发电效率, ,必须从集热体、半导体材料方向进行突破。必须从集热体、半导体材料方向进行突破。（太阳能电池材料中目前最大量应用的是硅太阳能电池。（太阳能电池材料中目前最大量应用的是硅太阳能电池。单晶硅光电池光电转换效率高，但材料价格较贵。多晶单晶硅光电池光电转换效率高，但材料价格较贵。多晶硅光电池效率只达硅光电池效率只达1313，半导体，半导体GaAsGaAs的转换效率可达的转换效率可达20202828。采用多层复合结构，通过选择性吸收涂层和。采用多层复合结构，通过选择性吸收涂层和光谱转换涂层可进一步提高转换效率。光谱转换涂层可进一步提高转换效率。IBMIBM
11、公司研制的公司研制的多层复合太阳能电池，转换效率高达多层复合太阳能电池，转换效率高达4040）2022-6-216 人们早就知道了人们早就知道了喷气航空发动机喷气航空发动机比螺旋桨航空发动机有比螺旋桨航空发动机有很多优点，但由于没有材料能承受喷射出燃气的高温，很多优点，但由于没有材料能承受喷射出燃气的高温，使这种理想只能是空中楼阁。直到使这种理想只能是空中楼阁。直到1942年制成了年制成了镍基耐镍基耐热合金热合金这种新材料，才使喷气发动机的制造得以实现。这种新材料，才使喷气发动机的制造得以实现。 同样，如果没有同样，如果没有1970年制成的使光强度衰减降低到可以年制成的使光强度衰减降低到可以实
12、用的实用的光导纤维光导纤维，也不会有现代的光通信；，也不会有现代的光通信； 如果不能制成高纯度大直径的如果不能制成高纯度大直径的硅单晶硅单晶，就不会有高度发，就不会有高度发展的集成电路，也不会有今天如此先进的计算机和一切展的集成电路，也不会有今天如此先进的计算机和一切电子设备（如电子设备（如iphone手机）。手机）。2022-6-217生态环境不断恶化生态环境不断恶化资源加速枯竭资源加速枯竭世界人口迅速增长世界人口迅速增长材料是材料是现代文现代文明的重明的重要支柱要支柱科学技术进一步发展科学技术进一步发展人类生活水平进一步提高人类生活水平进一步提高2022-6-218结构材料功能材料利用其力
13、学性质，要求在使用条件下能承受一定的载荷。通过光、电、磁、声、热、湿、气、生物等特性而完成特定功能的材料。材料分类2022-6-219材料的功能性材料的功能性 光学功能材料光学功能材料 电学功能材料电学功能材料 磁学功能材料磁学功能材料 声学功能材料声学功能材料 热学功能材料热学功能材料 生物医学功能材料生物医学功能材料2022-6-220信息材料信息材料指用于信息的指用于信息的获取、存储、处理、传输和显示获取、存储、处理、传输和显示的微电子的微电子材料和光电子材料，是信息技术基础和先导。信息材料材料和光电子材料，是信息技术基础和先导。信息材料领域的每一次创新都会推动信息技术和产业向前发展。领
14、域的每一次创新都会推动信息技术和产业向前发展。信息材料信息材料 信息获取材料信息获取材料信息处理材料信息处理材料信息传输材料信息传输材料信息存储材料信息存储材料信息显示材料信息显示材料2022-6-221信息处理技术及材料信息处理技术及材料信息处理工具信息处理工具古代：中国古代：中国简单的计算工具：简单的计算工具：算筹算筹算盘算盘西方：计算尺是主要的计算工具，西方：计算尺是主要的计算工具，机械式计算机机械式计算机穿孔卡片计算穿孔卡片计算机机继电器计算机继电器计算机1946年电年电子计算机的诞生。子计算机的诞生。2022-6-222信息处理材料主要指用于对电信号或光信号进行信息处理材料主要指用于
15、对电信号或光信号进行检波、倍频、检波、倍频、混频、限幅、开关、放大混频、限幅、开关、放大等信号处理的器件的一类信息材料，等信号处理的器件的一类信息材料，包括微电子信息处理材料和光电子信息处理材料。包括微电子信息处理材料和光电子信息处理材料。微电子信息处理微电子信息处理即对电子电路中的信息电流、电压等信号进即对电子电路中的信息电流、电压等信号进行接收、发射、转换、放大、调制、解调、运算、分析等处行接收、发射、转换、放大、调制、解调、运算、分析等处理，以获取有用的信息。理，以获取有用的信息。光电子信息处理光电子信息处理包括光的发射、传输、调制、转换和探测等，包括光的发射、传输、调制、转换和探测等，
16、而光电子信息处理材料则是基于光信号的发射、传输、调制、而光电子信息处理材料则是基于光信号的发射、传输、调制、转换和探测的一类材料。转换和探测的一类材料。信息处理材料信息处理材料2022-6-223世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机埃 尼 阿 克 （埃 尼 阿 克 （ E N I A C ） 。） 。1946年诞生于美国的宾夕法年诞生于美国的宾夕法尼亚大学。尼亚大学。重达重达30吨，占地吨，占地170多平方米，全机用了多平方米，全机用了18000多个电子管，多个电子管，5000多个继电器，多个继电器，10000多只电容器，多只电容器，7000多个电阻，功率多个电阻，功率150千瓦，千瓦
17、，运算速度每秒钟运算速度每秒钟5000次。次。它的耗电量超过它的耗电量超过174千瓦小时，据说在千瓦小时，据说在使用时全镇的电灯都会变暗；而且它的电子管平均每隔使用时全镇的电灯都会变暗；而且它的电子管平均每隔15分钟就分钟就要烧坏一只。要烧坏一只。 目前，以大规模集成电路目前，以大规模集成电路（硅材料）（硅材料）为基础，以中央处理器为基础，以中央处理器（CPU）为核心的电子计算机技术是主要的信息处理技术。）为核心的电子计算机技术是主要的信息处理技术。2022-6-224集成电路（集成电路（integrated circuit，简称，简称IC）是将电路中的）是将电路中的有源元件有源元件（二极管、
18、晶体管等）、（二极管、晶体管等）、无源元件无源元件（电阻、电容等）以及他们之间（电阻、电容等）以及他们之间的的互联引线互联引线等一起制作在等一起制作在半导体衬底半导体衬底上，形成一块独立的不可分的上，形成一块独立的不可分的整体电路，集成电路的各个引出端（又称管脚）就是该电路的输入、整体电路，集成电路的各个引出端（又称管脚）就是该电路的输入、输出、电源和接地等的接线端。输出、电源和接地等的接线端。1952年，英国皇家雷达研究所的年，英国皇家雷达研究所的G. W. Dummer首次提出集成电路首次提出集成电路的设想。他认为，随着晶体管和一般半导体工业的发展，电子设备的设想。他认为，随着晶体管和一般
19、半导体工业的发展，电子设备可以在一个固体块上实现，而不需连接线。这种固体块由绝缘体、可以在一个固体块上实现，而不需连接线。这种固体块由绝缘体、导体、整流、放大等材料层组成。导体、整流、放大等材料层组成。1958年美国德克萨斯仪器公司年美国德克萨斯仪器公司J. S. Kilby和和1959年仙童半导体公司的年仙童半导体公司的R. Noyce分别发明了世界上分别发明了世界上第一块第一块锗集成电路锗集成电路和和硅集成电路硅集成电路，开创了集成电路时代。，开创了集成电路时代。集成电路集成电路2022-6-22519581958年第一块集成电路：年第一块集成电路：TITI公司的公司的KilbyKilby
20、，1212个器件，个器件，GeGe晶片晶片2022-6-226年份年份事件事件1947点接触型晶体管诞生，微电子技术发展的第一个里程碑点接触型晶体管诞生，微电子技术发展的第一个里程碑1950结型晶体管诞生结型晶体管诞生1951场效应晶体管发明场效应晶体管发明1958集成电路发明，开创了微电子学的历史集成电路发明，开创了微电子学的历史1960光刻技术发明光刻技术发明1962MOS场效应晶体管诞生场效应晶体管诞生1964摩尔定律提出，预测晶体管集成度每十八个月增加一番摩尔定律提出，预测晶体管集成度每十八个月增加一番1971Intel推出推出1kB动态随机存储器（动态随机存储器（DRAM），标志大规
21、模集成电路（），标志大规模集成电路（LSI）出现）出现197816kB的的DRAM诞生，标志进入超大规模集成电路（诞生，标志进入超大规模集成电路（VLSD）阶段）阶段1979Intel推出推出5MHz的的8088微处理器，之后推出全球第一台个人电脑微处理器，之后推出全球第一台个人电脑198520MHz的的80386微处理器诞生微处理器诞生198816M的的DRAM诞生，标志进入甚大规模集成电路（诞生，标志进入甚大规模集成电路（ULSI）阶段）阶段198925MHz483微处理器诞生，采用微处理器诞生，采用1m工艺，后来采用工艺，后来采用0.8 m工艺工艺199366MHz的的Pentium处理
22、器推出，采用处理器推出，采用0.6 m工艺工艺1997300MHz的的Pentium 处理器推出，采用处理器推出，采用0.25 0.25 m工艺工艺1999450MHz的的Pentium 处理器推出，采用处理器推出，采用0.25 0.25 m工艺，后采用工艺，后采用0.18 m工艺工艺20001.5GHz的的Pentium 处理器推出，采用处理器推出，采用0.18 m工艺工艺2001Intel宣布采用宣布采用0.13 m工艺工艺2022-6-227半导体动态随机存储器容量和硅单晶的发展半导体动态随机存储器容量和硅单晶的发展2022-6-228摩尔定律是由英特尔（摩尔定律是由英特尔（Intel）
23、创始人之一戈登）创始人之一戈登摩尔摩尔（Gordon Moore）于）于1965年提出来的。其内容为：年提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。Gordon Moore2022-6-229信息传输技术及材料信息传输技术及材料 移动电话移动电话 卫星通信卫星
24、通信 无线通信无线通信 光纤通信光纤通信 低损耗的熔石英光纤低损耗的熔石英光纤 长寿命的半导体激光器长寿命的半导体激光器 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器纤芯纤芯包层包层保护套保护套2022-6-230光纤通信系统发展阶段及其主要进展光纤通信系统发展阶段及其主要进展光波频率比微波（光波频率比微波（1010Hz）和毫米波（）和毫米波（1011Hz）高几个数量级。激光）高几个数量级。激光的出现，相当于从毫米波向更高频率的发展，可以极大地增加通信容量，的出现，相当于从毫米波向更高频率的发展，可以极大地增加通信容量，从而引起了通信研究工作者的极大兴趣，使激光很快在通信领域里得到从而引起了通信研究工作者的极
25、大兴趣，使激光很快在通信领域里得到了应用。了应用。光电子学的发展与材料研究光电子学的发展与材料研究 1960年美国人梅曼发明红宝石激光器后不久，各种不同年美国人梅曼发明红宝石激光器后不久，各种不同材料的激光器相继出现：材料的激光器相继出现：He-Ne激光器、激光器、CO2激光器等。激光器等。 紧接着，美国麻省理工学院利用紧接着，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和激光器和CO2激光激光器，模拟无线电通信进行了器，模拟无线电通信进行了激光大气传输试验激光大气传输试验。激光大气传输试验激光大气传输试验具有具有“靠天吃饭靠天吃饭”的通信方式的致命弱点的通信方式的致命弱点反复试验的结果表明：晴朗天气
26、，通信稳定可靠，距离较长，但在不良天反复试验的结果表明：晴朗天气，通信稳定可靠，距离较长，但在不良天气，通信极不稳定甚至中断，不能做到气，通信极不稳定甚至中断，不能做到“全天候全天候”通信，这点是一个好的通信，这点是一个好的通信系统不能允许的。通信系统不能允许的。 大气光波通信不稳定的主要原因：大气光波通信不稳定的主要原因：光波在大气中传输受到大气层中光波在大气中传输受到大气层中变化无常的气候条件所影响，光波能量损失严重。变化无常的气候条件所影响，光波能量损失严重。如：大气湍流、雨、雾、雪、大气灰尘和自然辐射对光波能量的吸收和散如：大气湍流、雨、雾、雪、大气灰尘和自然辐射对光波能量的吸收和散射
27、，天空中的鸟类和各种飞行物，使光波在传输过程中能量迅速衰减，严射，天空中的鸟类和各种飞行物，使光波在传输过程中能量迅速衰减，严重影响通信的稳定性和可靠性。重影响通信的稳定性和可靠性。光波通信转人地下：光波通信转人地下： 为了使光波不受大气层中各种因素的干扰，人们将光波的为了使光波不受大气层中各种因素的干扰，人们将光波的传输转入了地下，进行了光波地下传输的各种试验。传输转入了地下，进行了光波地下传输的各种试验。开发了透开发了透镜波导和反射镜波导的光波传输系统。镜波导和反射镜波导的光波传输系统。光波大气通信：光波大气通信： 不是人们为了追求长距离大容量的一种理想的通信方式。不是人们为了追求长距离大
28、容量的一种理想的通信方式。然然而，光波通信的许多优越性驱使人们去进一步探索新的传输介而，光波通信的许多优越性驱使人们去进一步探索新的传输介质。质。透镜波导透镜波导透镜波导是在金属或水泥管道透镜波导是在金属或水泥管道内，每隔一定距离安装一个玻璃内，每隔一定距离安装一个玻璃透镜，通过透镜的作用将光波限透镜，通过透镜的作用将光波限制在管道内传输以达到光波通信制在管道内传输以达到光波通信的目的。的目的。光波通信转人地下光波通信转人地下反射镜波导反射镜波导反射镜波导的原理与透镜波反射镜波导的原理与透镜波导相似，不同之处是一个用会聚导相似，不同之处是一个用会聚透镜，一个用反射镜。透镜，一个用反射镜。上述传
29、输方式完全可以消除大气对光波传输的各种干扰。上述传输方式完全可以消除大气对光波传输的各种干扰。理论上：理论上：两种波导都可行。两种波导都可行。实际应用时：实际应用时：遇到许多不可克服的困难。遇到许多不可克服的困难。 施工复杂：对透镜或反射镜进行严格校准和牢固安装；施工复杂：对透镜或反射镜进行严格校准和牢固安装； 将波导深埋，或选择人、车稀少的地区：防止地面对波导的影响；将波导深埋，或选择人、车稀少的地区：防止地面对波导的影响； 转弯时，需增加透镜或反射镜：弯度越大，增加越多，光能损耗也就转弯时，需增加透镜或反射镜：弯度越大，增加越多，光能损耗也就越大。自然使系统造价昂贵，并且调整、测试、维修都
30、很困难。越大。自然使系统造价昂贵，并且调整、测试、维修都很困难。由此可见，这种地下的透镜波导和反射镜波导是无实由此可见，这种地下的透镜波导和反射镜波导是无实用意义的。用意义的。光波通信转人地下光波通信转人地下在在“天空天空”和和“地下地下”都不能理想地传输光波都不能理想地传输光波的情况下，有人对光波通信产生了悲观情绪，甚至的情况下，有人对光波通信产生了悲观情绪，甚至有人主张放弃光波通信的研究。有人主张放弃光波通信的研究。1965年左右，光波通信的研究转入低潮。成了年左右，光波通信的研究转入低潮。成了不为人们所重视的不为人们所重视的“冷门冷门”。1965年，年，光波通信的研究转入低潮光波通信的研
31、究转入低潮 高锟（高锟（K. C. Kao）博士：博士：英籍华人，英籍华人，1933年生，上海。年生，上海。1966年，高锟首次利用无线电波导通信的原理，年，高锟首次利用无线电波导通信的原理，提出了低损耗的光导纤维（简称光纤）的概念。提出了低损耗的光导纤维（简称光纤）的概念。认为：电可以沿着导电的金属导线远距离传输，认为：电可以沿着导电的金属导线远距离传输，光也应能沿着可以导光的玻璃纤维传输。光也应能沿着可以导光的玻璃纤维传输。在当时最好的玻璃，其损耗还处于每公里为在当时最好的玻璃，其损耗还处于每公里为1000dB左右的情况下，他预见到，只要设法消除左右的情况下，他预见到，只要设法消除玻璃中的
32、各种杂质，可使光的吸收减到非常小，玻璃中的各种杂质，可使光的吸收减到非常小，生产出一种有实用意义的低损耗光纤是完全可能生产出一种有实用意义的低损耗光纤是完全可能的。的。1966年，年，高锟首次提出低损耗的光导纤维（简高锟首次提出低损耗的光导纤维（简称光纤）的概念称光纤）的概念 高锟（高锟（K. C. Kao）博士：博士：英籍华人，英籍华人，1933年生，上海。年生，上海。 2009年年10月月6日瑞典皇家科学院宣布，将日瑞典皇家科学院宣布，将2009年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德博伊尔和乔治博伊尔和乔治史密斯
33、。史密斯。瑞典皇家科学院说，高锟在瑞典皇家科学院说，高锟在“有关光在纤维中的传输以有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面用于光学通信方面”取得了取得了突破性成就，他将获得物理突破性成就，他将获得物理学奖一半的奖金，共学奖一半的奖金，共500万万瑞典克朗（约合瑞典克朗（约合70万美元）；万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件体成像器件电荷耦合器电荷耦合器件（件（CCD）图像传感器，将）图像传感器，将分享物理学奖另一半奖金。分享物理学奖另一半奖金。 在高辊理论的指导下，美国康宁公司马勒博士等三人的研究小在高辊理论的指导下，美国康宁公司马勒博士等三人的研究小组，终于在组
34、，终于在1970年年8月首次研制成功损耗为月首次研制成功损耗为20dBkm（光波沿光波沿光纤传输光纤传输1km后，光能损耗为原来的后，光能损耗为原来的1）的石英光纤。）的石英光纤。 光纤直径很小，只有人的头发丝那么细，并且柔软可挠。它的光纤直径很小，只有人的头发丝那么细，并且柔软可挠。它的出现，既克服了地下透镜波导或反射镜波导存在的问题，又能出现，既克服了地下透镜波导或反射镜波导存在的问题，又能防止大气对光波的干扰，是一种理想的传输介质。防止大气对光波的干扰，是一种理想的传输介质。1970年，年，美国康宁公司研制成功损耗为美国康宁公司研制成功损耗为20dB/km的石英光纤的石英光纤2022-6
35、-240年份年份贡献贡献1879年最先发明并制造出玻璃灯泡玻璃灯泡，使爱迪生的发明成为现实。1947年最先发明并大规模制造出电视显像管电视显像管，使电视进入千家万户。1970年最先发明并制造出世界第一根光纤第一根光纤，使光纤通信得以广泛应用。美国康宁公司美国康宁公司2022-6-241信息存储技术及材料信息存储技术及材料信息存储的概念：信息存储的概念：将数据、文字、声音、图象等有用信息通过将数据、文字、声音、图象等有用信息通过写入装置暂时或永久地记录在某种写入装置暂时或永久地记录在某种存储介质存储介质中，并可利用读出装置中，并可利用读出装置将信息从存储介质中重新再现的技术总合。将信息从存储介质
36、中重新再现的技术总合。信息存储的作用：信息存储的作用：允许保存电子数据；允许保存电子数据； 为防止数据丢失而提供为防止数据丢失而提供备份保护；备份保护； 防止因丢失数据带来的费用；允许现场或非现场文档的防止因丢失数据带来的费用；允许现场或非现场文档的存储。存储。数字信息存储要求：数字信息存储要求：高存储密度、高数据传输率、高存储寿命、高存储密度、高数据传输率、高存储寿命、高擦写次数、低设备投资和低价格。高擦写次数、低设备投资和低价格。2022-6-242存储方式存储方式内存储内存储外存储外存储CPU可以直接访问内存，提取时间短（ns），容量一般在512Mb以上。只读存储器只读存储器ROM（Re
37、ad-Only Memory）随机存取存储器随机存取存储器RAM（Random Access Memory）一般不直接与微处理器打交道，外存中的数据应先调入内存，再由微处理器进行处理。磁存储：磁带、软磁盘、硬磁盘磁存储：磁带、软磁盘、硬磁盘光存储：光存储：CD、VCD、DVD等等信息存储技术经历的阶段：信息存储技术经历的阶段：纸张书写纸张书写 缩微照片缩微照片 机械唱盘机械唱盘 磁带磁带磁盘磁盘 光学存储光学存储磁存储磁存储信息存储技术发展方向信息存储技术发展方向磁光存储磁光存储全光存储全光存储光盘存储技术的优点光盘存储技术的优点一张一张120mm直径的光直径的光盘可存储盘可存储1Gb以上，以
38、上，为硬磁盘的几十倍，为硬磁盘的几十倍，软盘的几百倍。软盘的几百倍。存储密度高存储密度：存储密度：指记录介质单位指记录介质单位长度或单位面积内所能存储长度或单位面积内所能存储的二进制位数的二进制位数B。前者称线。前者称线密度，后者称面密度。密度，后者称面密度。光盘的线密度一般是光盘的线密度一般是103B /mm。面密度一般为面密度一般为105106B /mm2。光盘存储技术的优点光盘存储技术的优点寿命很长，一般在寿命很长，一般在10年以上。年以上。存储寿命长光记录中，记录介质薄膜封光记录中，记录介质薄膜封入两层保护膜之中，激光的入两层保护膜之中，激光的写入和读出都是无接触过程。写入和读出都是无
39、接触过程。非接触式读、写、擦非接触式读、写、擦光头与光盘相距光头与光盘相距12 mm，不会磨损盘片。不会磨损盘片。信息的载噪比（信息的载噪比（CNR）高高光盘光盘CNR在在50dB以上。以上。多次读出也不降低。多次读出也不降低。 信息位价格低信息位价格低光盘可容易大量复制，其信息位光盘可容易大量复制，其信息位价格比磁记录价格低几十倍。价格比磁记录价格低几十倍。光盘存储技术的优点光盘存储技术的优点驱动器结构：驱动器结构：驱动器比磁带机或磁盘驱动驱动器比磁带机或磁盘驱动器要复杂。器要复杂。传输速率：传输速率：驱动器的信息或数据传输速驱动器的信息或数据传输速率目前比硬盘驱动器低，平均数据存取率目前比
40、硬盘驱动器低，平均数据存取时间在时间在20100ms之间。之间。光盘存储技术的不足光盘存储技术的不足光盘存储原理光盘存储原理光盘光盘圆盘状信息存储器件圆盘状信息存储器件利用受调制的细束激光改变盘面介质不同位利用受调制的细束激光改变盘面介质不同位置处的光学性质，记录下待存储的数据。置处的光学性质，记录下待存储的数据。当用激光束照射介质时，依靠各信息点处当用激光束照射介质时，依靠各信息点处光学特性的不同提取出被存信息。光学特性的不同提取出被存信息。写读光盘记录系统光盘记录系统（在光盘上写入信息的装置）（在光盘上写入信息的装置）光盘重放系统光盘重放系统（在光盘上读出数据的装置）（在光盘上读出数据的装
41、置）如：视频光盘放像机如：视频光盘放像机光驱光驱 读盘原理读盘原理光盘存储原理光盘存储原理只读型光盘只读型光盘磁光型光盘磁光型光盘全光型光盘全光型光盘只读型只读型光盘存储原理光盘存储原理CD-ROM光盘的信息数据是预刻在光盘母盘上的光盘的信息数据是预刻在光盘母盘上的（形成凹坑），然后制成金属压膜，再把凹坑复（形成凹坑），然后制成金属压膜，再把凹坑复制于聚碳酸酯（制于聚碳酸酯（PC）的光盘基片上。的光盘基片上。靠记录凹坑靠记录凹坑与周围的反射率不同作为读出信号。与周围的反射率不同作为读出信号。靠光热效应使记录下的靠光热效应使记录下的磁畴方向产生可逆变化，磁畴方向产生可逆变化，不同方向的磁畴使探测
42、不同方向的磁畴使探测光 的 偏 振 面 产 生 旋 转光 的 偏 振 面 产 生 旋 转（即克尔角）（即克尔角），并以此，并以此作为读出信号。作为读出信号。磁光型（磁光型（MO）光盘存储原理光盘存储原理2022-6-253l 分子或原子是构成物质材料的基元，基元中电子绕着原子核的运动形成了电流，该电流产生的磁场，使每个基元都相当于一个微小的磁体，由大量基元组成一个集团结构，集团中所有基元产生的磁场都同方向整齐排列，这样的集团叫做磁畴。l 在大块铁磁性或亚铁磁性（见铁氧体）单晶体（或多 晶体中的晶粒）中，形成很多小区域，在不同的区域内，磁矩的方向不同，使得晶体总的磁化强度为零。磁光型（磁光型（M
43、O）光盘存储原理光盘存储原理磁畴的概念靠靠光热效应光热效应在晶态与非晶在晶态与非晶态之间产生可逆相变，态之间产生可逆相变，记记录下晶态与非晶态不同的录下晶态与非晶态不同的反射率，作为探测信号。反射率，作为探测信号。可逆变化的稳定性决定了可逆变化的稳定性决定了可擦重写的次数，一般要可擦重写的次数，一般要求达百万次。求达百万次。全光（相变）型全光（相变）型光盘存储原理光盘存储原理全光（相变）型全光（相变）型光盘存储原理光盘存储原理 相变光盘存储技术：相变光盘存储技术：20多年发展，具有比多年发展，具有比MO存储密度高、存储密度高、记录成本低、介质寿命长、驱动器结构简单、读出信号信记录成本低、介质寿
44、命长、驱动器结构简单、读出信号信噪比高和不受外界磁场环境影响等突出优点；噪比高和不受外界磁场环境影响等突出优点； 相变光盘存储器能向下兼容相变光盘存储器能向下兼容CD-ROM和和CD-R，已成为光，已成为光存储技术中的主流技术，具有广阔的应用前景。存储技术中的主流技术，具有广阔的应用前景。 光盘存储介质光盘存储介质一次性写入光盘一次性写入光盘是利用激光光斑在是利用激光光斑在存储介质中形成存储介质中形成不不可逆可逆变化的微区，变化的微区，这些微区就记录下这些微区就记录下信息。信息。可擦重写光盘可擦重写光盘是利用记录介质在两是利用记录介质在两个稳定态之间个稳定态之间可逆可逆变变化（如化（如III相
45、变状相变状态），从而实现可反态），从而实现可反复擦写。复擦写。一次性写入一次性写入光盘存储介质材料光盘存储介质材料通常用的光盘：以聚甲苯丙烯通常用的光盘：以聚甲苯丙烯酸甲酯（酸甲酯（PMMA）为衬底为衬底（厚度（厚度1.2mm），），上面溅射一上面溅射一层层介质薄层介质薄层，用激光聚焦在，用激光聚焦在12 m范围内烧蚀出坑孔而记范围内烧蚀出坑孔而记下信息。下信息。一次性写入一次性写入光盘存储介质光盘存储介质烧蚀型烧蚀型（利用孔与无孔反射率差异）（利用孔与无孔反射率差异）利用激光热效应在存储介质上烧蚀出信息坑孔。利用激光热效应在存储介质上烧蚀出信息坑孔。存储介质由聚合物存储介质由聚合物高熔点金属
46、膜层高熔点金属膜层组成。激光照射使聚合物分解排出气组成。激光照射使聚合物分解排出气体起泡，致使上层的金属膜隆起。这体起泡，致使上层的金属膜隆起。这样，由信息泡与周围介质膜的反射率样，由信息泡与周围介质膜的反射率形成的差异而达到信息的读出。形成的差异而达到信息的读出。通常用的通常用的CD-R记录介质为花箐或酞记录介质为花箐或酞箐。箐。一次性写入一次性写入光盘存储介质光盘存储介质起泡型起泡型（利用泡与无泡反射率差异）（利用泡与无泡反射率差异） 存储介质：存储介质：用离子刻蚀的硅薄用离子刻蚀的硅薄膜，表面呈绒面结构，反射很膜，表面呈绒面结构，反射很弱。弱。 当激光光斑照射在绒面上时熔当激光光斑照射在
47、绒面上时熔成镜面，形成反差，而达到信成镜面，形成反差，而达到信息的存储和读出。息的存储和读出。一次性写入一次性写入光盘存储介质光盘存储介质熔线型熔线型（利用绒面与镜面的反射率差异）（利用绒面与镜面的反射率差异）一次性写入一次性写入光盘存储介质光盘存储介质合金化型合金化型（利用合金与非合金反射率差异）（利用合金与非合金反射率差异） 记录介质：记录介质：Pt-Si，Rh-Si或或Au-Si制成双层结构制成双层结构 激光加热的微区将二薄层熔成合激光加热的微区将二薄层熔成合金，形成反差记录。金，形成反差记录。存储介质：存储介质：硫属化合物或金属硫属化合物或金属合金制成薄膜合金制成薄膜利用激光热效应和光
48、效应使照利用激光热效应和光效应使照射的微区发生相变，形成反差。射的微区发生相变，形成反差。一次性写入一次性写入光盘存储介质光盘存储介质相变型相变型（利用相变前后反射率差异）（利用相变前后反射率差异）GeTe-Sb2Te4合金：合金：用用8mw、50ns的激光可使的激光可使100nm厚的厚的GeSb2Te5薄膜结晶，可以重复读写薄膜结晶，可以重复读写105次次。1997年初，这年初，这种可擦除的相变光盘产品已推出，如种可擦除的相变光盘产品已推出，如Canon公司和菲利公司和菲利浦公司浦公司。TbFeCo合金：合金：靠光热效应使记录下的磁畴方向产生可逆靠光热效应使记录下的磁畴方向产生可逆变化，不同
49、方向的磁畴使探测光的偏振面产生旋转（即变化，不同方向的磁畴使探测光的偏振面产生旋转（即克尔角），并以此作为读出信号。克尔角），并以此作为读出信号。可擦重写入可擦重写入光盘存储介质光盘存储介质目前光盘存储目前光盘存储技术中，载有技术中，载有信息的调制激信息的调制激光束通过物镜光束通过物镜聚焦于光盘存聚焦于光盘存储介质层上记储介质层上记录，属于录，属于远场远场光记录光记录。存储密度正比于：存储密度正比于：2NA记录点的尺寸决定于记录点的尺寸决定于聚焦点的衍射极限：聚焦点的衍射极限：NAd2提高光盘存储密度的措施提高光盘存储密度的措施激光的短波化、大数值孔径。激光的短波化、大数值孔径。采用锥形光纤光
50、学实现近场记录。采用锥形光纤光学实现近场记录。模拟量数字化、数字量高压缩比化。模拟量数字化、数字量高压缩比化。光盘存储密度和数据传输速率的发展趋势光盘存储密度和数据传输速率的发展趋势提高光盘存储密度的措施提高光盘存储密度的措施 缩短记录激光波长能缩小记录点。缩短记录激光波长能缩小记录点。 根据不同的半导体激光波长，将光盘存储技术根据不同的半导体激光波长，将光盘存储技术的发展分为三代。的发展分为三代。提高光盘存储密度的措施提高光盘存储密度的措施高密（红光）高密（红光）DVD技术技术DVD：Digital Video Disk，数字音像盘数字音像盘采用模拟量（音频信号、视频信号）转换成数字量，并采
