纳米科技在通信技术的影响范文

引言

通信技术是现代信息社会的重要技术支撑，在人们的社会生活中发挥着重要和不可替代的作用。随着人类对天空的开发和利用，空间信息技术和空间通信技术越来越显示其重要性。2009年在北京召开的第三届空间信息技术国际学术会议（ICSIT2009）指出,当前空间信息技术日新月异，已迅速崛起成为与纳米技术、生物技术并列的三大科学前沿领域之一。空间信息技术科学是20世纪80年展起来的，以3S+C空间信息技术，3S：地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、全球定位系统(GPS)；卫星通信技术(C)为主要内容、研究与地球和空间分布有关的数据采集、量测、分析、存储、管理、显示、传输、应用的一门综合集成的科学技术。空间信息技术已在全球与区域通信、导航定位、资源调查、灾害和环境的动态监测、区域和城市规划等领域得到了广泛应用，并取得了显著的经济效益和社会影响。要实现高性能、大容量、高速度、高可靠的空间信息技术，空间通信成为重要技术支撑之一。通信技术是空间通信技术的重要基础和技术支撑。中国正在实施北斗卫星导航系统建设工作，将相继发射5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。卫星导航系统是重要的空间基础设施，广泛用于经济社会发展各个领域。新兴科学技术的发展，特别是纳米科学技术的的发展，为通信技术采用新的材料、器件和系统开辟了崭新的途径，对通信技术的突破，特别是新兴微纳卫星技术对空间通信技术的突破,起到了十分重要的作用。

早在60年代，著名的物理学家费曼就预言了纳米科学技术的前景。随着纳米科学技术的飞速发展，其在材料、器件、信息传输、信息处理、信息显示、终端通信产品等多个方面为未来通信科学技术的发展展示了全新的技术，正引领未来通信科学技术向更大容量、更加快速、更加节能、更加可靠的方向发展。贝尔实验室总裁JeffJaffe在2005年近举行的“纳米行业”会议上作主题演讲时预测，纳米技术应用于通信之中，会以一种其它任何技术不曾有过的方式来变革其它产业。Motorola,Inc.就纳米技术在纳米材料、纳米发射显示器（NED）、外壳和表面、能源、纳米传感器、主动和活跃电子器件等方面对终端通信产品产生的影响作了深入的研发。

随着人们的科学技术探索不断向空间（太空）和深度空间发展，空间通信技术在人们利用空间和开发的活动中发挥了越来越重要的作用。

尽管空间技术还处于不断的进步中，但是人们已经看到纳米科技正引领未来通信技术进入一个新的发展阶段，特别是微纳卫星技术的发展。这些新兴技术的发展，将极大的推动通信技术在空间通信中应用，使技术向更大容量、更加快速、更加节能、更加可靠的方向发展。任何一个通信领域，都主动和被动地受到纳米科技给通信技术带来的越来越大影响和推进作用。2008年著名的Springer出版社，出版了“纳米科技社会年鉴”，其中“纳米时代的通信”对纳米科技对通信技术的影响作了深入的分析。

纳米科技正影响着通信技术、空间通信的各个方面，纳米技术通信和空间通信技术带来的新兴技术。

1纳米科技的信息传输容量、速度和可靠性

纳米科技在提高通信技术的信息传输容量、速度和可靠性。纳米电子材料从根本上改变了电子材料的结构，为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开辟了新途径。纳米电子材料科学的发展，首先对光纤光缆和通信电缆技术的发展带来了重大影响。通信事业迅猛发展将导致信息传输技术发生深刻变革，未来高速骨干传输的发展对光纤提出了新的要求，包括：①扩大单一波长的传输容量，单一波长的传输容量已达到40Gb/s，并已开始进行160Gb/s的研发；②实现超长距离传输，目前有的公司已能够采用色散齐理技术，实现2000～5000km的无电中继传输；③适应DWDM技术的运用，DWDM系统的大量使用，对光纤的非线性指标提出了更高的要求。纳米材料为光缆提供了新的技术。近来，一些厂商已开发出纳米光纤涂料、纳米光纤油膏、纳米护套用聚乙烯（PE）及光纤护套管用纳米PBT等材料[1]。采用纳米材料的光缆，利用了纳米材料所具有的许多优异性能，对光缆的抗机械冲击性能、阻水、阻气性都有一定的改善，并可延长光缆的使用寿命，提高了网络的可靠性[2]。采用纳米科技制造技术制备的量子点激光器能够用来量子加密技术。目前，许多金融机构、政府部门和一些国防项目承包商都采用了量子加密技术。量子保密通信通过了信息传输过程中的安全性，在未来10年会有比较大的发展。利用纳米制造技术制造的光子晶体光纤能用于未来全新光孤子光通信系统[3]。

2新型纳米电子/光电子-未来通信技术的核心

对新型材料和器件的研究一直主导着通信技术的发展方向。过去，在射频和高速处理领域，砷化镓是主要的推动力量。而铌酸锂则改善了光调制器和放大器的性能。光通信技术真正的发展得益于一整套新的加工技术[4-5]，这些技术包括原子力显微镜[6]、浸笔纳米光刻[7]和纳米压印光刻[8]等。这些纳米制造技术使得制造纳米电子器件变得更加容易，开发者因此能够研制出体积更小、价格更低、性能更高的纳米科技器件。通过采用纳米工艺，可以将纳米光子制成一系列的偏振器、分路器和波片等。

处理器速度一直是阻碍计算技术和通信技术发展的主要因素。但是，当处理器速度提高到一定程度时，互联就成了制约发展的因素。纳米激光器的第一个重要应用很可能是芯片光互联，光互联能够提供足够的带宽，并能向最快的处理器提供数据，片片内光通信技术已经成为未来通信器件与系统高速、高容量的重要技术，而这一技术主要依靠纳米光电子器件和纳米加工技术的发展。基于纳米技术的光互连能够为高集成度纳米级芯片提供高带宽、低延迟，小功耗的片内通信服务[9-10]。硅微纳加工方面的深厚技术积累对推动光互技术将起到非常重要的作用。由于纳米科技，使得硅基能够突破发光效率低、调制特性差的局限，使得硅基光电子器件能够与电子器件在同一硅片上实现微纳集成，这对于未来通信终端产品更小、更可靠、更节能、更便宜具有重要意义，对于通信终端产品将产生革命性的影响[11]。而更小、更可靠、更节能是实现高性能、高可靠空间通信的重要技术要求。纳米技术开发的高性能激光器，为光空间通信提供了新的通信手段[12]。

3纳米科技对空间通信技术领域的重要作用

空间通信泛指通信一方或双方利用人造卫星,天然卫星,航天飞机,空间站等进行无线传输的一种方式，是通信方式中比较前沿的领域，如图1所示。在国民经济、国防建设、社会生活的各个领域，地球空间信息技术的重要作用日益凸现。纳米科技在以卫星遥感技术、地理信息系统技术、全球卫星导航系统技术以及卫星通信技术为核心的空间信息技术领域发挥越来越重要的重要。新一代宽带多媒体通信卫星系统，为用户提供视频、话音、数据及宽带因特网接入等各类服务[12]。纳米技术制造的各类高性能传感器在微纳卫星、遥感技术、地理信息系统中发挥重要作用。空间通信具有传播距离远、差错率高、计算资源和功率有限、缓存空间及处理能力受限等特点[13]，对系统的各方面性能和信息处理能力要求更高。纳米科技制造技术能够使得通信用的电子器件更小、更快、更节能，纳米材料能够使得通信用的终端器件更小、更轻、更可靠。

建立在微米/纳米技术基础上的微电子机械系统（MEMS）技术目前正在得到普遍重视，在无线终端领域，对微型化、高性能和低成本的追求使大家普遍期待能将各种功能单元集成在一个单一芯片上，即实现片上系系(SOC,SystemonaChip)，而通信工程中大量射频技术的采用使诸如谐振器，滤波器、耦合器等片外分离单元大量存在，MEMS技术不仅可以克服这些障碍，而且表现出比传统的通信元件具有更优越的内在性能。日前，IBM公司采用MEMS技术已经开发出了能够用在手机等无线装置上的微型嵌入式频率调谐器和其他设备。在空间通信技术中小卫星扮演着十分重要的角色，小卫星实时系统即低轨道卫星空间通信系统将成为今后世界上具有市场效益的通信产业[14-15]，而小卫星的发展涉及很多新兴纳米材料和器件的应用。

美国宇航局2008年4月24日宣布，其下属的艾姆斯研究中心将与一家企业联手研制被称作“纳米卫星”的超小型卫星，如图2所示[17]，以打造下一代太空通信和网络系统。“纳米卫星”不仅仅是重量和尺寸上的分类，也采用了更多的纳米科技[16]。纳米科技催生的新型感觉传感器[18]、新的发射和接收技术、新的能源供应和低消耗技术，将使未来的空间通信技术产生重大突破，催生新的社会需求和新兴通信产业。

4纳米科技在空间技术及空间通信技术中的应用与展望

根据国内外对纳米科技发展的预期，纳米科技对空间技术及空间通信技术将产生重大的技术推进作用。2003年德国航空和宇航中心发表的长达200页的研究报告“纳米科技在空间开发和系统中的应用”，反映了纳米科技对空间技术及空间通信技术产生的重大的影响。图3[19]是1990年至2001年国际上发表的空间技术与纳米技术相关的论文。

中国的空间通信技术，无疑必须充分关注、利用和开发纳米科技对通信技术起重要促进作用的研究成果，提高中国通信技术未来的发展水平和竞争力。由于新的纳米科技导致通信终端产品新的功能，进一步产生新的需求，从而导致通信技术新一轮的发展。纳米科技对于空间通信中的主角-“卫星”的发展产生了巨大推动作用，图4是1990年至2001年国际上发表包含“纳米卫星”主题的论文[19]。纳米科技是学科交叉融合与产生新增长点的关键基础。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》指出：“纳米科技已成为许多国家提升核心竞争力的战略选择，也是中国有望实现跨越式发展的领域之一。”

空间通信技术的发展对于空间技术和信息技术的发展和应用具有重要意义。例如，因特网业务在全球的迅速发展以及卫星通信所具有的独特技术和应用优势,利用卫星进行传输控制协议/互联网络协议（TCP/IP）数据传输已经成为卫星通信发展的一个新方向[20-21]。利用空间通信技术，在以网络为中心的环境，利用转型通信卫星，每个用户能够在无线网络上实现全球范围内使用高性能、大容量、高速度、高可靠的信息服务[22]。空间通信技术在未来军事对抗中具有重要的战略地位,美军为满足未来战争需要不断地规划研发新的通信卫星系统,构建中国空间信息网络,具有重要的战略意义[23]。

5结语

未来一段时间，中国空间通信技术的重要发展方向主要包括自由空间光通信技术、超导器件在空间通信中的应用、星载智能天线技术、纳米通信器件技术等。纳米通信器件将成为未来空间通信技术的重要核心器件之一。

纳米科技涵盖的领域非常广泛，而且未来通信和空间通信技术会涉及到纳米科技的方方面面，在这种纳米科技日新月异发展的情况下，通过一篇综述文章把纳米科技在通信和空间通信技术领域的应用阐述得有一定的广度和深度实属不易，旨在促进对纳米科技在未来通信技术中的应用的关注,关注空间通信的巨大应用前景和纳米科技的对空间通信的促进作用。可以相信,中国纳米科技的发展，必将对中国通信和空间通信技术产生巨大的技术推进作用。