第一章 信息科学与信息技术的发展

1、第1章 信息科学与信息技术的发展我们生活在信息社会，“信息”这一词汇也频频出现在各种媒体和我们的言谈中，那么究竟什么是信息？它具有什么特征？什么是信息系统？什么是信息技术以及信息技术已经被应用到哪些领域或将要被应用到哪些领域？这就是本章要阐述的内容。本章是对信息领域的相关概念和知识的总体概述，是后续内容的基础，了解这些基本概念和知识会使读者对信息领域有一个清晰的、全局性的认识。1.1 信息的概念及特征1.1.1 信息的概念什么是信息（Information）？谈到信息，人们就会想到频频见诸媒体的“信息时代”、“信息社会”、“信息技术”等词汇。那么，究竟什么是信息？不同学者给出了不同的定义。我国

2、学者钟义信在其信息科学教程一书中从本体论和认识论两个角度对信息的定义进行了全面的阐述，他认为：从本体论的意义上说，信息是事物的运动状态及其变化方式的自我描述。定义中所说的“事物”是指一切可能的研究对象，包括外部世界的物质客体，也包括主观世界的精神现象；定义中所说的“运动”泛指一切意义上的变化，包括机械运动、物理运动、化学运动、生物运动、思维运动和社会运动等；“运动状态”是指事物的运动在空间上所展示的性状和形态，“运动状态的变化方式”是指事物的运动状态随时间而变化的过程样式。由于宇宙间一切事物都在运动，都有一定的运动状态和状态改变的方式，所以一切事物都在产生信息。也就是说，从本体论角度，信息是一

3、种客观存在，不以主体的存在为转移，无论有没有主体，或者无论是否被主体感知，都丝毫不影响它的“自我表述”。信息必然要被主体所认识。对比本体论的信息定义，认识论层次的信息是指主体所感知的关于该事物的运动状态及其变化方式，包括这种状态和方式的形式、含义和效用。对于正常的人类主体来说，人们只有在感知了事物的运动状态及其变化的形式、理解了它的含义、判明了它的价值，才算真正掌握了这个事物的认识论层次的信息，才能做出正确的判断和决策。如果把仅仅计及形式因素的信息部分称为“语法信息”，把计及含义因素的信息部分称为“语义信息”，把计及效用因素的信息部分称为“语用信息”，则认识论层次的信息是同时计及语法信息、语义

4、信息和语用信息的全信息。可见，本体论层次的信息定义是从“事物”本身的立场出发，就“事”论事；而认识论层次的信息定义是从“主体”的立场出发，就“主体”而论事。引入主体这一条件，本体论层次的信息定义就转化为认识论层次的定义；或取消主体这一条件，则认识论层次的信息定义就转化为本体论层次的定义。对于每个人而言，都是认识中的主体，但我们从同一事物的运动和变化中所获得的信息量是不一样的。如果，将事物本身实际所具有的信息称为“实在信息”，它是事物本身所固有的一个特征量，只取决于事物本身的运动状态及其变化形式，而与认识论主体的因素没有关系。将主体在观察该事物之前已经具有的关于该事物的信息称为“先验信息”；将主

5、体在观察该事物的过程中净得的关于该事物的信息称为“实得信息”，它不仅与事物本身的运动状态及其变化方式有关，而且也与主体的观察能力以及实际的观察条件有关。则理想条件下，主体R关于某事物X的实得信息量I（X；R）是X的实在信息量I（X）与R关于X的先验信息量I0（X；R）之差，即I（X；R）= I（X）I0（X；R）以上只是对信息概念的一种理解，目前在学术界还没有统一的定义。在日常生活中，信息这一概念更多的是和数据、知识、消息等概念联系在一起。其实，信息是用数据作为载体来描述和表示的客观现象；信息可以用数值、文字、声音、图像等多种形式表示；信息是对数据加工提炼的结果，是对人类有用的知识。因此，若想

6、得到信息，必须要将客观世界中的现象和问题通过数据这种媒体记录下来。通常把对各种数据进行加工转换而得到信息的过程称为信息处理（或数据处理）。1.1.2 信息的主要特征综合上述分析，可以归纳出信息的几个主要特征:1普遍性：因为信息是“事物运动状态及其变化方式”，因此，只要有事物存在且其不断地变化和运动，就会有信息存在。因此，信息是普遍存在的。2不灭性：信息是“事物运动状态及其变化方式”而不是事物本身，虽然信息必须依附于载体，但一条信息产生后，虽然其符号和物质载体可以变化，甚至被毁掉，但信息本身并不会被消灭。3可传递性和共享性：信息在时间上的传递称为存储，在空间上的传递称为通信。在通信中，把信息传递

7、的通路称为信道，如网络、电话、微波等；把信息的发布者称为信源，把信息的接收者称为信宿。同一信息可以传递给多个信宿，这说明了信息的共享性。4时效性：由于事物是不断发展变化的，因此反映事物运动状态及其变化方式的信息也会不断变化，但脱离了母体的信息经过一段时间之后就不能再充分反映母体的状态，这就是信息的时效性。俗话说：机不可失，失不再来，就是信息时效性的反映。5可处理性：由于信息可以由不同的载体用不同的方法来承载，因此，可以通过压缩、存储、变换等方法对信息进行加工和处理，从而可以使信息以不同方式为人类所利用。1.1.3 信息的分类信息是一种十分复杂的研究对象，要清晰、准确地理解和描述信息，一定要把信

8、息进行分类。同其他事物的分类问题一样，信息分类也有许多不同的准则和方法，如表1-1所示。1.2 信息科学与信息技术1.2.1 信息科学的研究内容信息科学(Information Science)是研究信息现象及其运动规律和应用方法的科学，它是以信息论、控制论、系统论为理论基础，以电子计算机等为主要工具的一门新兴学科。表1-1 信息的分类表分类原则分类结果性质语法信息、语义信息、语用信息观察过程实在信息、先验信息、实得信息作用有用信息、无用信息、干扰信息传递方向前馈信息、反馈信息生成领域宇宙信息、自然信息、社会信息、思维信息应用部门工业信息、农业信息、军事信息、政治信息、科技信息、文化信息、经济

9、信息、市场信息、管理信息等信息源的性质语音信息、图像信息、文字信息、数据信息、计算信息等载体电子信息、光学信息、生物信息等信息科学涉及与信息有关的一切领域，如计算机科学、仿生学、人工智能等，它包括对信息的描述和测度、信息传递理论、信息再生理论、信息调节理论、信息组织理论、信息认识理论等内容。同时，信息科学研究内容还包括信息的获取、表述、存储、分发、识别、编码、恢复、传输等过程和处理方法。在科学技术发展的不同时期，由于对信息所采用的处理技术以及所使用的载体不同，信息科学也常与其它学科相结合形成新的交叉学科，如电子信息科学、量子信息科学、光信息科学等。而现阶段，由于计算机是信息处理的主要手段，因此

10、谈到信息科学时，人们常常把它与计算机科学混为一体。显然，这是不全面的。既然信息是事物运动状态及其变化方式的自我描述，人类作为认识的主体，从相同的实在信息中所获得的实得信息是不同的，因此，信息科学主要研究认识的主体和对象之间的相互关系和运动规律。其研究内容的全过程模型如图1-1所示。图1-1 信息科学的研究内容过程模型由图可见，信息科学所研究的内容组成一个完整的过程，而这一过程也是人类通过自身器官感知外部世界、认识外部世界并改造外部世界的过程。其实，它也是其它实际系统，如测控系统、多媒体系统进行信息处理的过程。因此，信息科学的研究对其它学科具有极其重要的指导意义。过程模型中各子过程的功能如下：信

11、息获取：感知与识别信息，并完成信息的表示，如各式传感器。信息传递：发送、传输和接收信息，完成把信息从一点传到另一点，如通信过程。信息处理：对信息进行适当的加工，从中提取与之相关的知识，由信息处理提炼知识的过程称为“认知”过程，也就是信息处理的目的是为了获取知识，如图像的加工。信息再生：在某些过程中，获得所需知识并不是最终目的，人们利用知识来解决实际问题时，就需要求解问题的策略，这就是信息再生的研究内容，如各种决策机制。信息施效：信息处理并再生后，用于发挥其效用的过程就是信息施效，如控制系统。信息组织：在形成一种信息处理系统时，要综合考虑各个过程，这称为信息组织。1.2.2 信息技术及相关技术什

12、么是信息技术（Information Technology，缩写为IT）？一谈到IT，更多的人会联想到与计算机相关的技术。其实，信息技术覆盖面极其广泛，一般认为：凡是能扩展人的信息功能的技术，都是信息技术，这就是信息技术的基本定义。它主要是指利用电子计算机和现代通信手段实现获取信息、传递信息、存储信息、处理信息、显示信息、分配信息等的相关技术。具体来讲，信息技术主要包括以下几方面技术：1感测与识别它的作用是扩展人获取信息的感觉器官功能。它包括信息识别、信息提取、信息检测等技术，这类技术的总称是“传感技术” ，它几乎可以扩展人类所有感觉器官的传感功能。传感技术、测量技术与通信技术相结合而产生的遥

13、感技术，更使人感知信息的能力得到进一步的加强。信息识别包括文字识别、语音识别和图形图像识别等，通常是采用一种叫做“模式识别”的方法。2信息传递技术它的主要功能是实现信息快速、可靠、安全的转移。各种通信技术都属于这个范畴，广播技术也是一种传递信息的技术。由于存储、记录可以看成是从“现在”向“未来”或从“过去”向“现在”传递信息的一种活动，因而也可将它看作是信息传递技术的一种。3信息处理与再生技术信息处理包括对信息的编码、压缩、加密等。在对信息进行处理的基础上，还可形成一些新的更深层次的决策信息，这称为信息的“再生”。信息的处理与再生都有赖于现代电子计算机的超凡功能。4信息施用技术它是信息过程的最

14、后环节，包括控制技术、显示技术等。由上可见，传感技术、通信技术、计算机技术和控制技术是信息技术的四大基本技术，其中现代计算机技术和通信技术是信息技术的两大支柱。信息技术在整个国民经济中处于十分重要的地位，它与生物技术、航天技术、新能源技术和新材料技术都被视为是20世纪的重大科技成果。在新的世纪，它将扮演更为重要的角色。 1.3 人类的五次信息技术革命没有哪项技术像信息技术那样，不但吸引着科学研究和工程技术人员，而且还吸引着经济、社会和政治领域中几乎所有的重要决策人，和数以亿计的自觉或不自觉的信息技术用户。世界各国的发展战略惊人一致地认为，信息技术是实现国家经济和社会发展的最重要手段，也是每一个

15、国家实现或维护自己政治目标的重要手段之一。从信息技术的历史演进来看，它一直推动着人类社会和经济的发展。从语言的产生、文字的创造、印刷术的发明到电报、电话和广播的使用，直至今天电子计算机的普及和卫星通信的发展，人类已进入新的信息革命的高潮。信息的处理技术(从石子、算盘、机械计算器到电子计算机)、存储技术(从新土甲骨、竹简布帛、纸张、唱片和胶片到磁带和光盘)、复制技术(从刻、写、印刷、复印到光电拷贝)、传递技术(从谈话、烽火和驿站、交通和邮政、电线和无线电到卫星和光纤)都在发生相应的变革。电子计算机和现代通信技术问世以来，改变了过去那种信息技术的发展只是属于或伴随着其它技术发展的历史，使信息技术一

16、跃成为领导现代高技术发展的主导技术群，进而成为推动现代社会和现代经济向前发展的强大动力，奠定了人类迈向信息社会的技术基础。古代和近代信息技术奠定了现代信息技术的基础；而现代信息技术的发明创造和普及运用，则是技术发展史上一次前所未有的革命，为人类社会的进步谱写辉煌的篇章。1第一次革命语言的使用最初，人类的信息活动是相当简单的，完全处于一种单纯利用自身生理机能的自然状态。如通过手势、眼神、声音和动作来传递信息，利用感觉器官来获取信息，依靠大脑来加工、存储信息，也正是在这种简单的自然状态的信息活动中，在具体的劳动中，形成了人类的语言，导致了人类历史上第一次信息技术革命。语言的产生，是历史最伟大的信息

17、技术革命，其意义不亚于人类开始制造工具和人工取火。这不仅标志着人类信息活动的范围和效率的飞跃性提高，也表明人类自身的信息活动的能力(接受能力、传递能力、加工处理能力、存储能力等)得到极大的加强，使人类的信息活动第一次从具体走向抽象。2第二次革命文字的使用随着人类信息活动的增加及其范围的扩大，仅仅依靠语言等已经不能满足日常信息传递的需要。在劳动中，人类又逐步地创造了文字符号，使人类语言文字化，实现了人类信息活动史上的第二次变革。信息的符号化，虽然并没有使人类的信息处理发生实质性的变化，却使人类的信息传递和存储发生了革命性的改变，第一次超越人类自身的生理局限和时间、空间、地域的限制。以前仅靠传述或

18、图腾纪录的方式流传的故事，现在可以用文字准确地记录下来，传至永远。用信函可以在超越人们以前所难以想象的距离传递信息。这样，随着文字的出现，人类的信息活动范围更大、质量更好、效果更佳。3第三次革命印刷术的使用公元11世纪(北宋年间)，我国的毕昇发明了活字印刷术，完成了人类史上的第三次信息技术革命，极大地推动了人类社会的进步。这次信息技术革命可以说是第二次信息技术革命的继续。印刷术的发明，虽然并没有使人类的信息活动发生实质性的变化，却使人类信息(特别是文字和图画信息)传递的速度和范围急剧地扩展，使人类信息的存储能力进一步加强，并初步实现了广泛的信息共享。这项技术的成熟是信息技术的一大突破。昂贵而不

19、易保存的布帛和笨重而体积硕大的竹简已经渐趋淘汰，人们能够通过实实在在地写在纸上的文字来传达、交流情感，书籍和报刊成为信息存储和传播的重要媒介。这就是古代信息技术的三个发展阶段。除此之外，在古代人们还广泛地使用了其它手段，如漂流瓶、信号标等来进行信息的传递，用壁画、图形等来储存有关信息。总的来说，在古代信息技术的发展中，除以书信传递为主的信息传递手段和以文字记录为主的信息储存手段比较完整和发达外，古代信息技术，不论是信息获取、传递、储存，都是在人工的条件下实现的。因此，人们的信息活动范围较为狭窄，而且效率低下，可靠性较差。但它的每一步发展，都对近代信息技术及现代信息技术的发展起了至关重要的作用。

20、如果没有声音、文字和印刷术，也就没有今天的电话和网络。4第四次革命信息触“电”近代信息技术的发展，是以电信传输技术的突破为先导的，拉开近代信息技术发展序幕的是美国科学家莫尔斯。1837年，经过10年的努力，莫尔斯终于成功地发明了有线电报和莫尔斯电码。于是，“电这一陌生的主角开始步入信息技术领域，人类的信息活动也终于步人了一个崭新的里程。 19世纪中叶，随着科学技术的发展和进步，在电子学和电子技术的推动下，有线通信、无线通信、卫星通信、图像通信等新的信息传输方式不断涌现，电报、电话、广播、传真、电视等新的信息传输工具的发明和使用又导致了人类历史上最伟大的一次信息技术变革。在这场以电信革命为先导的

21、信息革命中，除了信息处理之外，人类信息活动的一切方面都发生了根本性的变化。以往的语言、图形、文字等传统信息识别形式，被新的电报、电话、收音机、传真、电视等所接发的电磁信号所取代，信息传递方式也从邮政、出版向更加有效的通信广播转变，新的信息存储方式，如磁带、录像带等也开始逐渐占据主导地位。传输介质由纸变为电磁波，实现了不同环境和远近距离下实时信息交流，使人与人之间的信息交流能以听得到、看得见的直接形式进行。电信革命的出现和发展，不仅使人类的信息活动更加丰富、复杂和深入，而且使人类真正认识到信息的实际存在和巨大的意义，开始了对信息及其规律的探索和认识。5第五次革命计算机与通信技术的结合20世纪科学

22、技术飞速发展，带来了大量的数据处理问题，尤其是军事上对导弹轨迹的计算，对改进计算工具提出了更迫切的要求。1946年世界第一台电子计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功，ENIAC的诞生具有划时代的意义。计算机的普及应用，尤其是计算机与信息电子技术和现代通信技术的结合加速了信息的产生、处理和传播，促进了信息社会的发展。以计算机为标志的现代信息技术已成为信息社会的重要技术支柱。 20世纪中叶以来，电子技术以及微电子技术成了这一时期信息技术最主要的实现技术。直到80年代以前，整个信息技术几乎是电子信息技术的独家天下：电子感测技术、电子通信技术、电子计算机技术以及电子化控制技术日渐成熟，并且获得

23、了广泛的应用。电信革命的实现，对人类是一个划时代的进步，对信息技术来说，更是一个历史性的超越。从某种意义上说，信息技术是在电信革命之后，才摆脱其原始的人工状态，真正发展起来的，因此，不少技术史学家认为，现代意义上的信息技术，是在电信革命的洗礼中产生和成长起来的。电子学的发展，特别是半导体技术、微电子技术、集成电路技术等现代科学技术领域的重大突破，又使信息技术产生了革命性的发展，真正成为一种适应现代信息社会需要的高技术。 1.4 现代信息技术的基础技术现代信息技术的发展与微电子技术、计算机技术、光电子技术及通信技术等技术领域的发展是息息相关的，它们构成了现代信息技术的基础。1.4.1 微电子技术

24、微电子技术（Microelectronic Technology）一般是指以集成电路技术为代表，制造和使用微小型电子元件、器件和电路，实现电子系统功能的新型技术学科，它也特指大规模集成电路的制造和运用技术。集成电路的发展至今虽然只有60几年的历史，但其超高速的发展使人类生活发生了巨大的变化。人们日常使用的收音机、录音机、电视机、计算机、微波炉、洗衣机、空调机等都是微电子技术的产物；新型数码产品，如MP3、MP4、数码像机、数码摄像机、手机、DVD等都是微电子技术发展的直接产物。从商业用的收款机、工厂的数控机床、战场上大显神威的巡航导弹到象征着国家科技水平的航天飞机都依靠着微电子技术。那么，什么

25、是集成电路（Integrated Circuit，简称为IC）？图1-2 集成电路内部结构集成电路就是通过各种加工工艺，把电路制作在一个很微小的半导体材料上，这种半导体材料一般是硅(Silicon)。大部分集成电路是制造在厚度为1mm、直径为75mm-150mm的单晶硅(Single Crystal Silicon Wafers)上，在硅表面通过氧化工艺可以生成具有绝缘性能的二氧化硅层（SiO2）。要在致密、稳定的二氧化硅上刻出电路版图必须用光刻技术，光刻过程包括照相制版、曝光显影和化学腐蚀等几个步骤。照相制版是将电路版图照在极平坦的玻璃上，然后在硅片上均匀地涂布一层对光敏感的光刻胶，通过曝光

26、显影工艺就可以将玻璃上的电路版图留在硅片上，最后通过化学腐蚀（一般采用氢氟酸）在硅片上刻出许多窗口，即完成将电路图绘制在硅片上的工作。 电路中的导线和引线要通过金属化技术完成，金属化可以通过真空蒸发或溅射法完成。金属化后再经过划片将大圆片上的集成电路分割下来，分成一个个芯片，随后是装架将芯片装到管壳的基座上，压焊将集成电路引出线的焊脚与管壳的管脚相焊接，封装将管壳加盖或进行软封装。最后经测试合格，就得到集成电路的成品了。IC经历了从小规模集成电路SSI(Small Scale IC)到中规模集成电路MSI（Medium Scale IC）、大规模集成电路LSI（Large Scale IC）、

27、超大规模集成电路VLSI（Very Large IC）、甚大规模集成电路ULSI（Ultra Large Scale IC）直至巨大规模集成电路GSI（Giant Scale IC）的发展历程，现在的IC工艺已经接近半导体器件的极限工艺。以CMOS数字IC为例，在不同发展阶段的特征参数见表12。主要特征SSIMSILSIVLSIULSIGSL元件数/片<102102-103103-105105-107107-109> 109特征线宽(m)5-103-51-3< 10.3-0.5.12-0.18硅片直径(inch)22-34-56812表1-2 集成电路不同发展阶段的特征参数

28、1.4.2 计算机技术图1-3 英国科学家艾伦·图灵计算机是人类制造出来的信息加工工具。如果说人类制造的其它工具是人类双手的延伸，那么计算机作为代替人脑进行信息加工的工具，则可以说是人类大脑的延伸。最初真正制造出来的计算机是用来解决数值计算问题的。二次大战后期，在军事领域所进行的一系列破译密码和弹道计算工作，越来越复杂，大量的数据、复杂的计算公式，即使使用电动机械计算器也要耗费相当的人力和时间，在这种背景下，人们开始研制电子计算机。图1-4 重建的科洛萨斯(Colossus)世界上第一台电子计算机“科洛萨斯(Colossus)”诞生于英国。由英国科学家艾伦·图灵（Alan

29、Turing）（19121954，是国际计算机界公认的计算机科学之父）和汤米·弗劳尔（Tommy Flower）等参与研制的。“科洛萨斯”计算机于1943年12月正式运行。当时正处于第二次世界大战期间，研制“科洛萨斯”的主要目的是为破译经德国“洛伦茨”加密机加密过的密码。使用其它手段破译这种密码需要6至8个星期，而使用科洛萨斯计算机则仅需6至8小时。自从“科洛萨斯”计算机投入使用后，德军大量高级军事机密很快被破译，盟军如虎添翼。有历史学家认为，“科洛萨斯”的出现使二战缩短了两年，拯救了数千生命。战争结束后，它被秘密销毁了，故不为人所了解。20世纪70年代，随着英国政府将一些机密解除，

30、科洛萨斯开始被世人所知。1994年，汤米·弗劳尔和其它一些热衷于此事的学者重建了“科洛萨斯”（见图1-4），并将其保存在英国布莱切利公园的博物馆内（Bletchley Park Museum）（二战期间，“科洛萨斯”计算机诞生地和图灵领导的破译小组的工作地）。尽管第一台电子计算机诞生于英国，但英国并没有抓住由计算机引发的技术和产业革命的机遇。相比之下，美国抓住了这一历史机遇，鼓励发展计算机技术和产业，从而崛起了一大批计算机产业巨头，大大促进了美国综合国力的发展。1943年美国国防部门组织了由莫奇利（Mauchly）和埃克脱领导（Eckert）的ENIAC (Electronic Nu

31、merical Integrator Analyzer and Computer)研制小组，1946年研究工作获得成功。ENIAC重30吨，使用了19,000个真空管，同时使用了1,500个继电器和成千上万个电阻、电容和电感，耗电200KW，总耗资500,000美元。图1-5 电子管的外形图1-6 晶体管的外形计算机产生后，其硬件系统的后续发展与微电子技术、集成电路技术的发展是紧密相关的。一般认为，计算机的发展已经经历了四代，第五代计算机正处于研制阶段。到1956年，全世界已经生产了几千台大型电子计算机，其中有的运算速度已经高达每秒几万次。这些电子计算机都以真空管为主要组件，所以叫真空机计算器

32、。利用这一代电子计算机，人们将人造卫星送上了天。这就是第一代计算机。第二代电子计算机是晶体管计算机。1956年，美国贝尔实验室用晶体管代替真空管，制成了世界上第一台全晶体管计算机Leprechaun，它使计算机的体积、重量、耗电都大为减少。至60年代，世界上已生产了3万多台晶体管计算机，运算速度达到了每秒300万次。图1-7集成电路的外形第三代电子计算机是中小规模集成电路计算机。1962年，美国得克萨斯公司与美国空军合作，以集成电路为计算机的基本组件，制成了一台实验性的样机。在这时期，计算器的体积、功耗都进一步减少，可靠性却大为提高，运算速度达到了每秒4000万次。第四代电子计算机是大规模集成

33、电路计算机，一般认为是从1970年开始的。现在，巨型机的运算速度已达到每秒几亿次，在科学研究和经济管理中起着不可替代的作用；而微型机则使计算机的体积与成本大幅度减少，并渗透到工业生产和日常生活的各个角落。今天，要制造一台具有ENIAC同样功能的计算机，体积只要有它的百万分之一也就足够了。第五代电子计算机的研制工作已经开展多年，无论是梦幻式的超导计算机，还是光计算机、生物计算机、人工智能计算机，都已取得了一定的进展。这一代计算机的速度将达到每秒万亿次，能在更大程度上仿真人的智能，并在某些方面超过人的智能。1.4.3 光电子技术光电子技术（Optoelectronic Technology）是电子

34、技术的一个分支，它主要涉及电磁波谱（Electromagnetic(EM) Spectrum）的光波段，即红外线、可见光、紫外线和软射线部分的电磁辐射。图1-8为电磁波谱图，它是一系列不同频率辐射的总称可见光（Visible Light)、无线电波（Radio Waves）、微波(Microwaves)、红外光（Infrared）、图1-8 电磁波谱图紫外光(Ultraviolet)、X-射线(X Rays)、-射线(Gamma Rays)。光电子技术在实际中的应用主要涉及以下几个方面：激光器及其应用、红外探测器及其应用、CCD（Charge Coupled Device）（电荷藕合器件图像传

35、感器）及其应用、光纤光缆及其应用、光存储技术等。光电子技术的历史可以追溯到19世纪中叶，1873年，英国人W.R·Smith发现了硒的内光电效应（Internal Photoelectric Effect）（由于半导体表面的电子吸收外界的光子，使其导电性能增强的现象)。1988年，德国科学家H.R·赫兹发现当紫外线照射到金属上时，能使金属发射带电粒子，后经P·勒纳证实(1890年)，这种带电粒子为电子，由此发现了外光电效应（External Photoelectric Effect）(在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应)。图1-1

36、0 光敏电阻（相机中的测光部件）图1-9 数码相机中的CCD图像传感器光电效应的发现导致各种光敏传感器的产生，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、光电耦合器、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等，这些光敏传感器已被广泛地应用于各种家用电器、工业、军事仪器设备中。例如，在数码相机中用于代替传统胶卷的部件就是CCD图像传感器，它是数码相机的关键技术，CCD的分辨率被作为评价数码相机档次的重要依据。它就是利用光电效应制成的表面光电器件，可以实现把光信号转换为电信号，下图为数码相机中所安装的CCD器件。而基于内光电效应的光敏电

37、阻被广泛应用于光控系统以及相机的测光部件中。另一类主要的光电器件是红外探测器，它自60年代以来，在军事需求和半导体工艺技术驱动下得到了突飞猛进的发展。红外线是人眼看不到的一种光线，它处在红光以外的光谱区，因此称为红外线。早在1800年，英国天文学家赫谢尔在研究太阳光的热效应时，就发现了红外线，由于红外线与温度紧密相关，因此，又被称为热线或热辐射。在自然中，任何高于绝对温度（-273度）的物体都将产生红外光谱，因此可以说，自然界中的所有物体都有红外线辐射，都是发射红外光的发光体。图1-11红外探测器红外探测器就是用来检测红外辐射存在的器件，它能把接收到的红外辐射转变成电流等容易测量的电量。目前，

38、在楼宇系统中安装的红外报警器就是红外探测器的典型应用。人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长为10m左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10m左右的红外线而进行工作的。人体发射的10m左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上，红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，经后续电路检测处理后就能产生报警信号。图1-12 梅曼与第一台激光器光电子技术的另一个主要应用领域是激光（Laser）。激光的理论基础是由爱因斯坦在1916年奠定的，当时，他提出了光的发射和吸收可以经过受激吸收、受激辐射和自发辐射三

39、种过程的假设。但是，直到1954年，美国C.H·汤斯才根据这个假设研制成微波激射器。1958年，C.H·汤斯与A.L·肖洛将微波辐射的原理推广到红外各可见光波段，引入了激光的概念。1960年，美国的T.H·梅曼研制成红宝石激光器世界上第一台激光器，此后各类激光器层出不穷，并在各领域得到广泛应用。激光和我们所熟悉的日光、灯光以及用人眼看不到的紫外线、红外线、无线电波等一样，都是电磁波。所不同的是，激光是一种受激辐射产生的光波，而普通光则是一种自发辐射的光波。普通光是一种由原子中的电子从高能态向低能态跃迁而向各个方向无规则地自发辐射的光波，其波长和相位都是杂

40、乱无章，持续时间极短并以指数形式急剧衰减。而激光作为一种人造光波，虽然也是由大量的原子、分子所发射的，但在时间上、空间上相位完全保持一致。因此，激光具有以下神奇特性：1单色性：人们用眼睛可以感觉到不同的颜色，是由于光波具有不同的波长所致。如果一个光源发射光波包含的波长范围越窄，则其颜色就越单纯。激光是世界上发光颜色最纯的光波。2光的强度最强：由于激光发光时间最短、发光面积和发光立体角最小，所以激光是当今世界上最亮的人造强光源，它的亮度比自然界最强的光源太阳还大几百亿倍。3方向性好，发射角最小：激光几乎只沿着一个方向传播，其发射角仅0.1度左右，所以激光可以射得很远，从地球射到月球，长达约40万

41、千米，其光斑直径不超过200米，这是其它光源绝对无法相比的。4相干性：这是激光与普通光源最重要的区别，主要体现在光的波长的一致性、相位的一致性和方向的一致性如今，你只要稍加留意，会发现激光就在我们身边：激光唱机的动听乐曲不断回荡在楼宇之间；激光影碟机悄然走进了千家万户；商场里商品贴的是激光防伪标志；激光照排则包揽了所有的报刊杂志。我们远隔千里就可以同亲人朋友通话，也是激光的功劳，因为光纤传送的正是激光。激光雕刻细致入微、精确无比，可在钢板、水晶等高强度材料上雕刻，广泛应用于工业打标、激光成型、礼品标牌。近年来，激光技术发展的速度十分惊人，应用的范围不断拓展，如激光保鲜、激光育种、激光医疗、激光

42、美容等等，已成为科技人员研究的热门领域。 过去，人们还在为常温下蔬菜保鲜绞尽脑汁，现在激光已经轻而易举地解决了这一问题。比如蔬菜远距离运输，装运前用激光扫描一次就够了，途中十天八天仍新鲜如常。原理很简单，激光能量大时可抑制蔬菜的生长；反之，其能量适合它的生长条件可催生，所以激光育种又推广开了。用激光照射种子能够引起作物的性状发生变异，可以提高农作物的产量。 图1-13 光纤之父-高锟在医疗方面，激光也崭露头角。如果你患了近视又不愿意戴眼镜，激光可以解除你的烦恼，用激光做眼科手术快捷又安全。激光束可以聚集到比针尖还小的范围内，丝毫不会损伤发病区以外的正常组织，而且手术的时间极短，大约不到千分之一

43、秒。如果患了胃结石、胃息肉，以往要开刀，现在只需从口腔中插一根管子进胃，用激光将结石炸碎，将息肉烧掉，短期内即可痊愈。治疗肿瘤也是激光的拿手好戏。可以说，在众多医疗领域都有激光的杰作。 光导纤维技术（简称光纤技术（Fiber）)近几年得到了广泛的应用，它是光电子技术新兴的应用领域。光纤技术起源于1966年，由被誉为“光纤之父”的英籍华人高锟等提出了实现低损耗光学纤维的可能性，为光纤通信和光纤的其它应用开辟了道路。1970年，美国研制出损耗为20dB/km的石英光纤和室温下连续工作的激光二极管，使光纤通信成为现实可能。图1-14 光纤剖面结构示意图光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层，中心是光

44、传播的玻璃芯。在多模光纤中，芯的直径是15mm50mm，大致与人的头发的粗细相当；而单模光纤芯的直径为8mm10mm，芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光纤保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆、易断裂，因此需要外加一保护层。图1-14为光纤结构的示意图。光纤的导光机理是利用光在介质界面上的全反射原理来传导光能的。由于纤芯的折射率大于包层的折射率，因此，如果纤芯中的光线以大于一定倾斜角射入界面时，就会发生全反射。光纤通信就是以光波为载波，以光纤为传输介质的信息传输系统，它

45、由发送、传输和接收三部分组成，基本结构见图1-15。在发送端，由电光转换器将需要传递的信息，如话音、图像、数据等电信息变换为光信息。目前，主要通过半导体激光器中发光二极管进行电光转换，将电信号调制成携带有信息的光波，这种光波能通过光纤进行长距离传输。接收部分由光电探测器将接收的光信号进行光电转换，检测出传递的电信息，完成信息传输。图1-15 光纤通信系统总之，光电子产业是21世纪市场潜力巨大、产值迅猛增长的高新技术支柱产业。在1998年，全世界光电子产业总产值实现1400亿美元；2000年，已达到1800亿美元；估计到2010年，产值将达到4500亿美元。难怪实业界人士惊呼，20世纪是微电子的

46、世纪，21世纪将是光子的世纪。有关通信技术的介绍，我们将放在后续章节中。1.5 信息技术的新发展1.5.1量子信息技术（Quantum Information Technology）有关量子的众多说法已经被大众所熟知，如： 量子特性在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限。 一个250量子比特（由250个原子构成）的存储器，可能存储的数达2250，比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。 用量子搜寻算法攻击现有密码体系，经典计算需要1000年的运算量，量子计算机只需小于4分钟的时间。那么，究竟什么是量子？简单地说，它就是自然的一种本性分立性或非

47、连续性。日常经验告诉我们，物体的运动是连续的，物体性质的变化也是连续的。而经典理论牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论也正基于这样的假设，并且它的预测已经被大量的实验所证实。1900年12月14日，在德国柏林亥姆霍兹研究所举办的德国物理学会会议上，来自柏林大学的普朗克教授公布了自己关于热辐射规律的最新研究结果。普朗克首先报告了他在两个月前发现的辐射定律，这一定律与最新的实验结果精确符合（后来人们称此定律为普朗克定律）。然后，普朗克指出，为了推导出这一定律，必须假设在光波的发射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，或者说，物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量，能量值只能取某个最小能量元的整数倍。为

48、此，普朗克还引入了一个新的自然常数 h = 6.55 ×10-27 erg·s。这一假设后来被称为能量量子化假设，其中最小能量元被称为能量量子，而常数 h 被称为普朗克常数。普朗克所提出的能量量子化假设是一个划时代的发现，能量子的存在打破了一切自然过程都是连续的经典定论，第一次向人们揭示了自然的非连续本性。普朗克的发现使神秘的量子从此出现在人们的面前。图1-16普朗克教授（德）1900年对于科学来说无疑是一个新的开端。这一年，诺贝尔基金委员会成立，从此代表科学界最高荣誉的诺贝尔奖开始颁发；这一年，希尔伯特在国际数学家大会上提出了著名的23个问题，为新世纪勾勒了一幅美丽的数学

49、画卷；也正是在这一年，普朗克发现了量子，人类从此迈入了辉煌的量子时代。由于量子特性在信息领域中有着独特的功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限，于是便诞生了一门新的学科分支量子信息科学。量子信息科学是量子力学与信息科学相结合的产物，近年来，在量子密码、量子通信、量子计算和量子测量领域的理论和实验研究上已经取得了重要突破，引起各国政府、科技界和信息产业界的高度重视。人们越来越坚信，量子信息科学为信息科学的发展开创了新的原理和方法，将在21世纪发挥出巨大潜力。 1. 量子计算 量子信息的单元称为量子比特（Qubit），它是0和1两个逻辑态

50、的叠加态，换句话讲，它可以同时存储0和1。考虑一个由N个物理比特组成的存储器，若它是经典存储器，则它只能存储2N个可能数据当中的任一个；若它是量子存储器，则它可以同时存储2 N个数，而且随着N的增加，其存储信息的能力将指数上升。例如，一个250量子比特的存储器（由250个原子构成）可能存储的数达2250，比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。 由于数学操作可以同时对存储器中全部的数据进行，因此，量子计算机在实施一次的运算中可以同时对2 N个输入数进行数学运算。其效果相当于经典计算机要重复实施2N次操作，或者采用2N个不同处理器实行并行操作。可见，量子计算机可以节省大量的运算资源（如时间、记忆单

51、元等）。 为开拓出量子计算机巨大的并行处理能力，必须寻找适用于这种量子计算的有效算法。1994年，贝尔实验室的应用数家Shor发现第一个量子算法，它可以有效地用来进行大数因子分解。大数因子分解是现在广泛用于电子银行、网络等领域的公开密钥体系 RSA安全性的依据。采用现有计算机对数N（二进制长度为 logN）做因子分解，其运算步骤（时间）随输入长度（logN）指数增长。迄今在实验上被分解的最大数为129位，1994年在世界范围内同时使用1600个工作站花了8个月时间才成功地完成了这个分解。若用同样计算功能来分解250位的数则要用80万年，而对于1000位的数，则要有1025年。 图1-17 应用

52、数学家Shor与此相反，量子计算机采用Shor算法可以在几分之一秒内实现1000位数的因子分解，而且操作时间仅随输入数的3次方增长。可见Shor量子算法将这类“难解”问题变成“易解”问题。在量子计算机面前，现有公开密钥 RSA体系将无密可保。Shor的开创性工作有力地刺激了量子计算机和量子密码术的发展，成为量子信息科学发展的重要里程碑之一。 然而，量子计算的实现在技术上遇到严重的挑战。实现量子计算必须解决三个方面的问题：一是量子算法，它是提高运算速度的关键；二是量子编码，它是克服消相干的有效办法；三是实现量子计算的物理体系（即多个量子比特的量子逻辑网络）。各国科学家正从不同途径来探索实现可扩展

53、的量子逻辑网络的方法，虽然不断取得进展，在自然、科学上每年都有许多重要进展发表，但仍未根本上突破，这个领域仍处于基础性的探索阶段。 2. 量子密码 现代保密通信原理是这样的：假定甲和乙要进行保密通信，甲采用密钥 K（随机数）将她要发送给乙的明文通过某种加密规则变换成密文，然后经由公开的经典信息通道传送给乙，乙采用密钥 K通过适当的解密规则将密文变换成为明文。这个过程如果能够有效地防止任何非法用户的窃听，那就是安全的保密通信。 Shor量子算法证明，采用量子计算机可以轻而易举地破译现有的公开密钥体系。这就对现有保密通信提出了严峻挑战。解决这个问题的有效途径是量子密码术。量子密钥体系采用量子态作为

54、信息载体，经由量子通道传送，在合法用户之间建立共享的密钥（经典随机数）。 目前美、英、瑞士等国正致力于这方面的研究并在实验上取得重要进展，已经在光纤上实现67公里的密钥传送，在自由空间中实现10公里的密钥传送。西方国家的目标是在近5年之内实现量子密码实用化，目前在技术上遇到的主要困难是：如何增加量子密钥传输距离。有待突破的重要关键技术有两个。一是红外（1.3微米、1.5微米）单光子探测器。这是因为光纤量子密钥传输是采用单个光子来实现的，光纤损耗阻碍着传输距离的提高，1.3微米和1.5微米是现在所使用的光纤损耗最小的波长，现有成熟的单光子探测器工作波长在可见光，理论上光子在光纤中传输的极限距离约

55、为20公里。因此实用的红外单光子计数器成为关键性问题。二是单光子光源，现在量子密码研究中所使用的单光子光源是将相干光脉冲衰减到平均每个脉冲只有0.1 0.2个光子，这是一种近似的单光子源，其效率低，既影响量子密钥的传输距离，又影响其安全性。因为这种光源有可能在一个脉冲中同时出现两个光子，因此研制真实的单光子源成为量子密码研究的另一个关键性问题。美国、日本、西欧正在大力开展这些关键技术的研究，最近在自然、科学上也报导了一些重要进展，但仍未获得根本上的突破。 3. 量子通信 在科幻电影或神话小说中，常常有这样的场面：某人突然在某地消失掉，其后却在别的地方莫明其妙地显现出来。从物理学角度，人们可以这

56、样地想象隐形传送的过程：先提取原物的所有信息，然后将这个信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元（如原子），制造出原物完美的复制品。遗憾的是，量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息，这个复制品不可能是完美的。因此长期以来，隐形传物只不过是种幻想而已。 1993年Bennet等发表一篇开创性的论文，提出量子隐形传态的方案：将某个粒子的未知量子态（即未知量子比特）传送到另一个地方，把另一个粒子制备到这个量子态上，而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对

57、原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息。接收者在获得这两种信息之后，就可制造出原物量子态的完全复制品。这个过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子（甚至可以是与原物不相同的粒子）处于原物的量子态上。原物的量子态在此过程中已遭破坏。 1997年年底奥地利研究组首先在实验上演示成功这种量子隐形传态，论文发表在自然上，引起国际学术界的极大兴趣。在这之后，有若干研究组相继在实验上实现了这种量子隐形传态。 1.5.2 生物信息技术（Bioinformatical Technology）谈到生物信息技术，通过媒体大家会对克隆羊、基因组、转基因等报道有一定的印象，可见生物信息技术已经在不知不觉中渗入了我们的生活，那么什么是生物信息技术？生物信息技术都包含哪些内容呢？生物信息学（Bioinformatics）是生物学与计算机科学以及应用数学等学科相互交叉而形成的一门新兴学科