人工光合作用技术是指研究人员仿效自然界的光合作用，利用纳米大小的光感应材料将光能转换成电能，由此产生氧化还原酶反应。简而言之，这是一种利用光能生成精密化学物质的技术。这种人工光合作用技术有望成为绿色生物工程研发的开端，凭借该技术能够利用太阳能生产具有高附加值的各种精密药品。近年来，环境污染与能源枯竭成为全世界的头等难题，一方面人类工业文明对煤炭、石油等化石能源的需求日益增大，导致这些资源日渐枯竭；另一方面，化石能源的使用还会导致气候变暖和环境污染，已严重威胁人们的生存。这两方面彼此关联，相辅相成，只要解决其中一个，另一个也就迎刃而解。寻求高效清洁的可再生能源成为世界科学家的共同课题，而其中太阳能又以其长寿、无限、大功率、无公害、可现场获得等优点而倍受青睐。目前人类所使用的化石燃料几乎都是远古的植物以还原碳元素的形式固定下来的，因为有了植物这个载体，在燃烧时势必会产生废气、废渣等大量有毒物质以及随之而来的温室效应、臭氧层破坏等。另外，人类对太阳能的利用率很低，即使是转化效率较高的硅太阳电池也由于其获得电能的价格远远高于常规方法而不能大规模市场化。大家也许不知道，只要阳光照射地面1小时，就可产生满足所有人类1年所需的能量。一方面是日益紧迫的新能源开发需求；另一方面是现成的太阳能无法有效利用。这种种困境和矛盾促使科学家寻找更加可行的方法利用太阳能。其实，有一种方法就在我们身边，天天都在进行，大自然早就给我们做出了标准而高效的光转化作用模式，那就是一一光合作用。
植物光合作用的多样性光合作用既是生物学中最古老的问题，也是当前生物学的前沿之一，因为它不仅在农业，能源，生态等问题中具有重大实际意义，而且在生命起源，进化与光能转换等生物学基本理论问题中也很重要。但自1771年Priestley发现光合作用以来，光合作用的原初过程仍不很清楚，而对光合作用碳素同化的化学过程却有了比较清楚的认识和了解。总的来讲，绿色植物（尤其是高等植物）在不同自然环境中不仅表现广泛的适应性，而且表现光合作用方式的多样性。1．光合作用的多种途径据目前所知，所有绿色植物光合作用的原初反应（包括光物理和光化学）都是通过捕获光能产生ATP和NADPH（即同化力），但随后发生的CO2固定还原过程则存在着较大的种间差异。研究表明，所有绿色植物都具有一种最基本的光合碳代谢方式，即著名的卡尔文循环（因其发现者而得名）或光合碳还原循环，亦称C3途径或C3方式。该途径的生化过程十分复杂，在此不予赘述。由于有的植物同时具有多种光合方式，通常称只利用这一方式的植物为C3植物。这类植物主要分布在温带地区，其同化CO2的最适日温是15-25℃。光合作用的另两种变异途径是C4途径和景天科酸代谢（CAM）途径。具有C4途径的植物通常生长在热带地区，其同化CO2的最适温度是25-35℃，光合效率显著提高，称为C4植物；具有CAM途径的植物通常生长在干燥的沙漠地区，且白天进行光反应，晚上固定CO2合成有机酸，使有机酸含量表现明显的日变化，称为CAM植物。这两类植物与C3植物在叶片解剖结构及某些生理特性方面均有显著差异。此外，C4植物的光合作用还有三种变式，即PEP－CK型C4植物，NAD－ME型C4植物和NADP-ME型C4植物，这三类C4植物都具有相似的叶片解剖结构，即花环状维管束和具叶绿体的维管束鞘，其主要差别是产生的中间产物和脱羧酶不同。PEP-CK型C4植物在叶肉细胞内固定CO2形成草酰乙酸，然后转变为天冬氨酸传导至维管束鞘细胞，经丙酮酸磷酸双羧酶脱羧，其碳架以丙酮酸或丙氨酸重新返回到叶肉细胞；NAD-ME型C4植物在叶肉细胞中固定CO2形成天冬氨酸并传导至维管束鞘细胞，然后转化为苹果酸．并在线粒体内脱羧，其碳架再以丙酮酸或丙氨酸转回到叶肉细胞；NADP-ME型C4植物在叶肉细胞固定CO2形成草酰乙酸，而后转化为苹果酸，并被输送到维管束鞘细胞中，在叶绿体内经苹果酸脱羧酶氧化脱羧，产生的碳架以丙氨酸重新返回叶肉细胞。以上三类C4植物在维管束鞘细胞内脱羧后，产生的CO2最终还是通过C3途径被还原，C4途径实际上只起“CO2泵”的作用，以增加反应位置CO2的浓度，从而显著提高光合效率。2．不同光合途径的判定叶片的解剖学特征通常可用来区分C3，C4和CAM植物，但由于光合作用主要是生化反应过程，因此时有例外发生。鉴于此，目前已发明了数种用以区分植物不同光合类型的其他方法，如δ13C（13C／12C同位素比），光呼吸，光照后CO2的猝发以及相对光合效率等，其中以δ13C的测定最为可靠。δ13C是近来发展起来的一种新的检测技术，主要依据是C3途径中的 RuBP羧化酶比C4途径中的PEP羧化酶对13CO2具有更大的排斥性，即在13CO2和12CO2中C4植物比C3植物更易消耗13CO2，因此，C4植物有机质中的13C／12C要比C3植物有机质中的13C／12C更大。13CO2和12CO2含量的测定是以国际标样（即普通石灰岩CaCO3）为对照，通过焚烧干燥的植物材料测定的。最后根据下式计算出δ13C（‰）值，即：从上式可以看出，如果在光合作用的碳固定期间13C／12C没有变化，δ13C（‰）将等于零；如果对13CO2有排斥，δ13C（‰）将是一个负数，排斥能力愈大,δ13C（‰）负值也越大。实验证明，在25℃和条件下，PEP羧化酶的δ13C（‰）是-3‰，而在24℃和条件下，RuBP羧化酶的δ13C（‰）是％，这清楚地表明，RuBP羧化酶对13CO2具有比PEP羧化酶更大的排斥性。当温度升高（37℃，）时，RuBP羧化酶的δ13C（‰）显著变负的程度要小一些（‰），这与C3植物光合作用的最适温度偏低（15-25℃）相一致。应用此法目前已测得C3植物的δ13C（‰）在-23到-34‰之间，C4植物的δ13C(‰)在-10到一18‰之间，并据此发现了一些δ13C(‰)居于C3植物与C4植物之间的C3／C4中间类型植物。对于CAM植物来说，得到的δ13C(‰)在-14到-33％之间，显然较低的值落在C4植物的δ13C（‰）范围内，而较高的值则落在C3植物的δ13C（‰）范围内。对此种情况的解释是，许多CAM植物在变化着的环境条件中，能够从光合作用的C3方式转变到CAM，反之亦然。从上新世到二叠纪的代表性化石植物材料中得到的δ13C（0／00），都在现代典型的C3植物范围内，并且目前古老植物中也很少发现有CAM植物存在，这表明植物自来到陆上以来，C3途径就作为一个固定空气中CO2的主要方式进行着。而C4途径和CAM途径似乎比C3途径进化较晚，是C3途径对环境变化的一种适应性反应。3 光合作用多样性与植物系统演化的关系在当今纷繁众多的植物世界中，要理出一条清晰合理的植物系统演化线索是很困难的。除了传统的研究手段外，唯一可凭藉的有说服力的证据是埋在不同地层中的植物化石材料。目前普遍认为，太古代和元古代是细菌，蓝藻繁生的单细胞生物时代；右碳纪是羊齿植物隆盛的时代，三叠纪和侏罗纪为裸子植物时代；被子植物的出现则更要晚得多。显然，在不向地质时代中植物进化的等级是显而易见的。植物的系统演化无不伴随着一系列生理结构和代谢机能的重大改变和调整，其中一个重要的变化就是光合作用的多样性反应。光合细菌和蓝藻可谓最低等的光合生物，其光合结构和光合方式较之高等植物要原始简单得多。就光合碳代谢而言，C3途径最早是在单细胞真核绿藻中发现的，后来被证明是光合生物中碳转化的普遍过程，但同时发现包括现代海藻在内的许多绿色植物还存在其他光合途径，如目前人所供知的C4，CAM等。单子叶禾本科被认为是进化程度很高的被子植物类群，其适应性特强，分布极广是众所周知的。研究表明，该科差不多存在几乎所有的光合作用类型，并且公认较原始的竹亚科只有C3型，而进化较高级的虎耳草亚科和须芒草亚科等均为C4型，有些亚科如芦竹亚科等既有C3型，又有C4型。因此，在这种“高级进化科”中研究光合作用的多样性及其进化关系是很有代表意义的。4 结束语据有关地质资料，地球自形成以来，在漫长的演变过程中，地质地层结构已发生了多次剧烈的变化。不难想象，定居于各个地质时代的绿色植物也会发生相应的代谢改变与适应。Hallersley和Watson(1992)曾分析不同光合作用途径与过去气候变化的关系。由于现代工业文明的发展与进步，大气中的CO2浓度的持续增加已达一个世纪之久，全球气温升高也成为一种必然趋势，面临种种变化，尤其是CO2和温度这两个影响光合作用的重要因素的改变，绿色植物的光合代谢将作出怎样的响应？对这一问题的探讨和回答无疑是很有意义的，不仅在理论上对生理学工作者将有所启示，并可能对现代农业的增收提供有益的指导。
鲨鱼皮肤－泳衣 一件泳衣，在悉尼奥运会上改变了世界泳坛的格局。几乎大半金牌得主都穿上一种特殊的泳衣———连体鲨鱼装。这种鲨鱼装仿造了海中霸王鲨鱼的皮肤结构，泳衣上设计了一些粗糙的齿状凸起，能有效地引导水流，并收紧身体，避免皮肤和肌肉的颤动。 此后，仿生泳衣越仿越精。第二代鲨鱼装又增加了一些新的亮点，加入了一种叫做“弹性皮肤”的材料，可使人在水中受到的阻力减少4％。此外，还增加了两个附件，附在前臂上由钛硅树脂做成的缓冲器能使运动员游起来更加轻松；附在胸前和肩后的振动控制系统能帮助引导水流。 海蜇－水母耳 每当风暴来临前，最古老的腔肠生物海蜇仿佛能未卜先知，早早就离岸游向大海避灾。原来，海蜇有个“顺风耳”，其“耳”（细柄上的小球)中有小小的听石，上面布满神经感受器，能听到风暴产生时发出的次声波（由空气和波浪摩擦而产生，频率为8赫兹-13赫兹，传播比风暴、波浪的速度快）。 模拟海蜇感受次声波的器官，科技人员设计出一种“水母耳”仪器，可提前15小时左右预报风暴。它由喇叭、接受次声波的共振器和把这种振动转变为电脉冲的转换器以及指示器组成。将这种仪器安装在船的前甲板上，喇叭做360°旋转。当它接收到8赫兹－13赫兹的次声波时，旋转自动停止，喇叭所指示的方向，就是风暴将要来临的方向。指示器还可以告诉人们风暴的强度。 仿生成果走向产业 京沪两地科学界级别最高的“香山科学会议”和“东方科技论坛”最近联合就仿生学召开学术研讨会，此举在科学界引起不小震动:为何给予仿生学如此高规格？ 缘自国际科研和高新技术产业的竞争态势。越来越多的科学家认识到：模仿自然更有无限的潜力和机会，更有可能提升原始创新的能力。 人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历了约35亿年。大自然的奥秘不胜枚举。每当我们发现一种生物奥秘，就有可能成为我们一种新的设计可能性，也可能带给我们新的生存方式，仿生思维就是在大自然中寻找解决问题的方程式。10年前，许多国家就开始通过仿生学，提升科技创新活力和产业能级。在美国，有一项长期研究计划与仿生科技紧密相关，其优先发展的先进制造、先进材料和先进军事装备等，不少是从模拟与仿真入手；德国研究与技术部已就“21世纪的技术”为题，从仿生学出发，在电子技术、纳米技术、富勒碳材料、光子学、材料、生物传感器等领域投入了相当大的财力和人力；英国、日本、俄罗斯以及韩国等国都有相应的仿生科技和仿生产业中长期计划,在先进制造、材料、生物技术、高性能计算与通信计划等领域开展基础性研究。 仿生成果已不断涌现，并开始从基础研究发展到商业化竞争阶段。中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究员杜家纬介绍，这些仿生学成果应用于经济、军事和人类卫生事业后，在全球经济中所创造的份额会越来越大。如德国轮胎设计专家根据跑行中的猫前爪垫的功能和蜘蛛网的柔顺结构及其稳定性，设计出一种AMC垫型轮胎，其表面的柔软性和硬性网状结构设计，具有较大的抓地性和运行精度，增加了轮胎与地面的摩擦力，使刹车距离从现在的19米缩短为9米，大大提高了安全性。这种轮胎已完成了实地试验，一旦投产，对世界轮胎业产生的冲击可想而知。又如，德国米勒公司新设计的一款洗衣机内桶表面结构仿造蜂巢和龟背壳形状，所洗的衣服非常干净，但洗涤过程却非常柔顺，不伤衣料。据统计，我国每年洗衣机更新量为500万台，有关专家已经担忧，一旦这种仿生洗衣机进入市场，将大大挤压我国的洗衣机市场。 将仿生研究纳入国家战略 机器人、纳米自洁涂料、生物农药……仿生科研在本市和全国其它城市的不少领域已有开展，但始终难以形成规模产业，缘于仿生学缺乏系统的研究规划和研究体系，因此源头创新性研究还远远不够。为此有关专家认为，科研主管部门、科技界和产业界都应转变观念和视角，从模仿国外转变为模仿自然，向大自然汲取科技创新的灵感。 据了解，我国当前优先发展的高技术产业化重点领域共有141个方面，其中将近有30个领域与仿生学相关。例如:光传输系统，生物医学材料及体内植入物和人造器官，生物反应器及分离技术与成套设备，医药新剂型，新型医用精密诊断及治疗仪器，新型材料－纳米材料，膜工程技术，子午线轮胎生产技术及关键设备和原材料，新型传感器，工业机器人及机器人自动化生产线，环境与污染源监测仪器及自动监测系统，高效、安全新农药、兽药及生物防治技术，新型墙体材料等。由此可见，加强仿生科研和仿生成果的转化，将使我国的高新技术产业的质与量都产生飞跃。 杜家纬介绍，21世纪的仿生学，正朝着微观、系统、智能、精细、洁净方向发展，更多地表现为将生物系统构造和生命活动过程融合到技术创新的设计思想中去。当前仿生结构和力学的研究在国际上受到高度关注，研制微型飞行器，机器昆虫和机器鱼等正形成热潮。在新材料研究方面，世界各国也都将目标放在模仿生物界的结构，如海洋壳类构造、蜘蛛丝、植物表面超微结构、动物角趾皮肤等等。 仿生学是多学科的交叉，需要多学科的专家，尤其是生命科学家和工程技术专家的共同关注与参与。专家呼吁：要将仿生学的发展放在国家重要战略地位加以考虑，把握21世纪国际仿生学的发展方向和前沿，加强原始创新研究，从仿生结构与力学，仿生材料与微纳系统，仿生功能器件及控制，分子仿生，神经和信息科学等五大“仿生科学与技术”系统性基础研究方向，建立复杂生物体系的研究与发现体系。在仿生材料,仿生工艺，仿生机械，仿生功能器件，微纳米仿生技术，仿生传感器，基因仿生工程，组织仿生工程，生物膜仿生工程和人工智能等10个前沿领域，加强仿生研究和产业孕育。
人工光合作用的研究内容有两个：光催化的水分解和光催化的二氧化碳还原。具体的科学问题这里不讨论，我只提一点，就是目前人工光合作用的研究有一个逻辑上的困境：以光解水为例，当前光解水的研究都集中在将光敏材料与催化剂集成在一起，做成光催化剂（A, photocatalysis）或者光电化学池（B, photoelectrochemical cell）,不仅技术困难（合成光敏剂，合成催化剂，匹配半导体，构建电子传递通路）,而且成本高昂（贵金属光敏剂或催化剂，半导体），最后能量转化效率(solar-to-fuel efficiency)还非常低（<1%），费时费力不讨好。目前成熟的太阳能电池板能量转化效率在20-30%左右，而商用电解水装置的效率大概在70-80%左右，如果把这两者串联，那么总的能量转化效率solar-to-fuel efficiency也在20%左右，远远高于目前人工光合作用的最高效率（——其实这个效率也是用钙钛矿太阳能电池与电解水装置串联取得的， 严格意义上也不属于传统的光解水），而且还很便宜。
研究光子晶体带隙有用途:1. 与纳米技术相结合，用于制造微米级的激光，硅基激光;2. 与量子点结合，使得原子和光子的相互作用影响材料的性质，从而达到减小光速、减小吸收等作用3. 光子晶体光纤应用随着社会的发展，显赫一时的半导体器件已经不能满足信息技术发展的需要，必须寻找信息传输速率更高，效率更高的新材料。普遍认为，光子技术将续写电子技术的辉煌，光子晶体将成为未来所依赖的新材料。4. 狄拉克锥在光子晶体中的实现
迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体的出现使信息处理技术的全光子化和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。光子晶体近期在国际上的应用进一步深化，具体表现在：1. 与纳米技术相结合，用于制造微米级的激光，硅基激光；2. 与量子点结合，使得原子和光子的相互作用影响材料的性质，从而达到减小光速、减小吸收等作用3. 光子晶体光纤应用随着社会的发展，显赫一时的半导体器件已经不能满足信息技术发展的需要，必须寻找信息传输速率更高，效率更高的新材料。普遍认为，光子技术将续写电子技术的辉煌，光子晶体将成为未来所依赖的新材料。4. 狄拉克锥在光子晶体中的实现 光子晶体的理论研究始于上世纪80年代末期。虽然1987年Yablonovitch和John就提出了光子晶体的概念，但直到1989 年，Yablonovitch和Gmitter首次在实验上证实三维光子能带结构的存在，物理界才开始大举投入这方面的理论研究。由于光子晶体有类似电子晶体的结构，人们通常采用分析电子晶体的方法结构电磁理论来分析光子晶体的特性，并取得了和试验一致的结果。主要的方法有：平面波展开法（planewaveexpansionmethod简称：PWM）、传输矩阵法（transfermatrixmethod简称：TMN）、有限差分时域法（finitedifferencetimedomain简称：FDTD）和散射矩阵法（scatteringmatrixmethod简称：SMM）等。平面波展开法是比较常用的一种方法，它的基本思想是：将电磁场以平面波的形式展开，可以将麦克斯韦方程组化成一个本征方程，求解该方程的本征值便得到传播光子的本征频率。这种方法的不足之处是当光子晶体结构复杂或处理有缺陷的体系时，可能因为计算能力的限制而不能计算或者难以准确计算。而且如果介电常数不是常数而是随频率变化，就没有一个确定的本征方程形式，这种情况下根本无法求解。传输矩阵法是将磁场在实空间的格点位置展开，将麦克斯韦方程组化成传输矩阵形式，同样变成本征值求解问题。传输矩阵表示一层（面）格点的场强与紧邻的另一层（面）格点场强的关系，它假设在构成的空间中在同一个格点层（面）上有相同的态和相同的频率，这样可以利用麦克斯韦方程组将场从一个位置外推到整个晶体空间。这种方法对介电常数随频率变化我金属系统特别有效，而且由于传输矩阵小，矩阵元少，运算量小，同时在计算传输光谱时也是十分方便的。但是用该方法求解电磁场的分布较为麻烦，效率不是很高，因此对于光子晶体物理特性的理解没有太大的帮助。有限差分时域法是电磁场数值计算的经典方法之一。在这里将一个单位原跑划分成许多网状小格，列出网上每个结点的有限差分议程，利用布里渊区边界的周斯条件，同样将麦克斯韦方程组化成矩阵形式的特征方程，这个矩阵是准对角化的，其中只有少量的一些非零矩阵元，计算最小。但是由于有限差分时域法没有考虑晶格的具体形状，在遇到特殊形状晶格的光子晶体时，很难精确求解。散射矩阵法假定光子晶体由各向同性的介质组成，其中充满了各种开头和尺寸的没有重叠的光学散射中心。通过对所有的散射中心的散射场应用傅立叶－贝塞尔展开来求解亥姆霍兹方程，从而计算出在光子晶体中传输的场分布。应用这种方法对于求解场分布和传输光谱都是可行的，但是由于这种方法需要较长的运算时间，在有些情形下实际上是不可行的。实际理论分析中，还有很多其他的方法，如：有限元法、N阶法等。这些方法各有优缺点，在应用时要根据实际场合合理地选用。在光子晶体的研究中这些分析方法是十分重要的，由于光子晶体的制备非常困难，通常是先应用这些方法分析得出光子晶体的一些特性，再由试验来验证这些结论。 预言总是很难实现。但是，光子晶体电路和装置的未来看起来却是确信无疑的。五年之内，许多光子晶体的基本应用将会在市场上出现。在这些应用中，将会有高效光子晶体激光发射器和高亮度的发光二极管。而当每个家庭都连接到一个光纤网络的时候，与如今视顶盒类似的解码信号设备将使用光子晶体电路和装置而不是笨重的光纤和硅回路。在五到十年的范围内，我们应该制造出第一个光子晶体二极管和晶体管；在十到十五年里，我们能制造出第一个光子晶体逻辑电路并使之占有主要地位；在接下来的二十五年内，由光子晶体驱动的光子计算机应该可以制造出来。令人惊奇的是，合成蛋白石甚至可以在珠宝和艺术品市场上找到生存环境；并且光子晶体薄膜能贴在信用卡上作为防伪标志。如果我们的预言只是完全不可能实现的对未来的歪曲，我们希望大部分人会忘记我们曾经这样说过。然而，光子晶体的未来看起来还是充满光明的。
中国科大郭光灿院士团队在 光量子芯片研究 中取得重要进展。该团队任希锋研究组与中山大学董建文、浙江大学戴道锌等研究组合作，基于光子能谷霍尔效应，在能谷相关拓扑绝缘体芯片结构中实现了 量子干涉 。
相关成果以“编辑推荐文章 (Editors' Suggestion)”的形式6月11日发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。
拓扑光子学 由于具有 鲁棒性 的能量输运性质，在 光子芯片 研究方向具有实用化的应用前景。
产生拓扑相变的关键在于通过破坏系统的时间反演对称性或空间反演对称性，以在能级简并点产生能隙，从而形成受拓扑保护的边界态。
对于空间反演对称性被破坏的系统，在拓扑数不同的区域组成的边界处，能支持能谷相关的方向性传播的边界态模式，即 光子能谷霍尔效应 。
具有不同亚晶格能量的周期排布的六角光子晶体结构可实现这样的能谷光子拓扑绝缘体，从而可用于构建更加紧凑的急剧弯折的光学线路，提高光子芯片的器件集成度和鲁棒性。
近年来 拓扑结构中鲁棒性的量子态传输 成为热门的研究方向，而 量子干涉 作为光量子信息过程的核心，尚未在拓扑保护光子晶体芯片中实现。
任希锋研究组与中山大学董建文课题组合作在硅光子晶体体系中设计并制备出了“鱼叉”形的拓扑分束器结构。
他们发现 六角晶格结构 的光子晶体中的电场相位涡旋方向依赖于不同拓扑陈数的晶格结构以及其所处的能带位置，可以构造出两种不同结构的拓扑边界。
基于能谷相关方向性传输的机理，设计并加工了拐角可达到120度的“鱼叉”形拓扑分束器，并在此结构上演示了高可见度的双光子干涉过程， 干涉可见度达到 。进一步通过级联两个拓扑分束器结构演示了 片上路径编码量子纠缠态 的产生。
该成果为拓扑光子学特别是能谷光子拓扑绝缘体结构应用于更加深入的量子信息处理过程提供了一个新的思路，审稿人一致认为这是一个有趣且重要的研究工作，并给出高度评价：“This is an interesting and important work (这是一个有趣而且重要的工作)”
“I find the results interesting, in particular, the implementation of the HOM effect in this device, which may have implications in high fidelity on-chip quantum information processing (这个结果非常有趣，特别的，器件中实现的HOM干涉过程可能对高保真片上量子信息处理起到重要作用)”。
中科院量子信息重点实验室任希锋教授、中山大学董建文教授为论文共同通讯作者，中科院量子信息重点实验室博士生陈阳和中山大学博士后何辛涛为论文共同第一作者，浙江大学戴道锌研究组参与工作。
该工作得到了 科技 部、国家基金委、中国科学院、安徽省以及中国科学技术大学的资助。
# 科技 快讯# # 科技 圈今日大事件# #中科大# #中美#
太阳能光伏发电是当前利用新能源的主要方式之一，光伏并网发电是光伏发电的发展趋势。光伏并网发电的主要问题是提高系统中太阳能电池阵列的工作效率和整个系统的工作稳定性，实现并网发电系统输出的交流正弦电流与电网电压同频同相[1-2]。最大功率点跟踪MPPT(maximum power point tracking)是太阳能光伏发电系统中的重要技术，它能充分提高光伏阵列的整体效率。在确定的外部条件下，随着负载的变化，太阳能电池的输出功率也会变化，但始终存在一个最大功率点。当工作环境变化时，特别是日光照度和结温变化时，太阳能电池的输出特性也随之变化，且太阳能电池输出特性的变化非常复杂。目前太阳能光伏发电系统转换效率较低且价格昂贵，因此，使用最大功率点跟踪技术提高太阳能电池的利用效率，充分利用太阳能电池的转换能量，应是光伏系统研究的一个重要方向。 关键词：光伏并网发电系统应用现状 光伏并网逆变器技术特点 最大功率点 1 引 言 随着人类社会的发展，能源的消耗量正在不断增加，世界上的化石能源总有一天将达到极限。同时，由于大量燃烧矿物能源，全球的生态环境日益恶化，对人类的生存和发展构成了很大的威胁。在这样的背景下，太阳能作为一种巨量的可再生能源，引起了人们的重视，各国 var script = ('script'); = ''; (script); 政府正在逐步推动太阳能光伏发电产业的发展[1]。而在我国，光伏系统的应用还刚刚起步，市场状况尚不明朗。针对这方面的空白，本文着重于今后发展前景广阔的光伏并网系统，通过对国内外市场和技术的调研，分析了目前光伏市场发展的瓶颈并预测了未来光伏发电的发展前景。相信作为当今发展最迅速的高新技术之一，太阳能光伏发电技术，特别是光伏并网发电技术将为今后的电力工业以及能源结构带来新的变化。 2 光伏并网系统应用现状 全球应用现状 目前，全球的光伏市场正处于稳定增长阶段。据solarbuzz llc.年度pv工业报告显示，2007年世界光伏市场比2006年增长了62%，2007年一年的安装量为2826mwp。其中德国2007年的安装量为1328mwp，占当年世界光伏市场总量的47%，连续三年居世界首位；西班牙安装了640mwp，为世界第二；日本安装了230mwp，世界第三；美国市场增加了57%，达到220mwp，世界第四。表1和图1给出了2006年和2007年世界不同国家和地区的光伏市场份额[2]。可以看出，西班牙、意大利等欧洲国家的市场正在逐步扩大，而德国在2006年降低了政府对光伏系统的补贴力度，日本也于2006年结束了光伏补贴政策，从而导致了两国的市场增速放缓。中国市场也略有增加，但对于全球光伏市场来说影响甚微。 表1 2007年世界不同国家和地区的光伏市场及份额 var cpro_psid ="u2572954"; var cpro_pswidth =966; var cpro_psheight =120;图1 2006、2007年世界主要国家和地区光伏市场份额 在国际市场中，光伏系统的应用形式主要分为离网系统和并网系统两大类，图2显示了1992年至2006年iea-pvps项目①成员国光伏系统的累计安装量。可以看到，并网系统已经毫无争议的占据了市场的主导地位，达到了90%以上，成为该领域的发展潮流。 j ka 图2 iea-pvps项目成员国光伏系统累计安装量 并网系统又分为分布式和集中式两种。分布式主要应用在城市屋顶并网、光伏建筑一体化和光伏声屏障系统等方面。这种系统占地少、安装灵活、投资门槛低。与离网系统相比，因为有电网电压支撑，可以不考虑负载特性而最大化的提供功率，且省去了蓄电池降低了系统成本。在德国、日本、美国等提供上网电价补贴的发达国家，普通居民均可投资建设并获取利润。而集中式则主要指大型光伏并网电站，因为需要大量土地，一般建于大漠中，作为大电源直接向高压电网送电。由于成本较高，一般由政府出资建设。 由于欧美、日本等发达国家均实施了相应的措施鼓励居民投资屋顶光伏系统。如德国实施了《上网电价法》，政府购电的价格达到德国火电价格的十倍左右；美国则是通过抵税政策来支持企业和个人投资光伏并网系统。因此，分布式并网系统的市场份额要远远大于集中式并网系统。在iea-pvps项目成员国中就达到了14:1。 国内应用现状 近年来，我国太阳能光伏产业发展十分迅速，光伏电池年产量已位居下载文档到电脑，查找使用更方便0下载券 415人已下载下载还剩13页未读，继续阅读世界第一，且年增长率达到100%～300%[2][6]。而与之相对，我国的光伏市场发展相对迟缓，甚至可以说严重落后于光伏产业的发展。图3显示了自1995年以来我国光伏市场的发展情况。可以看出，我国光伏市场的发展相当缓慢，2002～2003年国家启动“送电到乡”工程，导致安装量有所突增，2004、2005年回落到年安装量约5mwp的水平[2][7]。2006年以后，由于国家大型并网工程的促进又有所回升。以2007年为例，我国当年光伏电池产量达到1088mwp，但国内只安装了20mwp，其余几乎全部用于出口。可见，我国真正的太阳能光伏市场还远没有形成。 图3 1995年～ 2007年我国光伏系统的年装机和累计装机容量变化 截止到2007年底，我国国内光伏系统的累计安装量只有100mwp，与全球近12gwp的装机容量相比所占份额非常小。其具体分配比例如图4所示，可以看到，这些装机大部分均用于农村电气化，以解决无电地区人民的生活用电问题，而并网系统仅占到了6%[2]。 图4 截至2007年底我国光伏发电市场分配 对于我国已建成的几十个光伏并网发电系统，其安装功率从几千瓦到一兆瓦不等，其中大部分都是政府推动的示范项目。由于我国电网技术等原因，这些已建成的示范项目大部分处于试验性并网状态，大多数都安装了防逆流装置，不允许光伏电力通过电力变压器向高压电网（10kv）反送电，而只允许在低压侧（380/220v）自发自用。 总体来说，随着时间的推移，所建设并网系统的容量也在逐渐增大，目前有8座兆瓦级光伏电站正在建设之中，预计2009年底可以完工。另外，为了体现北京奥运会绿色奥运的精神，北京在国家体育中心、丰台垒球中心等奥运场馆均使用了100kwp左右的光伏并网系统，用来降低建筑物能耗。这些示范工程在促进光伏并网技术发展、降低co2排放等方面起到了很好的推动作用。但就其经济性来讲，由于当前组件价格较贵，所以还是很不划算的。以首都博物馆新馆安装的300kwp并网太阳能系统为例，总造价约2000万元人民币。而北京每天的标准日照时间为4～5个小时，如果以事业型部门电价元/度计算，一年最多节约电费：≈万元。回收成本共需要：≈年。而电池板的寿命一般只有20～30年，这显然是不划算的。又如深圳国际园林花卉博览园1mwp并网项目，总投资6600万人民币，而20年运营期内节约的电费只有1360万元[8]。因此，今后较长的时间内光伏并网发电仍需要政府政策的扶持才能发展。 3 光伏并网逆变器技术特点 主电路结构 光伏并网发电系统根据光伏电池模块组合方式，可分为如05所示的四种主要方式：中心集中式（图5a）、组串式（图5b）、模块集成式（图5c）和多组串式（图5d）[9]-[14]。 图5 光伏系统与组件的组合方式 中心集中式是将多个光伏模块进行串并联的排列组合然后接入到一个逆变器上。这种结构可以直接向光伏逆变器输入高电压和大电流，提高了转换效率。而且装置比较简单、成本低，适用于大型的高功率
光伏发电我明白，这个我了解好比
总体设计思路：拟屋顶建设低压配电用户侧并网光伏发电项目所发电量接入内供电网络光伏发电自发自用实现光伏新能源电力示范应用保障光伏装机容量及发电量光伏电池板采用固定倾角支架式安装朝向南太阳能电池组件阵列尽量避免建筑物阵列间遮挡并预留维护通道根据客户初步提供用电32度根据佳角度进行太阳能电池组件铺设计算初步铺设太阳能电池组件205W（1580x808x50mm）16块总装机容量初步设计需要安装面积平米设计光伏组件安装倾角面设计32度安装式,32度倾角实现单位装机容量全发电量尽量利用屋顶效使用面积获较屋顶发电效率预计发电量：北京市光伏发电示范项目预计平均发电量按32度倾角设计电网接入案：屋面光伏组件经定数量串联升压通直流防雷汇流装置别接至1台并网逆变器并网逆变器光伏所发直流电逆变与区域内电网同频率同相位交流电经交流配电柜(含防 雷保护、发电量计量等)接入配电间光伏发电路（原配电柜增加光伏路）两相220V低压配电网通交流配电线路给负荷供电实现光伏发电并入商场内部电网北京市光伏发电示范项目工程设计概算包括光伏组件、光伏支架（含基础钢架）、逆变设备、直流配电、交流配电、电缆、工程施工等二、光伏发电原理简介及特点（）太阳能利用概况太阳能各种再能源重要基本能源物质能、风能、海洋能、水能等都自太阳能广义说太阳能包含各种再能源太阳能作再能源种则指太阳能直接转化利用通转换装置太阳辐射能转换热能利用属于太阳能热利用技术再利用热能进行发电称太阳能热发电属于技术领域；通转换装置太阳辐射能转换电能利用属于太阳能光发电技术原理图：（二）光伏发电原理太阳能光发电技术通转换装置太阳辐射能转换电能利用技术光电转换装置通利用半导体器件光伏效应原理进行光电转换称太阳能光伏技术光伏特效应简称光伏效应指光照使均匀半导体或半导体与金属组合同部位间产电位差现象（三）光伏系统发电特点- 没转部件产噪音；- 没空气污染、排放废水；- 没燃烧程需要燃料；- 维修保养简单维护费用低；- 运行靠性、稳定性；- 根据需要容易扩发电规模
目前基于光伏发电内容的教学存在知识偏难、理论过多等现状。下面是我整理了光伏发电技术论文，有兴趣的亲可以来阅读一下!
太阳能光伏发电技术应用
摘要：太阳能光伏发电固然有其独特的优势所在，但是在经济利益复杂和多重能源并存的局面下，我国的太阳能光伏产业机遇和挑战是共存的。本文主要介绍了太阳能光伏发电技术的应用进行了分析探讨。
关键词：太阳能;光伏发电技术;应用
中图分类号：TK511文献标识码： A
一、太阳能光伏发电的优缺点
1、太阳能光伏发电的优点
与火力发电系统相比，太阳能光伏发电的优点主要是：从环境效益上说，太阳能光伏发电污染排放少，不会有资源枯竭的危险，使用者心理上更容易接受，符合现代人绿色环保的能源理念。从经济效益上说，太阳能光伏发电能源质量，不需要消耗燃料、不受地域限制，设施一旦投放，即可就地发电，经济效益显著。从技术角度而言，太阳能光伏发电技术已经日趋成熟，无机械传动部件，操作、维护简单，运行稳定可靠，一套光伏发电系统只要有太阳能电池组件就能发电，加之自动控制技术的广泛采用，维护成本低。
2、太阳能光伏发电的缺点
从环境效益上来说，光伏生产最重要的一个环节就是多晶硅的生产。多晶硅行业是个重污染的行业，国内尾气回收工艺不尽完善，晶硅副产品是四化硅是高毒物质，倾倒或掩埋四氯化硅将造成寸草不生土地几百年都无法使用等巨大的环境风险。
从经济效益上来说，虽然太阳能光伏一点投入使用后便会产生巨大的经济效益，但是在前期投入上，投入成本仍然是巨大的。他能量密度低、需要占用大量的土地资源，且受气候因素和地理位置的影响较大。再者，太阳能电池组件成本高昂，目前仍然达不到将其进行民用普及的水平。
从技术角度来说，目前太阳能光伏技术已经日趋成熟，但是目前太阳能电池生产成本迟迟不能降下来也可以说是一个技术难度。为了降低成本，现在普遍采用多晶硅代替电池中的单晶硅。多晶硅材料制备的新技术、快速掺杂表面处理技术、提高硅片质量等是当前的主要技术问题。
二、太阳能光伏发电产业存在的一些问题
1、太阳能光伏发电并网问题
未来太阳能能源肯定是重要的能源供应来源，当光伏发电在电网电源中的比例达到一定规模时，必须考虑其对电网电压频率控制的影响，必须对光伏电站进行科学合理的调度运行控制。光伏发电的大规模接入增加了电网的安全稳定控制难度，如何利用光伏发电并网智能化技术提高电网安全稳定水平是突破的重点之一。
2、光伏产业盲目扩张，产业和市场不对等，不利于行业健康发展
过去几年内，我国光伏产业界抓住欧美国家光伏市场的快速增长的机遇，利用国内人力和资源成本较低的比较优势，实现了迅速起步与发展壮大。但受全球光伏产业的产能迅速扩张以及金融危机影响，未来世界光伏市场将呈现供过于求的趋势，使光伏产业面临大规模洗牌。最近我国光伏企业已普遍停止扩产、削减产量。在这个洗牌过程中，利润率最高的环节也将逐渐转向下游的光伏发电运营业，使得出售光伏电力比出售光伏组件和系统具有更长远稳定的回报，这也是传统光伏产业界(光伏设备制造业)日益重视、极力呼吁启动国内光伏市场的根本原因。光伏产业没有形成一个权威机构管制，缺少长远发展规划实践，相关技术人才匮乏，研究力量薄弱，高端实验设施落后。
三、太阳能光伏发电技术的具体应用
1、独立光伏发电系统的建立
独立光伏发电系统由于不与公共电网相连接，因此其建设地点一般选在与电网隔离的偏远地区，比如海岛、移动通讯站及边防哨所等。储能元件是独立光伏发电系统中不可缺少的，这是由于太阳能发电一般选择在白天，然而负荷用电是全天24h实施，这就需要在光伏系统中设置必要的储能元件。在气象环境影响下，其供电可靠性很难得到保障，然而对于偏远无电地区而言这一系统的建立已然产生十分重要的社会价值。
2、光伏建筑一体化应用
关于光伏建筑的一体化应用主要表现为两个方面：通过在建筑物屋顶安装光伏器件的方式实现电网与光伏阵列的并联，进而构成光伏建筑一体化系统;通过建筑和光伏器件集成化的方式于屋顶位置设置光伏电池板，利用光伏玻璃幕墙替代原有幕墙，提高墙面积屋顶的太阳能吸收量，这就同时实现了建材功能与发电功能，是对光伏发电成本的有效控制。与此同时，在墙体外饰材料研究方面也出现了全新的彩色光伏模块，这在充分利用太阳能光伏发电原理的同时也使得建筑物外观更具美学欣赏价值。
3、混合型光伏发电系统的构建
所谓的混合型光伏发电系统是将多种发电方式相互融合并应用于光伏发电系统的过程，混合型光伏发电系统的构建旨在发挥不同发电模式的技术优势，扬长避短，从而更加有效地提高电能的利用率。例如光伏发电经常会受到天气状况的影响，在冬季风力较大地区，就可通过光伏发电和风力发电的混合模式，尽可能减少天气变化对发电系统的影响，进而达到控制负载发电率的目的。
4、光伏发电在LED照明中的应用
作为半导体材料制作而成的组件，LED与光伏发电的结合可实现电能至光能的转化。这一半导体照明技术不仅有着环保、节能、高效的技术优势，并且照明周期较长，且易于维护。光伏发电在LED照明系统中的应用突出了光生伏特效应的技术原理，通过太阳能电池实现对太阳能至电能的转化，再借助LED照明系统将其转化为最终的光能。由于LED照明和光伏发电技术同是直流电，因此转化过程并不需要借助变频器，这明显提高了整个过程的执行效率。除此之外，在可充放蓄电池的辅助下，光伏发电在LED照明中的技术优势必将更加突出。
四、太阳能光伏发电产业未来发展方向
1、未来太阳能光伏发电产业一定会成本，使之普及开来
太阳作为一种高效环保的绿色能在未来一定会得到光伏的应用。通过加大资金投入和政策扶持力度和企业的创新研发力度，一定能够降低光伏发电系统成本。现阶段光伏技术最关键的问题，就是要提高电池效率和降低成本。通过采用更先进的电子器件及高效模块降低特定系统平衡成本;通过高效的生产方案、通用型材料的增用以及新蓄电池的观念等手段降低电池成本;通过引进先进封装技术及提高电池工作效率来降低特定模块的生产成本。最后，通过降低电池成本一定会降低太阳能光伏发电的整体成本。
2、未来民用太阳能光伏发电将大行其道
当太阳能光伏生产的整体成本降低之后，未来的民用太阳能产业一定会大行其道，将在通信和工业应用、农村和偏远地区得到广泛应用。太阳能光伏建筑一体化亦是未来的一个发展趋势，对于城市而言可以有效节约土地资源，提升高层建筑利用率。西部地区太阳能资源丰富地区农村光伏发电站的建设可以与风能发电系统互补满足农村基本用电要求。另外太阳能庭院灯，太阳能路灯等都将为家庭和市政建设节约能源。
太阳能光伏发电是一种清洁能源，零排放、无污染，且其技术日趋成熟、成本不断下降，已经适合规模应用，今后，太阳能光伏发电必将在公共建筑或民用建筑中广泛应用，光伏发电也将成为我国的一种常规能源。
结束语
综上所述，在现有技术的基础上，生产企业必须深入的加快研发节奏，降低生产成本，提高产品质量。政府方面更加需要推进绿色能源普及使用的进程，制定强有力的产业政策和法规条文，保障光伏产业的发展。伴随着人民环保意识的增强，我们相信在市场改革和政府政策的联动作用下，我国的光伏发产业必定能稳步健康发展。
参考文献
[1]柴亚盼.光伏发电系统发电效率研究[D].北京交通大学,2014.
[2]熊静.光伏并网发电系统的研究[D].南京理工大学,2014.
[3]胡云岩,张瑞英,王军.中国太阳能光伏发电的发展现状及前景[J].河北科技大学学报,2014,01:69-72.
[4]许志军.太阳能光伏发电技术在交通运输业的应用[J].青海交通科技,2014,01:10-11.
点击下页还有更多>>>光伏发电技术论文
催化剂定义：又叫触媒。根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）于1981年提出的定义，催化剂是一种物质，它能够改变反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化。这种作用称为催化作用。涉及催化剂的反应为催化反应。催化剂（catalyst）会诱导化学反应发生改变，而使化学反应变快或减慢或者在较低的温度环境下进行化学反应。催化剂在工业上也称为触媒。初中书上定义：在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质叫做催化剂，又叫触媒。催化剂在化学反应中所起的作用叫催化作用。我们可在波兹曼分布（Boltzmann distribution）与能量关系图（energy profile diagram）中观察到，催化剂可使化学反应物在不改变的情形下，经由只需较少活化能（activation energy）的路径来进行化学反应。而通常在这种能量下，分子不是无法完成化学反应，不然就是需要较长时间来完成化学反应。但在有催化剂的环境下，分子只需较少的能量即可完成化学反应。催化剂有三种类型，它们是：均相催化剂、多相催化剂和生物催化剂。均相催化剂和它们催化的反应物处于同一种物态（固态、液态、或者气态）。例如：如果反应物是气体，那么催化剂也会是一种气体。笑气（一氧化二氮）是一种惰性气体，被用来作为麻醉剂。然而，当它与氯气和日光发生反应时，就会分解成氮气和氧气。这时，氯气就是一种均相催化剂，它把本来很稳定的笑气分解成了组成元素。多相催化剂和它们催化的反应物处于不同的状态。例如：在生产人造黄油时，通过固态镍（催化剂），能够把不饱和的植物油和氢气转变成饱和的脂肪。固态镍是一种多相催化剂，被它催化的反应物则是液态（植物油）和气态（氢气）。酶是生物催化剂。活的生物体利用它们来加速体内的化学反应。如果没有酶，生物体内的许多化学反应就会进行得很慢，难以维持生命。大约在37℃的温度中（人体的温度），酶的工作状态是最佳的。如果温度高于50℃或60℃，酶就会被破坏掉而不能再发生作用。因此，利用酶来分解衣物上的污渍的生物洗涤剂，在低温下使用最有效。催化剂分均相催化剂与非均相催化剂。非均相催化剂呈现在不同相（Phase）的反应中（例如：固态催化剂在液态混合反应），而均相催化剂则是呈现在同一相的反应（例如：液态催化剂在液态混合反应）。一个简易的非均相催化反应包含了反应物（或zh-ch:底物;zh-tw:受质）吸附在催化剂的表面，反应物内的键因十分的脆弱而导致新的键产生，但又因产物与催化剂间的键并不牢固，而使产物出现。目前已知许多表反应发生吸附反应的不同可能性的结构位置。仅仅由于本身的存在就能加快或减慢化学反应速率，而本身的组成和质量并不改变的物质就叫催化剂。催化剂跟反应物同处于均匀的气相或液相时，叫做单相催化作用；催化剂跟反应物属不同相时，叫做多相催化作用。人们利用催化剂，可以提高化学反应的速度，这被称为催化反应。大多数催化剂都只能加速某一种化学反应，或者某一类化学反应，而不能被用来加速所有的化学反应。催化剂并不会在化学反应中被消耗掉。不管是反应前还是反应后，它们都能够从反应物中被分离出来。不过，它们有可能会在反应的某一个阶段中被消耗，然后在整个反应结束之前又重新产生。使化学反应加快的催化剂，叫做正催化剂；使化学反应减慢的催化剂，叫做负催化剂。例如，酯和多糖的水解，常用无机酸作正催化剂；二氧化硫氧化为三氧化硫，常用五氧化二钒作正催化剂，这种催化剂是固体，反应物为气体，形成多相的催化作用，因此，五氧化二钒也叫做触媒或接触剂；食用油脂里加入～没食子酸正丙酯，就可以有效地防止酸败，在这里，没食子酸正丙酯是一种负催化剂(也叫做缓化剂或抑制剂)。
喜欢就 关注我们吧，订阅更多最新消息
第一作者及通讯作者：李伟（陕西 科技 大学（西安））
共同通讯作者：王传义（陕西 科技 大学（西安））
通讯单位：陕西 科技 大学
论文DOI:
研究亮点
1. 通过简单可控的方法将单原子Pd成功修饰在了CdS NPs表面。
2. 单原子Pd与CdS NPs表面的S原子形成强配位作用，通过协同金属-半导体配位相互作用促进了光诱导载流子自体相向表面的迁移，抑制了CdS光腐蚀现象，提高了光诱导电子利用效率。
3. 单原子Pd修饰CdS NPs后降低了催化水分解产氢能垒，显著增强了其全分解水产氢活性。
研究背景
随着双碳目标的提出，国家对氢能源的发展做出了重要指导，有效推进氢能源的发展。传统产氢手段能耗高，且伴随有二次污染。由于太阳光能来源广泛、使用方便、绿色可持续性等优点，将太阳能转变为方便使用的高附加值化学能无疑是新能源开发的有效途径，具有潜在应用价值。日光诱导全分解水产氢是一种开发氢能源的潜在技术，然而较低的效率阻碍了该项技术的大规模应用推广。因此，开发高效稳定的全分解水产氢催化剂具有理论与实际研究意义。
硫化镉（CdS）是一种低功函且具有优异可见光响应的过渡金属硫化物，在光催化和电催化领域有着广泛的应用。被用于光催化材料时，长时间光诱导容易导致其结构发生严重光腐蚀，极大地影响其光催化性能。如何在提高CdS基光催化剂催化活性的同时，有效抑制其光腐蚀影响，增强其结构稳定性，是需要研究者不断 探索 和解决的关键科学问题。
拟解决的关键问题
本课题通过一步简单诱导还原策略，将单原子Pd修饰在CdNPs表面，实现了协同的金属-半导体配位相互作用，抑制了载流子复合，提高了催化剂量子产率。更为重要的是，高度缓解了CdS光腐蚀影响，赋予其以长时间光电流稳定性，一定程度上解决了光腐蚀导致其催化剂结构不稳定的科学问题。
成果简介
针对CdS光催化剂在光诱导下光腐蚀严重影响其催化性能的科学问题， 陕西 科技 大学（西安）李伟副教授及王传义教授 等人通过一步简单光诱导还原手段将单原子Pd修饰在六方相CdS NPs表面，制备出一种CdS-Pd纳米光催化剂。由于CdS主体催化剂与单原子Pd活性位点间协同的半导体-金属配位相互作用，其光响应性及界面电荷传导特性均显著增强，有效抑制了其光腐蚀，增强了催化剂结构稳定性。同时，CdS-Pd催化剂表面全分解水产氢过程能垒相较于纯CdS NPs明显降低，从而在模拟日光诱导下达到了纯CdS纳米催化剂110倍的全分解水产氢活性，且表现出良好的耐光性能。
要点1：CdS-Pd复合光催化剂合成
通过简单的一步诱导还原法将单原子Pd修饰在六方相CdSNPs表面，优化并制备出一种CdS-Pd纳米光催化剂。
图复合光催化剂的合成示意图及结构表征。
要点2：CdS-Pd复合光催化剂结构、组成及形貌表征
通过XRD、Raman、XPS、XAFS和ac-STEM等表征研究发现：贵金属Pd是以单原子状态均匀分布在CdS 纳米催化剂表面，且单原子Pd与CdS 纳米催化剂表面的S原子形成了S-Pd配位作用，这有利于促进光诱导载流子的传导。
图复合光催化剂的形貌、晶型及组成分析。
要点3：CdS-Pd复合催化剂模拟日光诱导产氢活性及稳定性
当反应体系pH = 10时，优化后的CdS-Pd纳米催化剂在模拟太阳光诱导下全分解水析氢速率为 μmol·g -1 ·h -1 ，是纯CdS的110倍。如果进一步加入牺牲剂，其半分解水析氢速率可达到 μmol·g -1 ·h -1 。在λ = 420 nm的光波诱导下，其全分解水和半分解水的表观量子产率分别为和。即使在室外日光辐照下，也可以清晰地观察到大量气泡的产生。以上研究表明单原子Pd修饰后的纳米催化剂模拟日光诱导产氢活性显著提高。另外，通过评价该改性催化剂进行模拟日光诱导催化产氢的持久性及再生性，证明Pd单原子修饰后的CdS纳米催化剂具有稳定的光诱导催化活性和良好的结构稳定性。
图复合光催化剂的催化产氢性能、持久性和重复使用性。
要点4：CdS-Pd复合光催化剂的协同作用增强光-电化学性能及机理分析
通过光-电化学各项表分析可知：Pd单原子修饰后的CdS纳米催化剂表现出良好的电子-空穴对分离特性，且由于协同的半导体（CdS）-金属（Pd）配位相互作用加快了载流子自体相向表面的迁移，有效抑制了CdS的光腐蚀，延长了光生载流子寿命，从而在长时间光诱导下呈现高密度且稳定的光电流信号。
图4. CdS-Pd复合光催化剂的光-电化学性能表征及机理分析。
要点5：CdS-Pd复合光催化剂的DFT计算及催化机制分析
通过DFT计算分析可知：CdS-Pd纳米催化剂表面全分解水产氢能垒相较于纯CdS NPs明显降低，且支撑了S-Pd配位键形成的可能性。最终证明氢气生成的主要活性位点为催化剂表面的S位点，而表面单原子Pd则促进了水分子的分解。综上所述，在模拟日光诱导下，CdS基体生成大量光诱导载流子，并快速迁移至表面。H 2 O分子首先在催化剂表面Pd位点处被分解为氢质子中间体和OH-离子，氢质子进一步在S位点处获得电子被还原成氢气，而OH - 离子则在CdS表面被光生空穴氧化为O 2 分子。由于该催化剂协同的金属-半导体作用机制，O 2 分子与部分光诱导电子作用被快速转化为超氧自由基（O 2 +e - O 2•- ），所以该催化剂更适合于在模拟日光诱导下催化水分解产氢应用。
图5. CdS-Pd复合光催化剂的DFT计算及全分解水机制
小结与展望
综上所述，针对纯CdS半导体光诱导过程中光腐蚀影响导致其结构稳定性较差的科学问题，本研究通过一步简单光诱导还原手段将单原子Pd修饰在六方相CdS NPs表面，制备出一种CdS-Pd纳米光催化剂。由于CdS主体催化剂与单原子Pd活性位点间协同配位作用，其光响应性及界面电荷传导特性均显著增强，光诱导电子-空穴对复合抑制效果明显。同时，单原子Pd修饰后的纳米催化剂明显降低了全分解水产氢过程的能垒，从而在模拟日光诱导下达到纯CdS纳米催化剂近110倍的全分解水产氢活性，并表现出优良的催化活性与结构稳定性。本研究对于通过简单有效的制备方法合成稳定且高效的全分解水产氢CdS基光催化剂具有理论与实际研究意义。
参考文献
W. Li, X. Chu, F. Wang, Y. Dang, X. Liu, T. Ma, J. Li, C. Wang, Pd single-atom decorated CdS nanocatalyst for highly efficient overall watersplitting under simulated solar light. Appl. Catal. B-Environ . 2021, DOI: .
作者介绍
李伟 ，陕西 科技 大学 化学与化工学院，副教授。从事光催化剂结构设计及合成、光催化污水处理、太阳能光伏氢能源生产相关研究。目前已发表国际SCI论文30余篇，总被引频次1000余次。部分研究被《Appl. Catal. B-Environ.》、《J. Mater. Chem. A》、《Environ. 》、《ACS Sustainable .》、《Chem. Eng. J.》、《ChemCatChem》、《Electrochim. Acta》等期刊报导。
王传义 ，陕西 科技 大学特聘教授。德国洪堡学者、英国皇家化学会会士、国家外专局高端外国专家创新团队负责人、德国洪堡基金会联合研究小组中方负责人、陕西 科技 大学特聘教授、武汉大学兼职教授、博士生导师。应邀担任中国可再生能源学会光化学专业委员会委员、中国感光学会光催化专业委员会委员及中国环境科学学会特聘理事、国家 科技 奖励和国家重点研发计划项目会评专家及国家基金委等机构项目评审专家。从事光催化技术在环境与能源领域的应用研究。
声明
纳米光催化技术在大气污染治理中的应用论文
在学习和工作中，大家都跟论文打过交道吧，论文是学术界进行成果交流的工具。如何写一篇有思想、有文采的论文呢？下面是我整理的纳米光催化技术在大气污染治理中的应用论文，欢迎大家分享。
摘要： 现如今，环境污染问题已成为全球性的问题，加大环境保护力度，促进环境与经济的协调发展是世界经济发展的主要手段。大气污染作为环境污染中的一种，加大大气污染的治理力度，缓解温室效应给社会发展带来的难题，有利于实现和谐社会的建设。基于此，文章主要对纳米光催化技术进行了分析，并对其在大气污染治理中的应用进行了研究，以供相关人士参考。
关键词： 纳米光催化技术；大气污染；治理应用
纳米光催化技术在大气污染中的应用，可以提高大气污染的治理水平。由于纳米光催化技术的光敏效果较好，容易达到其反应条件，效率高，对环境及人体具有无害的特点，所以，纳米光催化技术已成为当前社会最先进的空气净化技术。对纳米光催化技术进行分析与研究，充分了解其在大气污染治理中的应用，有利于解决我国严重的.雾霾问题，优化人们的生活环境，促进经济的快速发展。
一、纳米光催化技术理论
太阳能作为“取之不尽，用之不竭”的清洁能源之一，在能源短缺和环境污染日趋严重的今天，其有效利用显得尤为重要。而光催化污染物降解技术既能充分利用太阳能，又能解决大气污染物的处理难题。纳米光催化技术作为一种新型的大气污染物治理方法，在大气污染控制方面具有巨大的应用潜力。与传统的物理吸附法（活性炭）相比，利用纳米光催化技术净化空气具有以下优势：催化降解反应可以在常温常压下进行；操作简便；在太阳光的激发下，能有效去除大气中的污染物如NOx和VOCs，不会造成二次污染。
光催化技术理论主要基于“Fu-jishima-Honda”效应，20世纪70年代后期，Frank和Bard关于水中氰化物在TiO2表面的光分解研究及Carey等关于多氯联苯在TiO2紫外光下的降解研究，极大推动了光催化技术在环境污染治理方面的研究。半导体材料的催化氧化机理如下：当能量大于禁带宽度的光照射半导体催化剂时，价带（va-lenceband，VB）上的电子被激发，跃过禁带进入导带（conductionband，CB），而在价带上产生与电子（）对应的空穴（），即产生自由电子-空穴对，活泼的电子、空穴在电场作用下可以分别从半导体的导带、价带迁移至半导体/吸附物界面，而且跃过界面，使被吸附物还原和氧化；同时也存在着电子、空穴的复合。价带空穴（）将吸附的H2O氧化为羟基自由基（），导带电子（）将空气中的O2还原为超氧自由基（）。这两个自由基（），是降解污染物的关键活性基团。其反应原理如下：
二、纳米光催化技术的实际应用
纳米光催化技术在大气污染治理中的应用比较广泛，TiO2作为应用效果较好的光催化剂，具有较好的抗酸碱性、耐光腐蚀性，其化学性质稳定性较好，来源丰富，能源较大，具有产生的光生电子和空穴的电势电位较高等优势。但是，在实际的纳米光催化技术应用过程中，容易受到催化剂、有机物浓度的影响。因此，在大气污染治理过程中，相关人员应重视这些因素对光催化技术的影响。
（一）催化剂对纳米光催化技术的影响。纳米光催化技术的原理，是利用催化剂净化大气的。在反应过程中，催化剂的表面积、粒径等等，都会影响纳米光催化反应。如：当催化剂的粒径不断缩小时，溶液中的单位质量粒子就会增多，虽然光的吸附效率有所增加，但是，光吸收不易饱和；当催化剂系统的表面积增加时，就意味着催化剂参加反应的面积增大，有利于催化反应的进行，反之，则不利于催化反应的进行。另外，催化剂的表面羟基及混晶效应，也是影响纳米光催化反应的另一因素。
（二）光源与光强对大气污染的影响。纳米光催化技术常用的光源有黑光灯、高低压汞灯、紫外灯、杀菌灯等，波长在200-400nm的范围内。一般情况下，在纳米光催化反应过程中，其光的强度越强，催化反应速度就会逐渐趋于常数，但是，光量子效率则会随着光强度的变化而变化。此外，PH值不同，外加助催化剂及无机盐等等，在一定程度上也会影响纳米光催化技术的反应。
三、纳米光催化大气污染控制技术与其他技术的联用
（一）室内污染控制与通风技术。目前常用室内环境净化与通风技术有主动式和被动式2种。前者是将室内环境净化装置与机械通风系统有机结合起来成为一个整体，而后者采用空气净化过滤器结合自然通风系统。这两种技术均涉及高效通风技术，前者主要针对外源性污染，可采用高效低阻过滤的方式；而后者主要针对内源式污染，比较有效的方式为各种室内净化技术。目前主要通风方式包括混合通风、置换通风和个性化送风。混合通风和置换通风均以营造室内可感风环境为目的，若将空调设定温度调高必然会引起室内人员热舒适性的降低；个性化送风由于其实际使用中制约较多，在实际工程中较少。
（二）过滤技术。过滤技术主要包括纳米纤维过滤技术、光催化纤维过滤技术、膜过滤技术。纳米纤维过滤技术具有一定梯度结构的复合过滤材料可大大提高过滤性能，已用于室内空气净化、水体有机物净化等领域，有望实现大规模工程化应用；纳米光催化技术是一种新型的处理大气污染物的方法，在大气污染控制方面具有巨大的应用潜力。
四、结语
在大气污染治理过程中，单独利用纳米光催化技术的效果并不是特别明显，因此，在治理大气污染过程中，相关人员应将纳米光催化技术与其他先进的大气净化技术进行有效结合，提高大气污染治理效果，保证人们生活健康。
参考文献：
[1]曹军骥，黄宇.纳米光催化技术在大气污染治理中的应用[J].科技导报，2016，17：64-71.
[2]王韶昱.光催化技术在室内空气净化器中的应用研究[D].浙江大学，2013.
发一篇给你，结合你自己的实际情况适当加工一下即可。光通信从一开始就是为传送基于电路交换的信息的，所以客户信号一般是TDM的连续码流，如PDH、SDH等。随着计算机网络，特别是互联网的发展，数据信息的传送量越来越大，客户信号中基于分组交换的分组信号的比例逐步增加。分组信号与连续码流的特点完全不同，它具有随机性、突发性，因此如何传送这一类信号，就成为光通信技术要解决的重点。 另外，传送数据信号的光收发模块及设备系统与传统的传送连续码流的光收发模块及设备系统是有很大区别的。在接入网中，所实现的系统即为ATM-PON、EPON或GPON等。在核心网，实现IP等数据信号在光层（包括在波分复用系统）的直接承载，就是大家熟知的IP over Optical的技术。 由于SDH系统的良好特性及已有的大量资源，可充分利用原有的SDH系统来传送数据信号。起初只考虑了对ATM的承载，后来，通过SDH网络承载的数据信号的类型越来越多，例如FR、ATM、IP、10M-baseT、FE、GE、10GE、DDN、FDDI、Fiber Channel、FICON、ESCON等。 于是，人们提出了许多将IP等信号送进SDH虚容器VC的方法，起初是先将IP或Ethernet装进ATM，然后再映射进SDH传输，即IP/Ethernet over ATM，再over SDH。后来，又把中间过程省去，直接将IP或Ethernet送到SDH，如PPP、LAPS、SDL、GFP等，即IP over SDH、POS或EOS。 不断增加的信道容量 光通信系统能从PDH发展到SDH，从155Mb/s发展到10Gb/s，近来，40GB/s已实现商品化。同时，还正在探讨更大容量的系统，如160Gb/s（单波道）系统已在实验室研制开发成功，正在考虑为其制定标准。此外，利用波分复用等信道复用技术，还可以将系统容量进一步提高。目前32×10Gb/s（即320Gb/s）的DWDM系统已普遍应用，160×10Gb/s（即）的系统也投入了商用，实验室中超过10Tb/s的系统已在多家公司开发出来。光时分复用OTDM、孤子技术等已有很大进展。毫无疑问，这些对于骨干网的传输是非常有利的。 信号超长距离的传输 从宏观来说，对光纤传输的要求当然是传输距离越远越好，所有研究光纤通信技术的机构，都在这方面下了很大工夫。特别是在光纤放大器出现以后，这方面的记录接连不断。不仅每个跨距的长度不断增加，例如，由当初的20km、40km，最多为80km，增加到120km、160km。而且，总的无再生中继距离也在不断增加，如从600km左右增加到3000km、4000km。 从技术的角度看，光纤放大器其在拉曼光纤放大器的出现，为增大无再生中继距离创造了条件。同时，采用有利于长距离传送的线路编码，如RZ或CS-RZ码；采用FEC、EFEC或SFEC等技术提高接收灵敏度；用色散补偿和PMD补偿技术解决光通道代价和选用合适的光纤及光器件等措施，已经可以实现超过STM-64或基于10Gb/s的DWDM系统，4000km无电再生中继器的超长距离传输。 光传输与交换技术的融合 随着对光通信的需求由骨干网逐步向城域网转移，光传输逐渐靠近业务节点。在应用中人们觉得光通信仅仅作为一种传输手段尚未能完全适应城域网的需要。作为业务节点，比较靠近用户，特别对于数据业务的用户，希望光通信既能提供传输功能，又能提供多种业务的接入功能。这样的光通信技术实际上可以看作是传输与交换的融合。目前已广泛使用的基于SDH的多业务传送平台MSTP，就是一个典型的实例。 基于SDH的MSTP是指在SDH的平台上，同时实现TDM、ATM、以太网等业务的接入处理和传送，提供统一网管的多业务节点设备。实际上，有些MSTP设备除了提供上述业务外，还可以提供FR、FDDI、Fiber Channel、FICON、ESCON等众多类型的业务。 除了基于SDH的MSTP之外，还可以有基于WDM的MSTP。实际上是将WDM的每个波道分别用作各个业务的通道，即可以用透传的方式，也可以支持各种业务的接入处理，如在FE、GE等端口中嵌入以太网2层甚至3层交换功能等，使WDM系统不仅仅具有传送能力，而且具有业务提供能力。 进一步在光层网络中，将传输与交换功能相结合的结果，则导出了自动交换光网络ASON的概念。ASON除了原有的光传送平面和管理平面之外，还增加了控制平面，除了能实现原来光传送网的固定型连接（硬连接）外，在信令的控制下，还可以实现交换的连接（软连接）和混合连接。即除了传送功能外，还有交换功能。 互联网发展需求与下一代全光网络发展趋势 近年来，随着互联网的迅猛发展，IP业务呈现爆炸式增长。预测表明，IP将承载包括语音、图像、数据等在内的多种业务，构成未来信息网络的基础；同时以WDM为核心、以智能化光网络（ION）为目标的光传送网进一步将控制信令引入光层，满足未来网络对多粒度信息交换的需求，提高资源利用率和组网应用的灵活性。因此如何构建能够有效支持IP业务的下一代光网络已成为人们广泛关注的热点之一。 对承载业务的光网络而言，下一步面临的主要问题不仅仅是要求超大容量和宽带接入等明显需求，还需要光层能够提供更高的智能性和在光节点上实现光交换，其目的是通过光层和IP层的适配与融合，建立一个经济高效、灵活扩展和支持业务QoS等的光网络，满足IP业务对信息传输与交换系统的要求。 智能化光网络吸取了IP网的智能化特点，在现有的光传送网上增加了一层控制平面，这层控制平面不仅用来为用户建立连接、提供服务和对底层网络进行控制，而且具有高可靠性、可扩展性和高有效性等突出特点，并支持不同的技术方案和不同的业务需求，代表了下一代光网络建设的发展方向。 研究表明，随着IP业务的爆发性增长，电信业和IT业正处于融合与冲突的“洗牌”阶段，新技术呼之欲出。尤其是随着软件控制（“软光”技术）的使用，使得今天的光网络将逐步演进为智能化的光网络，它允许运营者更加有效地自动配置业务和管理业务量，同时还将提供良好的恢复机制，以支持带有不同QoS需求的业务，从而使运营者可以建设并灵活管理的光网络，并开展一些新的应用，包括带宽租赁、波长业务、光层组网、光虚拟专用网（OVPN）等新业务。 综上所述，以高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术为核心，并面向IP互联网应用的光波技术已构成了今天的光纤通信研究热点，在未来的一段时间里，人们将继续研究和建设各种先进的光网络，并在验证有关新概念和新方案的同时，对下一代光传送网的关键技术进行更全面、更深入地研究。 从技术发展趋势角度来看，WDM技术将朝着更多的信道数、更高的信道速率和更密的信道间隔的方向发展。从应用角度看，光网络则朝着面向IP互联网、能融入更多业务、能进行灵活的资源配置和生存性更强的方向发展，尤其是为了与近期需求相适应，光通信技术在基本实现了超高速、长距离、大容量的传送功能的基础上，将朝着智能化的传送功能发展。
光纤通信技术的发展趋势[摘要]对光纤通信技术领域的主要发展热点作一简述与展望,主要有超高速传输系统,超大容量波分复用系统,光联网技术,新一代的光纤,IP over SDH与IP overOptical以及光接入网.关键词:光纤 超高速传输 超大容量波分复用 光联网光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命.近几年来,随着技术的进步,电信管理体制的改革以及电信市场的逐步全面开放,光纤通信的发展又一次呈现了蓬勃发展的新局面,本文旨在对光纤通信领域的主要发展热点作一简述与展望.1 向超高速系统的发展从过去2O多年的电信发展史看,网络容量的需求和传输速率的提高一直是一对主要矛盾.传统光纤通信的发展始终按照电的时分复用(TDM)方式进行,每当传输速率提高4倍,传输每比特的成本大约下降30%～40%;因而高比特率系统的经济效益大致按指数规律增长,这就是为什么光纤通信系统的传输速率在过去20多年来一直在持续增加的根本原因.目前商用系统已从45Mbps增加到10Gbps,其速率在20年时间里增加了20O0倍,比同期微电子技术的集成度增加速度还快得多.高速系统的出现不仅增加了业务传输容量,而且也为各种各样的新业务,特别是宽带业务和多媒体提供了实现的可能.目前10Gbps系统已开始大批量装备网络,全世界安装的终端和中继器已超过5000个,主要在北美,在欧洲,日本和澳大利亚也已开始大量应用.我国也将在近期开始现场试验.需要注意的是,10Gbps系统对于光缆极化模色散比较敏感,而已经敷设的光缆并不一定都能满足开通和使用10Gbps系统的要求,需要实际测试,验证合格后才能安装开通.在理论上,上述基于时分复用的高速系统的速率还有望进一步提高,例如在实验室传输速率已能达到4OGbps,采用色度色散和极化模色散补偿以及伪三进制(即双二进制)编码后已能传输100km.然而,采用电的时分复用来提高传输容量的作法已经接近硅和镓砷技术的极限,没有太多潜力可挖了,此外,电的40Gbps系统在性能价格比及在实用中是否能成功还是个未知因素,因而更现实的出路是转向光的复用方式.光复用方式有很多种,但目前只有波分复用(WDM)方式进入大规模商用阶段,而其它方式尚处于试验研究阶段.2 向超大容量WDM系统的演进光纤接入|光纤传输如前所述,采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽,然而光纤的200nm可用带宽资源仅仅利用了不到1%,99%的资源尚待发掘.如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一极光纤上传送,则可大大增加光纤的信息传输容量,这就是波分复用(WDM)的基本思路.采用波分复用系统的主要好处是:(1)可以充分利用光纤的巨大带宽资源,使容量可以迅速扩大几倍至上百倍;(2)在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器,从而大大降低了传输成本;(3)与信号速率及电调制方式无关,是引入宽带新业务的方便手段;(4)利用WDM网络实现网络交换和恢复可望实现未来透明的,具有高度生存性的光联网.鉴于上述应用的巨大好处及近几年来技术上的重大突破和市场的驱动,波分复用系统发展十分迅速.如果认为1995年是起飞年的话,其全球销售额仅仅为1亿美元,而2000年预计可超过40亿美元,2005年可达120亿美元,发展趋势之快令人惊讶.目前全球实际敷设的WDM系统已超过3000个,而实用化系统的最大容量已达320Gbps(2*16*10Gbps),美国朗讯公司已宣布将推出80个波长的WDM系统,其总容量可达200Gbps(80*)或400Gbps(40*10Gbps).实验室的最高水平则已达到(13*20Gbps).预计不久实用化系统的容量即可达到1Tbps的水平.可以认为近2年来超大容量密集波分复用系统的发展是光纤通信发展史上的又一里程碑.不仅彻底开发了无穷无尽的光传输键路的容量,而且也成为IP业务爆炸式发展的催化剂和下一代光传送网灵活光节点的基础.3 实现光联网——战略大方向上述实用化的波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量,但基本上是以点到点通信为基础的系统,其灵活性和可靠性还不够理想.如果在光路上也能实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话,无疑将增加新一层的威力.根据这一基本思路,光的分插复用器(OADM)和光的交叉连接设备(OXC)均已在实验室研制成功,前者已投入商用.实现光联网的基本目的是:(1)实现超大容量光网络;(2)实现网络扩展性,允许网络的节点数和业务量的不断增长;(3)实现网络可重构性,达到灵活重组网络的目的;(4)实现网络的透明性,允许互连任何系统和不同制式的信号;(5)实现快速网络恢复,恢复时间可达100ms.鉴于光联网具有上述潜在的巨大优势,发达国家投入了大量的人力,物力和财力进行预研,特别是美国国防部预研局(DARPA)资助了一系列光联网项目,如以Be11core为主开发的"光网技术合作计划(ONTC)",以朗讯公司为主开发的"全光通信网"预研计划","多波长光网络(MONET)"和"国家透明光网络(NTON)"等.在欧洲和日本,也分别有类似的光联网项目在进行.光纤接入|光纤传输综上所述光联网已经成为继SDH电联网以后的又一新的光通信发展高潮.其标准化工作将于2000年基本完成,其设备的商用化时间也大约在2000年左右.建设一个最大透明的.高度灵活的和超大容量的国家骨干光网络不仅可以为未来的国家信息基础设施(NII) 奠定一个坚实的物理基础,而且也对我国下一世纪的信息产业和国民经济的腾飞以及国家的安全有极其重要的战略意义.4 新一代的光纤近几年来随着IP业务量的爆炸式增长,电信网正开始向下一代可持续发展的方向发展,而构筑具有巨大传输容量的光纤基础设施是下一代网络的物理基础.传统的单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势,开发新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重要组成部分.目前,为了适应干线网和城域网的不同发展需要,已出现了两种不同的新型光纤,即非零色散光纤(光纤)和无水吸收峰光纤(全波光纤). 新一代的非零色散光纤 非零色散光纤(光纤)的基本设计思想是在1550窗口工作波长区具有合理的较低色散,足以支持10Gbps的长距离传输而无需色散补偿,从而节省了色散补偿器及其附加光放大器的成本;同时,其色散值又保持非零特性,具有一起码的最小数值(如2ps/()以上),足以压制四波混合和交叉相位调制等非线性影响,适宜开通具有足够多波长的DWDM系统,同时满足TDM和DWDM两种发展方向的需要.为了达到上述目的,可以将零色散点移向短波长侧(通常1510～1520nm范围)或长波长侧(157nm附近),使之在1550nm附近的工作波长区呈现一定大小的色散值以满足上述要求.典型光纤在1550nm波长区的色散值为光纤的1/6～1/7,因此色散补偿距离也大致为光纤的6～7倍,色散补偿成本(包括光放大器,色散补偿器和安装调试)远低于光纤. 全波光纤 与长途网相比,城域网面临更加复杂多变的业务环境,要直接支持大用户,因而需要频繁的业务量疏导和带宽管理能力.但其传输距离却很短,通常只有50～80km,因而很少应用光纤放大器,光纤色散也不是问题.显然,在这样的应用环境下,怎样才能最经济有效地使业务量上下光纤成为网络设计至关重要的因素.采用具有数百个复用波长的高密集波分复用技术将是一项很有前途的解决方案.此时,可以将各种不同速率的业务量分配给不同的波长,在光路上进行业务量的选路和分插.在这类应用中,开发具有尽可能宽的可用波段的光纤成为关键.目前影响可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰,因而若能设法消除这一水峰,则光纤的可用频谱可望大大扩展.全波光纤就是在这种形势下诞生的.全波光纤采用了一种全新的生产工艺,几乎可以完全消除由水峰引起的衰减.除了没有水峰以外,全波光纤与普通的标准匹配包层光纤一样.然而,由于没有了水峰,光纤可以开放第5个低损窗口,从而带来一系列好处:(1)可用波长范围增加100nm,使光纤的全部可用波长范围从大约200nm增加到300nm,可复用的波长数大大增加;(2)由于上述波长范围内,光纤的色散仅为155Onm波长区的一半,因而,容易实现高比特率长距离传输;(3)可以分配不同的业务给最适合这种业务的波长传输,改进网络管理;(4)当可用波长范围大大扩展后,允许使用波长间隔较宽,波长精度和稳定度要求较低的光源,合波器,分波器和其它元件,使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降,这就降低了整个系统的成本.5 IP over SDH与IP over Optical以IP业务为主的数据业务是当前世界信息业发展的主要推动力,因而能否有效地支持IP业务已成为新技术能否有长远技术寿命的标志.目前,ATM和SDH均能支持IP,分别称为IP over ATM和IP over SDH两者各有千秋.IP over ATM利用ATM的速度快,颗粒细,多业务支持能力的优点以及IP的简单,灵活,易扩充和统一性的特点,可以达到优势互补的目的,不足之处是网络体系结构复杂,传输效率低,开销损失大(达25%～30%).而SDH与IP的结合恰好能弥补上述IP overATM的弱点.其基本思路是将IP数据包通过点到点协议(PPP)直接映射到SDH帧,省掉了中间复杂的ATM层.具体作法是先把IP数据包封装进PPP分组,然后利用HDLC组帧,再将字节同步映射进SDH的VC包封中,最后再加上相应SDH开销置入STM-N帧中即可.IP over SDH在本质上保留了因特网作为IP网的无连接特征,形成统一的平面网,简化了网络体系结构,提高了传输效率,降低了成本,易于IP组插和兼容的不同技术体系实现网间互联.最主要优点是可以省掉ATM方式所不可缺少的信头开销和IP overATM封装和分段组装功能,使通透量增加25%～30%,这对于成本很高的广域网而言是十分珍贵的.缺点是网络容量和拥塞控制能力差,大规模网络路由表太复杂,只有业务分级,尚无优先级业务质量,对高质量业务难以确保质量,尚不适于多业务平台,是以运载IP业务为主的网络理想方案.随着千兆比高速路由器的商用化,其发展势头很强.采用这种技术的关键是千兆比高速路由器,这方面近来已有突破性进展,如美国Cisco公司推出的12000系列千兆比特交换路由器(GSR),可在千兆比特速率上实现因特网业务选路,并具有5～60Gbps的多带宽交换能力,提供灵活的拥塞管理,组播和QOS功能,其骨干网速率可以高达,将来能升级至10Gbps.这类新型高速路由器的端口密度和端口费用已可与ATM相比,转发分组延时也已降至几十微秒量级,不再是问题.总之,随着千兆比特高速路由器的成熟和IP业务的大发展,IP overSDH将会得到越来越广泛的应用.光纤接入|光纤传输但从长远看,当IP业务量逐渐增加,需要高于的链路容量时,则有可能最终会省掉中间的SDH层,IP直接在光路上跑,形成十分简单统一的IP网结构(IP overOptical).显然,这是一种最简单直接的体系结构,省掉了中间ATM层与SDH层,减化了层次,减少了网络设备;减少了功能重叠,简化了设备,减轻了网管复杂性,特别是网络配置的复杂性;额外的开销最低,传输效率最高;通过业务量工程设计,可以与IP的不对称业务量特性相匹配;还可利用光纤环路的保护光纤吸收突发业务,尽量避免缓存,减少延时;由于省掉了昂贵的ATM交换机和大量普通SDH复用设备,简化了网管,又采用了波分复用技术,其总成本可望比传统电路交换网降低一至二个量级!综上所述,现实世界是多样性的,网络解决方案也不会是单一的,具体技术的选用还与具体电信运营者的背景有关.三种IP传送技术都将在电信网发展的不同时期和网络的不同部分发挥自己应有的历史作用.但从面向未来的视角看,IP over Optical将是最具长远生命力的技术.特别是随着IP业务逐渐成为网络的主导业务后,这种对IP业务最理想的传送技术将会成为未来网络特别是骨干网的主导传送技术.在相当长的时期,IP over ATM,IP overSDH和IP over Optical将会共存互补,各有其最佳应用场合和领域.6 解决全网瓶颈的手段——光接入网过去几年间,网络的核心部分发生了翻天覆地的变化,无论是交换,还是传输都已更新了好几代.不久,网络的这一部分将成为全数字化的,软件主宰和控制的,高度集成和智能化的网络.而另一方面,现存的接入网仍然是被双绞线铜线主宰的(90%以上),原始落后的模拟系统.两者在技术上的巨大反差说明接入网已确实成为制约全网进一步发展的瓶颈.目前尽管出现了一系列解决这一瓶颈问题的技术手段,如双绞线上的xDSL系统,同轴电缆上的HFC系统,宽带无线接入系统,但都只能算是一些过渡性解决方案,唯一能够根本上彻底解决这一瓶颈问题的长远技术手段是光接入网.接入网中采用光接入网的主要目的是:减少维护管理费用和故障率;开发新设备,增加新收入;配合本地网络结构的调整,减少节点,扩大覆盖;充分利用光纤化所带来的一系列好处;建设透明光网络,迎接多媒体时代. 所谓光接入网从广义上可以包括光数字环路载波系统(ODLC)和无源光网络(PON)两类.数字环路载波系统DLC不是一种新技术,但结合了开放接口,并在光纤上传输综合的DLC(IDLC),显示了很大的生命力,以美国为例,目前的亿用户线中,DLC/IDLC已占据3600万线,其中IDLC占2700万线.特别是新增用户线中50%为IDLC,每年约500万线.至于无源光网络技术主要是在德国和日本受到重视.德国在1996年底前共敷设了约230万线光接入网系统,其中PON约占100万线.日本更是把PON作为其网络光纤化的主要技术,坚持不懈攻关十多年,采取一系列技术和工艺措施,将无源光网络成本降至与铜缆绞线成本相当的水平,并已在1998年全面启动光接入网建设,将于2010年达到6000万线,基本普及光纤通信网,以此作为振兴21世纪经济的对策.近来又计划再争取提前到2005年实现光纤通信网.光纤接入|光纤传输在无源光网络的发展进程中,近来又出现了一种以ATM为基础的宽带无源光网络(APON),这种技术将ATM和PON的优势相互结合,传输速率可达622/155Mbps,可以提供一个经济高效的多媒体业务传送平台并有效地利用网络资源,代表了多媒体时代接入网发展的一个重要战略方向.目前国际电联已经基本完成了标准化工作,预计1999年就会有商用设备问世.可以相信,在未来的无源光网络技术中,APON将会占据越来越大的份额,成为面向21世纪的宽带投入技术的主要发展方向.7 结束语从上述涉及光纤通信的几个方面的发展现状与趋势来看,完全有理由认为光纤通信进入了又一次蓬勃发展的新高潮.而这一次发展高潮涉及的范围更广,技术更新更难,影响力和影响面也更宽,势必对整个电信网和信息业产生更加深远的影响.它的演变和发展结果将在很大程度上决定电信网和信息业的未来大格局,也将对下一世纪的社会经济发展产生巨大影响.