Author Affiliations
Abstract
1 Department of Electrical Engineering and Computer Science, Ningbo University, Ningbo 315211, China
2 Centre for Optical and Electromagnetic Research, College of Optical Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
Mode splitters that directly separate modes without changing their orders are highly promising to improve the flexibility of the mode-division multiplexing systems. In this paper, we design a high-performance mode splitter on the silicon-on-insulator platform with a compact footprint of 14 µm× 2.5 µm using an inverse design method based on shape optimization. The fabrication of this mode splitter requires only a single lithography step and exhibits good fabrication tolerances. The experimental results show that the proposed device exhibits state-of-the-art insertion loss (<0.9 dB) and cross talk (<-16 dB) over a broad bandwidth (1500–1600 nm). Furthermore, the shape optimization method used is implemented to design a dual-mode (de)multiplexer, and the experimental results fulfill the design objective, demonstrating the excellent generality of the design method in this paper.
integrated optics inverse design mode splitter Chinese Optics Letters
2024, 22(1): 011302
秦思成 1,2,3,*吴锦绣 1,2,3齐源昊 1,2,3柳召刚 1,2,3[ ... ]张晓伟 1,2,3
1 内蒙古科技大学材料与冶金学院，包头 014010
2 内蒙古自治区高校稀土现代冶金新技术与应用重点实验室，包头 014010
3 轻稀土资源绿色提取与高效利用教育部重点实验室，包头 014010
以硫酸铵废水为原料，采用水热法制备了无水硫酸钙晶须(CSW)。首先研究了十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和不同聚合度的聚乙二醇(PEG)对CSW生长行为的影响。然后用Materials Studio 2020软件对SDBS吸附在CSW表面进行分子动力学模拟，计算得到各晶面吸附能。结果表明，产物均为正交晶系的CSW。未加添加剂制备出的CSW平均长度为65.27 μm，长径比为40，但表面粗糙，分布不均匀。加入4%(质量分数)SDBS制备出的CSW形貌最优，分布均匀，表面光滑且均为针状，平均长度为136 μm，长径比为62。SDBS能促进CSW以螺旋位错的形式沿轴向生长，提高CSW长径比。
硫酸铵废水 水热法 无水硫酸钙晶须 添加剂 分子动力学模拟 吸附能 ammonium sulfate wastewater hydrothermal method anhydrous calcium sulfate whisker additive molecular dynamics simulation adsorption energy 吴锦绣 1,2,3,*秦思成 1,2,3牛小超 1,2,3齐源昊 1,2,3[ ... ]张晓伟 1,2,3
1 内蒙古科技大学材料与冶金学院, 包头 014010
2 内蒙古自治区高校稀土现代冶金新技术与应用重点实验室, 包头 014010
3 轻稀土资源绿色提取与高效利用教育部重点实验室, 包头 014010
本文以稀土石膏为原材料研究了制备方法对硫酸钙晶须(CSW)形貌和结构的影响, 并以二水硫酸钙(分析纯)为原材料, CeCl3·7H2O为铈源, 探究稀土铈的加入对CSW的结构和形貌的影响。利用SEM、XRD、XPS和FL等表征手段对CSW的结构、形貌和组成及其荧光性能等进行表征和分析。研究结果表明: 采用微波法可以制备高长径比的CSW, 其平均长度为263 μm, 平均长径比为39.50。Ce3+以原子置换的形式进入CSW, 对晶须的晶体结构不产生影响, 但改善了CSW的形貌。添加2%(质量分数)的Ce3+能够促进晶须向一维生长, 使得CSW的长径比显著增加, 而过量的Ce3+会促使晶须横向生长。研究证明稀土石膏中含有微量的稀土元素Ce, 同时发现由稀土石膏制备的CSW具有发射蓝光的特性, 这对开发利用稀土石膏具有重要的理论指导意义。
稀土铈 稀土石膏 硫酸钙晶须 微波法 长径比 荧光性能 rare earth cerium rare earth gypsum dehydrate calcium sulfate whisker microwave method length to diameter ratio fluorescence property
1 宁波大学信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211
2 浙江大学光学科学与工程学院，浙江 杭州 310058
模式转换器是实现模分复用技术（MDM）的关键部件。基于伴随法对器件边缘进行智能优化，从而在绝缘体上硅（SOI）平台上设计了高性能TE0-TE1模式转换器。经仿真验证，在中心波长1550 nm处，模式转换效率达99.6%，消光比达31.2 dB，而损耗仅为0.01 dB。在1500~1600 nm带宽范围内，TE0-TE1的转换效率保持在96.6%以上，消光比保持在15.7 dB以上，而损耗保持在0.14 dB以下。当器件尺寸变化在±20 nm以内时，器件在1550 nm处的转换效率保持在97.2%以上，消光比保持在16.5 dB以上，插入损耗维持在0.12 dB以下。在片上设计了TE1模式的测试装置，并利用商业流片对转换器进行制备。实验结果表明，在60 nm的带宽范围内，TE0-TE1转换器的转换效率保持在90%以上，插入损耗维持在0.4 dB以下。因此，所提出的转换器具有高转换效率、宽带宽、低插入损耗和高制作容差等特点，为高性能片上模式转换器的高效设计提供了新思路。
集成光学 硅基模式转换器 模分复用 逆设计 伴随法 中国激光
2023, 50(18): 1819001
1 宁波大学信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211
2 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310058
3 浙江万里学院数字产业研究院，浙江 宁波 315100
光子集成技术的高速发展对功能器件的设计效率提出了较高的要求。逆向设计利用优化算法实现器件结构的智能设计，从而可有效降低设计复杂度，提升设计效率。利用基于伴随法的逆向设计算法对硅基平台上的光耦合器进行结构设计，通过优化器件的边界形状，实现了高效率、任意分光比输出。仿真验证了三种1×2光耦合器的性能，其分光比分别为1∶2、1∶4和1∶8（3 dB、6 dB和9 dB）。器件的设计尺寸仅为4 μm×2 μm，且可以通过一步刻蚀完成。在1550 nm波长处，所设计的耦合器均可达到设计目标，且最大插入损耗仅有0.12 dB。在1500~1600 nm波长范围内，三种耦合器的分光比相对于设计目标的误差均保持在±1 dB以内，并且三种耦合器的插入损耗均低于0.28 dB。针对制作工艺误差等问题，对器件的制作容差进行了分析。结果表明，当耦合器的整体宽度变化±20 nm时，三种耦合器在1550 nm波长处的分光比的误差仍能保持在±1 dB以内。此外，制造了分光比为1∶2的耦合器，且实验结果符合设计目标。
集成光学 全光器件 耦合器 逆向设计
1 宁波大学 信息科学与工程学院, 浙江 宁波 315211
2 南京大学 固体微结构国家重点实验室, 江苏 南京 210093
金属纳米颗粒的表面等离子体共振效应能够对特定波长入射光的吸收或者散射增强, 正因为其独特的光学性质, 金属纳米颗粒被尝试应用于荧光太阳集光器。本文利用全无机钙钛矿CsPbBr3量子点、Au纳米颗粒和硫醇-烯聚合物制备荧光太阳集光器。研究发现, 掺杂适量Au纳米颗粒可以通过表面等离子体共振效应提高全无机钙钛矿CsPbBr3量子点荧光太阳集光器的外量子效率。当Au纳米颗粒的掺杂浓度为2.0×10-6时, 荧光太阳集光器的外量子效率为12.3%, 相比未掺杂Au纳米颗粒的荧光太阳集光器的外量子效率提升了78.2%。进一步提高Au纳米颗粒的掺杂浓度, 荧光太阳集光器的外量子效率下降。荧光发射谱和荧光寿命谱测试结果显示, 当Au纳米颗粒的掺杂浓度超过2.0×10-6时, 过高的Au纳米颗粒掺杂浓度导致CsPbBr3量子点与Au纳米颗粒之间发生非辐射能量转移, 荧光太阳集光器荧光量子产率(ηPL,LSC)下降导致了外量子效率下降。
钙钛矿量子点 Au纳米颗粒 表面等离子体共振效应 外量子效率 非辐射能量转移 perovskite quantum dot Au nanoparticle surface plasmon resonance effect external quantum efficiency non-radiative energy transfer
1 宁波大学 信息科学与工程学院, 浙江 宁波 315211
2 南京大学 固体微结构物理国家重点实验室, 江苏 南京 210093
荧光太阳集光器在光伏建筑一体化方面的潜在应用受到了广泛关注。本文采用CsPbBr3纳米晶作为集光器的发光中心, 采用硫醇-烯聚合物作为集光器的透明光波导基质。通过荧光发射谱、吸收谱以及荧光寿命谱等对集光性能进行研究, 发现将CsPbBr3纳米晶掺入硫醇-烯聚合物后, 发光峰位蓝移了11 nm、半高宽展宽了20.4 nm, 这可归因于硫醇-烯聚合物基质的介电约束效应。同时, 硫醇-烯聚合物基质大幅提高了CsPbBr3纳米晶的发光稳定性。当CsPbBr3纳米晶在硫醇-烯聚合物基质中的掺杂浓度为5.6%时, 荧光太阳集光器的集光效率可达8.9%。采用商用的多晶硅太阳能电池耦合在荧光太阳集光器的边缘, 在标准AM1.5的太阳光照条件下, 器件开路电压为0.47 V, 短路电流密度为7.14 mA/cm2, 填充因子为24.01%, 光电转换效率为2.30%。
钙钛矿纳米晶 硫醇-烯聚合物 荧光太阳集光器 光致发光 集光效率 perovskite nanocrystal thiol-ene polymer luminescent solar concentrator photoluminescence optical efficiency
1 宁波大学 信息科学与工程学院, 浙江 宁波 315211
2 温州大学 数理与电子信息工程学院, 浙江 温州 325053
由于具有较大的光学吸收系数与低廉的材料成本, 硫化亚锡(SnS)在新型薄膜太阳能电池中展现出巨大的应用前景。为了实现SnS薄膜的可控制备, 进而研究其光伏特性, 首先, 利用脉冲电沉积法在不同工艺条件下制备了一系列SnS薄膜; 然后, 通过X射线衍射(XRD)技术与扫描电子显微镜(SEM)对薄膜的晶体结构与表面形貌进行表征, 结合紫外-可见-近红外吸收光谱测试结果, 研究两种不同开启脉冲电压对SnS薄膜禁带宽度的影响。同时, 采用莫特-肖特基方程定量计算了SnS薄膜的导电类型与掺杂浓度。在此基础上, 设计了基于Au/SnS/CdS/ITO异质结的原型光伏器件。在AM1.5标准太阳光照射下, 原型器件开路电压为111 mV, 短路电流密度为20.81 μA/cm2。为未来低成本、高性能的薄膜太阳能电池吸收层材料研究提供了理论基础和实验依据。
硫化亚锡 薄膜 脉冲电沉积法 光伏原型器件 tin(Ⅱ) sulfide thin film pulse electro-deposition method photovoltaic prototype device
宁波大学 信息科学与工程学院, 浙江 宁波 315211
根据X射线光电子能谱分析和选择性光致发光谱测试结果, 探讨了Bi离子掺杂非晶二氧化硅薄膜的近红外发光来源。我们认为非晶二氧化硅薄膜中Bi离子的近红外发光来源于低价态Bi+离子从轨道3P1层到3P0层的辐射复合跃迁和Bi0从轨道2D3/2层到4S3/2层的辐射复合跃迁。此外, 本文利用限制性晶化原理, 通过在掺Bi二氧化硅薄膜中引入Au离子, 实现了Bi离子相关的近红外发光峰位可调,荧光强度增大了300%。高分辨透射电子显微镜截面图片证实了非晶二氧化硅薄膜厚度约为90 nm以及不同尺寸、数密度Au量子点的形成。变温光致发光谱测试结果表明, 部分Au离子可有效降低Bi离子掺杂非晶二氧化硅薄膜中羟基集团等非辐射复合中心密度。Bi离子掺杂非晶二氧化硅薄膜近红外发光来源的探讨以及通过Au量子点调控Bi离子近红外发光性质的讨论将有助于未来掺Bi发光材料的相关研究。
非晶二氧化硅 溶胶凝胶 薄膜 光致发光 amorphous silica sol-gel method thin films photoluminescence
宁波大学 信息科学与工程学院， 浙江 宁波 315211
传统光聚集器热效应明显、结构复杂、成本昂贵。作为替代，荧光太阳集光器具有许多显著优势并能够有效降低太阳能电池的发电成本，因此受到广泛关注。本文通过传统热注入法合成了全无机钙钛矿CsPbBr3量子点，并在此基础上设计了基于CsPbBr3量子点的荧光太阳集光原型器件。通过TEM测试和必要的光学表征，证实本文合成的CsPbBr3量子点具有典型的立方体结构、76.8%的荧光量子产率、512 nm的发光中心波长和22 nm的中心波长半高宽。此外，结合蒙特卡洛智能优化算法，建立了基于CsPbBr3量子点的荧光太阳集光器的理论计算模型，确定了全无机钙钛矿量子点最优掺杂浓度和最佳平均波长集光效率。仿真结果表明，在量子点掺杂浓度为2.1×10-5 mol/L时，最优的集光效率达到5.4%。本文提出的蒙特卡洛光子追踪模拟过程将为未来荧光太阳集光器参数设计提供科学的计算方法。
光致发光 光伏器件 蒙特卡洛模拟 量子点 photoluminescence photovoltaic device Monte Carlo simulation quantum dots
