光子集成作为未来全光网络发展的必然趋势, 是实现高速光通信的重要解决方案。正如硅基集成电路的发展历程一样, 找到一种类似晶体管的基本集成单元, 并实现光子集成的大多数功能是目前光子集成技术中最迫切的问题。近年来, 由于半导体环形谐振器的功能多样性和可集成性, 使其最有可能成为光子集成的基本单元, 因而成为集成光子学、光通信和光信息处理领域的研究热点。文章在介绍半导体环形激光器工作原理和基本特性的基础上, 总结了InP基环形波导激光器在集成光源及光信息处理方面的应用和最新进展。

随着光纤布拉格光栅(FBG)传感技术的飞速发展, 基于FBG技术的加速度传感器成为了一个新的研究和发展的方向。理论分析了FBG加速度传感器的基本原理, 重点介绍了基于FBG理论开发的加速度传感器探头结构的研究进展, 分析了探头结构的传感机理及性能指标, 指出了实际应用存在的关键技术问题, 并对未来的发展进行了展望, 为设计新型探头结构及探头的实用化提供了借鉴。

设计了一种具有高隔离度的八通道光子晶体滤波器, 并应用时域有限差分法分析计算了在晶格常数相同的条件下, 点缺陷微腔局域频率与光子晶体介质柱半径之间的变化规律。在此基础上, 对该八通道滤波器的传输特性进行了仿真。结果表明, 晶格常数取540nm时, 该滤波器各信道的中心频率在1510~1580nm, 信道间隔小于9.5nm, 信道间隔离度均大于35dB。

PIN四象限探测器在应用过程中对其输出一致性的要求很高。文章讨论了影响PIN四象限探测器输出一致性的各种因素, 并有针对性地提出了相应的改进措施。通过仿真分析, 对PIN器件的各项参数进行了优化设计, 并制作出了可工作在1060nm波长、50V偏压下的PIN四象限探测器, 其每个象限响应度达到0.3A/W, 暗电流小于50nA, 四个象限输出不一致性小于10%。然后通过对单个芯片的四个象限分别进行放大电路的安装调试, 制作出了输出不一致性小于3%的四象限探测器器件。

阐述了半导体光电位置敏感器件双层结构、特点, 在此基础上, 利用三层前置反馈网络对光电位置敏感器件的空间非线性以及畸变产生的机理进行了分析, 尤其是对在位置敏感器件边缘的非线性作了分析研究; 提出了一种适于位置敏感器件的敏感前置放大器电路和产生双极脉冲的分光滤波器; 通过实验模拟, 验证了上述理论和方法的正确性, 并对双层结构的位置敏感器件在精密探测中的应用作了展望。

设计和制作了一种高速铌酸锂电光调制器。波导采用双Y定向耦合器型结构以提高线性度, 同时能够提高工艺容差; 电极采用CPW行波电极结构。通过分析比较不同相速匹配程度及微波损耗程度对电极系统带宽的影响, 选择合适的设计参数及工艺参数, 制作的调制器样品插入损耗为3dB, 开关消光比为34dB, 偏置电极半波电压为7V, 行波电极半波电压为5.5V, 电反射小于-10dB, 6dB调制带宽约18GHz, 可实现0～18GHz模拟调制。

对LD泵浦Er3+∶Yb3+共掺全固态激光器进行了整体设计, 利用矩阵光学方法推导了高斯光束经耦合系统聚焦后束腰宽度和像距的计算公式。考虑激光棒的热透镜效应, 对有源平平腔、平凹腔进行了数值计算, 分析了谐振腔的稳定性。最后, 根据激光谐振条件, 确定了激光输出镜及滤光片的镀膜方案, 为最终获得高效率、稳定的激光输出提供了理论依据。

对PIN型和NIN型两种InP基Mach-Zehnder电光调制器的电极结构进行了数值仿真研究, 从而确定出适于这两种电光调制器的行波电极结构。仿真结果表明, NIN型电光调制器可采用简单的单臂类微带电极, 而PIN型电光调制器需采用周期容性负载电极, 以达到良好的阻抗匹配特性和传输特性。进一步地, 提出了将串联推挽式行波电极结构应用于PIN型电光调制器, 可以简化制作工艺并获得良好的微波特性。

针对全光纤结构健康监测系统中对位移监测的需求, 设计了一种基于等强度悬臂梁结构的光纤光栅(FBG)位移传感器, 它具有结构简单、测量精度高、温度自补偿等优点。通过对传感器进行标定试验, 结果显示其线性相关系数可以达到0.999以上, 传感器的测量精度为0.326% FS。该传感器在桥梁支座监测中的成功应用表明其可靠性高、对结构自身影响小, 可直接测量支座位移, 适合于长期工程结构监测。

采用Afors-het软件模拟分析了结构为TCO/a-Si∶H(n)/a-Si∶H(i)/c-Si(p)/a-Si∶H(p+)/Ag的p型硅衬底异质结太阳电池的性能, 研究了各层厚度、带隙、掺杂浓度以及界面态密度等结构参数和物理参数对电池性能的影响。通过模拟优化, 结合理论分析和实际工艺, 得到合适的各结构参数取值。采用厚度薄且掺杂高的窗口层, 嵌入本征层以钝化异质结界面缺陷, 合理利用背场对于少子的背反作用, 获得了较佳的太阳电池综合性能: 开路电压Voc为678.9mV、短路电流密度Jsc为38.33mA/cm2、填充因子FF为84.05%、转换效率η为21.87%。

杂质光伏太阳电池是一种能够利用那些能量小于禁带宽度的太阳光子以提高电池转换效率的新型太阳电池。利用数值方法研究在硅电池中掺入碳杂质以形成杂质光伏太阳电池, 分析掺碳对电池性能的影响。结果表明:利用杂质光伏效应掺入碳杂质能够增加子带光子的吸收, 使得电池转换效率提高约2%;转换效率的提高在于电池的红外光谱响应的延展。由此可以得出: 利用杂质光伏效应在硅电池中掺碳形成杂质光伏太阳电池是一种能够提高电池转换效率的新途径。

用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)生长了GaAs/AlGaAs量子阱材料, 分别制备了300μm×300μm台面, 峰值波长8.5μm, 外电极压焊点面积80μm×80μm, 内电极压焊点面积20μm×20μm的单元测试样品。用变温液氦制冷机测试系统对两个样品进行50~300K的变温测试, 分析了器件在不同偏压条件下的暗电流特性。发现该量子阱红外探测器的背景限温度为50K。不同生长次序中GaAs与AlGaAs界面的不对称性, 以及掺杂元素的扩散导致了正负偏压下的I/V曲线呈不对成性。探测器电极压焊点面积大小与位置的不同对暗电流有一定的影响。

提出一种中心波长随槽型腔腔长线性变化、透射率随耦合距离可调的级联腔表面等离子体滤波器。该滤波器由输入波导、两个级联的介质槽型腔和输出波导组成。通过级联两个相同的槽型腔, 共振模被分离从而实现窄带的双通道滤波器; 进一步调节输出波导的位置, 能够将双通道分离, 实现单通道的滤波。通过时域有限差分法和耦合模理论对模型进行仿真分析, 结果表明, 该滤波器的最小半高宽低至20nm。同基于单槽型腔的滤波器相比, 半高宽显著减小。

基于延展波长(截止波长2.2μm)InGaAs-PIN光电探测器进行了失配异质结构InxGa1-xAs(x=0.72)/InP的MOCVD外延生长研究。采用宽带隙组分梯度渐变的InAlAs作为缓冲层和顶层, 通过生长优化, 获得了满足器件要求的外延材料。

采用射频磁控溅射的方法制备了用于液晶光阀光导层的氢化非晶硅薄膜, 研究了工艺参数对氢化非晶硅薄膜透过率及光电导性能的影响。结果表明, 薄膜的沉积速率随着溅射功率和衬底温度的升高呈先增加后减小的趋势, 在衬底温度为300℃, 溅射功率为300W左右沉积速率达到最大, 在溅射2h后沉积速率随着溅射时间的增加而下降; 薄膜的光吸收系数随衬底温度的升高而增大, 随溅射功率的增加而减小; 交流电导率随衬底温度和溅射功率的升高而下降; 薄膜在可见光范围内透过率随着H分压的增大而增大, 且吸收边发生蓝移。

采用等离子体辅助分子束外延(PA-MBE)研究了Al金属插入层对Si(111)衬底上AlN薄膜材料生长的影响。结果证明, Al插入层可改善AlN外延层的晶体质量, 而且引入Al预扩散机制可消除外延表面的孔隙。同时, 采用AlN插入层预扩散有利于获得Al极性的AlN, 否则倾向于获得N极性的AlN。

研究了冶金法n型多晶硅片磷吸杂、硼吸杂效果及其机理。研究发现, 经1000℃/4h磷吸杂后, 硅片平均少子寿命从1.21μs 提高到11.98μs; 经950℃/1h硼吸杂后, 平均少子寿命从1.52μs提升到10.74μs。两种吸杂处理后, 硅片电阻率从0.2Ω·cm提高到0.5Ω·cm。结果表明, 两种吸杂工艺使得硅片表面形成的重磷、重硼扩散层对金属杂质有较好的吸杂作用, 从而减少载流子的复合中心, 改善多晶硅片的性能。

对可溶性聚{(3-丁酰基)吡咯-[2,5-二(对十四烷氧基苯甲烷)]}(PBPDTBA)的荧光特性进行了系统的研究。结果表明, 浓度一定时, PBPDTBA在二氯甲烷中具有最大的荧光量子产率0.118; 随着浓度的增加, PBPDTBA在二氯甲烷中的荧光发射峰强度出现先增强后减弱的趋势, 当浓度为0.03mg/mL时, 溶液具有最大的荧光发射峰强度; 不良溶剂的加入导致PBPDTBA的二氯甲烷溶液的荧光发射峰强度下降, 且发射峰红移; 四氯苯醌对PBPDTBA的荧光具有猝灭效应, 当四氯苯醌的含量为0.001mol/L时, PBPDTBA的二氯甲烷溶液的荧光完全消失。

功率谱曲线的半高宽是谐振法测量光学谐振腔腔体损耗的重要参数之一。针对测量的电压曲线存在噪声大、纹波大、波形失真严重等问题,采用扫频激光作为入射光源,利用Labview软件编程对实验数据进行曲线拟合,有效地去除了测量噪声,使电压曲线的半高宽具有较好的重复性。最后按照一定的算法将其转换为功率谱曲线的半高宽, 从而计算出被测腔体的损耗。在不增加硬件成本的基础上提高了测量精度。

引入复折射率的概念, 利用特征矩阵法研究了材料的吸收对光子晶体全反射隧穿效应的影响。通过数值计算研究了光子晶体的全反射隧穿峰随材料消光系数和周期光学厚度的变化规律。全反射遂穿峰的峰高随消光系数的增加而降低, 全反射遂穿峰的频率不受消光系数的影响。全反射隧穿峰的频率和频率宽度都随周期光学厚度的增加而减小。

采用磁控溅射的方法在Si衬底上生长Fe/Si多层膜, 退火后形成了硅化物薄膜。利用X射线衍射(XRD)、Raman光谱、原子力显微镜(AFM)研究了Fe/Si膜厚比和退火温度对薄膜结构特性的影响。研究表明, 当Fe/Si膜厚比为1/2, 预先在衬底上沉积Fe缓冲层, 退火温度为750℃, 形成的硅化物为β-FeSi2, 晶粒的平均尺寸大约为50nm, 且分布得比较均匀。如果Fe/Si厚度比为1/1或3/10时, 形成的硅化物为ε-FeSi。随着退火温度的升高, Fe/Si之间的相互扩散逐渐增强, 当退火温度为1000℃时, 形成了富硅的二硅化物的高温相α-FeSi2。

采用直流磁控溅射的方法分别在普通玻璃与硅片上制备了氧化钒薄膜, 在大气及真空氛围下分别对样品采取了退火处理, 测量了退火前后薄膜的电阻, 结合样品的XRD图谱进行了分析。结果表明, 在普通玻璃和硅片上均得到了V2O5薄膜。经过大气氛围退火处理后, 薄膜的结晶度明显增强, 硅片上薄膜的电阻明显变小, 而玻璃基底上的薄膜电阻变化则不明显。在温度升高的过程中, Si片上薄膜电阻变化范围为56~0.54MΩ。而经过真空退火处理的薄膜其电阻均发生改变, 升温过程中, 玻璃基底与Si片上薄膜的电阻变化范围分别为52~16MΩ、4.3~0.46MΩ, 说明经过退火后硅片上沉积的薄膜具有较好的电学性能。

氮化硅薄膜作为传统的晶体硅太阳电池钝化减反膜, 其性能的变化直接影响电池的转化效率。通过改变管式PECVD的射频功率, 制备了不同膜厚和折射率的氮化硅薄膜, 并分别进行了薄膜致密性以及硅片镀膜后少子寿命的测试。实验及测试结果表明, 改变PECVD的射频功率对氮化硅薄膜的沉积速率及其薄膜的性能有重要影响。

采用溶胶-凝胶法在玻璃基片上制备了纯ZnO薄膜和高浓度Cu掺杂的Co, Cu共掺ZnO (Zn0.90CoxCu0.1-xO, x=0.01,0.03,0.05)薄膜。扫描电镜观察到无论是纯ZnO还是掺杂ZnO薄膜表面都有均匀分布的颗粒, 但是在Cu含量较高时均匀性更好。X射线衍射揭示所有样品都具有纤锌矿结构, 但是Cu掺杂量的增加使晶格常数略有减小, 而晶粒尺寸却略有增大。XPS测试结果表明样品中Co离子的价态为+2价和+3价, Cu离子的价态为+2价和+1价共存。室温光致发光测量在所有样品中均观察到较强的紫外发光峰、蓝光双峰和较弱的绿光发光峰。

基于UMC 0.18μm CMOS工艺, 设计了一种2Gb/s传输速率的宽动态范围光接收机前端放大电路。采用对数放大器来增大接收机的输入动态范围, 前置放大器采用差分共源跨阻放大器, 并使用有源电感做负载来增大带宽。实验结果表明: 该接收机前端电路的增益为80dB, 3dB带宽为2.3GHz, 2.5Gb/s输出眼图良好, 输入动态范围为60dB(1μA～1mA)。

针对传统马赫-曾德尔调制器(MZM)在光载正交频分复用(OFDM)系统中的非线性失真问题, 提出了一种新的并行MZM结构, 该结构由主调制器和起补偿作用的子调制器组成。理论分析与仿真表明: 通过设计调制器电极长度与输入光功率, 使得相位误差衰减因子小于1, 此时并行MZM的非线性失真小于传统MZM。在相同调制指数下, 并行MZM对应的星座图更加收敛, 但随着调制指数的增加而逐渐发散。

建立了一个光载无线通信(RoF)与功率放大器(PA)结合的无线通信系统的数字预失真仿真结构, 使用Matlab软件建立RoF和PA的模型, 并运用间接学习结构的预失真方法和最小均方误差(LMS)算法搭建了预失真仿真系统, 采用联合补偿和单独补偿两种方式的补偿结构, 分析了两种结构的优缺点。通过功率谱密度图的对比, 分析了两种补偿方式的效果。仿真结果表明, 预失真处理有效地补偿了RoF与PA组成的无线通信系统的非线性。

视频面阵CCD相机已经得到了广泛的应用, 为了解决不同的应用对高频率、高分辨率不同的要求等问题, 同时扩大其应用范围, 提出了一种适用于视频面阵CCD相机的多工作模式成像技术。首先, 分析了视频面阵CCD的功能和特点, 确定CCD的工作模式; 其次, 根据这些工作模式确定多模式成像的视频面阵CCD相机的组成; 然后, 详细阐述了时序驱动电路中工作模式的切换方法; 最后, 在各种工作模式下对视频面阵CCD相机分别进行了外场成像试验。实验结果表明: 视频面阵CCD相机在各种工作模式下的成像效果很好, 并且每种工作模式之间的切换时间为2ms, 提高了视频面阵CCD相机多工作模式成像方法的有效性和实时性。

为了解决星上TDI CCD相机成像工作模式较多、工作模式切换时间较长、配置效率较低等问题, 提出了一种高效、可靠的成像工作模式配置和管理方法。首先, 分析了星上TDI CCD相机成像单元的内部结构和工作特点; 其次, 针对成像工作模式中大量的轨道参数、姿态参数和时间参数, 结合相应的图像数据提出了一种成像工作模式的有效管理方法; 然后, 对成像工作模式中比较重要的配置参数(增益、偏置、积分级数和行频)的配置过程分别进行了详细的介绍; 最后, 对五个增益配置点下TDI CCD相机的响应度进行了检测, 同时在4级和8级的积分级数下进行了外场成像试验。实验结果表明: 所提出的配置方法准确、可靠, TDI CCD相机响应度的线性较好, 且外场成像质量较好、层次分明, 实现了星上成像工作模式的有效、可靠的配置和管理。

光电望远镜监测同步轨道目标时, 一般采用凝视目标和凝视恒星两种工作模式, 在这两种工作模式下, 由于恒星和目标相对地球运动速度不同, 它们在CCD上成像会有所差别, 即圆形小目标和短划线。文章针对它们成像的差异, 提出了一种利用目标几何形状来区分目标和恒星的方法, 该方法先利用形态滤波对图像进行预处理, 提高目标信噪比的同时又不破坏目标的形状特征, 然后通过二值分割、特征标记计算出目标的紧凑度、通过目标的原点矩计算出目标外接椭圆的长短轴, 最后将目标的紧凑度和外接椭圆短长轴比进行特征融合, 对融合结果选择合适门限来区分目标和恒星。试验结果表明, 所提出的这种特征融合检测方法是一种有效的单帧目标检测方法。

高速接口技术目前采用较多的是PCI Express总线。文章基于工程实现需要, 采用Xilinx的V5系列FPGA中的PCI Express IP核, 完成了基于FPGA的PCI Express接口数据通路的硬件逻辑设计, 编写了WDM框架的驱动程序, 用于PCI Express接口的DMA数据传输控制。最后, 为了测试PCI Express接口数据传输性能, 搭建了图像采集系统X1链路下的实验平台, 经过测试, 传输速度在90~100MB/s。

针对传统红外图像增强方法存在增强后目标边缘模糊及背景噪声过增强的缺陷, 结合人眼视觉特性, 提出了基于视觉对比度分辨率的非线性变换算法。该算法根据人类视觉在不同背景灰度下分辨目标的能力不同, 自适应调整灰度变换曲线, 使目标映射到人眼分辨的敏感区域, 同时使背景噪声映射到人眼分辨的不敏感区域。经测试表明: 提出的算法与传统算法相比更易突出红外图像目标的细节信息及其边缘轮廓, 峰值信噪比提高近1倍, 对比度增益提高近0.5倍。

对太阳能热光伏系统(STPV)进行了全面的实验研究, 对系统组成装置即聚光器、辐射器、滤波器、电池、散热器等进行了合理的选型及加工; 设计了系统中热光伏转换器的整体结构, 并进行实验搭建, 结合自动跟踪装置, 对整个STPV系统进行了现场测试, 分析了太阳能量密度对辐射器温度的影响, 对不同辐射器入口条件下的温度分布进行了比较, 并测量了不同辐射器温度下的电池输出特性; 研究了散热器流速对电池温度及其输出功率的影响; 讨论了实验测量值与理论解存在差异的原因。

在DSP+FPGA的高速图像处理系统中, 针对系统数据量大、运算复杂的特点, 提出了一种基于SRIO协议的DSP与FPGA处理器互连, 并进一步使用FPGA中的MPMC控制器连接DDR2 SDRAM, 实现了图像处理系统内部处理器的共享存储。该方法通过在DSP和FPGA上编程, 实现了SRIO协议中的存储器映射I/O事务(LSU)方式的传输, 处理器之间通过SRIO接口传输的数据速率达到3.125Gb/s。实验结果表明, 该方法有效地实现了处理器之间数据稳定可靠的传输, 使系统内的数据交换灵活快捷, 提高了DSP的协处理能力, 很好地满足了处理系统实时性的需求。

设计了一种输出功率达120W的反激式变换LED恒流驱动电路, 其输出电压范围为33~37V, 可为120只功率为1W的LED管采用10串12并混联方式组成的LED阵列提供驱动电流。对其功率因数校正电路、反激式变换电路、恒流控制电路进行了设计和试制, 性能测试表明, 其输出恒流效果较好, 电流稳定度约2.7%, 输出电压纹波低, 可用于恒流驱动混联方式组成的多只LED阵列。

为了提高光笔式三坐标视觉测量的正确性和有效性, 对其多点透视模型进行了研究。以经典的“N点透视问题”理论为依据, 将世界坐标系的原点巧妙地构建在光笔笔尖处, 使坐标测量变为传统的摄像机外部参数标定问题, 采用坐标变换方法, 建立了光笔式三坐标视觉测量系统的多点透视数学模型, 得出光笔上点光源的个数应大于等于3。结合光笔参数的自标定, 采用十点透视模型, 开发出光笔式三坐标视觉测量实验系统, 在三坐标测量机上进行了比对测量实验。比对测量结果表明: 在300mm 测量范围内, 实验测量系统和三坐标测量机在x、y、z轴方向上的测量数据最大差值分别为0.13、0.14和0.2mm。

红外焦平面阵列探测器空间采样效应会对红外图像效果产生影响, 为提高仿真红外图像的置信度, 在信号注入仿真中需要对采样效应进行模拟。通过深入分析空间采样效应机理, 建立了采样效应的数学模型, 分析了分辨率的变换过程。利用基于图像像素处理的方法从空域上对红外仿真图像叠加空间采样效应。仿真实验表明, 叠加了红外焦平面阵列探测器空间采样效应的红外仿真图像置信度明显提高, 可作为重要环节提高红外成像仿真整体的置信度水平。