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[硕士论文] 林捷
物理学 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:大量的理论和实验研究表明,2D-3D异质结结构可以有效提高二维光子晶体中器件的传输效率,可以作为超大规模全光或光电子集成回路研究的重要平台。基于此,我们采用时域有限差分法,研究了工作于太赫兹波段的2D-3D异质结结构中垂直波导、非平面集成波导、非平面集成器件等的传输特性。主要研究内容如下:
  首先,在2D-3D异质结结构中引入垂直耦合波导,研究波导位置变化时,沿不同输出方向的导带范围及其透过率。研究结果表明:当波导位置发生变化时,不同输出方向的导带范围及其透过率都会有明显地变化,尤其是腔腔耦合波导,当其移动至特定位置时,在多个方向都观察到了宽的导带范围和高的透过率。
  其次,我们在2D-3D异质结结构中构建了非平面的集成波导,研究了当垂直耦合波导相邻微腔之间的角度变化时,该集成波导的传输效率。研究结果表明:随着相邻微腔之间旋转角度的减小,该集成波导的传输效率得到有效改善,当进一步把输出波导增宽时,导带范围和传输效率同时得到了进一步提高。再此基础上,我们设计研究了包含有四个输出通道的非平面集成波导器件,发现其可以实现四个方向同时高效传输的特性。
  最后,在2D-3D异质结结构中设计了包含两种和三种器件的集成光路,研究了其频率选择特性及其集成化问题。研究结果表明:通过参数调节,实现了不同端口的频率选择特性。尤其重要的是,两个或者三个复杂器件的非平面集成化也同时实现了。
[硕士论文] 张宝林
应用化学 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:经济社会的快速发展对商业化锂离子电池的性能提出了更高的要求,同时随着便携式电子产品(如移动电话、笔记本电脑、数码相机)、电动汽车以及混合型电动汽车的出现,高比能商业化锂离子电池(LIBs)的应用前景尤为广阔。另外,自2010年以来,作为锂离子电池替代品的钠离子电池(NIBs)迅速成为人们关注的焦点。原因在于其价格实惠,钠资源分布广泛,并且具有类似锂的化学储存机制。基于以上原因,近年来,锂/钠离子电池的研究进展报告日益增多。正负极材料、隔膜和电解液的性质都会影响锂/钠离子电池的性能,其中负极材料起到关键作用。当前,锂/钠离子电池正极材料的研究已经取得良好的进展,负极材料的研究也正在如火如荼的进行中。在负极材料的研发中,纳米结构的碳包覆金属/金属氧化物复合材料的研究成为未来主要热点。基于以上原因,本文的主要研究对象如下:
  (1)碳包覆三氧化二铁纳米复合材料的制备与锂电性能研究
  三氧化二铁具有高的理论比容量(~1000mA h g-1),在这部分工作中,梭形的三氧化二铁作为内核包裹在碳壳里,制备出了三氧化二铁@碳(yolk-shell)结构的纳米复合材料。独特的结构设计,有效的缓冲了三氧化二铁在充放电过程中体积膨胀所导致的结构粉化,防止了电解液与三氧化二铁的直接接触,同时高导电性的碳壳增加了材料的电化学稳定性。因此,该材料表现出高的比容量、高库伦效率以及循环稳定性。
  (2)碳包覆金属锑复合材料的制备与钠电性能研究
  在这部分工作中,我们以石墨烯和酒石酸为碳材料的前驱体,以三氯化锑为金属源,成功的制备出了二维的氮掺杂碳包覆金属锑的复合膜,它是由颗粒状纳米金属锑和氮掺杂的碳组装而成,其中纳米金属锑被完全的包裹在碳材料中。由于它独特的层级结构和高的比表面积,不仅提高电子的传递和钠离子的传输,而且降低了材料循环过程中被粉化的可能性。因此,该材料表现出的钠离子电池性能优越。
[博士论文] 翟雨生
电子科学与技术;物理电子学 东南大学 2017(学位年度)
摘要:作为光电子技术领域的关键核心元件之一,光电探测器因其响应快、精度高、体积小、功耗低及非接触测量等优点,被广泛应用于国计民生的各个领域。但因自身探测原理的限制,传统光电探测器只能分辨光强信息,无法单独分辨入射光的波长,偏振,入射角度等信息,需要与偏振片、滤色片等光学元件相结合才能实现,不利于光电探测向多功能化,集成化,芯片化的方向发展。因此,需要不断的提出新概念,新结构,新工艺,新材料来解决目前探测器发展过程中遇到的困难与瓶颈。表面等离激元光子学是随着纳米科学与技术发展而形成的一门新兴科学,主要研究亚波长金属纳米结构独特的光学特性及其在纳米尺寸上对光的操控。通过改变亚波长结构的形状,材料,分布以及所处的介电环境可以对表面等离激元的共振波长、场增强因子、场分布、辐射等特性进行有效调控。因此表面等离激元在物理,化学,生物,光电子器件等众多领域都具有广泛的应用。
  本论文的研究目的在于探索研究表面等离激元金属纳米结构及其热电子效应在实现新型光谱可调、偏振敏感光电探测器的工作机理与应用可行性,在此基础上研究金属/介质或者金属/半导体复合微纳结构的光电特性和结构优化。
  本文主要围绕两个方面开展工作:一是利用表面等离激元结构调控不同波长和偏振态下的光透射/吸收;二是利用表面等离激元结构共振衰减产生的热电子实现光电探测响应光谱的拓宽。具体的研究成果包括以下几个方面:
  (1)研究了周期性亚波长金属光栅的狭缝内壁形状的变化对于不同偏振入射光的(TE/TM入射光)的透射率影响以及透射消光比的影响,发现凸曲面内壁的狭缝光栅不仅具有较高的消光比,还具有较高的光透射率。同时提出利用周期性金属光栅与硅形成的复合结构实现在近红外波段的偏振敏感吸收,并详细研究了光栅结构参数对于吸收偏振消光比的影响,为后期实现基于硅基的近红外偏振敏感探测提供了理论基础和设计方案。
  (2)设计出几种基于“亚波长金属光栅-介质层-金属基底”结构的多波段窄带完美吸收体。通过建立数值仿真模型,研究了完美吸收结构的多波段窄带吸收的原因机制,同时研究了结构参数和材料参数的变化,对于整体结构吸收光谱的影响。另外还设计了一种基于锥形纳米锥阵列基底的多层结构(ITO-ZnO-Au),实现了可见光范围内的宽波段吸收,并且利用阳极氧化铝工艺制各出此种结构,其实验吸收光谱与模拟结果吻合。
  (3)研究了金纳米颗粒在拓展IGZO光电晶体管的响应光谱的作用,并且通过分析不同光照条件下的瞬态光电流上升沿和下降沿的突变现象,从侧面验证了金纳米颗粒中的等离激元诱导热电子注入到了IGZO沟道中,并对其相应的现象做了理论解释。最后揭示了背栅电压对于热电子注入效率的影响规律,随着背栅电压的增强,热电子注入效率有上升的趋势。
  (4)设计并实现了金纳米结构(颗粒和薄膜)与微米级硅金字塔的异质结近红外光电探测器,阐释了微米级硅金字塔结构和金纳米颗粒尺寸对于器件性能的影响规律。微米级硅金字塔结构相对平面硅基结构来说,增强了金纳米结构的光吸收,提高了光电转换效率。金纳米颗粒的大小不仅影响整体结构的光吸收,也影响热电子的注入效率,二者之间要均衡考虑才能实现最高光电转换效率。最后研究了入射光方向对于热电子注入效率的影响,并通过理论仿真给出相应的解释。
[博士论文] 牛相宏
物理学;凝聚态物理 东南大学 2017(学位年度)
摘要:石墨烯、磷烯等超薄二维材料及相应的量子点结构具有丰富的物理化学性质,在电子与光电子领域展现了广泛的应用前景,引起了人们的格外关注。在这些低维纳米材料的制备和应用过程中,我们需要对其性质进行调节控制以满足具体的需求,如:通过改变尺寸的大小、掺杂、表面修饰以及材料复合等等。同时,在合成过程中产生的各种缺陷对其性质也会产生影响。为了清晰地理解这些因素对材料电子结构和光学性质的影响,基于密度泛函或含时密度泛函理论,结合多体理论,我们对石墨烯和黑磷量子点、氧化锌/蓝磷异质结及砷烯基复合材料的电子结构和光学性质进行了系统研究,主要研究内容如下:
  1)氮掺杂石墨烯量子点光吸收与发射机制研究。氮掺杂能够调节石墨烯量子点荧光波长,增加光稳定性以及提高量子产率,具有良好的应用前景。但是,氮掺杂对石墨烯量子点光吸收和发射的影响机制一直存在争议。我们的研究表明,不同种类和位置的氮掺杂导致石墨烯量子点具有不同的吸收和发射特性:中心氮掺杂在石墨烯量子点带隙中引入中间态,导致石墨烯量子点荧光湮灭;边界氮掺杂可以调节石墨烯量子点的激发态能级位置,引起光谱红移或蓝移,同时增强荧光发射强度,提高量子产率。光谱的蓝移红移与石墨烯量子点和掺杂氮前线轨道之间的杂化密切相关:杂化均匀往往导致光谱蓝移;反之,光谱红移。我们的理论首次清晰地阐明了氮掺杂实验中的各种争议。我们还揭示了溶剂效应对量子点光学性质的影响,极性强的溶液导致光谱红移,同时增强量子点的吸收发射强度。
  2)黑磷量子点光学性质的反常尺寸效应。理解黑磷纳米结构的电子跃迁性质对其在电子和光电子器件的应用是至关重要的。采用含时密度泛函理论方法,我们系统地研究了黑磷量子点在电子结构、光吸收和光发射方面的尺寸效应。黑磷量子点电子带隙和吸收带隙是正常的量子尺寸效应,即:尺寸越大,带隙越小,尺寸与带隙成负相关关系。但对于光学发射带隙,我们观察到了反常的尺寸效应:当尺寸从0.8nm到1.8nm时,光发射带隙逐渐增大,当尺寸大于1.8nm时,光发射带隙显示出减小的趋势。这种反常发射现象源于激发态结构迟豫导致结构畸变,进而减小了带隙;且尺寸越小,畸变就越显著。结构畸变和量子尺寸效应的竞争作用最终导致了反常光发射现象。
  3)黑磷量子点对点缺陷和氧缺陷的光吸收容忍性。黑磷量子点具有极好的光学性质,在生物医学及光电子器件方面具有潜在应用价值。黑磷量子点在制备过程中,不可避免地会引入各种各样的点缺陷,同时,黑磷在空气环境中也很容易被氧化进而引入氧缺陷。目前,这些缺陷对黑磷量子点电子和光学性质的影响还不清楚。针对这一问题,我们采用含时密度泛函理论方法,系统地研究了点缺陷和氧缺陷对黑磷量子点电子和光学性质的影响。结果表明,无论是点缺陷还是氧缺陷,都存在两种情况:(1)对于缺陷位磷原子的配位数为3的类型,黑磷量子点具有极好的光吸收容忍性;(2)对于缺陷位磷原子的配位数不为3的,无论是是大于还是小于3,黑磷量子点带隙中都出现了中间态,导致黑磷量子点光吸收通道的堵塞,吸光能力锐减。有趣的是,对于这种情况,我们采用氢气充分钝化,可使黑磷量子点的光吸收性质得到恢复。因此,黑磷量子点具有很好的光吸收容忍性。
  4)氧化锌/蓝磷异质结:优异的光生电子空穴对分离效率。载流子分离对于光电器件的应用至关重要。在单一半导体材料中,因为光生电子空穴的波函数交叠,电子空穴对很容易复合。通过设计第二类带边结构的复合材料,能有效地解决这一问题。基于第一性原理计算,我们设计了氧化锌/蓝磷异质结,该结构不但具有第二类异质结带边结构,而且两种材料之间存在促进电子空穴分离的内建电场。这些因素极大地促进了光生电荷从氧化锌层转移到蓝磷层,显著增加了电子空穴对的分离效率。相比于它们单一的材料,异质结的光吸收能力也得到了增强。而且,通过施加垂直电场,异质结能够从间接带隙转化成直接带隙,这也将进一步促进光生电荷的转移。
  5)高效的光伏和光催化双功能材料:砷烯基异质结。砷烯,具有合适的带隙,高的载流子迁移率和优异的光学性质,在光伏与光催化领域具有潜在的应用。然而,砷烯在大气环境中的稳定性,精确的带边位置及光生电子和空穴的分离效率仍没有得到系统研究。采用多体微扰GW方法结合带边外推的方法,我们获得了准确的带边信息,并发现砷烯与二硫化钼、TCNQ、TCNNQ等能构成第二类带边结构异质结,这些异质结构具有合适的带隙和带边能级,满足光催化水裂解的要求。并且,把这些异质结应用到光伏领域,砷烯作为电子供体材料,其他的对材料作为电子受体材料,能量转换效率达到20%左右。同时,砷烯良好的稳定性也增加了砷烯基异质结在光伏与光催化领域应用的竞争力。
[博士论文] 吴胜保
电子科学与技术;物理电子学 东南大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,光子集成技术的发展有了长足进步,其中以硅基光子集成回路(PIC)最为显著。硅基PIC的快速发展不仅依赖于成熟CMOS集成电路的制造工艺,还离不开高效率的光波导/光子器件计算机辅助设计(O-CAD)软件支撑。随着PIC集成度的进一步提高,新型材料/结构的应用,对O-CAD软件提出了更高的要求。O-CAD软件的核心是光波导/光子器件数值分析方法。本文针对经典光波导/光子器件数值分析方法存在的问题,结合具体光子器件特点及设计需求,提出了数种改进型光波导/光子器件高效数值分析方法,并通过典型的数值测试或器件设计对其进行了验证。
  从Maxwell方程组出发,本文首先推导了用于光波导/光子器件分析的电磁动力学基本方程。在此基础上,提出了一种改进型全矢量有限差分模解器模型,该模型通过优化的高精度差分离散处理,使得粗网格划分也能获得更精确结果,从而提高计算效率。
  针对广泛存在于光波导/光子器件中的纵向不连续性问题,提出了基于Denman-Beavers迭代算法的高效分析法,该方法比传统方法(如Padé逼近法)具有更快的收敛速度和更好的稳定性。为适应实际光子器件的模拟分析需求,进一步提出了更为复杂的三维半矢量/全矢量分析模型,尤其在全矢量分析模型中,严格考虑了纵场分量的影响。
  其次,重点研究了亟需发展的广角束传播法(WA-BPM)和双向束传播法(Bi-BPM)。提出了基于Denman-Beavers迭代的WA-BPM,并通过典型数值测试证明了该方法具有收敛速度快、可正确处理消逝波等优点;针对纵向结构渐变型波导,提出了一种基于窗口剪切和数值移束技术的WA-BPM,该方法可有效的提高计算效率而对精度几乎没有影响;针对平面光波光路的特点,提出了一种基于交替方向隐式的三维WA-BPM,该方法把三维问题转化为二维计算,极大的提高了计算效率;针对Bi-BPM,提出了一种预处理方法,该方法可提高Bi-BPM中迭代求解的收敛速度从而提高效率;此外,本文还提出了一种改进型的双向传输算符计算方案,该方案允许更大的传输步长仍能保证精度,并且可正确的模拟消逝波的物理传输过程。
  然后,研究了近年来在光子器件分析中引起关注的高精度多域伪谱法(MD-PSM)。构建了MD-PSM光波导模式求解模型,提出一种基于MD-PSM电场的求解方法,该模型仅需要少量配点即可获得精确结果,计算负担远小于经典的有限差分法。此外,本文还分析了MD-PSM不能很好延伸到BPM算法的原因,并提出了加权方法强加横向边界条件的解决方案,基于此构造了一种稳定的WA-BPM算法,并将此方法应用于波导不连续性问题的分析,然后将两个过程集成起来构建了一种反射式的BPM算法。
  针对硅基材料的特点和具体的设计需求,接着构建了以电流源密度为初始激励的频域有限差分法(FDFD)传输分析模型和模式求解模型。使用FDFD设计了一个基于亚波长光栅的的十字交叉槽式纳米线偏振旋转器。器件的旋转区长度仅有12.6μm,工作在1.55μm通信波长时的偏振转换效率、插入损耗和反射损耗分别为97.2%、0.71dB和-20.5dB。此外,该器件可以在260nm的大带宽范围下保证偏振转换效率大于90%、插入损耗低于1dB,高于同类器件水平。
  最后,进行了全文总结并给出了未来工作展望。
[博士论文] 王文辉
物理学;凝聚态物理 东南大学 2017(学位年度)
摘要:石墨烯是由单层碳原子组成的二维蜂窝状晶体,由于其独特的零带隙结构,超高的载流子迁移率,超宽的光谱吸收,在电子和光电子学领域引起了广泛的关注。基于石墨烯的探测器、传感器等各种高性能器件也被不断地研究并报导。然而,石墨烯较低的光吸收率使其在光电探测器中的应用受到了一定程度的限制。基于此,研究者开发了多种提高光吸收或载流子分离效率的方法用来改善石墨烯光电探测器的性能,如采用非对称电极、PN结、光学微腔、硅波导、等离激元等。此外,通过复合量子点、制备异质结构等方法在探测器中引入增益机制,也可以极大地提高了探测器的性能。尽管如此,石墨烯光电探测器在成本、制备技术、性能稳定性等方面仍需要进一步改善。为了加快石墨烯的应用进程,还可以开发新型功能器件并拓展新的应用领域。当前基于石墨烯的功能化器件还有气体传感器,压力传感器,生物探测器,PH传感器,重金属探测器等。新型探测器的出现,不仅为石墨烯的发展和应用提供了广阔的空间,也让相应的探测传感领域出现了新的发展机遇。本论文研究了石墨烯光电性能的调控方法,并制备了基于石墨烯的多种功能性探测器,具体内容如下:
  1.利用激光辐照改性的方法在石墨烯器件上制备结区,拉曼光谱证明了激光辐照区引入了P型掺杂,并且可以通过控制激光辐照时间调控掺杂程度。在P-P+结区产生的光电流与掺杂程度相关,P型掺杂越重,光电流越大。随后对结区产生光电流的机制进行了仔细的分析,表明光热电效应主导了结区光电流的产生。
  2.设计并制备了一种基于石墨烯-SiO2/Si结构的位置灵敏探测器。该探测器摒弃了常规位置灵敏探测器整体为PN结或肖特基结的结构,巧妙的利用SiO2/Si界面态导致的能带弯曲和界面处载流子的横向传输实现了横向光电效应,并利用gating效应在石墨烯器件引起光响应。到达石墨烯下方的载流子数量取决于光照点到石墨烯沟道的距离,从而可以实现入射光的位置探测。由于石墨烯超高的载流子迁移率使该器件存在高达104的增益。增益的引入使该探测器可以探测nW级弱光的精确位置,而且响应速度很快。这种界面增益效应和Si工艺相兼容,也可以适用于其他探测系统。
  3.制备了石墨烯-Si结构的无源位置灵敏探测器,石墨烯不仅可以作为光吸收层,还可以作为载流子的分离和传输层。石墨烯超高的迁移率使载流子可以超远传输,保证了该探测器较大的工作面积。传输距离越远,到达电极的载流子数量越少,通过测量对应电极上的电压输出可以实现对光照点位置的探测。位置灵敏特性研究表明该探测器可以实现nW级弱光的远距离(>8mm)位置探测。此外,该器件具有很快的响应速度,且非线性度只有3%。红外测量结果显示该探测器可在1319nm和1550nm下工作,有效延伸了位置灵敏探测器的工作波长。
  4.制备了一种基于石墨烯的静电探测器,实现了快速,高灵敏静电探测。该探测器利用SiO2/Si界面gating效应,使静电引起的Si中载流子的移动分布在石墨烯沟道中进行了放大。该探测器可以感应~5V的静电势,响应时间小于2μs,相比与常规探测器性能有大幅提升。该探测器也可以通过电学调控的方式实现静电响应的调制。这种非接触式的静电探测器制备简单、性能优良且成本较低,在可携带、柔性传感等领域具有较好的应用前景。
[博士论文] 于果蕾
材料物理与化学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:半导体激光是近几十年来发展快、渗透广、成果多、应用领域广的一种电光转换器件。由于其诸多优点,如体积小、效率高、成本低、可高度集成、波长覆盖面广等,被广泛应用于激光显示、通信、医疗、固体激光器泵浦、军事等技术领域,成为当前激光产业应用拓展的重要方向之一。
  在夜间照明方面,近红外半导体激光,波长为800-1000nm,具有很明显的优势,例如电光转换率高,工作寿命长,照明距离远等,是发光二极管(LED)和其它红外照明光源无法达到的;并且波长900nm以上半导体激光器,对人眼无红暴,广泛应用于铁路公路等项目。半导体激光器由于其自身发光属性,作为红外照明又有其固有的弱势,例如发光光斑形状为远场椭圆形,几十厘米以外可以看成是长条光斑,并且长条方向的发散角达到40度以上,严重影响光束的传输距离;激光光束的干涉散板,造成照明效果的雪花斑等现象。鉴于这些使用的实际要求,本文提出了光束的多种整形方式,分析各种结果,应用于不同距离的照明;采用不同方式进行光斑的匀化,消除干涉散斑、圆环等现象的具体方法和效果展示;在泵浦方面,也需要将半导体激光器进行快轴压缩,泵浦光光束的光功率分布均匀有利于控制激光的横模,确保激光处于基横模的工作状态。采用在玻璃光纤两个弧面镀制增透膜的方法,消除了光谱曲线的劈裂并有效地减小了谱宽。进一步研究了半导体激光器快轴压缩后,均匀光束泵浦下的单纵模绿光激光器的实验,单横模工作更稳定,并提出了高折射率材料作为选频材料的新技术,实验证明使用高折射率材料在调节过程中能够使纵模之间的间隔更大,调节更方便。
  光纤耦合是半导体激光器光束整形的另外一种重要技术,它把光束由半导体激光器本身的椭圆形光斑以圆光斑柔性输出,使用方便;并且热源与使用器件分开,减少了相互之间的热影响。本文工作中以3.5W450nm蓝光半导体激光器为例,得到间接耦合输出,耦合效率达到88.6%。对于机械加工用的上千瓦光纤激光器来说,半导体激光器作为其泵源,更加显示出其在该领域应用的重要性。在该领域的应用中光功率密度大小直接决定了加工能力,例如钢板的切割厚度,切割过程中的边缘效应,加工的速度等,而光功率密度又决定于光纤激光器的转换效率,最终归结于半导体激光器光纤输出的光功率密度。有两点是目前业界内一直在追求的更高,一是单芯片发光尺寸的大小,二是耦合进光纤过程中光束在空间的排列。另外还有些通过半导体激光器波长区别完成的波长耦合和通过半导体激光器偏振特性完成的偏振耦合,但这些都是基于空间合束的基础之上进行的,本文会略有介绍。该技术在近红外已经有了很大的发展,但是在可见光范围,报道并不多,本文将空间合束的技术应用于红光的高功率实验。分别采用不等光程和等光程两种空间合束的方式,最终得到了9.2W的660nm红光激光器高亮度光纤输出器件。
[博士论文] 戚志鹏
光学工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:高速光调制器对光交叉、光互联系统的构建起到了十分重要的作用,是当前光通信网络的核心器件。得益于集成光子学的发展,集成光调制器件的研究倍受重视。其中,基于绝缘体上硅(Silicon on Insulator,SOI)平台的光波导调制器具有尺寸小、功耗低、集成度高、响应速率快等优点,成为了国内外的研究焦点。但是,SOI光调制器在传输损耗、尺寸、功耗、调制深度等方面都需要进一步的改善与提高。本论文主要围绕这些问题,提出了如下的改进措施和设计思路,并对基于不同工作机理的(热光、载流子色散、电光、全光)SOI光波导调制器进行了理论分析和实验研究。
  提出了一种基于光子-表面等离子激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)混合集成的1×2马赫-曾德尔干涉(Mach-Zehnder Interference,MZI)型热光开关。其中,介质沉积型SPP波导构成相位调制臂,其余部分由Si波导组成。相较于传统的硅基热光调制器,该开关结合了Si波导传输损耗低和介质沉积型SPP波导尺寸小、热光调制效率高的优势。其调制臂长只有70μm,开关功耗仅为7mW,响应时间是6.7μs,且器件的插损被有效地控制在10dB以内。
  提出了一种基于重掺杂Si波导的载流子色散型n-p-n结等离子吸收调制器。通过重掺杂使Si获得金属性质,可以支持SPP波的传输,并且利用其强模场束缚能力大大减小调制器的尺寸。相较于普通的p-i-n型硅基调制器,超高载流子掺杂浓度可以使该器件的调制消光比获得很大提升。多物理场的仿真结果表明,尽管这种器件的调制区域仅有1μm2,然而其调制深度可以达到25dB,且具有2GHz的调制频率。
  针对Si材料电光性质弱的缺陷,提出了一种Si波导与掺镧的锆钛酸铅(PLZT)电光薄膜相结合的异质结型电光环形调制器。采用折射率大的Si作为芯层可以有效地减小器件尺寸,而选择电光系数高的PLZT薄膜作为包层则能够使器件获得明显的电光效应。此外,通过电极结构的优化可以得到32dB的大调制深度和14GHz的高调制频率。同时,文中还设计了一种基于SPP波导的非对称Au-PLZT-Au电光环形调制器,可进一步发挥PLZT优异的电光特性及SPP波导对光场的强束缚能力,该调制器的尺寸只有20μm2,而调制深度则高于25dB。
  提出了一种低功耗、高集成度的Si-SPP混合结构全光调制器,并实验上研制出了其中的关键核心元件——等离子Fano共振型光波导调制单元。该器件利用结构紧凑的Au等离子纳米谐振腔进行调制,由低损耗的Si波导进行信号传递。实现了信号光以平行于芯片表面的方向在谐振腔中“水平”地激发出等离子模式,而调制光源可以以垂直方向入射。实验结果证实,该等离子谐振腔在1514~1600nm波段范围内具有十分显著的Fano共振特性,且透射光谱会随着谐振腔结构参数的改变而发生变化。此外,理论计算的结果表明,该器件具有高达1600nm/RIU的折射率敏感性。
[博士论文] 潘钺
光学工程 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着云计算、高清视频、虚拟现实等宽带多媒体接入业务以及数据通信业务的飞速发展,通信系统对带宽升级的需求与日俱增。小型化、低成本、高性能的半导体光源器件成为下一代高速光通信网络中器件的主要发展趋势。由于折射率耦合分布反馈(IC-DFB)激光器具有良好的单模特性,能够保证信号在光纤链路中稳定的传输,是目前光纤通信系统中的一种常用光源。然而,其工作特性受外部反馈光的影响较大。此外,直接调制IC-DFB激光器的另一个主要问题是伴随着幅度调制的寄生频率啁啾。当激光器工作在C波段时,由于标准单模光纤(SSMF)在该波段存在较大色散,寄生频率啁啾使得激光器的传纤特性受到很大限制。为了分别解决上述两个问题,本文分别提出了两种基于窄带带通滤波结构的新型单模激光器,即:一种对外部反馈光不敏感的基于双失谐光栅滤波结构的单模激光器,以及一种基于谐振隧穿滤波结构的可单片集成高速调制啁啾管理激光器(CML)。此外,本文还提出了一种高效的基于非线性载流子近似的激光器仿真算法,可用于对空间烧孔效应显著的激光器进行仿真。本文的具体研究内容及创新点如下:
  1.提出了一种高效的基于非线性载流子近似的激光器仿真算法,并建立了完整的包括激光器及所提出的滤波器结构的理论模型,具体包括:(1)采用半导体激光器的速率方程模型对激光器的阈值、小信号以及啁啾等特性进行了解析推导及理论分析;(2)建立了仿真半导体激光器的一维时域行波和驻波模型。相较于速率方程模型,其可以清晰地描述激光器腔内光场通过光栅结构或激光器端面所形成的相互耦合以及光场与波导介质(例如:增益、损耗以及非线性等特性)之间的相互作用。通过时域分步交替算法可以对该时域行波模型进行数值求解;(3)建立了任意入射角度的传输矩阵法(TMM),用来计算本文所提出的带通滤波结构的透射谱和反射谱。(4)采用了非递归有限冲激响应(FIR)数字滤波器算法,用来在时域中联合仿真有源激光器区和无源带通滤波器区;
  2.提出了一种双失谐光栅带通滤波器的结构,并将其插入传统FP激光器中,以实现对外部反馈光不敏感的新型单模FP激光器。利用任意入射角度TMM研究了光栅结构参数对双失谐光栅区所形成透射谱带通特性的影响并进行了优化设计。利用一维时域行波模型以及 FIR数字滤波器技术对倾斜双失谐光栅单模 FP激光器进行了模拟。仿真结果表明该单模激光器可实现稳定的单模工作,边模抑制比(SMSR)可以达到50 dB;相对于传统的IC-DFB激光器,该单模FP激光器对外部反馈光表现出低敏感的特性。
  3.提出了一种基于谐振隧穿效应的倾斜双槽带通滤波器结构,利用其特有的极窄带宽带通透射谱作为光学整形滤波器(OSR)单元,以实现可单片集成的高速啁啾管理激光器。利用任意入射角度 TMM方法对倾斜双槽结构所形成带通透射谱进行优化设计。利用一维时域行波模型以及傅里叶变换技术对该1550 nm波段的25 Gb/s单片集成啁啾管理激光器进行了优化设计。仿真结果表明该器件在SSMF中可以实现超过22 km的无中继传输,因此有潜力应用于下一代高速接入网系统,例如25G EPON。
[博士论文] 付骏伟
光学工程 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:光纤传输技术已经在宽带通信网络中应用了数十年,互联网流量和多媒体应用的爆炸性增长导致用户对通信带宽需求的不断增长。同时,对于光纤链路中光源的尺寸、功率和成本要求更加严格。在电信领域,GPON已经成为消除最后一公里带宽瓶颈的领先光接入技术之一。另一方面,由于数据密集型应用的数据量的爆发式增长,数据中心网络也面临着新的挑战。光纤通道技术委员会提出的应用于计算机之间光互连的光纤通道协议是新的解决方案,该方案利用光纤实现了极高速率的数据传输。此外,有源光缆技术在不改变传统电气接口的前提下,利用光通信的高速、稳定、无干扰的优势,实现了低成本高速率的信号传输。
  在这些成本敏感的应用中,迫切的需要一个高性价比的光源解决方案。相比于成本较高的DFB激光器,简单低成本的多纵模FP激光器是更合适的光源。然而,由于相对较大的频谱宽度和固有的模式分配噪声,FP激光器通常被限制在相对较低速率的应用中。目前还没有较好的低成本降低模式分配噪声的方法。本论文以降低模式分配噪声功率代价为着眼点,对于模式分配噪声性质展开了深入研究。本文的研究成果和贡献主要有如下几个方面:
  (1)归纳了用于表征模式分配噪声的四种方式以及其优缺点,概括了已知的模式分配噪声的性质,总结了迄今为止几种常用的降低模式分配噪声的方法。为模式分配噪声的研究提供了理论依据。
  (2)提出采用多模量子阱速率方程和宽带行波模型作为激光器数值仿真模型,并结合光纤和接收机模型,建立了一套完善的光纤链路模型体系,实现了光信号发射、传输和接收的整个物理过程的仿真。并且,将光纤链路模型和表征模式分配噪声的概率分布法、k因子结合起来,为模式分配噪声的研究提供了数值仿真基础。
  (3)利用数值模型,一方面对量子阱多模激光器的非线性增益系数与模式分配噪声的关系进行了研究。研究结果表明增大自饱和增益可以有效的抑制模式分配噪声;非对称交叉饱和增益可以改变光谱形状,但其对模式分配噪声的影响弱于自饱和效应。另一方面,研究了在给定输出光谱谱宽的情况下,激光器纵模的数目对模式分配噪声的影响;以及在相同纵模数目的情况下,输出光谱谱宽和模式分配噪声的关系。
  (4)基于模式分配噪声性质的研究,提出了一种内置带通滤波器的窄谱宽的FP激光器,可以显著地压窄激光器光谱宽度来降低模式分配噪声功率代价。设计器件是在脊波导 FP激光器的一端引入一个宽脊区。宽脊区的等效折射率要高于窄脊区,于是在宽脊区形成了一个新的FP腔。利用新的FP腔的反射谱的带通特性,实现了光谱的压窄。从过渡区的引入、宽脊区长度以及窄脊区长度等方面对设计器件进行了优化,并得到了最佳的设计参数。利用系统链路模型仿真了优化后的器件的芯片级和系统级的性能。结果表明,相比于传统 FP激光器,设计器件具有更窄的谱宽和更低的模式分配噪声功率代价,其最大传输距离是传统FP激光器的两倍。
  (5)对设计器件的制作工艺进行了实验研究。在常规的脊波导FP激光器制作工艺基础上,仅仅在标准光刻工艺中替换一块掩膜板就实现了设计器件的制作。设计器件的制作不会引入额外的工艺流程,可以极大的降低器件成本。
  (6)基于优化得到的最佳器件参数,制作了所设计的窄谱宽1310 nm InAlGaAs/InP多量子阱脊波导FP激光器,并从实验上研究了过渡区、宽脊区长度对其性能的影响以及双电极调节的方法。最后,比较了同一块晶片上制作得到的设计器件与传统FP激光器。设计器件的均方根谱宽是传统FP激光器的一半,并且其传输特性明显优于传统FP激光器。因此,本文提出的低成本窄光谱宽度FP激光器有望应用于高速短距离应用中。
[硕士论文] 程禾尧
动力工程;工程热物理 东南大学 2017(学位年度)
摘要:快速准确的气体检测方法,能够为环境保护与生产安全提供重要保障。在众多的气体检测手段中,可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术凭借其非侵入式、选择性好、分辨率高、响应速度快等优势,在燃烧过程诊断分析、工业过程监测控制和痕量污染物检测等领域中有广阔的应用前景。TDLAS技术中的波长调制光谱(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)方法通过在扫描信号上叠加高频调制信号,有效抑制了低频噪声,具有较高的系统灵敏度。WMS分为标定和免标定方法。标定方法无需标准具和光谱数据库的先验信息,但在实际中需要在已知体系中校准。随着气体检测技术的发展,免标定波长调制方法成为当下研究的热点。
  本文围绕免标定波长调制方法,从拓展已有方法的检测范围和提高系统的信噪比两个方面,展开全面的理论和实验研究:(1)在WMS方法中,对激光频率进行调制时,激光强度将同步受到调制,产生与吸收相关的剩余幅度调制(Residual Amplitude Modulation,RAM)信号。从RAM信号中提取气体参数信息的方法称为RAM方法。现有RAM方法均需做弱吸收假设和简化,不适用于高浓度、长光程等强吸收环境下的测量,在实际应用中具有一定的局限性。(2)前人研究结果表明,三角波高频调制方式与常用的正弦波调制方式相比具有更高的灵敏度,然而在三角波调制下的免标定测量策略未见文献报道。针对上述问题,本文以甲烷为目标气体,开展了如下研究工作:
  1、研究了强吸收条件下,利用RAM信号实现气体浓度免标定测量的方法,拓展了现有RAM方法的适用范围。建立了适用于任意吸光度和调制系数下的傅里叶光谱吸收模型,提出了对背景信号归一化的一次谐波Y分量进行拟合的免标定算法。搭建实验平台,选择1653.73nm处的CH4吸收谱线,开展了不同调制系数下CH4气体浓度测量实验,实验结果验证了该方法的可行性。
  2、提出并实现了基于三角波调制的免标定测量方法,用于提高测量系统的信噪比。将三角波波形简化为若干正弦波叠加的形式,建立了DFB激光器在三角波调制方式下的频率响应模型。搭建实验平台,开展了不同浓度下CH4气体测量实验。实验结果证明了该模型的可行性,并实现了基于三角波调制的CH4气体浓度的免标定测量。
[硕士论文] 宣智杰
电磁场与微波技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着信息技术的不断发展,频率使用正在逐步往高频端演化。基片集成波导作为一种重要的传输线形式,在高频段具有较低插损、易于集成、重量轻、加工成本低等优势,所以得到了广泛应用。科研人员在基于基片集成结构的互连设计方面已经做了大量的研究工作,但这些工作主要是围绕在二维平面结构方面开展。随着对应用场景的不断开发,需要对不同的基片集成三维互连结构进行相关的研究,以满足不同的设计需求和应用背景。
  在实际应用过程中,很多场景需要实现基片集成结构的旋转效果,比如在极化重构或波束扫描天线领域,通过旋转天线相对位置,可获得不同极化模式和波束指向。本文分别基于磁流环和电流元激励原理,设计了两类具有不同拓扑形式的基片集成三维旋转互连结构,实现了输入基片集成波导与输出基片集成波导之间的相互旋转,可用于设计旋转天线、波束扫描天线等。
  多波束天线在现代通信领域内得到了广泛的应用,可改善系统的通信质量,在雷达领域也有着重要的应用价值,可实现多目标跟踪。二维多波束天线的波束扫描能力大于一维多波束天线,所以应用价值更大、范围更广。在高频段的多波束天线设计中,基片集成波导已经获得的了广泛的关注,但二维基片集成多波束天线实现困难,且难以扩大规模。本文提出了一种基片集成波导扭关节,可实现三维互连,基于此实现了具有较强拓展性的基片集成二维波束成形网络,并用于搭建具备二维扫描能力的多波束天线。
[硕士论文] 菅帅
材料科学与工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:红外隐身技术在各种武器平台系统上的应用成为当今研究的热点,其中红外低发射率涂层是被广泛使用的一种红外隐身手段。涂层红外发射率与基体树脂、低发射率片状颜料成分与结构、片状颜料定向排列、着色颜料种类与含量以及涂层表面状态密切相关,而有关涂层表面粗糙度对红外发射率的内在影响机理的研究鲜有报道。本文采用粗糙表面模型和改进的Kubelka层级模型,建立了涂层红外发射率与涂层表面粗糙度、逆表面均方根斜率、金属颜料含量、厚度等因素之间的理论关系,为红外低发射率涂层设计与制备提供理论指导,主要工作分为以下几个方面:
  (1)涂层表面为粗糙表面层,采用粗糙表面模型结合物理光学理论来研究其光学性质;涂层内层近似看作均匀的多层离散结构叠加,采用改进的Kubelka层级模型结合几何光学理论来求解其光学性质;结合粗糙表面模型和改进的Kubelka层级模型建立了粗糙表面红外发射率预测模型。
  (2)理论计算了涂层表面粗糙度、逆表面均方根斜率、金属颜料含量、厚度等因素对涂层发射率的影响。分析结果表明:涂层红外发射率随片状金属颜料含量增加而下降,随片状颜料厚度下降而下降;粗糙表面对涂层发射率的影响主要通过两个因素:表面粗糙度(δ)和逆表面均方根斜率(a/δ),前者主要影响镜面反射,后者主要影响漫反射。涂层的表面粗糙度大致为3μm,此时镜面反射的作用可以忽略不计,真正起主导作用的是逆表面均方根斜率。当片状颗粒厚度为0.8μm,含量为0.55,逆表面均方根斜率7变化到1时,8-14μm红外发射率由0.176上升至0.242,发射率明显增大。
  (3)制备了相同金属颜料含量下不同逆表面均方根斜率以及近似相同逆表面均方根斜率下不同粒子含量的两类样品,测试了样品的实际反射率光谱,验证所建立模型的有效性。结果表明,模型的理论计算与试验结果基本吻合,体积含量一致的情况下,较大的逆表面均方根斜率有利于得到较小的发射率。逆表面均方根斜率大致相同时,较大的金属颜料含量有利于得到较小的发射率。
  (4)根据仿真计算设计了厚度为50μm发射率为0.2的低红外发射率涂层。通过控制施工工艺使涂层逆表面均方根斜率大于等于7,金属颜料含量为0.55,厚度小于1.2μm,即可得到发射率约为0.2的涂层。
[硕士论文] 蒋尚龙
光学工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:伴随着高阶光调制信号在光纤通信系统的应用,全光再生技术不再局限于开关键控(On-Off Keying,OOK)信号,逐渐向多元数字光信号的幅度再生和相位再生发展。本论文研究多电平脉冲幅度调制(M-Pulse Amplitude Modulation,MPAM)光信号再生器的实现方案及其性能表征方法,并借助OptiSystem软件进行仿真验证。
  主要研究工作内容和创新如下:
  1.提出用线性增益和增益斜率两个参量分别表征多电平全光幅度再生器的放大和整形性能,其中增益斜率定义为再生器归一化增益对归一化输入功率的导数,与再生器的整形特性息息相关;并推导出实现多电平全光幅度再生功能应满足的增益斜率条件。研究表明,利用增益斜率曲线不但可以方便地分析全光再生器的整形范围,还可以确定全光再生器的可再生电平数和最佳工作点等特性。同时采用噪声抖动抑制比(Noise Reduction Ratio,NRR),即再生前后信号的平均归一化幅度抖动比值,能够很好的反应再生器对信号质量的改善,噪声抖动抑制比越大,再生器的整形效果越好。
  2.以马赫-曾德尔(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)多电平全光再生器方案为例,详细描述了线性增益和增益斜率的确定过程。MZI多电平幅度再生器的增益斜率曲线是一个周期为1的余弦振荡函数,其再生电平数可由振荡幅度来表征,振荡幅度越小表明支持的再生电平数越多。根据整形区域的分布特点以及再生电平数与振荡幅度的对应关系,设计了一个基于MZI结构的4PAM再生器,并采用OptiSystem软件进行了动态仿真。仿真结果表明,对于放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission,ASE))声劣化的4PAM信号,当输入平均归一化幅度抖动为0.0103时,使用该MZI再生器,抖动抑制比为6.79dB,能够有效抑制PAM光信号的幅度噪声。
  3.提出一种基于MZI和非线性光纤环形镜(Nonlinear Optical Loop Mirror,NOLM)的光控光多电平全光再生方案,其中光时钟控制信号用于实现光纤环的非对称相移,并细致讨论了光时钟泵浦的同向偏振与正交偏振两种实施方法,同向泵浦偏正方案对交叉相位相移的贡献大,但容易引起四波混频的干扰,而正交偏振方案则可以有效避免不利因素的影响。通过分析NOLM再生器功率转移函数对其结构参数的依赖性,获得了一级近似再生器的功率转移函数,理论结果与OptiSystem仿真结果一致。
[硕士论文] 张聪
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,我国光通信网络规模正在不断地扩大,光通信网络市场也变得越来越大,对光纤光缆的需求日益剧增。光纤预制棒是光纤光缆生产过程中的最重要的原材料,但是预制棒制造对其生产技术及工艺要求很高,资金投入量大,自行制造预制棒的成本一直居高不下,因此预制棒制造技术基本上长期被国外公司所垄断,导致我国90%以上的光纤预制棒需要依靠进口,严重阻碍了我国光通信网络的发展。开发大尺寸预制棒,发展我国光纤预制棒制造工艺,使国内光纤预制棒制备新技术实现产业化,推动光通信领域的发展,已成为行业发展的重要课题。
  本论文在分析当前国内外光纤预制棒及其制备技术现状的基础上,提出了采用预制棒对接工艺制造大尺寸预制棒的技术方案,探究了制作大尺寸预制棒工艺新思路。重点研究了对接工艺对对接处错位、对接点气泡、预制棒表面的影响及改善方法,从中探索了采用此工艺制备大尺寸预制棒的有效途径,提升了光纤拉丝的效率,主要研究内容及成果如下:
  1、制定了详细的工艺流程及操作步骤,并在操作步骤中,详细列举了所需的工艺参数,为本次预制棒对接工艺开发做好了详细的参数记录。
  2、通过芯层定位技术、对接点头部改善方案以及对接外径控制技术对芯层错位问题进行改善;通过内部结构控制技术改善对接气泡问题;通过喷灯位置、氢氧比例、气体流量大小、火焰停留时间做多次试验进行调整验证,解决表面白雾问题;通过火焰控制技术,解决对接水峰问题。将预制棒对接工艺开发过程中所遇到的问题均一一解决。
  3、成功开发预制棒对接工艺,生产出大尺寸超低水峰的光纤预制棒,从之前每根棒只能拉制500km光纤,到目前每根棒可以拉制900km光纤,将生产效率提升了21.5%,释放人工劳动强度14%。
[硕士论文] 白书静
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:某新型航空武器采用了激光探测技术,使用激光发射机光学组件对目标进行探测。目前缺少有效指导手段,需反复装调,测试精度低,废品率高。为了提高效率及成品率,保证装调质量,需构建构建一种高质量、低成本的激光发射机装调测试系统。
  本文首先在分析激光发射机的光学分布结构以及发射机的光学组件结构的基础上,对新型激光发射机光学组件的设计进行了分析,研究出一种基于出射激光束的参数指标来指导发射机光学组件快速装调的方法。然后分析和研究了新型激光发射机光学组件出射激光束的特征参数,对比了激光束参数(包括光束发散角、光束俯仰角、光功率)测量方法,提出采用双线阵CCD扫描成像来测量激光束的光束质量的方法。根据上述分析,完成新型激光引信发射机测试系统总体方案的设计,实现了测试硬件系统和软件系统的构建,完成了新型激光发射机测试系统的研制。最后研究了新型激光引信发射机光学组件装调方法,实现了激光引信装配过程中光学发射机与光学接收机的在线实时装调,提高了各个光学组件装调精度和装调效率,从而保证了激光引信整机的光学性能。本文的研究与应用可以增强对激光发射机的检测能力和装配水平,提高研制与生产过程的智能化和集成化水平,同时可用于指导改善激光发射机的质量,为激光引信的光学装配提供了借鉴及参考。
[硕士论文] 李莉
光电信息工程 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着现代光电子技术的飞速发展,微光夜视仪的性能质量大大提高,广泛地应用于军用和民用等多个领域。但受到强光照射后,其核心器件——像增强器容易“散焦”,出现图像模糊的现象,持续的强光还会严重损伤像增强器,导致仪器完全失效。由此可见,研究微光夜视仪的强光保护装置具有较强实用意义。
  论文在研究微光夜视仪在强光作用下疲劳与损伤机理的基础上,对基于“选通电源”技术的微光夜视仪强光防护装置展开了研究,并进行了实际应用和检测。在大量检索国内外相关文献和调研了该产品的技术指标和实现原理的基础上,论证了微光夜视仪强光保护装置主要技术途径,研究了基于选通电源技术的微光夜视仪强光保护方案。当强光照射时,荧光屏屏电流较大,以此作为取样信号,反馈控制阴极工作电压持续供电时间较短;当处于弱光照射时,反馈信号较弱,阴极工作电压近似为直流高压。
  针对像增强器电路系统,设计自动门控电源,实现了对微光观察镜中的像增强器的改造,在保证整体结构没有改变,充分利用原电路的情况下,通过 FPGA技术控制的选通电源技术实现PWM信号输出,利用脉宽可调的TTL信号控制IGBT器件输出近似为矩形平顶的240V直流高压,实现了强光保护。最后研究了像增强器调制传递函数检测的方法,对改造前后像增强器调制传递函数进行了对比检测,对改进的微光夜视仪整机性能进行检测,并与未经实施改造的微光夜视仪工作性能进行了比对试验,结果达到了设计要求。
[硕士论文] 段志强
电子科学与技术;微电子学与固体电子学 东南大学 2017(学位年度)
摘要:红外焦平面阵列能够探测到自然界微弱的红外辐射能量,并对其进行积分等处理产生图像信息,被广泛应用于军事和民用领域。读出电路是红外焦平面的核心模块,其性能更是决定着红外焦平面阵列应用的关键。由于第三代红外探测器的发展,像素达到百万级、热灵敏度的噪声等效温差达到1mK量级的基本特征对传统模拟读出电路的性能提出了巨大的挑战。而数字式读出电路将ADC集成在芯片内,为第三代红外探测器的实现提供了巨大的可能,因而发展数字式红外读出电路显得尤其重要。
  本文基于SMIC0.18μm CMOS工艺,采用像素级ADC型数字式焦平面结构,完成了128×128阵列,像素单元面积35μm×35μm的高动态范围低功耗数字式红外读出电路的设计。读出电路的像素输入级采用DI型电路结构,对输入信号进行积分。为了实现像素单元内A/D转换,放弃了常用的ADC结构,设计了一种脉冲调制电路进行A/D转换。为了实现读出电路的高动态范围,创新地采用两段计数(数字域和时间域)的方式对积分信号进行计数,并设计了一种14位的异步计数器和静态存储器以及相应的数字逻辑运算模块。最后,完成整体版图的设计以及积分电路的后仿真。
  后仿真结果表明:电路工作在100Hz的帧频下,采用20MHz的高频时钟进行残留电容的测量,读出电路所能达到的最大积分电荷量为3.07Ge-,量化噪声为902e-,电路的动态范围为120dB,单个像素单元的功耗为2.12μW,整体芯片功耗为34.8mW,指标满足设计要求。
[博士论文] 王恒亮
电路与系统 湖南大学 2017(学位年度)
摘要:光学双稳态是非线性光学领域中一个非常重要的研究方向,它是光束通过某个光学系统后光强发生一种非线性变化的光学现象,以输入-输出光强特性曲线具有类磁滞回线为最主要的特征。可以将这一特征用来制作具有光开关、光存储、光限幅、光逻辑等功能的光学器件,特点是功耗低、开关响应时间短、不受射频干扰,在光信息处理和光通信方面有着十分重要的应用价值。
  石墨烯是一种新型二维材料,已经显露出丰富的新物理特性和巨大的应用潜力,为进军新的低维度物理学和实际应用提供了肥沃的土壤。本论文基于石墨烯优越的光电可调控特性,研究石墨烯的可调控光学双稳态现象,分别利用一维光子晶体、改进的法布里珀罗腔以及改进的Otto结构,实现光学双稳态。主要研究内容如下:
  1.将石墨烯薄膜贴附在非线性缺陷层的两侧,揭示了少数层石墨烯对一维光子晶体非线性效应的影响规律。研究发现,尽管石墨烯薄膜厚度很小,但是它们却可以显著地改变结构的非线性透射响应,包括光学双稳态阈值、光学双稳态作用区间宽度以及非线性横向位移等。其中,光学双稳态阈值会随着石墨烯费米能级以及石墨烯薄膜层数的增大而增大。此外,除了石墨烯本身的参数外,入射光的入射角度对光学双稳态阈值和光学双稳态作用区间宽度也有影响。
  2.研究了内有非线性石墨烯薄膜的改进法布里珀罗腔中的可调控太赫兹波光学双稳态现象,发现采用法布里珀罗腔会显著地降低触发光学双稳态的阈值,在法布里珀罗腔内加入石墨烯薄膜后可增大并调控磁滞回线响应。通过外加电压,石墨烯载流子密度的灵活电学或化学可调性是增大并调整磁滞回线效应的主要原因。进一步研究发现,透镜透射率、腔长、法布里珀罗腔内石墨烯的位置和石墨烯弛豫时间等都能动态的影响光学双稳态。
  3.研究了一个在非线性电子介质衬底上覆盖石墨烯薄膜的改进 Otto结构中的光学磁滞回线响应现象,通过表面等离子激元的强局域场的增强,发现光学双稳态的阈值显著减小。当石墨烯薄膜层数增加到五层时,光学双稳态的阈值减少约三个数量级。此外,还揭示了石墨烯的特性(如费米能级和弛豫时间等)、空气层的厚度、入射光的角度和波长等参数对于光学双稳态现象的影响。
[硕士论文] 张志中
电子科学与技术;电路与系统 东南大学 2017(学位年度)
摘要:超短光脉冲有着非常重要的应用前景,因此它的发展相当迅速,皮秒量级的激光器已经很普遍,目前阿秒量级的激光器也已商业化。对于输出超短光脉冲的激光器来说,其脉宽是一项重要的指标。许多测量系统都对激光器的脉宽有着非常严格的要求,如在激光测距、泵浦-探测和全光采样等测量系统中,激光器的脉宽对整个系统的性能起着决定性作用。因此,对于这类激光器的脉宽进行测量是一项非常重要并且有意义的工作。
  本文概述了超短光脉冲的基本理论、产生技术和测量方法,同时讨论了采样原理和光外差法,并对超短光脉冲在光纤中的传输进行了理论推导,然后对测量原理加以仿真分析。在此基础上,基于延时自外差法的光链路,利用干涉自相关法和顺序等效采样,设计了全光纤超短光脉冲测量系统,实现对皮秒光纤激光器输出的高重频超短光脉冲的脉宽测量。该系统利用光电探测器配合可调光延迟线进行超短光脉冲的脉宽测量,以示波器作为数据采集设备,通过拟合干涉自相关强度和延时时间的曲线获得待测光脉冲的脉宽信息。
  实验结果表明,此系统的工作波长为1550nm,重复频率为8~10GHz,测量范围为1.3~10ps,最大相对误差为23%,分辨率为0.01ps,符合设计指标。其结构简单,操作容易且测量范围广,因此具有良好的工程应用价值。
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