微纳结构提高晶硅太阳电池的辐射散热

太阳能电池受阳光照射发电同时产生热量引起温度升高,但温度的升高对其效率和可靠性都有不利影响。本文引入一种辐射散热的方法,通过辐射将热量散发到外层空间来降低太阳电池的工作温度。本文提出一种微纳结构应用于晶硅太阳电池的设计,在8～13μm大气窗口范围内提高太阳电池的发射率,进而提高太阳电池的辐射散热能力,使太阳电池的温度降低。该结构由如下几个部分组成:Si_3N_4层,SiO_2层,Si层。理论分析表明,与顶部采用Si3N_4薄膜层太阳电池以及无薄膜层的晶硅电池相比,采用Si_3N_4和SiO_2层交替薄膜结构的发射率有大幅提高;针对Si_3N_4和SiO_2层交替薄膜结构,分析了结构中各层厚度对晶硅电池发射率的影响。     

基于Si3N4/SiNx/Si3N4三明治结构的偏振无关1×2多模干涉型解复用器的设计

提出一种基于Si3N4/SiNx/Si3N4三明治结构多模干涉波导的偏振无关1×2解复用器,用于分离1310和1550 nm两个波长.通过合理选择三明治结构中间层SiNx的折射率,可以调节同一波长两个正交偏振态的拍长相等,实现偏振无关;根据多模干涉原理,通过合理选择多模干涉波导的长度与宽度,可以使两个波长的输出像点分别成正像和反像,实现解复用功能.运用三维有限时域差分法进行建模仿真,对结构参数进行优化,并对器件关键结构参数的制作容差进行了分析.结果表明:该器件多模干涉波导的尺寸为4.6μm×227.7μm,插入损耗低至0.18dB,输出波导间的串扰低至–25.7dB, 3dB带宽可达60 nm.另外,本文提出的器件采用Si3N4/SiO2平台,可有效减小波导尺寸,提高集成度,不仅实现了偏振无关,而且结构紧凑、损耗低,在未来的集成光路中具有潜在的应用价值.     

基于嵌入填充层的薄膜铌酸锂-氮化硅电光调制器

提出一种异质集成型薄膜铌酸锂电光调制器,由底部氮化硅波导、中间BCB黏合层、顶部铌酸锂薄膜构成调制区波导结构,调制电极位于铌酸锂薄膜的上部且二者之间填充了低折射率的SiO₂,以利于实现折射率匹配并降低光损耗、微波损耗。进一步利用马赫-曾德尔干涉仪结构,设计了相应的电光调制器,并提出一种倒台阶型薄膜结构,该结构可实现输入、输出波导与调制区波导的高效耦合。对该电光调制器进行行波高速匹配设计,所得器件的半波电压长度积为1.77 V·cm,3 dB调制带宽为140 GHz,且调制区长度仅为5 mm。所提器件结构有望在大带宽薄膜铌酸锂电光调制器设计中发挥优势,助力薄膜铌酸锂光子集成器件的快速发展。     

不同沉积层的纳米波导谐振腔特性测试

为确定硅基片上系统半导体光电器件集成中绝缘层材料对器件整体性能的影响,设计并制备了带有覆层的纳米波导谐振腔.谐振透射谱功率测试表明顶层覆盖Si_3N_4薄膜和SiO_2薄膜绝缘层没有削弱环形谐振腔的品质因素,沉积后的最佳耦合间距为70~110 nm.覆层为SiO_2时谐振点波长附近的谐振峰消光比达16.5 dB,3 dB带宽为0.12 nm;覆层为Si_3N_4时谐振点波长附近的谐振峰消光比达13.9 dB,3 dB带宽为0.18 nm.该研究为片上系统集成设计中最佳绝缘层材料的选择提供参考.     

激光泵浦碲化物产生中红外超连续谱数值模拟

对2 m波段脉冲激光泵浦碲化物光子晶体光纤产生中红外超连续谱进行了数值研究。通过材料的拉曼增益谱间接求得了对应的拉曼响应函数;由光子晶体光纤的材料折射率和波导结构,通过COMSOL软件获得了碲化物光子晶体光纤中基模等效折射率,计算了相应的色散曲线和限制损耗 ;利用自适应的分步傅里叶算法,模拟了中心波长为1.96m、峰值功率为20 kW的50 fs脉冲光泵浦碲化物光子晶体光纤时超连续谱的产生,当光纤长度为6 cm时,产生的中红外超连续谱波长范围为1.0~4.5 m。     

新型杂萘联苯型聚芳醚砜硐聚合物光子材料成膜和光学特性

对新型聚合物光子材料杂萘联苯型聚芳醚砜硐(PPESK)波导薄膜的成膜工艺进行了系统的研究。分析了溶剂吸水性对成膜质量的影响,并通过氮气保护的方法获得了具有良好均一性的波导薄膜,其厚度一致性可优于1%,折射率一致性优于0.03%。采用棱镜耦合技术测量分析了PPESK波导薄膜的折射率、双折射、热光系数等光学特性,测量得到该材料在1310 nm波长处的损耗小于0.24 dB/cm,在1550 nm波长处的损耗小于0.52 dB/cm,表明该材料是一类性能良好的聚合物光子材料。     

光子晶体线缺陷波导中的折射率相位移调制增强效应

在传统的基于全内反射原理的低折射率比介质波导所构建的相位移调制型光学器件中,调制区域的长度通常在毫米到厘米量级.由于器件横向尺寸保持在微米量级,因此狭长结构成为了传统光波导器件的典型特征,这限制了光学器件集成度的提高,严重制约了集成光路的进一步发展.光子晶体的出现为高密集成光路的发展提供了一条新的途径.本文使用平面波展开方法计算了光子晶体线缺陷波导中的色散曲线.研究发现:在色散曲线下边缘处,材料折射率的一个微小变化可以引起传输常数的较大变化,如果工作频率点选择在带下边缘附近,则可以大幅度减小相位移调制型器件调制区域的长度.本文使用时域有限差分方法进一步验证这种增强效应,计算结果表明,对于0.46%的折射率变化,光子晶体线缺陷波导中的相位调制长度仅为均匀媒质中相位移调制长度的11.7%.通过以进一步研究,这种增强效应有望应用与高密度集成光路.     

超短脉冲激光在掺Er3+ 磷酸盐玻璃中制备光波导的实验研究

超短脉冲激光通过非线性吸收调制光学材料折射率提供了一种高效制备集成三维光子器件的途径.掺Er³⁺磷酸盐玻璃由于其优异的特性以及在1.55μm通信波段附近的发射光谱,成为了集成光学主动增益材料中的研究热点.实验采用重复频率1 kHz,中心波长800 nm,脉冲宽度120 fs的钛宝石飞秒激光放大系统作为制备波导的光源,系统研究了加工参数对激光写入形貌、波导形成及光学特性的影响.实验结果表明,在狭缝整形辅助短焦物镜横向刻写条件下,写入脉冲能量为1.8μJ时,光波导可以在写入速度为10μm/s-160μm的较宽范围内形成;写入速度为40μm/s时,光波导写入脉冲能量参数窗口为1.6μJ-2.0μJ;波导写入深度在125μm-200μm范围时,波导横截面对称性较好且折射率修改明显;近场强度测量结果显示所制备波导近场强度分布对称,导光特性良好.通过有限差分法反推波导区域折射率修改分布,结果显示最大折射率修改为Δn=6.6×10^-4.截断传输损耗测量结果显示所制备波导的传输损耗低至0.91 dB/cm.     

等效折射率模型研究光子晶体光纤的色散特性

应用等效折射率模型对折射率导模光子晶体光纤的群速度色散特性进行了详细的讨论。由于光子晶体光纤由单一材料(SiO2)制成,光纤的波导色散决定了总色散,因此讨论中将群速度色散分解为波导色散和材料色散,研究了波导色散与光子晶体光纤的结构参量孔距∧、相对孔径f的关系。分析表明,在f一定的情况下,光子晶体光纤的波导色散与孔距∧的关系符合麦克斯韦方程的比例性质;而在孔距∧确定的情况下,光子晶体光纤的波导色散的零点、极小值点位置与f在所讨论的波长范围内存在线性关系。最后举例说明了通过调整光子晶体光纤的结构参量,可以灵活地设计其色散特性。     

光子晶体线缺陷波导中的折射率相位移调制增强效应

在传统的基于全内反射原理的低折射率比介质波导所构建的相位移调制型光学器件中,调制区域的长度通常在毫米到厘米量级.由于器件横向尺寸保持在微米量级,因此狭长结构成为了传统光波导器件的典型特征,这限制了光学器件集成度的提高,严重制约了集成光路的进一步发展.光子晶体的出现为高密集成光路的发展提供了一条新的途径.本文使用平面波展...     

量子点薄膜结构光子晶体光纤色散及损耗特性分析

利用频域有限差分法,应用各项异性完全匹配层,设计了不同结构的含CdS量子点薄膜的光子晶体光纤,通过求解麦克斯韦方程得到了相应的波导模本征方程,进而得到一个复数形式的传播常数和波导模有效折射率,并在此基础上分析了所设计光纤的色散及损耗特性.分析结果表明,含CdS量子点薄膜结构光子晶体光纤存在基模;增大孔间距和增大量子点薄膜厚度,零色散波长与最小损耗波长均发生红移;选择较小孔间距、较薄量子点薄膜结构和合适的光波长,会有效减小损耗.     

硅基二氧化硅波导和SOI脊型波导应力双折射研究

采用有限元方法分析了硅基二氧化硅波导和SOI（Silicon on Insulator）脊型波导内部残留热应力引起的双折射.对于硅基二氧化硅波导,应力双折射系数的数量级为10－4,对于上包层为空气的SOI脊型波导,该系数的数量级为10－5,对于上包层为SiO2的SOI脊型波导,该系数的数量级为10－3,可见在硅基二氧化硅波导和上包层为SiO2的SOI脊型波导中产生了大的应力双折射,而在上包层为空气的SOI脊型波导中应力双折射较小.     

颗粒对SiC_w/SiC层状陶瓷电磁屏蔽性能的影响

层状陶瓷材料的电磁屏蔽效能对结构功能一体化层状陶瓷材料的设计具有重要影响。采用流延法与化学气相渗透(chemical vapor infiltration,CVI)工艺相结合制备SiC_w/Si C层状陶瓷,研究碳化硅颗粒(Si C particle,SiCp)、氮化硅颗粒(Si_3N_4particle,Si_3N_4p)对SiC_w/Si C层状陶瓷电磁屏蔽性能的影响。结果表明:SiC_w/Si C层状陶瓷具有较高的电磁屏蔽性能,颗粒的加入有助于提高层状陶瓷的电磁屏蔽性能。颗粒粒径越小,材料的电磁屏蔽性能越好;并且SiCp的电磁屏蔽作用强于Si_3N_4p。     

低损耗有机无机混合溶胶凝胶波导的实验研究

利用有机无机混合的溶胶凝胶方法在硅基底上制备波导薄膜.采用正硅酸四乙酯和苯基三乙氧基硅烷作为反应先驱物,利用旋涂的方法成膜,对其折射率,传输损耗以及条形波导的光刻、刻蚀特性进行了研究.测量了波导薄膜折射率随成分变化的关系.实验表明,该方法工艺简单,可以获得具有较低损耗的波导薄膜.测试得到632.8 nm波段的损耗系数为0.23 dB/cm.采用ICP刻蚀工艺获得了较为平整的条形波导.     

火焰水解法制备Si02—Ge02平面波导材料

本文采用火焰水解法（FHD）在单晶Si片上快速淀积SiO2/SiO2-GcO2厚膜，再经过高温玻璃化处理，获得了玻璃态的平面波导材料。下包层SiO2膜的厚度约为40μm，波长1550nm处的折射率为1.4462，芯层SiO2-GeO2膜的厚度为5μm，折射率为1.4631。分别采用XRD、XPS、SEM和椭偏仪等对波导材料表面特性和折射率等进行了测试分析。     

耐热硅树脂材料的光学特性研究

遴先出了具有200℃高耐热性的硅树脂,根据185 nm到104 nm波段的透射谱,发现材料在300 nm到3000 nm范围内无吸收峰.用Manificier方法,推算出了600 nm到1600 nm波段上的光学常量,650 nm和1550 nm波长的折射率分别为1.513和1.498（温度为26℃时）;对薄膜进行紫外曝光后,相应的折射率减小到1.512和1.489.用激光－V棱镜装置检测出该材料无偏振特性,根据薄膜材料的表面形貌图均方高差和传输损耗分析,波导散射损耗约为0.5 dB/cm.研究结果表明,这种硅树脂可用于制作光通信系统中的波导器件,特别是塑料光纤通信网络中的波导器件.     

绝缘体上硅波导侧壁粗糙度与模式损耗的相关性（英文）

绝缘体上硅光波导侧壁粗糙度引起的光损耗是限制硅基集成线路被广泛应用的重要因素之一,利用激光扫描共聚焦显微镜精确测量了SOI波导各相异性分布的侧壁粗糙度,进而将一个三维侧壁粗糙度引入到光波导传输损耗计算的传统理论模型中,获得了更加精确的模型。数值模拟表明,侧壁粗糙度与波导结构决定的相关长度与侧壁粗糙度对光传输损耗产生同步影响。用法布里-珀罗(F-P)腔调制谐振输出方法测量光波导传输损耗,测量结果与数值计算结果非常吻合,说明各相异性粗糙度分布的测量精度及其引起的光传输损耗的理论模型具有很高的可信度。一条4μm脊宽SOI波导,当侧壁粗糙度在水平和垂直方向的平均值分别为22 nm和23 nm时,对于TE-和TM-模式,计算获得的传输损耗均为4.5～5.0 dB/cm,实验获得的平均光传输损耗为4.3 dB/cm。本文研究结果与结论对SOI光波导器件的研究与开发具有参考价值。     

近红外激光薄膜滤光片的研制

以双抛Si片为基底,采用离子束辅助热蒸发沉积技术研制了1.2～3μm波段激光薄膜滤光片.采用长波通滤光片与减反射膜相结合的薄膜样品设计方法,高、低折射率材料分别选用ZnS和MgF2,综合考虑光谱特性和电场强度分布,使用TFCale膜系软件设计出1.064μm高反、1.2～3μm波段增透的长波通滤光片.长波通膜系膜系结构为G|4H2L1.5H2L2H1.5L2H4L|A,减反射膜膜系结构为G|3.5H3.5L|A.最终实现1.2～3μm波段峰值透过率达98.48%,平均透过率为92.35%,1.064μm处透过率为5.09%的光谱特性.对薄膜样品分别采用离子束处理和退火处理,发现适当的工艺参数,有助于提高薄膜激光损伤阈值,当退火温度为250℃时,其激光损伤阈值可达6.3J/cm~2.本文研究可为近红外薄膜滤光片设计和制备提供参考.     

增强现实系统宽光谱大视场偏振光波导的研制

分析了两种光学波导结构对光波导视场及其尺寸的影响,并对光波导结构和薄膜进行了优化。通过TFCalc软件对波导中的p偏振光分光膜进行设计,选择H4和MgF2分别作为高、低折射率材料,并结合Needle法和Variable Metric法对膜系进行了优化。在450~600nm波段,制备的p偏振光分光膜在25°入射角下的平均反射率为30.1%,50°~80°入射角下的平均反射率小于5%。该分光膜满足牢固度测试要求。     

硅基光波导芯层材料及波导分束器的制备

本文采用溶胶-凝胶法制备了具有紫外感光性的SiO2/ZrO2/H有机无机复合薄膜,利用分光式椭偏仪测得该薄膜在光纤的常用通信窗口0.85 μm、1.31 μm和1.55 μm波长附近折射率分别为1.556 9、1.548 9和1.547 2,与下包层SiO2的折射率(1.46)相比,其折射率差比δ分别为6.64%,6.09%和5.97%,可作为芯层材料用于光波导的制备.通过控制提拉速率可以制作出厚度分别为1.29,2.20,4.00,5.44和6.82 μm的SiO2/ZrO2/H芯层薄膜,以满足0,1,2,3和4阶导模的传输要求.进而利用该薄膜自身的感光特性结合紫外掩模法,制备出相应厚度的1×8Y分支光功率分配器.通光实验表明,该光功分器能够将1.53～1.56 μm波长的光限制在波导内,实现光的传输和分束功能.