光网络中关键性光子集成器件的研究进展

从高速率大容量光纤网络体系基本功能构架(即信息的超大容量传输、灵活的上下载路分插复用、快速的交换共享和高效经济的路由选择)的需求出发, 指出光子集成是实现上述功能构架的关键硬件, 包括高速响应的集成激光源、波导光栅阵列密集波分复用器、窄带响应集成光电探测器、路由选择的波长变换器、快速响应光开关矩阵以及低损耗多址波导分束器等, 并对发展趋向作出评论.     

20 Gbit/s光时分复用信号的产生及其色散补偿传输

采用光纤耦合器环状连接法实现了 8× 2 .5Gbit/s光时分复用信号的产生 .同时 ,利用悬臂梁调节机构对 1 2cm长均匀光纤光栅进行波长和线性啁啾调谐后 ,实现了 2 0Gbit/s信号在 1 0 0kmG6 5 2光纤中的色散补偿传输 ,且补偿效果良好     

准相位匹配PPLN波导全光开关特性研究

本文利用一种具有半圆形极化畴结构的PPLN晶体，在慢变振幅近似条件下，基于二阶非线性效应并考虑到控制光和信号光简并二波耦合时周期性极化铌酸锂波导内的耦合模方程，用数值方法对小信号时相位失配情况下的全光开关特性进行了研究，分析了由于光栅周期、晶体温度和控制光波长变化引起的相位失配对输出的信号光功率的影响，并给出了输出信号光功率与控制光功率之间的关系曲线。发现在相位失配的情况下增大控制光的功率可以达到信号光的关断，具有较好的开关特性。     

硅基光电子学研究进展与趋势

近年来硅基光电子材料和器件受到高度的重视.利用外延生长和键合技术成功研制出硅基应变赝衬底、GexSi1-x/Si量子阱、高密度锗量子点、硅基InGaAsP/Si异质结,这些进展为硅基光电子器件提供了坚实的材料基础.同CMOS工艺相结合,实现了硅量子点1.17 μm的受激发射,研制出硅基Raman激光器、1.55 μm混合型激光器、高灵敏度的Si/Ge探测器、谐振腔增强型的SiGe光电二极管、调制频率30 GHz的SOI CMOS光学调制器和16×16的SOI光开关阵列等.硅光电子学将在光通信、光计算等领域获得重要应用.本文综述了国内外硅基光电子材料和器件的进展、我们的研究结果和硅基光电子学的发展趋势.     

进位直达并行三值光计算机加法器原理

目前液晶单元从不透光状态变成透光状态需要时间50~100 ms, 本文中推证出: 光通过液晶器件的时间约为1.14×10^−5 ms, 利用这两个时间的巨大差异, 提出了用液晶构成“进位直达”通道来克服进位串行延时的原理, 在进位直达通道中各个进位链的进位直达过程自动并行. 据此完善了用液晶构造三值光计算机加法器的理论, 并设计了这个加法器的理论光路. 同时给出了一个实现进位直达并行器件的方案. 进位直达并行原理以物理方式解决了三值光计算机加法器的进位延时难题. 也为其他种类的光计算机加法器研究提示了新思路.     

Au／PZT／BIT/p-Si结构铁电存储二极管存储特性

采用脉冲激光沉积方法(PLD)制备了Au/PZT／BIT／p-Si结构铁电存储二极管.对其铁电性能和存储特性进行了实验研究.铁电性能测试显示较饱和的、不对称的电滞回线,其剩余极化和矫顽场分别约为15 μC／cm^２和48 kV／cm; 10^９次开关极化后剩余极化和矫顽场分别仅下降10%和增加12%;观察到源于铁电极化的CV和IＶ特性回线;电流密度+4 V电压下为6.7×10^-8 A／cm²; 在+2 V的读电压下,读“1”和读“0”电流有0.05 μA的明显差别;保持时间达30 min以上.     

适于光子集成及光互连的回音壁微腔半导体激光器

介绍了正三角形和正方形微腔的类回音壁型模式特性,以及与输出波导连接的正三角形和正方形定向输出微腔激光器.实验表明正三角形微腔激光器作为光探测器应用具有共振增强的响应特性.提出了采用两个定向输出微腔激光器与硅上光波导连接实现芯片上的光互连的设想.     

三值光计算机的基本原理

提出了用垂直偏振光、水平偏振光和无光强三个稳定的光状态表示信息的三值光计算机基本原理, 分析了用现有微型或集成光学、光电、电光元件实现三值光计算机核心部件的可行性, 讨论了三值光计算机的基本特征. 这些基本原理也适用于基于线偏振光的三值光纤通信.     

能够实现芯区均匀场的几种三层平板波导结构

通过对非线性包层三层平板波导典型实例的理论研究和数值计算，发现存在5种波导结构，当光功率合适时，芯区场能够实现均匀分布，此时包层场分布呈指数衰减. 分别给出5种结构的场分布曲线. 波导芯区中存在均匀场分布，对于波导、光电子及光子器件具有潜在的应用前景.     

Au/PZT/BIT/p-Si结构铁电存储二极管的可靠性

采用脉冲激光沉积(PLD)工艺制备了Au/PZT/BIT/p-Si结构铁电存储二极管.对该二极管的I-V特性、电容保持特性、疲劳(fatigue)特性和印迹(imprint)特性进行了研究.结果表明该铁电二极管的I-V特性表现出明显的单向导电性,表现出类似于Schottky二极管的特性,电流密度在+4V电压下为6.7×10-8A/cm2,而在-4V电压下仅-5.3×10-10A/cm2,50℃以下该特性得以良好保持;撤除所施加的5V偏压后,经10h观察,电容仅变化5%,二极管具有较好的电容保持特性;在100kHz,5V双极方波加速疲劳下,107次开关极化以后铁电薄膜系统几乎没有显示任何疲劳,经109次极化循环,剩余极化Pr仅下降10%,矫顽电场Ec增加12%;200W紫外灯光辐照20min后,尽管剩余极化和矫顽电场均有所变化,并产生了电压漂移(voltageshift),但印迹优值因子FOM约0.2,二极管未出现印迹失效.     

中国油气勘探的理论与实践

中国石油地质学的发展经历了艰苦的探索与努力 ,我们走过的道路是 :从西部延长油矿 ,玉门油矿到东部大庆油田和吉林油田、二连盆地、渤海湾盆地—胜利、大港、辽河、华北、中原、冀东油田和渤海海域、东南沿海大陆架 ,中部四川和鄂尔多斯油气区 ,到西部柴达木、准噶尔、吐哈、塔里木等油区和青藏高原等地区 ,都满布了中国石油勘探队伍和科技工作者的足迹。1 949年我国年产原油 1 2× 1 0 4t,2 0 0 0年增加到 1 60 86× 1 0 4t,增长 1 340倍。天然气年产量由0 .1× 1 0 8m3 增加到 2 62×1 0 8m3 ,增长 2 62 0倍。探明的油气储量亦有大幅度增长。我国油气勘探开发不断提出石油地质的新问题 ,通过认识和解决这些问题 ,丰富了我国石油地质学的理论 :①陆相油气形成与聚集规律 ;②中国含油气盆地的构造类型 ;③陆相湖盆储层特征 ;④复式油气聚集 (区 )带的成矿规律 ;⑤古潜山油气藏 ;⑥煤成烃的研究与实践 ;⑦海相古生界油气勘探的突破。(1 )中国石油地质学经过 50年来的实践—认识 ,学科不断发展 ,在多方面获得自主创新、令人振奋的科技成果。具备了勘探开发陆海各种油气田的实力。(2 )进入新世纪的中国石油地质学面对的是 :我国国民经济发展速度快 ,而石油和天然气的年增长率相对滞后。(3)我国的油气资源     

Au/PZT/BIT/p-Si结构铁电存储-二极管的可靠性

采用脉冲激光沉积（PLD）工艺制备了Au/PZT/BIT/p-Si结构铁电存储二极管. 对该二极管的I-V特性、电容保持特性、疲劳(fatigue)特性和印迹（imprint）特性进行了研究. 结果表明:该铁电二极管的I-V特性表现出明显的单向导电性,表现出类似于Schottky二极管的特性,电流密度在+4 V电压下为6.7×10-8 A/cm²,而在-4 V电压下仅-5.3×10^-10 A/cm²,50℃以下该特性得以良好保持;撤除所施加的5 V偏压后,经10 h观察,电容仅变化5％,二极管具有较好的电容保持特性;在100 kHz, 5 V双极方波加速疲劳下,10⁷次开关极化以后铁电薄膜系统几乎没有显示任何疲劳,经10⁹次极化循环,剩余极化Pr仅下降10％,矫顽电场Ec增加12％;200 W紫外灯光辐照20 min后,尽管剩余极化和矫顽电场均有所变化,并产生了电压漂移(voltage shift),但印迹优值因子FOM约0.2,二极管未出现印迹失效.     

光悬浮微粒子旋转特性研究

悬浮光机械系统将微粒子悬浮在空中,较好地隔绝了环境噪声,在诸多精密测量及量子科学领域都发挥着重要作用.利用圆偏振激光驱动微粒子自旋,可以进行扭矩测量、气体辨识及真空摩擦等方面的研究.本文基于光悬浮微粒子旋转动力学模型,搭建了真空光悬浮及旋转实验装置,对悬浮粒子的平均转速和转速波动进行了研究.结果表明,影响光力矩的激光功率越强,激光偏振态越接近圆偏振光,粒子的平均转速则越大.但影响粒子平均转速的主要因素是阻尼力矩,通过降低环境气压以减小粒子的旋转阻尼,其平均转速可大幅提升.通过调控这些实验参数,约4μm直径的球霰石微球在环境气压为0.1 Pa时被驱动至3.93 MHz转速.但在低气压环境下,微粒子的热运动也变得明显,从而导致悬浮粒子的等效激光功率随着热运动而变化,进而使得粒子的转速波动也随着气压的下降而增大.本文首创性地对比了相同气压不同转速下的转速波动,进一步说明了粒子热运动对转速波动的影响规律.此外,本文还研究了不同气压下转速相对波动的变化规律,这为光悬浮转子在陀螺仪领域的潜在应用奠定了基础.这些研究结果对于提升光悬浮系统已有应用以及开拓新领域均有重要意义.     

用于光通信与互连、集成差分光电探测器的标准CMOS全差分跨阻放大器

基于标准CMOS技术,提出和研究了一种用于光通信与光互连、集成差分光电探测器的全差分跨阻放大器(TIA).为实现全差分特性,提出了一种新型全差分光电探测器,其作用是将入射光信号转换成一对全差分光生电流信号,并保证电路结构和模型的全差分对称性.理论分析和仿真结果均表明:与常规的、集成光电探测器的差分跨阻放大器相比,该全差分跨阻放大器的带宽更高,灵敏度也同时被提高一倍.基于该集成差分光电探测器的全差分跨阻放大器,采用特许3.3V,0.35μm标准CMOS工艺设计和制造了一种单片全差分光电集成接收机.其跨阻增益为98.75dBΩ,从1Hz至-3dB频率点间的等效输入积分噪声电流为0.334μA.该光接收机采用了单一的3.3V电源;跨阻放大器与限幅放大器的总功耗为100mW;50Ω输出缓冲器的功耗为138mW.对于850nm的入射光、-12.2dBm的峰峰光功率和231–1位伪随机二进制序列输入信号,该光接收机达到了1.1GHz的3dB带宽和1.6Gbit/s的数据率.     

β—PbF2：Gd晶体常温下闪烁性能的探索

用Bridgeman Stockbarger法生长出了掺Gd质量分数为 0 1 5 %的立方氟化铅 ( β PbF2 :Gd)晶体 .将其切割、抛光制成 2 0mm× 2 0mm的试样 ,分别用13 7Cs和AGS上强度为 1GeV的束流为激发源 ,测量了该晶体的光输出和衰减时间 .结果表明β PbF2 :Gd晶体在常温下能够产生微弱的闪烁光 ,光输出约为 6光电子 /MeV ,而且大部分光输出都是在时间门宽 <30ns的范围内测到的 ,在 1 μs范围内没有发现慢分量 .X射线激发下的发射光谱表明 ,β PbF2 :Gd晶体的 2 77和 31 2nm发光峰分别对应于Gd3 +离子的6IJ→8S7/2 和6PJ→8S7/2 能级跃迁 .     

SOI材料中Cu杂质的纳米孔吸杂研究

采用纳米孔吸杂方法对新型硅基材料SOI(silicon-on-insulator)中的Cu杂质进行了吸除研究. 室温下, 将3.5 ´ 10¹⁶ cm^-2的H⁺或9 ´ 10¹⁶ cm^-2的He⁺注入到SOI氧化埋层下面的硅衬底内, 700^oC退火形成纳米孔, 研究纳米孔对SOI顶层硅中不同剂量Cu杂质(5 ´ 10¹³, 5 ´ 10¹⁴, 5 ´ 10¹⁵ cm^-2)的吸除. 剖面透射电子显微镜(XTEM)与二次离子质谱(SIMS)分析表明, 700^oC以上, Cu杂质可以穿过SIMOX和Smart-Cut材料不同的氧化埋层到达硅衬底, 并被纳米孔吸附. SIMOX氧化埋层界面的本征缺陷对Cu杂质具有一定的吸附作用, 但吸杂效果远远低于纳米孔吸杂, 且高温下会将杂质释放出来. Smart-Cut SOI的氧化埋层界面完整, 不具备吸杂作用. 1000℃退火后, 纳米孔可吸附高达3.5 ´ 10¹⁵ cm^-2 以上的Cu杂质, 纳米孔吸杂效率随Cu注入剂量的降低而升高. 当顶层硅中Cu剂量低于5 ´ 10¹⁴ cm^-2 时, 纳米孔吸杂效率达到90％以上, 并将顶层硅中Cu杂质浓度降低到原来的4％以下. 纳米孔吸杂是一条解决SOI杂质去除难题的有效途径.     

带翠凤蝶翅面结构光变色机理的试验研究

动物体表彩色是在长期生物进化过程中为了逃避天敌、捕捉猎物或展示自身艳丽而自然形成的, 研究其结构光机理是仿生学的一个重要方面. 根据用酒精溶液填充到绿带翠凤蝶翅面蓝色鳞片区域的瞬时改变颜色成绿色, 最后又还原成蓝色这一现象, 应用体视显微镜、扫描电镜、透射电镜和紫外可见分光光度计, 通过分析翅面鳞片的微观结构和光学特性与变色效应关系, 发现中国东北地区的绿带翠凤蝶蓝色鳞片可以变色, 其原因在于可见光经过鳞片的凹坑状多层薄膜反射结构与填充介质时, 由于介质的折射率不同, 引起了一定波长的光波发生干涉, 形成相应波长的颜色, 这对于视频隐身材料的仿生设计具有重要的学术参考价值.     

掺铒波导环形腔激光器特性研究

根据掺铒波导光放大理论和耦合器传输矩阵,建立了描述掺铒波导环形腔激光器的理论模型,在此基础上分析了环形腔弯曲半径、耦合器耦合系数和掺铒离子浓度等因素对泵浦阈值和激射光输出特性的影响.结果表明由于受到波导弯曲损耗和其他机制损耗的共同作用,存在一优化弯曲半径使得波导环形腔激光器在较低阈值泵浦功率下实现较高的斜率效率;激射光输出耦合器作为激光谐振腔损耗的一部分,其耦合系数的大小影响到激光器的特性,在耦合系数为0.2附近处可获得较高的激射光输出功率;铒离子掺杂浓度在0.85×1026m？3时具有最低的阈值泵浦功率,在不引起明显上转换效应的条件下,适当的增加铒离子浓度可以提高激射光波的输出功率.研究结果为掺铒波导环形腔激光器的设计和制作提供了理论依据.     

基于变量变换Galerkin法的三维束传播法

提出了一种基于变量变换Galerkin法的三维束传播法, 用以模拟分析三维介质光波导的光波传输特性. 将三维笛卡尔坐标的横向分量x-y作正切函数变换, 无限x-y平面则映射成单位平面, 无限域问题由此转换成有限域问题, 消除了边界截断, 提高了计算精度. 选择正弦函数作为展开基, 适用于任意包层边界的光波导. Galerkin法将三维BPM基本方程归结为一组一阶常微分方程组, 可用成熟的Runge-Kutta方法求解, 计算程序简单. 另外, 该方法导出矩阵小, 有较高的计算效率. 考虑了传播方向上均匀及非均匀的三维计算实例以验证该方法的准确性及计算精度.     

新型光纤Bragg光栅滤波器

提出了一种新型弹性材料热变形拉伸光纤Bragg光栅的滤波器原理. 以热传导方程模型为基础, 逐步计算出弹性薄板经热源控制后的温度分布函数、热膨胀函数和弹性薄板最大位移函数, 最终推导出了热源功率密度与光纤Bragg光栅反射波长偏移量之间的关系式. 证明了上述公式的物理可行性.