从第一性原理出发，计算了不同温度下GaAs材料中沿{110}、{111}和{112}面传播的反相畴(APD)形成能，探索了反相畴的湮灭机理。结果表明，当温度达到660 K以上时，APD最稳定的传播晶面从{110}转变到{112}。通过分子束外延(MBE)技术，在无偏角Si(001)衬底上生长了1.4 μm厚的GaAs外延层。测试结果表明，随着生长温度的升高，APD密度降低，不同传播面的湮灭现象增加。反相畴在较高的生长温度下更易于扭折到{112}面，从而与其他反相畴相遇并发生湮灭。该结果对全MBE生长高性能无偏角硅基激光器研究具有重要意义。

利用光学膜系设计软件(TFCalc),设计出空间用GaInP/(In)GaAs/Ge 三结太阳电池的分布式布拉格反射器(DBR)。实验结果表明由15对Al_0.2Ga_0.8As/Al_0.9Ga_0.1As组成的DBR在中心波长850 nm处的反射率高达96%,使800~900 nm波段内红外光被有效反射后又被二次吸收,提高了GaInAs中间电池的抗辐照能力。基于细致平衡原理,结合p-n结形成机理,对原电池结构和包含DBR的新电池结构进行厚度优化。通过对比中电池厚度为2.93 μm的原电池结构和中电池厚度为1.2,1.6,2.0 μm的新电池结构的辐照前外量子效率(EQE),发现新电池结构基本弥补了基区减薄对短路电流的影响。通过分析两种结构电池辐照前后的电学性能,发现DBR结构的存在明显改善了辐照后电池电流的衰减,并且中电池厚度为1.6 μm的新电池结构辐照后效率高达24.87%,较原电池结构提升了近2%,基本接近中电池厚度为2.0 μm的新电池结构,且明显高于1.2 μm中电池厚度的新电池结构。

设计了一种适用于GaInP/GaInAs/Ge多结太阳电池, 可在300~1800 nm宽光谱范围内实现均匀聚光的菲涅耳透镜。通过实际测试, 得到GaInP/GaInAs/Ge多结太阳电池的量子效率图谱和透镜主体材料硅胶的折射率色散曲线, 在此基础之上采用多焦点与多设计波长相结合的方法, 对菲涅耳透镜进行优化设计。基于该方法建立了几何聚光比为625倍, 环距为0.3 mm的透镜模型以及聚光效率、均匀性等聚光性能参数的计算模型, 并利用蒙特卡罗光线追迹及实验测试的方法对其聚光性能进行分析。研究结果表明, 所设计的透镜在300~1800 nm宽光谱范围内以及三个子电池的光谱响应波段内都能较好地实现均匀会聚, 同时具有较高的聚光效率, 聚光分布均匀度高于75%, 聚光效率超过80%。

设计、制作和测试了用于1.31和1.55 μm光波长的40 Gb/s微带线行波电极的电光调制器。假设聚合物材料的电光系数γ33=30 pm/V，设计的调制器性能参数分别是半波电压Vπ=4.92 V和调制带宽42 GHz。用有完全自主知识产权的二阶非线性光学聚合物材料BPAN-NT作为芯层材料制作了聚合物电光调制器。对调制器的各项特性参数进行了直流、低频和微波的测试，在1.31和1.55 μm波长上测得低频（237 Hz）Vπ分别为32.1和40.5 V，折算得芯层材料的电光系数γ33=3.856 pm/V。测得消光比为20 dB。在50 MHz~40 GHz频率范围内，测得电极系统实际的微波损耗系数α0=0.6 dB·cm-1·GHz-1/2，用此值理论计算得出调制带宽为42.70 GHz。在7.5~16.0 GHz 以及 32~40 GHz频率范围内用光谱仪测量器件的调制度M，并获得调制度的频率响应曲线。3 dB调制带宽为30 GHz。

Forward-scattering efficiency (FSE) is first proposed when an Ag nanoparticle serves as the light-trapping structure for thin-film (TF) solar cells because the Ag nanoparticle’s light-trapping efficiency lies on the light-scattering direction of metal nanoparticles. Based on FSE analysis of Ag nanoparticles with radii of 53 and 88 nm, the forward-scattering spectra and light-trapping efficiencies are calculated. The contributions of dipole and quadrupole modes to light-trapping effect are also analyzed quantitatively. When the surface coverage of Ag nanoparticles is 5%, light-trapping efficiencies are 15.5% and 32.3%, respectively, for 53- and 88-nm Ag nanoparticles. Results indicate that the plasmon quadrupole mode resonance of Ag nanoparticles could further enhance the light-trapping effect for TF solar cells.

采用高电流注入条件下的载流子扩散方程和复折射率波导模型情况下的亥姆霍兹方程, 对980 nm高功率激光二极管外延材料的非对称和对称波导结构的光吸收损耗进行了理论计算。采用低压金属有机化学气相外延技术制备了两种波导结构的外延材料, 并制作了激光器件, 进行了光电特性测试和对比分析。理论计算和实验结果表明：与对称波导结构相比, 非对称波导结构外延材料并未减小光吸收损耗, 而是减小了串联电阻, 因而降低了器件的焦耳热损耗, 从而提高器件的电光效率。

设计制作和测试了用于光波长1.55 μm的40 GHz共面波导(CPW)行波电极的电光调制器。假设聚合物材料的电光系数γ33为30 pm/V，设计的调制器性能参数分别是半波电压Vπ=12.9 V和调制带宽46.46 GHz。用有完全自主知识产权的清华大学化学工程系研制的二阶非线性光学聚合物材料BPAN-NT作为聚合物电光调制器的芯层材料制作了调制器。对调制器的各项特性参数进行了直流、低频和微波的测试，在1.31和1.55 μm波长上测得直流Vπ分别为55.5和83.3 V，折算得芯层材料的电光系数γ33=4.65 pm/V。同时测得消光比为15 dB。在50 MHz～40 GHz，电极系统实际的微波损耗系数α0=0.42 dB/(cm·GHz1/2)，用此值理论计算的调制带宽为42.70 GHz。在4～17 GHz用光谱仪观察到微波调制光的现象，并测得电光调制器调制度。

设计并制备了980 nm高量子效率和极低光损耗的激光二极管(LD)外延材料和器件。微通道封装1 cm激光二极管阵列在连续(CW)工作条件下最大电光效率达到60.0%,相应的斜率效率和输出光功率分别为1.1 W/A和38.2 W。测试得到外延材料的内损耗系数和内量子效率分别为0.58 cm-1和91.6%。测试分析表明,器件电光效率的提高主要在于新型的InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱和大光腔结构设计。