硅基光电子技术以光电子与微电子的深度融合为特征, 是后摩尔时代的核心技术。硅基光电子芯片可以利用成熟的微电子平台实现量产, 具有功耗低、集成密度大、传输速率快、可靠性高等优点, 广泛应用于数据中心、通信系统等领域。除硅基激光器外, 硅基光探测器、硅基光调制器等硅基光电子器件技术已经基本成熟, 但作为最有希望实现低成本、大尺寸单片集成的硅基外延激光器仍然面临着诸多挑战。在此背景下, 本文从直接外延无偏角III-V/Si(001)衬底、无偏角硅基激光器材料、外延技术, 以及单片集成等方面探讨了近些年国内外硅基光源的研究进展, 重点介绍了本研究组在硅基外延III-V族量子阱和量子点激光器方面的研究进展, 包括无反相畴GaAs/Si(001)衬底的制备、硅基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器材料外延、硅基InAs/GaAs量子点激光器材料外延和新型并联方式共面电极硅基激光器芯片制作等。

本课题组设计了一种用于硅基外延激光器的对称负极芯片结构，与传统共面电极芯片结构相比，该结构大幅降低了硅基激光器的微分电阻，使激光器性能显著提升。采用该电极结构以及基于无偏角Si（001）衬底的量子点激光器外延材料进行了激光器芯片制作。芯片尺寸为1500 μm×50 μm的激光器的微分电阻仅为1.52 Ω，单面输出光功率可达70 mW。实验结果表明：相比于传统共面电极芯片结构，该芯片结构可将器件的微分电阻降低约75%；当注入电流从1.2倍阈值电流增大到2.8倍阈值电流时，激射波长红移量减少了约77%，特征温度由27.2 K提高到43.4 K，斜率效率增大了约26.4%，最大光电转换效率增大了约4.7倍。所设计的芯片结构方案为制作高性能硅基外延激光器提供了一种优化的技术途径。

本文提出了一种有效改善GaAs/Si（001）材料表面形貌和晶体质量的应变平衡超晶格结构及其制备方案。在无偏角Si（001）衬底上，采用金属有机化学气相沉积技术生长了具有应变平衡超晶格结构的GaAs外延层，并在相同条件下仅生长了GaAs外延层作为比较。采用原子力显微镜、光致荧光光谱仪和双晶X射线衍射仪对两种样品进行表征与测试。测试结果表明：与未采用该方案生长的样品相比，采用应变平衡超晶格结构方案生长的样品的均方根表面粗糙度由1.92 nm（10 μm×10 μm）降至1.16 nm（10 μm×10 μm），光致荧光光谱峰值强度提高5倍以上，光致荧光光谱峰值半峰全宽从31.6 nm降为23.4 nm，XRD曲线峰值半峰全宽降低了30.4%，X射线衍射峰值强度提升了472.2%。该方案可显著改善GaAs/Si（001）材料的表面形貌及晶体质量，对制备硅基电子和光电子器件具有重要意义。

无线电监测频谱数据中包含有大量的信号, 准确提取这些信号有利于掌握全频段的频谱使用情况。实际信号的频谱由于受噪声干扰, 会出现信号频带内个别频点能量值低于检测门限的情况, 此时传统的门限检测算法会将该信号错估为多个信号, 产生多个虚假的相邻信号间隔, 导致频谱信号提取的准确率下降。对此, 根据虚假相邻信号间隔特点, 提出一种自适应估计信号个数的频谱信号提取算法, 该算法可自动、准确估计频谱监测数据中电磁信号的个数, 并将对应的信号及频谱信息提取出来。实验结果表明, 该方法具有自适应性、强鲁棒性和高准确性, 有效提高了频谱信号提取的准确率, 为军、民电磁环境的识别与掌握提供基础的电磁信号数据支撑。

差分吸收法是进行瓦斯远距离监测的重要方法,根据瓦斯在近红外波段的吸收特性,报道了一种新型的远距离光纤瓦斯传感系统。采用1.3 μm超辐射发光二极管为光源,利用光纤布拉格光栅(FBG)优良的窄带滤波特性实现了对瓦斯的差分吸收测量。和传统的干涉滤光片相比,光纤光栅滤波器插入损耗低、制备简单。系统具有全光纤化、结构简单、工作距离远、稳定性好的特点。工作距离10 km,测量灵敏度为0.1％,是瓦斯爆炸极限的2%。

着重介绍了红外吸收型瓦斯传感器的分类及原理,并对其特点和存在的问题进行了分析。