为了有效提高半导体发光二极管（LED）光学系统的空间利用率，设计了一款基于负焦距透射结构的自由曲面准直透镜。该准直透镜分为透射准直和反射准直两部分，设计基于几何光学、斯涅耳定律以及能量守恒定律，通过使用Matlab软件编写算法迭代计算得到透镜的2D曲线数据，然后将2D曲线数据导入Solidworks软件旋转360°后得到准直透镜的3D模型，再导入光学建模软件Lighttools进行光线追迹，根据接收面上的光斑情况对准直透镜进行优化，优化后的准直模块经过模拟仿真，光能利用率为88.45%，光束角为±2.23°，具有优越的准直性能，相比传统的单透射自由曲面准直透镜，采取负焦距透射结构设计的准直透镜体积同比减少63.13%，能更有效地实现对LED光线的调控并减小透镜的体积。

通过磁控溅射沉积以及高温热退火处理, 在5.08cm（2inch）c-plane 蓝宝石异质衬底上制备出单晶β-Ga2O3薄膜, 研究了溅射气氛中氧分压对β-Ga2O3薄膜的晶体结构以及光学特性的影响。通过调控氧分压, 获得了具有{-201}晶面族X射线衍射峰的β-Ga2O3薄膜, 其最大晶粒尺寸达到138nm, 在300~800nm波段透射率大于80%, 最大光学带隙达5.12eV。最优的薄膜表面粗糙度达0.401nm, 800nm波长处折射率为1.94。实验结果表明, 降低氧分压有利于溅射粒子动能增大、数量增多, 从而提升β-Ga2O3薄膜结晶质量、增加薄膜透射率和光学带隙; 适当提高氧分压则有利于改善薄膜表面平整度, 并提高致密度。

信道线性及非线性失真会降低基于四电平脉冲幅度调制（PAM4）的短距离光互联系统的性能，利用PAM4发射芯片对信号进行预补偿能缓解信道失真带来的影响。因此，研究了一种适用于短距离光互联的PAM4发射芯片架构。该架构基于查找表（LUT）均衡器和源串联终端数模转换器灵活补偿光信道失真，利用流水线结构的选择器进行高速LUT读取；同时，采用电阻反馈的预驱动电路减少高速数模转换器信号输出时的码间干扰。后仿真结果表明，55 nm工艺制程PAM4发射芯片的速率可达到40 Gbit/s，能实现灵活配置的均衡模式，满足下一代数据中心、接入等光互联网络的需求。

为了有效地收集半导体发光二极管大范围的出射光以实现光能的高效利用,设计一款基于全内反射结构的多个自由曲面准直透镜,该透镜的初始结构是根据Snell定律和能量守恒定律等光学原理的算法设计而成。将该透镜的初始结构导入Creo软件中并进行360°旋转以得到3D实体模型,将其转入TracePro光学软件中进行蒙特卡洛光线追迹的模拟,在距离接收板20 m处接收到一个圆形光斑。对该透镜模型进行法矢修正,优化后的透镜经过模拟仿真,透射能力高达182 cd/lm,光束角为±1.621°。将优化后的透镜与传统的全内反射结构透镜进行对比,经验证发现优化后的透镜对窄光束的调控能力更好。

研究了p型GaN上Pd/NiO/Al/Ni反射电极欧姆接触的比接触电阻率、热稳定性, 以及光学反射率。与传统Pd/Al/Ni电极相比, Pd/NiO/Al/Ni电极的欧姆接触在氮气环境中经300℃下热处理10min后, 仍保持低比接触电阻率(小于5×10-4Ω·cm2)和高反射率(大于80%@365nm)。研究获得的优化Pd/NiO层厚度为1nm/2nm, 此时的Pd/NiO/Al/Ni反射电极既能形成良好的欧姆接触, 拥有低比接触电阻率, 又能减少对紫外光的吸收, 保持高反射率。研究表明适当的NiO层厚度能够有效地防止热处理过程中上层Al金属向p-GaN表面层的渗入, 对于制备高质量的Al基反射电极至关重要。

基于接收信号强度算法的可见光室内定位系统具有结构简单的特点, 但是由于漫反射信道、系统噪声等因素, 其定位精度受到很大限制, 为此提出使用人工神经网络对室内可见光信道参数进行学习, 拟合室内信道参数的真实值, 实现高精度定位。首先, 使用CDMA调制技术消除室内可见多参考点光通信带来的码间干扰问题, CDMA解扩信号经过归一化操作后输入人工神经网络对坐标函数进行训练, 使之拟合室内可见光通信信道参数, 估计出接收机到各个LED参考点之间的空间距离。其次, 由于神经网络训练数据噪声及接收机信号噪声会影响定位精度, 我们提出使用Newton-Raphson迭代法, 进一步逼近测试点的真实坐标。实验结果表明, 在1 m×1 m×1.2 m的室内可见光通信定位系统模型中, 本系统在二维定位应用时平均定位误差为0.87 cm; 在三维定位应用时平均定位误差为1.47 cm。本文提出的基于接收信号强度的可见光室内定位系统, 使用CDMA调制技术, 接收信号经过解扩后输入人工神经网络对信道参数进行距离估计, 为了进一步地减小噪声等随机过程带来的定位误差, 提出一种定位专用的定位坐标解迭代逼近算法, 结果表明本系统在二维定位及三维定位均可实现很高的定位精度。

基于几何光学、能量守恒定律及菲涅耳定律等相关理论，提出了一种双自由曲面半导体发光二极管(LED)准直透镜的光学设计方法，并给出了构建准直透镜模型详细的算法设计。自由曲面是一种关于中心轴旋转对称的曲面，该曲面的二维轮廓在非均匀有理B样条曲线的方法理论基础上，采用ProE软件搭建而成。通过蒙特卡罗光线追迹模拟发现，相比传统的单自由曲面准直透镜，双自由曲面准直透镜不仅提高了照度均匀性，而且在能量利用率上也有显著的提高。研究结果表明，采用双自由曲面将大大提升准直透镜的设计空间，改善LED透镜的光学性能。

荧光粉受激发产生的白光LED照明光源存在显色指数较低的问题。对此提出一种利用光谱拟合反演高显指目标光谱的方法,针对已知白光LED计算提高该光源所需补充的单色光LED种类及光谱系数。利用光谱拟合方法分析添加不同波段的光谱对白光LED显指和色温的影响。并通过拟合反演的方法进行补光设计,使用一到两种单色光LED,将冷白光源和中性白光源的显指分别提高至92.3和96.8。实验结果表明,使用红光与蓝绿光、低波长绿光LED补光后,大幅度提高了荧光粉受激发产生的白光LED光源的显色性。