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Abstract
Key Laboratory of Light Field Manipulation and Information Acquisition, Ministry of Industry and Information Technology, and Shaanxi Basic Discipline (Liquid Physics) Research Center, School of Physical Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129, China
Graphene and related two-dimensional materials have attracted great research interests due to prominently optical and electrical properties and flexibility in integration with versatile photonic structures. Here, we report an in-fiber photoelectric device by wrapping a few-layer graphene and bonding a pair of electrodes onto a tilted fiber Bragg grating (TFBG) for photoelectric and electric-induced thermo-optic conversions. The transmitted spectrum from this device consists of a dense comb of narrowband resonances that provides an observable window to sense the photocurrent and the electrical injection in the graphene layer. The device has a wavelength-sensitive photoresponse with responsivity up to 11.4 A/W, allowing the spectrum analysis by real-time monitoring of photocurrent evolution. Based on the thermal-optic effect of electrical injection, the graphene layer is energized to produce a global red-shift of the transmission spectrum of the TFBG, with a high sensitivity approaching 2.167×104 nm/A2. The in-fiber photoelectric device, therefore as a powerful tool, could be widely available as off-the-shelf product for photodetection, spectrometer and current sensor.
tilted fiber grating photoelectric device graphene photoelectric conversion thermo-optic switching Opto-Electronic Science
2023, 2(6): 230012
1 南京理工大学材料科学与工程学院, 南京 210094
2 苏州大学能源与材料创新研究院, 江苏 苏州 215006
经过大半个世纪的算法模型积累, 以数据科学为基础的机器学习方法, 已经可以适配多项学科的研究需求。在理论与实验积累的数据基础上, 机器学习紧跟各个领域的研究潮流, 推动数据密集型科学研究的发展, 使其成为继“理论”、“计算”、“实验”后引领科学研究的“第四范式”。在材料科学领域, 钙钛矿材料具有构成丰富、带隙可调、发展空间广阔等优势, 但还未在其适用领域内达到环境友好等实用标准。因而基于机器学习探索钙钛矿材料及其应用, 不仅可以加速新型钙钛矿材料的发现, 而且可以探究钙钛矿材料种种优异性能与其物理化学特征之间的关联, 为发展环境友好型高性能钙钛矿器件提供指导。在此总结了机器学习结合钙钛矿材料的研究优势与研究流程, 综述了机器学习在钙钛矿材料性质与器件探索方面的研究进展, 探讨了当下面临的研究困境和挑战, 展望了未来的研究方向和发展趋势。
钙钛矿材料 机器学习 材料物性 光电器件 perovskite materials machine learning material properties photoelectric device
1 重庆邮电大学光电工程学院, 重庆 400065
2 中国科学院重庆绿色智能技术研究院, 重庆 400714
WS2由于其优异的物理和光电性质引起了广泛关注。本研究基于第一性原理计算方法, 探索了本征单层WS2及不同浓度W原子替位钇(Y)掺杂WS2的电子结构和光学特性。结果表明本征单层WS2为带隙1.814 eV的直接带隙半导体。进行4%浓度(原子数分数)的Y原子掺杂后, 带隙减小为1.508 eV, 依旧保持着直接带隙的特性, 随着Y掺杂浓度的不断增大, 掺杂WS2带隙进一步减小, 当浓度达到25%时, 能带结构转变为0.658 eV的间接带隙, WS2表现出磁性。适量浓度的掺杂可以提高材料的导电性能, 且掺杂浓度增大时, 体系依旧保持着透明性并且在红外光和可见光区对光子的吸收能力、材料的介电性能都有着显著提高。本文为WS2二维材料相关光电器件的研究提供了理论依据。
二维材料 第一性原理 Y掺杂 电子结构 光学性质 光电器件 two-dimensional material WS2 WS2 first-principle Y doping electronic structure optical property photoelectric device
1 吉林大学电子科学与工程学院，集成光电子学国家重点实验室，吉林 长春 130012
2 清华大学精密仪器系，精密测试技术与仪器国家重点实验室，北京 100084
3 吉林大学材料科学与工程学院，吉林 长春 130012
面向大数据存储，总结当前冷数据存储的主要方式及特点，针对长寿命和高容量的需求，介绍飞秒激光永久光存储的概念和基本存储内涵；围绕透明介质材料体内改性的类型，依次介绍三维光存储和五维光存储的历史发展过程；阐述了当前具有双折射特性的存储单元形成机制，超百层的高密度存储技术，225 kB/s单通道、潜在MB/s多通道的快速直写机制；并从纳米区域的电场连续性边界条件和光学衍射极限出发，展望飞秒激光永久光存储在存储容量和写入速度方面的挑战。
光电器件加工 飞秒激光 激光材料加工 光与物质相互作用 光存储 纳米光栅 中国激光
2022, 49(10): 1002504
1 中国科学院 上海技术物理研究所，上海200083
2 中国科学院 红外成像材料与器件重点实验室，上海00083
3 中国科学院大学，北京100049
4 上海市实验学校，上海200135
超构表面阵列分光具有高透射、低损耗、高集成度的特点，是当前微纳结构领域的研究热点。本文提出了一种由Si和SiO2组成的超构表面红外分光阵列。以不同波长的红外光入射单元，仅改变圆柱半径，分别计算不同波长的透射率和出射相位随半径的变化。根据广义斯涅尔定律，选择具有不同圆柱半径的若干单元组成超构表面分光周期。该周期对不同波长的入射光具有对应的透射相位梯度，验证了超构表面阵列具有分光功能。对超构表面红外分光阵列可能的应用提出了展望。结果表明：以半径为150，250，300 nm的3个Si纳米柱组成的超构表面周期可以将波长2.7 μm和2.9 μm的混合入射红外光分离，并且透射率达到70%以上。
光电器件 红外分光 超构表面 电介质 相位 photoelectric device infrared splitter metasurface dielectric phase
西安电子科技大学 微电子学院，陕西 西安 710071
为了获得优异的钙钛矿材料，本文系统地研究有机-无机杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbI3)的电子结构和光学特性，同时探究了空位缺陷对其光学性质的影响。首先，采用Materials Studio软件构建本征钙钛矿材料的电子结构，并基于广义梯度近似的方法(GGA)和Perdew-Burker-Ernzerhof (PBE)泛函，优化其电子结构并计算本征钙钛矿材料的电学和光学特性。通过采用范德华力修正，解决了密度泛函理论低估带隙的问题，得到准确的带隙。其次，研究不同的空位缺陷(Pb空位和I空位缺陷)对钙钛矿材料的电子结构的影响，并计算其能带、态密度和光学性质。最后通过对比本征钙钛矿材料和空位缺陷的钙钛矿材料特性，从微观机理研究空位缺陷对其光学性质的影响。结果表明: 本征钙钛矿材料带隙为152 eV，这与实验测得的带隙值基本吻合; 同时研究发现Pb空位缺陷会导致钙钛矿呈偏P型材料; I空位缺陷会导致钙钛矿呈偏N型材料。空位缺陷能够有效地改变钙钛矿材料的介电函数和光吸收谱，对于钙钛矿材料的研究及在光电器件领域的应用具有重要的理论价值。
钙钛矿材料 空位缺陷 第一性原理 光电器件 perovskite material vacancy defects first principle photoelectric device
1 长春工业大学电气与电子工程学院，长春 130012
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033
3 北京鼎汉技术有限公司，北京 100070
舰载光电设备在捕获跟踪阶段, 由于艏摇、纵摇、横摇的扰动, 红外跟踪精度会受很大的影响。为了提高舰载光电设备跟踪精度, 提出了一种速度回路前馈控制策略, 控制方法分三步: 首先将大地坐标系转化为甲板坐标系;其次当目标出现在视场内且满足图像提取阈值时, 利用CA模型最小二乘法原理对合成的甲板坐标系下的速度进行滤波;最后将滤波后的速度前馈到速度回路上, 同时伺服控制回路采用串联校正, 根据不同的跟踪状态切换不同的调节器, 并结合红外脱靶量信息构成完整的双闭环回路。试验显示, 某舰载光电设备红外跟踪状态下, 在未加入本算法时, 跟踪误差的最大值为120″, 加入前馈补偿后, 跟踪误差的最大值为78″, 减小了跟踪误差, 提高了舰载光电设备对抗能力。
舰载光电设备 伺服系统 CA模型最小二乘法 滤波 前馈补偿 shipboard photoelectric device servo system CA model least square method filtering feedforward compensation
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
光电设备因太阳夹角变化、轨道遮挡等原因无法对卫星进行自动跟踪时，需要对卫星轨道进行预测。本文针对利用卫星轨道根数进行轨道预报时难以同时满足实时性和精度要求的问题， 提出了一种新的基于轨道根数的卫星轨道预测方法。分析了卫星轨道的运行规律，根据低轨卫星的运行特点，利用椭圆曲线对卫星轨道进行预测，并对卫星轨道的轨道方程进行了近似处理。通过引入一些冗余变量简化了卫星轨道解算模型，在保证计算实时性的前提下，大大提高了轨道预测精度。实验显示: 采用线性外推方法对卫星轨道进行预测时，预测5 s后，轨道预测的偏差会增大到10″，而采用本文提出的基于轨道根数的卫星轨道预测算法，预测50 s后的最大预测偏差均不超过2″，极大地提高了卫星轨道预测精度，实现了光电设备在无法对卫星进行自动跟踪时，能够对卫星进行"盲跟踪"。
低轨卫星 轨道预测 轨道根数 光电设备 close-orbit satellite orbit prediction orbit element photoelectric device 光学 精密工程
2016, 24(10): 2540
1 中北大学（朔州校区）, 山西 朔州 036000
2 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051
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Si3N4薄膜和SiO2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SiO2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Si3N4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.
光电器件 片上系统 纳米光波导 微环谐振腔 Photoelectric device System on Chip(SoC) Nanophotonic waveguide Microring resonator
随着集成光路复杂度的增加, 需要在不影响系统正常工作的情况下, 在链路内使用光功率监测器对集成光路进行实时监测, 有效地进行器件行为分析。文章综述了硅基光功率监测器的最新研究进展。重点阐述了表面态吸收、双光子吸收、锗吸收以及缺陷态吸收机制下的光功率监测方案以及各自的优缺点, 最后详细讨论了利用缺陷态吸收机制实现光电转换的巨大优势。
硅基光电子器件 光功率监测器 光电探测器 silicon-based photoelectric device optical power monitor photoelectric detector
