论述了太阳能光化学利用的主要方式, 即光电化学利用、光分解利用、光合作用和光敏化学利用。阐明了这几种利用方式的基本原理、过程和实际应用。重点评述了具有潜在实用价值的光电化学及光分解利用, 指出了其优缺点, 并对发展趋势做了展望。

针对基本遗传算法中的早熟问题和因种内竞争而带来的“封闭竞争”问题, 提出了一种改进的遗传算法。该算法增加了群体多样性, 引入了相似度概念, 并应用于种间竞争。其收敛性分析表明: 与基本遗传算法相比, 该算法收敛于全局最优解的概率为1, 具有更好的收敛性。并且仿真分析表明: 该改进遗传算法与基本遗传算法相比, 在BTC译码上改善了约0.4dB的净编码增益。因而所提出的改进遗传算法在译码性能上具有更好的优越性, 更适用于FEC译码技术。

基于白光发光二极管(LED)能够被高速调制的特性, 制作了室内半导体照明的可见光音频通信系统。针对可见光音频系统涉及较大数据量传输的场景, 在原有的半导体照明平衡编码技术基础上, 提出了一种改良型的稳定照明编码方式, 在保证输出连续、稳定0-1数据码流的同时, 将编码效率提高了10%以上, 减小了传输时长, 降低了编码冗余度。

分析了光网络中大功率信号引起的带内串扰攻击, 攻击信号功率和光开光串扰系数是带内串扰攻击对用户信号质量产生破坏影响的主要因素。在VPI仿真软件中搭建实验系统, 以误码率为评价指标, 定量研究了带内串扰攻击对用户信号质量的影响及其攻击传播能力。结果表明, 当光开关串扰系数为-20dB、初始攻击信号功率高于用户信号功率20dB以上时, 在OXC1处, 经过第一级和第二级光开关的用户信号会受到攻击影响, 经过第三级光开关的用户信号几乎不受攻击影响。带内串扰攻击具有一定的攻击传播能力, 当初始攻击信号功率高于用户信号功率27dB、光开光串扰系数为-20dB时, 初始攻击信号的攻击能力可传播至OXC3, 同时, 二阶攻击信号基本不具备攻击传播能力。

针对建立在快速傅里叶变换(FFT)的基础上只在频域之中作变换的传统MIMO-TDCS, 抗线性调频干扰(LFM)信号能力弱, 无法对其有效地应对和剔除等问题, 引入分数阶傅里叶变换(FRFT)。首先对电磁环境采样并估计出LFM干扰信号的各个参数, 然后作相应阶次的分数阶傅里叶变换, 在FRFT域内剔除干扰并生成相应的MIMO-TDCS基函数, 从而达到收发两端联合主动躲避LFM干扰的目的。仿真结果表明, 利用FRFT对信号良好的能量聚焦特性将线性调频干扰平稳化处理, 能够有效地躲避LFM干扰的影响, 为MIMO-TDCS抗非平稳干扰开辟了一条新思路。

半导体光调制器波导的输出模斑通常是直径为2~3μm的椭圆形, 与光纤进行耦合时会因模斑不匹配而产生严重的耦合损耗, 并影响对准容差。为降低光纤与调制器波导的耦合损耗, 同时改善对准容差, 设计了两种应用于光调制器中的模斑变换器(Spot-size Converter), 通过仿真对其传输损耗和模场耦合效率进行了比较, 其中采用混合结构的模斑变换器具有更优的性能。

采用光纤延时线技术架构了2.5Gb/s光码分多址-无源光网络(OCDMA-PON)系统, 仿真研究了BCH编码对系统性能的影响。模拟了多用户随机接入的情形, 仿真结果表明该OCDMA-PON系统实现了正确的解码, 通信效果良好。BCH码能够显著降低系统误码率,并有效地降低系统对发送光功率的要求。

机载激光通信系统中视轴的稳定性决定了通信质量的高低, 该过程是一个典型的非线性问题。为保证通信链路的建立与稳定, 提出一种模糊变结构控制方法。借助变结构思想将模型线性化处理, 并用模糊算法来确定切换增益的取值, 以削弱抖振。该方法响应迅速且易于实现。仿真结果表明, 该方法对机载环境下的激光通信终端所受到的扰动与系统参数摄动具有很好的抑制作用, 能够实现视轴的快速稳定跟踪。

针对无源光网络(PON)的传统监测方案存在的成本高、系统复杂, 以及无法实现在线监测等问题, 提出了一种改进的基于调频连续波的PON网络监测方案。采用VIP和Matlab协同仿真, 研究了该方案对业务通信性能的影响, 结果表明: 调频连续波频率变化基本对下行业务信号无影响, 调制指数越高对下行业务信号的影响越大, 如果调制指数控制在0.05以内, 则可忽略其对下行业务信号的影响。

为解决反射式全光纤电流传感器中引入全反射镜而产生的反射损耗及与光纤匹配困难等问题, 设计了一种利用非线性光环路镜作为反射元件的全光纤电流传感器, 推导出了光偏振态的斯托克斯矢量与电流的关系式, 提出了高速偏振态检测方法。在加载0～200A的50Hz工频交流电的条件下进行了实验, 测试结果与理论预测吻合, 显示出了较高的测量精确性, 证明了该传感结构与实验方案的可行性。

针对传统匹配算法对旋转和扭曲图像匹配效果不佳的问题, 提出一种基于蛋白点区域SIFT(Sale Invariant Feature Transform)特征的凝胶图像间蛋白点匹配算法。首先, 提取蛋白点区域SIFT特征; 然后, 根据SIFT特征实现蛋白点粗匹配, 并采用RANSAC(Random Sample Consensu)方法剔除误匹配特征点; 最后, 通过计算粗匹配点集之间的TPS(Thin Plate Spline)变换关系, 采用几何相关法完成蛋白点间的精匹配。通过对国际凝胶图和Bio-Rad公司测试图等不同图源的凝胶图像进行蛋白点匹配实验, 结果表明, 该算法具有较高的匹配精度, 其匹配误差小于2.2% , 对旋转和扭曲图像同样具有良好的鲁棒性。

搭建了室内可见光定位系统, 实验上探索了接收信号强度比定位算法的可行性。通过控制多个LED光源在不同时隙的亮暗, 分别传输直流与正弦信号, 使用照度计及光电探测器测试接收信号强度, 对接收机位置进行了估计。其中使用直流信号时, 在与光源所在平面相距59cm的接收平面内, 得到最大误差为2.05cm、平均误差为8.64mm的定位精度; 使用正弦信号时, 在与光源平面相距30cm的接收平面内, 得到最大误差为1.09cm、平均误差为5.6mm的定位精度, 并且使用交流信号时实验结果不受环境杂散光的干扰。

各种改进的分水岭变换是目前应用最广的二维凝胶电泳(2DGE)图像蛋白质点分割算法。其中标记控制分水岭分割效果较好, 但由于忽略了蛋白质点大小和形状, 导致外标记落在部分蛋白质点区域内而无法正确分割。针对该问题, 提出一种结合2DGE先验的分水岭分割方法。首先, 根据2DGE图像蛋白质点中心灰度极小先验提取中心标记, 并通过中心标记膨胀提取距离标记; 然后, 根据2DGE图像背景灰度极大先验, 在距离标记划分的区块内提取原始2DGE图的局部自然分区标记, 并对二者进行融合优化, 获得最佳背景标记; 最后在梯度图像各区块内进行分水岭变换, 提取蛋白质点边缘。通过对四组真实扫描2DGE图像进行实验, 结果表明, 该方法明显改善了蛋白质点边缘检测正确率。

为了实现对复杂物体三维外形的快速测量目的, 首先设计了一套基于结构光的高速测量系统, 该系统主要由高速投影模块和图像采集模块组成; 然后采用一种基于绝对相位的编码和解码方法, 实现绝对相位的测量, 从而解决了复杂形体的三维测量过程中的二义性问题。最后, 对所给系统进行了三维测量的实验验证, 证明该系统精度可达到0.11mm, 实验结果表明系统的精度和速度适合高速三维测量。

针对现有改进的Camshift手势跟踪算法没有考虑光照变化影响下的鲁棒性, 进而降低了动态手势的识别率, 提出一种基于深度预分割结合Camshift跟踪算法的动态手势识别法。通过在Camshift手势跟踪的基础上引入深度信息, 对手势搜索区域进行深度预分割, 改进手势目标匹配概率, 去除非手势肤色区域及光照变化的影响, 最后用隐马尔可夫模型(HMM)进行识别。实验结果表明, 提出的方法在光照变化及肤色干扰的环境下有很好的鲁棒性, 数字0~9的平均识别率可达97.7%。

分别设计制备了基于石英衬底和硅衬底的16通道200GHz二氧化硅可调复用器/解复用器。该器件由一个16通道200GHz的阵列波导光栅(AWG)和Mach-Zehnder干涉型热光可调光衰减器(VOA)阵列构成。在衰减量达到20dB的时候, 基于石英衬底的器件的外加偏压和功耗分别是11.7V和110mW; 而基于硅衬底的器件的外加偏压和功耗分别是22V和380mW。分析了基于不同衬底的器件性能出现差别的原因, 并设计了新的结构, 提高了器件性能。

针对传统的Mean-shift运动目标跟踪算法中目标与背景颜色相近时, 算法稳健性下降, 且在高速运动目标跟踪应用中, 如果目标下一位置超过Mean-shift适用的邻域范围时, 算法失效的问题, 提出了一种改进的运动目标跟踪算法。该算法融合了LBP(局部二值模式)纹理特征, 建立色彩-纹理联合直方图用于搜索跟踪; 同时该算法引入了卡尔曼滤波预测机制, 提前对目标的位置进行预测, 将搜索范围收敛到特定的区域内, 以保证Mean-shift算法的有效性。实验结果表明该算法相对传统的Mean-shift跟踪算法, 效果有明显改进。

为了解决传统扰动观察法稳态控制精度低、动态跟踪性能差和误判现象的问题, 提出了一种基于滞环比较的自适应扰动观察法, 通过滞环比较法进行双向扰动解决由于功率突变导致的误判问题。根据功率的变化通过一个PI控制器自动调节扰动步长的大小, 保证稳态跟踪精度的同时, 有足够快的响应速度。在MATLAB中建立了基于Boost电路的仿真模型, 编写了基于滞环比较法的自适应扰动观察法的S函数。通过仿真验证了新策略的有效性和正确性。

利用Matlab对光纤表面等离子共振(SPR)传感器进行仿真, 得知选用纤芯直径为400μm或600μm的石英光纤作为SPR传感器具有良好的折射率检测特性。实验选用宽带光源作为入射光, 在波长550~800nm范围内, 应用Matlab仿真分析了不同折射率样品的共振波长与透射率的关系, 与实验数据对比表明, 仿真结果与实验结果相一致。

目标快速运动及舰载平台姿态变化使得舰载光电跟踪系统形成较大的跟踪误差。为了减小该误差, 提出了一种基于前馈控制的补偿方案。该方案利用坐标变换给出了由船摇和目标运动引起的跟踪扰动量, 并通过滤波求取该扰动量的一阶导数, 以此作为跟踪系统的前馈量加入系统中, 达到对扰动进行补偿的效果。仿真结果显示, 系统的跟踪精度提高了一个数量级。

采用ICPCVD-SiNx薄膜对GaN/AlGaN基紫外探测器进行钝化, 从薄膜绝缘特性、钝化效果两方面, 对ICPCVD-SiNx、磁控溅射-SiOx、PECVD-SiOx和PECVD-SiNx四种钝化膜进行对比。制作了钝化膜/GaN MIS器件, 通过测试MIS器件漏电流密度和薄膜击穿电场的大小表征薄膜绝缘性能, 结果表明ICPCVD-SiNx对应的MIS器件的漏电特性最好, 外加偏压为100V时, 其漏电流密度保持在1×10-7A/cm2以下, 薄膜击穿电场大于3.3MV/cm。采用不同钝化方法制作了p-i-n型AlGaN基紫外探测器, 通过计算钝化前后器件暗电流的变化, 表征不同钝化方法的钝化效果。结果表明ICPCVD-SiNx钝化的器件, 其暗电流比其他钝化方法的器件小近两个数量级, 在-5V偏压下暗电流密度为7.52A/cm2。

通过对半导体激光器辐射效应的分析, 得到了器件在空间环境中的损伤规律和退火规律。根据辐射效应的特点, 将器件的性能退化表示为泊松过程与指数过程的结合, 建立了基于马尔科夫过程的可靠性模型, 利用一步概率转移矩阵获得了故障概率分布函数、可靠度函数以及平均故障前时间的计算方式。根据已有数据, 对半导体激光器在空间辐射环境中的性能退化过程进行了仿真, 得到了总测试时间为100000h时器件的故障概率分布曲线, 计算得出平均故障前时间约为42758.9h, 此时器件可靠度为0.451。分析了不同时间条件下器件的状态概率分布律, 结果符合器件性能退化的一般规律, 能够描述出器件的失效过程。

为了实现高光效、高显色性且色温可调的白光LED, 对四种单基色蓝、绿、黄、红光LED的混光进行了研究。基于Yoshi-单色光模型和光的叠加原理, 通过改变四种LED芯片的组合方式(峰值波长、相对光功率配比), 对不同色温区的混合白光的显色指数(Ra)、色品质数(Qa)和光视效能(K)进行了仿真计算和光谱优化选择。结果表明: 在2700~6500K色温范围内, 峰值波长为445nm, 500nm, 560nm, 620nm的组合可以得到高Ra值和高Qa值; 峰值波长为445nm, 535nm, 590nm, 615nm的组合可以得到较高K值。此外还分析了组合白光LED光谱参数对Ra、Qa、K及相关色温的影响。

基于硅的等离子色散效应, 构建了SOI基光波导可调光衰减器(VOA)仿真模型, 对SOI基亚微米脊形波导结构的模式特性、VOA器件的掺杂区间距、掺杂深度及浓度对VOA特性的影响进行了系统的模拟分析, 优化设计出了小尺寸、低损耗的VOA器件, 仿真结果表明: 该器件在2.1V电压下即可获得30dB衰减量, 功耗仅为14mW。

模拟了垂直腔面发射激光器(VCSEL)的反射谱和量子阱增益谱, 采用金属有机物化学气相沉积设备外延生长了980nm的垂直腔面发射激光器, 制作了氧化孔径为14μm的内腔式氧化限制型VCSEL器件, 其阈值电流为3.3mA, 阈值电压为1.8V, 斜率效率为0.387W/A, 室温直流电流为22.8mA时, 输出光功率为5mW。

针对InGaN/GaN多量子阱LED, 分析了占据能态高于势垒的载流子和低于势垒的载流子参与的电流输运机制, 从而推导出对应能态电流输运机制下的电流-电压关系, 以及理想因子与温度的变化规律。实验结果证实, 在低注入强度下, 由材料缺陷引入的深能级辅助隧穿输运机制占主导, 电流电压特性符合相应的推导结果, 随着注入强度的增大, 参与扩散-复合输运机制的载流子逐渐增加, 温度对输运机制的影响逐渐增大。

通过对AlGaInP LED器件进行电流分布模拟, 得出电流扩展长度与注入电流和电流扩展层方块电阻之间的变化关系。实验制备出带有Au纳米颗粒的碳纳米管(Au-CNT)作为电流扩展层的LED器件, 20mA电流下, 测得其光功率比无扩展层器件提升了33%。模拟结果与实验结果具有较好的一致性, 说明带有Au纳米颗粒的碳纳米管透明导电层可以起到增强电流扩展作用, 有效提高器件光功率。

研究了一种用于颅内压测量的膜片式光纤法布里-珀罗压力传感器。外玻璃管和用于光纤准直的内玻璃管采用UV胶粘接, 构成空气腔。在空气腔的一端粘接石英膜片, 另一端插入多模光纤, 石英膜片和光纤端面的两个反射面构成法珀干涉腔。制作了两种不同尺寸的传感器, 在0~25kPa的压力测量范围内, 灵敏度高达39.2nm/kPa, 压强测量分辨率为133Pa, 线性拟合度为99.9%, 具备生物兼容性, 满足人体颅内压测量的需求。与商用的颅内压测量传感器相比, 该传感器制作方法简单、成本低廉。

PIN光探测器是光纤通信系统和网络中的关键器件。量子效率和响应带宽是衡量光探测器性能的重要指标, 并且这两个参数都与器件的吸收层密切相关。为了提高光探测器的性能, 提出了一种新型双吸收层光探测器(即PINIP结构), 利用侧腐蚀工艺减小双吸收层光探测器吸收层的结面积。对其性能进行了理论研究, 结果表明该器件的量子效率达到了93%, 同时响应带宽达到了26GHz, 比传统结构的双吸收层光探测器提高了44%。

采用溶胶-凝胶法(Sol-Gel)制备了以n型Si为栅极、二氧化锡(SnO2)薄膜为沟道层、(Bi,Nd)4Ti3O12(BNT)薄膜为绝缘层的薄膜晶体管。晶体管呈现出n沟道增强型性能, 其开态电流Ion=25μA, 场效应迁移率μsat=0.3cm2·V-1·s-1。BNT铁电薄膜的自发极化以及载流子与极化的耦合作用是晶体管具有较大开态电流和较高场效应迁移率的主要原因。

采用表面光电压技术研究了低压化学气相淀积(LPCVD)法氮化硅淀积工艺的Fe离子沾污。研究表明, 在氮化硅淀积工艺中, NH3和SiH2Cl2气体是Fe离子沾污的主要来源。通过对氮气进一步纯化处理、提高NH3和SiH2Cl2气体纯度和更换传输气体的金属管路等措施, 氧化工艺Fe离子沾污减少了一个数量级。

室温下, 采用脉冲直流反应磁控溅射技术在玻璃衬底上制备了氧化钒薄膜。研究了脉冲调制功率占空比对薄膜物相、表面形貌、组分和热敏电学性能的影响。X射线衍射测试结果表明在室温及不同占空比下生长的氧化钒薄膜均为非晶结构; 原子力显微镜表面形貌测试表明降低占空比可以得到更加光滑的薄膜表面; X射线光电子能谱测试表明降低占空比能够在反应溅射气氛不变的情况下促进钒的氧化; 对薄膜的热敏电学特性测试发现, 在293~368K, 小极化子跳跃是脉冲反应磁控溅射氧化钒薄膜中主要的导电机制。

介绍了横向PIN二极管及其在硅基等离子天线方面的应用, 用一维理论分析了载流子大注入情况下横向PIN二极管本征区载流子浓度分布。对横向PIN二极管进行了物理建模, 仿真分析了本征区长度、二氧化硅埋层、电极长度、结区掺杂浓度及表面电荷对横向PIN二极管本征区载流子浓度的影响, 总结了横向PIN二极管的一般设计规则。

针对电化学湿法刻蚀硅微加工需求, 基于LabVIEW软件开发平台, 利用上位机、可编程直流稳压电源PSM-6003、低温控制和LED光辐照等设备搭建了一种新型可编程电化学湿法刻蚀装置。其中基于LabVIEW的PSM-6003上位机控制软件, 可以通过图形界面对系统各种参数实时设置, 例如刻蚀电压幅值、刻蚀脉冲频率和占空比、刻蚀电流和刻蚀时间以及刻蚀系统的辅助光照和环境温度等, 系统各参数监控和动作执行主要利用美国NI公司PCI-6221数据卡实现。该系统成本低、操作简便、可模块化安装, 对促进实验室电化学湿法刻蚀微加工设备的研制有重要借鉴意义。

采用原子层沉积(ALD)方法, 分别以VO(OC3H7)3和H2O2为钒源和氧源, 在载玻片基底上沉积钒氧化物薄膜; 在还原气氛的管式炉中, 对钒氧化物薄膜进行还原退火结晶, 进而得到VO2薄膜晶体。通过扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)及X-射线光电子能谱(XPS)研究所制备的钒氧化物薄膜表面形貌、晶体结构以及组分的变化; 利用傅里叶红外光谱(FT-IR )对VO2薄膜的红外透射性进行测试分析。结果表明: ALD所制备的薄膜以非晶态V2O5、VO2和V2O3为主; 在通以还原气氛(95%Ar, 5%H2)并500℃热处理2h后得到以(011)择优取向的单斜金红石纳米VO2薄膜, VO2晶体薄膜相变前后红外透过率突变量较大。

通过将氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)与十二烷基苯磺酸钠(Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate, SDBS)作为填料混入聚3,4-乙撑二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸 (PEDOT∶PSS) 溶液中制备了高透光率和低方块电阻的透明导电薄膜。当氧化石墨烯与PEDOT∶PSS质量比为0.02%时, 薄膜获得了最佳的导电率, 电阻为85Ω/□, 在550nm的光波长下透光率为87%。采用不同掺杂比例的薄膜作为电极制备了有机发光二极管 (OLED) 器件, 相比于常用的ITO电极, 复合薄膜作为阳极更有利于空穴的注入和传输, 所制备的器件能够得到更优的性能。这些结果表明 PEDOT∶PSS和氧化石墨烯复合电极有望取代柔性OLED器件中的ITO阳极。

针对某型CCD图像传感器划片过程中产生的静电损伤、崩边等缺陷造成器件失效, 通过优化划片工艺条件, 避免了静电损伤, 减少了崩边缺陷, 封装的成品率由48%提高至96%。

基于聚合物绝缘材料和半导体材料, 采用溶液法旋涂工艺制作了有机薄膜晶体管(OTFT), 通过不同方法制备有机半导体层、栅极和漏极, 以提高有机薄膜晶体管的器件性能。结果表明, 有机半导体层是否图形化以及不同金属电极的制备工艺对器件的接触电阻影响明显。有机半导体层图形化后, 器件的开关比有较大的提升。采用lift-off工艺, 先在聚合物绝缘层材料上对光刻胶图形化, 然后利用真空蒸镀法将金属电极蒸镀到绝缘层材料上, 最后将器件浸泡在70℃的NMP溶液中约30min, 接触电阻约为4.8×107Ω; 采用湿刻工艺对蒸镀在绝缘层材料上的金属电极进行处理, 接触电阻有明显的下降, 约为3.6×106Ω。

简述了ANSYS有限元瞬态热分析方法的基本原理和步骤, 推导了瞬态传导辐射微分方程, 利用此有限元方法对基于有源像元传感器的探测芯片在轨运行期间温度场进行了计算, 得出了详细的温度变化和分布云图情况, 研究了不同辐射率的空间辐射对芯片温度分布的影响, 比较了芯片在不同辐射率的空间辐射和无空间辐射时的温度分布情况, 并绘制了最值温度节点的时间温度曲线, 研究结果为相关芯片热设计提供了重要的理论依据。

围绕正交频分复用-无源光网络(OFDM-PON)系统中非线性损伤的补偿问题开展研究。使用VOLTERRA模型对非线性补偿器进行辨识, 利用差异因子并结合QR分解, 推导出修正向量的解析表达式, 提出模型核向量的自适应修正方法, 形成正交频分复用-无源光网络系统中非线性损伤的补偿算法。仿真结果表明, 所提出的方法可使系统误比特率提升1%~3%, 在系统比特率为130Gb/s时, 系统误比特率可保持在1%左右。