电荷耦合器件(CCD)多晶硅交叠区域绝缘介质对成品率和器件可靠性具有重要的影响。将氮化硅和二氧化硅作为CCD多晶硅层间复合绝缘介质, 采用扫描电子显微镜(SEM)和电学测试系统研究了多晶硅层间氮化硅和二氧化硅复合绝缘介质对CCD多晶硅栅间距和多晶硅层间击穿电压的影响。研究结果表明, 多晶硅层间复合绝缘介质中的氮化硅填充了多晶硅热氧化层的微小空隙, 可以明显改善绝缘介质质量。多晶硅层间击穿电压随着氮化硅厚度的增加而增大, 但太厚的氮化硅会导致CCD暗电流明显增大。由于复合绝缘介质质量好, 可以减小CCD多晶硅的氧化厚度。

提出了一种以“双C”形硅纳米天线为基本单元的全介质超表面折射率传感器。介绍了法诺(Fano)共振的原理, 通过建立法诺共振解析模型, 解释了该传感器反射率谱曲线不对称线型形成的物理机制。用电磁仿真软件对介质超表面进行了数值仿真, 仿真结果显示该超表面用作折射率传感器时具有较高的灵敏度、Q因子与FOM值, 分别达到228nm/RIU、1162与243。

设计了二维多位相光栅分光器的位相结构, 并根据周期性位相结构推导出位相光栅的二维分光公式, 使用模拟退火优化算法对二维8×16四位相光栅分光器的位相结构进行了优化设计, 得到了二维分光效率为70.03%、不均匀度仅为4.6×10-4的位相光栅。将优化计算得到的位相分布结果进行拆分, 制作了光刻版, 利用光刻版套刻制作了四位相光栅分光器样品, 并搭建光路对样品的分光性能进行了测试, 结果表明, 多位相结构能显著提高光栅的分束效率和均匀性。

提出一款双层双L形太赫兹非对称传输器件, 其结构单元由典型的金属-介质-金属结构组成, 顶层为轴对称的双L形金属层, 底层为中心对称的双L形金属层。在1.174~1.420THz范围内, 当x极化波正向垂直入射时, 该器件的非对称传输参数大于0.6, 其中在1.207~1.377THz范围内非对称传输参数大于0.8, 在1.334THz时非对称传输参数达到峰值0.859。最后, 讨论了材料的选择和入射角度对器件非对称传输性能的影响。该非对称传输器件具有频带宽、非对称传输明显等特点, 可用于太赫兹二极管、太赫兹开关等功能器件。

陶瓷空封光电耦合器存在高压下的内部气体放电, 分析其放电电流特性有助于器件可靠性研究。提出了基于体电流和气体放电电流的陶瓷空封光电耦合器漏电流模型, 并针对高压下漏电流测试能力不足的现状, 设计了基于悬浮供电的漏电流检测系统, 通过对高压下器件漏电流的测试及对比分析, 实现了对内部气体放电电流特性的定量评估。

基于射频磁控溅射法制备了以非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)作为有源层的底栅顶接触式薄膜场效应晶体管(Thin Film Transistor, TFT), 其长/宽比为300μm/100μm。研究了该器件在无激光和在三种不同波长激光照射下的光敏特性。实验表明, 器件在波长分别为660、450和405nm三种激光照射下的阈值电压Vth分别为4.2、2.5和0V, 均低于无激光时的4.3V, 且器件的阈值电压随激光波长减小单调降低, 此外, 随着激光波长的下降, “明/暗”电流比K由0.54上升到8.06(在VGS=6V且VDS=5V条件下), 光敏响应度R由0.33μA/mW上升到4.88μA/mW, 可见激光波长越短, 可获得更强的光电效应, 光灵敏度也更高, 该效应表明该器件在光电探测等领域具有广阔的应用前景。

针对超辐射发光二极管(Superluminescent Diode, SLD)光源输出光功率稳定性的需求, 用有限元分析方法分析了SLD光源组件内部导体组的分布电容矩阵及电场耦合情况; 通过电场耦合模型研究发现温控电路带来的干扰通过分布电容耦合到恒流回路中, 影响输出光功率的稳定性; 将制冷器接地可减小分布电容, 改进恒温电路的驱动方式可减小交流分量的干扰, 从而减小电场耦合对输出光功率的影响。

基于非对称氧化技术, 引入氧化孔径横向光场损耗各向异性, 使得TE/TM偏振光功率差进一步增加, TM偏振得到有效抑制, 从而实现795nm垂直腔面发射激光器单偏振稳定输出。实验结果显示: 当氧化孔径为7μm×5.5μm时, 不同温度下偏振抑制比均在10dB以上, 最高达到16.56dB; 当氧化孔径为20μm×18μm时, 偏振抑制比也可以达到15.96dB。最终, 得到偏振抑制比为16dB、水平发散角为8.349°、垂直发散角为9.340°的单偏振稳定输出795nm垂直腔面发射激光器(VCSEL), 为实现单偏振高光束质量VCSEL激光光源提供了实验基础。

对GaN器件制备过程中AlN缓冲层相关的电活性缺陷进行了C-V和深能级瞬态谱(DLTS)研究。C-V研究结果表明, 制备态Ni-Au/AlN/Si MIS器件中, 靠近AlN/Si界面处的掺杂浓度为4.4×1017cm-3, 明显高于Si衬底的1.4×1016cm-3, 意味着制备态样品中Al原子已经向衬底硅中扩散。采用退火工艺研究了GaN器件制备过程中的热影响以及热处理前后电活性缺陷在硅衬底中的演变情况, 发现退火处理后, Al原子进一步向衬底硅中更深处扩散, 扩散深度由制备态的500nm左右深入到1μm附近。DLTS研究结果发现, 在Si衬底中与Al原子扩散相关的缺陷为Al-O配合物点缺陷。DLTS脉冲时间扫描表明, 相比于制备态样品, 退火态样品中出现了部分空穴俘获时间常数更大的缺陷, 退火处理造成了点缺陷聚集, 缺陷类型由点缺陷逐渐向扩展态缺陷发展。

基于有限元算法和Maxwell应力张量法, 分析了紧聚焦高斯光束照明下金基底表面的金纳米球所受光力。利用无结构的平整金基底, 被捕获的金纳米颗粒和金基底之间能够产生间隙表面等离激元和局域表面等离激元共振效应, 将电磁场局域在金球与金基底之间的纳米间隙内, 增强了金纳米球所受光力以及光阱刚度。通过研究入射光的偏振态、金纳米球的半径、基底类型以及聚焦光束焦点到基底表面距离对光力的影响, 得到了实现基底附近金纳米球稳定捕获以及获得最大光力的优化方案。

为降低石墨烯(Gr)透明电极与p-GaN之间的肖特基势垒与接触电阻, 进行了将银、金、镍和铂四种金属或氧化镍作为中间层引入它们两者之间的尝试。使用有限元方法模拟研究了Gr与金属或氧化镍的不同厚度组合对LED的光、热和电特性的影响。发现: 透明导电层的透光率和LED芯片的表面温度均随石墨烯和金属或氧化镍厚度的增加而降低; 1.5nm的Ag、Ni、Pt, 1nm Au或1nm的NiOx分别与3层(3L)Gr复合时为优化厚度组合, 其中, 1.5nm Ni/3L Gr为最佳Gr/金属复合透明电极。

以铜为催化剂, 采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和甲烷为碳源的化学气相沉积两步法, 在SiO2/Si衬底上制备了石墨烯薄膜。利用拉曼光谱分析了薄膜的层数和质量, 利用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)分析了薄膜的尺寸与表面形貌。实验探究了生长时间、氢气流量和气体总压强等工艺参数对石墨烯薄膜层数和质量的影响, 最终在优化条件下制得10μm级质量较高的多层石墨烯薄膜。

采用一步法制作了基于 n-i-p结构的钙钛矿太阳电池。为了提高钙钛矿活性层以及TiO2与钙钛矿活性层接触面的质量, 用 MAI、MABr和PbI2溶液对TiO2层进行预处理, 研究了预处理对电池性能的影响。结果显示对TiO2进行预处理能够改善钙钛矿活性层薄膜的质量并提升钙钛矿太阳电池的性能。通过溶液预处理, 太阳电池的能量转换效率和器件稳定性有显著提高, 同时滞后效应明显减弱。

采用射频磁控溅射加硒化的两步法在超白玻璃衬底上生长SnSe2薄膜, 采用XRD、光学透过谱、Raman光谱、XPS和SEM等方法对薄膜进行性能表征。通过设置不同的硒化温度, 研究不同硒化温度对所得薄膜相结构、物相与组分、表面形貌等性能的影响。结果表明: 350℃, 40min硒化所得薄膜为片状晶粒, 光学带隙为1.46eV, 相结构和均匀性等性能在该硒化条件下均为最佳。

为提高GaN基发光二极管(LED)的发光强度, 制备TiO2/Al2O3分布式布拉格反射器(DBR)来提高其外量子效率是一种有效的方法。原子层沉积(ALD)法所制备的薄膜具有良好的均匀性, 适合用来制备反射器材料。同时, TiN薄膜具有良好的类金属性质, 且与TiO2之间具有良好的粘附性, 因此在DBR基础上再采用TiN反射层可以将反射率进一步提高。Matlab软件模拟结果表明, 3~6周期厚的DBR, 其反射率随厚度增加而提高。其中6周期DBR的反射率为95%, 加上TiN薄膜后反射率可以得到进一步提高。实验结果与模拟结果吻合, 6周期DBR+TiN结构的反射率达到99%。给带有该结构的LED注入50mA电流时, LED光输出功率(LOP)相对没有该结构的器件提升了约68.3%。

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理, 研究了不同掺杂浓度下钼(Mo)掺杂SnO2的能带结构、电导率、吸收和反射率。建立了MoxSn1-xO2的三种掺杂模型(x=0.0625, 0.125, 0.1875), 掺杂体系具有高电导率、高载流子密度和宽带隙的n型金属特征。随着掺杂浓度的增加, 掺杂体系的带隙增加,电导率降低。Mo掺杂后, 可见光区域的高透射性得以保留。特别地, 在x=0.0625时实现了Mo掺杂SnO2的最佳电导率和光学性能。

图像特征匹配是视觉里程计的重要环节, 针对视觉图像序列特征点匹配中存在的匹配精度低问题, 提出一种融合金字塔特征光流与角点特征的精确快速图像特征匹配算法。算法首先利用ORB(二进制定向简单描述符)算法快速提取图像特征点, 然后融合金字塔Lucas-Kanade特征光流的追踪特性, 使用局部特征窗口计算图像特征点位移矢量。接着针对图像特征的匹配对齐问题以及特征丢失问题, 算法采用K最近邻半径搜索作为特征滤波器移除混淆的匹配, 最后使用RANSAC(Random Sample Consensus)算法剔除冗余误匹配点对, 提高匹配率。通过多组实验数据对比, 该算法的图像特征匹配率可达到98%。对比传统的ORB特征匹配算法, 该算法在实时性和图像特征匹配精度上均有显著提高。

报道了一种可实现入瞳位置不变的超广角扫频光相干层析成像(OCT)系统,对成像系统的样品臂进行了建模和光学仿真, 证实其可行性和有效性。设计并展示了一个超广角OCT成像系统, 在仅改变振镜位置及透镜间距的情况下, 实现了超过40°的眼底单次超大角度扫描, 单次横向扫描范围覆盖眼底I区, 有效增加了OCT单次扫描的成像范围。

针对激光器产生的相位噪声会严重影响相干光正交频分复用(CO-OFDM)系统的性能问题, 提出了一种新颖容积卡尔曼滤波(CKF)相位噪声补偿算法。该算法利用导频信息, 先通过扩展卡尔曼滤波(EKF)和线性插值算法补偿公共相位误差(CPE)噪声, 然后对相位噪声粗补偿后的信号进行预判决, 在时域对预判决后的信号进行次符号处理的CKF实现对载波间干扰(ICI)相位噪声的精细补偿。对补偿后的信号进行二次迭代, 从而提高补偿效果。分析和仿真表明: 提出的新颖CKF算法能有效补偿相位噪声对信号的影响, 在相位噪声线宽较大时能有效增强对ICI相位噪声的补偿效果, 改善CO-OFDM系统对激光器线宽的容忍度, 有效提高系统的性能。

传统基于深度学习的语义分割方法使用的损失函数为交叉熵, 而交叉熵并不能解决训练数据中的样本非均衡性问题。语义分割任务属于像素级分类, 样本的非均衡性问题在其中体现得十分突出。文章提出了一种改进的Focal Loss作为损失函数来自动解决训练样本的非均衡性。该损失函数等同于在标准交叉熵上加上一个权重, 该权重能够自动增加困难样本的交叉熵损失值, 同时保持简单样本的交叉熵损失值。将Focal Loss作为DeepLabv3+的损失函数, 并将DeepLabv3+的Backbone替换为ResNet-18, 再使用Cityscapes数据集作为训练样本, 分别使用交叉熵和Focal Loss作为损失函数来对模型进行训练。实验结果表明, 改进的Focal Loss损失函数相比于交叉熵获得的语义分割精度更高, 且能够有效缓解训练样本的非均衡性问题。

提出一种脉冲位置调制光标记(PPM)与正交幅度调制(QAM)净荷相结合的光标记交换系统。利用仿真对携带40Gbit/s 16QAM净荷和2.5Gbit/s 2PPM标记的系统传输特性进行验证。通过优化系统频率间隔, 得到BER=10-9时, 标记和净荷的接收灵敏度与光信噪比(OSNR)分别为-28.51dBm/13.65dB和-22.03dBm/15.02dB。经96km光纤传输后, 传输代价均未超过1.5dB。结果证明: 16QAM/2PPM光标记交换系统具备良好的传输特性。

复杂背景下的红外图像往往由于噪声较多、背景区域重叠、目标与背景对比度较差等因素, 在对目标区域分割时会造成过分割或欠分割。针对此现象, 提出了一种将全卷积神经网络和动态自适应区域生长法相结合的红外分割算法。首先利用全卷积神经网络对目标区域在像素级别进行特征提取, 通过神经网络强大的自学习能力获得目标区域的粗分割结果; 然后根据粗分割结果, 对其取外接最小面积矩形框, 并根据矩形框位置在原始图像上确定目标区域, 并以此矩形区域进行动态自适应区域生长, 形成第二次分割结果。最后融合全卷积网络(FCN)的粗分割结果和区域生长分割结果, 实现目标区域的最终分割和提取。仿真实验表明, 该方法能有效利用FCN对红外图像复杂背景的消除能力, 而区域生长法对分割细节的敏感也同时弥补了FCN分割精度的不足, 取得了较好的分割效果。

针对工作在盖革模式下的硅基雪崩光电二极管(APD)进行了接收电路的设计, 通过主动淬灭加快恢复的方式, 对APD偏压进行调控, 利用单稳态触发器使淬灭信号和恢复信号独立控制APD阳极的电压, 从而同时控制淬灭时间和恢复时间, 将死时间缩短至100.5ns, 计数频率提升到10MHz, 有效减少了后脉冲效应。采用脉冲甄别技术和单片机, 对脉冲信号进行计数, 通过对可见盲光子计数和暗计数的甄别, 实现对微弱紫外信号的检测, 为盖革模式下APD紫外通信奠定了基础。

对温室气体进行全球范围的高精度监测, 获取高可靠有效数据, 是实现对温室气体排放进行监控的基础。为了实现温室气体的亚纳米高光谱分辨率光谱探测, 需要保证高光谱温室气体监测仪探测系统具有高信噪比。围绕仪器信号链路的关键模块——InGaAs面阵探测器的信息获取与处理模块, 开展了微弱光谱信号低噪声信息获取和处理技术的研究。设计了微弱光谱信号低噪声信息获取和处理系统, 并深入研究了影响光谱探测系统噪声的重要因素。通过构建谱段信噪比模型, 并采用小带宽运放电路和AD多次采样方法降低电路噪声, 系统在1.61μm谱段0.07nm光谱分辨率下, 典型能量值为1.91W/(μm·m2·sr), 信噪比(SNR)达340。实验结果表明, 系统噪声均方差(RMS)值为8.1LSB, 优于10LSB(4.9mV噪声), 实现了高光谱温室气体监测仪对亚纳米微弱光谱信号探测的高信噪比需求。该低噪声信号获取与处理技术为InGaAs面阵探测器在温室气体监测应用领域的微弱光谱信号探测打下了基础。

为了改善光纤通信系统故障诊断效果, 设计了一种基于模式识别的光纤通信系统故障诊断模型。首先提取光纤通信系统故障诊断的特征向量, 然后采用模式识别技术中的最小二乘支持向量机构建光纤通信系统故障诊断分类器, 最后采用具体光纤通信系统故障诊断实例对模型性能进行测试。结果表明, 设计模型的光纤通信系统故障诊断率超过90%, 诊断效率较传统系统改善明显, 且故障误诊率明显低于对比模型。

提出了一种新型的基于16倍频前馈调制(FFM)技术的160GHz光生毫米波方法。以两个频率相互锁定、间隔为100GHz的激光器为光源, 通过两级前馈调制和三级光学交织选择, 产生160GHz间隔的二相相关光学边。通过高速光电探测, 实现低相位噪声的毫米波信号产生。建立了相应的理论模型, 并进行了仿真分析。理论结果表明, 该方法可以有效降低系统误码率, 提高系统效率。同时, 由于该方法结构简单、成本较低, 对光载射频通信系统具有重要应用价值。

实时光谱识别是目前干涉式成像光谱仪领域研究的热点问题之一, 其难点在于复原光谱数据量大及对识别算法的实时性要求高。基于FPGA器件设计了一种基于光谱角匹配(SAM)算法的干涉式成像光谱仪多通道实时光谱识别系统。该系统将多个不同的参考光谱分别存储在其对应通道的存储器中, 根据SAM算法实时计算输入光谱与各通道参考光谱之间的光谱角, 通过对各通道输出的光谱角进行比较而实现光谱的实时识别。仿真结果表明, 系统在Xilinx芯片XC7A100TFGG484-2上对复原光谱进行实时有效识别的运行频率可达100MHz。系统以流水线方式运行, 具有速度快、体积小、便于升级等优点, 为干涉式成像光谱仪实时光谱识别的工程实现提供了一种有效的技术途径。

提出一种基于可见光通信的BP神经网络室内定位算法, 首先通过MDS-MAP算法和最小二乘法获得全网节点的相对坐标, 再利用信源节点的坐标信息得到网络内所有节点的绝对坐标, 最后通过单隐层BP神经网络优化定位结果。仿真结果表明, 该算法比MDS-MAP算法和MDS-MAP(P)算法的相对定位误差小, 应用于室内定位可以得到更高的定位精度。

研究了利用数字微镜器件生成 Hadamard光调制编码模板的方法, 深入分析了利用该编码模板进行光调制的工作原理及设计中应注意的技术细节。采用原型样机光谱仪对入射激光进行编码成像实验, 光谱反演后提取图像上样本区域内少量像素点的光谱曲线, 发现其光谱峰值恰好在激光波长所在的光谱通道内, 反演后的图像中只有激光波长所在光谱通道的光谱图像有能量分布。实验结果表明运用数字微镜设计的Hadamard编码模板达到了理想的空间光调制效果。