FOE 2021年第四期文章目录

  半导体光电子光纤技术近年来由于制造和后处理技术的进步而得到了迅速发展。将半导体材料的光学和电子功能集成到光纤几何结构中开辟了许多可能性，例如光纤中的频率产生、信号调制、光电探测和太阳能收集。本文综述了半导体光电子光纤的发展现状，包括半导体光电子光纤的制备和后处理方法、材料及其光学性能，并讨论在非线性光学、光电转换、激光器和多材料功能光纤等方面的应用。

  光阱慢慢的变成了固定和操纵三维小粒子的有力工具。基于光纤的光阱（FOT）利用单个或多个光纤构建陷阱中心，大大简化了光学装置。此外，它们继承了光纤系统的灵活性和鲁棒性。然而，使用FOT捕获直径为10nm的纳米颗粒（NP）仍然具有挑战性。在这项研究中，我们建立了一个工作在光频段、支持类横向电磁（TEM）模式的同轴波导模型，用于NP捕获。波导前端的单个NP破坏了类TEM导模的对称性，并导致远场的高传输效率，从而强烈改变了光动量，并对粒子产生了大的反向作用。我们通过时域有限差分（FDTD）模拟，证明了该FOT可以在低功率下捕获单个直径为10 nm的NP。

  空心抗共振光纤（HC-ARF）以其低延迟、宽传输带宽、大模场面积等优点成为近十年来的研究热点。本文提出了一种具有阶跃折射率包层的空芯阶跃折射率抗共振光纤（HC-SARF），并用数值方法证明了其具有降低损耗和改善弯曲的优点。该光纤在包层空气孔中引入了具有高（n=1.45）、低（低至n=1.36）折射率层的玻璃毛细管。利用有限元方法对设计的光纤进行了数值分析，根据结果得出，在980和1064nm波长下，与传统的均匀包层HC-ARF相比，模场限制损耗降低了约6dB/km。这种光纤的弯曲半径约为15 cm，弯曲损耗也降低了2 dB/km。进一步研究了该光纤包层空气孔半径，以优化模场限制损耗和单模传输模式下的模场直径。这种HC-SARF在光纤传输和高能光场传送方面具有巨大的潜力。

  新一代数据中心内部/之间的相干互连目前缺乏减少相关成本和功耗的明确途径，而成本和功耗是这一些数据链路发展的驱动因素。在这项工作中，我们讨论和评估了从相干C波段转变到O波段时硅光子学中需要权衡的问题。讨论内容有相干数据链路的基本组成部分，即光学元件、光纤链路和收发器。对这些链路的主要组成部分单片硅光子BiCMOS O波段相干接收机的性能进行了评估，并与类似的C波段器件进行了比较。

  本文报道了一种基于可重构微环谐振器耦合马赫-曾德尔干涉仪产生不同阶次超宽带（UWB）脉冲的硅基集成器件。在适当的工作条件下，该器件可以产生峰谷消光比大于20dB的Fano共振。当微环谐振器分别被方形和高斯电脉冲调制时，产生了皮秒脉冲宽度的超宽带monocycle和doublet信号。利用我们的硅光子学Fano共振调制器，有望实现多功能片上微波信号产生。

  为了证明光学系统中宇称时间对称（PT对称）破缺奇点的存在，我们设计了一种一维PT对称结构，这中间还包括N个单元，每个单元中损耗和增益材料各占一半。基于麦克斯韦方程，我们推导了该结构的透射率和反射率。我们得知，在结构单元数和折射率虚部取某一确定值的情况下，透射率和反射率都接近无穷大。在本研究中这一严格条件称为奇点。在奇点位置，透射和反射都是方向无关的。离开奇点，透射率和反射率变为有限。根据经典波动光学，单个单元和整个结构都可以看做共振单元。无限的透射率和反射率是单个单元和整体结构共振匹配的结果。根据量子理论，奇点对应于电磁散射矩阵的单一特征值。无限的透射率和反射率意味着从泵浦源到光波巨大的能量转换。数值计算和软件仿真都证明了这一结果。

  我们提出了一种石墨烯光电探测器，器件整体及石墨烯中的红外吸收通过界面声子极化激元（IPhP）耦合得到增强。该器件的SiC/AlN界面上支持IPhP，通过电场调谐可激发本征石墨烯的带间跃迁。模拟根据结果得出，在正入射下，石墨烯的吸收率在中红外频率范围内达到43%，器件整体的吸收率则接近1。此外，我们还发现，峰值吸收频率主要由AlN厚度决定，并且随着厚度的减小，峰值吸收频率会发生红移。这种结构在石墨烯红外探测技术中具有很大的应用潜力。

  薄膜太阳能电池作为一种备选的光伏技术显示出巨大的应用潜力。分别以CuSbS2和CuPbSbS3为代表的亚铜锑硫系材料及其衍生物，不仅仅具备成本低、元素丰度大、稳定性高等优点，还具有好的光电性能，包括合适的带隙和较大的光吸收系数。这些优点表明它们能用作光伏应用中的光吸收器。在这项研究中，我们回顾了含有CuSbS2和CuPbSbS3的器件的主要特性、制备方法和性能的最新进展。此外，还讨论了CuPbS2和CuPbSbS3太阳能电池的局限性和未来发展前景。

  自陷激子（STE）辐射复合发射体具有发射谱宽、光致发光量子产率高的优点，是单衬底白光固态光源的理想解决方案。和半导体中的杂质和缺陷不同，在低维电子材料中，STE的形成需要晶格畸变以及强烈的电子-声子耦合。低维无机铜（I）金属卤化物的光致发光是STE的结果。这些材料因其无铅、全无机结构和高发光效率而非常关注。在本文中，我们总结了具有自陷激子的零维和一维无机铜（I）金属卤化物的发光特性，以考察其未来可能的研究方向。

  X射线探测在生物医学、不伤害原有设备的检测和科学研究中具备极其重大意义。卤化铅钙钛矿是近年来出现的最有前途的一种直接探测X射线的材料。然而，铅毒性仍然是其进一步商业应用的一个令人担忧的问题。人们一直在努力寻找具有类似光电性质的无铅钙钛矿。在此，我们提出了一种用于X射线探测的无铅氧化物双钙钛矿材料Ba2AgIO6。Ba2AgIO6所具有的无铅、全无机性质以及高密度，使其在X射线应用中前景广阔。我们采用水热法成功合成了高结晶度的纯相Ba2AgIO6粉末，采用等静压法制备了Ba2AgIO6晶片，并制备了具有Au/ Ba2AgIO6晶片/Au光电导结构的X射线探测器。所制备的X射线V/mm偏置下灵敏度为18.9C/（Gyaircm2），类似于商用-Se探测器，显示了其在X射线探测方面的优势。

  硒化镉（CdSe）属于二元II-VI族半导体，直接带隙约为1.7ev。合适的带隙、高稳定性和造成本使CdSe成为硅基串联太阳能电池的顶级电池材料。然而，在过去几十年中，只有少数研究集中在CdSe薄膜太阳能电池上。由于具有沉积速率高（~2m/min）和均匀性好的优势，快速热蒸发（RTE）被用于最大限度地提高CdSe源材料的使用效率。本工作中我们制备了稳定的大晶粒纯六方相CdSe薄膜。CdSe薄膜具有1.72ev的带隙、窄的光致发光峰和快速的光响应。通过优化器件结构和薄膜厚度，CdSe薄膜太阳能电池的初步效率达到1.88%，表明了CdSe薄膜太阳能电池的适用性。

  热激活延迟荧光（TADF）有机发光二极管（OLED）在显示器和固态照明等方面的应用已得到证实。然而，蓝光TADF OLED稳定性差和发射效率低的问题仍然是限制湿法制备显示器和白光源发展的两个关键瓶颈。本工作提出了一种使用蓝光发射TADF小分子DMAC-DPS作为发射体的湿法制备OLED。我们比较研究了采用PVK单基质和60%PVK、30%OXD-7共基质对器件性能的影响（最后10%为发射体DMAC-DPS）。共基质器件显示出较低的开启电压、类似的最大亮度和较慢的外部量子效率（EQE）衰减。换句话说，在PVK中掺杂OXD-7能大大的提升器件的稳定性，同时在1000Hz处器件的阻抗也从8.6×103明显降低到4.2×103。最后，通过调整退火温度，可明显提高共基质器件的电致发光稳定性。

  我们通过采用具有合适功函数和良好透射率MoO3:Al共蒸发界面层将电致发光（EL）和光伏（PV）单元连接起来，成功制备了同时具有EL和PV特性的发光有机太阳能电池（LE-OSC）。PV和EL单元分别基于P3HT:IC60BA和(CBP:Ir(ppy)3制备。利用紫外光电子能谱仪和光学分光光度计对MoO3:Al共蒸发层的功函数和透射率进行了测量和调整，以获得更好的双功能器件性能。为了更好地理解LE-OSC的工作机理，我们评估了在黑暗和光照条件下正向和反向偏置时的电流密度-电压特性。优化的LE-OSC在正向偏压下的最大亮度为1550 cd/m2，在100 mW/cm2光下功率转换效率为0.24%。所提出的器件结构有望为认识聚合物共混物的内部条件和改善薄膜质量提供有价值的有关薄膜条件的信息。

  铟镓氮（InGaN）基蓝光发光二极管（LED）在大的正向电流下存在晶体质量不够好和严重的效率下降问题。本文在溅射氮化铝（AlN）薄膜上生长了InGaN基蓝光LED，以提高器件的光功率并缓解效率下降的问题。我们详细研究了氧流量对蓝宝石上AlN薄膜溅射和蓝光LED器件性能的影响，根据结果得出外量子效率的提高机制与多量子阱中V型坑密度的变化有关。采用4sccm的最佳氧流量，在40mA正向电流下，测得外量子效率为66%，工作电压为3V。

  在本文中，我们提出了一种基于机器学习分类器的服务的品质（QoS）链路的传输质量（QoT）预测技术，其中采用了传输方程而不是高斯噪声（GN）模型来生成合成数据。该技术采用一些链路和信号特性作为输入特征。将信号的误码率（BER）与前向纠错阈值BER作比较，并将比较结果作为标签。在缺乏真实数据（即，在网络部署阶段）或真实数据稀缺（即，用于丰富数据集/减少探测光路）的情况下，传输方程方法是比GN模型（或其他类似基于裕度的模型）更好的替代方法；此外，使用传输方程数据训练的三个分类器比使用GN模型数据训练的分类器更可靠和实用。同时我们注意到：传输方程得到的结果为三个分类器的优先级应该是支持向量机（SVM）＞K最近邻（KNN）＞逻辑回归（LR），而不是GN模型结果中给出的SVM＞LR＞KNN。

  本工作中，近红外飞秒激光被一个焦距100mm的平凸透镜聚焦，形成一个激光灯丝，用于在铜靶上钻孔。通过移动或旋转聚焦透镜，可对聚焦激光束施加额外的像差，从而对微孔的宽高比和截面形状产生显著影响。实验根据结果得出，当引入适当的像差时，3mm厚的铜板可以被钻穿形成宽高比为30的通孔，而在最小像差情况下飞秒激光不能在3mm厚的铜板上形成通孔。此外，当使用具有大像散的飞秒激光灯丝时，可获得横截面上长宽比高达3.3的微孔。因此，本文提出的方法可用于制作大宽高比的长椭圆孔。

  在相位调制全息数据存储（HDS）中，嵌入数据用于快速、高精度地恢复相位。我们提出了一种使用迭代来设计嵌入式数据分布的方法，以增强傅里叶频谱中高频信号的强度。该方法提高了傅里叶谱分布的抗噪声性能和信噪比，实现了更高效的相位恢复。实验表明，该方法经过10次迭代后，误码率能够更好的降低1倍。

  Frontiers of Optoelectronics (FOE)期刊是由教育部主管、高等教育出版社出版、德国施普林格（Springer）出版公司海外发行的Frontiers系列英文学术期刊之一，以网络版和印刷版两种形式出版。由北京大学龚旗煌院士、华中科技大学张新亮教授共同担任主编。

  由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中13种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

  高等教育出版社入选“中国科技期刊卓越行动计划”集群化项目。Frontier系列期刊中：13种被SCI收录；1种被A&HCI收录；6种被Ei收录；2种被MEDLINE收录；11种中国科技核心期刊；16种被CSCD收录。

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