中国科学技术信息研究所--国家工程技术数字图书馆

1. 北宋孟子学案

[学位论文] 张荷群四川大学 2005年硕士导师: 王智勇共247页

摘要 : 孟子是我国历史上杰出的思想家,与孔子一样,是中华民族思想启蒙的大师,《孟子》作为十三经之一,其民贵君轻、仁政爱民的政治思想以及对心性问题的阐述对后世产生了巨大的影响,研究孟子及其思想有着十分重要的意义。孟子在中国思想史上有着独特的地位,... 展开

关键词 : 孟子孟子思想中国思想史孟子学案

2. 人民币对西南周边国家小币种货币汇率的形成机制研究:基于不完全金融市场的视角

[学位论文] 胡祎黎云南财经大学 2021年博士导师: 王智勇共222页

摘要 : 随着人民币国际化新战略的提出，推动人民币与小币种货币的直接兑换成为了提升人民币计价功能、开放国内金融市场和服务“一带一路”建设的战略需要。中国西南周边国家作为融合人民币国际化与“一带一路”建设战略、连接海上丝绸之路与陆上丝绸之路、... 展开随着人民币国际化新战略的提出，推动人民币与小币种货币的直接兑换成为了提升人民币计价功能、开放国内金融市场和服务“一带一路”建设的战略需要。中国西南周边国家作为融合人民币国际化与“一带一路”建设战略、连接海上丝绸之路与陆上丝绸之路、打通印太经济圈以及共建中国与东盟经济走廊的咽喉要地，是提升人民币国际定价话语权的关键区域。而人民币对西南周边国家小币种货币汇率形成机制的研究，不仅可以提升金融为双边经贸服务的能力、降低贸易成本，还可以估测双边跨境金融风险、找到中国经济金融开放安全的着眼点。此外，人民币对西南周边国家小币种货币汇率形成机制的研究，将为提升人民币的区域定价锚效应提供有利支撑。因此，开展人民币对西南周边小币种货币汇率形成机制的研究，是促进中国与西南周边国家经济金融一体化、提升中国经济金融开放自主性和安全性、提升人民币国际话语权的内在需要。由于小币种国家实施较为严格的资本管制，其货币在国际金融市场上不可完全自由兑换，而中国尽管近几年来加大了金融市场的开放步伐，但相较于成熟的金融市场，其市场仍然存在不完善的地方。因此，本文将基于不完全金融市场视角对人民币与小币种货币汇率的形成机制展开研究。本文首先对中国和西南周边国家金融市场的发展现状以及人民币与小币种货币汇率制度的演变历程、现状和问题进行分析，研究发现：资本管制和主权信用风险是中国与西南周边国家金融市场的重要特征；人民币和小币种货币汇率制度的选择是基于特定历史阶段的国情而定，而现行套算汇率脱离了经贸发展的实际，难以体现双边直接兑换面临的金融风险，尤其对于人民币与西南周边国家小币种货币的直接兑换交易而言，中方挂牌银行面临着较大的小币种头寸平盘困难，其参与交易的积极性不足，而非正规金融机构地摊银行对汇价权的主导降低了中国经济金融开放的安全性；传统汇率模型对实际汇率的拟合度较低，汇率模型的现实解释力不足。因此，本文认为对人民币与小币种货币汇率形成机制的研究，应基于不完全金融市场的现实状况和表现特征，从金融市场的不完备性着手分析均衡汇率的形成。其次，本文采用金融资产定价模型进行理论分析后发现，在利率完全体现经济基本面作用的条件下，不完全金融市场的资本管制和主权信用风险是导致汇率变动与经济基本面变动脱节、传统利率平价偏离的因素。进一步地，本文采用VAR系列模型实证研究后发现，资本管制和主权信用风险会影响人民币对西南周边国家小币种货币的汇率。具体来说，本文采用LT-TVP-VAR模型实证研究后发现，风险溢价是中国渐进式开放过程中人民币资本管制与人民币汇率之间存在相关关系的前提，并且这一相关关系具有时变特征，因此，人民币资本管制对人民币汇率存在非线性影响。此外，本文通过采用SVAR模型实证研究发现人民币资本管制增大了人民币对柬埔寨瑞尔的汇率波动，降低了人民币对缅币、人民币对越南盾的汇率波动。并且，人民币资本管制对人民币与越南盾汇率波动的影响程度最大。随着中国与西南周边国家经贸往来密切程度的提升，人民币资本管制通过对市场预期的强化增强了其对人民币与小币种货币双边汇率的影响。而对于主权信用风险而言，本文研究发现：当主权信用风险的变动不确定时，市场会出现多重均衡，汇率发生跳跃；而当主权信用风险确定时，不完全金融市场可形成唯一均衡汇率。进一步地，本文采用MS-VAR模型实证研究发现：当主权信用风险的变动与汇率变动同周期时，主权信用风险对汇率的影响增大；而当主权信用风险的变动与汇率变动不同周期时，主权信用风险冲击对汇率只是短暂微弱的影响。主权信用风险对汇率存在非线性影响。最后，本文将纳入资本管制、主权信用风险的不完全金融市场利率平价拓展模型嵌入到小型开放经济体动态随机一般均衡模型中，以此估测人民币对小币种货币的均衡汇率。本文发现，若商品价格偏离一价定律所产生的风险溢价等同于不完全金融市场利率平价偏离所产生的风险溢价，一旦确定了不完全金融市场风险溢价的来源——资本管制和主权信用风险后，就可以确定经济体系的唯一均衡汇率。并且，相较于传统的购买力平价、利率平价，用动态随机一般均衡模型估测的均衡汇率对基期选择、价格平稳性没有严格的限定，并且对金融市场的完备性也没有严格的限制。此外，本文用动态随机一般均衡模型估测的均衡汇率在价格平稳的前提下会与购买力平价趋同，这符合模型均值回归的预设。进一步地，通过对人民币与越南盾均衡汇率的数值模拟分析，本文发现采用不完全金融市场动态随机一般均衡模型估测人民币对小币种货币的均衡汇率，相较于传统的购买力平价、利率平价而言，更加吻合实际汇率的走势。收起

关键词 : 人民币西南周边国家小币种货币汇率形成机制

3. 密集矩阵高倍聚光太阳能光伏发电关键技术研究

[学位论文] 郭丽敏北京工业大学 2017年博士导师: 王智勇共163页

摘要 : 高倍聚光太阳能光伏发电技术在实际应用中具有光谱吸收范围宽、光电转换效率高、温度适应性好、土地利用率高，且制造过程低能耗、对环境基本无污染的优势，被认为是人类最有潜力的发电技术。本文针对目前制约高倍聚光光伏发电大规模应用的聚光模组成... 展开高倍聚光太阳能光伏发电技术在实际应用中具有光谱吸收范围宽、光电转换效率高、温度适应性好、土地利用率高，且制造过程低能耗、对环境基本无污染的优势，被认为是人类最有潜力的发电技术。本文针对目前制约高倍聚光光伏发电大规模应用的聚光模组成本高、实际发电效率低，跟踪系统成本高及跟踪精度要求高等主要问题，提出了进行高聚光倍数模组的研发与低成本高跟踪精度的跟踪支架系统研发的解决方案。采用几何光学和非成像光学基本理论、Zemax数值模拟和实验研究相结合的手段对高聚光倍数模组的聚光系统进行了研究;采用传热学基本理论、ANSYS数值模拟和实验研究相结合的手段对高聚光倍数模组的散热系统进行了研究;采用驱动原理分析、ANSYS数值模拟和实验研究相结合的手段对跟踪支架系统进行了研究;采用增加对比试验模组的方法进行模组现场发电实验研究。获得了以下研究成果: 1、提出并研制了球冠平顶微棱镜式二次光学元件，解决了高聚光倍数模组的光线溢出问题。依据三结子电池的电流匹配原则确定了输入光谱范围，设计了菲涅尔透镜和球冠平顶微棱镜相结合的高聚光倍数模组聚光系统，通过仿真与优化，确定了菲涅尔透镜及球冠平顶微棱镜的关键参数。实验结果表明，研制出的712倍聚光模组聚光系统的聚光效率为86.15％，接收角为±0.782°，-20℃～50℃工作温度范围内，输出功率变化为3.68％。且该球冠平顶微棱镜式二次光学元件设计方案，结构简单、加工方便、成本比微棱镜结构更低。 2、提出了小铜片加大铝片及铝散热齿接收器的分布式散热结构解决了高聚光倍数模组的散热问题。小铜片加大铝片及铝散热齿热沉的设计增大了内部空气热对流，提高了芯片能量的内扩散速率;压花玻璃增大了外部的空气自然对流散热面积，提高了能量的外散热速率。通过仿真模拟确定了712倍及1600倍模组散热系统的关键参数，模拟与实验研究结果显示，极限环境温度50℃时，电池芯片温度不超过110℃，确保了电池长时间、高效率、高可靠性工作。 3、提出并研制了链条式跟踪支架系统。蜗轮蜗杆减速机加开式链条传动机构保证了驱动部件的高精度，鱼刺型架构的模组网面结构和正反扣螺母调平的补偿机构保证了跟踪系统的力学性能。有限元模拟和实际发电实验结果表明该链条式支架系统跟踪精度在0.375°以内，发电效率较常见的推杆式支架更高。支架系统成本为1.68元/W，为目前成本最低的跟踪支架系统。 4、研制成功了712倍密集矩阵高倍聚光模组，并对其进行了并网发电实验研究。甘肃嘉峪关、青海德令哈及西藏尼木三个地区的模组并网发电实验结果表明，712倍模组的全天室外实际发电效率与400倍模组相当，具备良好的散热性能和低温发电性能。712倍模组的最高发电效率为28.2％，为目前该聚光倍数模组实际发电效率的最大值。712倍高倍聚光模组和链条式支架系统的单塔发电效率测试结果表明整体发电转换效率约为25.48％，具备良好的实际发电性能。所研制成功的712倍聚光模组成本约为5.26元/W，较400倍模组降低了33.5％，大幅度地降低了模组的成本。待满足1600倍聚光要求的电池研制成功后，模组成本可以低于晶硅组件价格。收起

关键词 : 光伏发电聚光模组跟踪支架系统聚光系统散热系统

4. 晶格匹配五结砷化镓太阳能电池技术研究

[学位论文] 张杨北京工业大学 2017年博士导师: 王智勇共161页

摘要 : 传统GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池在单倍AM0光谱下的转换效率已经突破31％，在AM1.5D光谱下，经过364倍聚光的转换效率高达41.6％，已接近这类电池的理论极限。采用晶格失配(MM)结构、倒装结构或采用半导体材料直接键合的方式都可以进一步提升电池的... 展开传统GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池在单倍AM0光谱下的转换效率已经突破31％，在AM1.5D光谱下，经过364倍聚光的转换效率高达41.6％，已接近这类电池的理论极限。采用晶格失配(MM)结构、倒装结构或采用半导体材料直接键合的方式都可以进一步提升电池的转换效率，但采用这些结构或方法得到的电池芯片一致性和重复性较差。而正装晶格匹配的五结太阳能电池可以很好地解决这一难题。但是，在实际外延生长和芯片加工过程中，也会遇到以下四个主要难点:首先，在AlGaInP子电池中，由于氧原子和铝原子之间具有较高的离解能，较多的氧杂质随着外延生长并入到材料中形成深能级缺陷，进而严重影响该结子电池的外量子效率;其次，GaInNAs材料与Ge的晶格匹配，同时具有1.0eV的禁带宽度，是第四结子电池的最优选择。但是其材料缺陷多、晶体质量差，该子电池的开路电压与理论值相差较大，外量子效率偏低;然后，与三结太阳能电池相比，五结太阳能电池虽然只增加了两结子电池，但是增加了芯片工艺的复杂性，对帽层腐蚀、台面隔离、欧姆接触和增透膜蒸镀等工艺提出更高的要求;最后，多个重掺杂的隧道结将产生较强的吸光作用，同时其产生的压降与电池开路电压相反。这就要求五结电池中的隧道结材料具有较宽的禁带宽度和较低的串联电阻。本论文围绕着晶格匹配AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五结太阳能电池外延生长与芯片所面临的以上四个主要难点，分别研究了AlGaInP、AlGaInAs子电池的制备、GaInNAs子电池的优化和芯片工艺中的关键参数，同时，对五结电池中的隧道结也做了详细的研究。获得的研究成果如下: 1、首次研究了表面活性剂Sb对AlGaInP材料以及AlGaInP/Ge双结电池的影响，经过系列实验得到了较好的效果。首先，表面活性剂Sb的并入可以改善材料的晶体质量;其次，由于Sb的并入增加了材料的无序度，使得禁带宽度有所提升，在太阳能电池中表现为开路电压的提高;最后，可以采用较低Al组分掺Sb的AlGaInP材料，得到与较高Al组分不掺Sb的AlGaInP材料相同的禁带宽度。同时，在相同禁带宽度条件下，由于Al组分降低的原因，AlGaInP子电池可以获得更高的外量子效率，减少2％的Al组分可以使短路电流提高20％左右。经过优化，AlGaInP/Ge双结子电池的性能为:短路电流密度12.6mA/cm2，开路电压1.796V，填充因子86.2％，在标准单倍AM0光谱条件下的转换效率为14.5％。 2、提出了在GaInNAs子电池结构中插入布拉格反射器结构，这一研究大大提高了长波方向的外量子效率，外量子效率峰值超过80％，短路电流密度达到11.26mA/cm2，解决了该结子电池在五结中的限流问题。同时，首次对GaInNAs子电池的抗辐照性能做了初步的探索。辐照后短路电流剩余因子为98％，开路电压剩余因子为90％，填充因子的剩余因子为97.5％。 3、根据五结太阳能电池的外延结构特点，本文首次提出了一种可以同时腐蚀砷化物、磷化物材料的HBr腐蚀液体系，并取得了较好的腐蚀效果。同时，通过详细的优化实验，得到了对GaInAs帽层具有高稳定腐蚀速率，且对AlInP材料有极高选择比的NH3H2O体系作为帽层腐蚀液。由于五结太阳能电池中GaInNAs子电池具有限流作用，本文还针对900-1150nm波段的反射率做了相关优化，得到的增透膜在该波段的反射率小于5％，明显提高了GaInNAs子电池的外量子效率，从而缓解了限流作用。 4、本文得到了一种新型的具有Al0.1GaAs插入层的宽禁带GaInP/AlGaAs隧道结。在五结太阳能电池中，既保证了透光性又具有较高的峰值遂穿电流密度。同时，该隧道结在地面高倍聚光中，可以满足1500倍甚至更高的聚光要求。 5、采用MOCVD设备得到了AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五结晶格匹配太阳能电池，在AM0单倍光谱条件下测试，得到短路电流为134.96mA，开路电压为4.472V，填充因子为81.3％，转换效率为30.29％。收起

关键词 : 太阳能电池砷化镓晶格匹配外延生长芯片工艺

5. 高功率高光束质量VCSEL关键技术研究

[学位论文] 王聪聪北京工业大学 2021年博士导师: 王智勇共156页

摘要 : 垂直腔面发射半导体激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL）已广泛应用于短距离光纤通信、光电传感、激光测距、激光雷达、激光照明等领域。尤其是940nm波段的VCSEL不仅作为3D人脸识别、汽车辅助驾驶、虚拟现实及增强现实等应用的核... 展开垂直腔面发射半导体激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL）已广泛应用于短距离光纤通信、光电传感、激光测距、激光雷达、激光照明等领域。尤其是940nm波段的VCSEL不仅作为3D人脸识别、汽车辅助驾驶、虚拟现实及增强现实等应用的核心光源，而且在940nm波段，GaAs衬底吸收率低，可实现高功率底发射VCSEL激光输出。因此，940nm波段的VCSEL成为当前VCSEL研究和产业化的重点与热点。本论文通过深入研究940nm波段的VCSEL的热积累、电光转换效率和外腔耦合机制，大大提升了940nm波段VCSEL的输出功率，同时创新性地提出高功率高光束质量Talbot-VCSELs相干耦合新结构，形成高光束质量的相干阵VCSEL激光输出，为改善VCSEL的光束质量提供一条新的研究思路。本论文的主要研究内容及所取得的研究成果如下: 首先，探索了VCSEL单管及阵列芯片热产生、热串扰及散热的机理，同时深入分析芯片内部热积累对VCSEL输出功率及光束质量的影响。在此基础上，应用第一性原理优化外延材料的晶胞结构，并计算AlGaAs/GaAs材料能带结构、载流子迁移率及其有效质量对外延材料电导率和热导率的影响。接着首次应用从头计算(Ab Initio)的第一性原理和热力学有限元分析法相结合的方法，建立了VCSEL热电耦合模型。根据此热电耦合模型仿真结果得出:VCSEL芯片热产生主要来源于分布式布拉格反射镜异质结势垒产生的焦耳热和载流子泄漏产生的非辐射复合热。受此影响，化孔径为100μm的VCSEL单管有源区温度高达346K;而对于VCSEL阵列，当VCSEL阵列的填充因子降低时，有源区最高温度也随着下降;当阵列间距大于200μm时，有源区的最高温度变化较小，热积累和热串扰效应明显减弱，这为后续制备高功率VCSEL阵列提供了理论依据。其次，针对大氧化孔径VCSEL有源区电流分布不均匀的技术难点，引入渐变式径向桥电极结构，并利用COMSOL软件建立了VCSEL热电耦合数学物理模型。仿真结果表明，相比于环形电极结构，渐变式径向桥电极VCSEL注入电流均匀性提高了约8倍。同时通过实验验证了渐变式径向桥电极VCSEL光斑分布更加均匀，且输出功率得到明显提高，光束质量也得到明显改善。所制备的氧化孔径为50μm的渐变式径向桥电极VCSEL的输出功率可达32.8mW@75mA，发散角为8°-11°，M2因子为30-35，与传统的环形电极VCSEL相比，发散角和M2因子减小约10％，而输出功率却提高了33％。接着，本文针对大氧化孔径VCSEL存在的电光转换效率低的技术难题，基于上述热力学仿真结果，从改善有源区热积累特性出发，优化VCSEL氧化孔径以及阵列排布方式，成功研制出波长为940nm，氧化孔径为10μm顶发射的单管VCSEL、2×2、1×4和2×4VCSEL阵列。氧化孔径为10μm的单管VCSEL的斜效率、最大输出功率、功率密度和最大电光转化效率分别是1.17W/A，13.5mW@15.5mA，17kW/cm2和46％。针对VCSEL阵列，实验表明，随着阵列间距的增大，输出功率和电光转换效率明显提高。当2×2VCSEL阵列间距为200μm时，斜效率、电光转化效率和输出功率分别为1.017W/A，48.56mW@59mA和47％。与阵列间距为160μm的2×2VCSEL相比，输出功率和电光转化效率分别提高了26％和15％。当阵列间距均为200μm时，与1×4VCSEL阵列相比，2×4VCSEL阵列的单管最大输出功率和电光转换效率降低了约20％，与理论仿真结果相吻合。因此为了获得高功率高效率VCSEL阵列激光输出，须优化VCSEL阵列排布方式。最后，为了进一步解决VCSEL阵列子光源非相干导致的输出激光光束质量差的问题，创新性地提出了基于Talbot外腔锁相技术的相干阵VCSEL阵列激光芯片。在此基础上，本文根据周期结构物体基本单元函数与梳状函数的卷积理论，推导了正交和斜交二维周期Talbot-VCSELs阵列的Talbot距离(LT)分别为nd2/λ和3nd2/4λ。同时利用FDTD solution软件建立Talbot-VCSELs光场分布模型，仿真得到了LT/2和LT位置处横向光场分布。研究表明，当Talbot-VCSELs的外腔镜位于LT/4时，VCSEL阵列低阶模式光被抑制，导致高阶模式光振荡，出现高阶模式外腔锁相效应，形成高光束质量的相干阵VCSEL激光输出，这为制备高功率高光束质量的VCSEL提供一种新思路。收起

关键词 : 半导体激光器外延材料电极结构电光转换

6. VCSEL片上光互连用LNOI高速光子器件关键技术研究

[学位论文] 李颖北京工业大学 2022年博士导师: 王智勇共155页

摘要 : 5G时代来临之际，新一代通信信息技术快速发展，海量数据需要强有力的信息处理技术予以支撑，下一代数据中心迫切需要从带宽、速率、时延以及可扩展性等多方面进行升级。集成半导体激光器及其在片多种新型光电元器件的光子集成技术，使得光子代替传统... 展开 5G时代来临之际，新一代通信信息技术快速发展，海量数据需要强有力的信息处理技术予以支撑，下一代数据中心迫切需要从带宽、速率、时延以及可扩展性等多方面进行升级。集成半导体激光器及其在片多种新型光电元器件的光子集成技术，使得光子代替传统电子作为传输媒介所完成的信息传输与处理，从理论上在有效降低功耗的同时提升计算速度至少1000倍，是突破传统微电子IC性能“瓶颈”的理想方案。与传统体材料LN、Si基和化合物半导体材料(GaAs，InP等)相比，新一代集成光学材料LNOI拥有吸收损耗低、折射率匹配性优、线性电光系数大、非线性效应强、波长透光范围广以及集成度高等特点，可广泛应用于包括光通信、大数据中心、光量子计算、人工智能和微波光子雷达等各个领域，现已成为国际研究热点。然而，由于LNOI材料本身硬度大且化学性质不活泼等因素，使得传统的半导体制备工艺很难实现LNOI片上微型化光子器件的制备，进而难以低成本地实现高度集成的LNOI集成光子芯片;另一方面，随着未来芯片集成度的提高，如何降低系统能耗也成为实现LNOI高性能光子集成芯片所需要解决的重要难点。因此，如何在保证器件卓越性能的同时降低制造成本、提高工作能效成为未来高性能LNOI光子集成芯片广泛应用亟待解决的关键技术问题，同时也是目前世界发达国家正集中攻关的技术难点。针对当前LNOI集成光子所面临的关键技术问题，本论文瞄准基于VCSEL的片上光互连所需高速、高能效LNOI光子集成关键器件所面临的技术难点，开展了从光波导微纳加工工艺到微型化片上电光强度调制器件再到VCSEL光子集成器件的系统研究，主要研究内容与创新如下: 1、开发了一种质子交换增强湿法腐蚀的LNOI衬底微纳精密加工工艺。基于质子交换过程中H+在LN中的扩散理论，通过有限元法建立相应瞬态分析模型，深入讨论工艺参数与扩散特征参量之间关系，并借助X射线衍射表征技术，验证了质子交换后LNOI晶格会发生相变。在此基础上，进一步深入分析湿法腐蚀的作用机理，提出一种改进的质子交换增强湿法腐蚀微纳加工工艺，实现了LNOI光波导及其相应光子器件制备工艺的创新。对比其他已报道的LNOI光波导制备技术，该创新工艺不仅避免了湿法腐蚀液对LNOI衬底中间埋氧层SiO2的钻蚀，而且解决了光波导侧壁倾斜角度较大的问题。采用该工艺，在平均刻蚀速率高于10nm/min情况下成功制备了刻蚀深度为210nm、侧壁顶部陡直、表面均方根粗糙度低至0.81nm的脊形光波导，并利用所搭建的高精度光学耦合平台进行了近场光斑、传输损耗、弯曲损耗、插入损耗、分光比等研究。结果表明:单模条件下的直波导平均传输损耗在quasi-TM和quasi-TE偏振模式下分别为3.96dB/cm和3.20dB/cm;宽度为450nm的弯曲波导当弯曲半径为30μm时，弯曲损耗达到最小，约为0.15dB;所制备的Y分支光波导具有稳定的分光比，并且插入损耗随分支角和波导间距的增大而增大，这为后续器件的研制奠定了工艺基础。 2、研制成功高效率、微型化LNOI片上电光强度调制器。为确定LNOI片上脊形光波导单模截止条件，基于Maxwell理论采用全矢量有限差分法理论分析LNOI脊形光波导本征模式，通过曲线拟合首次获得了更为精确的、适用于LNOI脊形光波导的单模条件解析解，为LNOI片上电光调制器的光学结构提供了理论指导;采用有限元法建立了基于LNOI片上强度电光调制器的行波电极物理模型，通过COMSOLMultiphysics和ANSYSHFSS的协同仿真深入分析电极横向、纵向结构参数对器件特性参数的影响，并基于约束算法分别优化设计了两款不同工作波长的电光强度调制器电极系统。结合所开发的质子交换增强湿法腐蚀微纳加工工艺，在薄膜层厚度为400nm的LNOI衬底上制备了电光强度调制器，单个器件尺寸为5×0.4mm，电光调制区长3mm。其中所制备的1550nm工作波长下电光调制器半波电压长度乘积为1.29V.cm，3-dB带宽高于40GHz;所制备的850nm工作波长下电光调制器更是首次实现了半波电压长度乘积为0.78V.cm，3-dB带宽高于20GHz，有望在大带宽、低能耗的光互连技术方面发挥重要作用。 3、设计完成基于VCSEL激光器与LNOI片上光波导的混合集成器件。为实现单模偏振稳定的VCSEL激光器，引入七孔缺陷光子晶体结构，通过时域有限差分法建立光子晶体VCSEL物理模型，分析讨论了空气孔尺寸、刻蚀深度以及氧化孔尺寸对器件频谱特性、远场发散角等关键参数的影响，为后续的混合集成设计提供了理论基础;根据VCSEL光源出光特点，通过深入分析光栅结构和耦合光源位置等主要参数对器件耦合性能的影响，提出并优化了含有金属反射层的新型LNOI片上光栅耦合器;通过采用SF6和Ar为刻蚀气体的干法刻蚀技术，制备得到了quasi-TE和quasi-TM偏振模式下的新型光栅耦合器耦合损耗分别约为-7.9dB/facet和-7dB/facet，其中所制备的quasi-TE偏振模式下光栅耦合器1dB容差在其横向x方向和光传输y方向上分别为5.6μm和10μm;并在此基础上，采用时域有限差分法建立VCSEL激光器与LNOI片上光波导的理论物理模型，创新性提出采用预置金层和锡焊球来实现集成芯片中VCSEL光源电学连接和倾斜键合的技术方案，为高集成度的光子芯片研究提供了思路。收起

关键词 : 光子集成芯片集成光学材料薄膜铌酸锂光波导电光调制器 VCSEL光源

7. 密集矩阵高倍聚光光伏模组关键技术研究

[学位论文] 杨光辉北京工业大学 2015年博士导师: 王智勇共155页

摘要 : 在经历了以晶硅电池为代表的第一代光伏技术和以薄膜电池为代表的第二代光伏技术之后，以多结GaAs电池为代表的第三代光伏技术——高倍聚光光伏技术，因具有光电转换效率高、光谱吸收范围宽、温度适应性好、衰减小、生产过程能耗低、土地利用率高、低... 展开在经历了以晶硅电池为代表的第一代光伏技术和以薄膜电池为代表的第二代光伏技术之后，以多结GaAs电池为代表的第三代光伏技术——高倍聚光光伏技术，因具有光电转换效率高、光谱吸收范围宽、温度适应性好、衰减小、生产过程能耗低、土地利用率高、低成本潜力大等诸多优势，有可能成为光伏发电的主力，因此，从本世纪开始就是该领域的研究热点。针对目前高倍聚光模组存在的体积大、重量重、效率低、需要专用散热器、温度适应性差、成本高等问题，提出了密集矩阵高倍聚光模组，并紧密结合实际工程化应用，采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的手段，对影响模组发电效率及应用长期稳定性的几个关键问题开展了研究，包括分布式模组散热理论与技术、高倍聚光菲涅尔透镜及二次聚光光学系统设计问题，获得了以下研究成果: 1、研制出国内首款密集矩阵高倍聚光光伏模组。采用密集矩阵分布散热方式，实现了聚光模组在无散热器条件下的自然对流散热。通过热分析软件模拟计算太阳能电池面积、封装结构和材料等主要参数，确定了电池封装以及密集矩阵式热源分布形式，模拟与实验研究结果显示，极限环境温度50℃时，电池芯片温度不超过106℃，确保电池长寿命、高效率、高可靠性工作，并省去了传统高倍聚光模组的专用散热器，有效降低了成本。结合所设计的高效聚光光学系统组装成模组，静态转换效率达到35.5％，是目前国际上三结太阳能电池聚光模组的最高值。 2、提出平板密集矩阵菲涅尔透镜。采用基于能量最大化原则的等齿宽与等齿高相结合的平板菲涅尔透镜设计方法，结合工程应用环境条件，建立了不同温度的密集矩阵式菲涅尔透镜模型，在AM1.5D标准光谱的模拟光源下，针对光线入射角度、工作环境温度等不同条件，对菲涅尔透镜光学性能进行了优化模拟与仿真，最大限度保证了模型与实际应用精确匹配，获得了结构简单、加工工艺难度小、成本低，更适合工程化应用的菲涅尔透镜。 3、提出微棱镜二次光学元件。以获得高效聚光及实际应用的冗余度，建立了微棱镜模型，在AM1.5D标准光谱的模拟光源下，通过仿真与优化，并紧密结合实际工程应用，确定了微棱镜结构尺寸及工作面倾角等关键参数。实验研究结果表明，与研制出的菲涅尔透镜组成的光学系统的聚光效率达到84.8％、接收角达到±1°，应用该光学系统的聚光模组在-10℃～50℃环境温度工作时，输出功率损失不超过4.3％。 4、对反光杯式二次光学元件开展了研究。建立了反光杯模型，在AM1.5D标准光谱的模拟光源下，通过仿真与优化，并紧密结合实际工程应用，确定了微棱镜结构尺寸及工作面倾角等关键参数。实验研究结果表明，与研制出的菲涅尔透镜组成的光学系统的聚光效率达到82.3％、接收角达到±0.9°，应用该光学系统的聚光模组在0℃～50℃环境温度工作时，输出功率损失不超过5％。 5、对所研制的密集矩阵高倍聚光模组进行了现场发电实验研究。建立了实际使用环境条件下的模组散热模型，通过散热实验研究，验证了模型的合理性，结果表明模组能够很好地满足实际散热需求。对比了甘肃嘉峪关和云南永仁两个电站中不同模组的实际并网发电数据，结果表明与室内模拟实验及静态测试数据一致性较好，与相同条件下的晶硅发电相比，单位千瓦发电量高出其53％～90％。收起

关键词 : 太阳能电池高倍聚光光伏技术密集矩阵稳定运行

8. 高速VCSEL及其微波调制集成技术研究

[学位论文] 周广正北京工业大学 2020年博士导师: 王智勇共135页

摘要 : 随着5G、大数据和人工智能时代的到来，全球互联网数据流量迅速增长，对数据中心光模块的调制速率、功耗和成本提出了更高的要求。垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有低阈值电流、高调制带宽、易与光纤耦合和成本低等优点，在数据中心、超级计算机和高清晰... 展开随着5G、大数据和人工智能时代的到来，全球互联网数据流量迅速增长，对数据中心光模块的调制速率、功耗和成本提出了更高的要求。垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有低阈值电流、高调制带宽、易与光纤耦合和成本低等优点，在数据中心、超级计算机和高清晰度多媒体接口(HDMI)等短距离通信领域，基于850nmVCSEL的光互连正在迅速取代电互连。由于高速VCSEL性能对结构形状和材料组分参数的敏感性，需要全面的优化设计、精确的外延生长控制和严格的芯片工艺流程来确保器件良好的工作特性。此外，为了实现VCSEL高速率、高质量的驱动，将VCSEL与驱动器集成于单片上是一种重要的方法。而异质结双极型晶体管(HBT)具有功率密度高、增益高、带宽大、相位噪声低和线性度好等特点，将VCSEL与HBT集成形成光开关集成阵列可应用于并行光处理。本文在研究外延结构优化、外延生长和芯片制备获得高速VCSEL芯片的基础上，建立了VCSEL与HBT集成结构模型，所取得的研究成果如下: 1、通过对传输矩阵、速率方程和寄生效应的理论分析，建立了等效电路和VCSEL整体结构模型，分析了本征响应和寄生效应对调制带宽的影响，对高速VCSEL外延结构参数进行了优化。首先分析相位匹配层对反射率谱的影响，利用TFcal模拟了反射率谱特性，对比了光从表面入射和从谐振腔入射时DBR反射率谱的差异;其次从理论分析VCSEL的静态特性和动态特性，介绍了VCSEL的直流特性相关理论，以及温度对阈值电流的影响，利用速率方程推导了VCSEL的小信号调制响应特性，推导了S参数的表达式;然后利用PICS3D建立VCSEL整体结构模型;最后为了提高电光转换效率和-3dB带宽，分别对DBR和量子阱结构参数进行优化，优化后上DBR对数为21对，量子阱个数为3个，量子阱In组分为0.06，量子垒A1组分为0.30，最终模拟得到1λ腔长VCSEL的最大电光转换效率为38.0％，最大-3dB带宽为18.3GHz。 2、通过对生长过程的精确控制，采用MOCVD设备外延生长了1λ腔长VCSEL整体结构。首先生长高质量AlxGa1-xAs单层，分析了AlxGa1-xAs单层生长速率、固态组分和掺杂浓度的生长规律;其次针对氧化各向异性和氧化分层现象，提出优化外延生长参数来提高氧化层外延质量，采用增加氧化层外延生长过程中TMGa源的Ramp和Vent时间方法稳定瓶压PC，减小氧化各向异性现象，稳定氧化速率;最后生长VCSEL整体结构，包括DBR和量子阱有源区，VCSEL外延片反射率谱模拟结果与实验结果拟合较好，F-P腔模波长为847.7nm，腔模波长测试mapping图显示其标准差为2.195nm。 3、通过严格控制芯片工艺流程，制备完成了高速VCSEL芯片，从芯片的静态特性、动态特性和老化实验等方面分析了VCSEL芯片的性能和可靠性。首先分析干法刻蚀过程中气体配比对刻蚀速率的影响、湿法氧化过程中反应温度和氮气流量对氧化速率的影响以及金属工艺过程中退火时间和退火温度对比接触电阻的影响。接着对VCSEL芯片的静态特性和动态特性进行了全面的测试，测试结果表明氧化孔径7μm的VCSEL阈值电流为0.8mA，阈值电压为1.6V，微分电阻为65Ω，斜效率为0.96mW/mA，电光转换效率为33.3％，当电流为13.5mA时，输出光功率达到最大为9mW;在6mA偏置电流下，输出功率为5mW，-3dB带宽为17.0GHz，电功率带宽比为0.88mW/GHz，拟合得到寄生截止频率为19GHz，弛豫振荡频率fR为16GHz，阻尼因子为90ns-1;25Gbit/sOOK调制下的光眼图显示其下降时间为38.66ps，上升时间为41.54ps，均方根抖动为1.57ps，SNR为5.6，在70℃条件下眼图较清晰。最后测试了整片VCSEL外延片上所有器件直流特性的Mapping图以及部分器件的老化实验结果，88％的器件输出功率超过2mW，经过1500小时的老化所有测试芯片没有出现明显的功率衰减或失效。国内首次实现25Gbit/s高速VCSEL的外延生长和制备，打破了国外高速VCSEL芯片的垄断。 4、优化了1/2λ腔长VCSEL结构，建立了VCSEL与HBT集成结构模型。模拟结果表明在1/2λ腔长VCSEL谐振腔中Al0.90Ga0.10As层掺杂后，势垒高度显著降低，微分电阻由63Ω降低至50Ω，最终得到在12mA偏置电流下VCSEL器件的-3dB带宽为25.4GHz，可满足调制速率50Gbit/s以上的数据传输光模块的应用。在研究外延结构优化、外延生长和芯片制备获得高速VCSEL芯片的基础上，建立了VCSEL与HBT集成结构模型。分析了HBT共发射极直流和高频电流增益特性，建立了VCSEL与HBT集成结构的理论模型，推导了放大模式下输出光功率随基极电流的变化关系以及调制响应传递函数，最后利用PICS3D模拟了VCSEL与HBT集成结构静态和动态特性，为了模拟过程能够顺利进行，提出在模拟过程中加入过渡集电极，使得集成结构中的HBT和VCSEL可以依次导通。PICS3D模拟结果表明，在冷腔模型情况下电流增益约为460，基极电流对输出光功率的调制率达415mW/mA;在热模型情况下基极电流对输出光功率的最大调制率达280mW/mA;交流光增益的模拟结果显示基极偏置电流为10μA时其截止频率超过1GHz，与单独模拟的VCSEL相比其带宽大幅降低，可能是HBT的带宽或VCSEL与HBT之间的寄生效应限制了带宽的提高。本论文首次建立了VCSEL与HBT纵向集成结构模型。收起

关键词 : 垂直腔面发射激光器分布布拉格反射镜量子阱微波调制集成技术

9. 大功率半导体激光光束变换与光纤耦合技术研究

[学位论文] 刘友强北京工业大学 2014年博士导师: 王智勇共135页

摘要 : 激光加工技术是一种先进的制造技术，在经历了大功率CO2激光制造、大功率固体激光制造后，目前正进入以大功率半导体激光器为基础的新一代激光制造。与其他工业用激光器相比，大功率半导体激光器具有电光转换效率高、寿命长、性能稳定等优点，广泛应用... 展开激光加工技术是一种先进的制造技术，在经历了大功率CO2激光制造、大功率固体激光制造后，目前正进入以大功率半导体激光器为基础的新一代激光制造。与其他工业用激光器相比，大功率半导体激光器具有电光转换效率高、寿命长、性能稳定等优点，广泛应用于表面热处理、激光熔覆、激光焊接等领域。但是由于边发射半导体激光器自身结构的特殊性，导致其在平行和垂直于发光结平面的两个方向上光束质量不均匀，光纤耦合效率不高，难以聚焦产生高亮度的光斑，限制了其在很多领域的应用。为了克服半导体激光器自身的缺点，拓展半导体激光器的应用领域，针对大功率半导体激光阵列在光束变换、传输聚焦、光纤耦合等方面的问题，本论文对半导体激光阵列的光束质量改善、光束的传输聚焦特性及其光纤耦合技术进行了系统的理论和实验研究，获得以下研究成果。首先，针对半导体激光阵列快慢轴光束质量不均衡、聚焦后亮度偏低的问题，提出了利用平板玻璃堆和棱镜组合的方法对其进行光束质量改善的方案，并从理论上和实验上对该方案的光束质量改善效果进行了研究，实验证明，该方案的光-光效率达到95％以上。其次，针对目前激光阵列矩形光斑对角线BPPdia的表达式难以反应实际情况的现状，通过理论推导引入像散因子，对矩形光斑对角线BPPdia表达式进行了补充完善，并通过实验对激光光斑进行了光束参数的测量，研究表明，实验测量值与理论推导值相吻合，对表达式的正确性进行了验证。第三，针对激光阵列光束质量改善后快慢轴聚焦光斑尺寸不一致的问题，分别研究了快轴指向性、“smile”效应以及光束质量改善组件对聚焦光斑的影响。提出了半导体激光阵列指向角的概念，并进行了定义。设计了指向角的测量装置，通过对半导体激光阵列参数的理论模拟计算，得到了不同快轴指向角对聚焦光斑尺寸的影响程度，研究表明，实验与理论模拟结果相吻合。最后，通过对半导体激光阵列输出光束特性以及耦合特性的研究，设计了光纤聚焦耦合系统，完成了5kW光纤耦合半导体激光器的研制，将激光耦合进芯径800μm，数值孔径NA0.2的传能光纤中，光纤耦合输出激光功率达到5109W，耦合效率85.69％;系统整体电光转换效率49.48％，插头效率达到42％。收起

关键词 : 大功率半导体激光光束变换聚焦特性光纤耦合激光加工

10. 高功率连续光纤激光器关键技术与工程化研究

[学位论文] 张雪霞北京工业大学 2017年博士导师: 王智勇共134页

摘要 : 高功率光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑、免维护等优点，具有广泛的应用。随着光纤的制造工艺和泵浦光源生产技术的迅速发展，目前掺镱光纤激光器得已广泛应用于工业加工、军事国防和光纤通信等领域。在光纤激光器应用领域不断扩展的... 展开高功率光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑、免维护等优点，具有广泛的应用。随着光纤的制造工艺和泵浦光源生产技术的迅速发展，目前掺镱光纤激光器得已广泛应用于工业加工、军事国防和光纤通信等领域。在光纤激光器应用领域不断扩展的过程中，全光纤激光器已向着更高功率、更加集成化的方向发展。在这个发展过程中，需要解决光纤激光器的热效应、反射和合束等关键技术难题，并实现工程化。本论文的课题来源于04国家科技重大专项——工业用高功率全光纤激光器的开发(No.2010ZX04013-052)，针对当前高功率连续光纤激光器所面临的这些问题，开展了高功率连续光纤激光器的理论模拟和实验研究，实现重大专项项目对光纤激光器的要求，同时实现了高功率连续光纤激光器的工程化应用。本文的主要研究内容及得到的成果如下: 1.分析了镱离子的能级结构和光谱特性，根据掺镱全光纤激光器的稳态速率方程，推导了光纤激光器功率分布的近似解析方程，通过Matlab模拟分析了光纤激光器的功率特性。根据端面泵浦光纤激光器的原理结构，结合线性结构中光纤激光器的边界限制条件，对光纤激光器的泵浦光和激光的功率分布进行了分析。同时，对侧面多点泵浦的光纤激光器进行模拟分析，多点泵浦的结构能够实现激光器功率在光纤中平坦分布。另外，在这种结构中，可以通过增加泵浦光的注入点数来实现更高功率的光纤激光器。 2.结合理论模拟，对掺镱光纤激光器进行了实验研究。分析了级联耦合器的制作参数对光纤激光器性能的影响，结合实验数据和耦合器的制作标准，选择合适的级联耦合器搭建了高功率光纤激光器系统。在光纤激光器中，由于耦合器对反向抽运光具有隔离的功能，能够应用在后向抽运结构中，所以采用级联结构的耦合器搭建了双向抽运结构的光纤激光器。当975nm抽运功率通过双向抽运结构注入功率为1096W时，1080nm的光纤激光器功率输出为780W，该激光器的光-光转换效率达到71％。另外，在主控振荡功率方法的光纤激光器中，206W的中种子光通过546W的泵浦光被放大到635W，放大级的光-光转换效率78％。 3.依据热传导方程，建立光纤热模型。优化光纤的处理工艺，设计光纤冷却装置，搭建端面抽运的光纤激光器，建设激光器产品生产线，并完成产品小批量生产及应用。采用水冷方式，在端面抽运的光纤激光器中，选择激光振荡器加一级放大的结构，成功实现1kW单模光纤激光器原理样机，当975nm的泵浦功率为1496W时，1080nm单模光纤激光器的最高功率输出达到1024W，光-光转换效率为68.5％。同时，考虑到激光器的散热和结构布局，采用前向端面抽运的方式完成多个输出功率为600W的1080nm激光模块的实验和封装，实现4kW高功率光纤激光器对激光模块的要求。根据激光模块的实验和封装，实现500W光纤激光器生产关键工艺的控制，实现500W光纤激光器的小批量生产。在500W光纤激光器的制作基础上，采用自主发明的特殊光纤光隔离和光剥除技术，设计在激光材料加工过程中能够抗反射的被动式防反射光纤激光器。在激光切割实验中，验证了该激光器在金属加工过程中能够长期稳定工作，并且在对铝、紫铜等高反射材料进行加工时同样可以完全稳定的工作。 4.根据国家重大专项项目对激光功率合束的要求，对高功率的光纤合束器进行了研制。结合光纤拉锥的制作过程，模拟分析了锥形光纤的模场分布，基于光纤熔接/拉锥处理平台，采用石英玻璃套管法制作了7×1的光纤功率合束器。采用纤芯/包层直径为20/130μmn，NA为0.08的大模场光纤为光纤合束器的输入光纤，合束器的输出直径为100μm，并且测得该合束器平均传输效率为93％。最后，采用7×1功率合束器对自主封装的600W激光模块进行合束，完成4kW高光束质量输出光纤激光器的研制。收起

关键词 : 光纤激光器镱离子级联耦合器光纤热模型光纤合束器