关键词： 半导体激光器   双闭环温度控制   模糊PID   粒子群优化算法  

摘要： 半导体激光器因为其体积小、能效高、寿命长等优点,被广泛应用于激光通信、精密加工和医疗等领域。但是,在实际的工程应用中,半导体激光器的输出特性会同时受到工作环境的温度变化和半导体激光器自身的温度变化的影响,而该输出特性的影响主要体现为半导体激光器输出激光的波长和光功率的稳定性的改变。因此,为了解决半导体激光器的输出特性受温度影响较大的问题,本课题主要对温度控制系统的各个部分进行设计,研制出了成本相对较低、输出稳定性相对较高的半导体激光器温度控制系统。 本课题的具体研究顺序是先对整个控制系统进行理论上的设计和仿真验证,再在理论研究的基础上进行相应的硬件设计。具体研究内容如下: (1)设计整个温度控制系统的控制结构。根据对整个课题的进一步解析,通过学习开环控制和闭环控制,分析两种控制系统的优缺点,本课题创新性地将整个半导体激光器温度控制系统的控制结构设计为双闭环控制结构。 (2)计算双闭环温度控制系统的传递函数。本课题在复频域建立整个温度控制系统的数学模型,通过相关计算公式分别计算出内环温度控制系统和外环温度控制系统的传递函数。 (3)确定整个温度控制系统的控制方案。学习PID控制和模糊PID控制两种控制方法,通过仿真对比两种控制方法的控制效果,本课题选择使用模糊PID控制作为整个双闭环温度控制系统的控制方案。 (4)创新性地使用粒子群优化算法对双闭环温度控制系统进行优化。将粒子群优化算法加入到PID控制算法中,通过对PID控制、模糊PID控制和粒子群优化模糊PID控制进行仿真比较分析,验证了粒子群算法优化双闭环温度控制系统的研究方案的可行性。 (5)对双闭环温度控制系统进行相应的硬件结构设计。本课题将整个双闭环温度控制系统分成了温度调节部分、温度采集部分、数据处理部分和半导体激光器驱动电源四个部分。本课题针对每个部分分别设计了相应的控制电路、驱动电路和供电电路,最后将四个部分进行整合,完成了对半导体激光器温度控制系统的设计,并且通过间接检测的方式,本课题设计的半导体激光器双闭环温度控制系统能实现在24小时内,温度控制的精度达到0.08℃。 (6)结束了对双闭环温度控制系统的研究后,本课题还设计了半导体激光器的光功率检测系统,间接检测结果显示整个系统在24小时内的光功率稳定性为2%。

摘要： 为紧跟国际功率半导体器件技术发展步伐,推动我国新型半导体功率器件技术水平进一步提高,加快其成果转化和应用推广,增强自主创新能力,由中国半导体行业协会半导体分立器件分会主办的“第十届全国新型半导体功率器件及应用技术研讨会”于2024年11月3—5日在西安召开。本会议是继厦门、昆明、长沙、苏州、深圳、成都、重庆、无锡、广州成功举办后,我国半导体功率器件及应用领域又一次重要的学术、技术交流活动,将为广大从事新型功率半导体材料、器件及其应用技术工作者提供一个高起点、大范围、多领域的沟通平台,增进产学研及应用端之间的技术交流,相互学习,共同提高。

关键词： 纳米线   光子晶体   拓扑   激光器  

摘要： 半导体激光器在通信、医疗、传感、科学研究等领域有着广泛的应用,一直是光子学的前沿热点。随着社会对低功耗、高速率半导体芯片需求的持续攀升,小型化、低功耗、易集成的纳米激光器成为半导体激光器的重要发展方向。半导体纳米线具有纳米级的横向尺寸,兼具高效增益介质和光学谐振腔功能,是最有潜力的纳米激光器结构之一。目前报道的纳米线激光器大部分是基于单根纳米线,缺乏更有效的光学谐振腔结构,在阈值、模式、远场发散角等方面的性能距离实用仍有很大差距。拓扑光子学是近年来光子学领域的新兴研究热点,其突破了传统基于实空间光场叠加原理和倒空间固体能带色散理论的光场调控思想,提供了一种新颖的光场调控机制。将拓扑光子晶体结构与半导体纳米线结合起来,有望突破传统纳米线激光器的瓶颈,实现低功耗、高性能的纳米激光器。本文围绕基于半导体纳米线异质结构阵列的拓扑光子晶体激光器展开研究,取得的主要成果和创新点如下: (1)设计出一种工作在1550nm波段的Si基边缘态拓扑光子晶体InGaAsP/InP核壳纳米线阵列激光器结构,并利用FDTD方法研究了器件特性。器件以包含四根纳米线的四方晶格作为单元结构,通过扩张或收缩四根纳米线得到光子带隙“打开-闭合-打开”的过程,实现拓扑相变,在内部拓扑非平凡光子晶体和外部拓扑平凡光子晶体的交界处产生受拓扑保护的光子拓扑边界。利用紧束缚模型计算投影带结构,验证了第一带隙中存在边缘态。通过优化结构参数,器件获得了 4.7×104的品质因子和11 dB的边模抑制比,分别为传统光子晶体纳米线阵列的32.9倍和5.5倍。在此基础上,采用四能级二电子模型研究了激光器的阈值特性。得益于拓扑光子晶体极强的光约束能力,光泵浦条件下的阈值比传统光子晶体纳米线阵列激光器低27.3%。此外,研究了缺陷和微扰对器件性能的影响,发现器件对制造工艺误差具有很高的容忍度。 (2)设计出一种工作在1550 nm波段的Si基InGaAsP/InP核壳纳米线阵列体态拓扑光子晶体激光器结构。通过调整晶格常数和纳米线直径,使体态波长落在Dirac点附近。进一步优化拓扑区域面积和纳米线高度,实现了 1.2×105的品质因子和13.2dB的边模抑制比,分别是均匀纳米线阵列的28.6倍和4.6倍。采用四能级二电子模型计算得出其光泵浦阈值较均匀纳米线阵列降低了 17%,最大输出强度则提高了 613%。得益于拓扑保护机制,器件的远场发散角仅为2°。本工作为Si基低阈值、小远场发散角、高输出功率面发射激光器的制备提供了一条有效途径。 (3)为弥补传统纳米线核壳结构发光性能的不足,设计出一种基于GaAs/InGaAs纳米线/量子点径向复合结构的激光器结构,通过引入具有三维量子限制效应的量子点增强增益介质的发光效率。研究发现纳米线腔显著提高了量子点的自发辐射率,在直径为330 nm处获得了 15.5的Purcell因子,阈值较传统GaAs纳米线激光器低1-2个数量级。在此基础上设计出一种基于GaAs/InGaAs纳米线/量子点径向复合结构阵列的体态拓扑光子晶体激光器,器件表现出较低的阈值和较小的远场发散角。

关键词： 高功率   全固态激光器   脉冲   非线性频率转换   相位匹配  

摘要： 高功率全固态脉冲激光器因其具有结构紧凑、光束质量高、长期稳定性好等优点在工业加工方面有许多重要的应用。其中,1064 nm近红外激光器多用于钢板、不锈钢板、铝合金板等硬质金属材料的切割、清洗、焊接以及表面处理;532 nm绿光则可对塑料、玻璃、陶瓷等材料进行标记和刻印;尤其是355 nm紫外以及266 nm深紫外激光器,由于其具有波长短、单光子能量高且分辨率高的特点,已被广泛用于精密材料原件的微加工、打标以及光刻等工艺流程。在材料加工时,激光波长的选择取决于具体的加工需求和材料特性,为满足更加多样化的需求,我们开展了高功率全固态多波长脉冲激光器的研制,具体研究内容包括: 一、设计了一台高光束质量、高峰值功率且稳定运转的全固态腔倒空Nd:YVO4近红外脉冲激光器,并通过腔外二倍频将激光发射波长进一步扩展至532 nm波段。谐振腔采用平凸腔结构,为有效减缓Nd:YVO4增益晶体的量子亏损热效应,选用中心波长为888 nm的LD作为其泵浦源。通过优化泵浦激光与谐振腔的模式匹配以及谐振腔的腔长参数,当泵浦光功率为65 W时,1064 nm激光的输出功率可达26 W,其重复频率为20 k Hz,单脉冲宽度为5.2 ns;然后利用Ⅰ类非临界相位匹配的LBO晶体作为二倍频晶体,通过扫描LBO晶体温度实现精确的相位匹配后,获得了最高功率为16 W的532 nm脉冲激光,红外到绿光的转换效率可达61.5%。 二、基于已经获得的高峰值功率1064 nm以及532 nm纳秒脉冲激光,通过腔外三倍频,研制了一台全固态355 nm紫外脉冲激光器。为了补偿三倍频过程中绿光的走离效应,从而提高倍频转换效率,选取带有17°楔角且为Ⅱ类临界相位匹配的LBO晶体作为三倍频晶体,最终获得最高功率为9 W的355 nm脉冲激光。 三、基于输出功率为16 W的全固态532 nm脉冲激光器,利用四倍频BBO晶体进一步研制了一台全固态266 nm深紫外脉冲激光器。在深紫外激光产生过程中,BBO晶体内部严重的非线性吸收带来的热效应会破坏其相位匹配条件,进而制约其功率的提升。为此,我们首先对四倍频过程中不同匹配温度下的晶体内部温升情况进行研究,通过理论与实验相结合的方式证明提高晶体匹配温度可以在减小晶体非线性吸收系数以及色心密度的基础上,降低晶体内部产热量从而改善深紫外激光功率输出;其次深入研究了四倍频过程中绿光束腰尺寸以及晶体参数对深紫外激光输出特性的影响,通过适当增大注入532 nm激光的束腰尺寸并且采用横截面更小的晶体,可以在有效降低晶体内部热效应的同时,直接缓解相位失配导致的输出功率饱和现象,最终利用尺寸为3×3×7 mm3的BBO晶体,并将其匹配温度提升到150℃,注入绿光的束腰半径放大为400μm,得到了输出功率为4.13 W的266 nm深紫外脉冲激光器,绿光到紫外转换效率可达25.8%。 在原实验光路的基础上,制备了可同时输出1064/532/355/266 nm四个波长激光的小型化全固态脉冲激光器样机,装配调试完毕后激光输出各项指标良好,输出的四个波长的激光最高功率分别可以达到22.3 W、13.6 W、7.9 W以及2.6 W,尤其是,在12小时内功率稳定性均优于1.0%（RMS）。该多波长激光器目前已应用于材料改性、材料转移等方面的科学研究,经用户使用,效果良好、运转稳定并且操作简单,已经具备了实用化的条件。

关键词： 自旋垂直腔面发射激光器   非线性动力学   时滞型储备池计算   自适应选择模型  

摘要： 在人工智能蓬勃发展的时代,我们对于信息处理的性能有着越来越高的要求。由于半导体激光器具有丰富的动力学行为和极快的响应速度,使其在信息处理领域展现出独特的优势,近些年也得到了广泛的关注与应用,因此开展非线性激光动力学的研究有助于信息处理能力的进一步提升。自旋激光器作为一种新型光源,通过在半导体腔中通过注入电信号或圆偏振光就能产生自旋载流子,从而实现了自旋电子学与半导体激光器的完美结合。通过控制泵浦电流的极化程度,系统性探究了自旋半导体激光器的动力学行为,揭示了超热辐射,阈值降低,周期振荡等特性,这对于激光器件的设计和制造具有重要意义。 基于自旋半导体激光器模型,本项工作将传统的储备池计算系统延伸到光学领域的神经网络,形成了以自旋垂直腔面发射激光器(Spin-Vertical Cavity Surface Emitting Lasers,Spin-VCSEL)作为非线性节点的时滞型储备池结构。在充分挖掘该储备池系统计算性能的基础上,结合系统的自适应模型选择能力,继续对其在人工智能领域的应用上展开探索。 本文的主要工作和研究内容分为如下三个部分: (1)首先阐述自旋垂直腔面发射激光器的工作机制及研究现状,接着数值分析其在注入自旋电子后产生的非线性动力学行为,同时研究噪声对数值结果的影响。此外,对两个偏振态的光子统计特性和偏振动力学进行多种形式的表征,进而揭示两个偏振模式的激射行为,从理论上研究了自旋垂直腔面发射激光器的非线性动力学特性及其影响因素。 (2)构建了基于Spin-VCSEL的储备池计算系统(Reservoir Computing,RC)。通过调节泵浦极化率P实现对Spin-VCSEL的两种偏振模式的控制,对比性地分析了X偏振分量和Y偏振分量在混沌序列预测任务中的性能差别,为后续的实验寻求预测性能最佳的参数配置。 (3)设计了一种基于光学储备池的自适应模型选择方案,利用模型的切换还原了输入信号特性在时域上发生急剧变化的场景,充分探究该场景下极化率对系统预测性能的影响。通过分析X偏振与Y偏振两种模式的自适应选择能力,发现它们都能以较快的速度准确地识别出对应模型,并且自适应的切换对应输出权重来提高系统预测的精确程度,这为自旋光子学领域的人工智能算法在多目标识别方面提供了理论基础。

关键词： 随机计算   随机数生成   混沌半导体激光器   双三次插值   实时超分辨率  

摘要： 随着人工智能技术的不断发展,计算能力需求不断攀升。尤其在深度学习等领域中,企业和研究机构对高性能计算平台的需求变得越发迫切。相较于传统的二进制计算,随机计算作为一种新兴的硬件设计范式,因其具有更小的电路面积、功耗以及更高的容错率,受到了越来越多的关注。然而,随机计算提高精度需要更长的随机序列,随机序列生成器(Stochastic Number Generator,SNG)的功耗也随之提升,占据了整体电路功耗的主要部分。因此,在随机计算架构设计中,减少SNG的开销成为一个急需解决的挑战。 针对这一问题,本文围绕着低成本的SNG展开相关研究,提出了一种基于混沌半导体激光器的随机计算架构,极大的降低了SNG的电路开销。本文首先介绍了混沌半导体激光器的相关理论,并分析了其在随机数生成方面的优点和潜力。通过数值模拟分析了基于分布式反馈(Distributed Feedback,DFB)激光器的混沌半导体激光器输出混沌信号的时延特征、有效带宽等特性。结果表明,混沌半导体激光器具有至少6.23GHz的有效带宽,以及存在着与外腔长度相关的时延特征。随后,本文提出了一种基于最低位截取和延迟反转异或的原始混沌信号的后处理方法,以消除信号中的偏置,得到适用于随机计算的无偏随机序列。在此基础上,本文介绍了随机计算的基本模块,并提出了一种基于混沌半导体激光器的SNG设计(Chaotic Laser based SNG,CL-SNG),并结合随机乘法器分析了其计算精度。数值仿真实验结果表明,本文提出的CL-SNG设计在精度上相较传统的基于线性反馈移位寄存器(Linear Feedback Shift Register,LFSR)的SNG设计提升26%左右。 为了验证所提随机计算架构的效果,本文在现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)上设计并仿真验证了一种双三次插值硬件。双三次插值是一种经典的图像超分辨率算法,可以高质量地重建图像,但其计算复杂度较高,需要设计高效的硬件实现。本文提出了一系列优化方案,完成了双三次插值硬件的整体设计,主要包含输入相关电路、处理单元(Processing Element,PE)、输出相关电路这三个部分,并在一块Zynq-7020 FPGA上仿真验证了4倍实时超分辨率硬件。随后,本文提出了基于自研随机架构的PE设计,并将其应用于双三次插值硬件。仿真实验结果表明,基于混沌半导体激光器的随机计算架构在双三次插值硬件实现中能够大大减少硬件资源的使用量,相较于传统二进制计算硬件实现,以几乎同等的精度,降低了34%的LUT(Look-up Table)使用,为实时图像超分辨率系统提供了新的硬件实现方案。未来,该随机计算架构还可以在其他图像处理和深度学习算法的硬件加速中发挥重要作用。

关键词： 表面增强拉曼散射   Mie共振   电荷转移   SERS传感器   重金属离子检测  

摘要： 表面增强拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering,SERS）光谱是一种超灵敏的传感技术,广泛应用于化学传感器的痕量分析中。传统的贵金属（例如Au和Ag）SERS活性基底材料对温度、光、p H和氧的稳定性差,极大地降低了SERS化学传感器在信号采集和长时间存储过程中的灵敏度和重现性。而半导体基底材料具有低成本,易于合成,热稳定性好等优势,已被认为是贵金属基底的理想替代品。本论文将基于SERS增强机制,构筑新型半导体SERS活性基底,探索物理增强与化学增强协同作用机制,并展开半导体SERS在重金属离子检测方面的应用研究。主要研究内容和结果如下: （1）通过简单的火焰辅助水解法合成了微米尺寸Ti O2球,并采用丝网印刷技术制备了大面积半导体SERS活性基底,显著提升了半导体基底的性能。所得的Ti O2微球阵列（Ti O2 microspherical arrays,MSAs）具有优异的SERS灵敏度,增强因子为7.99×10～7。值得注意的是,这种方法是目前报道的半导体SERS活性基底中灵敏度最高的策略之一,同时也是最简单的策略。通过实验和理论模拟证实了观察到的增强现象,并提出了多种协同共振（分子共振、Mie共振、电荷转移共振）的SERS增强机制。进一步利用Z907染料分子修饰的Ti O2 MSAs作为传感平台,开发了比率型SERS传感器,实现了对Hg2+离子的高灵敏度、高选择性、低成本和稳定的检测,最低检测浓度为10-6 ppb。 （2）采用另一种简单的“熔融-发泡-固化”路线制备了中空泡泡结构的钴离子掺杂Zn O半导体SERS基底,显著提升了Zn O半导体基底的性能。过渡金属离子掺杂可以丰富半导体纳米粒子的表面缺陷态浓度,进一步促进化学增强对SERS增强的贡献。此外,该基底在富集探针分子的同时,促进了光与物质的相互作用,从而达到SERS信号的协同增强。进一步创建了一种基于Ag+诱导催化对硝基苯硫酚（4-nitrophenol,PNTP）生成N,N-二甲基苯胺（dimethylaminobenzaldehyde,DMAB）的半导体SERS传感体系,该传感器实现了对水中Ag+的高灵敏检测,测定Ag+的最低浓度可低至10-7 M,低于美国环境保护局（EPA）允许的最大饮用水标准,且不受其他金属离子的干扰(除Cu2+以外)。 综上所述,本文初步阐明了半导体分子共振、Mie共振和电荷转移共振的协同增强机制,为制备大规模SERS有序半导体阵列开辟了新的可能性,为设计高性能SERS活性半导体基底开辟了新的途径,对半导体SERS基底重金属离子的选择性检测具有实际意义。