Comparison of Q-factors between TE and TM modes in 3-D microsquares by FDTD simulation

Mode characteristics of three-dimensional (3-D) microsquare resonators are investigated by finite-difference time-domain (FDTD) simulation for the transverse electric (TE)-like and the transverse magnetic (TM)-like modes. For a pillar microsquare with a side length of 2 pin in air, we have Q-factors about 5 X. 103 for TM-like modes at the wavelength of 1550 run, which are one order larger than those of TE-like modes, as vertical refractive index distribution is 3.17/3.4/3.17 and the cororresponding center layer thickness is 0.2 mu m. The mode field patterns show that TM-like modes have much weaker vertical radiation coupling loss than TE-like modes. TM-like modes can have high Q-factors in a microsquare with weak vertical field confinement.

40-Gb/s Low Chirp Electroabsorption Modulator Integrated With DFB Laser

A 40-Gb/s monolithically integrated transmitter containing an InGaAsP multiple-quantum-well electroabsorption modulator (EAM) with lumped electrode and a distributed-feedback semiconductor laser is demonstrated. Superior characteristics are exhibited for the device, such as low threshold current of 20 mA, over 40-dB sidemode suppression ratio at 1550 nm, and more than 30-dB dc extinction ratio when coupled into a single-mode fiber. By adopting a deep ridge waveguide and planar electrode structures combined with buried benzocyclobutene, the capacitance of the EAM is reduced to 0.18 pF and the small-signal modulation bandwidth exceeds 33 GHz. Negative chirp operation is also realized when the bias voltage is beyond 1.6 V.

An improved TM method for full two-port calibration of the asymmetric test fixtures

Three known standards, including at least one transmission standard, are normally required for the full two-port calibration of test fixtures. Based on the triple-through method, a new general-purpose calibration procedure using only one known reflection standard is proposed in this paper. The experimental results show that our method call provide a simple and accurate approach to fall two-port calibration of the asymmetric test fixtures. (c) 2005 Wiley Periodicals, Inc.

High-Q TM whispering-gallery modes in three-dimensional microcylinders

We present a generation condition for realizing high-Q TM whispering-gallery modes (WGMs) in semiconductor microcylinders. For microcylinders with symmetry or weak asymmetry vertical waveguiding, we show that TM WGMs can have a high Q factor, with the magnitude of 10(4) at the radius of the microcylinder of 1 mu m, by three-dimensional numerical simulation. The Q factor of TE WGMs is much less than that of TM WGMs in the semiconductor microcylinders due to a vertical radiation loss caused by mode coupling with the vertical propagating mode. The results open up a possible application of TM WGMs in semiconductor microcylinders for efficient current injection microlasers and single photon sources.

High Q-factor TM modes in three-dimensional semiconductor microresonators

We have investigated the mode characteristics for three-dimensional (3D) semiconductor microresonators by finite-difference time-domain (FDTD) technique. The results show that the quality-factors (Q-factors) of TM-like modes are much larger than those of TE-like modes as the vertical waveguidng formed by semiconductor materials.

Quantifying the effectiveness of SiO2/Au light trapping nanoshells for thin film poly-Si solar cells

In order to enhance light absorption of thin film poly-crystalline silicon (TF poly-Si) solar cells over a broad spectral range, and quantify the effectiveness of nanoshell light trapping structure over the full solar spectrum in theory, the effective photon trapping flux (EPTF) and effective photon trapping efficiency (EPTE) were firstly proposed by considering both the external quantum efficiency of TF poly-Si solar cell and scattering properties of light trapping structures. The EPTF, EPTE and scattering spectrum exhibit different behaviors depending on the geometric size and density of nanoshells that form the light trapping layer. With an optimum size and density of SiO2/Au nanoshell light trapping layer, the EPTE could reach up to 40% due to the enhancement of light trapping over a broad spectral range, especially from 500 to 800 nm.

Prediction of simultaneously large and opposite generalized Goos-Hanchen shifts for TE and TM light beams in an asymmetric double-prism configuration

It is predicted that large and opposite generalized Goos-Hanchen (GGH) shifts may occur simultaneously for TE and TM light beams upon reflection from an asymmetric double-prism configuration when the angle of incidence is below but near the critical angle for total reflection, which may lead to interesting applications in optical devices and integrated optics. Numerical simulations show that the magnitude of the GGH shift can be of the order of beam's width.

40-GHz wavelength tunable mode-locked SOA-based fiber laser with 40-nm tuning range

A 40-GHz wavelength tunable mode-locked fiber ring laser based oil cross-gain modulation in a semiconductor optical amplifier (SOA) is presented. Pulse trains with a pulse width of 10.5 ps at 40-GHz repetition frequency are obtained. The laser operates with almost 40-nm tuning range. The relationship between the key laser parameters and the output pulse characteristics is analyzed experimentally.

基于CLIGEN和GCM模型预测未来40年黄土丘陵沟壑区的气候变化——以安塞为例

为预测3种温室气体排放情景(A2、B2和GGa1)下未来40年黄土丘陵沟壑区的气候变化,利用安塞试验站1986—2003年的气候观测资料以及1986—2049年GCM(HadCM3)栅格数据,通过空间转换和时间转换,利用CLIGEN和GCM模型,预测未来40年以安塞为代表的黄土高原丘陵沟壑区的气候变化。结果表明:与当前条件相比,到2049年,A2、B2和GGa1 3种情景下预测的降雨量分别增加37%、22%和12%;3种情景下预测的最大月均降雨量出现在夏季;到2049年,A2、B2和GGa1 3种情景下预测的月均最低气温和月均最高气温皆增加,但差异不明显,年均最低气温和年均最高气温分别增加1.41~1.56℃和0.92~1.57℃。

基于项目驱动的藉河流域土地利用时空变化动态分析

根据1997年、2001年和2005年三期TM影像资料,运用遥感非监督分类的方法提取土地利用信息。利用地理信息系统空间分析和数据统计的方法,分析藉河流域1997~2005年间土地利用数量变化和空间变化特征,研究该地区主要土地利用类型数量变化、空间变化以及在不同坡度的动态变化特征。结果表明:耕地、林地和草地三种主要土地利用类型占该研究区土地利用面积的97%以上,是该研究区主要的土地利用类型。以1997年为基数,到2001年和2005年耕地减少幅度分别为1.2%和11.1%,因此1997~2001年的退耕程度小于2001~2005年;在不同坡度上,土地利用变化主要发生在5°~40°,而且在15°~25°之间变化最大。

分子组装体的扫描探针显微学研究

本文简要评述了扫描探针显微学研究的发展过程、目前状况及发展方向，着重介绍了扫描探针显微学(SPM)在分子组装体研究中的一些应用。采用扫描探针显微学结合电化学的方法对自组装膜(SAMs)、表面活性剂(surfactant)、纳米颗粒(nanoparticles)等分子组装体系进行了研究，并结合IR、QCM、XPS、XRD等多种手段对分子组装体在电极表面的形态和结构进行了探讨。主要结果如下：1．SPM研究以杂多酸为基础的分子组装体我们通过将AsMo_(11)V0_(40)~(4-)杂多酸阴离子从其酸性溶液中自吸附至金表面的方法，制备了一类新的无机自组装膜。我们利用QCM、STM和电化学方法分别研究了AsMo_(11)VO_(40)~(4-)自组装膜的吸附过程、在Au表面的结构和电化学性质。QCM数据表明这个自组装过程可以用Langmuir吸附等温式来描述，其吸附自由能为-20 KJ/mol。 通过QCM测得的AsMo_(11)VO_(40)~(4-)自组装膜的表面覆盖度的最大值为1.7 * 10~(-10)mol/cm~2，这相当于一个AsMo_(11)VO_(40)~(4-)阴离子的密堆积单层。AsMo_(11)VO_(40)~(4-)自组装膜的循环伏安图上出现三对可逆的氧化还原峰，每对峰所对应的自组装膜的表面覆盖度都亦为1.78 * 10~(-10) mol/cm2，和QCM结果一致。现场STM图像显示AsMo_(11)VO_(40)~(4-)自组装膜十分的均一没有如何多层或聚集体的结构。高分辨STM图进一步显示在Au(111)表面的sMo_(11)VO_(40)~(4-)自组装膜于+0.7 V(vs．Ag | AgCl)表现出二维有序的四方晶体结构，晶格间距为10-11 A。这个值与sMo_(11)VO_(40)~(4-)阴离子的直径十分接近。从STM图我们也估算出AsMo_(11)VO_(40)~(4-)自组装膜的表面覆盖度为1.8 * 10~(-10) mol/cm~2，这和QCM以及电化学的实验结果都很接近。我们进一步研究了一种新的以杂多酸为基础的有机无机复合膜--砷钼钒杂多酸的十一烷基吡啶盐(CPMVA)--的制备、结构和电催化性质。通过在这种盐的丙酮溶液中循环电位扫描，我们可以在HOPG电极表面制备稳定的CPMVA膜。我们利用XPS、STM和电化学多种手段来表征CPMVA膜的结构和性质。这些研究表明：在新剥离HOPG表面CPMVA膜的结构为自聚集的分子团，而在预阴极化HOPG表面CPMVA膜的结构为自有序单层。CPMVA膜在酸性和丙酮溶剂中部表现出可逆的氧化还原动力学行为，这说明这种新类型的膜甚至能在有机溶剂中用作催化剂。当溶液的pH值大于7.O时，CPMVA膜也能维持其稳定性，它对pH值的依赖程度明显小于其无机物形式的膜(H_4AsMo_(11)VO_(40))对pH值的依赖程度。CPMVA膜对Br0_3-的还原表现出很好的电催化活性，催化电流与BrO_3~-的浓度的平方成正比。这种有很高稳定性的新类型杂多酸膜在催化剂领域中将有很广阔的应用前景。2．电化学STM研究吸附在金属表面的表面活性剂聚集体由于电位诱导引起的结构变化表面活性剂在表面的吸附已广泛地被用于限制电极表面的活性和稳定溶液中的胶体和纳米粒子，但是人们对表面活性剂在电极表面的结构和由于电位变化所引起的结构改变并不清楚。在这个工作中我们利用现场STM观察了电位控制下表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)在Au(111)表面的吸附。STM图像显示通过控制电位SDS在Au(111)表面有一从半圆柱胶束单层向致密双层膜过渡的构象变化。我们也建立了SDS聚集体在Au(111)表面电位诱导结构变化的模型。就我们所知，这是第一次系统地研究表面活性剂聚集体在金属表面的电位诱导结构变化。3．在固体表面构筑有序的聚苯胺分子导线我们提出了一种新的通过分子设计构筑有序聚苯胺分子导线的新方法。首先，根据Saveant的方法我们在HOPG表面修饰上有序的4-氨基苯单层，然后溶液中的苯胺分子通过阶跃的方法被层层电聚合在4-氨基苯单层修饰的HOPG表面，形成有序的聚苯胺分子导线。FTIR-ERS和XPS结果证实HOPG表面上形成了聚苯胺。SPM图显示在HOPG表面的聚苯胺平面结构为有序的3~(1/2) * 3~(1/2) R 30°。小角X-射线反射结果表明聚苯胺分子导线是垂直站立在HOPG表面。电化学测量进一步表明聚苯胺分子导线的形成有利于加速电子传递速率。这种先分子设计后电聚合的方法可能会成为一类在固体表面制备有序导电聚合物分子导线的新方法。依据上一个实验，我们在金表面通过自组装的方法构筑了绝缘分子导线。我们选择β-环糊精(β-CD)作为包络4-氨基硫酚的理想主体分子。β-CD和4-氨基硫酚形成的包络物首先被自组装到Au表面，然后也通过阶跃的方法被层层电聚合在自组装膜修饰的Au表面，形成有序的聚苯胺分子导线。FTIR-ERS和XPS结果证实Au表面上形成了聚苯胺。低电流STM(LC-STM)图像表明在Au(111)表面的聚苯胺分子线为六角的二维有序，分子与分子之间的最相邻距离为15.5±0.5 A。这种先进行CD超分子自组装后电聚合的方法可能会成为一类制备导电聚合物绝缘分子导线的新方法。4．SPM研究在HOPG表面电化学合成的纳米材料我们通过脉冲恒电位方法从稀的苯胺酸性溶液(1mM苯胺 + 1 M HClO_4)在HOPG表面制备聚苯胺纳米颗粒。我们利用FTIR-ERS、XPS、TM-AFM手段来表征聚苯胺纳米颗粒的组成和结构。FTIR-ERS和XPS结果表明制得的聚苯胺纳米颗粒主要以亚胺形式存在。TM-AFM图像显示分散于HOPG表面的聚苯胺纳米颗粒的表面覆盖度约为10~(10)cm~(-2)。这些纳米颗粒都为圆盘型，直径为200到600埃，高度为10到30埃。这些纳米颗粒的大小随聚合电量由5.7 μC/cm~2增加到19.3 μC/cm~2而增大。我们提出了一种通过分子设计在HOPG表面制备金属纳米粒子的新方法。第一步，根据Saveant的方法我们在HOPG表面修饰上一个4-氨基苯单层。第二步，通过配位相互作用Ag~+能在4-氨基功能化的HOPG表面形成单层。第三步，通过脉冲恒电位方法我们就能在4-氨基苯功能化的HOPG制备Ag纳米颗粒。电化学测量证明了在HOPG表面上Ag纳米颗粒的形成。STM图像显示通过这种方法制得的Ag纳米颗粒的大小十分均一且在HOPG表面上的分散度很高。这种新方法可被广泛地用来在碳表面制备各种金属纳米粒子。

染料掺杂聚合物薄膜放大自发发射和受激发射的研究

随着有机／聚合物电致发光材料在有机发光二极管上的应用以及有机晶体管和有机太阳能电池的研制成功，有机／聚合物电致发光材料的优异的光电性能、低廉的生产成本、简单的加工工艺、宽广的选材范围和良好的机械性能等优点极大地吸引科学家们的研究兴趣，并开始了有机／聚合物发光薄膜的放大的自发发射和受激发射行为的研究。有机分子和聚合物的诸多如易得、廉价、结构多样、功能易调节、大的横截面积、高的荧光量子效率和低的自吸收等优点使其制成的激光器在未来光纤通讯领域中呈现了诱人的应用前景。新的有机激光材料不断涌现、器件结构不断推陈出新、新的激发原理不断提出并得到修正已经成为有机／聚合物固体激光研究领域的三大特点。本论文以研究有机材料的激光特性为目的，通过对有机染料DCJTB和三芳胺取代1，8-蔡酰亚胺齐聚物掺杂聚合物薄膜的放大的自发发射和受激发射特性的研究，探讨实现低闭值、高增益光泵浦有机聚合物激光的方法及影响器件性能的因素，阐明放大自发发射的工作机制，为进一步探讨电泵浦有机聚合物激光器提供材料体系和理论依据。1、研究了DCJTB掺杂聚合物薄膜的放大自发发射特性，分析了光泵浦条件下光谱窄化的放大自发发射机制，对ASE增益和损耗进行了讨论和数值拟合，并对增益方程进行了饱和修正。DCJTB：PS薄膜具有较低的闺值（0．16mJ·Pulse~(_1)·cm-2）、高的增益系数（40．72cm-1）、低的损耗值2．49cm一l和高的荧光量子效率（70．4％），其波导增益的波长分布呈明显的洛仑兹分布，增益饱和是均匀展宽的。与DCM比较发现，自由体积是决定材料性能的重要因素，大的自由体积有利于实现低闭值、高增益。我们的研究结果表明，DCJTB是非常好的激光介质材料。2、从ASE的发射波长、ASE闭值、增益和损耗四个技术指标出发，详细研究了激发光波长、聚合物基体、旋涂速度及基片等对DCJTB：PS薄膜放大自发发射（ASE）的影响，短的激发波长和合适的基体材料可以显著地降低闭值和提高增益，薄膜厚度和基片也对ASE性能有很大影响。利用琢lord镜面体系，研究了DCJTB染料掺杂相列向液晶体系的分布反馈激光特性，在电场作用下，可以有效地对TE、TM两种模式的输出强度进行调解。3、把电子传输／发光有机小分子材料Alq3掺杂到DCJTB和C545T掺杂聚合物薄膜，研究了它们的放大自发发射特性。通过在不同激发光波长激发下不同Alq3掺杂浓度对ASE性能影响的研究，发现掺杂Alq3显著地降低了闭值，增加了增益和减小了损耗。由于Alq3是一种良好的半导体有机发光材料，Alq3的引入对电泵浦有机聚合物激光器的研究具有重要的意义。4、研究了三种在4位氨基位置引入不同三芳胺功能基团的红光1，8-蔡酞亚胺齐聚物的放大自发发射特性，研究结果表明，三芳胺取代1，8蔡酞亚胺齐聚物具有低阂值、高增益和低损耗的特点，显示了较小的浓度淬灭效应，即使掺杂浓度高到60％仍可以观察到放大的自发发射现象，表明三芳胺取代1，8茶酞亚胺是一类非常有应用前景的有机半导体激光材料体系。