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基于x切薄膜铌酸锂平台的TM模弯曲波导

激光与光电子学进展 2024年

作者：高天甘然丰陈斌余嘉扬刘洁郭昌建陈楷旋刘柳浙江大学光电工程学院华南师范大学华南先进光电子研究院中山大学电子与信息工程学院

由于x切薄膜铌酸锂光集成平台的各向异性，光波导TM模在弯曲过程中容易发生模式杂化并耦合到其他模式，对TM模的弯曲构成了一个挑战。本研究以400-nm厚、半刻蚀的铌酸锂波导为例，分析了TM0模在不同波导宽度和传输方向下的模式杂化现象... 详细信息

由于x切薄膜铌酸锂光集成平台的各向异性，光波导TM模在弯曲过程中容易发生模式杂化并耦合到其他模式，对TM模的弯曲构成了一个挑战。本研究以400-nm厚、半刻蚀的铌酸锂波导为例，分析了TM0模在不同波导宽度和传输方向下的模式杂化现象，并对其90°弯曲传输性能进行仿真。最终得出结论：在特定波导宽度区域(约1.7μm-2.15μm),TM0模在90°弯曲过程中不会与其他模式发生杂化；而当波导宽度小于1.7μm(或大于2.15μm)时，TM0模会与TE1(或TE2)模发生耦合。该结论在实验中也得到了验证。本研究为薄膜铌酸锂波导TM模的弯曲提供了设计思路，可用于该平台偏振调控相关的光集成器件。

关键词：集成光学薄膜铌酸锂弯曲波导模式杂化

基于x切薄膜铌酸锂平台的TM模弯曲波导(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第11期61卷 186-191页

作者：高天甘然丰陈斌余嘉扬刘洁郭昌建陈楷旋刘柳华南师范大学华南先进光电子研究院广东广州510631 浙江大学光电科学与工程学院浙江杭州310058 中山大学电子与信息工程学院广东广州510275

由于x切薄膜铌酸锂光集成平台的各向异性,光波导TM模在弯曲过程中容易发生模式杂化并耦合到其他模式,对TM模的弯曲构成了挑战。以400 nm厚、半刻蚀的铌酸锂波导为例,分析了TM0模在不同波导宽度和传输方向下的模式杂化现象,并对其90°弯... 详细信息

由于x切薄膜铌酸锂光集成平台的各向异性,光波导TM模在弯曲过程中容易发生模式杂化并耦合到其他模式,对TM模的弯曲构成了挑战。以400 nm厚、半刻蚀的铌酸锂波导为例,分析了TM0模在不同波导宽度和传输方向下的模式杂化现象,并对其90°弯曲传输性能进行仿真。最终得出结论:在特定波导宽度区域(约1.7~2.15μm),TM0模在90°弯曲过程中不会与其他模式发生杂化;当波导宽度小于1.7μm(或大于2.15μm)时,TM0模会与TE1(或TE2)模发生耦合。该结论在实验中也得到了验证。本研究为薄膜铌酸锂波导TM模的弯曲提供了设计思路,可用于该平台偏振调控相关的光集成器件。

关键词：集成光学薄膜铌酸锂弯曲波导模式杂化

Robust thin-film lithium niobate modulator on a silicon substrate with backside holes

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Chinese Optics Letters 2024年第5期22卷 17-21页

作者：王迈祁璐王浩华阮子良陈耿鑫陈斌龚胜琪陈楷旋刘柳 State Key Laboratory of Extreme Photonics and Instrumentation College of Optical Science and EngineeringInternational Research Center for Advanced PhotonicsZhejiang UniversityHangzhou 310058China Guangdong Provincial Key Laboratory of Optical Information Materials and Technology South China Academy of Advanced OptoelectronicsSouth China Normal UniversityHigher-Education Mega-CenterGuangzhou 510006China National Center for International Research on Green Optoelectronics South China Normal UniversityGuangzhou 510006China Jiaxing Key Laboratory of Photonic Sensing&Intelligent Imaging Intelligent Optics&Photonics Research CenterJiaxing Research InstituteZhejiang UniversityJiaxing 314000China

Recently,Mach–Zehnder modulators based on thin-film lithium niobate have attracted broad interest for their potential for high modulation bandwidth,low insertion loss,high extinction ratio,and high modulation *** periodic capacitively loaded traveling-wave electrode is optimally adopted for ultimate high-performances in this type of ***,such an electrode structure on a silicon substrate still suffers from the velocity mismatch and substrate leakage loss for microwave ***,we introduce a thin-film lithium niobate modulator structure using this periodic capacitively loaded electrode on a silicon *** holes in the silicon substrate are prepared to solve robustly the above *** fabricated device exhibits an insertion loss of 0.9 dB,a halfwave-voltage–length product of 2.18 V·cm,and an ultra-wide bandwidth well exceeding 67 GHz for a 10-mm-long *** transmissions with rates up to 112 Gb/s are *** proposed structure and fabrication strategy are compatible for other types of monolithic and heterogeneous integrated thin-film lithium niobate modulators on a silicon substrate.

关键词： lithium niobate electro-optic modulator high bandwidth backside holes robust structure

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硅基片上模式复用技术进展

华南师范大学学报(自然科学版) 2016年第1期48卷 28-34+2页

作者：刘柳陈楷旋华南师范大学华南先进光电子研究院光及电磁波研究中心

模式复用作为光通信的一个复用维度,最近成为国际上的研究热点.文章综述了最近应用于硅基片上模式复用的相关进展,并介绍了一些核心器件及其性能,如:总线波导、复用/解复用器、光纤接口以及多模光开关等.文章从器件的工作原理,分析比较... 详细信息

模式复用作为光通信的一个复用维度,最近成为国际上的研究热点.文章综述了最近应用于硅基片上模式复用的相关进展,并介绍了一些核心器件及其性能,如:总线波导、复用/解复用器、光纤接口以及多模光开关等.文章从器件的工作原理,分析比较了其性能特点和优缺点,并展望了硅基片上模式复用的发展趋势.

关键词：硅光子学光互连模式复用

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基于生态流量保障的东方红水库优化调度研究

基于生态流量保障的东方红水库优化调度研究

作者：陈楷黑龙江大学

学位级别：硕士

目前国内,传统的水库管理策略主要集中在防洪和利用效益最大化上,往往忽视了对河流生态系统的维护。然而,随着社会进步和环保意识的提高,水库的运行管理向一个更加全面的方向发展,即在追求经济效益的同时,也注重对河流生态的保护和修复... 详细信息

目前国内,传统的水库管理策略主要集中在防洪和利用效益最大化上,往往忽视了对河流生态系统的维护。然而,随着社会进步和环保意识的提高,水库的运行管理向一个更加全面的方向发展,即在追求经济效益的同时,也注重对河流生态的保护和修复。进行水库生态调度的研究核心目标在于评估现行调度方案对河流生态的效应,并检验所构建生态模型的准确性。随着生态调度技术的不断进步和人类对气候变化规律理解的加深,研究气候变化对水资源的影响已成为必然趋势。通过分析未来气候变化对流域水库生态调度的潜在影响,可以预测未来水资源的变化趋势以及现有调度方案对生态系统的长远影响。本文以东方红水库为研究对象,从流域未来气候变化情景下径流过程入手,明确了东方红水库的生态调度目标,并构建了一个旨在平衡发电与生态需求的多目标水库生态调度模型。通过运用精英策略增强的快速非支配排序遗传算法(NSGA-II)来解决调度问题,并从中选出了典型年度的最佳生态调度方案。论文的主要研究内容与结论如下:(1)构建中国气象同化驱动数据集(CMADS)与传统水文站两种气象数据驱动流域分布式水文模型,对CMADS与传统水文站降水、气温数据的精度及时空分布特征进行分析,评估了CMADS数据集作为气象驱动数据的适用性及其对传统水文站数据的替代潜力。研究结果显示,CMADS支撑下的模型率定期和验证期模拟效果非常好、吻合程度高、偏差小,比传统水文站在研究区具有更好的模拟精度和适用性。选用假定法建立气候变化情景,在CMADS气象观测数据基础上。在CMADS气象观测数据的基础上,设定了气温分别升高0.5℃、1℃、1.5℃以及降水量分别增加5%、6%、7%的多种气候变化情景。利用已经校准的SWAT模型,对2024-2050年期间的未来气候情景进行了模拟分析。(2)采用最枯月平均流量法和年内分布计算法来分别估算生态所需的最小流量和适宜流量。通过对比Tennant方法的评价指标,可以得到,不论是在常规用水期(从10月到次年3月)还是鱼类繁殖和生长旺盛期(从4月到9月),这两种水文计算方法得到的生态流量过程在Tennant评价体系中的结果均与水库的生态条件和年度径流需求相吻合,表明这些计算结果合理且可信。(3)构建了一个多目标优化模型,其核心目标在于最大化发电量和提升年内生态流量的满足率,采用NSGA-Ⅱ求到最优解集,通过实施生态调度,能够在最大程度满足目标函数要求。根据计算成果,丰水年的年内生态流量满足率为100%,最大发电量为119.5万KW·h;平水年次之为96.14%,最大发电量为104万KW·h;枯水年最低为92.27%,最大发电量为89.3万KW·h。

关键词： CMADS SWAT分布式水文模型生态流量多目标生态调度 NSGA-Ⅱ

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纯电动商用车驱动电机损耗计算及温度场分析

纯电动商用车驱动电机损耗计算及温度场分析

作者：陈楷翼重庆理工大学

学位级别：硕士

在新能源汽车产业中,电动化的发展趋势尤为显著,特别是在商用车领域,如公共交通、城市物流及配送等,这些应用对动力系统的性能及稳定性提出了更高的要求。其中,三电系统的性能尤为关键,直接影响车辆的驱动力和运行效率。电机作为三电系... 详细信息

在新能源汽车产业中,电动化的发展趋势尤为显著,特别是在商用车领域,如公共交通、城市物流及配送等,这些应用对动力系统的性能及稳定性提出了更高的要求。其中,三电系统的性能尤为关键,直接影响车辆的驱动力和运行效率。电机作为三电系统中动力转换的核心部件,其性能直接决定了商用车的扭矩和运行效率。在商用车辆中,由于重载运输的需求,电机必须提供更大的扭矩,并且在长时间运行中保持高电流输出。然而,随着扭矩和电流增大,电机的发热量也会相应增加。永磁同步电机因其出色的功率密度、效率以及过载能力,在商用车领域中获得了广泛的使用。然而,这种电机的体积小且转速高,使其在密闭空间安装时,面对恶劣条件或长期运行易导致温度升高。过度发热不仅会降低电机的效率,还可能导致电机及其相关组件的损坏,进而影响到车辆的可靠性和寿命。因此,在新能源商用车领域,电机的热管理成为保证车辆性能和稳定性的关键技术之一。本文针对某中型纯电动商用车动力总成系统存在电机发热严重、能耗高的问题,对电机进行基本电磁性能进行分析,求解电机典型工况下的损耗,对电机温度场进行分析,对电机设计冷却水道,选取较优水道进行多目标优化,最后采用优化方案对峰值工况进行了流量匹配,对电机在不同工况下得温度场进行研究。主要包括以下研究内容:(1)基于商用车需求,对电机进行参数匹配,并结合基本电磁性能、温度场基本理论进行分析,为电机建立损耗计算模型、温度场流场耦合求解模型奠定基础。(2)根据电机尺寸和结构,建立电机电磁分析模型,设置电机各部件材料属性、激励等基本参数,对电机基本电磁性能进行分析,并验证电磁模型准确性。基于电机经典工况和电机电磁模型,计算电机在各经典工况下各部件的损耗数值,并对电机各部件生热率进行计算,为后续电机温度场仿真提供热源。(3)建立电机温度场求解模型,计算电机各部件导热系数及对流换热系数,对模型进行网格剖分、赋予材料、添加边界条件等,对额定工况下,电机自然散热温度场进行求解分析,设计流道结构,构建电机温度和流动的耦合求解模型。对不同冷却水道下的电机温度场、流体场进行计算分析,并结合冷却效率、流动阻力和加工便利性等优选水道结构方案。(4)基于优选结构,选取优化变量和响应值,采用最优拉丁超立方抽样建立样本库,使用有限元法求取各组样本点响应值,建立代理Kriging模型并进行验证。耦合NSGA-Ⅱ遗传算法和Kriging模型,对水道结构参数进行多目标寻优,根据Pareto最优解集,确定三个变量最终取值,实现对电机流道结构的优化。并对电机峰值工况进行流量匹配和温度场计算分析。

关键词：永磁同步电机温度场冷却结构多目标优化流场

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双相高强钢的组分相韧性断裂应变机理研究

双相高强钢的组分相韧性断裂应变机理研究

作者：陈楷元北京化工大学

学位级别：硕士

双相钢作为一种典型的先进高强钢,常用作车身结构钢,助推结构轻量化发展。尽管双相高强钢具有出色的强度与延展性,在加工过程中,尤其是类剪切加工中的局部可加工性能较差,在边缘敏感区常发生开裂。因此,本研究结合了有限元模拟、微观晶... 详细信息

双相钢作为一种典型的先进高强钢,常用作车身结构钢,助推结构轻量化发展。尽管双相高强钢具有出色的强度与延展性,在加工过程中,尤其是类剪切加工中的局部可加工性能较差,在边缘敏感区常发生开裂。因此,本研究结合了有限元模拟、微观晶粒变形分析、纳米压痕实验等手段,对双相钢的微观韧性断裂开展了深入研究。对DP980的剪切过程进行了不同间隙的有限元分析与实验。通过对晶粒变形的应变值估计与有限元参数研究,确定了DP980的JohnsonCook(J-C)损伤参数。新确定的J-C参数在数值模拟中得到的剪切边缘特征与实验结果良好吻合。同时,通过对DP980在剪切过程中断裂模式的分析,可以发现随着剪切间隙的增加,断裂模式由“纯剪切”向“剪切和撕裂”转变。剪切影响区(sheared affected zone,SAZ)的尺寸也随着剪切间隙的增大而增大。因此,对剪切工艺的间隙值推荐设置于板厚的10%～20%。除有限元参数研究外,另通过五种应力三轴度拉伸实验与晶粒断裂变形计算的方法得到了材料损伤模型。汇总了10种不同结构的拉伸试样,通过有限元模拟确定了试样应力三轴度与应力分布特点。基于模拟结果新设计了分别代表剪切受力与拉剪受力的两种拉伸试样。选择了5种具有代表性应力三轴度的拉伸试样,在6种不同牌号DP980样品上完成了共60个拉伸实验。拉伸后拍摄了断口处的金相图片,用于计算晶粒断裂应变。为批量识别金相中的晶粒,减轻人工识别工作量,搭建并训练了一个U-net卷积神经网络。使用该图像处理算法处理了断口金相,计算了大量铁素体断裂应变,并形成了铁素体组分相的断裂应变-应力三轴度的损伤模型。随后,为了进一步开展微观尺度下的韧性断裂研究,采用纳米压痕测试获取组分相力学性能。在6种DP980上分别完成了8x8阵列的纳米压痕测试,通过压痕的压痕力-压痕位移曲线计算了纳米硬度与等效弹性模量。同时,使用预先标记的微米压痕作为基准,在扫描电镜下判定了纳米压痕所属晶相,去除了离晶界距离过近的压痕点,成功得到了铁素体与马氏体的单相组分相力学性能。对6种DP钢,最大硬度差为38%,铁素体硬度最低3.38 GPa,最高4.68 GPa;马氏体硬度最低4.52 GPa,最高6.03 GPa。最后,本研究在DP钢的韧性断裂研究中,着重关注了材料的剪切损伤行为。在间隙剪切模拟工作中,对于DP980的剪切加工,观察到了最佳剪切间隙需设置于10%和20%之间;在组分相性能差异研究中,发现DP钢中,马氏体与铁素体的硬度比越小,金属剪切加工性能越好,建议在保证材料强度的前提下,选用两相硬度差较小的DP钢。

关键词：韧性断裂有限元方法应力三轴度剪切损伤纳米压痕

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双连杆机械臂轨迹控制的全驱系统方法

双连杆机械臂轨迹控制的全驱系统方法

作者：陈楷鹏东北电力大学

学位级别：硕士

机械臂控制作为机械臂技术重要的研究方向,受到了学界和工业界的广泛关注。先进的控制方法在机械臂轨迹控制上的应用比比皆是,但是其设计方法复杂,实现成本高。近年提出的全驱系统方法在非线性系统上的应用给机械臂轨迹控制提供了新的... 详细信息

机械臂控制作为机械臂技术重要的研究方向,受到了学界和工业界的广泛关注。先进的控制方法在机械臂轨迹控制上的应用比比皆是,但是其设计方法复杂,实现成本高。近年提出的全驱系统方法在非线性系统上的应用给机械臂轨迹控制提供了新的设计思路。全驱系统方法在设计非线性控制器方面具有明显的优势,可以简单高效地设计出满足性能要求的控制器。将控制器应用于非线性系统后,可以得到线性闭环系统。本文针对机械臂动力学模型强耦合性和非线性的特点,应用全驱系统方法,对双连杆机械臂轨迹控制进行了研究,主要的研究内容如下:(1)针对关节角加速度信号难以准确测量的问题,提出了基于加速度观测器的轨迹控制全驱系统方法。首先,由于加速度信号难以准确测量,因此设计了加速度观测器,实现对关节的角加速度信号的估计;然后,构造Lyapunov函数,证明观测器估计误差将收敛至零;最后,利用双连杆机械臂动力学模型的全驱特性,设计轨迹跟踪控制器,抵消机械臂模型中的全部非线性项,配置具有期望特征结构的线性项,通过直接参数化方法,给出控制律的参数化表达形式,仿真验证所提方法的有效性。(2)针对机械臂系统存在外部有界干扰问题,提出双连杆机械臂轨迹鲁棒控制全驱系统方法。首先,利用鲁棒控制的思想,通过设计干扰抑制项,抑制外部干扰对系统的影响;其次,利用Lyapunov稳定性理论证明闭环误差系统的稳定性;最后,利用双连杆机械臂动力学模型的全驱特性,设计轨迹跟踪控制器,抵消机械臂模型中的全部非线性项,配置具有期望特征结构的线性项,通过直接参数化方法,给出控制律的参数化表达形式,仿真验证所提方法的有效性。(3)针对机械臂系统存在参数不确定问题,提出基于双观测器的双连杆机械臂轨迹控制全驱系统方法。首先,对于系统不确定参数和外部有界干扰,设计参数观测器估计其总和;然后,通过获取关节角度和关节角速度,设计加速度观测器以估计关节角加速度信号,并利用其估计值替换参数观测器中加速度信号。此时,加入双观测器的机械臂模型仍然为全驱系统模型,利用Lyapunov稳定性理论证明双观测器误差系统收敛,能够准确估计相应的目标。最后,利用双连杆机械臂动力学模型的全驱特性,设计轨迹跟踪控制器,抵消机械臂模型中的全部非线性项,配置具有期望特征结构的线性项,通过直接参数化方法,给出控制律的参数化表达形式,仿真验证所提方法的有效性。

关键词：全驱系统方法机械臂观测器鲁棒控制

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解析试函数单元的非线性化及工程应用

工程力学 2024年第7期41卷 1-8,28页

作者：邹德高张修阳刘京茂陈楷大连理工大学水利工程学院辽宁大连116024 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116024

解析试函数单元将弹性控制方程的解析解引入到单元位移场中,导致位移场与弹性参数相关,限制了其在弹塑性分析中的应用。该文提出了构造解析试函数单元的弹性参数保持常数的策略,使其适用于弹塑性分析。通过土柱弯曲的弹塑性分析结果表明... 详细信息

解析试函数单元将弹性控制方程的解析解引入到单元位移场中,导致位移场与弹性参数相关,限制了其在弹塑性分析中的应用。该文提出了构造解析试函数单元的弹性参数保持常数的策略,使其适用于弹塑性分析。通过土柱弯曲的弹塑性分析结果表明:用于构造解析试函数单元的弹性模量的取值对计算结果没有影响;泊松比的取值对结果影响较大,而当其与材料弹性泊松比一致时精度较高,计算误差小于等参单元、比例边界有限元和非协调元。将解析试函数单元的非线性化方法应用于大开地铁的震害模拟,结果表明:在自由度较少的情况下,非线性化解析试函数单元的模拟结果更接近实际震害,具有良好的应用前景。

关键词：解析试函数弹塑性地震大开地铁损伤分析