张桂菊 副教授

张桂菊，博士，女，苏州大学光电学院硕士生导师，副教授，中国民主同盟会盟员。主要从事光学材料与功能光子学器件、光学传感及应用研究。负责完成国家自然基金和国家专项2项，完成省部级和市厅级研究项目4项。在国内外学术期刊发表论文40余篇，申请发明专利10余项。

• 教育经历

• 2000. 09 - 2005.11：大连理工大学物理系，专业：光学工程；博士 
  1996. 08 - 2000. 07：哈尔滨工程大学物理系，专业：光电子技术；学士

• 海外经历

• • • 2013.09-2014.09：美国中佛罗里达大学光学研究中心(The College of Optics and Photonics, UCF),红外光纤及应用,访问学者(Visiting Scholar)，合作导师：Ayman F. Abouraddy

    • 社会服务

苏州市激光与光学工程学院秘书长,2019-

民盟苏州市高等教育工作委员会委员，2012-2020

科研项目

• • 先进光学遥感技术北京市重点实验室开放基金（微小型光谱仪，主持，2024-2026）

  • 校企合作项目（粒子计数器，主持，2021-2024）

  • 校企合作项目（面向光通信器件的新型相变光波导材料与器件，参与，2020-2023）

  • GF专项（**光学滤波器，主持，2015-2016）

  • 江苏省高校自然科学研究重大项目（偏振光学器件，主持，2012-2015）

• 国家自然基金青年基金项目（宽带滤波器，主持，2012-2014）

• 江苏省自然基金面上项目（偏振光学器件，主持，2011-2014）

教学项目

教育部产学合作协同育人项目（“光电信息综合实验“课程平台建设，2024-2025）

苏州大学研究生精品课程立项建设项目（”导波光学“，2021-2022）

苏大课程2019-3I工程（”信息光学“，2019-2023）

苏州大学本科生教学团队项目（“光学课程群教学团队”，2018-2021）

江苏省研究生教育教学改革研究与实践课题（2016-2018）

获奖情况

• 2024，第四届全国高校电子信息类专业课程实验教学案例设计竞赛决赛全国二等奖

• 2024，第四届苏州大学教师教学创新大赛二等奖

• 2024，苏州大学光电学院第二届教学比赛一等奖
  

• 2022，第二届“智慧树杯”课程思政示范案例教学大赛二等奖

• 2022，长三角地区科普课件大赛二等奖

• 2022，苏州市自然科学优秀学术论文奖
  

• 2021，苏州大学建设银行教书育人三等奖

• 2021，苏州大学第三届课程思政课堂教学竞赛三等奖

• 2021，中国民主同盟先进个人（苏州市委员会）

• 2020，第十七届江苏省高校大学生物理与实验创新竞赛优秀指导教师

指导学生情况

2024，江苏省大学生电子设计竞赛一等奖

2024，江苏省高校大学生物理与实验科技作品创新竞赛三等奖

2020，第十七届江苏省高校大学生物理与实验创新竞赛二等奖

2019-2021，省级大学生创新创业训练计划项目

2015-2017，国家级大学生创新创业训练计划项目

1、光学相变器件及应用

（1）基于硫化物的光学相变材料（PCM）

硫系化合物受到一定外部条件激励时，材料内部与外界发生能量交换，导致材料中的多种晶相和非晶相结构发生转变，并且相态转变发生后，将会自动保持当前的状态而不需要任何能量的输入，具有非易失性和相态切换速度极快的特点。该材料在两种形态下的原子排布不同，带来了光学和电学性质上的巨大差异。图1为硫化物相变材料及相态转变示意图。

图1 （a）三类典型的硫系相变化合物；（b）Ge-Sb-Te三元基化合物的非晶相与晶相态转变示意图

[D. Lencer, M. Salinga, B. Grabowski, T. Hickel, J. Neugebauer, and M. Wuttig. A map for phase-change materials. Nat. Mater. 7(12),  972–977 (2008)]

图2是实验室下制备的Ge-Sb-Se-Te四元硫化物薄膜在不同的外部激励后的折射率测量和表面形貌测量结果。

图2 （a）GSST薄膜在晶态和非晶体态下的折射率测量；（b）两种相态下的AFM测量结果。

（2）基于相变材料薄膜的微纳结构光波导器件

研究光波在有边界的材料结构（波导）中的模式传输和耦合是微纳结构器件设计的关键，条形波导结构具有模场限制和低损耗的光传输优点。图3是条形波导结构示意图及不同模式下的光场分布。图4是两根条形波导之间的耦合传输机制。

图3 条形波导结构及光场分布

图4 双条形波导的耦合传输：（a）双条形波导结构图；（b）偶对称和奇对称超模截面分布；（c）波导耦合传输。 

图5是利用GSST相变薄膜集成到SiN波导中实现一种1×2的微纳结构光波导单元开关器件，条形波导高度和高度约500nm~700nm，整个结构长度小于20μm。

图5 光学相变薄膜集成的微纳结构光波导开关设计与仿真：（a）1×2光开关结构体式图；（b）光开关结构截面图示；（c）两种相态下的光能量传输分布；（c）波导截面能量场分布。

图6是一种在2×2单元器件中通过集成GSST相变薄膜实现6×6阵列的光传输和复用器件。

图6 一种基于2×2单元的6×6阵列的光传输和复用

（3）微纳结构光波导器件的应用需求

全光网络中的应用：

网路技术解决的关键问题在于光交换技术、全光节点结构和传输特性控制技术。数据中心互联（DCI）是全光网重要的一环，采用基于光学相变薄膜GSST的高速非易失性多路多通道的光波导开关芯片进行光-光直接交换，取代传统光-电-光交换，将为数据中心、云计算、5G/6G与光纤通信网络的深度融合，以及处理海量多样化的差异数据，解决根本的扩容问题。（图7为全光网络技术架构图示。图中DCI：数据中心互连）

图7 全光网络技术架构示意图

微纳结构光子神经网络的构建及应用：

利用光学相变材料集成的微纳光子学结构实现光子神经拟态计算是一种非常有前景的光学神经网络实现方法。硫系光学相变薄膜的加入，可以在硬件上提供神经元的基本整合发放功能和突触可塑的加权操作，为新一代的光电混合架构的神经网络构建提供支持。图8为Feldmann等人在2019年利用PCM实现了脉冲神经网络的全光学、可集成和可扩展的神经拟态框架。

图8 光脉冲神经网络的实现框图

[J]. Feldmann, N. Youngblood, C.D. Wright, H. Bhaskaran, and W. H. P. Pernice, All optical spiking neurosynaptic networks with self-learning capabilities, Nature, 2019, 569(7755):208-214.

2、微小型光谱仪研究级应用

    微小型光谱仪j具有有模块化设计和高速度采集的特点，便于携带和使用的光谱测量设备，广泛应用于科研、工业控制和现场检测等领域。

3、光散射粒子计数器研究

 随着全球经济和科学的迅速发展，在众多生产加工和科学研究领域中都会遇到对细微颗粒物质分布进行检测的需求。例如，电子/半导体行业中对洁净厂房的要求，使得尘埃粒子计数和分布检测称为环境检测的必备仪器。激光散射测量技术是环境细微粒子检测的一种重要手段。

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