根据国家科技部《国家重点实验室专项经费管理办法》和《武汉光电国家研究中心开放基金课题管理办法》的有关规定，武汉光电国家研究中心现公开发布2022年度开放课题申报指南。

一、指南内容

开放课题设置主要分为两类：自由探索类和目标导向类。

自由探索类课题围绕研究中心发布的研究方向，申请人自拟题目，主要资助与本研究中心发展方向契合，工作基础较好、学术特色鲜明的关键理论、方法和技术研究，优先资助与本研究中心固定人员合作申请或基于本研究中心科研平台的开放基金课题。

目标导向类课题由研究中心发布课题指南，支持国内外高水平研究人员对研究中心当前关心的重点研究课题开展协同攻关或前沿性、探索性的研究工作。

1. 自由探索类开放课题

2022年度研究中心拟设立10项自由探索类开放课题，每项资助10万元，重点支持以下研究方向：

1.1 光电子器件与集成研究方向（2项）

针对信息获取、调制、交换、探测、传感等功能的光电子核心器件及关键技术，开展新机理、新结构、新材料、新工艺和新应用等方面的研究，包含但不限于：基于表面等离激元的片上纳米光源、光场调制、超快光电探测等理论与技术研究；基于新型半导体材料或超表面等新结构的发光、调制、光场调控、探测和成像等器件研究；用于海量数据处理的硅基光学矩阵处理器的研究；基于集成非线性光波导的光谱产生、调控技术研究；光学相控阵波束成形和调控；多材料体系及光电混合集成研究等；新型特种光纤器件及应用。

1.2 能源光电子方向（2项）

将资助能源转换、存储及利用的相关光电材料与器件方面的研究，包括但不限于：钙钛矿/无机薄膜/有机聚合物半导体光电材料计算及模拟、材料制备及太阳能电池、电致发光器件研究；新型光-热转换、力-电转换、热-电转换等能量转换材料及器件研究；新型能量存储材料及器件；半导体光电器件加工技术；其它新型光电材料结构与性质，及器件在生命健康、公共安全、绿色能源，智能织物等方面的应用等。

1.3 生物医学光子学方向（2项）

以生物医学新方法新技术在临床问题上的应用为牵引，面向疾病诊断、药物开发、临床光电医疗器械等方面的重大需求，开发基于光学成像的疾病早期诊断、临床管理、药物评估和预后判定的新方法新技术，阐述疑难、特殊以及重大疾病的细胞结构异变发生、发展规律，探索临床难以诊断、难以取样、难以分析的疑难、特殊以及重大疾病的生物学表征、开发光学影像-病理-治疗融合的诊断新方法、新技术。

1.4 激光科学与技术方向（2项）

面向激光制造和基础科研领域世界科技前沿、面向我国经济主战场、面向国家重大需求，攻克激光科学与技术领域亟待解决的科技问题，包括高性能光纤与光纤激光器，皮秒/飞秒/阿秒等超快激光技术与应用基础等；超强/超快激光和高功率连续/准连续激光与物质相互作用过程与机理；高效率、高精度激光制造；激光光谱与太赫兹光谱分析；新型太赫兹辐射源等。

1.5 光电子信息存储技术研究方向（2项）

面向大数据存储这一关系到国计民生和国家战略安全的关键基础设施和重大需求，研究新型大数据存储原理、器件和设备，探索新一代大数据存储系统结构与技术，包括：跨越数据存储技术局限的光/磁/电存储机理；基于忆阻器的类脑存储机制；新型非易失存储器原理与技术；存算融合的新型体系结构和关键技术；基于NVM的存储体系结构及系统软件；新型固态存储技术；分布式并行存储系统、大规模网络存储、云存储系统与技术；高效的数据组织管理方法和存储资源共享方法；多源异构的大数据信息融合与认知方法；智能存储新机制与方法；区块链安全共享存储等。

2. 目标导向类开放课题

2022年度研究中心拟设立10项目标导向类开放课题，包含共性技术研究5项，每项10万元；团队协作攻关项目5项，每项15万元（包含协作团队配套支持5万元），各课题的申报指南如下：

2.1 光电子器件与集成研究方向

1）共性技术研究（10万元）

题目：用于激光雷达的光电集成电路一体化仿真设计技术研究

研究内容与方向：面向光电融合集成和多模传感融合的发展趋势，研究激光雷达光电集成电路的新特点和优化方向；特别针对LiDAR光电接收机，研究高速硅光探测器如APD及与微电子电路如跨阻放大器（TIA）等多种功能元件的光电一体化建模和融合仿真设计技术；研究上述框架下环境光噪声对LiDAR接收机的干扰机理和模型，并从光电融合仿真角度研究环境光噪声的消除技术。

目标成果：（1）建立高速硅光探测器和跨阻放大器TIA的联合仿真模型，基于模型进行噪声和带宽优化，APD响应度大于0.8A/W，带宽10GHz，暗电流小于1uA；

（2）仿真实现适用于激光雷达的宽带TIA电路，带宽大于8GHz，平均等效噪声电流小于20pA/sqrtHz，最大增益大于70dBOhm；

（3）仿真实现基于伪差分结构的环境噪声消除技术；

（4）发表高水平期刊和会议论文2篇以上；

（5）培养硕士研究1名。

验收指标：（1）仿真TIA电路，带宽大于8GHz，平均等效噪声电流小于20pA/sqrtHz，最大增益大于70dBOhm；

（2）仿真实现基于伪差分结构的环境噪声消除技术。

考核方式：提交设计和仿真文件。

2）团队协作攻关项目（15万元）

题目一：智能微纳光电子器件

研究内容与方向：微纳光电子技术是目前发展迅速、应用性强的前沿交叉领域之一。基于亚波长尺度微纳结构对电磁波振幅、偏振、相位、角动量等进行调控，可以设计出如光学相控阵天线、超表面器件、完美吸波器等微纳光电子器件，在激光雷达、光通信、光学伪装等领域得到广泛应用。目前主要存在以下挑战：基于简化的物理模型或人工经验选择特定设计模板，再利用参数扫描进行器件结构优化的方法，具有效率低等局限性；不具有可编程性，缺乏灵活性、智能性；主要聚焦于单一微纳光电子器件的研究，集成度低，缺乏系统级的智能优化。

根据微纳光电子器件的特点及难点，拟开展系统的研究。期望实现微纳光电子器件（光学相控阵天线和超表面器件）结构设计的智能化；实现微纳光电子器件的可编程调控，突破传统器件功能单一的瓶颈；增加智能感知、自动控制模块，实现系统级的自适应智能应用；进一步发展微纳光电子器件自动设计软件平台，实现系统级的仿真、设计与优化，为片上的复杂微纳光电子系统打下基础。

验收指标：（1）发表高水平学术论文2篇；

（2）完整的设计方案和仿真文件。

考核方式：组织专家答辩评审

题目二：一种用于光纤通信系统预补偿的光学神经网络

研究方向与内容：人工神经网络已被广泛应用于光纤通信中，并用于补偿光纤非线性损伤。与传统的数字非线性补偿算法相比，人工神经网络可以提供更好的性能。然而，目前大多数人工神经网络的复杂度随着节点数的增加成指数型的增长，这也引起了神经网络硬件成本和功耗的显著增加。这种情况下，光学神经网络因为其大带宽和低功耗的特点而引起了广泛关注。尽管目前已有一些光学神经网络在光纤非线性补偿方面的报道(Nature Electronics, 4(11), 837-844)，但是其应用主要在后补偿方面，限制了系统性能的进一步提升。本项目研究针对光纤通信系统预补偿的光学神经网络有助于降低接收端的功耗和进一步提升光纤通信系统的性能。具体研究内容：（1）预补偿神经网络系数反演机制；（2）可重构的集成化硅光子神经网络芯片设计与实现；（3）线性和非线性损伤联合预补偿机理。

目标成果：研制出可重构的硅光子神经网络芯片，并应用于高速光纤通信系统中对系统的线性和非线性损伤进行联合预补偿，有效提升光纤通信系统的性能。

验收指标：完成硅光子神经网络芯片的设计与制作方面的研究，为光学神经网络预补偿机制奠定理论和技术依据。具体的技术指标：硅光子神经网络芯片的可调节点数不低于8；可应用演示的光纤通信系统单波速率不低于200Gb/s；预补偿性能提升不少于1dB。

考核方式：光学神经网络预补偿性能达到验收指标，在国内外核心学术期刊上发表论文2-3篇(包含一篇Frontiers of Optoelectronics)，申报中国发明专利1-2项。整个项目结题时达到同类研究国际领先水平。

2.2 能源光电子方向

1) 共性技术研究（10万元）

题目：纤维形态柔性器件在人体生命体征监测和疾病诊断中的临床应用研究

研究方向与内容：（1）研究并设计多种柔性传感单元，实现对患者在连续动态下的动作模态、心率、呼吸、体温等人体生理信号进行无感式测量；（2）研究并搭建高分辨率、高灵敏度、稳定无扰化的生理信号采集病床，在临床开展多维传感，对疾病进行早期诊断和预警。

目标成果：（1）在功能传感器层面上，研究从原材料到功能化的先进工艺，明确智能织物的传感作用机制，实现多功能的精准调控；

（2）在智能病床临床应用层面上，对病人在动态下的多维关键生理指标进行监测、分析以及异常情况危险预警。

验收指标：（1）发表高水平论文不少于4篇，申请专利不少于2个；

（2）与不少于2家临床研究中心展开合作，完成不少于10例临床数据监测。

考核方式：结题报告，项目评审。

2) 团队协作攻关项目（15万元）

题目一：高性能全固态电致变色材料与器件研究

研究方向与内容：在“双碳”国家战略背景下，全固态电致变色智能窗作为一种新型节能减排的手段，具有能量和颜色动态可调，低能耗、长寿命以及绿色环保等优点，近年来，成为智能调光领域最受关注的材料之一，在未来建筑/汽车节能以及低功耗显示领域具有非常大的应用潜力。目前的挑战主要是：（1）需要大幅提高电解质层的制备效率；（2）器件的循环稳定性和均匀性问题亟待解决；（3）对太阳光谱红外区的调控能力有限。

针对全固态电致变色器件中器件循环稳定性及光谱调控能力的提升需求，本项目拟通过协作攻关，开展以下研究：（1）研究无溶剂型固态电解质对离子迁移速率的影响机制，阐明固态电解质与器件循环稳定性之间的理论关系，建立高性能固态电解质的制备工艺；（2）研究薄膜与固态介质在器件循环过程中结构和界面的演变机制，研究离子在各层中的容量和迁移与脱出机制和外加电场下各膜层分电压，获得高性能全固态电致变色器件的制备工艺；（3）研究太阳光谱高透过的透明电极材料提高光谱调控能力，评估对制冷与制暖能耗的节能效果。

目标成果：申报国家发明专利2件，发表高水平学术论文2-3篇。形成工作总结报告1份，高性能全固态电致变色器件制备工艺规范1份。

验收指标：器件样品实物（20x20 mm2），相关性能达到：器件着色时间在1-5 s以内，褪色时间在5 s以内；调节范围大于55 %；循环次数≥3万次；宽光谱响应；着色效率≥80 cm2/C,电解质制备速率大于500 nm/min，器件制备和处理温度小于80℃，制备过程避免使用挥发性溶剂。

考核方式：答辩专家评审。

题目二：面向硅基叠层宽带隙无机薄膜太阳电池研究

研究方向与内容：围绕下一代硅基叠层太阳电池顶电池研究需求，开发出无毒、稳定、高效、工艺兼容的新型宽带隙太阳电池体系。开发与硅基底电池工艺兼容的薄膜高质量沉积方法；开发原创的宽带隙太阳电池载流子抽取层沉积技术；研究太阳电池界面缺陷和体缺陷钝化技术；探明太阳电池的稳定性衰减机制并筛选出有效的稳定性提升策略；研究宽带隙太阳电池的高效器件结构及其光电转换技术。

目标成果：（1）通过双85测试500小时辐照，器件性能衰减小于10%，通过国家IEC61646标准；

（2）开发的电池吸收层吸收光谱不宽于730纳米；

（3）太阳电池空穴抽取势垒高度不高于0.2 eV；

（4）单结电池标准一个太阳光强下光电转换效率达到8%或以上；

（5）发表能源方向SCI论文不少于3篇，申请发明专利不少于2项。

验收指标：第三方测试的稳定性指标，吸收边指标，光电转换效率指标，已接收或公开发表论文，公开的申请专利。

考核方式：研究报告。

2.3 生物医学光子学方向

1) 共性技术研究（10万元）

题目：1 MHz重复频率飞秒激光器

研究方向与内容：飞秒激光器已经广泛应用于生物医学成像研究和临床诊断中，但高稳定性低噪声的固体飞秒激光器仍然依赖进口。为了解决生物医学研究对脉冲激光光源的共性需求，此开放课题拟支持申请单位对飞秒激光进行技术攻关，并与武汉光电国家研究中心生物医学光子学研究部的团队合作，实现满足要求的生物医学成像能力。

目标成果：研制出一台1MHz重复频率飞秒激光器（固体或者光纤激光器），并满足武汉光电国家研究中心的合作方需求。

验收指标：（1）中心波长：处于近红外波段（700-1100nm）；

（2）平均功率：>5 W；

（3）脉冲重复频率：1 MHz；

（4）脉宽: <200 fs（sech2）；

（5）谱宽：<10 nm；

（6）高斯光斑尺寸：直径2 mm左右; M2<1.2；

（7）功率稳定度：<0.1% rms over 8 hours；

（8）偏振消光比：>200:1；

（9）体积小于0.5×0.5×0.15米。

考核方式：在武汉光电国家研究中心合作团队实验室进行现场成像测试

2) 团队协作攻关项目（15万元）

题目：基于光学超分辨成像技术的血小板检测新技术、新方法开发

血液循环系统与全身各个组织器官密切相关，参与机体的呼吸、运输、免疫反应等各项生理活动，维持机体的正常新陈代谢和内外环境的平衡。在临床检测项目中，血液标本检测兼顾了临床相关性和取样便捷性，因此如何基于血液标本开发更为深刻、精准、便捷的诊断方法和技术一直是医学检测的重要科学问题和研究热点。武汉光电国家研究中心生物医学光子学功能实验室已在光学超分辨成像领域开展了多年深入研究，拥有世界领先的超分辨成像技术，计划通过与临床机构开展合作，将基础研究与临床实验结合，开发基于光学超分辨成像技术的血小板细胞临床检测方案。

研究内容：研究不同疾病血小板标本的超微结构特征，开发基于光学超分辨成像技术的血小板标本检测方案，从而有可能为疾病的早期诊断、分型、预后提供一种更为精准、便捷的检测指标。

目标成果：建立新的基于光学超分辨成像技术的血小板检测新方法和新技术。

验收指标：完成不同疾病及健康人200例以上血小板亚细胞结构超分辨检测及相应数据分析。

考核方式：在国内外核心学术期刊上发表论文1-2篇，申报中国发明专利1-2项。整个项目结题时达到同类研究国际领先水平。

2.4 激光科学与技术方向

1) 共性技术研究（10万元）

题目：LIBS技术在土壤重金属污染生态风险评价中的应用

研究方向与内容：目前土壤重金属污染问题已经成为威胁我国粮食安全稳定主要问题之一。土壤中重金属元素难降解、易富集，有很强的隐蔽性和遗留性，如何快速可靠地检测成土壤重金属含量是土壤重金属污染生态安全评价领域备受关注的热点问题。通过采用光场调控激光诱导击穿光谱(Laser Induced Break Down Spectroscopy，LIBS）集成应用于土壤重金属生态风险评价过程，实现快捷、准确及实时在线的土壤中重金属元素LIBS定性定量检测，结合相关生态风险指数模型，应用于重金属污染土壤环境的生态风险评价，为研发土壤重金属污染的诊断、修复和防治技术提供科学依据。

目标成果：（1）检测土壤环境样品中典型重金属如Pb、Hg、Cd、As、Cr等含量，建立相应数据库;提交典型重金属污染的土壤环境生态风险评价报告；

（2）提交样机一台及激光探针元素分析系统（含源代码）；

（3）发表SCI论文2~3篇，国内论文2~3篇，申请专利1-2项。

验收指标：（1）研制出激光探针成分检测装备，对土壤重金属检测极限可达ppm级，部分重金属达到ppb级；

（2）采用激光探针检测技术对土壤残留重金属（以铅、汞、铬、镉、镍、锡、铜、锌和类重金属砷为研究指标）进行快速检测分析研究，建立新型的土壤有害重金属快速检测方法及相应数据库；在此基础上，推广到土壤重金属污染快速检测和实时监控中；

（3）结合LIBS快速实时检测数据及相关生态风险指数分析，系统评价典型重金属污染土壤环境的生态风险。

考核方式：（1）专家现场验收；

（2）提供论文和专利文献检索及其电子版。

2) 团队协作攻关项目（15万元）

题目一：高弹热效应Ni-Mn基智能材料激光增材制造研究

研究方向与内容：Ni-Mn基合金是一种绿色环保弹热制冷智能材料，其在航空航天、空间高效制冷等领域具有巨大应用潜力，但缺乏满足空间复杂构型和高弹热效应的制造方法。本项目将研究非平衡条件Ni-Mn基材料的共晶形成条件及机理，激光增材制造Ni-Mn基智能材料的组织与弹热性能映射关系，复杂空间构型结构设计与制造及其高弹热性能控制。

目标成果：开发高弹热性能的Ni-Mn基智能材料激光增材制造新方法，阐明激光增材制造Ni-Mn基智能材料的显微组织控制规律，揭示纳米共晶增韧增塑机制及其提升弹热性能的机理，获得强韧性和弹热性能协同的Ni-Mn基智能材料和复杂构型。

验收指标：项目主要技术指标：合金试样的压缩屈服强度≥1100 MPa，压缩断裂应变≥18%；弹热效应绝热温度的绝对值≥10 K；稳定弹热效应循环次数≥2000次。

考核方式：在国内外核心学术期刊上发表论文2-3篇，且有一篇文章投稿到《Frontiers of Optoelectronics》期刊，申报中国发明专利1-2项。

题目二：用于富集-SERS检测的激光多参量调控液滴蒸发过程基础研究

研究方向与内容：作为一种无损检测技术，表面增强拉曼光谱（Surface enhanced Raman spectroscopy，SERS）被大量用于癌前病变诊断，法医分析和食品安全等领域。相关研究的重点聚焦在如何采用微量液滴样品实现超痕量分子的检测。本项目提出采用激光对液滴蒸发过程和蒸发后沉淀物的分布进行动态调控，结合图案化的润湿表面，实现液滴的高效蒸发和沉淀物极端富集，并对激光作用过程中的功率、波长、脉宽、聚焦位置等参量对液滴相变特性及界面演化规律进行深入研究。

目标成果：通过激光参数的匹配实现对液滴蒸发过程、内部毛细流动、及蒸发后沉淀物的分布实现精准调控，并对激光作用下的光热能量转化、非均匀温度及界面相变、近界面区气相流动、Marangoni流动及粒子沉积、界面行为等展开系统研究。从而揭示激光作用过程中的热质传递特性和粒子运动规律，实现液滴的快速蒸发和沉淀物的极端富集，最终获得高的SERS检测极限。相关研究成果可为基于激光调控的开放式液滴微流控技术在生物科技、医学检测、药品开发、精细化工、环境监测等领域的应用奠定理论基础。

验收指标：完成激光作用下液滴蒸发过程、内部流场和沉淀物分布规律的研究，为超痕量分子激光高效可控富集技术奠定理论与技术基础。项目主要指标：液滴蒸发效率提高2-3倍，沉淀物分布控制精度达到20微米，SERS检测极限达到10^-17mol/L，完成2-3种典型靶向分子检测，检测误差控制在10%以内。

考核方式：液滴蒸发效率和SERS检测极限达到验收指标，在国内外核心学术期刊上发表论文2-3篇，申报中国发明专利1-2项。整个项目结题时达到同类研究国际领先水平。

2.5 光电子信息存储技术研究方向

1) 共性技术研究（10万元）

题目：基于近数据处理的大规模迭代图计算I/O优化研究

研究方向与内容：图计算是大数据处理领域中一种重要的计算模式。随着图数据规模的不断增大，单台机器有限的内存资源已经很难容纳这些超大规模的图数据。为了提升图计算的可扩展性，研究者开始借助相对廉价大容量的外存设备。存储墙、传输墙成为制约图计算性能的主要瓶颈。通过分析不同迭代图算法执行时的图数据活跃性和依赖性特性，研究可降低I/O开销的迭代图计算模型，避免大量的随机访问，减少I/O访问。探索基于NVME计算型存储CSD的专用图数据处理应用的构建方法，构建原型系统。

目标成果和验收指标：提出基于图数据活跃性和依赖性感知的迭代图计算模型，降低I/O数据量40%-50%，系统性能提升30%以上。提供相关研究的原型代码。预期发表高水平论文2-3篇，申请专利1-2项。

考核方式：答辩专家评审

2) 团队协作攻关项目（15万元）

题目：新型介质存算一体架构的软硬件协同优化问题研究

研究方向与内容：随着机器学习、大数据处理等技术的快速发展，计算机系统处理数据量的爆发式增长，使得传统存储与计算分离的冯·诺伊曼计算系统的“内存墙”问题进一步凸显。随着存储系统研究领域新机理、材料器件、集成方法的不断发展，以“存内计算”（Processing-in-Memory, PIM）为代表的新型非冯计算范式及架构成为降低系统能耗，突破芯片算力瓶颈的关键性技术。然而，存内计算芯片与现有计算机体系架构、系统软件、算法及应用的结合仍处于萌芽阶段，上层算法设计人员往往缺少对底层硬件架构特征的深入理解，编程工具链的缺失导致芯片计算能力无法被开发人员充分利用，针对新型介质存算一体架构的软硬件协同优化问题期待进一步深入的研究。具体研究内容如下：（1）面向GPU、FPGA、NPU等异构计算单元的代码生成往往基于函数级的任务划分，而不同类型的PIM芯片则支持从指令级到函数级的多层次任务划分模式。如何建立包括功能、延迟、能耗、容错等多因子的异构处理器静态模型，支持以数据为中心的混合粒度的自动化任务划分，是关键问题之一。（2）和其他专用处理器相比，存内计算芯片具有更为复杂的内存地址空间管理。受限于存内计算芯片支持的指令类型，不合理的内存地址分配和任务划分方案可能使得同一数据在程序执行的不同阶段在存内计算芯片对应的内存地址空间和普通内存地址空间之间进行片内频繁迁移。片内数据迁移代价以及数据一致性管理是本项目拟解决的另一关键问题。

目标成果和验收指标：（1）以跨层次的软硬件协同设计为基本思想，为构建存内计算代码生成框架提供关键理论和技术支撑；

（2）综合新型介质存内计算芯片在性能、能效性、可靠性、体积、成本等多维度的性能考量，进一步为构建芯片设计者以及应用开发者之间的快速高效代码部署桥梁提供关键理论和技术支撑；

（3）拟在国内外高水平学术期刊上发表论文2篇，联合培养研究生2-3名。

验收指标：（1）提出针对新型介质PIM架构的任务划分策略、数据布局方案、以及优化参数决策的新方法，搭建面向PIM芯片原型系统的代码生成与优化框架，并基于典型应用进行验证；

（2）发表国内外高水平学术论文2篇；

（3）联合申报国家级项目。

考核方式：答辩专家评审

二、申请人资格

申请人为国内高等学校、科研院所等企事业单位在编员工（非国家重点实验室人员），具有博士学位或中级以上职称，且在本指南相关领域已积累良好的前期研究基础。

已承担在研开放课题、未按期或未按原计划完成项目的负责人当年度不能提交新申请。

三、申请受理

本年度计划支持开放课题研究期限为3年（2023年1月1日-2025年12月31日），每项资助额度10-15万。

申请者请下载《华中科技大学武汉光电国家研究中心开放课题申请书》，按规定格式认真、如实填写。申请人签名并经所在单位同意加盖单位公章，请于2022年10月20日前，将申请书以word版发送至联系人邮箱chengxiao@hust.edu.cn，纸质版请研究中心合作者签字确认代交到武汉光电国家研究中心科研与发展规划办公室（一份，正反打印），逾期不予受理。

申请的项目由武汉光电国家研究中心审查（形式和资格审查未通过者不能进入专家评审），并由学术评议委员会审议批准，评审结果将于2022年12月30日之前反馈给申请人。

四、其它事项项目申请、经费使用、成果管理等需遵守《武汉光电国家研究中心开放基金课题管理办法》的规定。

五、联系方式

联系人：成晓

邮箱：chengxiao@hust.edu.cn

联系电话：027-87792517

通讯地址：武汉市洪山区珞喻路1037号华中科技大学新光电信息大楼C624

附件：

1.《华中科技大学武汉光电国家研究中心开放基金课题申请书》

2.《武汉光电国家研究中心开放基金课题管理办法》