吕辉，男，1976年生，博士，教授，硕士生导师。1999年毕业于武汉理工大学应用电子技术专业，获得学士学位；2003年毕业于武汉邮电科学研究院物理电子学专业，获得硕士学位；2010年毕业于华中科技大学光学工程专业，获得博士学位。2014年2月至2015年2月在澳大利亚新南威尔士大学师从“世界太阳能之父”马丁·格林教授从事访问学者研究。曾在武汉光迅科技有限公司从事光通信器件研发工作，2011年作为主要成员之一创立武汉凹伟能源科技有限公司，并于2012-2013年担任该公司总经理。现为湖北工业大学理学院院长，湖北工业大学芯片产业学院执行院长，湖北省能源光电器件与系统工程技术研究中心主任，中国半导体三维集成制造产业联盟理事，IEEE CASS-EDS-SSCS武汉联合分会理事，CCF集成电路设计专业委员会执行委员，享受湖北省政府专项津贴专家，南湖学者学术带头人，Energy and Buildings、Applied Energy、Journal of Daylighting等多个国际期刊的审稿人。
长期从事半导体光电器件、电力电子技术、新能源系统集成方面的研究，先后承担及参与国家自然科学基金、国家科技部重点研发专项、湖北省自然科学基金、湖北省教育厅重点项目、武汉市科技局青年晨光计划及国际合作项目、太阳能高效利用湖北省协同创新中心开放基金、武汉伊莱维特电力科技有限公司等20余项课题。“屋顶聚光太阳能光伏发电系统”获41届日内瓦国际发明展特别金奖；“大面积碟式聚光光伏系统”获43届日内瓦国际发明展特别金奖；“高效聚光光伏农业综合应用系统”获2016年世界可持续能源技术协会发明大奖。主持的“光伏光热综合利用供热系统关键技术研究及应用”项目成果获2020年湖北省技术发明二等奖，“太阳能综合利用供热系统关键技术及应用”获2021年中国产学研合作创新成果奖优秀奖。发表论文40余篇（其中SCI/EI收录论文30余篇），申请及授权发明专利10余项，出版专著1部。
吕辉教授课题组的研究成果分为：
1.新能源系统集成
2.电力电子技术
3.半导体光电器件
一、新能源系统集成
1. 高效率聚光色散型碟式光伏光热系统
吕辉教授带领研究团队开展了高效率聚光色散型碟式光伏光热技术的研究，并重点对不同谱段做功能力差异性进行了深入的研究，解决了光伏光热系统中光-电和光-热转化能质相互制约的难题，获得了国内外专家的一致认可，相关成果多次获得国家和省部级奖励。研制的碟式聚光分光光伏光热综合利用系统获得了2015年的日内瓦国际发明展的特别金奖；开发的碟式聚光系统的光伏发电和农业生长互补利用系统获得WSSET（World Society of Sustainable energy technology）颁发的2016年度创新大奖，在国际上具有独创性和先进性。
吕辉教授团队考虑太阳辐射不同谱段做功能力差异性，提出通过干涉薄膜设计，实现太阳电池、高温集热的流程解耦，解决了光伏光热系统中光-电和光-热转化能质相互制约的难题，最大限度提升太阳能全光谱综合利用效率。
2、光伏光热综合利用供热系统关键技术研究及应用
吕辉教授团队从集热、发电、储热三个方面对太阳能综合利用技术进行深入挖掘和开发。研制了垂直安装的太阳能平板集热器能和手压式液体工作介质充装壶，已作为湖北喜事多新能源股份有限公司的重点产品进行批量生产、逐步实现产业化。近三年，上述几种设备已销售总计18971件，三年创造产值8932.86万元；提出了太阳能光伏发电系统优化分析模型，联合武汉凹伟能源科技有限公司开发了聚光太阳能光伏发电系统光电转换率大于30%，占地面积比同等功率输出的平板晶硅太阳能发电系统减小30%；系统产品质量满足行业国际标准 IEC62108 的要求。所开发的聚光光伏发电技术与常规晶硅发电技术相比，具有转换效率高、成本低等优势，特别适用于屋顶电站以及分布式电站，这极大提高企业的行业竞争力、经济和社会效益显著。近三年，上述几种设备已销售总计2104件，三年创造产值7526.20万元；提出了高效充放热的太阳能储热装置，结合自身在太阳能高效清洁利用领域的应用经验，开发的多种太阳能储热装置，解决了太阳能热资源的连续平稳消纳问题，近三年，上述几种设备已销售总计15067件，三年创造产值7632.74万元。
总之，吕辉教授团队通过开展光伏光热综合利用供热系统中的关键技术及其应用方面的研究，解决了太阳能光伏光热应用领域太阳能集热温度和总量不匹配、光电转换效率低和太阳能间歇性等问题，促进了高校科技成果快速转化为现实生产力，加强太阳能综合利用行业产学研各方力量的合作，相关技术的攻克将极大提高企业的行业竞争力、经济和社会效益显著，推动了整个行业技术的进步。相关成果曾获2020年湖北省技术发明奖二等奖和2021年中国产学研合作创新成果奖优秀奖。
二、电力电子技术
1. 高速宽范围高精度程控电源
吕辉教授团队与武汉伊莱维特电力科技有限公司合作，研制了高速宽范围高精度程控电源，通过一种功率调整管漏源电压随输出电流自动改变的恒流源控制方式，达到输出电流范围宽、精度高及功耗低等优点。该电源广泛应用于电测仪表、激光、传感器等领域，公司现年产该程控电源，年产值达1.2亿元。
2. 基于紫外脉冲检测的短气隙局部放电强度和定位研究
随着电网互联进程的不断加深和电压等级的不断提升，局部放电成为电气设备安全运行的首要威胁。紫外传感器以不接触、不受高频干扰影响、灵敏度更高的特点在电力线局部放电的检测具有广阔的应用前景。吕辉教授团队以日盲型光敏管R2868为核心开发了日盲紫外脉冲检测系统的硬件模块，利用LabVIEW编程开发数据采集的软件模块，还对检测系统能量接收前端的探测镜头的透镜参数进行了推导。通过计算可以发现检测范围内的射线可以经探测透镜组耦合至像空间并满足像空间接收光纤的数值孔径。在将短气隙气体放电产生的稳定流注通道视为条状光源的假设下，完成了局部放电辐射射线束经探测透镜组成像的射线追迹。为使检测得到的脉冲密度分布与耦合能量的归一化分布对应起来，吕辉教授团队对R2868的脉冲响应进行了测试，并确定了系统检测范围。从实测数据中发现不同电压下脉冲密度的空间归一化分布都没有明显的区别，佐证了理论分析中归一化分布与辐射源波长无关的结论。在实测数据中，能量沿径向的变化符合幂函数指数等于-1.806的衰减规律；沿周向最终衰减至最大值的34.4%。通过理论计算与实测的对比分析，解释了实测与理论存在差别的原因。最终，在归一化分布确立的基础上，提出了局部放电强度和定位检测的方案。
紫外光纤辐能接收器 短气隙局部放电强度与定位检测系统
三、半导体光电器件
1. IEEE Photonics Journal: 应用于甲烷传感器的1653.7nm DFB激光器的研制
甲烷气体具有易燃易爆炸且有毒性的特点，在开采、运输和使用过程中对甲烷监测是十分必要的。吕辉教授团队针对甲烷气体1653.7nm光谱吸收峰的特性制作了半导体分布式反馈激光器（DFB），边模抑制比达到了54dB，饱和光功率大于20mW，具有稳定的光学和电学特性，通过频移干涉腔衰荡技术成功实现了对甲烷的监测，对甲烷的吸收灵敏度为0.20237dB/%。
本文要点：
1）激光器有源区由5对InGaAsP量子阱和量子势垒组成，其中阱为5nm，势垒为9nm。为了获得较低的阈值电流，设计的压缩应变为1.2%。光栅厚度为15nm，光栅周期为254.9nm。光致发光（PL）光谱的峰值波长约为1649nm。外延结构可以在1653.7nm处获得更高的增益和更低的阈值电流。
2）激光器测试激射波长为1653.2nm，边模抑制比达到了54dB，饱和光功率大于20mW，波长随温度和电流的漂移系数较小且稳定，1600h可靠性实验结果良好。
3）采用频移干涉腔衰荡技术搭建了甲烷测试系统，测试了空腔（充入纯氮气），1%、2%和3%浓度甲烷的腔内损耗，每种浓度测量50个样品，1%浓度甲烷的吸收损耗波动在±0.0095范围，说明系统具有良好的稳定性；对三种浓度下气室损耗的平均值进行拟合得出了甲烷的吸收灵敏度为0.20237dB/%。
综上，激光器光电特性良好，能够稳定激射1653.7nm波段光，通过实际监测甲烷实验，具有高灵敏度和稳定性，说明该激光器能够满足实际甲烷探测的需求。
Qingyun Xian, Hui Lv*, Yucheng Yao, Chunfu Cheng and Zhiqiang Zhou. Fabrication and Application of 1653.7 nm Methane Sensor, IEEE Photonics Journal, 2022, 14(5), 1-6, https://doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3204674.
2. Applied Optics: 线宽小于200kHz的高功率1.55μm掩埋异质结分布反馈激光器
随着相干光通信系统的快速发展，激光器被要求有更高的功率和更窄的线宽。吕辉教授团队提出一种采用掩埋异质结的工艺方式，通过比较不同台宽和不同腔长的激光器光电特性，腔长为1000μm台宽为2.4μm的激光器在25℃@300mA下功率能达到133.7mW，边模抑制比大于50dB。该激光器也展现出了低相对强度噪声（<-150dB/Hz@260mA），窄线宽（<200kHz）。
本文要点：
1）激光器有源区多量子阱（MQW）包括3个5nm厚的InGaAsP量子阱和4个8nm厚的InGaAsP垒，采用掩埋异质结构通过反向PN结对水平方向电流、载流子和光子进行限制，使得光场分布更加集中。设计不同的台宽和腔长通过测试比较来获得最高功率的方案。
2）通过测试腔长为1000μm台宽为2.4μm的芯片电学特性最合适。在25℃@300mA下功率能达到133.7mW，边模抑制比大于50dB。波长随温度和电流的漂移系数较小且稳定。
3）通过测试激光器光频率噪声谱，取相对稳定的70~80MHz的白噪声功率谱密度平均值来表征该激光器线宽，在常温260mA下线宽最小为194kHz，相对强度噪声（RIN）低于-155dB/Hz。
综上，采用多量子阱掩埋异质结结构的DFB激光器，腔长为1000μm，台宽2.4μm，具有高功率，低RIN和窄线宽，同时制作工艺成本较低，能够大量生产用于相干光通信系统。
Qingyun Xian, Hui Lv, Yucheng Yao, Sihang Wei, and Zhiqiang Zhou, High power 1.55 µm buried heterojunction distributed feedback laser with a linewidth less than 200 kHz, Applied Optics, 2022, 61(36), 10633-10636, https://doi.org/10.1364/AO.474767
