摘要:二氧化硅平面光波导(PLC)器件以其低损耗、高工艺容差,以及与CMOS工艺兼容和与单模光纤模场匹配良好等优点,在光通信、光互连和集成光学中得到了广泛的应用。文章综述了二氧化硅平面光波导器件及其应用的进展,重点针对分束器、阵列波导光栅、可调光衰减器及其集成器件的最新研究进行了介绍,对未来发展趋势进行了展望。

摘要:光遗传学是一门涉及神经科学、光学、半导体光电子学及生物医学的交叉科学。把光作为一种遗传学的研究工具,可为神经科学研究提供更高效、精准的神经调控手段,也为临床精神疾病的研究和治疗提供了新的思路。集成式注入型生物光电极是一种集刺激神经元的光源与采集生物电信号的微电极于一体的多功能生物微探针,在利用活体生物进行的光遗传学研究中有着重要的应用。文章回顾了光遗传学的历史,对集成式注入型生物光电极器件的分类和发展进行了分析,详细比较了不同类型光电极器件在结构和性能上的差异,从电学特性、噪声信号、生物兼容性及可靠性等方面进行评价。最后,对光电极器件的未来发展进行了初步的探讨。

摘要:针对铂等常用金属热敏材料电阻温度系数(TCR)不高,导致热式MEMS流速传感器宽量程测量时功耗高的问题,设计了一种基于非晶锗(a-Ge)薄膜热电阻的低功耗、宽量程柔性MEMS流速传感器。非晶锗热电阻材料具有较高的TCR系数(约为-0.02/K)和室温电阻率(5Ω·m),传感器在较低的工作温差和功耗下可获得宽量程的流速测量。阐述了该柔性MEMS流速传感器的设计结构、工作原理、3D有限元建模和热-流场仿真结果。利用聚酰亚胺衬底空腔膜上的四个非晶锗热电阻同时作为自加热热源和测温元件。四个非晶锗热电阻组成一个惠斯通电桥,同时结合热损失和热温差原理来实现宽量程流速测量和测向。仿真结果表明,惠斯通电桥采用恒电流供电只需120μA,使得非晶锗热阻的工作温度与环境温度之间的温差不高于6K,就可对0~50m/s范围内的流速进行测量,且功耗在1.368mW以内。该柔性流速传感器易于采用MEMS技术批量制造,可贴于曲面应用,非常适于物联网等低功耗流速传感领域。

摘要:针对引力波探测空间天线激光干涉仪对四象限光电探测器提出的低噪声、高灵敏度、高带宽的要求,设计了一种四象限光电探测器芯片与读出电路混合集成的低噪声光电探测器。四象限光电探测器芯片采用四个性能一致的双耗尽区InGaAs PIN光电二极管单片集成结构,以降低二极管电容,减小象限间隔,提高灵敏度。通过PSPICE软件对由探测器芯片、低噪声跨阻放大读出电路构成的探测器模块进行了仿真,优化了电路参数,计算出相应的增益、带宽、噪声功率密度。性能测试表明,研制的集成式探测器模的-3dB带宽为28.3MHz,等效噪声功率密度为1.7pW/Hz1/2,象限增益一致性为0.76%,基本满足空间激光干涉仪的需求。

摘要:利用COMSOL软件设计了一种基于S型Y分支SOI脊波导的石墨烯M-Z电光调制器,并对Y分支波导曲率半径、相位臂长度、芯层间距和输入输出直波导长度等结构参数对调制器的影响进行了分析。在此基础上对电光调制器的性能指标进行了计算和优化,最终设计出了3dB带宽为143GHz、消光比为15.05dB的硅基石墨烯M-Z电光调制器。

摘要:四级脉冲幅度调制(PAM4)在高速串行链路系统中的地位日益提高,受到越来越多的关注。传统的行波马赫-曾德尔调制器(TWMZM)的分光比为1∶1,文章提出了一种非对称光强的行波马赫-曾德尔调制器(Asymmetric Power TWMZM,AP-TWMZM),并对输入端分光比进行独立推算,得到分光比的值为4∶1。Lumerical软件的建模仿真结果表明,在插入损耗和消光比与TWMZM相当的情况下,AP-TWMZM具有更高的调制效率和更好的线性度,其线性度高达0.948。

摘要:针对小卫星以至微纳卫星领域的应用需求,文章对具有抗辐照能力的CMOS图像传感器的芯片架构和关键技术进行了研究,着重对行列选电路、低噪声信号读出、可编程增益放大器和片上ADC等电路设计技术进行了分析和仿真验证。基于0.35μm CMOS抗辐照技术和工艺开展了芯片的关键电路仿真、设计和整体版图设计验证。流片后的测试结果表明,该CMOS图像传感器具有高动态、低噪声和抗辐照特点,其噪声电子为42e-,动态范围为69dB,当辐射总剂量大于100krad(Si)时,器件噪声指标符合预期。

摘要:面向微光环境的高时间分辨成像需求,基于CMOS图像传感器工艺,设计并仿真验证了一种具有三角形状梯度掺杂且浮置扩散区域中置的超快电荷转移大尺寸光电二极管(PPD)像素器件。它通过N埋层掺杂形状和梯度掺杂设计增强光生电荷传输路径的电势梯度,加速光生电荷从N埋层感光区域向电荷存储区域的转移。同时通过对传输管沟道的梯度掺杂,减小了沟道反弹电荷的水平,有效提升了光生电荷转移效率。仿真结果表明,三角形枝状的圆形像素器件在30000个电荷的情况下,在电荷转移效率达到99.9%时,电荷转移时间为1ns,同时其反弹电荷水平在1e-以下。该PPD像素器件可用于微光环境下的高时间分辨率成像。

摘要:针对电机内部实时测温的需求,设计了一种嵌套结构的管式光纤光栅传感器。该传感器使用陶瓷基片作为内层结构,以304不锈钢管作为保护外层,采用飞秒激光刻写的纯石英光纤光栅作为测温敏感元件。搭建了恒温油浴光纤传感测试系统,采用循环升降温的方法对其进行了温度特性研究,结果表明该传感器测温性能良好,升降温实验的线性相关系数均为0.9999,在长期的循环实验中波长重复性为±2pm,迟滞误差小于5pm,有较高的可靠性,可用于电机内部的温度监测。

摘要:基于准稳态模型和动量理论,探讨了微型扑翼飞行器诱导角和最佳几何攻角的计算问题。针对高斯-牛顿法求解诱导角方程时存在的不收敛问题,使用能保证计算过程收敛的列文伯格-马夸尔特算法求解,得到实验样机的诱导角为15°。实验样机的实际升力为40g,忽略诱导角后准稳态模型理论升力为46g,而考虑诱导角的理论升力为37g,验证了计算诱导角可以提高准稳态模型预测升力的准确性。基于实验样机翅膀被动扭转的实际,采用最小二乘法计算出实际最佳几何攻角为55°,能有效指导微型飞行器翅膀的设计,从而提高飞行器最大升力和飞行效率。

摘要:以LD泵浦光在侧泵模块水冷结构中的传输过程为研究内容,基于模块结构参数、光波传输特性及介质透光特性,系统分析了泵浦光在各介质表面和内部的偏振态变化、光强衰减过程及变化规律。重点分析了由介质表面菲涅尔效应和内部吸收效应等造成的光强衰减；计算了泵浦光在水冷结构中单次往返过程的损耗系数和偏振态变化矩阵。分析结果对于优化模块泵浦效率、增强散热效果等有一定借鉴作用。

摘要:为实现机器人腕部等关节受力情况的测量,设计了一种十字型光纤光栅多维力传感器,该传感器由两个圆环及两环间呈90°分布的四个相同的等截面悬臂梁及粘贴于其上的光纤光栅组成。分析了传感器的传感原理并使用ANSYS对传感器进行力学仿真分析；研究了传感器不同部位受力时悬臂梁的应变情况；搭建了实验平台,进行了传感器的标定实验和温度补偿研究；通过对仿真数据和试验结果进行数学分析,得出了光纤光栅中心波长漂移量与传感器的受力关系。实验结果显示,该传感器能准确地测量腕部所受力的大小和位置,误差在1.6%以内,且抗干扰能力强,具有较好的稳定性,能在复杂环境中使用。

摘要:分析了阱宽、垒高和应变对量子阱材料TE模和TM模折射率的影响,并剖析了其中的物理机理。研究表明:对于量子限制效应带来的量子阱折射率偏振相关性,阱宽越小或垒高越高,折射率偏振相关性越大。压应变增大时,折射率偏振相关性增大,张应变可以克服量子限制效应带来的折射率偏振影响。对于不同阱宽和垒高的量子阱,均存在合适的张应变量使折射率偏振相关性最小,且阱宽越小或垒高越高所需的张应变量越大。根据以上分析,提出量子阱材料折射率低偏振相关设计方法,并据此设计出C波段(1530~1565nm)内折射率低偏振相关(小于0.03)的量子阱材料In0.49Ga0.51As/In0.77Ga0.23As0.5P0.5。研究结果有助于优化设计光网络中关键器件。

摘要:采用微波等离子化学气相沉积方法,以甲烷和氢气为反应气体,在镀有金属钛的陶瓷衬底上,制备了微米金刚石聚晶薄膜。利用扫描电镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱对薄膜的化学组成、微观结构和表面形貌进行了表征。用二级结构的场发射仪和扫描隧道显微镜研究了薄膜的场发射性能,结果表明微米金刚石聚晶薄膜发射点主要来源于聚晶颗粒。进一步研究了单个聚晶颗粒表面不同区域的发射性能,发现多种因素对场发射的性能有影响。

摘要:采用高温固相反应法制备了不同掺Tb浓度的CaSrSiO₄纳米荧光粉。TEM照片显示粉末颗粒为球状,直径30~50nm。XRD主要衍射峰与CaSrSiO₄基质基本一致,表明Tb离子掺入对CaSrSiO₄晶体结构影响较小。285nm紫外光激发下,观测到强的紫外、蓝光和绿光等光谱,优化掺Tb浓度为0.7%。最后用CO₂激光器对CaSrSiO₄∶0.3Tb³⁺荧光粉进行退火,发现光谱增强50%以上。同时讨论了退火工艺参数对荧光粉光致发光特性的影响。

摘要:采用射频磁控溅射的方法,用96at% SnO₂/4at% Sb₂O₃陶瓷靶在玻璃表面制备了锑掺杂氧化锡(ATO)薄膜。研究了溅射功率、压强和后退火对薄膜近红外阻隔性能的影响,并采用Uv-Vis-NIR透射光谱、霍尔效应测试仪、XRD和SEM等设备对薄膜的性能和结构进行了测试和分析。结果表明,室温沉积的ATO薄膜近红外透光率较高,但在氮气中退火后,不同溅射压强和溅射功率下沉积的ATO薄膜的近红外透光率均显著降低。在氧含量为10%、压强为1.4Pa、溅射功率为200W时,室温下沉积的ATO薄膜在氮气中500℃下退火1h后,550nm处透光率由80.9%升高至85.8%,2000nm处透光率由84.6%下降至23.0%。

摘要:摩擦诱导选择性刻蚀具有加工成本低、流程简单、低加工损伤等优势,是实现单晶硅表面微纳米结构构筑的重要途径。为探究摩擦诱导机械划痕在单晶硅表面微纳加工中的掩膜行为,实验研究了选择性刻蚀中机械划痕掩膜下的线/面结构形貌与高度特征,并将其与氧化层掩膜进行对比。实验发现机械划痕掩膜性能与氧化层无明显差异,并讨论了两种不同掩膜下选择性刻蚀中纳米结构的形貌演变机理。最后,实现了采用不同掩膜的复合纳米图案加工。研究结果可为基于摩擦诱导选择性刻蚀的单晶硅表面高质量可控加工提供依据。

摘要:使用数值模拟的方法,对氢化物气相外延(HVPE)生长α-Ga₂O₃材料的温度和反应源气流进行了优化。区别于传统的在反应腔内HCl或Cl₂携带Ga源的结构,使用了外置Ga源的方法,可以较准确地调整GaCl/GaCl₃的组分占比、摩尔分数和浓度。另外,使用分子模拟软件Gaussian计算得到GaCl₃与O₂反应的活化能,通过实验数据拟合得到α-Ga₂O₃相变为β-Ga₂O₃的反应活化能。在此基础上,对生长温度、GaCl/GaCl₃的组分占比进行了模拟,并给出了α-Ga₂O₃的优化生长条件。

摘要:二硒化铼(ReSe₂)因具有较好的红外光响应和各向异性特性而成为近年来的研究热点。采用盐辅助化学气相沉积技术,在SiO₂/Si衬底上成功合成了大面积的单层ReSe₂薄膜,其尺寸达到80μm。采用拉曼光谱(Raman)、光致发光光谱(PL)、原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)等手段对制备的ReSe₂薄膜样品进行了形貌、光谱、厚度和元素成分的表征,结果表明所制备的ReSe₂薄膜晶体质量高。基于单层ReSe₂薄膜构筑了场效应晶体管,系统研究了其光电特性,结果显示器件的响应时间达毫秒级。

摘要:单幅图像去雾技术虽然已经取得较大的进展,但是算法较为复杂,运行时间较长。为了实现视频实时去雾,以硬件实现为目的,对暗通道先验算法进行改进,降低其时间复杂度。提出了一种暗通道图优化方法,保留了图像的边缘信息,消除了光晕效应,省去了透射率细化的复杂操作；提出了适应于硬件实现的大气光值估计和调节及透射率补偿方法,解决了视频帧间闪烁及天空等明亮区域的色彩失真问题。基于现场可编程门阵列(FPGA)对所提出算法进行了硬件实现。结果表明,该算法可以实时处理帧速为60f/s、分辨率为1920×1080的视频图像,相比传统去雾算法速度更快,去雾质量更高。

摘要:在信号的稀疏表示方法中,传统的基于变换基的稀疏逼近不能自适应性地提取图像的纹理特征,而基于过完备字典的稀疏逼近算法复杂度过高。针对该问题,文章提出了一种基于小波变换稀疏字典优化的图像稀疏表示方法。该算法在图像小波变换的基础上构建图像过完备字典,利用同一场景图像的小波变换在纹理上具有内部和外部相似的属性,对过完备字典进行灰色关联度的分类,有效提高了图像表示的稀疏性。将该新算法应用于图像信号进行稀疏表示,以及基于压缩感知理论的图像采样和重建实验,结果表明新算法总体上提升了重建图像的峰值信噪比与结构相似度,并能有效缩短图像重建时间。

摘要:为了满足微型无人飞行器实时控制的要求,文章对Yolo-V4单阶段图像检测算法进行了轻量化设计,并基于单目摄像头设计了实时目标识别系统。该轻量化算法首先通过优化输入网络的分辨率和卷积层参数等方法,将主干网络由73层压缩到16层；然后通过简化残差结构和跨级结构,解决深层网络梯度消失问题,减少梯度信息重复；最后自下而上将网络浅层和深层特征进行了精简融合。采用K均值聚类算法训练轻量化模型以优化预选框参数,提高算法对特定目标的检测精度。测试表明,改进后的轻量化算法对特定目标的预测精度为98%,召回率为92%,均值平均精度达90.70%,单张图片检测时间为7.8ms,对视频的处理速度可达125.6f/s,满足微型无人飞行器的实时应用要求。

摘要:数字同轴全息对刀技术中微细铣刀全息再现像的自动聚焦是实现高精度自动对刀的关键技术,其中聚焦评价函数是判别图像质量的依据。通过比较几种常用的聚焦评价函数的评价性能,探讨了数字全息自动对焦过程中刀具的成像特点以及适用的聚焦评价方法,发现小波变换聚焦评价函数能适应高精度聚焦的需要。针对自动调焦问题,提出一种分段递进搜索方法,将搜索过程分为两个过程:大步距粗调和小步距精调,分段搜索最优解。然后比较分析了所提搜索方法与经典的模拟退火算法和Levenberg-Marquardt算法的搜索性能。实验结果表明,所提分段递进搜索方法适用性更强,并通过计算机模拟实验进一步验证了其有效性。

摘要:为满足激光通信系统跟踪精度的要求,采用快速反射镜系统作为精跟踪控制核心。选用大行程、高分辨率、高带宽的音圈电机驱动快速反射镜,对音圈电机控制方法进行了研究。首先,定性分析了快速反射镜系统的组成及工作原理。然后,根据音圈电机的等效电路模型进行建模分析,得到快速反射镜的传递函数模型。最后,介绍了模拟控制器的设计原理,给出了比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivative,PID)电路、位置检测电路以及功率放大电路的具体设计。实验结果表明,设计的快速反射镜的角分辨率为1μrad,重复定位精度为3μrad,闭环带宽(-3dB)为300Hz@1mrad,满足激光通信系统稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。

摘要:针对串行抵消列表翻转(Successive Cancellation List Flip,SCLF)译码算法存在译码性能与复杂度不能同时兼顾的问题,提出了一种快速串行抵消列表翻转(Fast Successive Cancellation List Flip,FSCLF)译码算法。该算法通过加入四种特殊结点的识别来加快译码速率,同时构建了临界集(Critical Set,CS),不再依据先前译码错误而引起的错误传播,而是通过两种特殊结点即信息比特R1结点和单奇偶校验(Single-Parity-Check,SPC)结点分别对对数似然比(Log-Likelihood Ratio,LLR)值进行计算来判决并确定翻转位置,当奇偶校验位不满足时只需翻转与最不可靠输入LLR值相对应的信息比特,这样减少了翻转次数,从而降低了算法复杂度。仿真结果表明:在误块率为10-5时,所提出的FSCLF译码算法比原SCLF译码算法的信噪比改善了0.09dB,为中短码长情况提供了参考算法。