摘要:

摘要:

摘要:硅基集成光子器件具有体积小、集成度高的突出优势,在光通信、数据中心光互连等领域具有广阔应用前景。然而,硅基波导耦合器件尺寸相对较大、工作带宽和工艺容差受限。硅基多模路由光子器件设计还面临挑战。文章介绍了近年来发展起来的两种硅基集成光子器件先进设计方法:绝热捷径法和变换光学方法,简要阐述其物理原理,并展示在硅基集成光子器件设计中的典型应用。

摘要:随着网络传输数据的爆炸式增长,传统集成电路芯片面临着难以进一步提升交换速率及继续扩大容量等挑战。相较于传统电子芯片,硅基光子器件具有交换速度快、功耗低、带宽大和与CMOS工艺兼容性好等优点,可满足下一代全光交换网络、数据中心和高性能计算光互连的迫切需求,被视为在后摩尔时代突破芯片容量最具前途的解决方案,受到日益广泛关注。文章介绍了硅基光子芯片中光开关单元及阵列的技术原理和发展现状,重点论述了MZI型、MRR型开关单元,以及常见阵列拓扑结构,介绍了近年来大规模光开关阵列的国内外研究进展,讨论了未来硅基光开关及阵列研究中面临的主要问题和解决方法。

摘要:硅基光子芯片以光子为信息传输媒介,具有高带宽、高速率、高集成度,及与CMOS工艺兼容等优点,在多个领域具有应用价值。文章首先介绍了几种硅基光子芯片的加工平台,包括绝缘体上硅(SOI),SiN,Ⅲ-Ⅴ族材料(如GaAs和InP)和硅衬底上铌酸锂薄膜,然后回顾了硅基光子芯片在光通信与光互连、光计算、生物传感、激光雷达(LiDAR)和光量子领域的发展现状和挑战,最后进行了总结。

摘要:微波波束形成器是相控阵雷达、5G通信基站等射频发射系统中的核心器件。近年来硅基微波光子波束形成器以其带宽大、尺寸紧凑、重量轻、损耗低、抗电磁干扰等优势成为微波光子学中的研究热点之一。文章从微波光子波束形成的基本原理和性能指标出发,总结了近年来应用于微波光子波束形成器的多种集成可调光学真延迟线结构和波束形成网络架构,并介绍了微波光子波束形成系统集成芯片和自动化控制的最新进展,最后对硅基微波光子波束形成器的未来发展进行了展望。

摘要:针对光载无线通信(RoF)系统对高增益、小型化光接收模块(ROSA)的需求,基于混合集成技术,设计并制作了一种高增益的四通道ROSA器件,尺寸为20.0mm×14.0mm×5.9mm。模块内集成了低噪声放大器(LNA)芯片以提高射频信号增益,建立了射频信号传输电路,并对器件特性进行了仿真分析。经测试,器件的射频信号增益达14dB,-3dB带宽为23GHz,在1550nm波长的入射光下,器件的响应度为0.81A/W,相邻信道之间的射频信号串扰小于-40dB。该模块对于减小RoF系统的体积和功耗具有重要意义。

摘要:针对硅基单端推挽驱动调制器的脊波导pn结部分结电容较大,限制了调制器带宽进一步提高的问题,提出了一种狭缝脊波导pn结结构。通过将脊波导pn结蚀刻一定尺寸的狭缝,降低了pn结电容,实现了带宽的提升。对两种pn结进行了仿真对比,结果表明,在相同电极结构与掺杂条件下,狭缝脊波导调制器比脊波导调制器的电光带宽提升了约8.3GHz。基于优化的单端推挽驱动狭缝脊波导调制器,仿真实现了90Gbit/s的OOK信号调制,眼图消光比为14.69dB。

摘要:新一代片上传感系统提出了微型化、集成化、低成本等发展需求,硅基集成波导器件适应其发展趋势,其中亚波长光栅结构因独特的模场分布特性在折射率传感领域备受青睐。文章首先对亚波长光栅波导的工作原理进行了介绍,阐述其在折射率传感领域的优势,然后按器件结构分类梳理了亚波长光栅结构折射率传感的最新研究进展,并分析和总结了不同器件结构的优缺点,最后展望了基于亚波长光栅结构的折射率传感未来的发展方向。

摘要:随着硅基锗薄膜外延技术的突破,基于硅基锗材料的光电子器件快速发展,其中以硅基锗光电探测器最为突出。由于锗可以实现近红外通信波段的光吸收,而且完全兼容硅的CMOS工艺,硅基锗探测器几乎成为硅基光探测的唯一选择。文章主要介绍了面入射和波导耦合两类常见硅基锗光电探测器的研究进展,包括典型的器件结构,以及提升响应度和带宽等性能的主要途径。

摘要:为了应对共封装光学(CPO)系统对硅光外置光源提出的高功率、低噪声、低功耗等要求,设计了一种波长在1310nm附近的AlGaInAs多量子阱(MQW)高功率连续波(CW)分布反馈(DFB)激光器芯片。通过在有源层MQW的下方插入一层InGaAsP远场减小层,实现光模场向n型包层下移,减小远场发散角的同时降低了量子阱区的光限制因子和整体的光吸收损耗,制作的激光器可以实现高斜率效率、非致冷高温高功率工作。测试结果显示,该激光器在25℃下,阈值电流为20mA,斜率效率为0.46W/A,输出功率为173mW@400mA；当注入电流为300mA时,激光器的水平和竖直发散角分别是15.2°和19.1°,边模抑制比大于55dB,洛伦兹线宽小于600kHz,相对强度噪声(RIN)小于-155dB/Hz；在85℃高温下,激光器阈值电流为32mA,输出功率达到112mW@400mA。

摘要:多通道干涉(MCI)激光器是一种新型单片集成的大范围可调谐半导体激光器。它采用多臂干涉增强而无需光栅的选模方式,具有制作简单和容差大的优势；采用偏置量子阱技术进行有源无源集成,降低了二次外延的难度。为满足光通信不同场景的应用需求,分别设计研制了大范围可调的电调谐和热调谐MCI激光器。基于电调谐的MCI激光器实现了48.8nm的波长调谐范围,洛伦兹线宽小于350kHz。基于热调谐的MCI激光器在双工作温度下的波长调谐范围大于60nm,总热调谐功率小于35mW,整个调谐范围内洛伦兹线宽小于100kHz。同时,研究推进了其稳定控制及集成化工作,实现了基于热调谐MCI激光器的nano-ITLA。

摘要:基于X-切绝缘体上薄膜铌酸锂平台,提出并设计了一种高耦合效率的切趾一维光栅耦合器。采用非晶硅覆盖层材料,结合亚波长光子晶体等效方案和遗传算法增强光栅耦合效率。在中心波长1550nm处,光栅的峰值耦合效率为-1.08dB,通过引入底部金属反射镜可进一步提高至-0.53dB,其1dB带宽约为61nm。

摘要:理论分析了降低雪崩光电二极管(APD)噪声、提高其增益及带宽的一般方法。面向APD综合响应度与带宽之间存在的固有矛盾问题,提出了采用三维纳米化技术降低APD的噪声,以及采用集成光学技术提高APD的响应度的解决方案。在此基础上,从表面等离基元聚光结构与垂直光入射型APD的混合集成、超透镜与垂直光入射型APD的混合集成,以及阵列波导光栅(AWG)与光侧入射倏逝波耦合波导(EC)APD的单片集成等三个方面,综述了集成化高速APD的研究进展,对该领域的发展趋势进行了展望。

摘要:硅基集成光波导具有很高的折射率对比度,能将光场限制在纳米尺度,是制备结构紧凑、高效的纳米光子器件的关键。但是,高折射率对比度也会引起波导双折射效应。因此,几 乎所有纳米光子器件都是偏振相关的。偏振分束器是偏振分集光子集成电路中克服硅纳米器件强偏振依赖性的重要组成部分,在片上相干通信、传感与环境检测等领域具有广阔的应用前景。目前报道的基于亚波长光栅波导结构的偏振分束器,工作带宽在200nm以上,消光比也超过了20dB。文章简述了各种类型偏振分束器的工作原理,对其尺寸、消光比、带宽等方面的性能进行了比较,分析了各类偏振分束器的优劣势,最后总结了其主要应用场景并展望了未来发展方向。

摘要:提出了一种并联体声波谐振器(BAWR)与Ga₂O₃基MSM紫外传感器的新型高灵敏度传感器结构,即体声波谐振式日盲紫外光传感器(BAWR-UV Sensor)。设计并制备了MSM Ga₂O₃紫外传感器和BAWR传感器,将实测的光、暗S参数在仿真软件中封装为S1P数据模型代替MSM等效电路,用MBVD模型代替BAWR等效电路,通过并联两种结构建立了BAWR-UV仿真模型；采用ADS软件仿真了BAWR核心参数对BAWR-UV传感器灵敏度的影响,研究了提高灵敏度的设计方案。仿真结果表明,在0.5~4.5GHz频率范围内,BAWR-UV的并联Q值越大,阻抗灵敏度越高,同时阻抗灵敏度随频率降低而增大,在并联谐振频率f_p=0.533GHz时获得最佳阻抗灵敏度为100kΩ/(μW/mm²)；频率灵敏度随频率的升高而增大,在f_p=4.5GHz时获得最佳频率灵敏度为1.4MHz/(μW/mm²)。最后,开展了高灵敏度日盲紫外传感器的探索。

摘要:随着全光网络的快速发展,快慢光技术受到了广泛关注。为了研究半导体光放大器(SOA)的快慢光效应,文章构建了辅助光注入半导体光放大器的理论模型。比较了辅助光注入SOA前后,直流电流、调制电流、调制频率、相移以及增益系数等参数对相位延时量的影响。仿真结果表明:辅助光的注入使输出信号光由慢光变为快光,辅助光功率越强,效果越明显。同时,注入辅助光信号后,直流电流越大,相位延时量越大；调制电流、调制频率、相移及增益系数越大,相位延时量越小。

摘要:聚合物平面光波导(PLC)器件以其低损耗、低成本、低功耗,以及制备工艺简单等优点,在光通信网络、微波光子学、传感监控等领域发挥着重要作用。文章梳理了近年来聚合物平面光波导器件的代表性工作,其中包括阵列波导光栅、可变光衰减器、光开关及其集成器件,讨论了聚合物平面光波导未来的发展方向。

摘要:在低温环境中,光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)材料的热膨胀系数和热光系数会发生改变,从而影响其温度传感特性。文章通过实验研究了裸光纤光栅传感器和黄铜管封装的光纤光栅传感器在低温下的温度传感特性。结果表明,在80~300K温度范围,裸FBG温度传感器的灵敏度为6.43pm/K,线性度为0.974,在80~230K温度范围,温度与光纤光栅的中心波长呈现非线性关系；黄铜管封装的FBG温度传感器,在整个温度范围内灵敏度可达26pm/K,线性度为0.996,较裸FBG温度传感器均有较大提升。对比实验表明,对光纤光栅进行封装,可以提高其温度灵敏度和线性度,改善温度传感特性。

摘要:基于能带理论和分布布拉格反射镜(DBR)的工作原理,分析了垂直腔面发射激光器(VCSEL)中DBR串联电阻较大的原因。采用组分渐变降低DBR结构中异质结界面处势垒,优化DBR的各层掺杂浓度,通过调控费米能级进一步降低DBR中的异质结势垒,从而有效降低DBR串联电阻。实验采用Al0.22Ga0.78As/Al0.9Ga0.1As作为生长DBR的两种材料,设计了DBR各层厚度,研究了AlGaAs材料的最佳生长温度,利用MOCVD外延技术完成了795nm VCSEL突变DBR与渐变DBR的生长。经过工艺制备,测得突变DBR和渐变DBR的电阻分别为6.6和5.3Ω,优化生长后的DBR电阻得到有效降低。

摘要:利用Silvaco TCAD器件模拟软件研究了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件势垒层的厚度、沟道宽长比和掺杂浓度对器件的转移特性和跨导曲线的影响。结果表明,器件势垒层厚度的变化可以调节器件的电流开关比和开启电压,实现由耗尽型器件向增强型器件的转变；沟道宽长比的改变可以调节器件的开启电压,并且随着沟道宽长比的增加,栅极电压控制量子阱中二维电子气的能力增强；势垒层适量掺杂提高了输出电流,并且使跨导的峰值增大,但过度掺杂会造成器件不易关断情况出现。

摘要:针对短波红外焦平面的大动态范围需求,设计了一种像素级脉冲频率调制(PFM)模数转换器(ADC)。传统PFM ADC采用DI输入级,进行弱信号探测时,注入效率会下降,造成动态范围的损失。设计的PFM ADC采用CTIA输入级,弱信号探测时仍能维持高注入效率；同时采用两档增益和增益自选择技术,使得每个像素都能够根据输入的光电流自动选择增益,在提升动态范围的同时,不增加额外的功耗。在0.18μm CMOS工艺模型下,仿真结果表明该电路的动态范围达到100.1dB,单元ADC功耗小于10.54μW,并且基于所设计的改进型PFM ADC设计了规模为32×32、中心距为50μm的像素级数字化读出电路。

摘要:设计了一种基于阿基米德螺线的新型螺旋光子晶体光纤,该光纤以二氧化硅为基底材料,包层由24个螺旋臂组成,每个螺旋臂包含11个小空气孔,纤芯设有大空气孔,包层与纤芯中间的环形区域用于传输轨道角动量模式。该结构在1300~1800nm波段上可支持22种轨道角动量模式稳定传输,在1550nm波长下,有效折射率差最高可达 2.89×10-3,色散系数最低可达 66.4ps/(nm·km),非线性系数最低可达2.17W-1·km-1,且1500~1600nm 波段上的色散值变化均小于15.15ps/(nm·km)。此螺旋光子晶体光纤不仅结构简单,且具有低非线性、色散平坦的性能,为螺旋光子晶体光纤的设计提供了思路。

摘要:研究了3种微通道板基底羟基化的方法,测量了羟基化处理后微通道板基底表面水接触角及通道端面的形貌变化,分析了各种方法中微通道板基底的亲水性和腐蚀情况。实验结果表明:氨水双氧水溶液对基体表面的亲水性能提升不大,NaOH溶液对基体有腐蚀作用,经食人鱼溶液处理的基体表面亲水性明显提高且无腐蚀作用。研究了微通道板在食人鱼溶液中的浸泡时间和浸泡温度对表面亲水性的影响。结果表明:随着浸泡温度的增加,微通道板表面水接触角先减小后增大,当温度为80℃时达到极小值,浸泡时间对微通道板表面的亲水性影响不大。最终确定了微通道板表面羟基化工艺:浸泡温度为80℃,静置时间为20~60min。

摘要:提出一种针对高陡度非球面元件表面中频误差的主动平滑技术。通过构建离轴高陡度非球面平滑加工接触模型,获得加工过程中的不吻合度分布,设计主动平滑工具。采用有限元分析方法模拟主动平滑过程中磨盘材料、厚度及结构之间的关系,获得优选的主动平滑参数。实验结果验证了计算模型的准确性及主动平滑技术对于高陡度非球面元件的中频误差具有更好的平滑效果。

摘要:文章基于挠曲电和应变梯度效应的共同影响,建立了静拉伸下一维压电半导体力电耦合计算模型,数值分析了挠曲电和应变梯度效应对位移、电势、电位移、载流子分布等物理场的影响。结果表明:两种效应对机械位移场没有影响,但对各电相关物理场的分布影响显著；挠曲电效应对压电结构本身的压电性能有抑制作用,而应变梯度效应却增强了其压电特性。本研究为压电类微纳结构的机电特性分析提供了理论指导。

摘要:提出了一种基于FCOS神经网络的小建筑物目标检测算法,针对FCOS模型在特征提取阶段提取到的小建筑物目标特征较少问题,引入多尺度检测和可变形卷积方式,加强网络对小建筑物目标的特征提取能力,并通过改进后的SGE注意力机制降低特征图中的干扰噪声权重。改进后的网络可以提取到更多的小建筑物目标特征,对环境干扰噪声的鲁棒性更强。在自己搭建的数据集上进行了实验测试,结果表明,在相同环境下网络改进后建筑物的整体检测准确率提升了1.7% ,其中对小建筑物目标提升了3.6%,减少了小建筑物目标漏检、误检的问题。

摘要:为了解决常见自动白平衡(Auto White Balance,AWB)方法的场景适应能力不足且实时性较差等问题,提出了一种基于颜色通道直方图重构的自适应AWB方法,并使用现场可编程门阵列(FPGA)对所提出的算法进行硬件电路实现,在校正图像白平衡的同时也确保了系统高速实时处理图像。首先对图像进行限制对比度自适应直方图均衡化(CLAHE)处理来提高图像对比度,然后对图像进行灰度级区间的通道分区统计,对不同场景类别的图像采用颜色直方图匹配或平移的重构方式做自适应处理。实验结果表明,该算法在处理图像白平衡时,相比基于光源估计的AWB算法,色温校正准确率提高了14%,对不同色彩场景有更好的适应性,具有实时处理能力。

摘要:针对浑浊水下成像环境,提出了基于非均匀圆偏振光照射的浑浊水下偏振图像处理方法。首先对非均匀圆偏振光照明条件下目标成像和处理遇到的困难进行了分析,并对圆偏振光作为光源的特点进行阐述；其次设计成像环境对水下目标物的偏振图像和可见光图像进行采集。采用基于CLAHE和MSRCR的方法对可见光图像进行预处理,大幅度消除非均匀光照对图像清晰度的影响；依据水下成像的物理模型,考虑到水下目标物反射光的偏振特性,提出了一种基于偏振信息图像融合的图像去雾方法,实验证明该方法能够对偏振信息图像进行优势融合并增强其边缘轮廓；考虑到人眼视觉特性,将偏振信息融合图像与优化后的可见光图像进行融合,最终实现对水下模糊偏振图像的复原。结果表明,该方法实现了偏振图像边缘轮廓及纹理的增强,显著提高了水下图像的质量。

摘要:为了解决多路时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)拼接遥感相机成像的噪声问题,提高载荷焦面电箱的成像信噪比和成像质量,通过分析噪声现象,发现多路TDICCD成像噪声的主要原因有两个:一是多通道TDICCD未能实现同时刻开启成像,使得成像电路电源出现高频纹波噪声且多通道噪声相混叠,这样对各通道CCD模拟信号造成干扰；二是电路中的DC-DC电源开关噪声扰动影响了CCD有效视频信号的采集。从工程研制实际出发,采取CCD通道之间共用统一的系统时钟,相同系统复位等措施对多TDICCD成像电路系统进行改进,抑制通道间成像串扰的发生,通过对主要干扰源DC-DC电源进行滤波处理与TDICCD端多点接地等方式,抑制电源噪声对TDICCD成像的干扰。对改进后的多通道TDICCD成像电路系统进行成像和信噪比测试。实验结果表明,采取的措施有效地去除了TDICCD成像噪声,相机信噪比提高了2dB,且外场成像质量高,可满足实际工程的需求。

摘要:与传统成像技术相比,光场成像技术能够利用光场中光线的传播方向信息,采用计算成像的方式极大地提高成像系统的景深。而传统的光学显微镜分辨率越高,景深越小。文章结合光场成像技术和传统光学显微镜,通过在显微镜一次像面插入微透镜阵列,提高显微镜景深,实现光场的显微三维测量。该系统通过单次曝光即可获得光场的四维光场信息,通过数字重聚焦技术和清晰度评价函数完成光场显微测量。实验结果表明,基于微透镜阵列的光场显微测量方法是可行的。测量系统以牺牲16倍横向分辨率为代价,将显微镜头景深提高了近100倍。

摘要:针对雪崩光电二极管(APD)应用多样化的需求,提出多模式控制的APD偏压电路模块设计方案。基于APD工作原理,分析了APD增益系数、反向偏置电压、工作温度三者之间的关系,设计了具有多模式工作的APD偏压模块硬件电路,开展了详细的单片机软件功能设计。结合雪崩光电二极管进行了实验验证,结果表明在-40~+60℃温度范围内,该偏压电路模块具有温度补偿及多模式切换功能,输出电压偏差小于0.5V,纹波小于100mV,可实现APD多模式工作,满足工程化应用需要。