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关键词： 光波导   光栅   模式滤波   光互连   光子集成电路  

摘要： 随着人工智能、云计算及大数据等现代信息技术的迅速发展,人们对信息系统的容量和处理速度的需求也在急速提升,而用于信息处理的集成电路工艺已逼近物理极限,电子间强相互作用导致的“电子瓶颈”问题日益突出。片上光互连能消除RC延迟,且具有大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优点,被认为是解决此问题的最有潜力的技术。滤波器是实现片上光互连的基本器件,其功能是对信号进行选择性通过或阻止,可用于灵活的片上分插复用,以及降低不同信道之间的信号串扰。因此,要实现高集成度、大容量的光互连芯片,离不开高性能的滤波器件支撑。本文面向下一代片上光互连关键的模分复用（MDM）技术,深入研究了基于反向模式变换布拉格光栅的模式调控理论,实现了灵活模式选择滤波、模式复用/解复用和偏振模式滤波三种高性能的模式滤波器件,并通过实际制作和测试验证了器件具有优秀的性能。本文的主要内容和创新点概括如下: 1、针对MDM系统难以实现低阶模式滤波的问题,提出了一种基于局域嵌入光栅阵列的反向模式变换的新滤波机制,利用多模波导模式特点优化局域光栅参数实现了反向耦合增强。基于此,设计了多个模式滤波器作为原理验证,理论模拟结果显示当器件尺寸为13μm×1μm时,器件能够在1550 nm光通信波长附近100 nm的带宽范围内保持插入损耗（IL）<1 d B、模式消光比（ER）>20 d B的优秀性能。实际制作了TE1通、TE2通两种滤波器,测试结果显示器件在整个C波段内具有超过30 d B模式ER,和低于1.3 dB的IL,性能优于同类器件。本设计方法具有通用性,为器件功能扩展提供了空间,且器件结构简单、制作仅需单步刻蚀。 2、利用上述滤波器件作为核心单元,面向多种模式滤波应用场景,设计实现了多种模式滤波功能,包括任意模式滤波、模式复用解复用、偏振模分束。具体内容包括提出了4模式(TE3通和TE2,3通)滤波器,并提出了低通（低阶模式通过）、高通及带通的灵活滤波架构。此外,基于TE2通滤波器和双向耦合方案,提出3模式（解）复用器,在1550 nm光通信波长附近超过100 nm的带宽保持IL<1 d B、模式串扰（CT）>20 d B;基于TE2通滤波器和定向耦合方案,提出偏振模式分束器,并通过优化实现对偏振分束器工作带宽的扩展,在1550 nm光通信波长附近超过200 nm的带宽保持了IL<2 d B、偏振模式CT>20 d B的优秀性能。 3、面向大容量片上光互连系统的超宽带偏振模滤除,提出了一种具有高偏振依赖的能带特性的波导光栅设计方法,该光栅对于TE偏振具有478 nm的超宽带隙,而TM偏振在此范围内正常传导,可用于宽带偏振模式滤波。理论模拟显示,器件在国际电联规定的全部光通信波段（O～U）的415 nm范围内具有低于1 d B的IL和高于21 d B的偏振消光比（PER）,且尺寸仅18μm×3μm。实际制作和测试结果显示,在超过300 nm带宽（受限于测试平台和设备）范围,IL<1 d B,PER>22 d B。该器件是220 nm绝缘体上硅平台已报道的,达到相近性能的最高带宽的TM起偏器。

关键词： 光纤光栅   多级连续船闸   水位监测   自诊断  

摘要： 针对船闸水位信息的稳定性和可靠性问题，研究提出了一套基于光纤光栅的多级连续船闸水位监测系统及其自诊断方法：该水位监测系统独立于船闸控制系统，采用单测点多只传感器的测量方式对多级连续船闸水位进行监测；根据格布拉斯准则对异常值进行判定，通过布尔计算、逻辑运算等方法对各水位计进行自动校准，实现水位监测系统的自诊断。结果表明：该水位监测系统减轻了多级连续船闸中心控制系统的算力负担和通讯负担，实现各水位检测传感器的自动校验，提高了多级船闸闸室水位测点可靠性，从而提高多级连续船闸整体运行的可靠性和安全性。

关键词： 张量低秩表示   癌症多组学数据   变换张量奇异值分解   图学习   非线性变换  

摘要： 近年来,随着癌症发病率与死亡率不断上升,研究人员致力于探寻癌症之间,癌症与基因之间的关系,并希望找到治疗和预防癌症的有效方法。人类基因组计划的实施产生了海量的基因测序数据,这些数据中蕴含着丰富的遗传信息,为研究人员在基因层面深入理解和揭示癌症病因提供了新的思路。然而,癌症多组学数据往往具有多类型、高维度、小样本的特点,如何提取其中的关键信息以研究癌症与基因的关系是一个充满挑战的课题。尽管传统的基于矩阵分解的低秩表示方法已经广泛应用于许多领域,但它们在处理多视图数据时,需要将多视图数据压缩为矩阵形式,这一过程往往会破坏数据的固有空间结构,从而不能有效地挖掘数据中的多视图信息。而张量作为向量和矩阵的高阶推广,是建模多维数据的强大工具,其有助于更好地捕获高维数据的内在结构,有效弥补矩阵的不足。尽管基于张量的低秩表示方法可以保证在数据结构不被破坏的情况下探索高维空间和低秩空间的相似性,并且通过分离稀疏噪声使得主要信息得到保存,但在低秩张量恢复方面存在一定局限性。因此,本文从四个不同的角度提出了针对性的优化张量低秩结构的方法,旨在改善其挖掘数据信息的能力,以实现癌症样本的有效聚类以及发现新的关键特征基因。具体的研究内容如下: (1)针对基于张量奇异值分解(t-SVD)的方法不能恢复低管秩张量的问题,提出了基于变换t-SVD的张量鲁棒主成分分析模型(TTTD)。具体来说,使用酉变换矩阵替代t-SVD中的离散傅里叶变换矩阵,这有利于获得一个更好的变换张量的低秩表示,进而更精准地恢复底层低秩张量。同时,采用L2,1范数学习稀疏项,其所产生的行稀疏约束能够有效检测原始张量中的噪声和异常值,减少数据冗余,提升低秩结构信息提取的精确度。将TTTD应用于癌症多组学数据集中进行样本聚类和特征选择实验,结果表明,TTTD能够实现有效聚类,同时发现新的癌症基因关联。 (2)针对多组学数据中先验知识利用不足以及低管秩张量恢复受限的问题,提出了基于空间-管约束的低变换管秩张量模型(LTTRT)。在该方法中,使用基于变换t-SVD的变换张量核范数来刻画张量的全局低秩性,相较于传统的张量核范数,变换张量核范数可以通过适当的酉变换得到更低的管秩。此外,还引入了加权全变分正则化策略,通过在不同维度上施加差异化的权重来约束低秩项,这一策略能够深入探索测序数据在空间和管维度上的丰富信息,进一步挖掘其潜在的低秩结构,并在一定程度上消除混合噪声的干扰。为验证LTTRT的有效性,将其应用于多种类型的癌症多组学数据集,实验结果表明,LTTRT能够实现对不同类型的癌症样本的精确划分。 (3)针对传统的张量模型忽视统一张量空间与特定视图空间的信息的问题,提出了基于改进的低秩表示和图学习的多视图张量模型(MFLRG)。在统一的张量空间中,提出了变换加权张量Schatten p范数,其不仅在酉变换域中实现,而且明确地考虑了奇异值所携带的显著差异信息,使得模型挖掘嵌入在张量空间中的全局结构信息的同时获得较低管秩张量。在视图特定空间中,采用图正则化来获取多个样本之间的局部几何结构,捕捉特定的视图空间信息,以保证全面观测到组学数据的互补性和一致性特征。实验结果表明,MFLRG可以通过同时学习癌症多组学数据的全局和局部特征来提升模型性能。 (4)针对基于线性变换的张量核范数的模型在探索张量的低秩结构时,往往忽视了数据固有的非线性特征这一问题,本文提出了基于非线性变换诱导的张量核范数(NTTNN)和重加权稀疏结构的多视图张量模型(NTRSS)。具体而言,NTTNN结合了线性半正交变换和逐元素非线性变换,有效捕捉了高维多视图数据的非线性特征,并增强底层张量的低秩近似。此外,采用重加权的L1算法在学习稀疏结构知识和恢复稀疏信号方面的效果更加显著。在癌症多组学数据集中的实验充分证明了 NTRSS方法在提取非线性特征和学习稀疏先验知识方面的有效性。 本文将所提出的四种不同模型应用于癌症多组学数据集,并进行了详尽的实验验证。实验结果充分展示了不同算法在处理复杂癌症多组学数据时的有效性,这为癌症的识别、诊断和治疗提供了可靠的理论支持,为推动精准医疗和全民健康事业的发展具有重要意义。

关键词： 光学电压传感   电-力-光耦合   柔性耦合机构   参数耦合优化  

摘要： 传感网络作为分布式数据采集的物理基础,可为电网数字化与智能化进程提供强有力的数据支撑。通过监测电网节点的电压信号能够实时获悉全网设备运行状态和负载情况。针对电压测量节点,压电光栅电压传感器相较传统电磁互感式电压测量方法而言,具备尺寸小,成本低,强电磁屏蔽能力,易传输组网的优势,更适合应用于智能电压传感领域。通过研究该传感器器件结构、参数耦合模式与传感器输出特性值的关系,有望改进其传感性能,推动后续应用及传感网络建设。 为探究压电光栅电压传感中器件耦合模式对输出特性影响,本文基于固体力学理论,针对一种采用双光栅光谱叠加解调温度无关的压电光栅电压传感器建立器件耦合力学模型。通过对压电结构、耦合结构进行理论计算、仿真计算及实验校验,研究了该传感器中压电结构力电输出特性及耦合结构参数对传感器输出特性的影响规律,建立了柔性耦合结构参数与传感器输出特性规律间的数学表达关联式。在此基础上设计了一种参数可变的柔性机构用以耦合压电结构和光纤布拉格光栅。实验结果表明,使用本文设计的柔性耦合机构能使该传感器在0-6k V、0-1500N的负载条件下实现电压的线性传感。通过结构设计改变耦合结构参数,能使光栅反射谱中心波长偏移量转换为原始的50.86-87.82%。本研究所建立的器件耦合模型和所实现的柔性机构耦合方法可为进一步提升类似传感器性能提供参考,完善光学电压传感器的应用研究体系。 为提升该传感器的实时响应精度,拓宽传感器测量范围,实现传感器器件参数深度耦合,本文进一步提出了一种基于门控循环单元(Gated Recurrent Unit,GRU)和双光栅解调原理的器件参数耦合开环优化方法。首先基于耦合模理论及双光栅解调原理对传感系统响应结果中光谱的非线性特性进行了理论计算、仿真计算及实验校验。利用该特性曲线进行线性度补偿后,进一步利用GRU网络对压电结构所具有的迟滞特性进行补偿。实验研究了该传感系统2.8k V传感区间内的电压响应特性、光谱特性及迟滞特性,验证了该传感系统非线性段修正后的测量结果线性度达到99.93%,最大偏差不高于2.07%,最大迟滞不高于3.33%。本文提出的压电光栅电压传感器器件参数耦合优化方法显著提高了传感器的实时响应精度,实现了传感器非线性测量区域的充分利用,拓宽了传感器的传感范围。该方法可为后续提升类似传感器性能提供参考,进一步推动光学电压传感器应用发展。