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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： 光波导谐振腔   高品质因子   PDH锁频   宽频水声传感   强度解调  

摘要： 随着水声传感器在水下目标探测、海洋资源勘探、地震波检测、蛙人探测、探雷避碰声纳等军事和民用领域的广泛应用,人们对于高灵敏度、宽频响应范围的水声传感器的需求显著增加。相比于传统电式水声传感器,光学水声传感器具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、重量轻等不可替代的优势。光学谐振腔品质因子高、尺寸小,以光学谐振腔为敏感单元的声传感器有望实现高灵敏、超宽频的声波探测,对于提高声传感器应用的普适性提供了可行的手段。针对目前光学水声传感器工作频率范围窄难以满足宽频声波应用需求的问题,本文基于光学谐振腔提出了一种无振膜、全固态、高灵敏、超宽频的二氧化硅光波导谐振腔声传感器（Optical Waveguide Resonator Acoustic Sensor,OWRAS）,并设计了OWRAS的宽频水声检测系统。作为一种新的宽频水声传感器,OWRAS能够实现超宽频、高灵敏度的水声信号测量,满足宽频声波领域的应用需求。本文相关研究内容如下: 1.基于量子光学原理建立了光波导微环谐振腔敏感单元与声场强度间的映射模型;分析了水声与光波导有效折射率之间的关系,揭示了光波导谐振腔与水声耦合作用机理;并对谐振腔频响性能及温度特性进行了理论分析,为高灵敏度宽频水声探测提供了理论基础。 2.设计了高Q值槽式SiO2光波导谐振腔。为了使谐振腔具有最大的谐振深度和较高的Q因子,将谐振腔的耦合状态设计为临界耦合;为了增强声波与谐振腔耦合区域的相互作用,对谐振腔耦合区域进行了刻槽,根据仿真结果将微槽尺寸设计为40μm×40μm和180μm×180μm;采用等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）及电感耦合等离子体刻蚀技术（ICP）对槽式光波导谐振腔进行加工;用玻璃套管对波导的输入输出端与保偏光纤进行耦合封装。经测试,谐振腔的品质因子Q达到2.3×10～7。 3.针对测试环境中系统噪声及温度波动噪声对声信号检测的影响,设计了基于PDH（Pound-Drever-Hall）锁频技术的OWRAS水声测试系统。该系统通过反馈误差信号实现对激光频率的控制,将激光频率实时锁定在谐振腔的谐振点上,从而降低了噪声对声信号测试的影响,提高了检测精度。为了获得更好的信噪比,研究了调制频率对解调信号的影响,确定了系统最优调制频率为9 MHz。最后通过实验对OWRAS进行了水声传感效应验证,并研究了温度波动、微槽尺寸对OWRAS的性能影响。实验结果表明,OWRAS检测系统可以实现40-1250 Hz的水声信号测量,平均灵敏度为-173.4 d B（re 1V/μPa）,其中在1 k Hz频率下灵敏度响应达到-163.1 d B;最小可测声压为50 m Pa/Hz1/2@1 k Hz;系统分辨率为1 Hz,且系统对水声信号测量的重复性和稳定性良好;在室温附近的微小温度波动范围内系统灵敏度不受其影响。 4.针对目前光学水声传感器工作频率范围窄的不足,提出了基于强度解调法的OWRAS宽频水声检测方法。首先理论分析了谐振腔Q因子以及腔长对灵敏度的影响,优化了光波导谐振腔的结构,进一步提高了谐振腔的Q值;之后分析了光电探测器的输入功率对信噪比的影响;为确保中高频水声检测的准确性,还详细说明了OWRAS中高频水声测试方法,包括远场测试距离的必要性以及声源发射不同频率的超声信号的脉冲数量。最后,通过实验验证了基于强度解调法实现OWRAS宽频水声检测的可行性。实验结果表明,OWRAS可以实现10 Hz-1.2 MHz的高灵敏度宽频水声信号测量,且10 Hz-2 k Hz频率范围内OWRAS的平均灵敏度达到-139.1 d B（re1V/μPa）,波动范围为±4 d B,同时具有67.6 d B@1 k Hz的等效噪声压,低于海水的背景噪声水平,具备应用于海洋水下声信号探测的能力;在10 k Hz-1.2 MHz频率范围内平均灵敏度达到-167.1 d B,波动范围为±4 d B。该方法很大程度上扩展了OWRAS在宽频水声检测领域的应用范围。 本文首次提出了高Q值槽式光波导谐振腔应用于宽频水声检测,并能够实现从低频10 Hz到高频1.2 MHz的高灵敏度宽频水声信号测量。本文的研究为宽频声波检测技术提供了新方向,也为二氧化硅光波导谐振腔声传感器的工程应用奠定了研究基础。

关键词： 光纤光栅   白光干涉   随机光栅   应变分布重构  

摘要： 近年来,随着光纤通信产业和光纤传感产业不断发展,随机光栅出现在研究人员的视野。随机光栅是一种通过将随机特征引入在光栅参量里进而制作出的光栅器件。与普通光栅相比具有:卷积效应小、信息提取效率高、可拓展性强等优点。但是随机光栅在制作过程中由于一些不可控的因素导致光栅制作效果并不完美从而产生对光栅传输效果不利的影响,本文利用白光干涉技术测量出相移大小和白光信号的关系,从而建立有关随机相移光栅添加相移质量的评估方法,具体内容如下: 一、介绍了随机光纤光栅三种分析方法,其中包括耦合模分析法、两种介质多层膜传输矩阵分析法和随机光栅传输矩阵分析法;介绍了三类随机光栅光传输上的特性;以及三类随机光栅不同参数下的白光干涉信号。 二、利用光学低相干反射法,仿真理想状态和实际状态下不同相移光栅与其白光信号之间的关系;分析光栅制作过程中光斑大小以及相移添加位置和测量过程中光学低相干反射光源宽度对相移大小和相移添加位置的影响;提取无相移时白光干涉信号的轮廓和相移位置的白光信号凹陷大小,对比凹陷处深度和位置的方法来评估加入的相移大小和位置。以达到对随机相移添加的质量效果进行评估。 三、定制随机相移光栅,利用上文所述的随机相移光栅评估方法,验证相移评估系统的实用性。提出一种利用施加应力前后随机相移光栅相移凹陷处的白光信号特征来计算相移位置处凹陷的漂移量,进而利用公式计算应力大小的理论,并用实验验证。

关键词： 双卡套管路接头   光纤光栅   应力   密封性能   安装偏差   基础激励  

摘要： 航空管路系统由管体、卡箍和管路接头组成,与泵、阀和作动器连接,实现飞机的各项操控任务。管路接头作为连接和密封部件,在泵源流体脉动和基础激励作用下,容易导致其密封性能会下降、渗漏、泄漏甚至失效,对于飞机系统可靠性和安全性构成重大威胁。航空管路接头类型主要有永久式管路接头、可分离式管路接头和柱端式管路接头,其中可分离式管路接头又分为扩口式管路接头和无扩口式管路接头。无扩口式卡套式管路接头因其安装过程简单、减少漏点、节省空间、降低成本等优点,得到了广泛应用。目前,国内外学者对扩口式管路接头的密封性能开展了研究,并取得了丰富的研究成果,其结果表明扩口锥面接触应力是评价接头密封性能最重要的指标,而且对于无扩口管路接头应力测试与密封性能分析报道较少,通过对接触应力的测试可以客4观的评议密封性能的衰减,但由于无扩口管路接头内部空间狭小,传统的传感器无法布置,因此,本文研究了基于光纤光栅的无扩口卡套式管路接头应力测试方法,并进行了不同工况下接头密封性能分析,为航空管路系统安全可靠运行提供了技术指导。 本文以卡套式管路接头为对象,采用仿真计算与试验测试相结合的方法,建立了考虑管路接头的管路系统有限元模型,分析了安装参数与结构参数对管路接头内部应力的影响,提出了基于光纤光栅传感的管路接头应力的测试方法,获得了不同装配状态、振动环境下管路接头应力的变化规律。具体进行的研究内容及其研究结果如下。 1)提出了基于等强度梁的光纤光栅应变传递系数标定试验方法,搭建了光纤光栅等强度梁试验系统,通过等间隔加载力作用,获得光纤光栅传感应变传递系数。在此基础上进一步进行了动态激振力对比试验,并于传统应变片测试结果进行了对比分析,验证了光纤光栅传感测量的有效性。 2)建立了考虑不同预紧力的管路系统有限元模型,分析了不同拧紧力矩下管接头的应力变化趋势和密封带宽变化,光纤光栅试验测试结果与仿真计算结果进行了对比验证。在此基础上,进一步讨论了管壁厚度、接触摩擦系数、材料参数管接头接触应力的变化规律。 3)建立了考虑初始安装角度偏差的管路接头有限元模型,分析了不同安装角度偏差对管路接头的应力变化趋势和密封带宽变化的影响,进一步分析了不同拧紧力矩下安装角度偏差对管路接头的应力变化影响,在此基础上,搭建了考虑初始安装角度偏差的管路接头应力测试系统,试验测试结果与仿真结算进行了对比验证。 4)考虑管路接头基础激励作用,搭建了基础激励下管路接头振动应力测试系统,开展了共振下和非共振状态下管路接头振动应力变化。并与仿真计算结果进行了对比验证。在此基础上,进一步讨论了不同激励幅值下管路接头振动应力的变化,揭示了基础激励下管接头振动应力的变化规律。 本文建立了管路接头的管路系统有限元模型,分析了不同拧紧力矩下管路接头的应力变化趋势和密封带宽变化,揭示了安装角度偏差对管路接头内部接触应力的影响规律,搭建了基础激励下管接头振动应力振动试验测试系统,获得了基础共振下和非共振状态下激励下管路接头振动应力的变化规律。本文的研究工作可为航空管路系统的运行状态监测与安全可靠运行提供技术指导。

关键词： 医学图像融合   分数阶结构张量   海洋捕食者算法   相位一致性   邻域能量  

摘要： 正电子发射计算机断层成像（Positron Emission Computed Tomography,PET）和磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）被广泛应用于阿尔茨海默症（Alzheimer Disease,AD）的检测与临床诊断。脑PET图像是功能性成像,图像分辨率低,不能确定AD具体的病变位置,脑MRI图像是结构性成像,不能确定AD具体的病变性质。因此脑PET与MRI的三维融合图像将AD患者的脑功能信息和结构信息相结合,提高了医师对AD患者病情的掌握程度。目前基于分数阶结构张量（Fractional order Structure Tensor,FST）的图像融合算法在将脑PET与MRI的功能信息和结构信息进行融合时取得了较好的融合效果。但仍存在三点不足:第一,FST模型无法准确确定分数阶微分的阶数以及最佳阈值;第二,基于相位一致性（Phase Congruency,PC）的边缘区融合规则不能有效描述边缘区融合图像局部区域的特征分布;第三,基于邻域能量（Neighbor Energy,NE）的平滑区融合规则无法反映平滑区融合图像中PET与MRI图像的显著信息。 针对第一点不足,文章引入自适应三维分数阶函数确定FST的阶数,引入双阈值海洋捕食者优化算法确定最佳阈值,提出自适应优化分数阶结构张量模型（Adaptive Optimization Fractional order Structural Tensor,AOFST）。针对第二点不足,将三维拉普拉斯加权能量和（Weight Energy Sum of 3D Modified Laplacian,WESML3D）与 AOFST 的迹值引入PC,提出基于改进相位一致性（Improved Phase Congruency,IPC）的边缘区融合规则。针对第三点不足,在NE的基础上计算能量差,并将改进的三维Sobel算子(Improved 3D Sobel,ISobel3D)引入梯度差的计算,提出加权邻域能量与梯度差（Weight Neighbor Energy and Gradient Difference,WNEGD）的平滑区融合规则。 实验表明,文章提出的基于改进分数阶结构张量的三维PET/MRI图像融合算法与其他文献算法相比,在主观视觉评价和客观指标评价分析中均表现良好,验证了文章算法的有效性。

关键词： 甲状腺相关性眼病   CAS   ADC   DTI   眼外肌  

摘要： 目的探讨弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）的表观扩散系数（Apparent diffusion coefficient,ADC）值在甲状腺相关性眼病（Thyroid Eye Disease,TED）活动性评估中的应用价值。 方法回顾性纳入29例完成DTI检查的TED患者。按照临床活动度评分（Clinical Activity Score,CAS）分为活动组（28只眼）与非活动组（30只眼）。在DTI序列冠状位的眼球后3-5个连续的层面上沿着上直肌（Superior Rectus,SR）、下直肌（Inferior Rectus,IR）、内直肌（Medial Rectus,MR）、外直肌（Lateral Rectus,LR）的外缘绘制出感兴趣区域（Region of interest,ROI）,分别测量每条眼外肌在眼球后3-5个层面的ADC值。以3-5个ADC值中最大值与最小值的差值为△ADC。比较各眼外肌的△ADC值在两组之间的差异,分析其与CAS的相关性,通过受试者工作特征曲线（Receiver operating characteristic curve,ROC）确定诊断TED活动性的ADC切点值,比较各ADC切点值的诊断效能。在验证组的13例TED患者（26只眼）中进行ADC切点值的验证。 结果与非活动组相比,活动组的视力更差,眼压更高,眼球突出程度更高,两组间差异均具有统计学意义（P<0.05）。所有眼外肌的△ADC在两组间均存在显著差异（所有P<0.05）,均与CAS呈负相关（所有P<0.05）。所有眼外肌的△ADC均能预测TED的活动性（AUC为0.658～0.746,所有P<0.05）。预测疾病活动性的△ADC切点值在SR、IR、MR、LR分别为382、823、520、572×10-6mm2s-1,其敏感性分别为80.0%、50.0%、43.3%、83.3%,特异性分别为67.9%、85.7%、89.3%、60.7%。上述各眼外肌的△ADC切点值预测活动性的效能无显著差异（所有P>0.05）。在验证组（26只眼）中进一步验证上述切点值诊断的准确性,SR、IR、MR、LR的△ADC切点值的诊断敏感性分别为68.42%、63.16%、68.42%、68.42%,特异性分别为71.43%、57.14%、57.14%、85.71%,四种眼外肌的△ADC值对TED活动性分期具有较好的诊断价值。 结论眼外肌DTI序列的ADC值在评估TED的疾病活动性方面中有重要价值。四块眼外肌的△ADC值均可作为活动性评估的客观指标,它们的诊断效能相同。