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关键词： 硅基光集成芯片   光栅耦合器   耦合规律   粒子群算法   混沌优化  

摘要： 在人工智能与5G飞速发展的时代,人们对数据处理的容量与速度均有越来越高的要求。在许多数据通讯领域,庞大的数据交换都需要用到光互连技术,而光互联的集成化一直是近年来的研究热点。硅光光集成芯片以其优越的性能受到广泛的关注与研究,硅光子集成工艺随之日益成熟,许多高性能的硅基器件亦应运而生。其中,能够实现芯片与光纤耦合功能的高性能器件十分重要,是体现光集成芯片商用价值的关键器件之一。光栅耦合器凭借易制作、灵活度高、对准容差大等优点,成为解决芯片与光纤之间耦合难题的最主要的解决方案。本文以光栅耦合器为研究重点,首先研究其光学特性,研究结果表明影响芯片与光纤耦合效率的主要因素是光栅结构参数及光纤对准误差;然后构建光学模型及耦合对准系统,对其耦合规律与耦合算法展开研究,具体工作如下:(1)基于布拉格衍射条件,分析光栅耦合器的工作原理,并构建光学模型,分析其光场传播特征;通过仿真分析光栅关键参数对衍射特性的影响,结果表明,刻蚀深度对光栅衍射强度影响显著,周期主要影响可发生的衍射级次;通过模场仿真,对比了单模光纤与光栅耦合器的差异,为后续的耦合仿真与实验奠定基础。(2)利用高斯光束与波导光栅耦合理论,对其耦合过程的抽象数学模型进行研究;建立光栅耦合器与单模光纤的耦合模型,对耦合规律进行分析;基于仿真数据,完成耦合对准系统总体设计,对耦合规律进行了实验验证,并分析了在应用场景中可能出现的各项误差损耗来源,为自动化晶圆测试提供可靠的参考。(3)基于自行研发的耦合对准系统,对单模光纤与光栅耦合器的耦合对准算法进行研究。根据耦合规律研究,对基于螺旋扫描法的粗对准算法提出优化策略;在精对准算法研究中,针对粒子群算法在搜索实验中存在的不足,提出了惯性权重参数自适应调整与混沌优化策略,并且对比选择了在小规模种群中亦能保持良好搜索性能的Tent映射模型,最后通过实验验证,改进后的算法搜索速度提高了1.5倍,成功率提高了10%,具有更佳的搜索性能与稳定性。图53幅,表10个,参考文献73篇。

关键词： 空间遥感   光学薄膜   红外   光学能量传递   精细分光   偏振调控  

摘要： 空间遥感技术经过60余年的发展，在气象预报、资源勘探、环境监测和深空探测等领域取得了举世瞩目的应用成就。光学薄膜元件是空间遥感仪器的核心部件，在系统中发挥着光学能量传递、精细分光、偏振调控等重要作用。随着遥感仪器技术要求的不断提高，红外光学薄膜元件正向着更大的尺寸、更低的光学能量损耗、更严格的光谱定位、更高的集成度等方向发展。本文对空间红外光学薄膜的分类和其在国内外空间遥感仪器中的典型应用进行了介绍，对红外光学薄膜研究中出现的新进展进行了阐述，并对空间红外光学薄膜技术未来的发展方向进行了展望。

关键词： 张量   CP分解   对称秩   Comon猜想  

摘要： 张量分解在数据科学、复杂网络等领域有重要应用,其中张量的CP分解是重要分解类型之一。张量的CP分解是矩阵秩一和分解的高阶推广。张量的CP分解广泛出现并应用于心理计量学、化学、机器学习、生物工程等领域。对称张量的秩和对称秩是对称张量CP分解的本质属性。众所周知,在实数域或复数域上,对称矩阵的秩等于对称秩。一个自然的问题:对称张量的秩是否等于对称秩?2008年,Comon教授等人在文献中提出猜想:对称张量的秩等于对称秩。随后,该猜想引起学者们的广泛关注,并在后续研究中命名为“Comon猜想”。本文将对任意域上与Comon猜想相关的若干问题展开研究。主要工作如下:1.研究有限域上对称张量的对称分解的存在性问题。对称张量的对称分解在数据分析等领域起着关键性的作用。已有结论表明,在实数域或复数域上,对称张量的对称分解一定存在。在有限域上已确定一部分对称张量的对称分解存在,但其余部分对称张量的对称分解的存在性无法判断。本文提出两个m元整数有序数组q等价的概念,借助此概念给出有限域上对称张量的对称分解存在的充要条件,并结合张量多项式理论加以证明。该条件不仅结构简单,易于计算,而且在有限域上对任意对称张量都可判断其对称分解的存在性。2.研究任意域(包含有限域)上Comon猜想及相关问题。基于对称张量对称分解的存在性理论,进一步考虑任意域上Comon猜想及其应用。已知在复数域上Comon猜想存在反例,本文构造出三元域上秩为3,对称秩为4的3阶2维对称张量,以此说明Comon猜想在有限域上也存在反例。其次探讨在任意域上Comon猜想成立的条件。已有的Comon猜想判别法对基础域有很强的限制,无法适用于不满足给定条件的域。本文提出张量的第j纤维空间和第k空间的概念,借助这两个新概念给出任意域上对称张量的秩分解为对称秩分解的充分条件,进而给出任意域上Comon猜想成立的两个新判别法。该类判别法不仅拓展了已有判别法的结论,而且可以摆脱对基础域的限制。3.研究有限域上一类对称张量的对称秩分解方法。基于对称张量的对称分解的存在性理论及对称分解的实际意义,进一步考虑有限域上对称张量的对称秩分解方法。在实数域和复数域上,关于对称张量的对称秩分解方法已有许多成果,但在有限域上研究较少,且在有限域上已有的对称秩分解方法,其局限性较大,对于大多数对称张量并不适用。当张量的阶数满足一定条件时,本文通过构造对称张量空间恰当的基底及对称张量空间到向量空间的同构映射,给出该类对称张量的对称秩分解方法,进而可得到对称张量的对称秩。此外,借助Comon猜想的相关结论,本文能够解决一类对称张量秩的求解问题。最后,通过具体案例验证该方法的可行性和有效性。

关键词： 集成光学   硅基光子学   波分复用   阵列波导光栅   偏振分束器   亚波长光栅   光子晶体  

摘要： 波分复用(WDM)技术可显著提高光通信的容量和传输速率。作为重要的波分复用器件,阵列波导光栅(AWG)在光通信、数据中心等领域得到了广泛的研究和应用。为了进一步提高芯片上光互连通信容量,减小器件尺寸,本论文围绕硅基平台偏振无关以及反射型AWG器件开展研究。论文主要工作如下:分析了波分复用技术的相关背景和研究现状,对光波导的结构和理论进行了介绍。详细阐述了AWG的基本结构、工作原理、设计流程、仿真方法以及版图绘制,并引入了几个常用的性能评价参数,为之后的工作提供了优化方向和评价依据。提出了一种基于超薄氮化硅光波导的16通道、通道波长间隔为0.8nm的偏振无关AWG。通过引入亚波长光栅结构以及三波导耦合结构,设计了一种超薄氮化硅波导偏振分束器,其耦合区长度小于190μm。理论上,在1480～1600nm的宽谱范围内,TE/TM模式对应的插入损耗小于0.40d B/0.41d B,相邻通道间串扰小于-24.0d B/-15.3d B。将偏振分束器与AWG结合,实现了偏振无关的AWG。对于TE模式,AWG插入损耗在1.1～2.1d B范围内,相邻通道间串扰小于-40d B。对于TM模式,AWG插入损耗在2.2～3.1d B范围内,相邻通道间串扰小于-30d B,对应的偏振相关损耗约为1.1d B。基于SOI平台设计了一种8通道、通道波长间隔为0.4nm的反射型密集波分复用AWG。分别利用亚波长光栅、光子晶体结构设计出两种波导反射镜,将其连接在AWG阵列波导末端,构成反射型AWG。理论计算表明,中心波长处,反射型AWG的插入损耗约为1.5d B,相邻通道间串扰约为-40d B。对上述器件进行了制作与测试,亚波长光栅作为反射镜的AWG的插入损耗在7.6～9.3 d B范围内,相邻通道间串扰约为-8.9～-11.1d B。光子晶体作为反射镜的AWG的插入损耗在8.2～9.7d B范围内,相邻通道间串扰约为-6.4～-9.8d B。

关键词： 张量稀疏性   低秩   图像恢复   增广拉格朗日方法  

摘要： 随着信息技术的发展,数据的维数不断增加,很多采集到的数据是以高维的形式存在,比如彩色图像、多光谱图像(MSI)、高光谱图像(HSI)、视频图像等.张量作为一种多维的数据结构,可以用于表示这些高维数据.本文主要从稀疏性和低秩性先验的角度,基于张量低秩模型研究高维图像的恢复,主要工作如下:(1)结合Tucker分解、CP分解和矩阵分解,本文定义了一种新的张量低秩和稀疏性测度.利用所提出的稀疏性测度方法来表示高维数据的低秩性,提出了近似张量稀疏性测度最小化模型(ATSMM),然后用增广拉格朗日方法(ALM)求解该最小化问题,提出了ALM-ATSMM算法.接下来用近端交替最小化方法(PAM)求解算法中的增广拉格朗日子问题,其中每个变量都有显示解.紧接着本文证明了该算法的收敛性.(2)对于观测图像存在数据缺失的问题,本文利用近似张量稀疏性测度最小化模型,得到了一个新的张量补全(TC)模型.利用增广拉格朗日方法及近端交替最小化方法对模型进行求解,提出了ALM-TC算法.将该算法运用在视频修复中,采用峰值信噪比(PSNR)、结构相似度(SSIM)、特征相似度(FSIM)和相对无量纲全局误差(ERGAS)这四个定量图像质量指标衡量恢复效果,得到的结果表明该方法均优于其他的对比方法.(3)在张量鲁棒主成分分析(TRPCA)中,使用所提出的近似张量稀疏性测度表示其低秩分量,得到了相应的最小化问题.运用增广拉格朗日方法及近端交替最小化方法对模型进行求解,提出了ALM-TRPCA算法.将所提出的算法应用在背景分离实验中,结果表明,该方法在每个视频中几乎都达到了最佳的效果.(4)对于受到高斯噪声污染的多光谱图像(MSI),本文根据提出的近似张量稀疏性测度,以及基于谱全局相关性(GCS)和非局部自相似性(NSS)的低秩性,提出了相应的图像恢复算法.用增广拉格朗日方法及近端交替最小化方法进行求解,算法的数值实验表明,该方法优于最前沿的方法.

关键词： Tzitzeica-Dodd-Bullough方程   Schr(?)dinger-Hirota方程   完全判别系统法   行波解   椭圆函数解  

摘要： 非线性偏微分方程的求解一直是数学物理研究领域的前沿课题.本文研究了两类非线性波动方程:Tzitzeica-Dodd-Bullough方程和Schr（?）dinger-Hirota方程,利用多项式完全判别系统法求解了方程的精确解,得到了一些新的行波解.全文共分为如下三章:在第一章中,简要回顾了非线性偏微分方程精确解的研究历程,介绍了本文的研究背景、研究方法及主要工作.在第二章中,根据Tzitzeica-Dodd-Bullough方程的特点,通过适当的变换将它转换成可求解的常微分方程,再应用四阶完全判别系统法得到了Tzitzeica-Dodd-Bullough方程的12个新行波解,其中得到了4个尖峰解、2个有理函数解、1个周期函数解、1个三角函数解、4个Jacobian椭圆函数解,并画出了部分行波解的图像.进一步运用完全判别系统法研究了双Sinh-Gordon方程的新行波解.在第三章中,应用三阶多项式完全判别系统法求解了Schr（?）dinger-Hirota方程的新行波解,得到了方程的6个新行波解,其中4个Jacobian椭圆函数解、1个的有理函数解以及1个三角函数解,并画出了部分行波解的图像.

关键词： 光纤布拉格光栅   极限学习机   应变传感   交叉敏感   自编码  

摘要： 光纤布拉格光栅(Fiberbragggrating,FBG)是一种无源光器件，因具有重量轻、尺寸小、灵活性强、不受电磁辐射影响、可适应恶劣环境及波长绝对编码等突出优点，使其在航空航天、城市建设、电力及医学等领域都有着广泛的应用。将FBG传感器应用于工程时的关键技术是对传感信号的解调，即检测被测物所引起的小波长偏移。传统的解调技术大多是基于跟踪FBG反射光谱的中心波长实现的，包括直接法、曲线拟合法以及基于相关性的方法等，然而这些方法的检测精度通常较低，尤其是在FBG光谱的采样点数很少时，由于光谱信息缺失较多以及系统噪声的影响，仅依靠峰值波长难以实现高精度的FBG传感解调。为了提高FBG传感器的解调性能，需要开发更高性能的解调技术。近几年来，随着机器学习技术的迅速发展，使其拥有了优秀的数据学习能力，将机器学习与FBG传感器相结合，通过对整个反射光谱数据的学习，可以实现FBG传感信号高精度的自动化解调。　　本文提出了一种基于量子行为粒子群优化核正则化极限学习机(QPSO-KRELM)的光纤光栅应变传感解调系统。通过实验与仿真证明了该系统能够直接精确、自动地从FBG反射光谱中识别出对应的应变量。不同于传统方法那样通过寻找中心波长的偏移量来实现解调，该方法的核心思想是将整个FBG反射光谱上的所有数据点和对应的物理量组合起来作为样本数据集，通过训练好的解调模型自动识别反射光谱所对应的传感量。与传统的解调方法相比，基于QPSO-KRELM的解调系统具有更高的解调精度，即使是在FBG反射光谱的采样点数量很少的时候，也能保持良好的解调性能，当光谱的采样点数为25时，其平均绝对误差为0.0713με，这也就意味着可以使用较为便宜、分辨率较低的光谱仪来获取所需的光谱数据，对于实现低成本、低复杂度的FBG传感解调系统具有一定的意义。　　本文还提出了一种基于量子行为粒子群优化自编码正则化极限学习机(QPSO-EAE-RELM)的FBG传感解调方法，用于解决FBG传感器的交叉敏感问题，实现温度与应变的同时解调。首先介绍了FBG交叉敏感问题的产生机理及传统的解决方法，随后对本文提出的QPSO-EAE-RELM算法的基本原理进行了阐述。将两个参数相同的FBG，即全同FBG，串联起来作为传感单元，利用QPSO-EAE-RELM模型对其进行传感解调。最后实验与仿真结果表明，所提出的解调方法可以解决交叉敏感问题，实现温度与应变的同时解调，其平均绝对误差分别为0.1519℃、2.4605με。这同时也意味着该方法具备解调重叠光谱的能力，使得FBG传感器在组成传感网络时无需受限于各个FBG的工作区域互不重叠的要求，为提高FBG传感网络的容量奠定基础。

关键词： 光学课程设计   智能化物理课堂   模块化光学实验实境演示仪   PTA量表  

摘要： 光学的相关内容在物理教学中有着重要地位,是培养学生的物理学科核心素养的重要一环。传统的光学实验理论知识抽象、调试难度大、操作时间长、测量精度要求高,学生很难在有限的学时内通过改变参数全面观察实验现象。随着现代科技的进步,越来越多的教师和研究者为了将光学实验的现象清晰化,选择利用计算机软件对光学实验现象进行模拟。以STEM教育理念为引导的“模块化光学实验实境演示仪”也应运而生。本研究探索了目前存在的光学授课模式,并分析物理学科核心素养在三种授课模式中的体现与限制。设置实验组和对照组,以“光的干涉”为课题,分别对两组同学进行传统光学授课和融入现代教育技术的新型光学授课。新型光学授课模式包含模拟仿真和模块化光学实验实境演示仪的使用。我们主要进行了两次测试:（1）调查实验组的同学对新型光学课程模式的接受度;（2）调查实验组和对照组的同学就“光的干涉”这一章节内容的核心素养达成度。测试（1）结果显示学生对新型光学课程模式的接受度较高。测试（2）利用PTA量表进行评价,结果显示:（1）新型光学物理课堂对学生的创新力和科学本质观的提升有着较为明显的作用。（2）实验组的同学接受了“模块化光学实验实境演示仪”和“模拟仿真”的熏陶,在设计创新型实验方案时体现出更好的“工程素养”;对照组的同学接受“传统讲授式课程”,在设计创新型实验时体现出更好的“学科功底”。因此,在进行“光的干涉”课程设计时,我们既借助了现代教育技术实现高效课堂、践行“STEM”教育理念、贯彻工程教育方针,也重视了传统课堂中的对知识的拆分讲解,设计出了符合学生认知规律的物理课堂。