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关键词： 半导体激光器   侧向损耗结构   高阶侧向耦合光栅   侧向模式   窄线宽   远场光斑  

摘要： 窄线宽、基横模半导体激光器件是激光通信应用的理想光源元件。为获得窄线宽、基横模的半导体激光,激光器件通常采用分布式反馈光栅(DFB)和窄脊波导设计。高阶侧向耦合DFB光栅因具有较大的周期且位于脊波导两侧,降低了激光器件的制作工艺难度。窄脊波导虽然可以有效地改善激光器件侧向上的横模(侧模)特性,但较小的端面出光面积限制了器件输出功率的提升。在宽脊波导两侧刻蚀损耗结构,可以在保证较好侧模特性的同时,有效地提升器件输出功率。但是由于侧向耦合光栅同样位于脊波导两侧,这种侧向损耗结构通常难以应用到侧向耦合光栅DFB半导体激光器中。本文主要围绕具有侧向损耗结构的高阶侧向耦合光栅DFB半导体激光器开展研究,分析高阶侧向耦合光栅结构的性能特点,探索侧向损耗结构的高阶侧模抑制机理,提出了一种DFB半导体激光器件结构,并开展器件制备研究。主要研究内容如下:1)基于耦合模式理论和麦克斯韦方程分析了高阶侧向耦合光栅结构参数与耦合系数的关系,软件模拟探究了光栅阶数、刻蚀深度等对侧向耦合光栅光反馈特性的影响;通过模拟研究了侧向损耗结构参数对于侧模损耗的影响,分析了其实现高阶侧模抑制的工作机理。2)提出一种具有侧向损耗结构和高阶侧向耦合光栅结构的混合DFB半导体激光器(LM-LC-DFB)。基于高阶侧向耦合光栅和侧向损耗结构的研究,提出LM-LC-DFB器件结构,在脊波导的中部和前端分别设计有高阶侧向耦合光栅和侧向损耗结构,并优化设计各器件结构参数。3)围绕LM-LC-DFB器件开展制作工艺研究。综合考虑LM-LC-DFB器件结构和各微纳工艺特点,设计器件制作工艺流程,探索LM-LC-DFB器件的制作工艺,优化器件制作工艺流程中的关键工艺参数,制备获得LM-LC-DFB器件管芯,完成器件管芯的封装。4)开展LM-LC-DFB器件管芯的测试分析研究。测试获得LM-LC-DFB的中心波长为1059 nm,3 d B光谱线宽为46 pm;在注入电流为0.6 A时,与宽脊波导半导体激光器相比,LM-LC-DFB高阶侧模得到有效抑制,远场光斑的暗线得到消除,侧向发散角由7.09°降低至5.92°;在保持单瓣远场光斑的情况下,LM-LC-DFB获得了259.19 m W的输出功率、0.52 W/A的斜率效率和23.4%的电光转换效率。

关键词： 张量分解   网络流量恢复   差分隐私   多模态融合   推荐系统  

摘要： 目前已经进入了 5G物联网时代,5G网络拥有容量大、传输速度快等特点,因而成千上万的设备(包括手机、电脑、手表、AR/VR眼镜等)通过物联网进行连接,并通过短视频等快销娱乐形式在网络中进行快速传播。庞大的用户数量和复杂的物联网服务系统也因此产生了高阶、高维和稀疏的张量(High-Order,High-Dimension,and Sparse Tensor,HOHDST)数据,该数据包含了用户的隐私信息。HOHDST通常采用稀疏张量分解(Sparse Tensor Factorization,STF)技术来发现规则、获取完整数据,并进行实时准确分析。于是为了解决网络连接过程中的隐私保护问题,本文分别对网络连接涉及的底层基础流量数据和应用业务层数据展开了研究。本文提出了一种用于网络流量恢复的基于STF的多策略差分隐私框架(Multiple-strategies Differential Privacy framework on STF,MDPSTF),联合考虑底层数据恢复和隐私安全问题,用于底层基础流量的数据恢复和隐私保护。该框架包括三种隐私机制:ε-差分隐私、中心化差分隐私和本地化差分隐私,分别应对第三方服务器可信、不可信以及本地客户端可信的应用场景。最后给出了各机制隐私界限的理论证明。本文在两个真实的网络流量数据集Abilene和GEANT上进行了实验。实验结果表明,MDPSTF能满足不同程度的隐私保护要求,并且对HOHDST具有较高的恢复精度。本文提出了一种基于STF和差分隐私的多模态短视频推荐系统(Multi-modal Micro-video Recommendation System based on STF and Differential Privacy,MRTFDP),考虑应用业务层数据的安全问题,用于短视频的推荐和用户兴趣点隐私保护。关注当前热门的短视频应用,因为短视频本身具有多模态特征,又包含着个人属性和兴趣点等信息,所以短视频推荐需要在推荐分析过程中对用户的隐私信息进行保护。MRTFDP由双线性Tucker融合、差分隐私和神经协同过滤三部分组成,同时给出了差分隐私的理论证明。通过在公开可用数据集Movielens和Tiktok上的大量实验表明,本文提出的MRTFDP模型对短视频数据集具有较高的推荐精度,并且能实现对用户隐私信息的保护。综上所述,网络连接涉及到的数据内容均与使用者的隐私息息相关,为了保障使用者隐私安全,需要密切关注该类数据中包含的隐私信息并给予保护。人们日益增长的美好生活需要依赖于新时代网络的发展,但与此同时也要兼顾网络连接和隐私保护的全面发展要求。

摘要： 据英国媒体报道称，研究人员创造了一种被他们描述为人造雾的东西。研究团队采用了与石墨烯相关的超薄材料，通过将红、蓝、绿三色激光照射到六边形氮化硼材料制成的扩散器上就能产生白光，在扩散器中，它们被微管的纳米管壁强烈而随机地多次散射。让人感到惊讶的是，该材料由99.99%的空气组成。其最大的特点是不会像普通灯泡那样损坏，这一发现最终可以取代灯泡。

关键词： 数值仿真   光纤光栅   镀膜工艺参数   耐久度   应变监测  

摘要： 随着中国航天事业的持续发展和创新,我国在航天领域的地位逐步上升,每年发射航天器的频率逐年升高。作为航天器的动力源,航空航天发动机的稳定运行,是航天器安全运行的保障。航空发动机外部结构面临着外来物体高速或低速冲击,内部面临着氢气泄露的危险,对能安全实时监测航空发动机内外的传感器提出较大的需求。本文基于有限元平台,对光纤栅区表面形成氢敏膜层过程及小球冲击铝板表面过程进行数值仿真。并通过氢敏测试、耐久性测试及小球跌落试验验证数值仿真结果,获得最佳镀膜工艺参数及传感器布设方案。内容总结如下:(1)针对光纤光栅氢气传感器耐久性不高的问题,基于数值仿真,利用生死单元法模拟通过镀膜工艺在栅区表面形成一层对氢气敏感膜层的过程,探索镀膜工艺参数对膜层-栅区表面残余应力的影响,寻求最优镀膜工艺参数。基于最优工艺参数,进行传感器氢敏测试及耐久性测试,试验结果与数值仿真结果相近。结果表明,传感器制备参数最优解:200nm厚的氢敏覆膜、62.5μm/s的薄膜形成速度、3层氢敏薄膜层数。并根据此工艺参数重新设计的光纤光栅氢传感器,其最佳工作环境为周围氢气体分数为0.5%～1%。为日后传感器耐久性提高提供了新的思路及试验依据。(2)针对航空航天发动机外表面结构健康监测问题,基于数值仿真,动态模拟小球冲击铝板表面,探究不同冲击载荷、冲击角度对铝板表面真实应变值的影响。结果表明:小球冲击铝板表面的真实应变值最大值出现在冲击点处,随着测量点远离冲击点,铝板表面的真实应变值逐渐减小,且以冲击点为圆心,远离冲击点的距离为半径,螺旋式减小。铝板表面真实应变值随冲击载荷的增加而增加,随冲击角度的增大而增大,但角度因素对铝板表面真实应变值影响较小。(3)基于数值仿真结果,在铝板表面布设应变传感器,利用跌落试验台,进行小球冲击试验,通过改变小球直径、材质及铝板与试验台底座间夹角进行应变传感器精度测试,试验结果与数值仿真结果相近。通过数值拟合的方式得到冲击点应变与冲击物冲击载荷、冲击角度间的经验公式,可通过传感器系统测得的数据快速判断铝板所受冲击力及冲击物冲击角度。为航空航天发动机表面结构健康监测提供参考依据。

关键词： 毫米波   MIMO-OFDM   张量模型   信道估计   RIS  

摘要： 无线电频谱的低端频率占用已经趋于饱和,频谱资源稀缺的问题日益突出,高端频谱的开发成为未来通信的必然。毫米波大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术被认为是实现第五代移动通信(5th Generation Mobile Communication,5G)的关键技术之一,也是第六代移动通信(6th Generation Mobile Communication,6G)的研究热点。毫米波大规模MIMO系统与正交频分复用(Orthogonal-Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术相结合的信道估计问题是当今的研究热点课题之一,本文将毫米波系统通信场景与张量分解技术结合,并针对不同毫米波大规模MIMO-OFDM系统,提出了对应基于张量分解的信道估计方案。本文首先针对点对点毫米波大规模MIMO-OFDM系统的信道估计问题进行研究,提出了一种基于PARAFAC张量分解的多用户信道参数联合估计方法。该方法在基站处对接收信号构建三阶低秩PARAFAC张量模型,首先利用加速三线性交替最小二乘(Accelerated Trilinear Alternating Least Squares,ATALS)算法,将该张量分解为包括信道参数的三个因子矩阵;再利用基于一维搜索的算法估计信道参数。此外,推导出了多用户场景下信道参数的克拉美罗界(Cramér-Rao Bound,CRB)。理论分析与仿真结果表明,在大幅度减少训练开销的情况下,该算法表现出良好的性能,且信道参数的均方误差接近于其对应的CRB结果。与其他已有算法相比,本文所提出的算法在估计精度和计算复杂度方面都有明显的优势。针对无源智能反射面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)辅助毫米波大规模MIMO-OFDM系统,本文利用毫米波信道的稀疏性,将移动用户处的接收信号拟合为三阶低秩PARAFAC张量,并提出了一种基于PARAFAC张量分解的毫米波信道估计算法。该算法分为三个阶段。第一阶段利用ATALS算法实现低秩PARAFAC分解;第二阶段利用基于奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的Khatri-Rao 分解(Khatri-Rao Factorization,KRF)算法与 Kronecker 分解(Kronecker Factorization,KF)算法,从因子矩阵中提取包含相关角度的导向矩阵;第三阶段,从已获取的相关矩阵中估计未知角度参数。所提算法不仅能准确估计级联信道,在允许尺度模糊的条件下,还能实现对基站-RIS的分段信道和RIS-移动端的分段信道的估计。理论分析与仿真结果表明,在大量减少导频开销的情况下,所提算法表现出良好的性能,且所提算法在估计精度和计算复杂度方面均优于其他已有算法。

关键词： 偏振片阵列   亚波长金属光栅   阵列结构设计   偏振器件性能测试  

摘要： 基于像素式微偏振片阵列的偏振成像技术能够同时获得多个斯托克斯矢量信息,在生物传感、医学诊断、伪装识别等领域展现出了巨大潜力。然而,现有的像素式微偏振片阵列器件仍然存在透光率低,材料体系难以兼容半导体工艺,器件光学性能测试困难等问题,制约了微偏振阵列器件性能进一步提升。为此,本课题以像素式长波红外微偏振片阵列为研究对象,开展器件阵列结构及其性能,材料体系优化和光学性能测试系统的研究,旨在进一步提高长波红外偏振片阵列器件的性能,论文的主要研究内容包括: 微偏振阵列器件超像素中单元的排列方式对器件性能有着重要的影响。为此,基于斯托克斯理论,根据传统四方向型阵列结构,结合全通空白单元,组成6种不同的超像素排列结构,并通过理想透射率指标分析了6种结构的性能参数,为进一步仿真模拟实验提供模型。接着,通过分时成像模拟的方法,通过抽取不同偏振图像相应位置的像素值构造微偏振阵列的超像素,通过偏振图像融合方法合成不同模型的红外偏振成像图像,基于图像信噪比指标,对6种阵列模型的成像性能进行评估。 基于等效介质理论以及时域有限差分法,运用FDTD Solutions软件对6种不同结构的微偏振片最小周期单元进行建模分析。基于前期的研究成果,确定了光栅层的材料和结构参数。在基底材料的选择方面,基于透光率的性能指标,综合比较了硅、硫化锌、硅基镀硒化锌增透膜作为基底材料的器件性能,由此确定了铝-硒化锌-硅三层材料体系,使得微偏振阵列器件能够兼容半导体制造工艺。最后,通过比较不同相位偏振光对6种不同模型的透射情况,分析像素间串扰现象产生的原因并给出了评价指标,进而对不同阵列模型进行性能评价。 基于微偏振片阵列微结构单元在不同相位偏振光照射下图像灰度值会发生变化的原理,搭建了一套像素级的长波红外偏振器件测试系统。首先完成对光路系统的设计,包含光源、各部件的选型与控制系统搭建。然后根据成像理论研究,确定光路的放大倍数在16-35倍之间时,可以观测到较为清晰的阵列微结构,以提取阵列微结构单元灰度图像。进而根据灰度图像的归一化理论,对图像进行分割以及灰度值提取,以获取器件的性能指标。 最后,以不同器件的透射率指标作为研究对象,对本课题研究内容的正确性进行验证。实验结果表明,增透硅基底材料实际透射率测试结果与仿真结果相同,金属线栅透射率结果与商品参数相符,根据模型6结构制作出器件原型的不同点位透射率平均值56%,与仿真结果基本相同,初步验证本文研究内容的正确性。本课题的研究成果有助于设计新型排列组合的微偏振片阵列,从而改善阵列器件的性能,为进一步提高偏振成像精度奠定基础。

关键词： 三维测量   相位计算   全局照明   阴影  

摘要： 光栅投影三维测量技术准确度高、设备简单,因而得以广泛应用。相位测量是该技术中重要的内容,然而,测量过程中由于投影引起的诸如全局照明、阴影等难以避免的问题,会给相位测量带来较大误差,最终影响三维测量的整体质量。针对这些问题,本课题展开了深入研究,主要做出了以下创新工作:1、在相移法结合格雷码法的相位测量技术中,系统的全局照明中间接光照过强,会导致格雷码的二值分割与解码出现错误,最终导致相位展开出现严重偏差。本文首先分析了全局照明中直接光照和间接光照的产生及对相位测量带来的误差影响;然后,通过理论推导,提出了使用高频光特性分离直接光照和间接光照的方法,进而在格雷码图像中检测出可能产生误差的点集;接着,构建了深度学习网络来实现格雷码图像的二值化;最后,根据前面检测的误差点集,将传统方法和深度学习方法的结果进行融合,有效实现了传统格雷码法相位误差的修正。2、在光栅测量过程中,投影照明产生的阴影会导致相位测量中出现许多无效点,给最终结果带来较大误差。针对该问题,本文首先分析了阴影问题的产生以及它对各种三维测量系统带来的误差影响,然后,基于方向感知空间上下文模块提出了一种适用于条纹图的阴影检测网络;随后,利用条纹图中的背景条纹信息,提出了一种阴影区域的修复方法。本文提出的方法保持了单帧测量,不需要额外投拍图案,可以有效地对阴影问题带来的相位误差进行修正。

关键词： 上下文感知推荐   快速张量分解   显式反馈   隐式反馈  

摘要： 随着互联网技术和移动通信技术的飞速发展，网络数据呈现指数级增长，信息过载问题日趋严重。作为解决信息过载问题的重要方法之一，推荐系统可以帮助用户在海量数据中找到自己真正感兴趣的信息。传统的推荐系统多通过用户-物品评分学习用户的兴趣偏好，而当今推荐系统，除评分外还具备上下文信息，这些上下文信息在一定程度上会对用户的行为产生影响。张量分解是高维数据处理的有效方法之一，己被证实能够充分利用上下文信息进行准确推荐。　　然而，已有的张量分解推荐算法多是基于用户显式评分的，因此会面临显式反馈带来的数据稀疏性问题。但是在实际应用中，除了显式评分外，推荐系统还可以收集到大量的隐式反馈信息。从资源可用性角度方面看，充分利用两种类型的反馈信息可以缓解数据稀疏问题，提高上下文感知推荐精度。然而，与基于稀疏数据的显式反馈推荐不同，隐式反馈推荐算法通常需要处理大量的不可观测数据，这会给模型训练工作带来巨大的计算压力。因此，融合显隐式反馈的推荐算法也不得不面临更加严峻的计算效率挑战。针对上述问题，本文的工作总结如下:　　(1)针对高维张量分解中严峻的数据稀疏问题，本文提出了一种融合显隐式反馈的张量分解上下文感知推荐算法。首先，本文使用概率张量分解构建基于隐式反馈的上下文感知推荐算法模型;其次，本文通过设置曝光度来区分隐式反馈数据中“0”值的二义性，以深入挖掘数据中的潜在信息;然后，考虑到评分大小带来的影响，本文通过条件概率分布构建具有显式反馈的概率张量分解模型;最后，将上述两部分整合，构建融合显隐式反馈的张量分解推荐算法。　　(2)针对融合显隐式反馈后张量分解算法的计算效率问题，本文提出了一种基于元素级交替最小二乘法的快速张量分解方法，并给出了其并行优化方案。首先，本文对张量分解的传统更新方式进行了优化，提出了基于元素级交替最小二乘法的快速张量分解方法，并将其应用于融合显隐式反馈的张量分解推荐算法，借以降低模型训练的时间;然后，根据元素级交替最小二乘法各位置元素更新互不影响的特性，本文提出了一种基于块的张量分解并行优化方法，并给出了适用于融合显隐式反馈的张量分解推荐算法的实例化方案，以借助多线程技术提高模型计算效率。　　本文在两个真实数据集上进行了广泛实验。实验结果表明，相较于其他基线算法，融合显隐式反馈的快速张量分解上下文感知推荐算法在推荐精度和计算效率方面具备优势。

关键词： 太赫兹波   耦合腔金属光栅   石墨烯   可调控   太赫兹波群速慢化  

摘要： 利用新机制设计太赫兹波群速调控器件在太赫兹通信中具有重要意义。本论文提出通过亚波长耦合腔金属光栅内的腔模共振与导模共振简并产生类电磁诱导透明的新机制并研究太赫兹波群速调控特性,通过改变石墨烯的费米能级实现对太赫兹波群速度控制。本文研究亚波长金属光栅与耦合腔金属光栅的太赫兹光谱响应。确定了亚波长耦合腔金属光栅是通过导模共振与腔模共振简并产生类电磁诱导透明现象,提出新机制。利用耦合模理论模型,深入分析亚波长耦合腔金属光栅产生的类电磁诱导透明现象的物理机制。研究亚波长耦合腔金属光栅的太赫兹波群速慢化特性。基于亚波长耦合腔金属光栅产生的类电磁诱导透明现象,通过理论计算太赫兹波群延迟达到3.44 ps。进一步优化结构参数后改变腔内填充物折射率,分析亚波长耦合腔金属光栅太赫兹波群速慢化特性的变化。确定填充物的折射率越高,群延迟越大。当填充物折射率至2时,群延迟高达5.69ps。这些工作为后续通过石墨烯调控太赫兹波群速慢化奠定了研究基础。研究石墨烯调控太赫兹波群速延迟特性的变化。讨论亚波长耦合腔金属光栅铺设石墨烯后太赫兹波光谱模式变化。研究其产生的类电磁诱导透明现象以及太赫兹波群速延迟特性的变化。确定石墨烯显著影响了太赫兹波群速慢化特性。讨论当腔内填充物折射率不同时,对石墨烯调控亚波长耦合腔金属光栅产生的类电磁诱导透明以及太赫兹波慢化特性的影响。发现当腔内填充物折射率为2时,石墨烯对太赫兹波群速延迟影响最大。改变石墨烯费米能级,进一步分析对亚波长耦合腔金属光栅产生的类电磁诱导透明及太赫兹波群速延迟特性的影响。当石墨烯的费米能级增大0.3 e V,电磁诱导透明峰处的频率位置不发生改变,群延迟增加7.97 ps,最大至23.23 ps。在不改变结构几何参数的情况下实现太赫兹波群速动态可调谐。本论文提出了在太赫兹波段产生动态可调控的类电磁诱导透明现象的新机制,是通过亚波长耦合腔金属光栅内的腔模共振和导模共振耦合实现。并在光栅结构上引入石墨烯获得超过23 ps的群延迟。通过改变石墨烯的费米能级调控太赫兹波群速慢化特性,具备工作频率稳定且可调谐范围大的良好性能。研究结果为控制太赫兹波的群速度提供了一种有效的方案。

关键词： 半线性耗散波动方程   长时间动力行为   拉回指数吸引子  

摘要： 动力系统理论的核心问题之一是研究与真实世界建模相关联的演化过程的渐近行为.目前对于自治微分方程的渐近行为的研究已经相当成熟,但对于非自治微分方程,尤其是在无界区域上的非自治微分方程的渐近行为的研究仍有许多工作要做.本文将研究如下非自治半线性耗散波动方程的长时间动力行为:utt+δut-φ(x)Δu+λf(u)=η(x,t),x∈RN,t≥0.其中N≥ 3,(φx))-1=:g(x)∈LN/2(RN)∩L∞(RN).在无穷维动力系统理论中,一个耗散偏微分方程的长时间动力行为可通过整体吸引子来描述.但是,基于整体吸引子概念的研究方法有两个弊端:一方面,吸引子的收敛速度可以任意缓慢,并且通常很难估计;另一方面,整体吸引子在扰动下通常仅为上半连续,因此即使在非常小的扰动下,整体吸引子也可能导致根本性变化.为了克服这些弊端,有些学者提出了指数吸引子的概念.但是指数吸引子并不是唯一的,因此选择一个合适的指数吸引子是十分重要的.近年来有些学者给出了拉回指数吸引子的概念及其构造方法.拉回指数吸引子以指数速率拉回吸引相空间的任意有界子集,而且它包含拉回整体吸引子.因此证明拉回整体吸引子存在性及其有限维性可以通过证明拉回指数吸引子的存在性来完成.本文证明了RN上的上述非自治半线性耗散波动方程所生成的演化过程的拉回指数吸引子的存在性.为此,证明了由该方程生成的演化过程的拉回强有界耗散性.还证明了演化过程可以分解成U=S+C,其中算子族S在相空间V:=D1,2(RN)× Lg2(RN)和紧嵌入V的辅助赋范空间W中满足正则性条件,且算子族C是空间V上是收缩算子.为了克服在无界区域中算子A=-φΔ在L2(RN)上的非紧性所带来的困难,本文在能量空间V=D1,2(RN)× Lg2(RN)上证明了上述结论.