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关键词： 硅基光波导   阵列波导光栅   光波导端面耦合   模斑转换器   耦合效率  

摘要： 近年来,随着光通信网络系统中的数据量激增,对高速光器件的需求显著提升,同时也对其性能提出了更高的要求。阵列波导光栅作为光收发系统中的一种关键器件,可实现系统集成化、低功耗、小型化等诸多优点,但是集成化的发展必然伴随着小型化,由此会带来集成器件间的模场失配,引入插入损耗,从而影响整个光收发系统的性能。因此,本文设计了高性能的阵列波导光栅芯片实现1271/1291/1311/1331nm波长的复用和解复用,设计了用于阵列波导光栅与激光器、半导体探测器耦合的波导耦合结构,通过修正仿真模型迭代优化,实现了低耦合损耗、高传输效率的光收发器件。本文首先分析了阵列波导光栅的相关光波导理论,包括平板波导和矩形波导的结构与模式,梳理了阵列波导光栅的工作原理,根据提升性能指标的相关方法总结了阵列波导光栅的设计思路,设计了基于抛物线过渡波导、横向过渡波导、辅助波导的阵列波导光栅,使光场从信道波导区/阵列波导区到平板波导区平稳变化,由此降低由模场失配产生的转换损耗。例如基于横向过渡波导的阵列波导光栅峰值损耗从3.46dB降低到1.76dB,相邻通道串扰降低2.3dB左右,3dB带宽提升1.3nm左右。本文还研究了基于平面光波导技术的耦合结构,首先分析了端面耦合的理论原理和相关损耗,设计了与半导体激光器耦合的混合多芯波导耦合结构和多芯转换耦合结构,以及与波导型探测器耦合的双台阶型模斑转换器。通过分析不同材料波导间的结构、尺寸和锥形波导的过渡方式,使有效折射率缓慢变化,降低波导间的转换损耗,实现了不同器件间的模场匹配,从而提升整个耦合结构的耦合效率至80%以上。

关键词： YIG   磁光陶瓷   红外透明性   法拉第效应  

摘要： 磁光调制器是现代光纤通讯与激光系统必不可少的关键器件。利用磁光材料的法拉第效应可以制备磁光调制器与磁光隔离器,实现对激光系统的光调制和光隔离。钇铁石榴石(YIG)磁光材料在红外波段具有优异的磁光性能和光学性能,未来在5G光通信系统及中红外激光技术领域将具有重要应用。目前用于中红外波段磁光调制技术的YIG材料只有单晶,由于YIG单晶制备难度大、生长周期长,目前国内应用均依赖进口。同时现有YIG单晶尺寸小,难以满足大口径、高通量中红外激光技术应用需求。为此本工作提出红外透明YIG磁光陶瓷研制,以期获得大尺寸、高品质YIG磁光材料,替代YIG单晶应用于磁光调制技术,促进中红外激光调制技术的发展。本工作选取YIG(YFeO)为主要材料体系,采用固相反应法进行透明YIG磁光陶瓷制备。针对YIG磁光陶瓷制备中微结构缺陷(气孔、杂相)难排除、Fe易变价、掺杂离子难固溶等问题,分别采用无压烧结、气氛热压烧结及热等静压烧结技术进行烧结,获得红外透明性良好的YIG磁光陶瓷。系统考察了YIG陶瓷相结构、显微结构、磁性能、磁光性能及光学透明性的变化规律。主要研究结果如下:1.采用无压烧结技术研制YIG磁光陶瓷,系统考察了原料粉体形态和烧结温度等对陶瓷材料烧结致密度、相结构、晶粒大小和烧结陶瓷磁性能的影响,确定了优化的烧结温度范围。2.采用气氛热压和热等静压烧结相结合的方法,获得高透明性YIG磁光陶瓷。通过阿基米德法测得陶瓷样品的密度与理论密度几乎一致(5.17g/cm);YIG陶瓷样品呈现出纯的石榴石相结构和致密的显微结构,在中红外波段表现出优异的光学透过率(>75.0%,2500 nm;1.0 mm厚);测得该YIG磁光陶瓷样品的法拉第旋转角为173.5deg/cm,与报道的YIG单晶(174.0deg/cm)几乎一致。3.选取Bi离子掺杂改性YIG磁光陶瓷(BiYFeO,x=0、0.3、0.6、0.9),以增强材料的磁光性能。系统考察了不同含量Bi掺杂对陶瓷样品光学品质、磁性能和磁光性能的影响。尽管大量Bi离子掺杂时因少量Bi滞留晶界形成异相,使陶瓷样品红外透过率下降,但大部分Bi离子进入晶格引起石榴石晶格畸变,使陶瓷材料的磁光性能极大增强。研究发现,Bi掺杂量每增加1%(mol),YIG陶瓷样品在1064 nm及1550 nm波长处测得的法拉第旋转角变化量分别为-49.0deg/cm和-30.2 deg/cm。

关键词： 预处理   (?)张量   张量绝对值方程组   张量互补问题  

摘要： 近年来,随着大数据时代的到来,张量方程组吸引了众多研究者的兴趣.本文主要研究两类张量方程组的相关问题,弱不可约(?)张量构成的多重线性方程组的类分裂迭代法以及张量绝对值方程组及其相关系统解的存在性和唯一性条件.具体工作概括如下:对于(?)张量构成的多重线性方程组的求解,本文提出了两种不同的类分裂方法和一个可以退化为一些已知预处理子的一般预处理子.此外,还给出了预处理迭代张量与原始张量谱半径的比较定理.最后,数值实验的结果验证了理论结果的准确性并说明了所提出的预处理方法在解决Markov链问题和多重线性PageRank模型的效率.对于张量绝对值方程组及其相关系统解的求解,本文探究了P张量的充分条件和P(P)张量的一些性质,在此基础上提出了张量互补问题解的存在性和唯一性的两个定理,并进一步探究了张量绝对值方程组和张量互补问题数值解之间的关系.通过证明得知一类特殊的张量绝对值方程组等价于张量互补问题,所以利用张量互补问题解的存在性和唯一性条件给出了一类特殊张量绝对值方程组解的存在性和唯一性条件.

关键词： 光性能监控   可调光学滤波器   法布里-珀罗腔   电光效应  

摘要： 在全光网的可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer,ROADM)节点中,光性能监控仪(Optical Performance Monitor,OPM)被用于对光纤链路中的信噪比进行监测,其核心部件是可调谐光学滤波器(Tunable Optical Filter,TOF),要求具有低损耗、低串扰、窄线宽和宽调谐范围等特点。在城域网升级扩容需求的背景下,业界正寻求新的解决方案。本文提出了一种以PMN-PT透明电光陶瓷材料作为谐振腔介质,基于级联FP腔技术的宽谱窄带TOF的设计方案,同时设计并实现了两种TOF结构。主要内容如下:(1)分析了当前面向OPM应用场景的TOF主流商用方案,即基于自由空间光学结构的TOF,但该方案不能满足城域网降低成本的需求。根据50 GHz信道间隔的密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)系统对TOF的技术要求,提出了采用级联法布里-珀罗(FP)腔的TOF解决方案,利用谐振腔的电光效应调谐配合级联腔跳模调谐的方式实现1524～1572 nm范围内的波长选择。(2)在谐振腔介质的选择上比较了几种透明电光材料,最终选用准立方相状态下的PMN-PT透明电光陶瓷作为谐振腔介质。测试了PMN-PT的材料特性,针对测量的材料折射率2.518进行了单腔结构设计并测试评估了腔体损耗。利用Matlab对级联FP腔的方案进行仿真模拟,筛选并采用三腔级联-两次通过的光路设计方案。(3)完成了谐振腔介质PMN-PT的加工和器件的装调,制备了两种结构的TOF样品。其中单端口反射型TOF的调谐范围大于48 nm,3 d B线宽小于0.1 nm,插入损耗小于2.82 d B,串扰小于-30 d B,可用于可调谐光纤激光器的波长选择和调谐;双端口透射型TOF的调谐范围大于48 nm,3 d B线宽小于0.06 nm,插入损耗小于3.87 d B,串扰小于-39 d B,满足OPM应用场景的要求。两种类型的TOF验证了方案的可行性,并指出未来的提升方向和应用前景。

关键词： 张量分解   交替最小二乘法   混合算法  

摘要： 随着计算机科学的发展,生活中存在大量的高维数据,如视频流、图像等.传统的方法往往将数据重新排列成矩阵进行处理,这无疑会破坏原数据的空间结构,丢失结果的关联信息.张量为高阶数组,是向量和矩阵的高维推广,以能够维持高维数据结构不被破坏的特点,吸引到广大学者的研究注意力,是高维数据分析的强有力工具.目前广泛应用于机器学习、数据挖掘、信号处理等领域.本文主要研究求解张量分解问题的交替最小二乘法（ALS）和正则化交替最小二乘法（RALS）的加速算法.通过结合外梯度法和牛顿法的思想,提出了两种混合交替算法.该算法在求解每个子问题的过程中,采用牛顿步去替换外梯度法的修正步.我们从理论上证明了,修正步的步长可以在比较大的一个区间内选取.在一定条件下,我们研究并证明了该算法的全局收敛性.数值实验数据也体现了该算法相较于传统ALS和RALS算法具有更好的性能.

关键词： 光学薄膜   光散射   粗糙度调控   电场强度调控   双向反射分布函数  

摘要： 光学薄膜散射是影响高精密光学系统使用的关键问题之一。开展光学薄膜表面散射特性研究,分析影响光学薄膜表面散射的因素,对于制备极低散射损耗的光学薄膜元器件具有重要意义。本文主要研究了光学薄膜表面微粒散射调控和薄膜界面粗糙度散射调控的方法以及光学薄膜表面散射特性,进行了理论分析和实验研究工作,主要内容如下。1.从矢量散射理论出发,研究了光学表面球状微粒污染物的散射特性。首先,计算了光学表面球状微粒污染物球心的电场强度,分析了不同折射率、不同厚度光学薄膜表面上球状微粒球心的电场强度分布,将电场强度的极小值对应的薄膜厚度作为光学元件表面的减散射最优薄膜厚度。其次,比较了优化设计薄膜表面与裸基底表面的双向反射分布函数与总散射损耗。最后,采用掩膜板技术在K9玻璃基底表面上一半镀制优化厚度薄膜,而另一半不镀薄膜,将样品在千级超净室中静置48小时后,测试镀有薄膜表面与未镀膜表面的双向反射分布函数。测试结果表明,通过光学薄膜的优化设计可以降低光学表面微粒污染物的散射。2.从光学薄膜矢量散射理论出发,在满足基本光谱反射率要求的情况下,研究具有一定的界面粗糙度的多层介质光学薄膜表面的散射特性及其与薄膜界面电场强度分布之间的关系。首先,计算规整膜系Ⅰ:G/(HL)/A与膜系Ⅱ:G/(HL)H/A薄膜界面的电场强度,计算得到膜系Ⅰ界面电场强度较大,而膜系Ⅱ界面电场强度较小,在膜系Ⅱ的基础上优化最外四层界面的电场强度,得到优化膜系Ⅲ:G/(HL)H0.4L1.6H1.5L0.5H/A。然后,分析了三种膜系表面的双向反射分布函数和总散射损耗。理论与实验研究结果表明,通过多层介质高反射薄膜界面的电场强度调控可以降低薄膜表面的光散射。3.理论分析了光学薄膜界面完全非相关模型与完全相关模型下的光学厚度为λ/4、λ/2的单层SiO与TiO薄膜表面散射特性。通过实验研究了光学薄膜折射率、厚度对薄膜表面散射的影响。理论研究了中心波长632.8nm的11层介质薄膜G/(HL)H/A在两种薄膜界面相关性模型下的散射特性,通过电子束热蒸发技术制备了11层介质高反射薄膜,测量了界面粗糙度和界面双向反射分布函数,测试结果表明,该11层介质高反射薄膜界面关系与薄膜界面完全非相关模型吻合较好。

关键词： 张量模型   LPR数据   数据修复   出行时空特征   因素影响程度分析  

摘要： 国内机动车保有量和驾驶人数量持续增长,给城市交通系统造成巨大的压力。现有交通资源无法满足居民的出行需求,交通资源供需严重失衡,交通拥堵问题凸显。如何提高交通系统运行效率成为城市规划的首要目标。城市居民的出行特征是评价城市空间结构合理性和城市交通网络连通性的关键因素。掌握居民的出行时空特征、挖掘居民出行需求,对城市交通规划、管理和智慧城市建设提供理论支持具有现实意义。车牌识别技术作为智能交通系统的重要组成部分,已经得到各城市的广泛应用。然而,由于传输线路故障、通信故障等原因,都会造成系统在某时刻或时段无法检测识别到车辆导致部分数据缺失的情况。数据缺失问题在数据驱动的智能交通系统中是普遍且不可避免的,完整、精确的交通流数据是挖掘居民出行特征的基础。同时,城市居民的出行特征受到交叉口车流运行状况、交叉口周边用地性质和居民出行目的等因素的影响。多因素影响程度分析能够识别影响居民出行特征的重要因素,其结果反映了居民出行特征在不同因素组合下的取值分布规律,具有较高的应用价值。因此,本文的核心研究内容包括三个部分:交叉口交通流数据修复,城市车辆出行时空特征挖掘以及车辆出行特征的多因素影响程度分析。首先,本文提出一种秩自适应贝叶斯张量分解模型修复交通流数据。该模型基于张量模型构建数据结构,使用贝叶斯模型在张量分解的参数和超参数上设置灵活的先验和超先验,应用秩自适应算法解决张量分解模型秩选择问题。随后,本文检验了在不同的张量数据结构、数据丢失方式、丢失率以及张量分解的秩情况下该模型数据修复的精度。实验结果验证了该模型对交通流数据修复的有效性和准确性。其次,本文基于非负张量分解模型从数据挖掘的角度揭示了长沙市车辆出行的时空特征分布规律。基于张量分解因子矩阵在时间维度从集体移动中提取了三种基本出行模式,在空间维度识别了车辆基本出行模式下的空间分布和热点区域。最后,本文搭建了一种由聚类算法、主成分分析和张量分解与重构模型组合的方法框架,用于研究影响车辆出行的因素影响程度分析,解决了传统因素影响分析方法受困于影响因素数目过多、因素之间共线性干扰以及难以应用于大规模数据集的问题。这是张量模型用于因素影响程度分析方向为数不多的研究,也是应用于交通领域因素影响程度分析屈指可数的研究。本文共有图23幅,表16个,参考文献79篇

关键词： 拉曼散射   拉曼光谱仪   棱镜-光栅分光元件   衍射效率  

摘要： 作为物质成分检测的重要方法之一,拉曼光谱检测技术具有检测速度快、样品无损伤、非接触检测等优点,其应用范围囊括材料学、物理学、化工学、生物医学、环保、考古、地质学,以及商贸和刑事司法等领域。相比于传统的拉曼光谱仪,微小型拉曼光谱仪具有体积小、重量轻、易于携带、价格较低廉、对测量环境要求较小等优点,进一步拓宽了应用范围。然而,目前市面上大多数微小型光谱仪采用的是基于切尔尼-特纳结构的反射式分光光路,而基于透射式光路的微小型光谱仪在市面上并不常见,对于透射式光路的研究也较为缺乏。本课题的主要研究任务是以微小型化为目标,设计适用于测量拉曼散射的微型拉曼光谱仪。基于课题安排,选择采用棱镜-光栅组合的分光系统。本文的主要内容有:首先,介绍了拉曼散射效应以及不同种类光谱仪的分光原理。从棱镜-光栅元件的分光原理出发,推导了棱栅元件的性能参数。利用Zemax软件,对不同激发波长下的拉曼光谱仪的分光元件和光学系统进行了设计,对光线在分光元件内部的光路、分光元件的角色散率以及谱线在成像面上的线宽进行了仿真,对光学系统的布局进行了优化。仿真结果符合拉曼光谱仪性能指标。根据设计的光学结构,对拉曼光谱仪的机械零件和装配体进行了设计,完成了拉曼光谱仪系统的机械装配。同时,基于Lab VIEW平台,编写了拉曼光谱数据处理软件。其次,基于严格耦合波分析法,对棱栅的衍射效率进行了分析。利用Gsolver软件研究了不同光栅槽类型和深度对棱栅元件的影响,分别计算并选取了有利于提高棱栅元件衍射效率的光栅槽。同时,根据自然光的反射率和透射率公式,分析了光线在元件出射前后的损耗,计算得到了棱镜-光栅元件衍射效率。最后,搭建了拉曼光谱仪系统。分别测量了系统的测量范围以及分辨率,对光谱仪系统进行了波长定标,测量了乙醇的拉曼光谱。实验结果说明,棱镜-光栅组合元件可以作为拉曼光谱仪的分光元件,对拉曼散射进行测量。

关键词： 变压器   声发射   光纤光栅   监测系统   局部放电   MATLAB  

摘要： 电力变压器在工作时会产生局部放电现象,导致设备损坏,进而导致发生故障。因此,对局部放电进行在线监测和检测,可以提前预知潜在危险,从而可以有效减轻故障的破坏程度。由于应用声发射技术工作环境完全不受电磁场的影响,可以对声发射信号进行采集并且进行分析,因此在一些目标源定位以及实时监测方面有所应用。本课题以局部放电产生的声发射信号为研究对象,以光纤光栅以及FPGA模块为主,设计了一种检测性能好、灵敏度高的在线局部放电监测系统。光纤光栅中的光信号经过光电转换模块转换后的电信号后,通过使用FPGA以及信号采集模块,完成对电信号的高速采集,利用SDRAM完成对数据的存储以及有效提取,并且通过串口将数据传输到上位机中。本课题中光栅采用光纤光栅光谱与窄带激光源的中心波长进行重合匹配的方法,然后通过检测光强的变化获得声发射信号的变化,并且设计了窄带激光器的温度补偿电路,对中心波长的大小进行调节,从而解决了窄带光源初始波长无法与光栅匹配的问题。基于实际研究课题,对基于光纤光栅声发射信号的局部放电监测系统进行了软件系统以及硬件系统的设计与搭建,整体来说包括光纤布拉格光栅传感方案的选择、系统各个硬件模块组成和各种硬件电路的设计、上位机软件界面设计以及对各个部分的测试。检测系统硬件组成部分包括窄带激光源、连接器、光环行器,光电转换器,高速信号采集模块等,以及用于窄带激光源温度补偿的控制电路,包括最小系统电路、采集电路、驱动电路等部分。检测系统的软件部分以MATLAB为平台,设计GUI界面完成对传感系统采集的数据进行处理和存储,实现波形数据的有效采集。