1 西湖大学工学院浙江省3D微纳加工和表征研究重点实验室，浙江 杭州 310030
2 浙江西湖高等研究院前沿技术研究所，浙江 杭州 310024
3 浙江大学脑科学与脑医学学院，浙江 杭州 310058
4 浙江大学脑与脑机融合前沿科学中心，浙江 杭州 310058
5 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
6 浙江大学信息与电子工程学院，浙江 杭州 310027
作为光遗传学的重要工具，纳米光遗传探针用于实现对生物体神经元的光刺激，能够辅助神经科学家更具特异性地探索大脑的工作机制，有望用于神经疾病的发病机理分析和治疗。研究人员针对光遗传学刺激的刺激强度、刺激范围、刺激模式、时空分辨率等要求，开发了具有不同光学功能的探针，也针对丰富探针功能如原位电生理记录、化学或生物分子递送等要求，开发了多功能的神经探针。为克服传统光电子器件刚性不可弯折、易对生物体造成损伤等弊端，柔性光学神经探针应运而生。这一类探针在植入时对生物体的损伤小，在植入后能够维持稳定的出光强度，其使用寿命得到保证。本文围绕不同类型、不同功能的光遗传探针以及光遗传探针中的柔性技术进行综述和展望。
光学神经探针 光遗传学 柔性 波导集成型探针 深脑部刺激 生物兼容材料 激光与光电子学进展
2023, 60(13): 1316001
Author Affiliations
Abstract
1 Zhejiang University, College of Information Science and Electronic Engineering, State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, Key Laboratory of Micro-Nano Electronics and Smart System of Zhejiang Province, Hangzhou, China
2 Westlake University, School of Engineering, Key Laboratory of 3D Micro/Nano Fabrication and Characterization of Zhejiang Province, Hangzhou, China
3 Institute of Advanced Technology, Westlake Institute for Advanced Study, Hangzhou, China
4 Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences, Beijing, China
5 Peking University, School of Physics, Frontiers Science Center for Nano-optoelectronics, State Key Laboratory for Mesoscopic Physics, Beijing, China
Optical neural networks (ONNs), enabling low latency and high parallel data processing without electromagnetic interference, have become a viable player for fast and energy-efficient processing and calculation to meet the increasing demand for hash rate. Photonic memories employing nonvolatile phase-change materials could achieve zero static power consumption, low thermal cross talk, large-scale, and high-energy-efficient photonic neural networks. Nevertheless, the switching speed and dynamic energy consumption of phase-change material-based photonic memories make them inapplicable for in situ training. Here, by integrating a patch of phase change thin film with a PIN-diode-embedded microring resonator, a bifunctional photonic memory enabling both 5-bit storage and nanoseconds volatile modulation was demonstrated. For the first time, a concept is presented for electrically programmable phase-change material-driven photonic memory integrated with nanosecond modulation to allow fast in situ training and zero static power consumption data processing in ONNs. ONNs with an optical convolution kernel constructed by our photonic memory theoretically achieved an accuracy of predictions higher than 95% when tested by the MNIST handwritten digit database. This provides a feasible solution to constructing large-scale nonvolatile ONNs with high-speed in situ training capability.
phase-change materials optical neural networks photonic memory silicon photonics reconfigurable photonics Advanced Photonics
2023, 5(4): 046004
1 江西农业大学 工学院，江西南昌330045
2 中国空间技术研究院 北京空间飞行器总体设计部，北京100094
3 吉林大学 工程仿生教育部重点实验室，吉林长春10022
火星表面地形地貌复杂，为了保证火星车行驶安全，需要对巡视器周边土壤的图像信息进行判别和分类。首先，根据试验场地和图像信息等对图像进行预处理，建立鸟瞰图像。接着，以鸟瞰图像为基础建立图像块并建立数据集，建模集和预测集分别包含315组和135组数据。然后，在划分的数据集基础上建立神经网络模型，并对数据进行训练和分类。最后，根据得到的分类模型对图像进行分类，得到感兴趣区域。分类结果表明：应用ResNet50得到的模型其建模集和预测集的分类准确率分别为75.56%和81.48%。该方法可实现巡视器周边地表类型的分类，并提取图像的感兴趣区域，以便实现更为精准的判别，可用于实现火星车通过性感知、风险预测和路径规划，为未来智能星球车移动系统研制和探测提供理论和技术支持。
火星车 通过性 车辆地面力学 机器视觉 滑转率 Mars rover trafficability terramechanics computer vision slip ratio
1 四川轻化工大学 自动化与信息工程学院，四川 宜宾 644000
2 四川轻化工大学 人工智能四川省重点实验室，四川 宜宾 644000
针对人脸图像修复的深度学习网络存在修复后的人脸图像面部语义信息不合理和面部轮廓不协调的问题，提出了一种基于人脸结构信息引导的人脸图像修复网络。首先，采用编码器-解码器网络技术构建人脸结构草图生成网络，并在结构草图生成网络的生成器中加入跳跃连接和引入带膨胀卷积的残差块以生成待修复区域的结构草图。其次，在构建人脸修复网络时，在修复网络生成器中引入注意力机制，让修复网络在修复过程中更多关注待修复区域，并以生成的人脸结构草图为引导从而实现人脸图像面部语义结构和纹理信息的生动修复。最后，在结构草图生成网络的损失函数中引入特征匹配损失进行模型训练，从而约束生成器生成与真实结构草图更相似的结果；在修复网络的损失函数中联合感知损失和风格损失进行模型训练，从而更好地重建待修复区域的人脸图像面部轮廓结构和颜色纹理，使修复后的图像更接近真实图像。对比实验结果表明，在人脸图像数据集中，本文所设计的网络模型的修复性能有较高的提升。
人脸修复 解码器-编码器 膨胀卷积 跳跃连接 注意力机制 face inpating encoder-decoder dilated convolution skip connections attention mechanism
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of 3D Micro/Nano Fabrication and Characterization of Zhejiang Province, School of Engineering, Westlake University, Hangzhou 310024, China
2 Institute of Advanced Technology, Westlake Institute for Advanced Study, Hangzhou 310024, China
3 State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics, College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, 2699 Qianjin Street, Changchun 130012, China
4 Key Laboratory of Micro-Nano Electronics and Smart System of Zhejiang Province, College of Information Science and Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
5 School of Microelectronics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
Free-spectral-range (FSR)-free optical filters have always been a critical challenge for photonic integrated circuits. A high-performance FSR-free filter is highly desired for communication, spectroscopy, and sensing applications. Despite significant progress in integrated optical filters, the FSR-free filter with a tunable narrow-band, high out-of-band rejection, and large fabrication tolerance has rarely been demonstrated. In this paper, we propose an exact and robust design method for add-drop filters (ADFs) with an FSR-free operation capability, a sub-nanometer optical bandwidth, and a high out-of-band rejection (OBR) ratio. The achieved filter has a 3-dB bandwidth of < 0.5 nm and an OBR ratio of 21.5 dB within a large waveband of 220 nm, which to the best of our knowledge, is the largest-FSR ADF demonstrated on a silicon photonic platform. The filter exhibits large tunability of 12.3 nm with a heating efficiency of 97 pm/mW and maintains the FSR-free feature in the whole tuning process. In addition, we fabricated a series of ADFs with different periods, which all showed reliable and excellent performances.
1 天津中德应用技术大学 能源工程学院, 天津 300350
2 天津理工大学 材料科学与工程学院, 天津 300384
优化界面接触、增强界面处载流子传输对于提高钙钛矿电池性能具有重要意义。本研究将适量二甲基亚砜(DMSO)添加到聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT∶PSS)空穴传输层中, 改善了空穴传输层的导电性和空穴传输特性, 有效提高了反式平面钙钛矿太阳能电池光伏性能。短路电流(Jsc)从21.29 mA/cm2提高到22.15 mA/cm2, 填充因子(FF)从76.35%提高到80.09%, 转换效率(PCE)从16.02%提高到17.01%。薄膜与器件性能综合测试结果表明, DMSO的掺入使PEDOT∶PSS发生适度相分离, 形成更好的PEDOT导电通道, 增强了PEDOT∶PSS的导电特性。 稳态光致发光光谱呈现出显著的荧光猝灭效应, 也表明掺杂 DMSO后PEDOT∶PSS的空穴提取能力得到提高, 钙钛矿活性层与阳极之间的空穴传输更加顺畅, 有助于实现高达 80%以上的填充因子。本研究为改善反式平面钙钛矿太阳电池或有机太阳电池光伏性能提供了一种高效、简便的方法, 具有很好的现实意义。
空穴传输层 电导率 钙钛矿太阳电池 光伏性能 hole transport layer conductivity perovskite solar cell photovoltaic performance
航天工程大学宇航科学与技术系激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416
为了进一步研究超短脉冲激光辐照光电探测器的饱和特性，以硅基PN型光电二极管作为实验器件，实验测量了不同激光能量密度的皮秒激光辐照器件的瞬态响应时间。实验结果表明，当皮秒激光能量密度达到97 nJ/cm2时，器件的瞬态响应信号出现了非线性饱和，同时对器件饱和后的信号特征量的信号半峰全宽和信号底宽进行了分析，其绝对增幅和相对增幅分别为154 μs、157.00%和157 μs、47.87%，可以看出随着激光能量密度的增加，响应时间逐渐增加，信号的时间展宽意味着器件的瞬态响应发生了退化。对激光注入载流子进行分析，发现激光辐照结束后产生大量的光生载流子，满足半导体的大注入条件，导致初始的载流子双极输运过程中双极迁移率趋近于0，对应的信号下降沿初始速度出现衰减，从而导致器件响应信号出现退化现象。
探测器 硅基光电二极管 超短脉冲 饱和特性 双极输运 激光与光电子学进展
2022, 59(13): 1304003
1 西安石油大学理学院，陕西 西安 710065
2 西安石油大学电子工程学院，陕西 西安 710065
图信号处理是解决不规则的数据最有效的方法之一，为此研究了基于聚分类图信号的稀疏恢复算法，针对复杂不规则的阵列信号，对相似性大的信号原子进行聚类分块，构造图信号空间结构，使用图滤波器设计相应的基于图信号的聚分类块匹配追踪算法。为了验证所提算法的有效性，与5种算法进行了对比实验，仿真实验表明：在相同采样率下，所提算法运行时间远小于其他主流算法，同时，在较小采样率下，所提算法具有较高的峰值信噪比。
图像处理 图信号 图滤波 阵列信号 聚类 激光与光电子学进展
2022, 59(10): 1010008
1 中国科学院大学，北京 100049
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
基于风云三号卫星MERSI-Ⅱ影像的特性，提出了一种基于U-ASPP-Net的独立海冰分割算法，该算法在U-Net的基础上引入了空洞空间金字塔池化模块和空洞深度可分离卷积，构建了新型独立海冰分割网络U-ASPP-Net，并在网络后端将FDWloss作为损失函数，最后利用重叠消边策略生成最终的独立海冰分割图。为验证U-ASPP-Net的准确性与有效性，选取U-Net、Deeplab v3+和分区梯度差分与双峰阈值分割法作为对照方法进行实验，实验结果表明，基于U-ASPP-Net的独立海冰精细化分割方法在OA、Kappa系数、IOU、Dice系数四种指标上均优于其他方法，对细节与边缘的提取能力较强，对极小块海冰的还原度较高。此外，算法在一定程度上能够解决基于中分辨率遥感影像提取独立海冰时无法解决的薄云干扰问题，对薄云下的海冰依然具有良好的提取能力，能够为北极航线的动态规划提供较为准确的技术支持。
北极航线 风云三号卫星 独立海冰 U-ASPP-Net 精细化分割 arctic route FY-3 satellite independent sea ice U-ASPP-Net refined segmentation
1 西湖大学工学院，浙江省3D微纳加工和表征研究重点实验室，杭州 310024
2 浙江西湖高等研究院前沿技术研究所，杭州 310024
3 浙江大学信息与电子工程学院，杭州 310027
硫系玻璃由于具有较高的折射率、宽的红外波段透明窗口、较低的非线性损耗和较快的非线性响应，在光学器件领域具有巨大的应用潜力。随着近年来微纳器件加工技术的进步，基于硫系玻璃制备的新型微纳光子器件，在通信、安全、医疗、环境等领域得到了广泛的应用。本工作从硫系玻璃的物理光学性质出发，就硫系玻璃的薄膜制备工艺、微纳器件加工方法、光学器件应用及发展前景分别展开论述。
硫系玻璃 微纳光子器件 集成光学 中红外传感 相变材料 柔性光子 chalcogenide glasses micro/nano photonic devices integrated photonics mid-infrared sensing phase change materials flexible photonics
