1 中山大学电子与信息工程学院，广东 广州 510006
2 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200241
目前光声成像中用于探测超声波的主流器件是基于压电材料的超声换能器，考虑到这类换能器的探测性能随器件尺寸的减小而大幅下降，科研者们近年来开始逐渐关注于小型化光学超声传感器的研究与开发。相较于传统的压电超声换能器，这些小型化的光学超声传感器通常具备较宽的探测带宽和与尺寸几乎无关的高灵敏度，在推动更深和更高分辨率的光声成像方面展现出了巨大的潜力。本文首先对光学超声传感器的发展历程进行了简要回顾，然后比较了3种重要的小型化光学超声传感器以及并行寻址的方法，其次介绍了这些传感器在光声活体成像方面的应用进展，最后展望了光学超声传感器的未来前景。
光声成像 光学超声传感器 片上器件 法布里-珀罗干涉仪 光纤布拉格光栅 微环谐振器 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211032
Author Affiliations
Abstract
1 Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
2 Optics Valley Laboratory, Wuhan 430074, China
With the advancement of deep learning and neural networks, the computational demands for applications in wearable devices have grown exponentially. However, wearable devices also have strict requirements for long battery life, low power consumption, and compact size. In this work, we propose a scalable optoelectronic computing system based on an integrated optical convolution acceleration core. This system enables high-precision computation at the speed of light, achieving 7-bit accuracy while maintaining extremely low power consumption. It also demonstrates peak throughput of 3.2 TOPS (tera operations per second) in parallel processing. We have successfully demonstrated image convolution and the typical application of an interactive first-person perspective gesture recognition application based on depth information. The system achieves a comparable recognition accuracy to traditional electronic computation in all blind tests.
optoelectronic compute wearable devices micro-ring resonator hand gesture recognition Opto-Electronic Science
2023, 2(12): 230017
1 暨南大学信息科学技术学院，广东 广州 510632
2 上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海 200240
硅基微环谐振器由于其优异的光谱选择性、紧凑的占地面积和低功耗特性，被大量应用于光子集成领域。但是，由制造误差和硅基器件高热敏性引起的微环谐振波长偏移会导致工作状态不稳定，在实际应用中需要实现相应的波长锁定方案。提出了一种基于差分进化和数字微扰的微环波长锁定系统，以输出光功率为监测变量，在全局搜索阶段基于差分进化算法搜索最佳加热功率来定位目标信号波长，在局部锁定阶段基于数字微扰算法解调出误差信号，据此来增减加热功率以消除环境温度波动干扰。经过理论推导和实验验证，发现提出的差分进化算法搜索最佳加热功率的速度比传统的逐步扫描方式快4倍左右，实验验证了在400 s内、在环境温度变化5 ℃条件下微环谐振波长的稳定锁定。
硅基微环 波长锁定 差分进化 数字微扰 激光与光电子学进展
2023, 60(23): 2323002
微腔光频梳具有功耗低、可集成、梳齿间隔可调的特点，在各个领域都有广泛的应用。绝缘层上的硅（SOI）材料加工工艺与现有的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容，使其成为最具前景的光子平台之一。本文设计了一种截面为脊形的硅基微环谐振腔，研究了各个几何参数对微环谐振腔色散的影响；数值求解了微环谐振腔热动态方程，并分析了不同参数对微环谐振腔热动态效应的影响。数值求解了LLE（Lugiato-Lefever Equation）模型，由于SOI微腔光频梳理论研究大多忽略了热光效应，因此本文分析了在模型中引入热光效应项后对光频梳产生和演化的影响。数值结果表明，在温度变化范围为0~0.16 ℃条件下，时域上光场最大功率值增加了22%，频域上光频梳展宽了221 nm。最后对两种热光效应条件下光频梳输出频谱进行分析，结果表明，光频梳在热光效应温度变化范围为0~0.32 ℃的情况下，相较于0~0.16 ℃的情况，带宽展宽了353 nm。
非线性光学 硅基波导 微环谐振腔 Lugiato-Lefever方程模型 热光效应 光频梳 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1719001
1 中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室，北京 100083
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049
3 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
4 中国电子科技集团公司第五十四研究所光通信研发中心，河北 石家庄 050081
基于微环谐振腔和光纤布拉格光栅，利用相位-强度调制，实现了三种滤波响应可切换微波光子滤波器。通过改变光纤布拉格光栅反射谱、微环谐振腔陷波和光载波三者之间的相对波长，微波光子滤波器的滤波响应可以在带通、平顶带通和高通之间切换。制备了欧拉微环并搭建了微波光子滤波器系统，实现了上述三种响应。三种响应的带宽均具有一定的调谐能力，其调谐范围分别为5.56~7.68 GHz、6.23~11.92 GHz和5.83~10.86 GHz。三种响应下微环的插入损耗均小于10 dB。可切换的滤波响应使该微波光子滤波器具有更高的灵活性，在频率测量、杂散抑制等场景中具有广阔的应用空间。
集成光学 微波光子滤波器 微环谐振腔 光纤布拉格光栅 响应可切换 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0913001
1 重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065
2 重庆邮电大学智能通信与网络安全研究院，重庆 400065
由于卷积神经网络（CNN）识别精度与人类接近，故其在计算机视觉、图像和语音处理等方面取得了巨大的成功，但这种成功离不开硬件加速器的支撑。受到电子器件功率与速率的限制，当前的电加速器难以满足未来大规模卷积运算对硬件算力和能耗的需求。作为一种替代方案，提出了一种低能耗存算一体光子CNN加速器结构。该结构采用微环谐振器和非易失性相变材料Ge2Sb2Te5构成无源光学矩阵乘法器来实现存内计算，从而减小了权重数据读取的能耗。利用Ansys Lumerical 仿真平台验证了10 Gb/s与20 Gb/s速率下4×4规模的光学矩阵乘法的运算。与传统的基于电光微环谐振器的光子CNN加速器数字电子与模拟光子（DEAP）相比，所提加速器结构在保持原运算速率的情况下减少了48.75%的功耗，并且在矩阵运算处的面积能够减少49.75%。此外，基于MNIST与notMNIST数据集对所提加速器的推理效果进行了仿真验证，识别精度分别为97.80%和92.45%。
机器视觉 光子卷积神经网络加速器 微环谐振器 相变材料 存算一体
中国电子科技集团公司第五十四研究所, 石家庄 050081
基于硅基片上微环谐振器, 提出了一种系数可变一阶光子微分方程的光子计算方法, 实现了不同系数的光子微分方程超快速求解。基于耦合模理论, 对微环谐振器的传递函数进行了时域与频域的分析, 所设计的硅基脊形波导刻蚀深度为220nm, 宽度为500nm, 微环谐振器形状为跑道型, 由两个半圆夹两根长直波导组成, 半圆半径为30μm, 直波导长度为60.75μm, 能够实现微分方程a与b系数可调谐, 仿真得到的调节范围为a0: 1.5007×1010~1.5562×1010, b0: 4.5343×109~5.6473×109。同时, 仿真实现了温度调节电控, 分析了系数不同的微分方程的数值求解过程, 并在归一化后与真实微分方程曲线进行了对比, 误差不超过0.02。
光计算 硅基芯片 微环谐振器 微分方程 photon calculation sillicon-based chip micro-ring resonator differential equation
1 Deptartment of Electronics and Communication Engineering, Indian Institute of Information Technology (IIIT) Ranchi, Ranchi 834010, India
2 Department of Electronics and Communication Engineering, National Institute of Technology (NIT) Jamshedpur, Jamshedpur 831014, India
3 Department of Electronics and Communication Engineering, National Institute of Technology (NIT) Rourkela, Rourkela 769008, India
4 Department of Electrical Engineering, National Institute of Technology (NIT) Jamshedpur, Jamshedpur 831014, India
Frontiers of Optoelectronics
2021, 14(3): 365–373
1 辽宁理工职业大学 基础教研部, 辽宁 锦州
2 中国电子科技集团公司光电研究院, 天津
通过对级联MZM和PM生成光频梳方案进行研究, 并在理论基础上搭建了光纤链路进行实验验证, 最多可以产生信噪比(SNR)为35 dBm、平整度为4.5 dBm且梳齿数为22的光频梳。通过实验研究不同频率和功率下的谱线图变化, 验证方案的可行性。
光频梳 级联调制器 循环频移器 微环谐振腔 平整度 信噪比 optical frequency combs cascaded modulator cyclic frequency shifter micro-ring resonator flatness signal-to-noise ratio
重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室, 重庆 400030
提出一种以Fe3O4磁性纳米粒子为包层的微环谐振器的集成光波导电流传感器,阐述了其基本原理和制备方法。被测电流所产生的交变磁场,会使得Fe3O4纳米粒子产生能量损耗,温度发生变化,从而导致光波导折射率发生改变。通过监测微环输出谐振波长的漂移量可实现电流传感。为了实现宽量程、高品质的微环器件,通过有限时域差分法对微环传感器的关键结构参数进行合理设计,制备出不同半径下的电流传感器。理论与实验结果表明:在测试电流幅值为0至0.5 A,频率在0至60 kHz内,微环电流传感器的输出谐振波长漂移量与电流幅值的平方、电流频率的平方均呈正比例关系,同时随着微环半径的减小,传感器探测范围变大,但灵敏度减小。该研究可为集成式微型电流传感器提供一定的理论基础,推动了以硅基为基础的光电传感的发展。
传感器 电流传感器 微环谐振器 磁热效应 集成光学 光学学报
2021, 41(12): 1228001
