“新基建”为光电子产业的进一步发展提供了难得的机遇, 光电子产业自身的发展应首先加强基础研发能力建设。文章描述了化合物半导体光电子器件的外延生长、薄膜淀积、光刻、键合等主要工艺制程的特点; 分析了光电子产业中智能制造、数字化制造、分散化制造、绿色制造等能力建设趋势。

传统平面入射型硅基探测器由于近红外吸收系数低, 存在响应速度和探测效率的冲突, 被认为不适用于短距离光纤通信领域。微纳结构可有效提高等效光程, 使入射光被吸收层充分吸收, 提高光电器件的量子效率, 广泛应用于太阳电池、近红外增强探测器等领域。近期, 研究者基于陷光微结构, 实现了数据传输速率达20Gb/s以上、与CMOS工艺兼容的硅基高速探测器, 展现出了广阔的发展前景。文章对微纳结构的优化设计、制备方法、基于微纳结构的硅基高速探测器的研究进展进行了综述和分析。

设计和制作了应用于微波全双工收发系统的马赫-曾德尔型电光双向强度调制器。根据电光调制器中电信号对光信号的调制叠加原理, 通过计算和仿真, 分析了因调制电极设计电场与实际电场分布差异导致的器件隔离度劣化。通过对比不同调制电极结构的分析设计和仿真优化结果, 得到3.5GHz以上频段隔离度优于-30dB的电光双向强度调制器设计结构。制备出的电光双向强度调制器在5~17GHz范围内隔离度优于-30dB。

全光纤马赫-曾德尔干涉仪的制作工艺包括对光子晶体光纤和单模光纤的切割、熔接以及拉锥。文章首先运用接触力学理论, 对V型槽内的光子晶体光纤内部应力进行分析, 推导出光子晶体光纤内部最大的应力点位于平行于接触面的最外层空气孔处, 采用有限元分析验证了此结论, 并给出了光子晶体光纤内部应力分布图和应变分布图, 计算出了进行光子晶体光纤切割、熔融固定时的最大载荷。然后对内部具有球形空气腔的光纤进行受力分析, 推导出光纤内部最大的应力点位于空气球边缘上距离光纤表面最近处, 有限元分析验证了此结论, 并给出了光纤受拉力后的内部应力分布图和应变分布图, 为制造纤内纺锤形空气腔提供了理论基础。

压电谐振器是谐振式传感器和执行器的核心部件, 通常工作在共振和稳幅状态。采用一种锁相环(PLL)和自动增益(AGC)相结合的双闭环控制驱动电路, 分别实现了谐振器共振频率的跟踪激励和压电振子输出信号的稳幅控制。优化设计了双闭环电路中各元器件参数, 使得压电振子能稳定工作在谐振频率点。参照压电谐振器开环测试数据和闭环测试数据, 双闭环驱动电路能将谐振器相位锁定在59°(误差3°), 输出信号峰峰值稳定在12.8V(误差0.2V)。实验结果表明, 该电路设计能够达到稳定谐振器输出信号幅值和跟踪谐振器共振频率的目的。

提出了一种低成本的新型强度调制型光纤温度传感器。该传感器主要由宽谱光源、三端口光环形器、光纤耦合器、偏振控制器、PMF光纤、光电探测器,以及信号处理单元组成。在较短的PMF光纤条件下, 温度变化会对PMF光纤双折射产生直接影响, 导致两相干光束产生一定的相移变化, 使经过Sagnac环干涉后具有不同的透射光谱, 即发生波长漂移。利用光电转换和信号处理, 将检测到的光信号转换为电压信号, 对其进行解算从而完成对温度的检测。在无需光谱分析仪的情况下, 通过对Sagnac干涉仪的透射光谱进行信号处理, 根据随温度的变化函数解算出测量温度。在25~50.5℃的温度范围内进行了实验, 测试结果表明该光纤温度传感器的灵敏度为0.066mW/℃, 分辨率为0.34℃。

太空环境中的电离辐射会导致CMOS图像传感器性能退化, 甚至造成永久性损毁。文章对CMOS图像传感器抗电离辐射加固技术进行了研究, 从版图设计、电路设计等方面提出相应的抗辐射策略, 并进行了总剂量和单粒子试验。试验结果表明, 采用抗辐射加固技术设计制作的CMOS图像传感器具备抗总剂量和单粒子辐射能力, 当总剂量达到100krad(Si)、单粒子辐射总注量达到1×107p/cm2时, 器件的关键指标变化符合预期要求。

对比分析了InGaAs/InGaAsP柱状量子点材料TE模和TM模增益谱及其折射率变化谱随点区材料组分、垒区材料组分和量子点高宽比的变化特性, 并剖析了其中的物理机理。进一步联合考虑点区和垒区组分变化对兼顾增益与折射率变化以及偏振相关性的影响, 提出了一种多参数调配方法, 并据此设计出在1550nm通信波段(1540~1560nm)内兼顾增益与折射率变化的低偏振量子点材料In0.97Ga0.03As/In0.76Ga0.24As0.52P0.48。最后通过分析, 选定合适的工作载流子浓度。当载流子浓度为0.6×1024 m-3时, TE模和TM模的3dB谱宽交叠区面积分别为8.66×103和7.55×103nm/cm, 增益和折射率变化的偏振相关性分别在3%和10%以内。研究结果有助于未来全光网络中关键器件的优化设计。

高纯度的单手性单壁碳纳米管对于下一代碳基电子器件的发展具有重要意义。利用聚[(9, 9-二辛基芴-2, 7-二基)-共-联吡啶](PFO-BPy)、聚(9,9－二辛基芴－2,7－二基)(PFO)和聚(9,9－二辛基芴－共苯并噻二唑)(PFO-BT)三种聚合物在有机相中分别分选出(6,5), (7,5)和(10,5)三种手性单壁碳纳米管, 具有较高纯度以及浓度, 并去除了超过99%的残留分散剂。使用上述溶液沉积获得高均匀性和高密度的碳纳米管薄膜, 以此作为器件沟道材料, 制备了手性单壁碳纳米管场效应晶体管阵列。结果显示, 大直径的(10,5)手性碳纳米管晶体管器件具有较好的电学性能, 其迁移率最高达16cm2?V-1?s-1, 开关比达107。

采用磁控溅射法制备了C掺杂TiO2薄膜, 并研究了氮气引入溅射过程对薄膜光学性能的影响。利用X射线衍射仪、拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪、分光光度计和原子力显微镜分析了不同氮气流量下薄膜的微结构、元素价态、透光性能和表面形貌。结果表明, 沉积的薄膜主要是非晶结构, 拉曼光谱中存在少量锐钛矿相, 且随着氮气流量增大, 锐钛矿特征峰强度减弱, 意味着晶粒出现细化。当氮气流量增大为4cm3/min时, C掺杂TiO2薄膜内氮元素含量为3.54%, 其光学带隙从3.29eV变化至3.55eV, 可见光区的光学透过率明显提高。可见改变氮气流量可实现对C掺杂TiO2薄膜光学带隙和光吸收率的有效调控。

基于广义惠更斯-菲涅耳积分公式, 研究了傍轴近似下有限能量Olver-Gaussian光束经过铌酸锂电光晶体的光强分布特性。得出了这类光束经单轴晶体垂直于光轴的电场和光强解析式, 基于此, 探究了一阶Olver光束在电光晶体不同横截面上的光强分布和光波侧面传输光强图, 并得出了外加电场和光波中心位置及中心光斑相对光强变化的定量关系; 对传统三类单轴晶体的光波演变特性也进行了分析。

随着信号频率以及芯片集成密度的持续增长, 三维集成系统内部面临严重的耦合噪声问题。针对三维集成技术中广泛使用的硅通孔(TSV)和水平重布线层(RDL)构成的三维互连结构, 提出了一种基于分段传输线(STL)的三维互连结构优化设计方案。通过将三维互连结构传输线按STL模式划分为数个传输线片段生成复数反射波, 并运用基因算法(GA)筛选片段特征信息, 从而优化反射波叠加效果, 实现对传输过程中产生的信号损失进行补偿。仿真结果表明, 该方法可以有效改善三维互连结构中由于耦合噪声造成的信号反射问题, 提升系统传输性能。

设计了一种新型光子晶体光纤结构, 该光纤包层包含六个由不同形状空气孔组成的轴对称的三角晶格, 并在中间沿x轴引入一排大小不同的椭圆空气孔, 实现了高双折射、低限制性损耗和大负色散特性。构建了该光子晶体光纤的有限元模型, 基于该模型研究了中心两个空气孔的偏转角对LP01模和LP11模的模场分布、双折射系数、限制性损耗和色散系数的影响。研究表明, 在偏转角α=90°时该型光纤具有最优性能, 即LP01模可在波长为1550nm处获得高达3.618×10-2的双折射、仅为1.999×10-14dB/m的限制性损耗以及低至-764ps/(nm?km)的大负色散, 其综合传输特性优于现有典型光子晶体光纤。

采用电子束蒸镀预制层, 再对预制层进行硒化的两步法工艺, 通过调节硒化温度和退火时间, 在玻璃基底上成功制备了SnSe薄膜。利用X射线衍射、拉曼光谱、扫描电子显微镜、紫外可见近红外分光光度计等研究了SnSe薄膜的物相、微观形貌和光学性能。结果表明, 在450℃下硒化退火60min可制备出纯相的多晶SnSe薄膜, 其带隙为0.93eV。在功率为200mW/cm2的980nm激光照射下, 对SnSe薄膜进行了光电响应特性测试, 通过曲线模拟得出所制薄膜的响应时间和恢复时间分别为62和80ms。

背面减薄是制备InP基光电子芯片的一道重要工艺。晶圆被减薄后失去结构支撑, 会因应力作用产生剧烈形变, 翘曲度大幅提高。严重的翘曲会使芯片可靠性降低甚至失效, 应对晶圆的翘曲度进行控制和矫正。文章从“损伤层-翘曲度”理论出发, 实验研究了晶圆厚度、粘片方式、研磨压力、磨盘转速、磨料粒径对翘曲度的影响。根据试验结果优化工艺参量, 优化后晶圆的翘曲度降低了约20%; 再通过湿法腐蚀去除损伤层, 矫正已产生的翘曲, 使晶圆的翘曲度降低约90%。优化减薄工艺降低损伤应力与湿法腐蚀去除损伤层分别是控制和矫正晶圆翘曲度的适用方法, 可使翘曲度下降至之前的10%以内。

采用有限元分析方法, 研究了一种n型压电半导体纳米线(氧化锌)的电热耦合性能, 分析了外部温度对氧化锌纳米线内部机械场、电场及电流场分布的影响, 并讨论了本构方程线性化对电学参数的影响。研究结果表明, 温度对氧化锌纳米线的电场、载流子浓度和电流密度影响很大, 采用线性本构和非线性本构求得的电场、电子浓度和电流密度最大相差分别为24%, 32%和68%, 基于非线性本构分析压电半导体的电学性能会引起很大误差。该研究结果可为压电半导体器件利用温度调控电场、电流提供理论依据。

PCM(Process Control Monitor)是一种反映生产线工艺状况的质量监控技术。文章围绕影响电荷耦合器件(CCD)工艺中PCM测试结果的工艺因素展开研究, 并对PCM测试结果进行统计分析, 以达到测试结果用于工艺改进的目的, 并最终获取最佳工艺条件。结果表明: 低压化学气相沉积(LPCVD)温度为700℃、膜厚为580nm时的方块电阻为18Ω/□; 孔工艺采用干法刻蚀CF4流量为15cm3/min、CHF3流量为45cm3/min下的接触电阻为7Ω; 栅下埋沟注入磷离子能量为250keV、剂量为2.5×1012atom/cm2时, MOS管阈值电压为-8.5V; 二次铝刻蚀主刻蚀采用Cl2流量为90cm3/min, BCl3流量为45cm3/min, N2流量为30cm3/min可有效避免因残留物引起的金属同层漏电。

匀光系统的均匀性是实现深紫外CMOS图像传感器参数测试的关键。根据傅里叶光学理论, 结合ArF准分子激光输出光斑特点, 设计了复眼阵列匀光系统的初始结构, 并在ZEMAX非序列模式下建立了匀光系统模型。针对ZEMAX光源中光线采样随机性的特点及匀光系统均匀性的要求, 对追迹光线数目及复眼阵列中透镜元个数进行了优化。在透镜元大小为1mm、采用1亿根光线并做30次平均后, 在12mm×12mm光斑范围内获得了均匀性为0.986的均匀照明光斑, 满足CMOS图像传感器测试对光斑均匀性优于0.97的要求。

针对相位敏感光时域反射仪(Ф-OTDR)信号信噪比过低的问题, 提出了一种基于改进变分模态分解(VMD)结合独立成分分析(ICA)的去噪方法。首先, 采用模拟退火方法(SA)对VMD进行优化; 然后, 采用SA-VMD将预处理后的Ф-OTDR信号分解成一系列本征模态分量(IMF), 并根据相关准则选取IMF分量进行虚拟噪声重构; 最后, 将原始信号与虚拟噪声作为ICA的输入, 去除信号中的噪声, 提高信号信噪比。采用自行设计的相干Ф-OTDR系统进行实验验证, 结果表明, 该方法能够有效去除噪声, 与EMD-ICA和SA-VMD方法相比, 信噪比提高了4dB, 这对系统的实际应用具有重要意义。

基于布里渊散射的分布式光纤传感中温度和应变与布里渊频移成线性关系, 为了提高温度和应变测量的准确性, 提出了一种改进的二次多项式拟合算法用于提取布里渊频移。该算法分为两步: 首先使用一种改进的中值滤波算法对含噪布里渊谱信号进行预处理, 以提高增益峰值定位的准确性; 然后截取围绕峰值左右对称的一个线宽的原始布里渊谱进行二次多项式拟合以实现布里渊频移的高精度提取。以布里渊频移误差及峰值定位准确性作为衡量指标, 比较研究后确定同一频率下所有空间点对应的布里渊增益作为滤波器的输入。研究了不同扫频间隔和信噪比及不同滤波窗长下改进算法的效果, 同时研究了最优窗长的选择问题。结果表明, 不同信噪比和扫频间隔下改进算法均能有效提高布里渊频移提取的准确性。随窗口长度增加布里渊频移误差先减少后增加, 在扫频间隔为1~10MHz、信噪比为0～40dB情况下, 通用的最优窗长为53~163。

手语识别广泛应用于聋哑人与正常人之间的交流中。针对手语识别任务中时空特征提取不充分而导致识别率低的问题, 提出了一种新颖的基于时空注意力的手语识别模型。首先提出了基于残差3D卷积网络(Residual 3D Convolutional Neural Network, Res3DCNN)的空间注意力模块, 用来自动关注空间中的显著区域; 随后提出了基于卷积长短时记忆网络(Convolutional Long Short-Term Memory, ConvLSTM)的时间注意力模块, 用来衡量视频帧的重要性。所提算法的关键在于在空间中关注显著区域, 并且在时间上自动选择关键帧。最后, 在CSL手语数据集上验证了算法的有效性。

高速、高灵敏度相机在自适应光学系统中可以对波前误差进行实时测量, 为大型地基望远镜提供接近衍射极限的目标图像。多抽头电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)相机是自适应光学波前探测的最佳选择之一, 基于8抽头的CCD220设计了2000f/s级高速、高精度、多路同步时序发生器, 并通过时序控制的方法在CCD器件上实现了多种像元合并, 进一步将相机帧频提高到3500f/s(2×2合并)和5700f/s(4×4合并), 并能对相机感兴趣区域进行控制。时序发生器的步进精度可达到2.5ns, 输出的各路驱动信号的相位抖动可达200ps以下。

目前的商用自准直仪并不满足纳米光学测量仪(NOM)利用细光束进行测量的要求, 大口径细光束模式下的自准直测量系统存在各种误差。为了满足自准直测量系统的高精度要求, 根据自准直测量原理, 对大口径细光束自准直测量系统中CCD阵面与f-theta透镜焦平面不重合引入的误差进行了归纳分析, 并通过相关实验对误差的线性关系进行了验证, 结果证明理论计算与实验结果具有良好的一致性。

受气动光学效应的影响, 来自目标的光波波前会产生动态扰动, 导致成像模糊化。常用的校正方法是在测得波前的前提下进行解卷积处理, 达到还原图像的效果。传统的波前传感器只能有效测量中心视场, 由于存在非等晕问题, 导致所能还原的图像区域过小。光场相机波前传感器作为一种新型波前传感器, 具有视场大、动态范围大的优点, 可以同时探测模糊图像不同区域的点扩散函数, 从而一次性还原整幅图像。文章利用Matlab模拟了光场相机的大视场波前探测特性, 对气动光学效应引起的模糊图像进行清晰化处理, 并与夏克-哈特曼传感器的模拟结果进行了比较。结果表明, 光场相机波前传感器可以对气动光学效应造成的波前扰动进行有效的大视场波前探测, 一次探测能够清晰化整个视场的图像, 且视场范围是传统波前传感器的数倍以上。

为了改善可见光通信(VLC)系统的性能, 针对准循环低密度奇偶校验(QC-LDPC)码码字间最小距离不够大而导致纠错性能下降的问题, 提出一种新颖的QC-LDPC码构造方法。该方法将最大公约数(GCD)算法和Lucas序列相结合构造QC-LDPC码的信息位; 同时, 为了降低编码复杂度, 校验位采用了准双对角线的形式, 在保证大围长的同时实现QC-LDPC码的快速编码。然后用所提出的构造方法构造了码率为0.5的GL-QC-LDPC(2650,1325)码, 并运用所搭建的VLC系统仿真模型进行了仿真性能分析。仿真结果表明, 在误码率为10-6时, 该GL-QC-LDPC(2650,1325)码与基于阵列码(AC)构造的AC-QC-LDPC(2652,1326)码、直接使用GCD算法与修饰技术构造的GM-QC-LDPC(2650,1325)码, 以及基于群可分设计(GDD)的GDD-QC-LDPC(2652,1326)码相比, 其净编码增益(NCG)分别提高了0.10, 0.14和0.25dB。

由于多环谐振式微机械陀螺的谐振频率较高, 传统的数字控制电路对陀螺幅点信号的频率跟踪难以同时兼顾精度和速度的要求。在传统半球陀螺数字控制电路的基础上, 提出了一种适用于多环谐振式微机械陀螺仪的频率跟踪电路, 并首次运用于多环谐振式微机械陀螺。该电路以高速A/D转换电路为基础, 通过对幅点信号高速采样计算频率和相位信息, 并通过CORDIC算法产生输出信号。测试结果显示, 该电路使多环谐振式微机械陀螺幅点信号的频率跟踪精度达到了0.78Hz, 频率跟踪时间小于40μs, 使控制电路的性能得到了极大提升。

提出一种基于新型成像传感器——电子倍增电荷耦合器件的超分辨率偏振调制三维成像系统。利用低带宽电光调制器作为亚纳秒级高速快门, 实现三维成像系统时间(距离)分辨能力。该系统只需要采集一帧原始数据, 就可以从灰度图像中重建深度信息, 实现动态成像。基于该系统结构提出多维数据融合求解目标位姿的方法, 并通过试验验证了方法的可行性。实验结果表明, 对距离激光雷达1km外的目标进行测量, 其位移精度小于3cm, 位姿角误差小于3°。