基于激光器RIN抑制的宽带低噪声微波光传输技术

微波光子链路中的核心器件激光器、调制器、光电探测器均为有源器件,在微波信号的电光光电转换过程中会引入额外的噪声,导致微波信号的噪声性能恶化,高的噪声系数会降低电子信息系统的灵敏度、动态范围、探测精度等关键性能指标,因此抑制噪声成为实现高性能微波光子系统的关键。文章针对当前激光器噪声较高的限制,提出采用常规分布反馈(DFB)激光器与光放大器、窄带光子滤波相组合的方式来抑制激光源噪声,实现微波光子链路的宽带低噪声。建立了微波光子链路传输模型,分析了链路性能与器件参数之间的映射关系。实测对比了采用该组合光源方案与常规微波光子链路的噪声性能,结果表明采用高功率光源结合光滤波可对激光器远端相对强度噪声(RIN)实现高的抑制,通过优化,噪声系数较常规水平可改善15dB以上。

一种新型自封焊小型化光电探测模块

提出了一种基于LTCC陶瓷基板的自封焊小型化光电探测模块,通过LTCC内埋电阻发热快速实现器件的密封。该模块不仅可以支持内部集成多种功能的光电芯片,还可与外部单元实现平面化、表贴式贴装,大幅提升模块安装适配性与可靠性。通过测试,模块在18GHz频率范围内具有高响应度与高平坦度,在体积上相较分立器件缩小了一个数量级,同时模块成本预计可降低一半以上,在机载、星载、弹载等平台的宽带相控阵系统中具有广阔的应用前景。

基于光Blass矩阵的光控二维多波束产生

多波束是电子信息装备实现多功能、多任务、大容量信息传输与处理的关键。围绕新一代相控阵系统对宽带多波束形成网络的应用需求,提出一种基于光Blass矩阵的两级级联结构产生二维多波束的实现方法。通过光域相干波束形成技术完成第一级水平方向的波束合成,再利用光域非相干波束形成技术实现第二级垂直方向的波束合成,进而获得空域二维波束。采用该架构,一方面可突破光波长数量不足对光控波束形成网络阵列规模的限制,可将光控相控阵系统的单元规模从数十个提升至数百个甚至更多;另一方面可大幅减少光控多波束芯片的数量,对于阵元数N×N、波束数量M×M的多波束系统,波束芯片数量可从M^(2)个减少到(N+M)个。同时该方案可采用光子集成技术手段实现,在简化多波束系统结构与提升系统可靠性方面具有无可比拟的优势。

基于相位调制等效展宽激光线宽的极低相噪光电振荡器

光电振荡器是一种采用光电结合方式的新型微波频率源,其利用光学长时储能,可以实现极低相位噪声的信号输出。文章研究了光纤中散射噪声对光电振荡器相位噪声的影响,重点介绍了基于相位调制等效展宽激光线宽,抑制布里渊散射噪声架构,通过理论公式推导以及实验验证,表明了上述架构可极大改善光电振荡器的相位噪声。实验中采用调制频率为50 MHz、调制幅度为3.1的相位调制信号对激光线宽进行等效展宽,得到在10 GHz频率下为-157.3 dBc/Hz@10 kHz的极低相位噪声信号输出。

基于微波光子的射频信号功率测试方法

功率是微波信号的基本参数之一。传统的功率测量方法受限于同轴电缆传输损耗大、体积大等因素,难以适应分布式长距离组网应用。文章提出基于电光转换的微波功率测量方法,将微波功率测量转换为对光边带抑制比的测量。分别分析了采用相位调制和强度调制的电光转换方法时,微波功率与光边带抑制比之间的映射关系。实测对比了测量值与理论计算值之间的符合性。该方法经过电光转换后,可以采用光纤传输信号,进行长距离远拉测试,在分布式长距离组网中具有较好的应用前景。

CSNS强流负氢离子源及其改进

中国散裂中子源(CSNS)的离子源是1台强流负氢离子源,该离子源负氢束流的能量为50keV,负氢流强可达40mA,束流占空比最高为1.25%(重复频率为25Hz,脉宽为500μs)。目前该负氢离子源已投入到CSNS中使用。由于等离子体放电电极受带电粒子溅射的缘故,在1.5%(25Hz,600μs)的占空比、负氢流强30mA运行下,离子源的寿命约为30d。为提高离子源使用的稳定性,对离子源进行改进优化,提高了离子源的运行效率和稳定性。

微波光子链路中的附加相位噪声分析

针对模拟微波光子链路中附加相位噪声对微波信号相位噪声的恶化问题,详细研究了光链路中白噪声及有色噪声的产生机理,建立了光链路的附加相位噪声理论模型,阐述了附加相位噪声的变化规律,并通过实验证实了模型的正确性。同时针对本振信号的多路光分配典型应用,提出了EDFA辅助的附加相位噪声优化措施。实验结果表明所提出的相位噪声模型能够有效地应用于微波光子链路,能对附加相位噪声的分析和优化提供理论依据,具有较大的工程指导意义。

BNCT RFQ高功率耦合器的设计

为满足硼中子俘获治疗试验装置(BNCT_A)RFQ加速器腔耗420 kW、占空比50%的需求。为BNCT_A RFQ加速器设计了一款高功率耦合器。该功率耦合器包含WR2300矩型波导转3-1/8英寸同轴门钮结构、波导窗、功率耦合装置3个部件。波导窗采用同轴扼流结构型式,功率耦合装置采用磁耦合环结构。整个功率耦合器采用分段设计的原则。矩型波导转同轴结构和陶瓷窗分别通过Microwave Studio(MWS)优化仿真,得到陶瓷窗的驻波比(SWR)达到1.0009@352.2 MHz,带宽大于±58 MHz@SWR≤1.1 MHz。用多端口换算理论确定了耦合环耦合度,并用能量衰减法确定耦合环的尺寸。从热学和结构力学方面校核了该功率耦合器的功率容量,在50%占空比下,单个功率耦合器最高峰值功率可达260 kW,4路功率耦合器最高峰值功率可达1 MW。经过实际高功率测试,目前入腔功率484 kW,占空比达到10%,并具提升峰值功率及占空比的能力。

腰椎棘突间撑开装置Coflex治疗退行性腰椎管狭窄症:研究进展及有限元分析

背景:传统的腰椎融合内固定治疗会带来各种术后并发症,因此非融合技术在临床应用日益广泛,棘突间撑开装置Coflex便是其中一员,其与传统腰椎融合内固定技术相比具有独特的生物力学优势,随着Coflex假体不断改进与完善,其在未来将具有广阔的应用前景。目的:对Coflex治疗腰椎管狭窄的临床效果、生物力学、有限元分析、并发症及最新发展等方面进行阐述。方法:第一作者以"腰椎,生物力学,腰椎管狭窄症,Coflex,有限元分析"检索CNKI数据库、万方数据库、Sinomed数据库,以"Lumbar spine,Biomechanics,Lumbar spinal stenosis,Coflex,Finite element analysis"检索PubMed数据库、SpringerLink数据库、Science Citation Index-Expanded(SCIE)数据库、中国科学引文索引数据库(CSCI)、IEEE Xplore Digital Library数据库2005至2018年出版的文献。纳入有关Coflex治疗退行性腰椎管狭窄症的临床调查、生物力学分析及有限元分析的相关文献,排除重复研究。通过阅读摘要初步筛选,共选取34篇文献进行综述,其中中文9篇,英文25篇。结果与结论:①Coflex棘突间动态装置与同类型棘突间装置治疗效果类似,相对于传统腰椎融合内固定甚至具有一定优势,手术创伤小,时间短,术后恢复快、而且保留了手术节段活动性,延缓了邻近节段退变,在一定程度上可防止临椎病的发生;②就生物力学而言,Coflex保留了责任节段的部分活动,减少了责任节段椎间盘和关节突的负荷,间接增大了椎间孔的高度,缓解了临床症状;③三维有限元分析通过计算机应力云图分析显示,Coflex置入后对责任节段椎间盘、小关节等有明显分担负荷作用,同时可以显示保留邻近节段的活动度位移,减少临近节段的椎间盘及小关节应力,而且有限元分析可以模拟不同体内力学环境,分析Coflex置入前后不同研究对象、不同活动方式、不同承载负荷单元的力学分布变化,是一种可重复、行之有效方法和手段,但有限元分析仅仅模拟局部力学,范围较局限,且易出现掩盖Coflex真实并发症等问题;④Coflex易出现内固定松动、棘突骨折、退行性疾病复发、异位骨化等并发症,导致再次手术治疗。目前Coflex的使用没有标准规范,适用范围尚未确切统一,因此Coflex的临床应用仍然有待进一步探索。

基于相位调制的大动态微波光子链路仿真研究

针对相位调制微波光链路线性解调困难的问题,开展了基于锁相环高线性相位解调方法的理论研究。建立了详细的链路模型,充分考虑噪声和非线性畸变的影响,推导得到了链路关键参数的变化趋势。同时结合实际链路器件参数,完成了链路关键参数的仿真研究。结果显示,基于锁相环,在200MHz的射频频率下,链路动态范围可达到127dB·Hz2/3,较传统强度调制方法提升近20dB,为大动态微波光子链路实验应用提供了一定的理论参考。

腰1椎体应力的有限元分析及分区

目的:利用有限元分析法研究在不同等级载荷及不同运动状态下腰1(L1)椎体皮质骨及松质骨的应力分布情况,并建立应力分区。方法:选取1例志愿者行胸腰段CT平扫,获取CT原始数据以DICOM导入Mimics、Geomagic、SoliderWorks、HyperMesh、Abaqus等有限元软件,构建正常胸腰段椎体(T11~L2)模型,在T11椎体上缘均匀施加力学载荷,将在载荷500N、弯矩7.5N·m下产生的所有运动状态称为α组,载荷600N、弯矩7.5N·m下产生的所有运动状态称为β组,载荷700N、弯矩7.5N·m下产生的所有运动状态称为γ组。选取L1椎体,从矢状面观正中分割分为上下两部分,上半部分标记为A区,下半部分标记为B区;从椎体正中央至椎体边缘呈同心圆均匀划分6段,上下各构成三维圆弧柱形6部分,从外缘到中央依次标记为1、2、3、4、5、6区,构成A1、A2、A3、A4、A5、A6、B1、B2、B3、B4、B5、B6区域共12部分;分别在α、β、γ三组中均匀采集上述12区域内皮质骨及松质骨应力数据,对皮质骨及松质骨相邻区域内应力值进行两两配对t检验,将差异具有统计学意义的两相邻区域独立成区,将差异无统计学意义的两相邻区域进行合并成区,得到最终应力分区。结果:在α组中,A1区域皮质骨和松质骨的平均应力与A2区域比较差异均具有统计学意义;A2区域与A3区域比较差异无统计学意义;A3区域与A4区域比较差异具有统计学意义;A4区域、A5区域、A6区域三者之间两两比较差异均无统计学意义;B区域规律同A区域。在β组中,皮质骨中A区域及B区域应力均满足α组中统计学意义规律,松质骨中A4区域与A5区域、B4区域与B5区域两两比较差异具有统计学意义,其规律与α组一致。在γ组中,皮质骨及松质骨A4区域与A5区域、B4区域与B5区域应力两两比较差异具有统计学意义,其余与α组规律相同。根据统计学规律,将L1椎体分为A1(AⅠ)、A23(AⅡ)、A456(AⅢ)、B1(BⅠ)、B23(BⅡ)、B456(BⅢ)六个区域,其中AⅡ区域应力分布最为集中,称之为核心应力区,AⅠ、BⅠ、BⅡ应力分布次之,称之为主要应力区,AⅢ、BⅢ应力分布最少,称之为次要应力区。结论:L1椎体应力分布较为固定且呈现一定规律性,其中核心应力区、主要应力区和次要应力区承受应力依次减弱,有助于临床骨折类型预判和评估。

相位调制微波光传输链路特性分析

常规的微波光子系统采用强度调制方式实现微波信号的电光转换,由于调制器采用马赫-曾德尔干涉结构(MZI),系统性能不仅受到自身正弦响应特性的制约,而且需要进行偏置点控制,因此存在动态范围受限、系统控制复杂以及3 dB固有损耗带来的效率不足的问题,而采用相位调制可避免该问题。围绕相位调制光传输链路,为了完成相位调制信号的光电解调,文章提出采用薄膜滤波器通过边带抑制与边带选通两种方式实现相位调制到强度调制的转换,并分析了链路射频性能与器件参数之间的映射关系。实测对比了相位调制与常规强度调制链路之间的传输特性,通过分析可知,在相同链路配置条件下,相位调制链路具有更高的传输效率,而且光滤波带来的均衡作用,使得相位调制链路的3 dB带宽比强度调制链路大两倍。

一种带温度参量的半导体激光器速率方程及仿真求解

研究并求解了热效应条件下的半导体激光器的速率方程。在经典速率方程的基础上,通过引入热效应特性,得到了带温度参量修正的速率方程组,然后利用Simulink软件工具,对该非线性微分方程进行仿真求解,最后以某分布反馈激光器的参量为例,得到了不同偏置点、不同调制信号及不同温度条件下速率方程的瞬态解,并据此分析了弛豫振荡、频率啁啾等特性。仿真求解结果符合该型激光器的瞬态特性,为该型激光器设计制造和应用选型提供了一定的参考。

含TiO2多元系玻璃与玻璃陶瓷及其光电子应用研究进展

玻璃和玻璃陶瓷作为一种重要的光功能材料,在显示、照明、闪烁体、激光器和光纤放大器等领域有着重要的应用。二氧化钛(TiO 2)具有高折射率和高介电系数,研究表明,添加TiO 2能够降低玻璃的声子能量、改善稀土离子的发光性能;同时,含TiO 2玻璃陶瓷不仅能够促进稀土离子的发光,而且还能作为一种闪烁体应用于辐射探测领域。概括了含TiO 2玻璃的制备方法,包括高温熔融-淬火法、溶胶-凝胶法以及无容器悬浮技术,其中无容器悬浮技术为高TiO 2含量玻璃的制备提供了新的途径。简要介绍了含TiO 2玻璃和玻璃陶瓷的结构和性能,包括TiO 2的配位、玻璃的声子能量和热学性能等。调研了近几年含TiO 2玻璃和玻璃陶瓷在辐射发光和闪烁发光方面的研究进展。最后,探讨了含TiO 2玻璃和玻璃陶瓷存在的问题和未来的发展趋势,并总结得出了含TiO 2多元系玻璃和玻璃陶瓷有望成为光电子应用新材料的研究热点。

基于双驱动调制的低噪声微波光子混频器

微波光子混频技术是利用光域频谱搬移间接实现微波信号与中频信号之间的频率变换,它具有工作频段高、瞬时带宽大、多通道并行处理能力强等优势。本文设计采用双驱动调制器实现光域微波信号下变频功能,通过对该微波光子混频器的建模与仿真,分析了影响混频器变频性能的因素。并且针对该架构开发了相应的变频模块,同时配置了相应的前置低噪声放大器与中频滤波器来进一步抑制噪声、改善杂散抑制度。通过测试,该模块在24GHz-28GHz频率范围内变频增益>0dB,噪声系数<20dB,SFDR约为102dB.Hz2/3,较传统级联调制器方案的微波光子混频器在变频效率与噪声性能方面有显著提升。

小型化高集成宽带光收发组件

当前分立光子器件的体积和成本严重制约着微波光子技术在雷达系统中的应用。受限于当前的集成能力和材料体系,微波光子单片集成芯片短时间内难以实现工程应用。为满足雷达等应用场景对高集成微波光子器件的迫切需要,研制了一种新型小型化高集成光收发组件。该组件采用光电异构集成封装技术,将MZM调制器芯片、微波芯片、探测器芯片以及光环形器、波分复用器进行高度集成,单模块体积仅为85 mm×35 mm×10 mm,与传统MZM调制器体积相当。实验结果表明,其性能可与传统分立元器件相媲美。在6~18 GHz范围内,组件能够实现±1.5 dB的平坦度,上行能够实现18 dB以上的增益,下行能够实现-1 dB以上的增益,且链路噪声系数小于30 dB,平面化、小型化设计使其能够应用于相控阵雷达、电子战等多种应用场景,具有广阔的应用前景。

微环外腔可调谐窄线宽半导体激光器特性分析

对基于氮化硅的微环外腔反馈窄线宽半导体激光器进行了性能表征和研究。通过对增益芯片的驱动电流、两个微环热电极电压、相位节热电极电压和半导体制冷器(Thermoelectric cooler,TEC)温度控制等参数的调节,实现了C波段可调谐输出,所提激光器的边模抑制比≥52 dB,输出功率>10 dBm。通过对激光器高频白噪声进行表征,计算得到激光器的线宽为0.84 kHz,相位噪声在0.01、0.1和1 kHz处分别为581.04、60.47和6.70μrad/Hz^(1/2)。通过对激光器的相对强度噪声(RIN)进行测试,在1~20 GHz范围内,激光器RIN≤-156 dB/Hz。基于上述优异的性能,基于氮化硅的微环外腔反馈窄线宽半导体激光器有望在光纤传感、微波光子、相干通信和多普勒激光雷达等领域发挥潜在应用价值。

光纤荧光探针

荧光光谱分析是一种重要的测试手段。近年来,基于光纤探针的荧光测试技术成为研究热点,这种方法具有高效、微观、实时、原位、体积小易集成等优势。简要综述荧光分析原理、光纤探针中激光发射与荧光收集的空间传导理论,以及光纤荧光探针的典型结构与制备,总结了应用于生物、环境和食品安全领域的研究状况。最后,对光纤荧光探针的发展趋势进行了展望。

股骨转子间骨折髓内钉内固定术后内植物周围再骨折的治疗

目的探讨股骨转子间骨折髓内钉内固定术后内植物周围再骨折的发生情况、治疗方法及临床疗效。方法回顾分析2014年4月—2019年11月收治且符合选择标准的16例股骨转子间骨折髓内钉内固定术后内植物周围再骨折患者临床资料。男7例,女9例;年龄65~93岁,平均78.4岁。初次单纯股骨转子间骨折14例,按国际内固定研究协会/美国骨创伤协会(AO/OTA)分型为A1型5例,A2型7例,A3型2例;股骨转子间合并转子下骨折2例,均为SeinsheimerⅤ型。根据Chan等提出的非假体内植物周围再骨折分型标准,1型10例(1A型6例、1B型3例、1C型1例),2型6例(2A型4例、2B型2例)。再骨折距初次手术时间为1~52个月,平均14.6个月。其中短钉组(髓内钉长度≤240 mm)再骨折发生率为1.92%(11/573),长钉组(髓内钉长度≥340 mm)为1.66%(5/301),比较差异无统计学意义(χ^(2)=0.073,P=0.786)。分别予以加长髓内钉翻修(5例)或增加微创内固定系统固定(11例)。结果患者手术时间78~168 min,平均115.8 min;术中出血量120~500 mL,平均283.1 mL。1例患者术后3个月发生心肌梗死而死亡;余15例均获随访,随访时间9~46个月,平均16.8个月。内植物周围再骨折于术后14~20周,平均16.4周达临床愈合。随访期间无切口感染、骨折不愈合、内植物松动断裂、螺钉切出等并发症发生,内植物周围未发生再次骨折。末次随访时,患肢均恢复行走功能,美国特种外科医院(HSS)评分为56~92分,平均80.2分,其中优2例、良10例、可2例、差1例,优良率80%。结论髓内钉尖端及远端交锁螺钉周围应力集中是股骨转子间骨折髓内钉内固定术后内植物周围再骨折的主要原因,根据初次手术髓内钉长度及再骨折类型采用加长髓内钉翻修或增加微创内固定系统手术治疗,有望取得满意疗效。

CSNS LINAC低电平射频控制系统软件设计

低电平射频控制系统主要用于对加速腔的高频场和谐振频率的控制,保证加速器的稳定运行并输出高品质的束流。低电平控制系统软件提供可视化操作界面,实现数据显示和存储、自动化算法等功能,提高了低电平系统的可操作性,减少了人工作业量和故障率。软件开发具有灵活性强、开发周期短的特点,适合控制速度要求相对不高而逻辑较为复杂的功能开发。本文介绍中国散裂中子源直线加速器射频低电平控制系统软件的开发设计,重点介绍前馈自动计算、加速腔的频率自动控制、频率失谐算法、一键升功率、界面优化等相关内容。最终低电平控制系统幅度相位稳定度指标优于要求的设计指标,且达到长时间稳定运行的要求。