面向信号与信息智能处理的光电融合与集成技术(特邀)

传统的信号、信息处理流程相对独立且繁琐,人工智能(AI)技术通过引入"信号变换+信息识别"的处理策略,提升了整体处理的智能化水平。然而,未来应用中信号与信息高度密集,要求更高的系统能效、更灵活的决策能力。文中提出了通过光电融合与集成技术有望实现信号与信息兼容一体的新型处理范式:利用光子与电子技术在电磁尺度、物理性质、实现方法等层面的互补优势,针对信号与信息整体进行直接处理,并且具有融合深层智能技术的潜力。回顾了光电融合形式下的新兴信号与信息处理体制,指出了光电混合集成对光电融合处理技术的重要支撑意义。

光电融合智能太赫兹的体系架构和关键技术

与广泛应用的以微波为代表的无线系统和以光纤为代表的有线系统相比,太赫兹除了其特殊的频谱特性外,人们期待太赫兹频段用于无线系统能突破微波系统的带宽限制,实现可与光纤系统相媲美的大带宽,并具有无线系统的灵活性和智能化。但如何实现宽带、智能以及具有较远作用距离的太赫兹系统,面临极大的挑战性。本文介绍了光电融合智能太赫兹的体系架构,重点讨论了基于光电融合的太赫兹源、接收检测、阵列天线以及太赫兹光电混频器等关键技术的国内外研究进展与进一步发展方向,以期解决单纯的电子学方式或光子学方式存在的难以克服的瓶颈限制。

一种跟踪掠海飞行小目标的雷达光电融合处理方法

传统跟踪雷达在跟踪掠海飞行小目标时,容易形成多路径误差。提出了一种雷达光电融合的处理方法,首先采用雷达进行捕获,通过处理,提供目标距离、初始位置、仰角的初始偏差以及目标预测角等信息,然后光电跟踪设备产生光电目标测偏信息及目标有效信息,最后利用雷达及光电跟踪设备提供的误差数据进行自适应行加权处理,形成角度误差,输入功放控制电路完成对掠海飞行小目标的跟踪。

光电融合技术干扰光学成像侦察卫星初探

阐述了来自于光学成像侦察卫星的严重威胁，介绍光电融合技术，讨论了光电融合技术在干扰光学成像侦察卫星方面的应用，最后对实现目标与背景光电特征融合的一些关健材料技术作了介绍．

冷冻超分辨光电融合成像技术——新挑战,新机遇

冷冻超分辨光电融合成像技术近年来发展迅速,该技术结合了荧光显微镜特异性标记与冷冻电镜超高分辨率的优势,成为细胞原位结构研究的新手段,有望发展成为下一代成像技术.本文从发展背景、应用领域等几个方面,介绍了冷冻超分辨光电融合成像技术的概况及未来发展前景.

光电融合破解带宽、能耗难题

信息化的不断深入,要求信息技术的带宽、时延和速率等性能持续提升,成本、能耗等持续下降。但受制于物理特性,电子信息技术面临诸多挑战,尤其是带宽、能耗等维度。充分利用光子的优势,文章提出基于光电融合使信息光子技术在连接/传输、路由/交换、计算/处理等诸多信息领域发挥出支柱作用,推动人类由电子信息时代进入光电信息时代。

基于光电融合的目标三维结构反演

针对同传感器视角下的空天目标光电特征融合问题,提出一种综合利用散射中心参数及轮廓角点特征的目标三维结构反演方法。首先,基于正交匹配追踪(orthogonal matching pursuit,OMP)算法估计出序列雷达图像中的二维散射中心特征,并利用Freeman链码提取连续可见光图像的角点特征。然后,基于图论思想分别对雷达及可见光图像中的二维特征点进行关联。最后,通过特征点三维重构来实现散射中心特征与光学角点特征之间的融合,从而反演出较单源特征更为丰富准确的目标结构信息。仿真试验结果验证了所提方法的有效性。

一体化光电融合计算发展与挑战

近年来,军事作战领域在陆、海、空、天、电“五维一体”全方位、跨域协同、信息共享的联合作战样式的实现上付出了巨大的努力。在多功能综合一体化技术中,包括雷达、通信、电子战、导航、敌我识别等多种设备面临着共享射频资源和数据处理资源的问题。海量的数据处理要求计算平台具有超高计算速度和超高能效的特点,而传统的电子计算平台受到“存储墙”、集成电路的时钟频率、带宽、时延等影响,计算速度和能效提升受到很大限制。光子平台具有高速、大带宽、低串扰等特性,再结合电子手段灵活性和易调控的优势,构造光电融合的计算可以有效提升计算速度和能效。为了更好的将光电融合计算应用在多功能综合一体化技术中,本文对光电融合计算的研究现状进行梳理,按照目前的四种典型平台展开讨论,包括片上集成相干平台、片上集成非相干平台、基于光纤系统的光电融合计算、空间光学衍射平台,并在计算大规模化、非线性光学计算实现、光电高效融合三个未来的重要发展趋势进行阐述和展望。

从光子集成迈向光电融合集成回路:以微环波长锁定为例

受物理极限及经济成本的约束,以晶体管尺寸缩减为核心的摩尔定律将难以持续。2016年国际半导体技术路线已经停止发表,国际上一致认为摩尔定律即将走向终结。与此同时物联网、人工智能、大数据等新兴应用层出不穷,对信息技术的性能要求日益增强。受摩尔定律放缓影响,微电子技术将难以满足新兴应用在能量效率和信息容量等性能方面快速提升的需求,两者之间的鸿沟持续扩大,整个信息产业的可持续发展面临着巨大的挑战。把光电子器件融入微电子平台,充分结合电子和光子两个方面的优点,被普遍认为是解决以上挑战的有效方案。目前国际上在光子集成方面取得了一定的进展,但是光电融合方面的研究工作大部分集中在物理结构的集成方面,把光子与电子紧密结合起来的信号回路技术目前还处于起步阶段,光电融合技术总体上处于"单个晶体管"时代。本研究试图提出一种把集成电路设计方法和光子集成相结合的光电融合集成回路技术演化路线,并以微环波长锁定为例介绍光电融合集成回路在建模、仿真、设计、应用等方面的研究进展。

以工程案例为引导的学研融合方法在教学中的探索——多光电信息融合传感案例

针对新时代背景下高等教育对创新型人才培养的需求,结合教学实际情况,提出将多光电信息融合传感的工程案例引入课堂和实践教学中。以培养学生自主学习、解决复杂问题的能力为目标,把工程问题解决方法和创新思维引入课程教学之中,并结合实践教学,通过理论和实践验证实现知识传授与能力的进一步提升,形成以项目工程实例为引导的课堂和实践学研融合方法。引导学生从“分立式被动学习”向“连续式主动学习”转变,从知识死记硬背向灵活应用转变。

基于光电与航向角融合定位的AGV机器人

目前在小件物料生产搬运过程中,AGV机器人存在灵活性强与定位精度高不能兼具的问题。为此设计了一种新型的AGV机器人用于实现小件物料的精准搬运。该机器人采用了上下位机电路构型,上位机(Jetson nano)负责识别任务码和物料,下位机(STM32F407)控制步进电机驱动麦克纳姆轮底盘,通过步进电机梯形加减速和位置式PID控制算法,使机器人运行更加稳定。此外,机器人还配备了五自由度机械臂,用于完成小件物料的抓取和放置,以增强其灵活性。为了提高机器人的定位精度,AGV机器人在获取地面环境信息和机器人位姿信息后,提出了一种基于光电与航向角融合定位纠偏方法。大量实验结果表明,该AGV机器人到达指定目标点的平均误差为0.85 mm,定位最大误差不超过±3 mm,其机械臂能够准确将物料放置至对应区域。

智算数据中心光电交换技术综述(特邀)

近年来,由于人工智能现象级应用的出现,智算数据中心(AIDC)和超算数据中心(SCDC)网络演进成为研究热点。传统的3层全连接电交换架构已经不能很好地满足AIDC或SCDC高带宽、低时延、低功耗和低成本的需求,需要一种更为高效和易于扩容的电光融合交换或光交换方案来逐步替代传统纯电路包交换的策略。文章对近年来基于数据中心的光电融合交换技术方案进行了综述性介绍,对行业中率先进行光交换技术尝试的头部互联网企业的部署经验进行了分析,并结合电信行业需求,给出了AIDC和SCDC交换节点的推荐部署和演进方式。

面向物流工程的单片机融合光电子教学探究

单片机因集成度高、体积小和性价比高等诸多优点在生产生活中得到了广泛应用,目前已成为物流工程专业的基础或重要的选修课程。氮化镓光电子融合集成芯片紧贴国家“十四五”规划和2035远景目标纲要中指出的重点科技前沿,结合单片机可创造多种具有颠覆传统和创新价值的原型机系统,包括智慧显示屏、非接触式光感控按键以及脉搏传感等,在物流仓储自动化管理、物流人员体征监测和物流过程卫生安全控制等方面具有良好的应用价值,而且系统设计的难度适宜,为物流工程专业的单片机教学提供了极佳的实验素材。课程探索科教一体教学模式,更加注重对学生的动手实践能力的培养和考核,通过小组协作完成课题的形式锻炼学生的团队协作能力,并提供了多层次教学的空间,旨在为物流工程专业培养具有科研素养的创新型人才。

信息光电子“微电子化”技术进展和发展探讨

微电子技术使电子器件从分立走向集成,带来成本、可靠性、功耗和体积等方面长达几十年的指数级改善,是电子信息技术能够得到广泛应用的关键。当前,电子信息技术正遭遇带宽和能耗等瓶颈制约,摩尔定律步履维艰。光子作为另一种主要的信息载子,具有高带宽、高速率、低功耗和高并行等特性,信息技术的继续进步必须更为倚重光子。但是,光子器件的成本、可靠性和规模生产性等方面严重落后于电子器件。因此,基于电子器件发展的历史经验,我们提出光电子“微电子化”,强调光电子以“集成”为发展轨道,以“光电融合”为发展方向。以集成为发展轨道,是强调光电子需借鉴微电子的经验,以适应现代信息系统对器件的要求。光电子的集成化发展有3个主要特征:一是芯片平台硅基化,二是集成规模稳步提升,三是生产模式向fabless演进。以光电融合为发展方向,是强调光电子需与微电子相互结合,通过两者的器件一体化、功能融合化来共同解决信息技术目前面临的带宽、速率和功耗等挑战,以适应数字孪生和元宇宙等应用的要求。光电融合主要有芯片和系统两个层面,涉及到单片光电集成、光电共封装(CPO)、混合光电集成、设备解汇聚和光电混合计算等。光电子“微电子化”不仅是一种技术发展指引,还将对信息光电子产业形成重要影响。文章从市场、竞争、企业和产品等角度进行了开放式思考,指出其可能引发产业重塑。信息光电子发展的“微电子化”是信息技术继续前进的客观要求。一方面,光子正由传输技术泛化为信息通信技术(ICT)全域的泛在连接技术,宏尺度上从地面进入海洋和太空,微尺度上从架间、板间进入板内、封装内和片内。另一方面,光子将由带宽提供技术泛化为ICT全域的硬件基础技术,从传输和连接进入计算、处理和路由等复杂功能域。光电子的“微电子化”将使光子不仅有潜力而且有能力充分发挥自身优势以支撑信息技术的继续进步。

基于光电一体化技术的智慧河道管控

为实现河道安全区域人员监控,根据智慧河道管控实际需求,需要实时跟踪判断警戒区域内运动目标越界等行为并进行预警。基于光电一体化技术设计智慧河道管控方法,提出采用光电数据融合进行运动目标检测,采用卡尔曼滤波算法进行目标轨迹跟踪预测,并在梧桐山河智慧河道管控系统中进行实践应用。实践应用表明:基于光电一体化技术的智慧河道管控方法可有效提高河道管控效率和人员监控精准度,对提升河道管理水平和效率具有重要意义。

太赫兹通信芯片关键技术与系统发展浅析

【目的】现代无线通信低频频谱资源越来越紧张,但太赫兹频段具有丰富的频谱资源,太赫兹通信兼具大带宽、高保密性等优势,故成为下一代无线通信技术的重要候选技术,而其关键在于太赫兹芯片。【方法】本文主要介绍太赫兹芯片技术及基于芯片的通信技术,对其从基于肖特基二极管芯片的混频、倍频分立式器件到太赫兹芯片的现有成果和未来发展趋势到未来太赫兹通信系统的技术发展和应用场景进行浅析。【结果】基于肖特基二极管的太赫兹分立器件如倍频器、混频器在不断朝高频段、大带宽以及高集成度发展。对芯片而言,基于磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、硅基技术的芯片都在朝着大功率、高频率、高集成度的方向发展,并且未来有望形成InP工艺和GaN工艺配合发展的格局。【结论】在未来,基于芯片技术的太赫兹通信系统可以朝向大规模频分复用、大规模MIMO技术、感通一体、光电融合,以及将频分、极化等多技术融合的复杂复用系统方向发展。我们也希望通过本综述来和读者探讨、畅想太赫兹芯片的发展趋势和基于太赫兹芯片技术的通信系统发展方向。

基于正交微扰信号的微环阵列稳定控制技术

为了解决由热效应引起的硅基微环器件工作状态不稳定的难题,提出了一种基于微环谐振器阵列低速正交微扰信号的大规模光子集成电路实时稳定控制技术,通过建立数值仿真模型验证了该方案能够通过单个检测通道实现对不同信道状态信息进行有效提取,并搭建了正交解调系统进行实验验证。仿真和实验结果证明,该方案能够实现大规模光子系统的稳定控制。

Electronic Couplings for Singlet Oxygen Photosensitization and Its Molecular Orbital Overlap Description

The reaction of triplet fusion,also named triplet-triplet annihilation,has attracted a lot of research interests because of its wide applications in photocatalytic,solar cells,and bioimaging.As for the singlet oxygen photosensitization,the reactive singlet oxygen species are generated through the energy transfers from photosensitizer(PS)to ground triplet oxygen molecule.In this work,we computed the electronic coupling for singlet oxygen photosensitization using the nonadiabatic coupling from the quantum chemical calculation.Then we utilized the molecular orbital(MO)overlaps to approximate it,where the MOs were computed from isolated single molecules.As demonstrated with quantitative results,this approach well describes the distribution of the coupling strength as the function of the intermolecular distance between the sensitizer and O_(2),providing us a simple but effective way to predict the coupling of triplet fusion reactions.

多材料体系三维集成光波导器件(特邀)

随着高速光通信、智能光计算和灵敏光探测等领域的快速发展,光子集成系统正成为重要发展趋势,其对于单元器件性能、系统集成度和可拓展性提出了更高的要求。多材料体系三维集成技术突破了传统单一材料体系的器件性能限制以及二维加工与集成技术的面积与集成度限制,有望实现高速率、高效率、高密度以及低功耗的新型光电集成系统。本文围绕三维堆叠技术和飞秒激光加工技术这两类主要的多材料体系三维集成光波导技术,首先介绍了基于层间耦合器的三维光学耦合技术与三维集成光波导器件,然后介绍了基于三维堆叠技术的光电融合集成器件(光发射机/接收机、波分复用收发器、光互连模块),进一步介绍了基于飞秒激光直写技术的三维集成光波导器件(偏振复用器、模式复用器、扇入/扇出器件、拓扑量子器件)。这些三维集成技术为提升系统性能、提高系统集成度以及降低系统功耗提供了有效的解决方案,从而在先进光通信和光信号处理等领域具有广泛的应用前景。

荧光导航冷冻聚焦离子束减薄技术的研究进展

细胞超微结构的原位解析是当前的一个研究热点。冷冻电子断层扫描成像技术(cryo-ET)是目前细胞原位结构解析的核心技术。cryo-ET只能对厚度小于300 nm的样品进行成像,因此利用cryo-ET研究细胞超微结构时首先需要对细胞进行减薄。聚焦离子束(FIB)切割是目前冷冻生物样品减薄的主流技术。传统FIB切割只能在细胞的任意位置上进行“盲切”,无法对细胞内部特定研究目标进行定点切割。光电融合成像技术(CLEM)恰可解决这一问题。CLEM利用荧光成像技术识别并定位研究目标,通过光电图像的关联匹配,可在FIB图像中确定荧光目标的位置,进而指导FIB的定点减薄。针对荧光导航cryo-FIB减薄的相关技术方法、仪器设备和工作流程进行了梳理,分析对比了主流方案的优缺点,旨在帮助研究者选择出合适的荧光导航FIB减薄方案,并对该技术的未来发展方向进行了展望。