面向空间应用的集成光电子技术

随着空间技术的蓬勃发展,微电子集成电路已不能满足空间信息系统对传输容量、通信速率、电磁兼容方面的要求.基于分立器件搭建的传统光电子系统在尺寸、重量、功耗和成本方面存在限制.集成光电子技术是解决上述瓶颈问题的关键途径,逐渐成为近年来的研究热点.本文从介绍铟磷、硅、氮化硅、薄膜铌酸锂等目前主要的集成光学材料的特性及研究基础出发,系统性地回顾了集成光电子技术在空间信息系统中的激光通信、微波光子、光学传感、自主导航与天文成像等应用方向的最新研究进展、技术瓶颈问题与发展思路.同时,对集成光电子器件在太空工作环境下的辐射效应和器件可靠性进行了介绍与分析.最后,对集成光电子技术在未来空间信息系统中的发展方向和应用前景做了分析与展望.

高精度硅基集成光学温度传感器研究

传统温度检测在传感精度和响应时间等方面存在一定局限性,而基于热光效应的芯片级光电传感器不仅能够提升测量灵敏度和速度,也有利于降低系统复杂度和制造成本,近年来引起了人们广泛的关注。目前的集成温度传感器大多通过测量光学谐振腔对宽谱光源或可调谐光源的光谱响应来提供精准快速的测量解决方案,但这种基于宽光谱检测的方案无法实现实时处理,且成本较高,信号后处理较复杂,难以实现系统的整体集成。本文针对以上问题,采用硅基集成微环阵列技术设计了快速高精度的温度测量方法,通过对不同温度下级联微环阵列对单频激光的不同响应,构建光电二极管输出响应与温度变化的单调关系,从而实现实时高精度温度测量。为了提升单频光下的温度传感范围,使用多微环级联结构,并基于该结构设计了一种包括光源、微环阵列、探测器阵列、信号后处理单元和输出数据单元的硅基集成温度传感系统。根据实际用途的不同,在保证低功耗低成本的同时,该系统可以通过分别对级联微环数量、中心谐振波长以及谐振峰半高宽的设计改变温度测量范围以及温度测量分辨率,拥有比较大的设计自由度以及灵活的测量范围。通过对微环阵列的优化设计,实现了响应范围覆盖-20~105℃、精度优于60 mK、响应时间优于20μs的精准快速测量的温度传感。

一款具有快速上升时间的可均衡激光发射机

面向直接飞行时间测量的3D图像传感器应用,设计了一种具有快速上升/下降时间,输出电流脉冲可配置的阵列型VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)激光发射机.输出级采用直流耦合驱动电路结构,无需额外的偏置电压和分立元件;4 bit可编程均衡脉冲电路实现了不同高度或宽度的均衡电流,改善了激光驱动器输出电流的上升时间,提高了脉冲信号的完整性和飞行时间的计算精度;同时采用4 bit电流型数模转换器控制不同的输出电流,以实现不同的输出光功率;脉冲产生电路由多个延时单元、选择器和触发器构成,输出不同宽度的脉冲信号,实现了不同大小的平均电流.该电路基于CMOS 65nm工艺实现,电源电压为3.3V,后仿结果表明此发射机可以输出100~500 mA电流,在10 MHz脉冲频率时,脉冲信号实现1.09~17.38 ns可调,其上升时间为270 ps,下降时间为90 ps.均衡电路脉冲信号实现220ps~3.48ns可调,输出级最大输出电流的平均功率为0.15 W.

Er硅酸盐化合物薄膜的相转变和光致发光特性研究

溶胶-凝胶法在Si(100)基片上旋涂法制备铒硅酸盐化合物(Ersilicate)薄膜.系统研究了烧结温度和烧结时间对Ersilicate薄膜相结构、相转变以及光致发光特性的影响.在1000℃以下,薄膜晶体结构为Er2O3晶体和SiO2非晶的混合物.随着烧结温度增加到1200℃,保温时间增加到30min,薄膜晶体结构转变成(100),(200)和(300)择优取向的Er2SiO5相.Ersilicate晶体结构对光致发光(PL)性能有显著的影响,Er2O3晶体和SiO2非晶混合物的光致发光主峰为1.535μm,当晶体结构转变成Er2SiO5,主峰变为1.528μm,强度提高10—20倍.研究结果表明具有强光致发光特性的Er2SiO5薄膜是一种有前景的硅基光子学光源候选材料.

光突发交换研究现状与展望（上）

光突发交换(Optical Burst Switching)是一种以突发的形式传输数据的光传输技术，具有超高吞吐率、超低差错率、无需缓冲，光域透明传输数据的特性。本文首先综述了OBS的概念、原理、网络结构、及其关键技术，给出了基于OBS的将IP与Optics紧密结合的实现方案。最后对光突发交换的发展前景做了分析。

光突发交换研究现状与展望（下）

光突发交换（Optical Burst Switching)是一处以突发的形式传输数据的光传输技术，具有超高吞吐率，超低差错率，无需缓冲，光域透明传输数据的特性。本文在上一期的基础上，给出基于OBS的将IP与Optics紧密结合的实现方案——时空标记交换和光突发交换最有应用前景的类似Grid网络中的应用分析。