Si基光互连具有高速度、高带宽、低功耗、可集成等特点，是解决Si 基集成电路发展瓶颈的一个重要途径。在Si 基光互连的关键器件中，除了Si 基高效光源以外，其他的器件都已经实现。同为IV 族元素的Ge 具有独特的准直接带隙的能带结构，有望通过能带工程等手段实现高效发光。近年来，Si 基IV 族发光材料和发光器件有了许多重要进展。回顾了Si 基IV 族发光材料和发光器件的最新成果，如Si 衬底上张应变的Ge、Ge 发光二极管及激光器、GeSn发光器件，并对结果进行了讨论。最后展望了Si 基IV 族激光器的发展趋势。

基于Ge、GeSn 等IV 族材料的硅基探测器与Si CMOS 工艺兼容性好，成本低廉，并且易于与硅基波导器件集成，因而具有非常重要的应用价值。介绍了中国科学院半导体研究所在相关硅基IV 族合金材料外延制备及相关器件方面的研究，重点介绍在硅基Ge 面入射探测器、波导型探测器、吸收电荷倍增分离型(SACM)结构雪崩光电探测器以及GeSn 光电探测器方面的一些研究进展。

成熟的CMOS 技术可制备无源光学器件，但高效光源和高性能光探测仍需要III~V 族半导体材料。综述了近期III~V 族外延片与SOI(silicon-on-insulator)波导集成的键合技术，按键合材料的不同分为无机和有机材料键合。着重分析了各种InGaAs/InP 光电探测器与SOI 波导集成的光耦合方案，并对其优缺点进行对比。同时给出设计的一种倏逝波耦合的InGaAs/InP 光电探测器，用时域有限差分（FDTD）法对器件光学特性进行了模拟，以SOI 上有机键合的方式，获得95%的探测器吸收效率，表明该SOI 波导集成的光电探测器可实现小体积、低损耗及高响应度的光探测，符合片上光互连系统的要求。

光学导向逻辑器件是采用光开关网络执行逻辑运算的典型应用，光学网络中每一个开关的状态由施加到该开关的电学布尔信号决定。网络中每一个光开关的操作都是独立于其他光开关的操作，并且操作运算结果以光速在网络中传播。因此，光学导向逻辑器件具有非常高的运行速度，且总延迟非常小。硅基微环谐振器由于其尺寸小、功耗低、与CMOS 工艺兼容等特性成为构建光学导向逻辑器件的理想单元器件。基于硅基微环谐振器的光学导向逻辑器件很容易实现大规模集成和低成本制备,已经提出并实现的基于硅基微环谐振器的光学导向逻辑器件包括“或/或非”、“与/与非”、“异或/同或”、编码器、译码器和半加器等。回顾了本课题组基于硅基微环谐振器实现的光学导向逻辑器件的研究成果和该领域的最新发展。

基于SOI 平台的硅基集成光学器件具有高带宽、低功耗、低延迟等优点，为实现片上光互连网络提供了一种可行的技术方案。光学路由器是片上光互连网络中负责节点数据交换的重要器件。介绍了国内外光学路由器的最新研究进展，并着重介绍了利用微环谐振器和马赫-曾德尔光开关构建N 端口无阻塞光学路由器的一般性原理，进行了统计分析和仿真结果显示，应用一般性原理构建的光学路由器与之前已报道过的同规模光学路由器相比在开关个数、插入损耗、平均功耗等方面的性能均有所提升。

介绍了硅光子互连中4 种波分复用器及相关单片集成发射接收芯片，其中硅纳米线阵列波导光栅及刻蚀衍射光栅波分复用器单个芯片就可以成倍扩展通道数，非常适合大通道数密集波分复用，马赫-曾德尔结构及微环谐振型波分复用器芯片通道数增大时需要多个单元级联，波长准确性及间隔不易控制，比较适合通道数少的芯片应用。同时，给出了自主设计和制备的硅纳米线阵列波导光栅和刻蚀衍射光栅，通过采用阵列波导展宽方法，有效抑制了阵列波导的串扰，实现串扰小于-15 dB；通过在刻蚀衍射光栅反射面引入二维光子晶体反射镜，降低了刻蚀衍射光栅的反射损耗，损耗比普通刻蚀衍射光栅减小了3 dB。

目前，硅光子集成在光通信和信号处理、微电子系统的片内和片间互连领域成为研究热点。虽然其基础元件如波导、输入/输出(I/O)耦合器、波分复用器、调制器和光探测器性能达到了一定水平，但是硅光子集成回路仍面临挑战，原因是硅基激光光源的制作仍然是一个技术难题。综述了近年来硅基混合集成激光器的进展，介绍了课题组的研究成果。将微结构引入到硅基混合集成硅波导输出激光器中, 提出了新型的III-V/硅混合集成的微结构硅波导输出单模激光器。此新型激光器工作在通信波段。其中，InGaAlAs 增益结构是通过晶片直接键合的方式与具有微结构的SOI（Si/SiO2/Si）集成。激光器模式选择机制是基于SOI 中的周期微结构，仅通过标准光刻即可实现。微结构激光器室温连续输出为0.85 mW，脉冲输出为3.5 mW，边模抑制比为25 dB。

基于高品质因子微谐振腔的参量四波混频实现光学频率梳是一种新的频率梳实现方法，拓展了传统固体及非线性光纤飞秒激光器等光频梳的应用范围，在精密频率标定、天文光谱校准、任意波形产生、光学存储和孤子传输、片上通信用光源等方面具有较高的优势。本文简要总结、评述了几种主要的光频梳动力学分析模型及数值方法，以及这些不同方法的内在联系。基于描述光频梳动态行为的非线性Lugiato-Lefever 方程分析了可能存在的动力学过程，并据此对不同特点光频梳进行了分类。通过设计反馈结构理论上研究了正常色散微腔和反常色散微腔的光梳特点，探讨了作为片上光互连用多波长光源应满足的条件及可能的实现途径。

硅光子学在近几年迅猛发展，各国重要的研究机构和产业部门纷纷加入竞争，不断刷新各种器件的性能指标记录。全硅基电光调制器作为该领域中极其重要的研究方向之一，受到国内外同行的广泛关注。随着全硅基电光调制器研究工作的积累和深入，高速率（大于等于50 Gbit/s）、低功耗（小于等于40 fJ/bit）和小尺寸（小于等于100 mm2）等关键性能逐步提升。目前，调制速率的最新研究结果已突破了60 Gbit/s 并向更高目标迈进，未来在极低功耗和规模集成等方面还将出现较大突破，适应巨容量光通信、高密度光互连、大数据光传感等应用技术的需要。

硅基键合III-V 材料激光器，作为互补氧化物半导体(CMOS)兼容硅基光互连系统中的一个关键元件，近年来引起了人们的高度重视并得到了广泛的研究。金属限制结构可以增强器件对光场的限制，提高界面反射率和工艺容差，从而实现小体积低能耗硅片上集成光源。对金属限制介质辅助键合III-V/硅基混合集成激光器进行了研究，介绍了该激光器的基本原理和实验方案，并对制作的不同结构激光器的特性进行了分析，该研究工作的开展将有助于实现III-V/硅基混合集成激光器在低能耗高带宽的硅基光互连中的应用。

远程传输光纤受环境的影响会在水听器系统中引入噪声，利用迈克耳孙光纤干涉仪模拟光纤水听器，搭建了远程光纤水听器系统，采用参考干涉仪法解调对传输光纤引入的噪声进行抑制。实验结果表明，与常用的相位产生载波技术(PGC) 解调相比，参考干涉仪法解调在不影响传感水听器对声信号检测能力的情况下，对传输光纤引入的扰动噪声能进行良好的抑制，频率为500 Hz 噪声的抑制量可达到约25 dB，同时该方法使传感水听器系统中100 Hz 位置的本底噪声也降低了17 dB。

介绍了一种基于马赫-曾德尔(M-Z)和萨格纳克(Sagnac)混合干涉仪原理的分布式光纤泄漏检测系统，阐述了系统的工作原理及对泄漏点的定位方法。分别在空气和水下环境中进行实验，并分别在泄漏点距离法拉第旋转镜4025、7043、9050 m 处进行实验，检测不同环境以及不同泄漏点位置对检测系统的影响。在泄漏点距离法拉第旋转镜为7043 m 处重复做了20 次实验，测试检测系统的精确度。实验结果表明：在水下环境中实验所得的干涉信号频谱强度较大，频带较宽；泄漏点距法拉第旋转镜越远，实验结果所得的绝对误差越大；系统能够检测出管道内气体压力为0.5 MPa，泄漏孔径为2.5 mm 的微小泄漏信号并对泄漏点定位，平均相对定位误差为1.44%。

为避免傅里叶望远镜重建图像压缩变形，依据激光发射孔径间距，提出了重建图像时矩阵行、列数间应满足的关系；为评价仿真或实验的成像效果，依据发射孔径间距和原目标图像矩阵大小，确定重建图像矩阵规模的具体大小。严格推导逆离散傅里叶变换在傅里叶望远镜中实现图像重建的过程，分析了其中所隐含的发射孔径间距和重建图像矩阵规模间的数量关系，得出两个限定关系公式。仿真和实验结果表明这两个公式可分别保证图像轮廓不产生畸变、重建目标矩阵与原始目标矩阵规模相同。

针对数字全息对物体三维形貌的重构与测量，提出了一种将数字全息术与立体匹配术相结合的三维测量方法。首先利用离轴菲涅耳数字全息系统，采集三维物体的单幅离轴菲涅耳全息图；然后将获取的数字全息图分为两个部分，分别进行数值再现，可以得到两个再现像，两个再现像存在视差。最后利用立体匹配算法获取两幅视图再现像的视差，根据几何关系获取物体的深度信息，重构物体的三维形貌。实验中，分别对不连续物体和连续物体进行三维形貌的重构，得到了准确的三维物体深度信息。数值模拟和初步实验结果表明该方法有效可行。

为实现高精度非球面的面形误差检测，对激光直写计算全息图（CGH）的关键技术进行研究。以获得最小线宽偏差为目的，通过基础工艺实验，探究离焦量对光刻胶上线宽的影响；研究湿法刻蚀过程对不同线宽引入的展宽规律；分析线宽误差与位置误差关系，得到CGH 不同周期位置误差引入的波前误差。根据实验结果，制作最小线宽1.8 mm，直径80 mm 的振幅型CGH。检测结果表明，波前误差均方根值为0.011l，达到l/100 量级，可用于高精度非球面的检测。

在一般的红外图像拼接过程中，采用传统随机抽样一致(RANSAC)方法，耗时往往会稍长。为了缩短图像拼接所耗费的时间，提出了基于尺度不变特征转换(SIFT)和改进RANSAC 的图像拼接方法。先通过SIFT 得到特征点和特征描述，然后用改进的RANSAC 对不匹配的特征点进行剔除，通过得到的变换矩阵完成图像的融合。在改进RANSAC 中，设置0.95 和0.85 两个阈值，少量迭代后，选择跳出循环、重新选择或者计算出新的迭代次数，新的迭代次数必定比传统迭代次数小，因而达到减少时间的效果。红外图像拼接后，把实验结果与采用传统RANSAC 算法的结果进行多方位比较，可以发现本文方法能够达到减少时间的目的。

剪切散斑干涉是一种广泛应用于工程结构中进行静态和动态离面位移导数测量的光测力学方法。鉴于基于马赫-曾德尔干涉的剪切散斑干涉系统的光能利用率较低, 提出了一种新型剪切散斑干涉系统。该系统由五块平面反射镜、一块半反半透分光棱镜、一块表面有涂层的棱镜、一个双孔掩膜、成像透镜和电荷耦合器件(CCD)相机组成,具有提高光能利用率的优点。并可以通过双孔掩膜产生空间载波，通过旋转其中一块反射镜可以产生剪切; 通过平移另外一块反射镜可以对空间载波进行调节，相位由改进的sinusoidal-fitting 方法进行提取，为了验证本文提出的系统的有效性，用该系统对周边固定中心加载圆盘模型进行实验，并将该系统应用于轮胎的无损检测，结果表明，该系统能够取得很好的效果。

基于单色仪法对面阵CCD 进行光谱响应测试，并对测试结果的不确定度进行全面评估。介绍单色仪法测试CCD 光谱响应的原理；选用硅陷阱探测器作为标准探测器，搭建测试装置，得出400~1000 nm 波段内面阵CCD 光谱特性参量，其中峰值波长为602 nm，中心波长为580 nm，光谱带宽为402 nm；以632 nm 处光谱响应测试为例，建立不确定度评估模型，分析了包括面阵CCD 辐照度响应非均匀性、溴钨灯稳定性、单色仪出射波长重复性和准确度以及图像采集处理系统的稳定性对测试的影响。应用模型计算得出测试结果的合成标准不确定度为4.3%(k=1)，满足面阵CCD 光谱响应测试精度要求。

Morlet 由于具有很好的空域和频域局域能力，是小波变换轮廓术中最常用的小波之一。通过计算Morlet 小波与变形条纹之间的相似度，可以从Morlet 小波“ 脊”中获得条纹的相位信息，从而重建被测物体的三位面形。在Morlet 小波“脊”方法中，相位表达式的推导利用了相位函数的一阶泰勒近似，在物体高度变化率大的区域，重建面形的误差大。针对这个不足，提出了基于相位二阶泰勒展开的小波变换轮廓术，推导了“脊”相位的表达式：在已有的小波变换轮廓术的相位表达式中，引入了一个相位的二阶修正项，提高了物体高度变化大的区域的测量精度。计算机仿真和实验结果表明，所提方法可以提高小波变换“脊”方法恢复物体面形的精度。

利用胆固醇液晶(CLC)涂覆于垂直腔面发射激光器(VCSEL)表面，将其作为VCSEL 输出偏振调控单元，测量并分析了CLC-VCSEL 的I-P 特性、不同抽运电流下的偏振输出特性以及功率输出稳定性。实验结果表明，同一工作温度下，CLC-VCSEL 的阈值电流比单独VCSEL 的阈值电流增加了0.35 mA。CLC-VCSEL 的偏振态对注入电流非常敏感。当注入电流为1.4 mA 时，CLC-VCSEL 表现出优良的功率稳定性能，在LCLC=4.62~5.95 mm 范围内，获得了有效的圆偏振光输出。

利用ANSYS 有限元中的“生死单元”技术，在基板修复区和近修复区施加不同预热温度，模拟分析激光沉积修复过程温度场的影响规律；利用感应加热装置对TA15 基板进行不同距离、不同基板厚度以及不同感应加热器形状的加热实验，并采用红外热像仪实时测量采集基板上表面温度，分析了不同加热参数对基板温度场分布的影响规律，为激光沉积修复过程中预置基体表面温度场的实时调控提供依据。

根据激光熔覆生物陶瓷涂层的特点，选择二维带状热源模型，研究计算了材料物理性能在不同温度下的变化曲线，并建立温度场模型。将实验制备的涂层从涂层外观、显微硬度、涂层与基体的结合强度、涂层物相等方面对比模拟结果与实验结果，从而论证模型的可靠性。根据模拟结果可得：激光功率与扫描速度均会影响熔池深度，且激光功率的影响大于扫描速度；根据模拟的变化趋势分析，选择的激光熔覆的工艺参数为功率P=1700 W，扫描速度V=165 mm/min。模拟预测了不同涂层厚度、工艺参数条件下的熔池深度。

随着铝合金材料构件在各个领域的广泛应用，其内部缺陷的存在会导致产品不能正常使用甚至引起重大的安全隐患，所以对构件内部缺陷进行三维(3D)反演并判断缺陷形状日趋重要。以中心圆孔为内部缺陷的铝合金圆柱体作为研究对象，采用探头垂直入射的水浸式超声检测方法，将检测获得的时域信号经傅里叶变换得到频域关系后，依据检测构件缺陷位置和参考构件相同位置信号频域之间的关系，得到缺陷反演所需的散射场幅值的频域和时域数值，通过采用Born 近似方法对其内部缺陷进行三维反演研究。实验结果表明，尽管反演结果和实际相比，存在一定误差，但Born 近似方法仍旧能够较好地反演铝合金构件内部缺陷。

分析阐述了频域光学相干层析术（SDOCT）系统参考臂和样品臂之间的色散不匹配对所获取的图像的频谱能量分布的影响。提出了一种基于图像频谱能量集中度的SDOCT 系统数值色散补偿方法。当图像频谱低频区域内的能量百分比最小时，表明系统色散匹配。实验中选取平面反射镜作为样品，验证了用该方法来衡量系统色散匹配的效果与传统的利用半峰全宽（FWHM）法来评定色散补偿的结果一致。最后获取了人体手指的在体光学断层图像，并用该方法进行了色散不匹配补偿。实验结果显示该方法能够有效地对系统色散进行补偿，从而提高了图像的分辨率。

为实现高信噪比(SNR)的深层生物组织成像，结合了激光扫描共聚焦成像技术和近红外(NIR)荧光成像技术，根据近红外荧光成像要求设计了一套激光扫描共聚焦近红外荧光成像实验系统，对注入近红外荧光染料LDS925 小鼠的尾部成像后获得了小鼠尾部近红外荧光图像和近红外共聚焦荧光图像。实验结果表明小鼠尾部近红外共聚焦荧光图像信噪比显著优于小鼠尾部近红外荧光图像，采用均方差和峰谷(PV)值进行评估时，近红外荧光成像荧光信号强度分布的均方差值和PV 值分别为864 和102；共聚焦荧光成像的荧光信号强度分布的均方差值和PV 值分别为1459 和255；进一步表明激光扫描共聚焦成像技术在近红外荧光成像中应用是可行的，可以实现深层组织的高信噪比共聚焦成像。

针对发光二极管(LED)天幕灯使用中的非对称大面积照明特点，提出了一种基于配光曲线的LED 天幕灯矢量设计方法。根据目标面的能量分布要求计算天幕灯总配光曲线，依据其中的反射配光曲线设计反射面。设计中应用光度学、几何光学、边缘光线原理及Matlab 软件中的龙格-库塔法，得出反射面各点坐标。通过Solidworks 软件构建反射面模型，应用Zemax 软件对其进行照明仿真，结果表明，照明均匀度达到设计要求，能量利用率超过80%，表明该设计方法具有实用价值。

为了克服传统分光光度计中棱镜和凹面光栅等分光器件的光谱分光效率低、分辨率不高和光通量小等缺点，采用平面光栅作为色散器件,采用线阵电荷耦合器件(CCD)结合外设互换(PCI)总线高速数据采集卡作为光谱检测系统，并且利用虚拟仪器技术成功研制了一款高性价比小型生化分析仪用分光光度计，同时自制了一套交叉非对称式(CT)型单色仪作为该分光光度计的分光装置。通过实验证明，该小型分光光度计可以实现紫外和可见光波段吸光强度为1000(a.u.)的探测，光谱测量范围可达300~800 nm，波长分辨率可达1 nm，波长重复性优于0.5 nm，在波长为360 nm 处的杂散光小于0.5%，波长准确度优于±0.5 nm。相比其他同类分光光度计，该分光光度计不仅具有后分光、光谱多通道并行分析等优点，同时能优化光路成像系统，提高光谱测量准确度和降低成本。

光瞳滤波器是一种重要的调控焦点处光强分布的器件。借助光的标量衍射理论，研究了不同的入射光场分布对超分辨光瞳滤波器的超分辨性能和焦深的影响。研究结果表明：在入射总光能相同的情况下，光场以高斯函数分布入射时，与均匀光入射相比，其超分辨性能和焦深扩展特性变化很小。当光场以零阶贝塞尔函数分布入射时，光斑压缩比基本不变，斯特雷尔比有所下降，焦深有一定扩展。当光场以一阶贝塞尔函数分布入射时，光斑压缩比有所减小，斯特雷尔比有较大提高，焦深有所减小。总之，在相同情况下，光束的光强分布越靠近边缘，越有利于实现超分辨，斯特雷尔比和焦深两个量中其中一个的增大以另一个的减小为代价。

真空环境下大口径光学元件的装夹采用传统有机物无应力装夹方式会带来有机污染等各种问题。设计了一种大口径平面光学元件的夹具和装夹方案，利用金属结构直接装夹大口径平面光学元件，可在降低金属装夹框表面加工精度和光学元件处于任意倾斜角度等情况下，不产生光学元件装夹应力，同时避免了传统有机物无应力装夹而带来的有机污染。可广泛应用于大口径平面光学元件在光学工程、光学实验装置中的装夹。

分析了点对点量子密钥分配协议的特点，在此基础上仿真研究了不同用户数量下量子-经典混合光网络量子密钥分配协议的网络性能，同时对比了三类协议的网络部署成本。仿真结果表明，对于中小型接入网（仿真用户数为32），制备-测量协议密钥生成率最高，安全传输距离最短，纠缠光协议密钥生成率最低，安全传输距离最长；对于较大规模网络，测量设备无关协议的网络部署成本最小，是建立混合光网络的最优选择。