Author Affiliations
Abstract
1 Department of Electrical Engineering and Computer Science, Ningbo University, Ningbo 315211, China
2 Centre for Optical and Electromagnetic Research, College of Optical Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
Mode splitters that directly separate modes without changing their orders are highly promising to improve the flexibility of the mode-division multiplexing systems. In this paper, we design a high-performance mode splitter on the silicon-on-insulator platform with a compact footprint of 14 µm× 2.5 µm using an inverse design method based on shape optimization. The fabrication of this mode splitter requires only a single lithography step and exhibits good fabrication tolerances. The experimental results show that the proposed device exhibits state-of-the-art insertion loss (<0.9 dB) and cross talk (<-16 dB) over a broad bandwidth (1500–1600 nm). Furthermore, the shape optimization method used is implemented to design a dual-mode (de)multiplexer, and the experimental results fulfill the design objective, demonstrating the excellent generality of the design method in this paper.
integrated optics inverse design mode splitter 
Chinese Optics Letters
2024, 22(1): 011302
作者单位
摘要
1 宁波大学信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211
2 浙江大学光学科学与工程学院,浙江 杭州 310058
模式转换器是实现模分复用技术(MDM)的关键部件。基于伴随法对器件边缘进行智能优化,从而在绝缘体上硅(SOI)平台上设计了高性能TE0-TE1模式转换器。经仿真验证,在中心波长1550 nm处,模式转换效率达99.6%,消光比达31.2 dB,而损耗仅为0.01 dB。在1500~1600 nm带宽范围内,TE0-TE1的转换效率保持在96.6%以上,消光比保持在15.7 dB以上,而损耗保持在0.14 dB以下。当器件尺寸变化在±20 nm以内时,器件在1550 nm处的转换效率保持在97.2%以上,消光比保持在16.5 dB以上,插入损耗维持在0.12 dB以下。在片上设计了TE1模式的测试装置,并利用商业流片对转换器进行制备。实验结果表明,在60 nm的带宽范围内,TE0-TE1转换器的转换效率保持在90%以上,插入损耗维持在0.4 dB以下。因此,所提出的转换器具有高转换效率、宽带宽、低插入损耗和高制作容差等特点,为高性能片上模式转换器的高效设计提供了新思路。
集成光学 硅基模式转换器 模分复用 逆设计 伴随法 integrated optics silicon-based mode converter mode multiplexing inverse design adjoint method 
中国激光
2023, 50(18): 1819001
作者单位
摘要
中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站,吉林 长春 130117
目前,移动测站以其高机动性正逐步成为空间目标监测网络重要的系统组成,应用于空间目标的共视观测与精密跟踪。针对移动测站光电望远镜由于工况的不稳定性以及装调过程中存在的指向误差,文中提出了一种基于星图匹配脱靶量标定的指向误差修正方法。首先,根据编码器轴系定位筛选出定标星群并进行资料归算;其次,采用面向脱靶量标定的快速星图匹配算法识别出与测量恒星相匹配的定标星坐标,并作为理论位置;最后,将多颗测量恒星坐标带入脱靶量标定指向修正数学模型对望远镜的指向进行拟合与标定。实验结果证明:采集一组序列图像对光心指向进行修正,单帧图像的修正周期约为2.2 s,从第10帧后修正量基本趋于稳定。对全天区典型分布的一批子天区进行指向修正,指向误差均值由修正前的124.24″提高至4.97″,标准差从41.50″提高至4.76″。综上所述,基于星图匹配脱靶量标定的指向误差修正方法对于提高测站望远镜的指向精度效果显著,且该方法的修正过程与望远镜机架结构无关,因此也可适用于不同机架结构的望远镜指向修正。
光电望远镜 指向误差 星图匹配 空间目标 optoelectronic telescope pointing error star pattern matching space target 
红外与激光工程
2023, 52(5): 20220813
牛炳力 1,2康喆 1,2,*李振伟 1,2吕游 1刘承志 1,2,*
作者单位
摘要
1 中国科学院 国家天文台长春人造卫星观测站,吉林长春307
2 中国科学院大学北京100049
基于科学级CCD相机的多色光度测量技术凭借着实用性强、简单有效等特点在天文观测中受到了广泛应用。针对传统多色测光技术缺乏同时性这一问题,本文介绍了一种新型的同时性三通道测光系统,采用分色的设计方式实现了Sloan Digital Sky Survey (SDSS)测光标准g′,r′和i′三个波段分光。首先,利用Zemax软件对三通道光度计的光学系统进行了仿真分析,仿真结果显示该系统符合总体设计指标且能够满足使用要求。然后,为验证该系统的光学性能,我们针对大量SDSS标准星开展观测,实测结果表明该设备在g′,r′和i′三个通道的视场分别为21.5′×21.5′,21.5′×21.5′和21.3′×21.3′,系统效率分别为65.6%,68.3%和63.7%,将曝光时间归算为1 s、信噪比为5时,计算得出的极限探测星等分别为15.26,16.39和15.63。接下来可通过对系统的优化,进一步提高其极限星等的探测能力。
同时性三通道测光系统 三通道光度计 SDSS 光学性能 simultaneous three-channel photometric system three-channel photometer Sloan Digital Sky Survey(SDSS) optical performance 
光学 精密工程
2023, 31(6): 793
作者单位
摘要
1 宁波大学信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211
2 浙江大学光电科学与工程学院,浙江 杭州 310058
3 浙江万里学院数字产业研究院,浙江 宁波 315100
光子集成技术的高速发展对功能器件的设计效率提出了较高的要求。逆向设计利用优化算法实现器件结构的智能设计,从而可有效降低设计复杂度,提升设计效率。利用基于伴随法的逆向设计算法对硅基平台上的光耦合器进行结构设计,通过优化器件的边界形状,实现了高效率、任意分光比输出。仿真验证了三种1×2光耦合器的性能,其分光比分别为1∶2、1∶4和1∶8(3 dB、6 dB和9 dB)。器件的设计尺寸仅为4 μm×2 μm,且可以通过一步刻蚀完成。在1550 nm波长处,所设计的耦合器均可达到设计目标,且最大插入损耗仅有0.12 dB。在1500~1600 nm波长范围内,三种耦合器的分光比相对于设计目标的误差均保持在±1 dB以内,并且三种耦合器的插入损耗均低于0.28 dB。针对制作工艺误差等问题,对器件的制作容差进行了分析。结果表明,当耦合器的整体宽度变化±20 nm时,三种耦合器在1550 nm波长处的分光比的误差仍能保持在±1 dB以内。此外,制造了分光比为1∶2的耦合器,且实验结果符合设计目标。
集成光学 全光器件 耦合器 逆向设计 integrated optics all-optical devices couplers inverse design 
光学学报
2023, 43(1): 0113001
作者单位
摘要
中国科学院 国家天文台长春人造卫星观测站,吉林长春130117
空间目标的精密定轨需要高精度的天文定位技术,而星图匹配是天文定位的基础。本文针对精密跟踪型望远镜提出一种快速星图匹配算法,它包含优化三角形匹配和序列图像修正两部分。论文主要叙述了该算法原理、流程与实现,并对其速度与精度等方面进行了研究。首先,利用编码器轴系定位划取指向天区的星表数据,经筛选和归算列为导航星表。接着,应用降维查表的方法加速三角形匹配并通过理想坐标底片常数之间的关系校验得出首帧匹配结果。然后,修正算法结合后续各帧中望远镜指向的变化量计算导航星的理想坐标,并应用上一帧的底片常数,匹配观测星和导航星。最后,对底片常数计算得出的导航星和目标定位结果进行统计对比。经实验,计算39组星对时采用快速三角形匹配可以将时间缩短至近1/300;对后续图像(每帧含大约100组匹配星对)使用序列图像修正算法,均可以在0.04 s以内完成匹配;采用快速星图匹配算法获取的匹配星对用于对中高轨激光星定位,其平均误差在0.5″左右。由此可见,快速星图匹配算法充分满足精密跟踪型望远镜天文定位精度高、速度快的要求。
星图匹配 天文定位 三角形匹配 图像序列 底片常数 star pattern matching astronomical positioning triangle matching image sequence Plate constants 
光学 精密工程
2022, 30(22): 2952
作者单位
摘要
1 中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站, 吉林 长春 130117
3 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
随着近年来光谱探测仪器灵敏度、 精确度和易用度的不断提升, 光谱技术已经深入到各行各业的物质成分的鉴定与分析中。 对于空间目标的光谱观测是传统光学观测的重要拓展之一, 因其具有的非接触、 无损伤等优点而备受关注, 然而由于观测条件所限, 空间目标的光谱数据量极小, 通过传统方法对其进行分类分析达不到较好效果, 必须探求提高分类精度的方法。 首先, 通过1.2 m空间目标光学望远镜上搭载的光谱相机终端获取空间目标高光谱图像; 再通过天文学测光IRAF方法, 提取空间目标的一维光谱数据; 为对空间目标光谱进行分类, 提出一种结合多种深度学习方法解决小样本数据量的空间目标分类问题。 该方法应用密度聚类方法将空间目标粗糙分类, 一维生成对抗网络方法增加空间目标数据, 一维卷积神经网络方法将空间目标精细分类, 三者组合进而达到较好的实验效果, 整体精度约为79.1%(基于密度聚类、 过采样、 一维卷积神经网络方法组合、 基于K-means、 一维生成对抗网络、 一维卷积神经网络方法组合和基于K-means、 过采样、 一维卷积神经网络方法组合的整体精度分别约为78.4%, 77.9%和77.2%)。 粗糙分类模型中, 密度聚类方法比K-means方法整体精度平均高出约为0.67%; 数据增广模型中, 一维生成对抗网络方法比过采样方法整体精度平均高出约为1.52%; 精细分类模型中, 一维卷积神经网络方法二层网络比三层网络整体精度平均仅高出约为0.003%, 但是运算时间更长。 四种组合方法精度均高于单一方法。 实验结果表明本文提出的组合方法在小样本空间目标类别未知情况下, 可实现细分类且精度较高, 为实现空间目标极小数据量下的图谱一体化分析, 提供一定参考价值。
空间目标 光谱数据 密度聚类 生成对抗网络 卷积神经网络 Space targets Spectral data Density based spatial clustering of applications with noise Generative adversarial networks Convolutional neural networks 
光谱学与光谱分析
2022, 42(2): 609
作者单位
摘要
1 中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站, 吉林 长春 130117
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室, 江苏 南京 210008
通过两台光电望远镜对空间目标共视观测能够定位空间目标,并且能够解决光电望远镜短弧测角数据的初轨确定问题,但其定位精度与空间目标和两台光电望远镜所形成的观测几何有关。首先对空间目标共视观测定位误差进行分析,然后推导其均方根误差的解析表达式,最后基于长春站和上海佘山站并结合不同轨道高度的低轨激光星CPF(Consolidated Prediction Format)星历生成仿真共视观测数据,用来对空间目标共视观测定位以及定轨精度进行分析。结果表明,两台光电望远镜对低轨空间目标的定位精度能够达到100 m,利用定位数据进行初轨确定可以得到轨道的半长轴误差小于10 km。
探测器 光电望远镜 空间目标 共视观测 初轨确定 detectors photoelectric telescope space objects common-view observation initial orbit determination 
光学学报
2022, 42(6): 0604001
陈龙 1,2刘承志 1,*李振伟 1康喆 1[ ... ]邓诗宇 1,2
作者单位
摘要
1 中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站,吉林 长春 130117
2 中国科学院大学,北京 100049
基于某光电望远镜阵列研究分析了宽视场型光电望远镜的精密定轨(POD)和轨道预报(OP)精度。利用国际激光测距服务提供的卫星激光测距数据对激光星Jason-3、Cryosat-2进行精密定轨,并将其作为参考轨道,分析了宽视场型光电望远镜观测数据对Jason-3、Cryosat-2的POD和OP精度。计算结果表明,宽视场型望远镜观测数据的POD均方根(RMS)位置误差优于250 m,速度误差的RMS小于0.25 m/s。基于POD结果的3天轨道预报精度优于20″,这表明宽视场型光电望远镜在提高观测效率的同时,能通过事后对观测数据的处理获得空间目标较高精度的轨道信息,为有轨道信息需求的工作和空间任务提供数据支持。
探测器 精密定轨 轨道预报 光电望远镜阵列 空间目标 detectors precise orbit determination orbit prediction photoelectric telescope array space objects 
激光与光电子学进展
2022, 59(3): 0304001
邓诗宇 1,2刘承志 1,4,*谭勇 3,**刘德龙 1[ ... ]吕众 3
作者单位
摘要
1 中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站, 吉林 长春 130117
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
4 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室, 江苏 南京 210008

光谱观测技术作为空间目标特征信息获取的一种方式,为空间目标表面材料的识别与性能分析提供了重要的解决方法。目前,光学信息采集元件的精密化程度高,因此空间目标观测技术也呈现多样性。基于长春人造卫星观测站1.2 m空间目标光学望远镜,联合推扫式光栅光谱仪、光纤光谱仪、滤波器光谱相机三种终端设备,分别对恒星与空间目标开展观测并获取光谱数据;进一步,通过数据对观测技术进行适应性分析。结果表明:三种方法均适用于恒星和高轨道空间目标的观测,可得到较好的光谱数据;滤波器光谱相机、光纤光谱仪适用于观测低轨道空间目标;而推扫式光栅光谱仪、滤波器光谱相机适用于观测中轨道空间目标。此外,滤波器光谱相机还可为精跟型空间目标光谱数据的获取提供观测参考。对于不同应用环境,对终端成本、光路调试复杂程度、获取光强度、可调整观测波段、数据处理复杂程度的对比分析可作为后续方案的参考。

光谱学 光栅 光纤组件 望远镜 光学设备 光谱分析仪 spectroscopy gratings fiber components telescopes optical devices spectrometers 
激光与光电子学进展
2021, 58(22): 2230001

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