1 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院智能红外感知重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
随着航天红外技术向高定量化、高集成化方向的发展，传统基于CPU或DSP的黑体测控温系统无法满足高集成化和高精度的需要。针对上述问题，设计了基于FPGA的星载黑体高精度集成温控系统。该系统以FPGA为核心控制单元进行温度采集和控制，实现多功能高速并行处理。黑体测温模块采用三线制惠斯通电桥减小导线电阻影响，然后在信号调理部分采用集成运算放大器组成的三级有源滤波和放大实现了对电气输出的低噪声放大。与传统仪用放大器加无源滤波的信号调理方式相比，该方法具有更强的干扰抑制能力。同时，对铂电阻阻值与温度的非线性误差以及测温系统电路误差，提出了基于多项式模型及最小二乘理论的分级拟合校正方法，进一步提高了测温精度。控温模块采用新型模糊控制和增量式PID（FIPID）结合减小过冲，加快收敛速度。基于精密标准电阻的实测结果表明该系统测温精度在247~375 K范围内为0.035 K，比校正前精度0.383 K提高了90.9%。控温仿真实验表明与PID控温相比，FIPID的过冲为零，而PID算法有12.4%的过冲，且收敛速度提高了64%。地面热真空和在轨实际控温实验表明在256~367 K范围内实测控温精度为0.039 K，该方法已成功应用于某型号空间红外相机，且满足在轨高精度定标要求。该系统具有测控温精度高、动态范围大、易于集成化的优点，可推广应用于星上其他高精度主动温控。
星载黑体 集成化设计 FPGA 高精度测控温 模糊增量PID spaceborne blackbody integrated design FPGA high-precision temperature measurement and control fuzzy incremental PID 红外与激光工程
2023, 52(7): 20220852
1 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院光电技术研究所矢量光场研究中心，四川 成都 610209
高阶贝塞尔光束能够携带轨道角动量，且具有无衍射特性，在粒子操控、激光微纳加工及非线性光学等领域具有重要应用价值。目前产生高阶贝塞尔光束的方式无法同时满足集成化和高功率场景的应用需求。基于飞秒激光诱导的双折射纳米光栅结构，提出一种高损伤阈值的集成化光场调控器件制备方法。通过调控纳米光栅的光轴方向和相位延迟量，在石英玻璃内部写入光轴取向空间变化的多层纳米光栅结构，制备的器件可以实现不同光场调控功能的叠加和不同工作波长的设计。基于所提方法制备了中心波长为532 nm、拓扑荷值为4的高阶贝塞尔光束产生器件。器件产生的高阶贝塞尔光束携带的轨道角动量与设计值相符，在4 m距离内光斑大小保持基本不变。器件的零几率激光损伤阈值为28.5 J/cm2（6 ns），在高功率激光光束整形等领域具有极大的应用潜力。
激光光场调控 高阶贝塞尔光束 集成化光学元件 飞秒激光 纳米光栅 激光损伤阈值 光学学报
2023, 43(13): 1326003
1 山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
2 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
在以偏振编码为基础的量子保密通信中，由于外界温度、应力以及光纤的本身缺陷等因素，使得偏振态无法保持长期稳定，增加系统的误码率，因此需进行偏振控制以维持通信系统正常运行。诱骗态已经成为现阶段量子通信网络的常规操作，利用诱骗光子作为偏振参考，有望实现系统偏振态长时间、不间断地锁定控制，提高通信效率。提出了利用现场可编程逻辑门阵列进行偏振态制备以及强光、单光子偏振控制于一体的系统偏振解决方案，将偏振态制备、强光偏振控制、单光子偏振控制单元集成在一个系统中，提高了系统的集成化，增加了系统管理的便捷性，实验测试偏振态制备单元可以根据需要产生不同的偏振态，经过强光偏振控制后，保真度可达99.11%±0.44%，经单光子偏振控制后保真度可达97.93%±0.96%，演示证明了方案的有效性和稳定性。
量子保密通信 现场可编程逻辑门阵列 偏振控制 集成化 激光与光电子学进展
2023, 60(11): 1106018
1 中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室, 上海 200080
2 东华大学理学院, 上海 201620
3 上海师范大学数理学院, 上海 200233
4 上海科技大学物质科学与技术学院, 上海 201210
5 上海大学微电子学院, 上海 200444
自红外辐射被发现以来, 科学家一直在努力将红外技术应用于地球观测、航天遥感和宇宙探索等领域。目前, 第二、三代红外探测器已进入大规模应用, 高端三代也在逐步突破, 并随着材料制备技术、纳米加工技术、集成技术和相关交叉学科的发展, 开始出现了具有前瞻性的新材料、新技术和新概念。红外-太赫兹探测器也开始由单一探测、被动探测和探测分立的传统探测器形式, 逐渐走向多维探测、自主探测和智能化芯片集成的变革发展方向。在介绍光电探测器物理机制的基础上, 概述了红外-太赫兹探测技术在天文遥感领域的应用与发展, 重点综述了红外-太赫兹探测器有望出现变革式发展的三大方向, 包括基于人工微结构的光场集成、基于三维堆叠技术的片上智能化和新型低维材料的应用, 并展望了未来探测器向着超高性能、多维感知、智能化和感存算一体化的发展趋势。
光电子学 太赫兹探测器 天文遥感 多维感知 集成化 二维材料 optoelectronics terahertz detector astronomical remote sensing multi-dimensional perception integration two-dimensional material
1 山西大学光电研究所，量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
2 山西大学物理电子工程学院，山西 太原 030006
3 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
在理论分析的基础上，利用光电二极管的固有结电容和可变电感构成共振电路实现光电探测。通过精简电路并对电路板进行精密布板设计，降低由原内部混频电路带来的杂散寄生电容的影响；利用选定低噪声芯片、低转换损耗混频器及滤波器隔离噪声，构建高信噪比的集成化共振型光电探测器（RPD），并实现了对特定调制信号的高效探测。实验结果表明：在相同条件下，RPD增益在共振频率下比商用宽带探测器（BPD）高大约30 dB。利用RPD获得的锁腔误差信号的峰峰值是BPD的16倍，其误差信号的信噪比比现有BPD高18 dB左右。可见，此RPD能够为高性能压缩态光场制备提供器件支持。
量子光学 共振电路 光电探测 集成化 高信噪比 压缩态
1 江苏理工学院, 江苏 常州 213001
2 锐光凯奇(镇江)光电科技有限公司, 江苏 镇江 212004
为了提高激光光斑中心的定位精度, 实现激光稳定输出的功能, 提出了基于四象限探测器的激光稳定集成化系统。首先, 根据四象限探测器的工作原理, 对四象限探测器上光斑的中心位置和偏差量进行理论计算和分析, 然后融合计算机信号处理技术和控制技术对四象限探测器信号进行闭环控制, 并将四象限探测器和光学元器件集成在多轴笼式结构中, 完成了激光稳定集成化系统设计。多次实验数据结果表明: 该系统能100%完成对光斑中心的定位, 稳定性达到94.74%, 3次实验误差的差值最大为2.422 μm。
集成化 激光稳定集成化系统 四象限探测器 中心定位 integration, laser stabilization integrated system
1 北京邮电大学电子工程学院，北京 100876
2 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室，北京 100876
集成化和低相噪是微波信号源发展的必然趋势和实用化基础，高相干微腔孤子光频梳拍频为新型的集成低相噪微波信号产生提供了有效技术途径。基于高品质氟化镁晶体微盘腔实现了孤子锁模光频梳的稳定生成与相干拍频，最终得到频率为15.38 GHz的低相噪微波信号，其相位噪声水平达到-120 dBc/Hz@10 kHz ，表现出小型化和低相噪的应用优势，有望成为未来集成化高性能微波信号源发展的重要技术支撑。
信号处理 氟化镁晶体微腔 孤子光频梳 微波信号产生 低相噪 集成化 光学学报
2022, 42(20): 2007001
北京自动化控制设备研究所 惯性技术国防科技重点实验室, 北京 100074
无人机、机器人以及自动驾驶等领域对光纤陀螺尺寸、重量、成本综合性能提升有着迫切的需求, 具有小体积、高性能、低成本等技术优势的集成化光纤陀螺成为目前的研究热点。文章梳理了美国、俄罗斯等在集成化光纤陀螺方面的最新研究成果和产品技术动态, 从集成光学芯片设计加工、微小型高对称光纤环圈绕制、集成光学芯片与微小型光纤环圈直接耦合三个方面, 阐述了集成化光纤陀螺面临的技术和工艺难题, 分析了解决方案。最后, 展望了集成化光纤陀螺的未来发展趋势和应用前景。
集成化光纤陀螺 集成光学芯片 微小型光纤环圈 直接耦合 integrated fiber optic gyroscope integrated optical chip miniature fiber coil direct coupling
1 华中科技大学 武汉光电国家研究中心, 武汉 430074
2 宁波元芯光电子科技有限公司, 浙江 宁波 315191
多通道干涉(MCI)激光器是一种新型单片集成的大范围可调谐半导体激光器。它采用多臂干涉增强而无需光栅的选模方式, 具有制作简单和容差大的优势; 采用偏置量子阱技术进行有源无源集成, 降低了二次外延的难度。为满足光通信不同场景的应用需求, 分别设计研制了大范围可调的电调谐和热调谐MCI激光器。基于电调谐的MCI激光器实现了48.8nm的波长调谐范围, 洛伦兹线宽小于350kHz。基于热调谐的MCI激光器在双工作温度下的波长调谐范围大于60nm, 总热调谐功率小于35mW,整个调谐范围内洛伦兹线宽小于100kHz。同时, 研究推进了其稳定控制及集成化工作, 实现了基于热调谐MCI激光器的nano-ITLA。
半导体激光器 可调谐激光器 多通道 集成化 密集波分复用 semiconductor laser tunable laser multi-channel integration DWDM
