电路和系统(8) MEMS(3) 新器件(6) 新材料(1) 光学和光电子(7) 其他(2) 量子(4)

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纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

高速电流舵数模转换器减小时序失配的方法

Methods for reducing the timing mismatch of high-speed current-steering digital-to-analog converters

付裕深, 黄成宇, 孙立猛, 李学清, 杨华中
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 675-686
摘要 随着电流舵数模转换器(digital-to-analog converter, DAC)工作频率的提高,即使是数百飞秒的时序失配也会严重恶化高性能DAC的动态性能.在这一类DAC中,锁存驱动器模块直接控制电流源的开关切换,其时序直接影响电流舵DAC输出模拟信号的码间过渡动态特性.电流舵DAC锁存驱动器时序失配的主要来源,包括时钟网络延时失配、开关驱动晶体管的梯度失配和随机失配.一方面,在传统时钟网络中,不同位置节点间的失配是时钟网络延时失配的重要来源;另一方面,增加开关驱动晶体管尺寸可减少随机失配造成的延时偏差,但增加梯度失配造成的延时偏差.为了减小锁存驱动器时序失配提升DAC动态性能,本文提出了一种通过改变时钟网络连接方式减小时钟延时失配的方法,以及一种综合考虑梯度失配与随机失配的联合设计方法.为了验证所提方法的有效性,在65 nm工艺下设计了一个14b精度的DAC,流片测试结果表明在1 GS/s采样率、430 MHz信号带宽内,实测的无杂散动态范围(spurious-free dynamic range, SFDR)大于70 dB.与相同工艺下设计但并未采用本文所提出的时序优化方法的DAC测试结果对比表明,本文提出的时序优化方法以功耗从106 mW提升到160 mW为代价,将SFDR大于70 dB的信号带宽从210 MHz提升到430 MHz.
关键词 时序失配; 数模转换器(DAC); 时钟网络; 梯度失配; 随机失配; 无杂散动态范围(SFDR); timing mismatch; digital-to-analog converter(DAC); clock network; gradient mismatch; random mismatch; spurious-free dynamic range(SFDR);

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纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

存算一体电路与跨层次协同设计优化: 从SRAM到铁电晶体管

Computing-in-memory circuits and cross-layer integrated design and optimization: from SRAM to FeFET

尹勋钊, 岳金山, 黄庆荣, 李超, 蔡嘉豪, 杨泽禹, 卓成, 刘明
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 612-638
摘要 人工智能与物联网时代,大数据模型驱动的应用场景和计算任务层出不穷,极大促进了国家数字化发展.然而,传统冯·诺依曼(John von Neumann)体系架构的硬件系统由于存算分离的结构特点导致存储墙瓶颈,在数据密集型应用中消耗了大量的数据搬运成本,抑制了能效性能提升.存算一体技术是后摩尔(Moore)时代背离传统架构系统的新型计算范式,利用存储单元器件、电路内在特性,将基本的计算逻辑任务融入存储单元之中,从而消除数据搬运开销,有望实现智能计算硬件平台能效性能的显著提升.本文以契合存算一体技术的存储器件电路为切入点,概述基于传统互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)和新型非易失存储器件代表铁电晶体管的存算一体电路,并从器件、架构芯片、算法应用等层次讨论存算一体电路的跨层次协同设计优化方法.
关键词 存内计算; 静态随机访问存储器; 铁电晶体管; 交叉阵列; 内容寻址存储器; computing-in-memory; static random access memory; ferroelectric field effect transistor; crossbar; content addressable memory;

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纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

神经网络加速器架构概述

A survey of architectures of neural network accelerators

陈怡然, 王一土
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 596-611
摘要 如今,随着数据需求的增长以及硬件算力性能的提升,人工智能得到越来越广泛的应用.其中,神经网络算法已经被成功地用于解决一些实际问题,例如人脸识别、自动驾驶等.尽管这些算法有着卓越的表现,但其在传统硬件平台上的计算性能仍然不够高效.因而,一些为神经网络算法定制的计算平台应运而生.本文将总结一些典型的神经网络加速器架构设计,包括计算单元、数据流控制、所加速的不同神经网络的特点,以及在新兴计算平台上设计加速器的考量等.最后我们也将提出对神经网络加速器未来的展望.
关键词 人工智能; 神经网络; 体系结构; 加速器; artificial intelligence; neural network; architecture; accelerator;

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In-cell触控屏用两级预充电栅极驱动电路

A gate driver circuit with two-stage pre-charge structure for in-cell touch panels

沈帅, 廖聪维, 杨激文, 张盛东
中国科学: 信息科学, 2021, 51(6): 1030-1040
摘要 由于触控侦测阶段的保持电荷损失和驱动晶体管的阈值电压漂移,传统的栅极驱动电路用于高触控侦测率的内嵌式(in-cell)电容触控屏时存在稳定性不佳的问题.本文提出了一种具有两级预充电结构的栅极驱动电路,可有效地减少触控侦测阶段的保持电荷损失量,并抑制驱动晶体管的阈值电压漂移.仿真结果表明,传统栅极驱动电路和新栅极驱动电路的邻近级输出波形延迟时间的差异分别是9.3%和1.6%.在关键晶体管的阈值电压正向漂移10 V后,传统栅极驱动电路和新栅极驱动电路输出波形延迟时间的增加比率分别为120%和2.4%.因此,本文提出的新型栅极驱动电路具有较好的稳定性,适用于高触控侦测率的in-cell电容触控屏.
关键词 内嵌式电容触控屏, 栅极驱动电路, 稳定性, 氢化非晶硅, 薄膜晶体管, 时分驱动

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基于非对称耦合阶跃阻抗谐振器的高阶窄带超导平衡式滤波器设计

Design of a high-order narrowband superconducting balanced filter based on asymmetrically coupled stepped-impedance resonators

刘海文, 唐嘉铭
中国科学: 信息科学, 2021, 51(1): 157-170
摘要 本文研究了一款基于非对称耦合阶跃阻抗谐振器SIR (stepped-impedance resonator)设计的6阶窄带超导平衡式带通滤波器,该滤波器具有高的频率选择性以及宽阻带特性.本文首先研究了3种具有不同耦合特性的SIR耦合对,分析了其差模DM (differential mode)相位移、耦合系数,以及共模CM (common mode)抑制水平.通过适当选取SIR的阻抗比以及使用具有分散谐波分量的不同尺寸的SIR,其高次频得以远离基频,从而拓宽阻带.同时,由于其DM和CM等效电路具有不同的谐振频率,其带内的共模噪声可以得到天然的抑制.研究表明,电磁耦合对可在不增加电路面积的情况下获得小的耦合系数以利于窄带设计,电耦合对结构有利于高阶电路的互连,而磁耦合对具有最佳的CM抑制水平.此外, 3类SIR对的弱耦合特性均可用于窄带设计.为了验证,本文采用所述3类SIR对设计了一款6阶平衡式带通滤波器,并在此基础上引入交叉耦合结构产生传输零点以提高通带选择性.其零点的产生机理通过传输路径的幅度及相位移分析进行了说明.最终,本文利用高温超导HTS (high-temperature superconducting)技术实现了所设计的具有交叉耦合结构的滤波器,以降低插入损耗.该电路在77 K温度下进行了测量,测试结果表明:通带的相对带宽FBW (fractional bandwidth)为1.6%,带内插损约为0.37 d B,带内CM抑制度优于40 d B.其-60 dB带宽/-3 dB带宽的矩形系数小于1.45,同时-20 dB DM阻带达到约5倍f0d(f0d代表DM基波频率).
关键词 平衡式滤波器; 阶跃阻抗谐振器; 高阶; 窄带; 高温超导; balanced filter; stepped-impedance resonator(SIR); high order; narrowband; high-temperature superconductor(HTS);

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基于新型SRLR结构的双通带超导平衡滤波器研制

Balanced dual-band superconducting filter using square ring loaded resonators with ultra-low insertion loss and common-mode noise suppression

刘海文, 刘凡, 王正彪, 王一帆
中国科学: 信息科学, 2020, 50(12): 1961-1975
摘要 本文提出了一种新型多模SRLR (square ring loaded resonators)结构,并基于该谐振结构设计了一款具有高共模噪声抑制的双通带超导平衡滤波器.此外,本文详细地给出了该谐振器的差共模谐振机理,拓扑结构,模拟仿真结果.基于上述分析,使用0.5 mm厚度的氧化镁(MgO)基片上的钇钡铜氧(YBCO)高温超导薄膜设计制作一款四阶双通带平衡滤波器,该滤波器的两个通带的中心频率分别为2.2 GHz和3.5 GHz,带内的损耗分别为0.1 d B和0.12 dB,两个通带内的共模抑制分别为74.9 d B和67.4 dB.其测试曲线、模拟仿真曲线、理论计算具有良好的吻合度,验证了所提出滤波器的设计方法的正确性.
关键词 多模SRLR; 双通带; 平衡滤波器; 共模噪声抑制; 高温超导; multi-mode square ring loaded resonator(SRLR); dual-band; balanced filter; common-mode(CM) noise suppression; high-temperature superconductor(HTS);

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纪念《中国科学》创刊70周年专刊

可重构计算: 软件可定义的计算引擎

Reconfigurable computing: toward software defined chips

魏少军, 李兆石, 朱建峰, 刘雷波
中国科学: 信息科学, 2020, 50(9): 1407-1426
摘要 随着科技快速进步,新兴应用不断涌现.无法响应软件变化的芯片,如专用集成电路(application-specific integrated circuit, ASIC),将因为生命周期过短,面临一次性工程成本(non-recurring engineering,NRE)过高的难题.与此同时,随着摩尔定律(Moore's law)和迪纳徳定律(Dennard scaling)走向终结,未来集成电路工艺更新带来的能效收益越来越小,通用处理器可实现的计算能力被芯片功耗约束.近几年兴起的领域定制加速器(domain-specific accelerator, DSA)通过针对特定应用领域的计算模式,定制芯片架构,以期兼顾能量效率和特定领域内的灵活性.但目前DSA面向硬件定制软件,这导致软件生态碎片化,程序员学习成本增大.未来芯片设计需要兼顾灵活性、能量效率和可编程性.软件定义芯片(software-defined chip, SDC)在这一需求下成为了研究热点.可重构芯片通过融合处理器的高灵活性、ASIC的高能效,并通过重构提供了在运行时根据软件定制芯片架构的能力,是当前SDC的研究热点.本文首先回顾SDC的研究动机,然后分析可重构芯片如何满足SDC的需求,之后探讨当前可重构芯片面临的挑战,最后阐述为了实现SDC,可重构芯片未来的发展方向.
关键词 软件定义芯片; 可重构计算; 领域定制架构; 能量效率; 可编程性; software defined chips; reconfigurable computing; domain-specific architecture; energy efficiency; programmability;

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自旋波逻辑门的关键器件研究进展

Recent advances in key elements of spin-wave logic gates

张子康, 金立川, 文天龙, 廖宇龙, 唐晓莉, 张怀武, 钟智勇
中国科学: 信息科学, 2020, 50(1): 67-86
摘要 传统电荷型器件的发展已接近摩尔定律的极限,亟需寻求新原理或新架构进行信息处理,用"非电荷型器件"替代传统的"电荷型器件"是一种极具潜力的途径.其中利用电子自旋的集体进动所产生的自旋波进行信息的输运及计算,有可能成为后摩尔时代信息传输与处理的重要方式.自旋波逻辑器件在能量损耗、器件尺寸应用频段、逻辑实现等诸多方面具有传统器件无法比拟的优势.本文在介绍Mach-Zehnder干涉型自旋波逻辑门工作原理的基础上,从器件层面剖析自旋波逻辑门中的关键器件的实现原理,并系统性综述了这些关键器件近年来的研究进展.论文最后就自旋波逻辑门的未来发展做出了展望.
关键词 自旋波电子学; 磁振子; 自旋波; Mach-Zehnder干涉仪; 逻辑门; magnon spintronics; magnons; spin waves; Mach-Zehnder interferometer; logic gate;

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脑机接口技术与应用专题简介

陶虎
中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 934-934
关键词 技术与应用; SSVEP; 神经电极;

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海洋温盐深高精度测量集成微纳传感器制备及测试

Fabrication and test of integrated micro-nano sensors for high precision measurement of ocean temperature-salinity-depth

王振宇, 管轶华, 尹加文, 车啸婷, 郜晚蕾, 金庆辉
中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 553-566
摘要 海洋传感器技术在海洋军事作战领域发挥着重要的作用,随着人类探索海洋的未知领域,海洋传感器技术逐渐发展,但现阶段发展不完全,主要依赖进口,国产化率低.海水的温度、盐度、深度(温盐深)是海洋环境测量的基本参数,目前国内温盐深三参数传感器体积大、设备复杂、集成度低,难以满足实时在线检测的需求.本文基于微机电系统(MEMS)技术,制备了一批用于海洋温度、电导率和压力检测的温盐深集成微纳传感器,其中温度测量采用PT8000铂电阻传感器,盐度测量采用四电极法电导率传感器,深度测量采用压阻式压力传感器,通过离子注入工艺控制掺杂浓度形成压力敏感电阻,硅片下表面经过湿法腐蚀工艺形成压力形变所需的空间,最后键合硅片和玻璃制备出压力传感器,三参数传感器的制备工艺全兼容,具有较高的批量一致性.对于压力传感器,利用COMSOL仿真软件确定合适的传感器参数,得到0～10 MPa下的宽范围量程,以满足1000 m水深检测的需求.利用嵌入式系统原理开发了针对制备的温盐深传感器的采样和读出电路,其中温度传感器的电阻为8231±100?,灵敏度为32.101?/?C,测量准确度达到±0.01?C;电导率传感器的电导池参数为2.594 cm-1,测量准确度为±0.05 m S/cm,与温度传感器联合测量消除了温度对电导率的影响;压力传感器的压敏区域构成了惠斯通(Wheatstone)电桥模型,消除了温度对压敏电阻的影响,采用矩形形变膜片,提高了压力线性度,传感器的测量准确度达到0.01 MPa,非线性误差为0.366%,重复性误差为0.376%,迟滞性误差为0.188%.结果表明,本文制备的温盐深传感器精度高、尺寸小、集成度高、可批量制造,适用于海洋温盐深参数精确定点测量的需求.
关键词 海洋传感器; 温盐深; 微纳集成制造; 高精度测量; ocean sensor; temperature-salt-depth; micro-nano integrated manufacturing; high precision measurement;

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基于一种多功能系统的二维纳米器件高效制备

Fast prototyping of nanodevices based on two dimensional materials using a multifunctional fabrication system

梁亚春, 焦陈寅, 肖飞, 朱健凯, 徐博, 文婷, 伍松, 任子明
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 348-357
摘要 原子级厚度的二维层状晶体材料具有丰富的物理特性,在新型微纳米器件领域展现出重要的发展潜力,相关的器件制备和性能研究也引起了广泛的关注.二维材料微纳米器件的制备需要经过二维材料的转移及金属电极的淀积等一系列过程.然而,在传统的制备流程中所涉及多步工艺需要用到诸多不同设备,如二维材料转移对准系统、电子束曝光系统,或是光刻系统,而且往往在一些步骤中涉及有机溶液处理,有可能会对样品带来一些不利的影响.本文设计展示了一种能够实现二维材料微纳米器件制备的多功能系统,该系统不仅可以实现二维材料的高效转移,而且可以直接进行金属电极的准确淀积,并且整个加工流程不涉及溶液处理,具有操作方便、效率高、样品污染少等优点.基于该多功能系统,我们成功制备出了MoS_2场效应晶体管并对器件进行了光学表征和电学性能测试,展现了这一系统在高效制备微纳器件方面的潜力.
关键词 二维晶体材料; 多功能制备系统; 材料干法转移; 金属电极淀积; MoS_2场效应晶体管; two dimensional(2D) materials; multifunctional fabrication system; dry transfer; metal electrode deposition; MoS_2 transistor;

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基于闪存的可编程线性忆阻器及其存算一体化电路与系统

Programmable linear random-access memory and its in-memory computing circuits and systems based on flash memory

赵亮, 高世凡, 张圣波, 邱翔, 杨帆, 李杰, 陈泽志, 赵毅
中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 176-186
摘要 基于新型非易失性存储器和存内计算架构的神经网络推理芯片在功耗、速度和存储密度等方面展现出突出的优势,使其在物联网和边缘计算等应用领域受到广泛关注.在本文中,我们详细介绍了一款基于可编程线性忆阻器(programmable linear random-access memory, PLRAM)的存算一体化片上系统芯片的设计和实现方法.为了在资源受限条件下实现高效的推理计算,该系统结合了器件、电路和系统层面的一系列新技术,包括具备每单元7比特存储能力的新器件、数据自适应写入、电路失配补偿,以及基于残差模型训练的模型部署技术.这些新技术帮助该系统实现优越的整体性能,使其具有紧凑的外观尺寸,超过10 TOPS/W的能效和接近95%的计算精度,并被成功应用于一款低功耗、低成本的语音多关键词识别产品.
关键词 存算一体化; 片上系统; 改进型浮栅晶体管; 可编程线性忆阻器; 模型部署技术; in-memory computing; system-on-chip; modified floating gate transistor; PLRAM; model deployment techniques;

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科学训练辅助: 柔性可穿戴传感器运动监测应用

Scientific athletics training: flexible sensors and wearable devices for kineses monitoring applications

苏炳添, 李健良, 徐慧华, 徐泽, 孟建新, 陈小平, 李风煜
中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 54-74
摘要 竞技体育是国家体育发展水平的核心竞争力.现代竞技体育训练追求运动成绩不断提高,高水平运动员越来越依赖科学定制的个性化训练规划.随着柔性电子、多功能器件集成、人工智能等技术不断进步,运动传感器逐渐向智能化、多元化、微型化、柔性可穿戴化发展,可以对运动员训练过程产生的信号进行全方位、多角度、多层次采集,通过构建高水平运动员运动数据库,运用大数据分析,实时监控运动员的各项生理指标,预测运动员训练存在的风险,进行合理规避运动损伤,为运动员以及教练团队提供科学化的训练方案.本文从运动员训练中对各种体征信号采集、分析的需求出发,综述了近些年来柔性电子、光电可穿戴传感器的最新研究进展,介绍了不同种类的运动信号检测方法,包括电生理信号监测、电化学传感监测、光电容积描记法监测等,为我国运动员与体育工作者提供最新、最前沿的可穿戴传感器技术总结,为制定更为精准、可量化的科学训练方法与理论提供知识与技术支持,推动我国体育强国建设.
关键词 竞技训练辅助; 可穿戴传感器; 生理信号; 运动监测与评估; athletic training assistant; wearable sensor; physiological signals; kineses monitoring and evaluation;

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近存/存内计算专题简介

黄如, Yiran CHEN, 蔡一茂
中国科学: 信息科学, 2021, 51(6): 1041-1042

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光电神经突触器件研究进展

Recent progress on optoelectronic synaptic devices

李雅瑶, 王越, 杨德仁, 皮孝东
中国科学: 信息科学, 2020, 50(6): 892-912
摘要 神经形态计算(类脑计算)以其自适应学习、高并行计算和低功耗等优点,被认为是最有希望解决冯·诺依曼(von Neumann)瓶颈的方法之一.实现神经形态计算的重要前提是开发能模拟生物突触行为的神经突触器件.电学神经突触器件是首先发展起来的神经突触器件,但是它们在统筹考虑带宽、连接、密度等因素下的整体优化面临着很大的挑战.近年来,把光引入神经突触器件,研制光电神经突触器件,为神经突触器件的发展带来了新机遇.对神经突触器件而言,光不仅具备电难以实现的高带宽、低串扰、低功率和无延迟等特性,还可以直接模拟视觉等至关重要的神经行为.光电神经突触器件作为基于光电集成的人工神经网络的基础,有望有力促进高性能和低功耗的神经形态计算的发展.本文主要介绍了光电神经突触器件的基本性能和类别,展示了已经实现的光电神经突触器件的模拟应用,并展望了今后光电神经突触器件的发展.
关键词 光电神经突触器件; 突触可塑性; 能耗; 氧空位离化与去离化; 载流子俘获与释放; optoelectronic synaptic devices; synaptic plasticity; energy consumption; oxygen vacancy; carrier traps;

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基于忆阻器-CMOS的通用逻辑电路及其应用

A memristor-CMOS-based general-logic circuit and its applications

杨辉, 段书凯, 董哲康, 王丽丹, 胡小方, 尚柳汀
中国科学: 信息科学, 2020, 50(2): 289-302
摘要 忆阻器是一种具有阻值开关特性的信息存储器件.由于忆阻器件具有可变电导性,其组合电路可应用与逻辑运算.本文提出了一种新的忆阻器-CMOS逻辑电路,能够在同一电路中同时实现ANDOR-XOR-XNOR 4种基本的逻辑操作.相较于MAD Gates, MRL, IMPLY逻辑电路,忆阻器数量和功耗均有大幅降低,电路性能更优,电路效率大幅提高.在此基础上设计了一种新的全加电路及二值图像加密电路.与现有忆阻器逻辑加法电路相比,本文设计的加法电路在元件数量上同样具有极大的优势.本文设计的二值图像加密电路能够用两种不同的加密方式实现图像加密,密钥与电路相互独立,提高了加密结果的可靠性.
关键词 忆阻器; 逻辑运算; 忆阻器-CMOS逻辑; 全加电路; 二值图像加密; memristor; logic operations; memristor-CMOS hybrid logic; full-adder; binary image encryption;

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锗(Ge)基先进场效应晶体管技术研究进展

Research progress in Ge-based advanced field effect transistor technology

赵毅, 郑泽杰, 李骏康
中国科学: 信息科学, 2020, 50(2): 163-183
摘要 传统硅(Si)基集成电路制造工艺已经进入7 nm节点,继续减小器件尺寸变得愈发困难.半导体材料锗(Ge),具有比硅更高的载流子迁移率,能够实现器件性能的大幅提升.本文从栅极堆垛(gate stack)、源漏工程(source/drain engineering)和新器件结构(new device structures) 3个角度总结了Ge器件的最新研究成果.研究表明,锗沟道器件中诸多关键科学和工程问题仍未得到有效解决,从基本的器件制备工艺到深层次的器件物理问题都亟待深入研究与克服.但是, Ge器件是未来集成电路5 nm及以下技术节点最有希望的发展方向.
关键词 锗; 栅极堆垛; 源漏技术; 新器件结构; Ge; gate stacks; source and drain formation; new device structure;

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新型二维材料与器件应用专题简介

王欣然, 段镶锋, 黄如
中国科学: 信息科学, 2021, 51(4): 693-694
关键词 二维材料; 二维半导体; 器件应用;

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电注入下的人工微结构模式调控激光研究进展

Advances in the mode controls of electrically injected lasers based on artificial microstructures

傅廷, 陈静瑄, 王学友, 徐林海, 王宇飞, 王明金, 郑婉华
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1727-1747
摘要 电注入半导体激光器相较于其他类型激光器具有电光转换效率高、体积小、寿命长等优势,近年来在显示、材料加工、医疗、通讯等领域的市场占有份额日益增长.激光器的模式特性直接影响激光器的输出性能,如功率、光束质量、光谱线宽等通过引入人工微结构,结合宇称时间对称、连续谱束缚态以及多模腔杂化调控手段,不仅可以拓展半导体激光器的物理研究范畴,同时有效优化激光器的性能,进一步增加了半导体激光器的多元应用场景.本文从模式调控的角度出发,对电注入下的人工微结构半导体激光器展开综述,包括国内外研究发展现状、物理原理以及相应的应用,最后进行了总结与展望.
关键词 宇称时间对称; 非厄米拓扑; 连续谱束缚态; 复合腔; 激光器; parity-time symmetry; non-Hermitian topology; bound states in the continuum; compound cavity; laser;

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宽调谐窄线宽外腔半导体激光器研究进展

Advances in wide-tuning and narrow-linewidth external-cavity diode lasers

崔强, 雷宇鑫, 陈泳屹, 张德晓, 邱橙, 王野, 樊鲁太, 宋悦, 贾鹏, 梁磊, 王玉冰, 秦莉, 宁永强, 王立军
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1149-1168
摘要 外腔型半导体激光器具有低噪声、高边模抑制比、高温度稳定性、结构简单、成本低等优势,已成为实现宽调谐和窄线宽特性的优选方案,被广泛应用于光通信、激光雷达、环境监测、光谱分析、光学相干断层扫描等前沿领域.本文详细介绍了宽调谐窄线宽外腔型半导体激光器的技术方案和发展现状.按照不同的结构分类,深入分析其结构、工作原理及性能特点,讨论近年来国际前沿研究方案的结构特点、关键技术、光学性能和应用领域.最后,对宽调谐窄线宽外腔型半导体激光器面临的挑战和潜在的发展前景作出分析和展望.
关键词 宽调谐; 窄线宽; 外腔半导体激光器; 半导体激光器; Littrow; Littman; wide tuning; narrow linewidth; external-cavity diode laser; semiconductor laser; Littrow; Littman;

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激光驱动的新型光电阴极

A new type of photocathode driven by a laser

刘燕文, 王国建, 田宏, 李芬, 石文奇, 王小霞, 张志强
中国科学: 信息科学, 2021, 51(9): 1575-1586
摘要 本文研究了一种用于微波真空电子器件的锑铯光电阴极的新型制备方法.首先采用钨海绵扩散阻挡层作为发射材料的蒸发源,代替传统的镍管加热提供发射物质的方法,使发射材料蒸发缓慢而均匀,提供受控的光电发射层.然后利用纳米粒子薄膜对阴极基体表面进行改性,提高其吸附性能和光的吸收率.研究了作为发射物质扩散阻挡层的钨海绵基体的新型处理工艺,将钨铜合金基体直接放入真空室内高频加热到1900 K,从而使其中的铜迅速蒸发而沉积到冷凝器上.结果表明去铜后的钨海绵表面非常光洁,避免了传统方法去铜不彻底、时间长、污染环境等缺点.利用直流磁控溅射的方法,在光电阴极基体表面制备出直径为50 nm金属锇纳米粒子薄膜,研制出带有钛泵的光电阴极发射实验二极管,管内真空度可以达到5×10~(-8) Pa.对基体上沉积锇金属膜和锇金属纳米粒子薄膜光电阴极发射性能进行了对比测试.实验中获得稳定发射的最大激光功率分别为0.416和0.193 W,测试的光电发射电流密度分别为40.8和53.9 mA/cm~2,并计算出量子效率分别为1.80×10~(-3)和5.13×10~(-3).由此可以推断覆Os纳米粒子薄膜光电阴极的光吸收率是覆Os金属薄膜的2.16倍,量子效率是2.85倍,由此分析认为覆Os纳米粒子薄膜光电阴极的量子效率提高的主要原因来自于光吸收率的提高.
关键词 微波真空电子器件; 光电阴极; 纳米粒子薄膜; 钨海绵; 激光驱动; 量子效率; microwave vacuum electronic devices; photocathode; nanoparticle film; tungsten sponge; driven by laser; quantum yield;

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红荧烯共混器件中光致发光及光电流的磁效应研究

Investigation of magneto-photoluminescence and magneto-photocurrent in rubrenebased blending devices

王影, 汤仙童, 马彩虹, 叶晟楠, 赵茜, 朱洪强, 熊祖洪
中国科学: 信息科学, 2020, 50(11): 1756-1766
摘要 为了研究红荧烯共混体系中激子的反应过程,本文制备了一系列rubrene与3TPYMB共混的有机光电器件,并测量了不同比例的共混器件在不同温度和外加偏压条件下的光致发光和光电流的磁效应.实验发现,外加零偏压时,共混器件中光致发光磁效应(magneto-photoluminescence, MPL)在不同温度下均为类"W"线型,光电流的磁效应(magneto-photocurrent, MPC)则出现了没有报道过的类"M"线型,且MPC高场效应与低场效应随温度有不同的变化规律;同时,在外加偏压调控光电流为正的情况下,共混器件中的MPC幅值出现了正负转变.分析结果表明,器件中类"W"型曲线是受磁场调控的单重态激子分裂(singletfission, STT)过程引起的,而类"M"型MPC的低场上升部分是3TPYMB分子中极化子对间的系间窜越(intersystem crossing, ISC)过程的作用,高场下降部分则是由三重态激子–电荷湮灭(triplet-charge annihilation, TQA)过程所引起, MPC幅值的正负转变与外加偏压强度有关.本工作不仅有利于深入认识光电器件中光致发光与光电流的微观机制,而且为进一步优化红荧烯器件的光电性能提供了参考.
关键词 红荧烯; 光致发光磁效应; 光电流磁效应; 单重态激子裂变; 三重态激子–电荷湮灭; rubrene; magneto-photoluminescence; magneto-photocurrent; singlet fission; triplet-charge annihilation;

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Fourier变换成像光谱技术

Fourier transform imaging spectroscopy

相里斌, 吕群波, 才啟胜, 方煜, 周锦松, 黄旻
中国科学: 信息科学, 2020, 50(10): 1462-1474
摘要 成像光谱仪能够获取目标的几何和光谱辐射信息,是一种具有量化分析和特征识别能力的光学感知手段,按照分光方式可分为棱镜色散、光栅衍射和干涉调制等多种类型. Fourier变换成像光谱技术通常基于双光束干涉原理,将探测器获取的干涉图通过Fourier变换反演出目标光谱.该技术具有高通量、多通道、高光谱分辨率等优点,是成像光谱技术中最具创新空间和应用潜力的重要研究方向,发展过程中逐步形成了时间调制、空间调制、时空调制等多种类型,在工业农业、科学研究、生物医药、大气探测、环境监测、资源调查等诸多领域得到广泛应用.本文从Michelson干涉仪原理出发,简要介绍Fourier变换光谱技术的基本理论,按照3种干涉调制类型分别介绍不同Fourier变换成像光谱技术的典型方案、突出特点和主要应用.
关键词 Fourier变换; 成像光谱; 辐通量; 多通道; 调制度; 并行采样; Fourier transform; imaging spectroscopy; throughput; multiplex; modulation depth; parallel sampling;

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面向人工智能应用的光子学专题简介

苏翼凯, 易亚沙, 王兴军
中国科学: 信息科学, 2020, 50(6): 935-936
关键词 人工智能应用; 锁模技术; 垂直腔面发射激光器; VCSEL; 光子系统; 分布反馈半导体激光器; 光子学;

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Ir(ppy)_3调控Rubrene激子分裂和发光过程的微观机制研究

Study of the microscopic mechanism of Ir(ppy)3 regulating exciton splitting and luminescence process in Rubrene

屈芬兰, 汤仙童, 朱洪强, 许静, 段谋正, 赵茜, 熊祖洪
中国科学: 信息科学, 2020, 50(1): 151-162
摘要 为探究红荧烯(Rubrene)内部的单重态激子分裂(S_1+S_0→T_1+T_1, STT)和发光过程的微观机制,本文选用具有强自旋轨道耦合(spin-orbit coupling, SOC)且发射绿光的磷光材料Ir(ppy)_3,以不同比例混入到发射橙光的Rubrene薄膜中制备了一系列发光器件,并在不同温度和电流下测量了器件的电致发光磁效应(magneto-electroluminescence, MEL)和电流–发光(I-B)曲线.实验发现:室温下不同混入比例的发光器件,其MEL线型均表现为磁场调制的STT指纹式特征曲线,但MEL幅值随混入比例的增加却表现出先增加后减小的特性,而其发光强度则表现为单调增加的特点,这与常规Rubrene掺杂器件(如mCP:y%Rubrene)随浓度增大其STT增强但发光减弱的结果不同.通过对Ir(ppy)_3的单、三重态激子能级和发射谱以及Rubrene吸收谱的分析可知,器件中除了Rubrene分子间距会影响STT过程的强弱外,还包括由Ir(ppy)_3强的SOC导致的激子间的系间穿越(intersystem crossing, ISC)和Ir(ppy)_3的T_1激子与Rubrene的S_1激子间的能量传递(energy transfer, ET)过程,这3种微观机制的共同作用导致了器件MEL和发光的复杂变化,且电流密度的大小和器件工作温度的高低对它们还有较好的调控作用.显然,本研究有助于深入理解基于红荧烯光电器件的微观过程及其演化机制.
关键词 红荧烯; 单线态激子分裂; 自旋轨道耦合; 能量转移; 发光的磁效应; Rubrene; singlet fission; spin orbital coupling; energy transfer; magnetic effects of luminescence;

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郑婉华院士

中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1938-1940

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相里斌院士

中国科学: 信息科学, 2020, 50(10): 1590-1591

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纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

非平衡光纤干涉仪的相位稳定方法研究

A phase stabilization method for unbalanced fiber interferometer

杨川荣, 袁晨智, 范云茹, 张瑞明, 李加睿, 邓光伟, 宋海智, 王浟, 尤立星, 周强
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 700-712
摘要 光量子信息技术通过使用光子承载量子信息,在量子通信、量子精密测量、线性光量子计算中发挥着重要作用.近年来,非平衡光纤干涉仪被广泛应用于光量子比特信息的制备、操控和测量过程中.然而,基于光纤器件的非平衡光纤干涉仪容易受到环境温度、应力等物理量变化的扰动,使得其使用过程需要反馈控制的配合.现有反馈控制装置常使用一束参考激光结合光电探测来实现,容易在光量子比特信息中引入额外噪声.因此,本文面向光量子信息应用,验证了一种基于弱相干参考光结合单光子探测计数的反馈控制方案.在理论分析基础上,我们实现了对臂长差约为1 m的非平衡光纤迈克尔逊干涉仪(fiber Michelson interferometer)的反馈控制,相位抖动小于0.042弧度,并在该干涉仪中测量到单光子干涉的条纹可见度大于99%.
关键词 非平衡光纤干涉仪; 反馈控制; 弱相干光; 光子计数; unbalanced fiber interferometer; feedback control; weak coherent light; photon counting;

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高维量子低密度奇偶校验码纠缠度

Entanglement degree of high-dimensional quantum low-density parity check codes

范兴奎, 颜丹丹, 刘芬, 马鸿洋
中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 539-552
摘要 量子纠错与量子计算是量子信息科学坚实的基础和重要的组成部分.在实际应用中,如大气传输中的量子通信,将需要多种数学运算,其中包括量子纠错码.量子纠错码可以抵抗噪声,但由于构造量子纠错码依赖于量子纠缠,因此被认为是困难的.利用图态解决码字纠缠度是一个很有前途的解决方案,但高维图态构造起来仍有诸多困难,上述困难可以巧妙地通过码字纠缠的上界和下界来解决.本文根据稳定子码循环差集的特性和经典低密度奇偶校验(low-density parity check, LDPC)码的U和B组合,构造了高维量子低密度奇偶校验(quantum low-density parity check, QLDPC)码.通过计算新码元的非Z型生成元并求出其最小数目得到新码元的纠缠上界;再计算新码校验矩阵的秩作为纠缠下界.当码字纠缠上界和下界不同时,利用机器学习中的学习向量量化(learning vector quantization,LVQ)算法可同时求得码字纠缠度和编码复杂度,以此推得它们之间的关系.在计算运行速度方面,对比拉格朗日乘数法中的迭代算法, LVQ算法运行速度提高了37.68%,而且在稳定性和精度方面, LVQ算法的性能优于拉格朗日乘数法中的迭代算法.本文在量子码字纠缠度的测量中迈出了重要的一步,为设计具有更高译码效率的量子纠错码提供了帮助.
关键词 量子低密度奇偶校验码; 稳定子码循环差集; U和B组合; 码字纠缠度; 学习向量量化; quantum low-density parity codes; cyclic difference set of stabilizer codes; combination of U and B; codewords entanglement measurement; learning vector quantization;

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纪念《中国科学》创刊70周年专刊

量子信息技术研究现状与未来

Research status and future of quantum information technology

郭光灿
中国科学: 信息科学, 2020, 50(9): 1395-1406
摘要 量子信息技术是量子力学与信息科学融合的新兴交叉学科,它的诞生标志着人类社会将从经典技术迈进到量子技术的新时代,本文将阐述量子信息技术的研究现状与未来.文中描绘了量子技术发展远景,即筑建各种类型的量子网络,包括量子云计算网络、分布式量子计算、量子传感网络和量子密钥分配网络等.量子计算机已从实验室的研究迈进到企业的实用器件研制,目前已发展到中等规模带噪声量子计算机(noisy intermidiate-scale quantum, NISQ)的阶段.在量子技术时代,没有绝对安全的保密体系,也没有无坚不摧的破译手段,信息安全进入"量子对抗"的新阶段.
关键词 量子信息技术; 量子网络; 量子计算机; 量子密码; quantum information technology; quantum networks; quantum computers; quantum cryptography;

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量子信息专题简介

张卫平, 周正威, 苏晓龙
中国科学: 信息科学, 2020, 50(8): 1277-1278
关键词 量子信息; 量子比特; 量子密钥分发;