成果简介
基于石墨烯的光电探测器由于其带宽大、占地面积小以及与硅基光子学平台的兼容性而在高速光通信中引起了极大的关注。大带宽硅基光相干接收器是具有先进调制格式的大容量光通信网络的关键元件。 本文，华中 科技 大学张新亮教授团队等研究人员在《Nat Commun》期刊 发表名“Ultrahigh-speed graphene-based optical coherent receiver”的论文， 研究通过实验证明一种基于90度光学混合和石墨烯上等离子体槽波导光电探测器的集成光学相干接收器，具有紧凑的占地面积和远超过67GHz的大带宽 。结合平衡检测，接收 90 Gbit/s 二进制相移键控信号并提高信噪比。此外，实现了在单极化载波上接收 200 Gbit/s 正交相移键控和 240 Gbit/s 16 正交调幅信号，附加功耗低于 14 fJ/bit。这种基于石墨烯的光相干接收器将有望在 400千兆以太网和800千兆以太网技术中应用，为未来高速相干光通信网络铺平另一条路线。
图文导读
图1：在PSW上使用石墨烯的 OCR。
图2：90度光学混合性能。
图3：石墨烯-PSW PD 的性能。
图4：平衡检测测试。
图5：相干检测的实验演示。
小结
综上所述，结果表明，我们提出的基于石墨烯的 OCR 对高级调制格式具有超高速和高质量的接收能力，这些格式对光的幅度和相位信息进行编码。 经过验证的基于石墨烯的器件为超紧凑和高性能 OCR 提供了一条不同的材料路线，在数据中心和下一代高速光互连中具有竞争力。
文献：
光电成像系统与人眼视觉的匹配问题论文
摘 要 ：以电视、激光成像和热成像系统为代表的光电成像系统在军事和民用上有着广泛的用途，但光电成像系统与人眼视觉的匹配问题仍是按现有理论和方法难以准确解释或定量描述的普遍问题。从理论上阐述了此问题的本质，说明了在这种匹配系统中存在系统的最佳匹配，且匹配状态直接影响光电成像系统的总体设计，并对如何描述这种关系进行一些说明和分析。
关键词 ：光电技术论文
前言：对光电成像系统性能的评价主要涉及光学系统和光电成像系统的优化。在对光电成像系统的优化过程中，涉及材料、机械和电子等多门学科。随着科技的不断发展，阵列探测器更新换代的速度相对较快，为了满足阵列探测器的发展需求，加强对光电成像系统的研究，并且对其进行性能优化具有重要的价值。
1.对光电成像系统的性能优化
对光电成像系统的性能优化目标主要是对光学和电学内容进行设计，并且提升光电成像系统的性能，同时降低系统的制作成本。在光电成像系统中，探测器的性能主要是由电荷扩散、几何尺寸和位相时钟等因素决定。在使用的过程中，探测器的性能同样受到环境、运输和温度等因素的影响。
在设计师对光学系统进行设计时，要根据成像倍率和瞬时视场角来决定光学系统的焦距;并且要根据信噪比来设计孔径;同时要根据尺寸来设计相应的视场角;另外，要根据使用换环境和加工难度来设计相应的传递函数余量。在理想的光学系统设计中，艾里斑直径为2.44λF，光学系统函数的截止频率为1/λF，探测器函数的截止频率为1/d，当艾里斑直径为1个像元时，艾里斑直径为d，光学函数截止频率为2.44/d。但是当艾里斑为一个像元时，系统明显的缺乏采样，继而会导致探测器受到一定程度的限制。当系统传递相应的频谱时，将会导致成像失真[1]。
针对系统成像的失真问题，设计师在设计系统的过程中，可以采用增加空间采样频率的方式来提升系统的分辨率。其主要体现在以下几个方面：第一，当系统的艾里斑直径为2个像元时，系统同样欠缺采样，这种设计方式主要应用于航空相机和空间相机，其传递函数相比于设计值较低。第二，当艾里斑函数为3个像元时，光电系统的.传递函数较为容易达到0.1，其一般应用于中小型的光电成像系统。第三，当艾里斑函数为4个像元时，光电系统的分辨率相对较高，适用于实验室等设计环境。由此可见，在光电成像系统的性能优化设计中，增加系统空间采样频率的方式可以较好的提升系统的分辨率，进而可以达到光电系统的使用性能[2]。
2 系统误差对函数的影响
在光学成像系统的设计中，由于涉及、制造和使用的过程中会出现相应的误差，继而会降低传递函数，从而会影响光电成像系统的使用性能。根据科学研究显示，其影响性能的因素主要体现在以下几个方面：
2.1波像差对函数的影响
在光学系统的设计中，波像差会对系统的分辨率产生较大的影响，而在系统的设计中，加工环境、设计和使用等变化均可以影响波像差的变化，从而会影响光电成像系统的使用性能。在光电系统的设计中，其下降因子与波像差之间的关系如公式1所示：
在公式1中，Wmrs是系统的波像差，单位是波长，ATF(v)是函数的下降因子，表示空间频率。当系统的Wmrs=0.05，0.07，0.1和0.125时，系统的下降因子会达到在最低值。因此，在设计师设计光学成像系统的过程中，需要对波像差和函数下降因子进行合理的分析，以便可以保证系统的使用性能[3]。
2.2离焦对函数的影响
在光学成像系统的设计中，需要对系统进行调焦，当调焦过程中出现误差，对系统的函数会产生较大的影响。当离焦的弥散斑直径是d的时候，离焦的函数如公式2所示：
在公式2中，MTF(u)为离焦，当探测器像元的尺寸分别为10%d-d时，离焦函数的下降幅度越来越大。在设计师设计系统的过程中，为了保证系统的分散率，必须将探测器的像元尺寸控制在30%d以内，以便可以保证光电成像系统的使用效率。
2.3像移对函数的影响
在光电成像系统的使用过程中，在曝光时间内，像在像面内会出现移动，从而会在一定程度上导致函数下降。像移主要包括线性异动、高频随机振动和正弦振动。当系统的线性位移数值为d时，系统函数如公式3所示：
在公式3中，ud主要代表空间频率，当系统探测器像元的尺寸分别为10%d、20%d、30%d、40%d、50%d和d时，像移的下降幅度会逐渐增大。
在光电成像系统的设计过程中，光电的函数主要是由波像差、离焦和像移的乘积得到。对于光学遥感中的光电成像系统，在设计的过程中，可以将空间频率设置在0.5左右，在光电系统加工后，其函数应该控制在0.2左右。而系统最终应用的函数应该控制在0.1左右[4]。因此，在光电成像系统的使用过程中，只有设计师根据实际使用要求来进行设计，才可以达到最佳的使用性能。
3 系统的平均传递函数
在光电成像系统中，光学传递函数在线性空间内属于不变的系统，但是探测器取样会不断的发生变化。在系统的使用中，为了满足系统的使用需求，设计师可以采用平均函数的方式来表示空间频率的变化，以便可以更好的对光电成像系统的性能进行优化。在光电成像系统的使用中，随着系统sin函数和cos数值的不断增加，系统的相位值会逐渐缩小，并且逐渐趋于标准理论值。在数据的使用过程中，规定相应的相位等于0.因此，在光电成像系统的设计过程中，设计师应该尽量的减少函数的数值，以便可以保证系统的分辨率。
4 系统的信噪比
在光电成像系统的使用过程中，信噪比是影响系统的重要指标。在信噪比的使用过程中，主要分为红外系统信噪比和光系统信噪比。其分别如公式4和公式5所示。
在公式4中，主要表示红外系统的信噪比，其中F为孔径数，L为地面的辐射亮度。通过公式4，可以较好的对系统的数值进行计算。
在公式5中，Se为信号电子数，Ne为噪声电子数，De为暗信号输出的电子数。在系统的设计中，设计师要根据实际情况来合理的选择信噪比的数值。
结语：光电成像系统的设计关系着其分辨率的大小，继而会影响人们对光电系统的使用性能。希望通过本文的相关介绍，设计师在设计光电成像系统的过程中，可以合理的设计像移、离焦和波像差，以便可以更好的提升光电系统的使用性能。
参考文献：
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1. 由光场的经典干涉效应度量的相干性
在经典光学中，光的相干性是通过两列光波，根据波的
叠加原理，让光波满足一定的条件而出现的干涉现象来说明
的。这里的相干条件是，两列波频率相同，振动方向相同，相
位相同或相差恒定。为了满足相干波的条件，可以使用滤色
片，让来自不同频率的光频率相同，使用偏振片，让振动方向
相同，但相位差恒定这一条件能否满足呢？我们知道，在平
面单色波传播的波场中，任意两个不同的时空点的光场之间
存在着确定的相位关系，这种相位关系原则上可以取场的不
同部分进行叠加，通过观察到的干涉效应而获得证实。当
然，这里的平面单色波只是一种理想的假设。实际中的光
源，是由大量原子构成的，当处于激发态的原子跃迁到低能
级的过程中就会辐射出光波。来自不同原子的辐射是断续
的、无规则的，而且原子的发光彼此独立，互不相关，换言之，
任何两个原子发光时，彼此并无“约定”，即使由同一原子在
不同时刻所产生的辐射场，其相位关系也可以是完全随机
的。由此看出，相位差恒定的条件很难满足。因此，实际光
源产生的光场并不是理想的平面单色波。
在传统的光学中，所谓光场的相干性指的就是场的相位
关联的程度。这种关联由干涉条纹的可见度V[2]来测量。
V =Imax- IminImax+ Imin(1)
式中Imax与Imin分别为最大光强和最小光强，当两个不
同时空点的光场产生干涉图样，其Imin=0(暗条纹全黑)时，
V =1，条纹的反差最大，清晰可见，这两时空点的场被认为
是相干的。当Imax= Imin时， V≈0，条纹模糊不清，甚至不可
辨认，此情形时，则认为两光场完全不相干。若0< V <1
时，则称光场为部分相干。总之，传统光学中的相干性实质上
是由光场的经典干涉效应来度量的。
2. 光场的时间相干性
真实光场中任两个时空点并不一定具有相干性。当时间
满足一定条件时，我们可认为光场具有时间相干性。它表征
在同一空间点不同时刻光场的相干程度。经典光学中引进相
干时间Δτ0来描述光场的时间相干性，迈克尔逊干涉仪是比
较不同时刻光场的相位关系的典型装置。当两臂光路的时间
延迟Δτ远大于Δτ0时，干涉条纹完全消失，光场的相干时间
取决于其频谱的宽度Δυ，且有如下关系:
Δτ0∝1Δυ(2)
而长度Lc =Δτ0C =λ2Δλ称为相干长度。对于光场中两个确
定的点，若前后两个时刻传来的光波隶属于同一波列，则它
们是相干光波，称该光波场具有时间相干性，否则为非相干
光波，称该光场无时间相干性。显然，衡量光波场时间相干性
的好坏是Δτ0的长短。Δτ0是光通过相干长度所需的时间。上
述讨论表明，光波场的时间相干性是和光源的单色性紧密相
关的。而光的单色性又和波列的长度有一定的关系。我们知
道，任何光源发射的光波只有在有限的空间范围内，并且在
一定的时间内才可以看作是稳定的，即光源向外发射的是有
限长的波列，而波列的长度是由原子发光的持续时间和传播
速度所确定的。每个原子每次发光持续的时间平均不超过
3. 光场的空间相干性
对于真实光场中任两个时空点来说，当空间点满足一定
条件时，我们可认为光场具有空间相干性。它表征在同一时
刻不同空间点光场的相干程度。经典光学所用相干面积来描
述光场的空间相干性。测量光场空间相干性的典型装置是杨
氏双缝，它可用来比较两个狭缝处光场的相位关系。设两缝
中心为P点，随着两缝间距的增大，在屏上观察到干涉条纹
的可见度将减少。设干涉条纹第一次消失所对应的两缝间距
为2d，那么，相应的面积ΔΑ∝d2就定义为场在P点的相干
面积。相干面积和相干长度可以统一表示成相干体积
ΔV =ΔΑ·Lc (3)
围绕着P点的相干体积大致对应于这样的体积，在这个
体积内的任一点光场都与P点的光场产生干涉。
在杨氏双缝实验中，若用的是扩展光源，设它的临界宽
度为a0，则双缝之间的最大距离
2d∝λα0(4)
若双缝之间的距离等于或大于2d时，则观察不到干涉
条纹，即光场中狭缝S1和S2处的光矢量在同一时刻无确定
的位相关系。由于S1、S2发出的光波来自同一光源，故与宽
度为a0的光源对应的光场空间相干性较差。若使双缝S1与
S2之间的距离小于2d，则屏幕上能观察到干涉条纹，说明
S1和S2的光场这时是相干的，或者说这时光场具有空间相
干性。显然，光场的空间相干性与光源的线度有关。
4. 光场的相干度
我们先来分析一个光电探测的基本过程。该过程是通
过光探测器来实现的，而且基于光电效应的原理。这个过程
是，吸收一个光子，同时相应地发射一个光电子，原则上说，
若被探测的原子初始时处于激发态，那么，在入射光子作用
下该原子发射一个光子，而返回到基态，当然，对大多数探测
器来说，实际情况是几乎所有原子都处于基态，因此只可能
发生光的吸收过程。我们可以通过量子化的行波电磁场来
讨论光电探测过程，行波电磁场可表为:
E (x) = E (+)(x)+ E(-)(x) (5)
理想的光探测器，其空间尺度应可以忽略不计，而且具
有很宽的频带，能够对某确定时刻t，在空间某点r 的光场产
生响应。设场在(r ，t)处于被吸收一个光子而从初态1ψi>
跃迁到终态1ψf>，则其跃迁振幅应当正比于矩阵元
<ψf| E(+)(x) |ψi>
x = r ，t
此处假定场只有一个偏振分量，则不必用矢量表示。
一般说，我们无法确定场的终态，所有可能的终态对总
的计数速率都有贡献，因此，必须将每单位时间的跃迁几率
对全部可能的终态求和，总的跃迁几率为:
Wi=∑iWi→f
=∑f|ψf| E(+)(x) |ψi>|2
=∑i<ψi| E(·)(x) |ψf|><ψf| E(+)(x) |ψi
>
=<ψi| E(-)(x)E(+)(x) |ψi> (6)
上式中，∑i|ψf><ψf|=1(7)
若考虑到光场最初并非处于纯态|ψi>，那么采用场的密度
标符，可将(6)式表为:
Wi= Tr[ρ
ˇ
E(-)(x)E(+)(x)] (8)
ρ是光场初始时的密度标符，理想光探测器的计数速率...........
自己好好研究。
伞书共分10章，理论与实践相结合，主要内容有：光电检测技术概述、光电检测常用光源、光电探测器概述及光电导探测器、光伏特探测器、光电发射器件、光电成像器件、非相干检测方法与系统、相干检测方法与系统、光电检测技术的典型应用。概括地讲，本书内容包含4部分，即理论基础、各类电光与光电器件、光电变换检测技术与方法、典型应用。本书配有免费电子课件。
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透光脉动传感器的影响因素研究 论文
透光脉动传感器是一种非接触式光电检测装置，通过对混凝过程中形成的絮体颗粒的检测，可以得到反映颗粒聚集状态的检测参数R。其检测不受混凝剂种类以及原水水质等条件的限制，其输出值不受取样管管壁的粘污以及电子元件老化、漂移等不利因素的影响，广泛适用于饮用水处理以及工业废水处理中混凝过程的在线连续检测[1]。以该传感器为核心的透光脉动混凝投药控制系统在高浊度水的混凝剂自动投加控制方面得到了良好的应用[2]，近年来开始在常规浊度水的混凝剂自动投加控制方面得到应用[3]。在实际使用中，透光脉动传感器的检测性能受诸多因素的限制。作者在综合实践应用经验和试验结果的基础上对透光脉动传感器的主要影响因素进行了研究，并确定了其最优工作参数。
1 透光脉动传感器
透光脉动传感器由水样检测部分和信号处理部分构成，分别完成信号的检测和处理，其工作原理如图1所示。由光源发射一束狭窄的光照射到传感器取样管中流动的悬浮液，透过光由光检测器接收并转换成电信号，然后通过后续的信号处理电路完成对电信号的处理，输出透光脉动检测值。检测值可以通过数码显示器（LED）显示，也可以通过输出端子输出，通过接口与计算机等连接，以实现检测值的在线采集和分析处理。
式中：L—取样管管径；
A—光柱有效照射面积；
Ni—第i种颗粒的数量浓度；
Ci—第i种颗粒的散射截面积。
从表达式可以看出，在被检测对象即悬浮液中颗粒的性质一定的情况下，检测值受光源的有效照射面积及取样管管径等因素的影响。在实际应用中，取样流速和传感器信号处理部分的放大倍数等因素也对检测值有明显影响，下面将对这些影响因素进行具体分析。
2 影响因素分析
2.1 光源的影响
对于透光脉动传感器来说，光源的选择无疑是至关重要的。受透光脉动检测技术的限制，只有当被测水样体积足够小时，颗粒的脉动现象才能被传感器检测到。在实际应用中为保证检测效果，必须尽量减小光柱的有效照射面积，因此应选择发射角小的光源，如激光二极管。
在水处理领域，国际标准化组推荐使用波长为860nm的近红外光和550nm的紫外光作为光源[4]。为了保证传感器的灵敏度，光源发射光的波长应随着被测颗粒尺寸的增大而增大，对于透光脉动传感器来说，它检测的是尺寸较大的絮体颗粒，因此宜选择发射波长为860nm的光源。在860nm处水中的溶解性物质对光的吸收非常弱，这一点对于没有色度补偿的透光脉动传感器来说很重要。
2.2 取样流速的影响
由透光脉动检测技术特性可知[5]，颗粒的脉动频率与取样流速有关，只有在保证最低取样流速，使得被检测水样能及时得到一定程度的更新的前提下，经过处理后的检测信号才能真实地反映出颗粒的脉动情况，且此时检测值应与取样流速无关。为了验证取样流速对检测值的影响，用内径为3mm的取样管分别对未混凝和混凝的悬浮液进行了连续检测。
对于未混凝的悬浮液，当取样流量小于20mL/min时，此时水样流速太小，脉动信号的频率过低，其在信号处理过程中被滤波电路滤掉一部分，从而导致检测值偏小。取样流量在20mL/min左右时检测值波动较大，而当取样流量大于25mL/min时检测值比较稳定，仅当取样流量达到100mL/min时，检测值才略有下降。从试验结果可得，当取样流量在25mL/min以上即取样流速在0.06m/s以上时，检测值与取样流速无关。
对于混凝的悬浮液，当取样流量为25~40mL/min即取样流速为0.06~0.094m/s时，流量变化对检测值的影响很小，而当取样流量大于50mL/min后，取样管中层流剪切力造成絮体明显破碎，导致检测值随流量的增大有明显的下降趋势，当取样流量降低后，絮体破碎程度降低，检测值则重新升高。
试验结果表明，当取样管管径为3mm时，对于未混凝的悬浮液，取样流速在0.06m/s以上时检测值与取样流速无关；而对于混凝的悬浮液，为了保证检测值能反映絮体颗粒真实的聚集情况，应尽量避免絮体在取样过程中的破碎，将取样流速合理的控制在0.06~0.094m/s。
2.3 取样管管径的影响
絮体在取样管中层流剪切力的作用下会有一定程度的破碎，检测值将受到影响。研究表明，层流的平均剪切率和管径的立方成反比，和流速成正比，因此除通过适当降低取样流速外，还可以通过增大取样管管径的方式来减小剪切率。
取样管管径可以根据使用目的以及所检测水样的絮凝情况综合考虑，例如在实验室小试研究中，为了尽量节约试验用水，取样管管径宜选择得小一些，如3mm，在适当控制取样流速的情况下，可以保证絮体基本不破碎。从图4可看出，当取样管管径小至1mm时管中的平均剪切率变得非常大，例如当取样流量仅为2.5mL/min时，剪切率即达到约300s-1，这样高的剪切率很容易造成絮体的破碎。因此，在实际应用中往往不是用1mm的取样管来检测颗粒的聚集过程，而是充分利用层流剪切力对悬浮液中颗粒的破碎作用，将其用于研究絮体颗粒的抗剪性能或者颗粒物质在悬浮液中的分散过程等[6]。
在水处理工艺中，混凝效果良好时形成的絮体颗粒粒径较大，絮体强度相对较小，特别是在原水浊度较高、投药量较大的情况下；另外，为了保证在长时间运行时取样管不易被沉积物堵塞，必须保证较大的取样流速，这样都容易导致絮体的破碎。当取样管管径仅为3mm时，颗粒破碎程度明显增大，此时需要选择管径较大的取样管。生产实践表明，当取样管管径增加到5mm左右时，就可以保证水样流过取样管时絮体基本不会破碎，当然，也可以根据原水性质选用直径更大的取样管，如在高浊度水絮凝过程的检测中则建议使用内径为8mm左右的取样管
2.4 放大倍数的影响
透光脉动传感器直接检测到的脉动信号很微弱，必须经信号处理部分放大和滤波等处理后才能参与控制。为了研究信号处理部分的放大倍数对检测值的影响，选取放大倍数分别为K1和K2的两个传感器进行了试验研究，在改变水样的絮凝程度时的检测
传感器的放大倍数K1较小，其检测值的变化幅度相当小，仅在1.2%~9.5%之间变化，而2号传感器的放大倍数K2较大，检测值在11.7%~50.7%之间变化，由此可见放大倍数对于检测值的输出具有相当大的影响。把两条曲线绘于不同的坐标下时发现其变化规律非常接近，说明两个传感器的检测性能基本相同，只是由于信号处理部分的放大倍数不同，导致输出值差异很大。
对于投药控制系统来说，传感器信号处理部分的放大倍数过高，检测值波动太大，导致系统稳定性差；放大倍数过低，检测值无法准确反映出絮体颗粒的变化情况，控制系统无法调节投药量，因此在控制系统投入运行之前必须调节好放大倍数。一般来说，放大倍数可以根据所检测水样的性质现场调节，其调节可以分为两步：首先将絮凝充分的水样通过传感器，调节放大倍数使得检测值在40%左右，然后较大幅度地改变取样流速或者水样的絮凝程度，使检测值大约在20%~80%之间变化即可。
3 结论
通过对传感器的工作参数进行优化，可以改善传感器的检测性能，使其在生产中获得更加良好的应用，主要应注意以下几个方面：
（1）光源应选择发射光的波长范围窄、发射角小的激光二极管等，波长宜选择860nm；
（2）对于混凝的悬浮液，其检测值受取样流速的影响，在生产中应合理控制取样流速；
（3）为了减小絮体在取样管中的破碎，应根据悬浮液的絮凝程度合理选用取样管，试验研究中一般选用1~3mm，生产应用中则选用5~8mm；
（4）传感器信号处理部分的放大倍数对检测值的输出有很大影响，为了保证控制系统的控制性能，必须合理确定好放大倍数，其值可根据被检测水样的性质在现场调节确定。
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