电子技术应用解析光电子技术的“破茧”之路|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

光电子技术的“破茧”之路

■本报记者胡珉琦

近日，中国科学院半导体研究所（以下简称半导体所）“半导体光电子器件及集成技术”入选了中科院“率先行动”计划第一阶段重大成果及标志性进展。

作为国家信息产业的基础技术之一，光电子技术在宽带互联网、高性能计算、智能机器人、先进制造和智慧城市等多个领域起到关键性支撑作用。它也因此成为了衡量一个国家综合实力和国际竞争力的重要标志。

认准了半导体光电子器件及集成技术是构建未来信息社会的核心和基础，半导体所在“十二五”和“十三五”期间，分别将其作为重点培育方向和重大突破方向，坚持面向国家重大需求，突破半导体光电子器件及集成技术的瓶颈，研制出自主可控核心光电子器件，以实现其在光通信、光互连、光传感等领域的典型应用。

在限制中突破

新一代信息技术、机器人、航空航天装备、新能源汽车、新材料、生物医药及高性能医疗器械等，这些中国制造重点领域都离不开一项支撑技术——激光技术。

而半导体激光器是全固态激光、光纤激光、气体激光等的泵浦源，是核心器件，不可或缺、不可替代。但我国在激光芯片方面的发展现状却是低端芯片依赖进口，高端芯片受制于人。

1996年11月开始实施的《瓦森纳协定》明确了对中国禁运的半导体激光芯片的清单，且随着技术的演进，每年清单中的器件类型、器件指标都在不停更新，旨在将中国的半导体激光器应用技术限制在低端水平。

2003年博士后研究工作结束后返回半导体所的郑婉华，只想到了一条出路——突破高性能激光芯片技术，而且必须探索一条自主发展的道路，实现换道超车。

当年她向科技部提出建议，中国应该创新发展光子晶体半导体激光器新原理与新技术，解决半导体激光面临的功率密度低、光束质量差的世界性难题。这一提议不仅获得了“863”项目的支持，后期也得到了国家自然科学基金等新项目的帮助。郑婉华团队在2006年率先在中国实现光子晶体激光的突破，中国也成为了当时实现光子晶体激光激射的少数几个国家之一。

许多半导体人都有着和郑婉华一样的境遇和经历。“限制”反而成了光电子技术突破的磨刀石。

同样艰难迎战的还有光通信芯片团队。国家宽带网络建设的核心芯片，以前主要掌握在美国、日本、韩国、丹麦及英国等国的几家企业手中，中国以进口芯片封装为主。面对国家光网络建设需求，半导体所经过10多年的技术攻关，不仅解决了光分路器及AWG芯片设计及关键工艺问题，还实现了光分路器及AWG的成果转化。如今，光分路器芯片全球市场占有率达50%以上，AWG芯片实现海外市场突破，有力保障了我国宽带网络建设芯片的自主可控，促进了我国硅基光子学器件的产业链完整性建设。

度过漫长的沉默期

光电子技术，特别是芯片技术，一头是研发，一头是制造。要从这一头走到那一头，并且稳稳地落地，常常是孤独又漫长的。

2010年，半导体所光通信芯片团队开启了成果转化之路。10年中，他们需要解决损耗均匀性、芯片良率、工艺稳定性、一致性及可靠性等一系列问题。“这些问题在半导体所基础研究中并非重点关注的问题，而在产业化中却是必须解决的。”半导体所研究员安俊明告诉《中国科学报》，为此，一款芯片需要30多次的设计优化制版、上百次的实验流片验证，才能使芯片性能达到国际同类芯片水平，与国外芯片同台竞争。

他说，团队还非常注重每个细节的芯片开发方式。“比如AWG芯片，结构中分五大部分，还有上千条波导的结合，而涉及的性能参数，每个通道就有十多个，看似千头万绪。一个参数的好坏受多方面的影响，如何准确判断问题所在？团队人员会把芯片的每一部分分别进行研究，不放过任何可能的影响因素，才使问题一步步得到解决。”

为了加快研究进度，团队想尽了各种办法。安俊明说：“我们经常会有一些方案，大家会预测结果，比如我们曾经预测第一次流片的光分路器损耗，有的说会达到10dB以下，有的说刚流片，不会那么乐观，这种打赌的方式也提升了转化速度。”

郑婉华也坦言，实验室的技术成果向市场转化的过程困难重重。

在她看来，半导体激光芯片是一个高资金投入、高密集人才、高度设备依赖的技术，如果上述问题得以克服，仍然面临实验室样品向批量化转移中的诸多工程技术难题。“因为我们先于国外开展这种高端激光芯片的批量制造，因此解决这些难题没有捷径可走，必须投入时间、人力、物力，且需要全体人员不浮躁、沉下心，一个难题一个难题攻克。”

“半导体光电子技术领域的研究工作，目前都是硬骨头工作，存在发表文章难、出成果难的问题。在人才培养方面，由于很难获得各种人才称号，我们只能以身作则，以国家需求为己任，留住人才。”郑婉华说。

壮大转化队伍

半导体所除了以基础前沿为引领来立身，同样重要的是在全面服务国家重大需求和国民经济发展中发挥不可替代的基础支撑作用。急国家和市场之所需一直是该研究所坚持的科研文化。

郑婉华表示，得益于国家、中科院“率先行动”计划和研究所在技术转移方面的优厚政策，最大化地提升了年轻人的收入水平，从而逐渐吸引了一些有理想、有抱负的博士生留下来，投入到这项事业中。

对科研人员而言，要投身转移转化，最难转变的是思维。如果思维转变不过来，再好的政策也无法推动。这就要求部分研究人员带头去从事成果转化工作，从而形成示范效应，让更多人加入这一行列。

目前，以半导体所为技术方的河南仕佳已成为国际上规模最大的光无源芯片生产企业。今年8月，河南仕佳正式在科创板上市，这也为半导体所人走在成果转化的道路上加足了信心。

值得一提的是，在这一过程中，半导体所已经形成了一支从理论分析、设计优化、工艺开发到产业化应用，完整的、训练有素的、敢于啃硬骨头的团队。也因此，半导体所承担了中科院科技成果转移转化重点专项（弘光专项）“硅基二氧化硅阵列波导光栅芯片产业化”，实现了我国数据中心及骨干网核心波分复用芯片的国产化，更加提升了科技成果转化能力。

提到团队培养的经验，安俊明表示，“我们的特色是把研究生的培养放在产业转化一线，使他们掌握的知识更接地气，他们的许多经验、教训来源于生产实践，这在研究所是无法得到的。”如此培养的年轻人，在今后从事科研的过程中，也会更注重我国光电子产业链中的难点问题、设计及开发的实用性和产业转化的可行性，更注重解决国家急需的产业化难题。

来源：《中国科学报》

「论文集锦」当人工智能走进生活——《电子技术应用》优秀论文集锦

人工智能（Artificial Intelligence），英文缩写为AI。它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。

人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能从诞生以来，理论和技术日益成熟，应用领域也不断扩大，可以设想，未来人工智能带来的科技产品，将会是人类智慧的“容器”。人工智能可以对人的意识、思维的信息过程的模拟。人工智能不是人的智能，但能像人那样思考、也可能超过人的智能。

人工智能之父 John McCarthy说：人工智能就是制造智能的机器，更特指制作人工智能的程序。人工智能模仿人类的思考方式使计算机能智能的思考问题，人工智能通过研究人类大脑的思考、学习和工作方式，然后将研究结果作为开发智能软件和系统的基础。

人工智能历史

1940-1950：一帮来自数学，心理学，工程学，经济学和政治学领域的科学家在一起讨论人工智能的可能性，当时已经研究出了人脑的工作原理是神经元电脉冲工作。

1950-1956：伦·图灵（Alan Turing）发表了一篇具有里程碑意义的论文，其中他预见了创造思考机器的可能性。重要事件：曼彻斯特大学的Christopher Strachey使用Ferranti Mark 1 机器写了一个跳棋程序， Dietrich Prinz写了一个国际象棋程序。

1956：达特茅斯会议，人工智能诞生。约翰麦卡锡创造了人工智能一词并且演示了卡内基梅隆大学首个人工智能程序。

1956-1974：推理研究，主要使用推理算法，应用在棋类等游戏中。自然语言研究，目的是让计算机能够理解人的语言。日本，早稻田大学于1967年启动了WABOT项目，并于1972年完成了世界上第一个全尺寸智能人形机器人 WABOT-1 。

1974-1980：由于当时的计算机技术限制，很多研究迟迟不能得到预期的成就，这时候AI处于研究低潮。

1980-1987：在20世纪80年代，世界各地的企业采用了一种称为“ 专家系统 ” 的人工智能程序，知识表达系统成为主流人工智能研究的焦点。在同一年，日本政府通过其第五代计算机项目积极资助人工智能。1982年，物理学家John Hopfield发明了一种神经网络可以以全新的方式学习和处理信息。

1987-1993：第二次AI研究低潮。

1993-2011 ：出现了智能代理，它是感知周围环境，并采取最大限度提高成功的机会的系统。这个时期自然语言理解和翻译，数据挖掘，Web爬虫出现了较大的发展。里程碑的事件：1997年深蓝击败了当时的世界象棋冠军Garry Kasparov。2005年，斯坦福大学的机器人在一条没有走过的沙漠小路上自动驾驶131英里。

2011年至今：在深度学习，大数据和强人工智能的发展迅速。

小编整理了《电子技术应用》近年刊登的与人工智能相关的最新研究成果及其应用实例，欢迎相关领域研究者参考借鉴！

1.基于深度学习的美国媒体“一带一路”舆情的情感分析

摘要： 分析美国主流新闻媒体针对“一带一路”倡议的关注热点，研究相关舆情的情感倾向。用网络爬虫自动采集相关新闻，筛选高频词获得媒体关注热点。提出一种自动摘要-卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）的集成式模型进行文档级情感分析。该模型首先提取摘要去除原始文档中非重要数据的干扰，再利用卷积神经网络进行句子级情感分析，通过基于语义指向的方法获得文档级的情感分数，并对情感波动异常文章二次分析。在真实数据上的对比实验表明，自动摘要-CNN的集成式文档级情感分析模型在情感分析方面优于单一CNN的方法。

全文链接： http://www.chinaaet.com/article/3000094112

中文引用格式： 王洁，乔艺璇，彭岩，等. 基于深度学习的美国媒体“一带一路”舆情的情感分析[J].电子技术应用，2018，44(11)：102-106，110.

英文引用格式： Wang Jie，Qiao Yixuan，Peng Yan，et al. Sentiment analysis about “One Belt, One Road” public opinion of American media based on deep learning[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(11)：102-106，110.

2.基于深度学习的人体行为识别算法

摘要： 为改善人体行为识别任务中准确率低的问题，提出了一种基于批归一化的卷积神经网络（CNN）与长短期记忆(LSTM)神经网络结合的神经网络。CNN部分引入批归一化思想，将输入网络的训练样本进行小批量归一化处理，经过全连接之后，送入长短期记忆神经网络中。该算法采用时空双流网络模型结构，视频数据的RGB图像作为空间流网络输入，光流场图像作为时间流网络输入，再将时空双流网络各自得到的识别结果进行加权融合得到最终的行为识别结果。实验结果表明，本文设计的时空双流神经网络算法在人体行为识别任务上具有较高的识别准确率。

全文链接： http://www.chinaaet.com/article/3000091469

中文引用格式： 黄友文，万超伦. 基于深度学习的人体行为识别算法[J].电子技术应用，2018，44(10)：1-5，10.

英文引用格式： Huang Youwen，Wan Chaolun. Human behavior recognition algorithm based on deep learning[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(10)：1-5，10.

3.基于TensorFlow深度学习手写体数字识别及应用

摘要： 手写体数字的识别是人工智能识别系统中的重要组成部分。因个体手写数字的差异，现有识别系统准确率较低。基于TensorFlow深度学习框架完成手写体数字的识别及应用，首先建立TensorFlow深度学习框架，并分析了Softmax、卷积神经网络(CNN)模型结构，再对手写体数据集MNIST的60 000个样本进行深度学习，然后进行10 000个样本的测试对比，最后移植最优模型到Android平台进行应用。实测数据验证，相对于传统的Softmax模型，基于TensorFlow深度学习CNN模型识别率高达99.17%，提升了7.6%，为人工智能识别系统的发展提供了一定的科研价值。

全文链接： http://www.chinaaet.com/article/3000091470

中文引用格式： 黄睿，陆许明，邬依林. 基于TensorFlow深度学习手写体数字识别及应用[J].电子技术应用，2018，44(10)：6-10.

英文引用格式： Huang Rui，Lu Xuming，Wu Yilin. Handwriting digital recognition and application based on TensorFlow deep learning[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(10)：6-10.

4.基于深度学习的实时识别硬件系统框架设计

摘要： 设计了一种基于深度学习的实时识别硬件系统框架。该系统框架使用Keras完成卷积神经网络模型的训练并提取出网络的参数，利用ZYNQ器件的FPGA+ARM软硬件协同的方式，使用ARM完成对实时图像数据的采集、预处理及显示，通过FPGA实现卷积神经网络的硬化并对图像进行识别，再将识别结果发送至上位机进行实时显示。系统框架采用MNIST和Fashion MNIST数据集作为网络模型硬化试验样本，实验结果表明，在一般场景下该系统框架能够实时、准确地完成图像数据的获取、显示及识别，并且具有可移植性高、处理速度快、功耗低的特点。

全文链接： http://www.chinaaet.com/article/3000091553

中文引用格式： 王昆，周骅. 基于深度学习的实时识别硬件系统框架设计[J].电子技术应用，2018，44(10)：11-14.

英文引用格式： Wang Kun，Zhou Hua. Design of real-time recognition hardware system framework based on deep learning[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(10)：11-14.

5.基于胶囊网络的指静脉识别研究

摘要： 针对卷积神经网络(CNN)中空间上的指静脉信息丢失的问题，提出了一种基于胶囊网络(Capsule Network，CapsNets)的指静脉识别算法。CapsNets在整个学习过程中以“胶囊”的形式从底层传递至高层，如此以向量的形式封装指静脉的多维特征，特征会在网络中被保存，而不是丢失后进行恢复。采用60 000张图像作为训练集，10 000张图为测试集，通过对图像增强、裁剪后进行网络学习。通过实验表明，CapsNets的网络结构特征相比CNN在处理脊线区域时效果更加明显，对比VGG精确度增加了13.6%，loss值也收敛到0.01。

全文链接： http://www.chinaaet.com/article/3000091554

中文引用格式： 余成波，熊递恩. 于胶囊网络的指静脉识别研究[J].电子技术应用，2018，44(10)：15-18.

英文引用格式： Yu Chengbo，Xiong Dien. Research on finger vein recognition based on capsule network[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(10)：15-18.

6.基于卷积神经网络的图像着色

摘要： 图像着色的目标是为灰度图像的每一个像素分配颜色，它是图像处理领域的热点问题。以U-Net为主线网络，结合深度学习和卷积神经网络设计了一个全自动的着色网络模型。在该模型中，支线使用卷积神经网络SE-Inception-ResNet-v2作为高水平的特征提取器，提取图像的全局信息，同时在网络中使用PoLU(Power Linear Unit)函数替代线性整流函数(ReLU)。实验结果证明此着色网络模型能够对灰度图像进行有效的着色。

全文链接： http://www.chinaaet.com/article/3000091637

中文引用格式： 徐中辉，吕维帅. 基于卷积神经网络的图像着色[J].电子技术应用，2018，44(10)：19-22.

英文引用格式： Xu Zhonghui，Lv Weishuai. Image coloring based on convolution neural network[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(10)：19-22.

7.深度学习中的卷积神经网络系统设计及硬件实现

摘要： 针对目前深度学习中的卷积神经网络（CNN）在CPU平台下训练速度慢、耗时长的问题，采用现场可编程门阵列（FPGA）硬件平台设计并实现了一种深度卷积神经网络系统。该系统采用修正线性单元（ReLU）作为特征输出的激活函数并使用Softmax函数作为输出分类器。利用流水线技术并针对每一层的特征运算进行了并行处理，从而能够在1个系统时钟周期内完成整个CNN中的295次卷积运算。系统最后采用MNIST数据集作为实验样本，实验结果表明，在50 MHz的工作频率下，FPGA的训练用时相较于通用CPU的训练用时提升了8.7倍，经过2 000次迭代后系统识别的准确率为92.42%。

全文链接： http://www.chinaaet.com/article/3000082399

中文引用格式： 王昆，周骅. 深度学习中的卷积神经网络系统设计及硬件实现[J].电子技术应用，2018，44(5)：56-59.

英文引用格式： Wang Kun，Zhou Hua. System design and hardware realization of convolution neural network system in deep learning[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(5)：56-59.

8.基于PSO-BP神经网络的人体穴位定位系统设计

摘要： 穴位的位置是否找准会直接影响治疗效果，因此设计了一种基于粒子群算法优化神经网络（PSO-BP）的穴位相对坐标预测模型，然后与ARM结合构成一个可以用于人体穴位定位的系统。首先采用PC进行MATLAB仿真训练学习，然后将最优权值及阈值保存下来并简化算法嵌入ARM内，将在线预测转变为离线过程。实验结果表明：经粒子群优化过的BP神经网络有效地改善了局部极值缺陷，可应用于定位端预测穴位的位置，并在LCD中显示穴位相关信息，控制端收到位置数据后可执行电机上的运动操作。

全文链接： http://www.chinaaet.com/article/3000090355

中文引用格式： 杨向萍，吴玉丹. 基于PSO-BP神经网络的人体穴位定位系统设计[J].电子技术应用，2018，44(9)：75-78.

英文引用格式： Yang Xiangping，Wu Yudan. Acupoint positioning system based on PSO-BP neural network[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(9)：75-78.

9.基于深度学习的烟雾识别研究

摘要： 基于Google第二代人工智能学习系统TensorFlow构建神经网络对烟雾图像进行识别检测，通过改进的运动检测算法截取疑似烟雾区域图像，并结合PCA降维算法和Inception Resnet v2网络模型在TensorFlow平台下进行烟雾特征的训练识别。该算法实现了较大范围的火灾实时检测报警，经过实验证明整个检测过程准确地识别了视频流中的烟雾区域，相比于传统烟雾识别方法具有更高的准确率和自适应性，为大范围的火灾烟雾报警提供了一种有效方案。

全文链接： http://www.chinaaet.com/article/3000092836

中文引用格式： 王涛，宫宁生，蒋贵祥. 基于深度学习的烟雾识别研究[J].电子技术应用，2018，44(10)：131-135.

英文引用格式： Wang Tao，Gong Ningsheng，Jiang Guixiang. Smoke recognition based on the depth learning[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(10)：131-135.

10.基于深度学习的胸部X光影像分析系统

摘要： 提出一种应用嵌入式技术和深度学习技术实现对胸部X光影像分析的设计方案。采用NIVIDIA公司生产的Jetson TX2作为核心板，配备以太网模块、WiFi模块等功能模块搭建该分析系统的硬件平台。在GPU服务器上利用MobileNets卷积神经网络对标注的胸部X光影像数据集进行训练，将训练好的神经网络模型移植到Jetson TX2核心板，在嵌入式平台下完成对胸腔积液、浸润、肺气肿、气胸以及肺不张症状的检测。利用美国国立卫生研究院提供的胸部X光影像数据进行测试，通过实验证明，该方法在识别准确率上优于其他的检测方法，同时识别所需时间比其他方法短。

全文链接： http://www.chinaaet.com/article/3000093435

中文引用格式： 周进凡，张荣芬，马治楠，等. 基于深度学习的胸部X光影像分析系统[J].电子技术应用，2018，44(11)：29-32.

英文引用格式： Zhou Jinfan，Zhang Rongfen，Ma Zhinan，et al. Chest X-ray image analysis system based on deep learning[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(11)：29-32.

11.基于深度学习的图像分类方法

摘要： 提出了一种用于图像分类的卷积神经网络，将不同池化方式对图像分类的影响进行了分析对比，采用重叠池化和dropout技术，较好地解决过拟合问题。与传统神经网络相比，该方法在CIFAR-10数据集上获得了较好的结果，在测试集上准确率比训练集上准确率高9%左右。

全文链接： http://www.chinaaet.com/article/3000084504

中文引用格式： 许少尉，陈思宇. 基于深度学习的图像分类方法[J].电子技术应用，2018，44(6)：116-119.

英文引用格式： Xu Shaowei，Chen Siyu. Image classification method based on deep learning[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(6)：116-119.

12.基于机器视觉的智能导盲眼镜设计

摘要： 提出一种基于机器视觉的智能导盲眼镜系统的设计方案。采用三星公司Cortex-A8架构的 S5PV210作为中央处理器，搭载Linux系统，配备双目采集、GPS定位、语音播报、GSM短信、语音通话、无线传输六大核心功能模块搭建智能导盲眼镜系统的硬件平台，结合深度学习算法在远程云服务器上完成了对目标场景的智能识别，最后以语音的形式实时对盲人的行走作出准确引导。系统测试结果表明，该智能导盲眼镜系统在测试环境下不仅能对盲人出行正确导航，还具有一定的目标识别能力，能帮助盲人进行简易物品归类。该系统还兼有GPS定位、语音通话、GSM短信等多项辅助功能。

全文链接： http://www.chinaaet.com/article/3000064090

中文引用格式： 何腾鹏，张荣芬，刘超，等. 基于机器视觉的智能导盲眼镜设计[J].电子技术应用，2017，43(4)：58-61.

英文引用格式： He Tengpeng，Zhang Rongfen，Liu Chao，et al. Design of smart seeing glasses based on machine vision[J].Application of Electronic Technique，2017，43(4)：58-61.

13.基于深度学习的无人机识别算法研究

摘要： 无人机的广泛运用，在给人们带来便利的同时，也引发了不良影响。比如，无人机飞入禁飞区引发安全问题，由于不正当的使用侵犯公民的隐私等，因此需要构建一个无人机警察系统，对无人机实施监控，遏制乱飞现象。采用传统的识别方法，灵活性不足，精度也不够高。为此提出一种基于深度学习的无人机识别算法，通过训练一个基于卷积神经网络（CNNs）的学习网络，得出一个高效的识别模型，实现无人机和非无人机间的分类。模型的测试结果表明，该方法具有较高的识别率。

全文链接： http://www.chinaaet.com/article/3000068878

中文引用格式： 蒋兆军，成孝刚，彭雅琴，等. 基于深度学习的无人机识别算法研究[J].电子技术应用，2017，43(7)：84-87.

英文引用格式： Jiang Zhaojun，Cheng Xiaogang，Peng Yaqin，et al. A novel UAV recognition algorithm based on deep learning approach[J].Application of Electronic Technique，2017，43(7)：84-87.

14.基于视觉引导的SCARA机器人自动装配系统

摘要： 现有生产线工业机器人抓取点固定，工件只能以固定的姿态提前摆放在固定的位置，这种装配模式很难满足复杂的工业生产要求且效率低下。设计了基于视觉引导的机器人装配系统改进原有系统。设计了机器视觉系统，实现了工件的快速识别、定位以及姿态确定功能；设计了抓放系统，实现了工件的精确抓取和安装功能；采用Visual Studio的MFC开发，实现图像处理算法，并利用Socket通信将坐标和姿态数据发送给机器人。通过实验验证本系统具有良好的稳定性和快速性，可以满足生产的要求，大幅提高生产效率。

全文链接： http://www.chinaaet.com/article/3000065381

中文引用格式： 党宏社，候金良，强华，等. 基于视觉引导的SCARA机器人自动装配系统[J].电子技术应用，2017，43(5)：21-24.

英文引用格式： Dang Hongshe，Hou Jinliang，Qiang Hua，et al. SCARA automatic assembly system based on vision guided[J].Application of Electronic Technique，2017，43(5)：21-24.