空間光調制器的案例
空間光調制器像素處光衍射的仿真
總結
考慮SLM像素間隔來研究空間光調制器的性能。
第1步
將像素間隔引入到一個先前設計的用于光束整形的SLM透射函數。
第2步
分析不同區域填充因子的對性能的影響。
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? 開始視頻
- 光路圖介紹
? 該應用示例相關文件：
- SLM.0001：用于生成高帽光束的SLM位相調制器設計
- SLM.0003： 一個基于SLM光束整形系統的中透鏡像差的研究
VirtualLab運用：仿真一個空間光調制器像素點處光的衍射
光束整形＞衍射光學
任務/系統說明
亮點
?使用空間光調制器（SLM）模擬光束整形
?研究SLM像素間非功能性間距的影響
說明：光源
說明：SLM像素陣列
說明：傅立葉透鏡
說明：探測器
結果：3D系統視圖
結果：SLM近場區域
結果：SLM的遠場區域
結果：SLM遠場區域
文件&技術信息
Zemax案例 | 光束整形技術及其應用
李龐躍等人[5]為提高線陣半導體激光器的光束均勻性，滿足小型掃描成像系統的微型化需求，提出了一體化透鏡陣列光束整形系統設計方案。能量利用率達88.79%，均勻性94.51%。
仿真流程：結合Fresnel衍射積分公式，通過專業設計工具建立微透鏡陣列模型、定義核心參數，仿真光束均化過程并優化陣列排布，抑制干涉效應。
仿真成果：可模擬微透鏡陣列的光束均化效果，生成均化面光強分布仿真圖，驗證快軸發散角2.8mrad、慢軸發散角48.93%的設計指標；通過能量流分析功能，量化能量利用率與均勻性，為一體化結構設計提供數據支撐。
動態光學元件整形系統
動態光學元件以液晶空間光調制器（LC-SLM）為核心，憑借實時可編程、多參數可調的優勢，成為高端光學系統的理想方案。其核心技術在于通過電場調控液晶分子排列，實現光束相位與振幅的動態調制。
（1）LC-SLM的核心仿真原理
LC-SLM的整形效果依賴液晶的電光效應（扭曲向列效應、電控雙折射效應），其中相位延遲公式、分子偏轉角與電壓關系、強度調制公式均為仿真設計的核心理論依據。其仿真流程如下：
物理模型搭建與仿真：結合論文中液晶電光效應相關公式，通過專業設計工具建立LC-SLM模型、定義核心物理參數，完成動態調制仿真與性能優化，驗證設計合理性。
（2）動態整形的仿真價值與應用效果
動態性能可視化：可生成LC-SLM動態相位調制的仿真視頻，直觀呈現不同電壓下光束形狀的變化過程，驗證輸出光束與預定目標光斑99.83%的相似度。
多目標優化：針對光束均勻性與能量利用率難以兼顧的問題，通過多目標優化算法，仿真疊加閃耀光柵移除零級光的效果，實現能量利用率72.3%、均勻性97.2%的方形平頂光束。
展開 SYNOPSYS 光學設計軟件課程五十九：短焦微型非球面投影物鏡設計
投影物鏡有以下特點：
1.投影物鏡的物是空間光調制器 SLM ，包括上面提到的 LCD 和 DLP ，它決定了物鏡的視場線和分辨率，從而影響系統外形尺寸和信息量。但實際設計時會倒置設計，將其放在像面。
2.像方遠心：在像空間中，出瞳位于無限遠，所有視場的主光線都和光軸平行，從而和 SLM 垂直，這是空間光調制器物理效應的基本要求。
3.大部分物鏡帶有一個耦合棱鏡，如 LCD 投影儀的 X 棱鏡和 DLP 投影儀的 TIE 棱鏡，這些棱鏡厚度較大，對像差有較大的影響，是整個成像光路的一部分。
4.定焦和變焦物鏡：為了適應不同的應用環境，投影物鏡大部分是變焦物鏡。
技術指標：
1.焦距：f=9mm，
2.相對孔徑：D/f=1/1.8
3.全視場：FOV=46°
4.總長小于等于40mm
5.鏡片數為5片
6.光學系統為像方遠心光路
7.畸變<3%
8.成像器件 DMD 尺寸為1/3英寸
9.投影效果：100mm處畫像對角線長85mm
10.在63lp/mm，中心線對 MTF>0.45，全視場>0.3
搜索宏文件：
請掃描文章底部二維碼聯系工作人員獲取代碼
搜索出來的初始結構：
基本參數：
物高為-42.4475，滿足100mm處畫像對角線長85mm。
畸變：
MTF：
由上圖可知，畸變和 MTF 基本已滿足要求。
主光線角度：
主光線角度比較小，遠心度比較好
插入真實光闌：
注釋優化宏中的關于光闌的指令，再進行優化和模擬退火(50,2,50)：
替換真實玻璃：
將中間三片玻璃透鏡替換成真實材料。
展開 
Ansys Zemax｜用于數字投影光學中均勻照明的蠅眼陣列
因此，這一約束要求投影儀設計包含均勻照明的空間光調制器——通常以LCD面板的形式呈現。理論上聽起來很容易，但實際上，此面板上的光源光束通常是高斯分布的（即不均勻的）。因此，需要一種裝置來“去高斯化”，或在空間上將不均勻的光束分布轉換成均勻的光束分布。具有這種能力的設備之一就是一對蠅眼光積分器陣列。在本文中，我們將研究這些設備及其最佳設置。
什么是蠅眼陣列？
蠅眼陣列是由許多單個光學元件組裝成單獨的二維陣列光學元件，它用于將像面上非均勻的空間光線分布轉換為均勻的輻照度分布。使用蠅眼陣列的數字投影系統通常與含有能夠提供半準直入射光的拋物面反射器的大燈組件一起使用。目前，它們主要應用于LCD數字投影機燈光引擎中，對空間光調制器照明平面進行均勻照明。
上圖為蠅眼陣列（此照片由In Vision提供，網址為：www.in-vision.at)。陣列中的每個光學元件可以是正方形或長方形的，每個光學元件的表面可以是球面或是有一定變形的（在垂直和水平方向上的光焦度不同）。光焦度通常只在陣列的一個表面上，第二個表面通常是平面的。
在OpticStudio中建模這種設置的最簡單方法之一是使用陣列物體(array object)。提供的示例，選擇了透鏡陣列1(Lenslet Array 1)物體，它由矩形體陣列組成，每個矩形體的前表面為平面，后表面為用戶自定義數目的重復曲面。后表面可以是平面、球面、圓錐面、多項式非球面或環形表面。這使得陣列中透鏡元件表面形狀的定義和優化具有了極大的靈活性。下圖顯示了透鏡陣列1物體，它是由7 x 5個矩形透鏡組成的透鏡陣列，每個矩形透鏡都可以看作一個球面透鏡的矩形區域。
展開 定焦投影物鏡設計以及優化 | SYNOPSYS 光學設計軟件第68課
投影物鏡的物是空間光調制器 SLM，包括上面提到的 LCD 和 DLP ，它決定了物鏡的視場線和分辨率，從而影響系統外形尺寸和信息量。但實際設計時會倒置設計，將其放在像面。
2. 像方遠心：在像空間中，出瞳位于無限遠，所有視場的主光線都和光軸平行，從而和 SLM 垂直。這是空間光調制器物理效應的基本要求。
3. 大部分物鏡帶有一個耦合棱鏡，如 LCD 投影儀的 X 棱鏡和 DLP 投影儀的 TIE 棱鏡，這些棱鏡厚度較大，對像差有較大影響，是整個成像光路的一部分。
4. 定焦和變焦物鏡：為了適應不同的應用環境，投影物鏡大部分是變焦物鏡。
本文將展示使用 SYNOPSYS 軟件進行離軸反射式光學系統初始結構的設計。
展開 短焦微型非球面投影物鏡設計 | SYNOPSYS 光學設計軟件第69課
投影物鏡的物是空間光調制器 SLM，包括上面提到的 LCD 和 DLP，它決定了物鏡的視場線和分辨率，從而影響系統外形尺寸和信息量。但實際設計時會倒置設計，將其放在像面。
2. 像方遠心：在像空間中，出瞳位于無限遠，所有視場的主光線都和光軸平行，從而和 SLM 垂直。這是空間光調制器物理效應的基本要求。
3. 大部分物鏡帶有一個耦合棱鏡，如 LCD 投影儀的 X 棱鏡和 DLP 投影儀的 TIE 棱鏡，這些棱鏡厚度較大，對像差有較大影響，是整個成像光路的一部分。
4. 定焦和變焦物鏡：為了適應不同的應用環境，投影物鏡大部分是變焦物鏡。
本文將展示使用 SYNOPSYS 軟件進行短焦微型非球面投影物鏡的設計，與上次課程不同的地方是本次設計中使用了非球面面型進行搭建。
展開 Ansys Zemax | 用于數字投影光學中均勻照明的蠅眼陣列
因此，這一約束要求投影儀設計包含均勻照明的空間光調制器——通常以LCD面板的形式呈現。理論上聽起來很容易，但實際上，此面板上的光源光束通常是高斯分布的（即不均勻的）。因此，需要一種裝置來“去高斯化”，或在空間上將不均勻的光束分布轉換成均勻的光束分布。具有這種能力的設備之一就是一對蠅眼光積分器陣列。在本文中，我們將研究這些設備及其最佳設置。
什么是蠅眼陣列？
蠅眼陣列是由許多單個光學元件組裝成單獨的二維陣列光學元件，它用于將像面上非均勻的空間光線分布轉換為均勻的輻照度分布。使用蠅眼陣列的數字投影系統通常與含有能夠提供半準直入射光的拋物面反射器的大燈組件一起使用。目前，它們主要應用于LCD數字投影機燈光引擎中，對空間光調制器照明平面進行均勻照明。
上圖為蠅眼陣列（此照片由In Vision提供，網址為：www.in-vision.at)。陣列中的每個光學元件可以是正方形或長方形的，每個光學元件的表面可以是球面或是有一定變形的（在垂直和水平方向上的光焦度不同）。光焦度通常只在陣列的一個表面上，第二個表面通常是平面的。
在OpticStudio中建模這種設置的最簡單方法之一是使用陣列物體(array object)。提供的示例，選擇了透鏡陣列1(Lenslet Array 1)物體，它由矩形體陣列組成，每個矩形體的前表面為平面，后表面為用戶自定義數目的重復曲面。后表面可以是平面、球面、圓錐面、多項式非球面或環形表面。這使得陣列中透鏡元件表面形狀的定義和優化具有了極大的靈活性。
展開 Ansys Lumerical | 薄膜鈮酸鋰電光相位調制器
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在這個示例中，我們基于Mercante等人的工作[1]模擬了一種薄膜鈮酸鋰（LNOI）相位調制器。通過利用引入的各向異性介電常數特性，我們在CHARGE中計算了由射頻引發的電容電場（E場）。然后，這些電場用于通過Pockels效應在電信波長下計算鈮酸鋰中的電光折射率擾動。接著，我們在FEEM中計算了擾動的LN波導的光學模式，以及TE基模的電壓相關相位調制性能，包括損耗和VπL。
概述
背景
光收發器將電信號轉換為光信號。所有的計算都始于電子領域，然后通過將信號從電信號轉換為光信號，我們可以提升更多的通道，擁有更大的帶寬，這可以在長距離傳輸中顯著減小信號衰減。這些器件在互聯網的長距離傳輸中起著至關重要的作用，以滿足流量和延遲需求的日益增長。我們可以將光收發器及光電探測器視作連接到互聯網超級高速公路的出口和入口。
這些器件通常采用Mach-Zehnder干涉結構，其中載波被分到兩個傳輸通道，并在輸出處重新耦合。通過施加有數據信息的電信號來改變兩個臂中的光的相位，將導致在輸出處出現相干性。Mach-Zehnder干涉結構通常用作非常敏感的光學儀器，但在這種情況下，光的相位被有意地調制，因此此類器件通常被稱為Mach-Zehnder調制器（MZM）。當前，已經使用了多種材料平臺和物理效應來實現這種功能。在這個示例中，我們關注鈮酸鋰中的Pockel效應。
大多數用于相位調制的物理機制都比較弱，導致器件整體需要非常大的尺寸。另一方面，一些特殊材料可能會導致傳輸損耗較大，或者難以與其它光學和電子集成。鈮酸鋰具有較大的吸收帶寬和明顯的各向異性，因此可以實現低損耗和高調制效率。傳統的晶體鈮酸鋰已經得到廣泛的應用，但是晶體鈮酸鋰的制備方法無法制備高折射率差的光波導。
展開 VirtualLab運用：基于SLM光束整形系統中光學系統像差的研究
空間光調制器(SLM.0003 v1.0)
應用示例簡述
1.系統細節
?光源
—高斯激光束
?組件
—反射型空間光調制器組件及后續的2f系統
—不同的傅里葉透鏡設計(球面，非球面) 具有不同的性能和像差
?探測器
—視覺感知的仿真
—高帽，轉換效率，信噪比
?建模/設計
—場追跡：
?基于不同性能傅里葉透鏡的SLM光束整形系統的性能評估。
2.系統說明
3.建模&設計結果
不同真實傅里葉透鏡的結果：
4.總結
基于采用傅里葉光學的SLM光束整形系統的性能研究。
?理想光學系統采用2f系統代替具有透鏡像差的真實透鏡。
?分析由不同球面和非球面的性對高帽光束質量的影響。
光束整形應用需要高性能和低像差的光學系統，如非球面系統。
應用示例詳細內容
系統參數
1.該應用實例的內容
2.仿真任務
在之前的案例中，采用了理想的傅里葉光學系統(2f系統)。在接下來的工作中，使用真實的透鏡進行替換，該透鏡存在多種光學像差。
3.參數：準直輸入光源
4.參數：SLM透射函數
5.由理想系統到實際系統
? 用真實的傅里葉透鏡代替理想2f系統。
? 因此會產生像差，像差由所用系統的性能決定。
? 對于真實透鏡系統的描述，需要必要的耦合參數。
? 實際系統可這樣選擇：有效焦距有2f系統相近。
? 表格中的參數與之前采用的2f系統理想指標一致。
展開 【Lumerical系列】硅基電光調制器（3.1）——常用的光學結構
(相關鏈接為：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042322794-Ring-Modulator)
圖5：硅基環形調制器的設計流程
2. 馬赫-曾德爾型干涉儀
1)結構概述：
馬赫-曾德爾型調制器(Mach-Zehnder modulator, MZM)是利用相位調制實現強度調制的器件，廣泛應用于鈮酸鋰電光調制器、硅基電光調制器等各類調制器件與光開關器件。典型的MZM結構如下圖所示，分別由輸入波導、輸出波導、一個3 dB分束器、兩個調制臂和一個3 dB合束器組成，兩條調制臂通常為對稱結構、也有非對稱的情況。圖中的兩條調制臂為采用了載流子注入型、載流子耗盡型或者載流子積累型的硅波導。
圖6：馬赫-曾德爾型調制器的基本結構
2)基本原理：
當入射光從輸入端輸入，經過一個Y分支結構的3 dB分束器后，被分成功率相等的兩束光，并分別進入兩個調制臂中。由于兩條調制臂是對稱的，在無外加電壓的情況下，兩束光的相位相同，在合束器匯合時無相位差。根據干涉理論，兩束光的相位差為零時，干涉相長，此時從輸出端輸出的光強最大，光信號可看作是“1”信號，當對其中的一臂施加外加電壓進行調制時，該臂的有效折射率發生變化，兩束光的相位發生改變，我們將兩束光的相位分別記為φ1（經過調制的）和φ2：
其中，β1、β1以及 、 分別表示光在兩臂中的相位傳播常數以及波導的有效折射率，λ為入射光的波長，當兩束光在合束器匯合時，存在相位差，進行干涉后，光強不是最大值，若相位差為π，則干涉相消，在輸出端無光信號，此時可視為“0”信號。
展開 
Lumerical系列模塊聯合仿真中紅外硅基電光調制器
電光調制器，一種通過外部手段改變材料折射率的光電子器件，常用于電信號與光信號轉換過程。現實當中電光調制器種類繁多，諸如鈮酸鋰基的電光調制器、硅基的電光調制器、基于等離子共振色散的電光調制器等等。然而，這些調制器原理不一樣，這造就了分析調制器的原理和方法不能放之四海而皆準，必然是針對具體問題要采用特定的方法和技巧。考慮到硅基電光調制器的成熟工藝，下文將展現仿真硅基電光調制的整個流程。后面若有機會再分享鈮酸鋰基電光調制器和基于等離子共振色散的電光調制器。
在這里，硅基調制器的幾何結構以發表在Photonic research【High-speed silicon photonic Mach–Zehnder modulator at 2 μm】的文章為案例。具體參數如下圖所示：
其中，不同區域的載流子濃度如下表格所示：
P
81e17/cm3
P+
21e18/cm3
P++
1e19/cm3
N
41e17/cm3
N+
21e18/cm3
N++
1e19/cm3
接下來，我們使用Charge模塊分析電壓驅動下硅材料的復數折射率的變化。
展開 ZEMAX | 如何模擬照明均勻的復眼透鏡陣列
本文結合數字投影儀的設計案例，介紹了復眼空間光積分器 (Fly`s eye spatial light integrator) 的設計方法。
介紹
在數字投影儀的設計過程中，如果我們想要顯示一張靜止或動態的圖片，我們需要圖片可以被均勻的照明并呈現在屏幕上。為了實現均勻照明畫面，我們需要將空間光調制器，例如液晶顯示器被均勻的照明。通常情況下，光源的輻照度分布通常為高斯分布，因此無法直接均勻的照明空間光調制器。我們必須對輻照度分布進行“去高斯化”，將非均勻的分布變為均勻分布。其中一個方法是使用一組復眼透鏡陣列空間光積分器。在這篇文章中，我們將具體展示如何使用它實現這一目標。
復眼透鏡陣列
復眼透鏡陣列是由多個獨立的光學元件組成的二維陣列，其中也可以將多個光學元件制成一個整體。它可以將照明平面上非均勻的輻照度分布轉換為均勻分布。在數字投影系統中，復眼透鏡經常用于連接從燈泡及其拋物線型反光杯發出的半準直入射光。在目前的應用中，他們主要用于數字液晶投影儀的照明引擎中，為空間光調制器提供均勻輻照度分布的照明平面。
如上圖所示為復眼透鏡陣列，該圖片由 In Vision 公司提供。陣列中每個獨立的光學元件的輪廓可以是方形或矩形的，并且每個光學元件的外形可以為球面或非球面（例如 X和 Y 方向光焦度不同的情況）。通常情況下，陣列中的光學元件只在一個表面上有光焦度，另一個表面通常為平面。
展開 Lumerical案例 | 一種超高效率集成等離子體鈮酸鋰電光馬赫-曾德爾調制器
初步研究顯示其調制效率達0.23Vcm，電光調制帶寬受限于固有阻抗失配為3GHz。迄今，在TFLN MZMs中同時實現超緊湊占用面積、高調制效率與大電光帶寬仍難以實現。相比之下，采用金屬-絕緣體-金屬結構的等離子體槽波導（PSW）不僅能實現優異的電場——光場限制與重疊，其帶寬更可延伸至太赫茲頻段。然而，如何構建兼具高效率與寬帶寬的PSW TFLN MZM仍屬未開發領域。
在本研究中，我們通過利用具有強電場與光場限制特性（低于光學衍射極限）的PSW，實驗性地演示了等離子體TFLN強度調制器。我們實現了創紀錄的0.070Vcm調制效率——較傳統介質波導TFLN調制器降低兩個數量級，并在僅15微米的超短長度下實現了超過110GHz的電光帶寬。基于該新型等離激元槽式TFLN調制器，我們成功實現110Gbaud BPSK信號傳輸，其比特誤碼率(BER)達2.5×10??，能耗僅為0.82pJ·bit?1。該等離激元MZM首次將LN固有的大、快速Pockels EO系數與納米尺度PSW中前所未有的增強光-物質相互作用相結合。此類新型器件及其卓越性能，非常適合用于未來高速、高密度光子集成系統，可應用于光計算、光通信或光傳感功能。
2.結果
2.1器件設計與制備
所提出的等離子體TFLN調制器由兩個PSW-LN移相器構成，其采用馬赫-曾德爾干涉布局嵌套排列（圖1a）。我們采用推挽驅動方案，向兩個移相器臂施加等幅反相射頻信號，從而有效抑制電光調制中的chirp效應，實現比單移相器高兩倍的調制效率。該PSW利用Au-LN界面間的表面等離激元，實現電場與光場的強限制與重疊，從而顯著提升調制效率，其增強效果可通過公式量化描述。
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