光學調制
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
光學調制的實例教程
本期我們將開始一個新的系列專題——有源光子器件的設計與仿真，涉及到調制器、探測器、激光器在內的眾多有源器件。我們將以Ansys Lumerical上的案例為基礎，從基本的硅光調制器開始，介紹調制器的基本原理、性能指標、常見結構、設計流程、建模仿真等步驟，使用Ansys Lumerical CHARG、HEAT以及INTERCONNECT等軟件，最終完成單個光子器件到光子集成電路的仿真設計。接下來讓我們從光學調制的基本概念開始。
什么是光學調制？
在介紹硅光調制器的之前，首先解決一個問題：什么是光學調制？我們不難找到它的定義，即“光調制技術就是將一個攜帶信息的信號疊加到載波光波上的一種調制技術”，這個定義更偏向于光學通信。從光學原理的角度來看，光學調制則是改變光信號的強度（振幅）、頻率、相位、傳播方向等一個或多個特征參數的過程。在這些參數中，大部分光探測器（包括人眼）對光強（振幅）最為敏感，且其他光學參數如頻率、相位等也可以通過光強的變化來表達，因此可以通過檢測光強（振幅）的變化來檢測光學調制的效果。
光學調制的作用是什么？
光學調制的作用可歸納為以下幾個方面：首先對于光纖通信而言，光學調制可以將電信號轉換為光信號，以便在光纖中實現高速度、大容量、高帶寬、低損耗、以及抗電磁干擾能力強的數據傳輸。此外通過復雜的調制方式，光信號的攔截和竊聽更為困難，因此具有較高的安全性。其次，在光子集成電路中，光學調制器可以與其他光電子器件高密度集成在一個芯片上，用于各種光信號處理應用，包括復用、解復用、路由等。在數據中心和高性能計算系統中，光學調制可用于實現高速光互連，大幅提高數據交換速度，減少延遲，提升整體計算效率。最后在測量和傳感領域，光學調制技術也有廣泛應用，如光纖傳感器和干涉儀測量。
展開 文章轉載自：中關村通力科服
威睛光學，就是人眼中的“晶狀體”與“大腦視皮層”——既承擔動態相位調制的光學編碼，又執行神經計算的光電解碼，為AI時代機器視覺的每一次判斷，奠定“所見即所得、所得即真相”的物理基石。
摘要
在AI與機器視覺狂飆突進的時代，一個根本性追問被長期懸置：當算法越來越“聰明”，它賴以判斷的原始數據——光子攜帶的物理信息——是否足夠“誠實”？威睛光學給出了獨有的答案。這家計算光學企業，以相位調制為核心靈魂，構建了從光學硬件（自由曲面、超構表面、液體透鏡）到算法（相位恢復）的完整技術閉環。其本質，是對人眼光學系統——角膜、晶狀體、瞳孔協同進行相位調制，大腦視皮層完成神經解碼——這一生物策略的工程化復現與超越。本報告系統論證：相位是光場中承載物理信息的最核心維度；對相位的主動調制能力，決定了視覺系統從“看得清”邁向“看得準”的根本能力。在AI從“語義理解”深入“精密測量”的產業轉折期，威睛光學所構建的“相位調制-數學解調”架構，為AI的準確判斷提供了不可動搖的“光學真相”基石——這正是AI時代機器視覺最稀缺、最不可替代的基礎設施。
關鍵詞：威睛光學；相位調制；相位恢復；波前編碼；計算成像；看得準；AI機器視覺；仿生視覺；光學憲法
引言：當AI開始“看”，誰能保證它看到的不是幻象？
2025年，全球計算攝影市場估值231.9億美元，預計到2032年將達805.9億美元。全球AI傳感器市場在2024年約48億美元，預計到2034年將激增至1610億美元。
數字背后是不可逆轉的趨勢：機器的“眼睛”正以前所未有的速度部署到工業檢測、自動駕駛、安防監控、醫療診斷等關鍵領域。但一個根本性問題被忽略了：當AI算法對著一張圖像做出“合格”或“腫瘤”的判斷時，這個判斷的“合法性”建立在什么基礎上？
展開 不同光波與微波速度失配百分比下，行波調制器調制強度與微波頻率的關系
不同特性阻抗和微波損耗下的調制頻率響應
在參考文獻3中，研究了不同特性阻抗和微波損耗的調制頻率響應；我們通過使用我們的行波電極進行仿真，將電極特性阻抗作為參數，復現了這些結果。以下圖表顯示了仿真結果，圖中標明了所有參數。
不同特性阻抗和微波損耗的調制頻率響應
不同相移長度的調制頻率響應
在參考文獻4中，研究了針對不同相移長度的多種調制頻率響應。下圖是我們使用行波電極單元在仿真中重現的結果。兩次測量中相移器的長度分別為1mm和2mm，調制器的偏置電壓分別為0V和-3V。
不同相移長度的調制頻率響應
不同終端阻抗的調制頻率響應
在參考文獻5中，進行了兩項測量。一項是以終端電阻為參數的頻率響應測量，另一項是歸一化平均電壓的測量。下圖顯示了測量結果，并標注了所有參數。
不同終端阻抗的調制頻率響應
4納米和8納米調制器的調制頻率響應
利用參考文獻3中的模型，可通過下圖預測帶寬分別為4nm和8nm的調制器的調制強度。在我們重現的該圖中，藍色和綠色曲線分別測量4nm和8nm調制器的帶寬。
所有使用行波電極元件的仿真結果都與已發表的文獻結果吻合良好，這證明了該元件的準確性。更多信息請參見下文應用示例：系統建模說明與結果。
系統建模說明
在這一部分，提供了兩個行波調制器的系統建模說明，并討論了仿真結果。
為了說明行波調制器的原理，我們構建了兩個仿真系統：其中一個調制器由外部行波電極驅動，另一個調制器則由常規電信號直接驅動，但內置了行波電極。
在文件TWM_waveguide_electrodes.icp中，光學調制器由NRZ電信號驅動，該電信號通過行波電極波導。光學調制器電極類型設置為"lumped"。行波電極波導對電信號產生濾波效果。
展開 此外，基于這種0D/2D納米異質結構發光材料的多功能設備能夠無縫融合光發射、調制和光檢測的功能。
資料來源：Xu HongWei等
圖2. a、集成器件中0D/2D構型復合材料的光學性能示意圖；b、紫外波長范圍內檢測性能的比較分析；c、電場調制（E=6V/mm）下，不同偏振角下發光強度的比較。
構建0D/2D異質結構偏振發光材料的關鍵，不僅在于用不同尺寸的材料有效地錨定組件，還在于確保它們的光學特性能夠無縫協調。為了避免2D材料對0D發光材料激發和發射光之間的潛在吸收猝滅，研究團隊采用了具有寬帶隙和高場靈敏度的鈷摻雜二氧化鈦（CTO）作為基礎色散元件。
通過化學吸附誘導Ti-O-C鍵的形成，該團隊成功合成了CDs/CTO異質結的膠體溶液。這種膠體溶液剛好保留了CTO的光學各向異性特性和CDs的有效藍色發光特性，這也就意味著研究人員成功構建了一款全無機CDs/CTO異質結構的偏振發光材料。
基于上述所開發的異質結構發光材料，研究人員利用光學器件異質結的二向色吸收特性成功實現了360 nm至385 nm范圍內的紫外光的檢測。這其中，CDs的偏振光發射是通過CTO誘導的定向排列實現的，這標志著研究人員基于上述方案成功開發出一種無縫集成調制、發射和檢測的多功能光學控制原型裝置。
該研究成果不僅為偏振發光材料家族引入了一個新成員，還為開發各種異質結構發光材料提供了新的視角和創新的方法。這些特性的融合為光學調制和檢測，以及對偏振發光的調制提供了一種有形的原型器件。這一發現將有可能應用于光催化、生物醫學應用、顯示和光通信等多個不同領域。
展開 聚合物分散液晶(PDLC)內部呈現多孔結構，通過電場能夠對液晶微滴與聚合物基質間的折射率匹配性進行調節，從而實現薄膜光學性能變化。由于制備簡單且成本低，PDLC在動態光學調節窗、建筑墻壁、投影屏幕等方面得到了廣泛的應用。實際上，PDLC的聚合物基體在紅外區域具有特殊的化學鍵振動，有望在大氣窗口范圍內產生穩定的紅外熱發射，這在過去的研究中顯然被忽視了，有待于進一步的探索。
中國PDLC薄膜的工作原理示意圖
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成果掠影
近日，北京大學楊槐教授與湘潭大學謝鶴樓教授合作，通過分子設計，在傳統的PDLC基體中引入具有中紅外發射能力的可聚合單體并調控基體的微觀結構，首次提出了一種電控PRC智能窗，在單一薄膜中同時實現了被動輻射冷卻和太陽光調制。通過給定電壓控制入射太陽光的總量，以毫秒級的響應能力實現了熱量的按需多級管理 。該工作有望為先進光學器件和節能設備的設計提供新的啟示。相關研究成果以“
Ultrafast Switchable Passive Radiative Cooling Smart Windows with Synergistic Optical Modulation”為題發表于《Advanced Functional Materials》。
03
圖文導讀
圖1 a)中國PDLC薄膜的制備工藝示意圖。b)用于制備PRC PDLC薄膜的中紅外發射單體的吸收光譜。
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仿真可幫助設計人員分析由衍射光學元件調制時的場分布、遠場方向圖和波前變化。
Ansys Lumerical套件、Ansys Speos軟件和Ansys Zemax OpticStudio軟件都可以對衍射光學元件進行仿真。在Lumerical套件中，可以使用FDTD和RCWA求解器對單個組件進行設計，而在OpticStudio軟件中，可以對DOE的性能進行分析。
在文件TWM_waveguide_electrodes.icp中，光學調制器由NRZ電信號驅動，該電信號通過行波電極波導。光學調制器電極類型設置為"lumped"。行波電極波導對電信號產生濾波效果。
Data-Defined Transimission(CF-TRAN01)本質上就是一個“把外部定義好的光學調制函數，真正加載進系統里參與計算”的工具。我們在DOE設計里常見的輸出形式是什么？ 往往就是一張相位圖。問題是，這張相位圖本身只是一個文件，它不會自己參與光傳播。你得先想辦法把它變成一個“有物理意義的器件”，軟件才能拿它去調制入射光場。
第四章 從人眼到機眼：仿生視覺的工程化超越
如前幾章串聯所示，威睛光學的相位調制體系與人眼光學系統間，存在著深刻的結構性映射。本章將系統梳理這一仿生學類比，并闡明其意義。
軍用光電吊艙系統分析報告（下）2個月前
智能維度：感算一體實現“探測即識別”，徹底消除端到端延遲
未來布局建議：在已有的技術儲備基礎上，建議將可編程光學調制器件、感算一體探測器、高光譜成像芯片列為最高優先級，并同步布局物理-數據雙驅動重建算法。這些技術將共同構成下一代光電吊艙的核心競爭力。
未來的吊艙是“空中慧眼”，其核心是“讓低空數據會思考”。計算成像模組，正是讓“思考”發生在光信號層面的關鍵技術。
等硅基光電調制器的常見光學結構
1. 微環諧振腔：
1) 結構概述：
微環諧振器（Micro-Ring Resonator, MRR）作為典型的光學諧振器件，具有良好的波長選擇性、腔內增強特性以及高品質因數，因此廣泛應用于光學傳感、光學濾波、激光器、調制器等領域。隨著微納加工工藝的發展，已經實現了半徑為1.5μm的微環。
上一期我們介紹了光學調制的基本概念并總結了電光調制中常用的物理效應，對于硅材料而言，主要的電光效應包括克爾效應、弗朗茲-－凱爾迪什（F-K）效應、量子限制斯塔克（QCSE）效應和等離子體色散（PD）效應等，但體硅材料中克爾效應和F-K效應都非常微弱，因此硅基高速電光調制一般都利用硅材料的等離子體色散效應來實現調制。
接下來讓我們從光學調制的基本概念開始。
什么是光學調制？
在介紹硅光調制器的之前，首先解決一個問題：什么是光學調制？我們不難找到它的定義，即“光調制技術就是將一個攜帶信息的信號疊加到載波光波上的一種調制技術”，這個定義更偏向于光學通信。從光學原理的角度來看，光學調制則是改變光信號的強度（振幅）、頻率、相位、傳播方向等一個或多個特征參數的過程。
等效電路中結電容兩端的電壓保存在一個文本文件中，并在下一步中用作環形調制器光學模型的輸入。
步驟2：光信道
Lumerical INTERCONNECT用于模擬由激光源、發射器和接收器組成的光信道。
上一步中記錄在文本文件中的電壓由“Signal Voltage”元件讀取，并用于驅動發射器中的環形調制器模型。使用3dB衰減來模擬調制器和接收器上的光電探測器之間的光信道損耗。
圖2 光學調制傳遞函數
點列圖分析：通過Zemax的點列圖仿真功能，跟蹤不同視場射線束的分布情況。結果顯示，0°至40°全視場范圍內，彌散斑均位于艾里斑內，球差、彗差等像差得到有效抑制。
