光學(xué)調(diào)制的案例
【Lumerical系列】硅基光電調(diào)制器（1）——基本原理
本期我們將開始一個新的系列專題——有源光子器件的設(shè)計與仿真，涉及到調(diào)制器、探測器、激光器在內(nèi)的眾多有源器件。我們將以Ansys Lumerical上的案例為基礎(chǔ)，從基本的硅光調(diào)制器開始，介紹調(diào)制器的基本原理、性能指標(biāo)、常見結(jié)構(gòu)、設(shè)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(shè)計。接下來讓我們從光學(xué)調(diào)制的基本概念開始。
什么是光學(xué)調(diào)制？
在介紹硅光調(diào)制器的之前，首先解決一個問題：什么是光學(xué)調(diào)制？我們不難找到它的定義，即“光調(diào)制技術(shù)就是將一個攜帶信息的信號疊加到載波光波上的一種調(diào)制技術(shù)”，這個定義更偏向于光學(xué)通信。從光學(xué)原理的角度來看，光學(xué)調(diào)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(shù)的過程。在這些參數(shù)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(xué)參數(shù)如頻率、相位等也可以通過光強的變化來表達(dá)，因此可以通過檢測光強（振幅）的變化來檢測光學(xué)調(diào)制的效果。
光學(xué)調(diào)制的作用是什么？
光學(xué)調(diào)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(xué)調(diào)制可以將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，以便在光纖中實現(xiàn)高速度、大容量、高帶寬、低損耗、以及抗電磁干擾能力強的數(shù)據(jù)傳輸。此外通過復(fù)雜的調(diào)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(xué)調(diào)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(yīng)用，包括復(fù)用、解復(fù)用、路由等。在數(shù)據(jù)中心和高性能計算系統(tǒng)中，光學(xué)調(diào)制可用于實現(xiàn)高速光互連，大幅提高數(shù)據(jù)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(lǐng)域，光學(xué)調(diào)制技術(shù)也有廣泛應(yīng)用，如光纖傳感器和干涉儀測量。
展開 計算成像的“光學(xué)憲法”：以相位調(diào)制為靈魂的AI視覺新范式
文章轉(zhuǎn)載自：中關(guān)村通力科服
威睛光學(xué)，就是人眼中的“晶狀體”與“大腦視皮層”——既承擔(dān)動態(tài)相位調(diào)制的光學(xué)編碼，又執(zhí)行神經(jīng)計算的光電解碼，為AI時代機(jī)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(jī)器視覺狂飆突進(jìn)的時代，一個根本性追問被長期懸置：當(dāng)算法越來越“聰明”，它賴以判斷的原始數(shù)據(jù)——光子攜帶的物理信息——是否足夠“誠實”？威睛光學(xué)給出了獨有的答案。這家計算光學(xué)企業(yè)，以相位調(diào)制為核心靈魂，構(gòu)建了從光學(xué)硬件（自由曲面、超構(gòu)表面、液體透鏡）到算法（相位恢復(fù)）的完整技術(shù)閉環(huán)。其本質(zhì)，是對人眼光學(xué)系統(tǒng)——角膜、晶狀體、瞳孔協(xié)同進(jìn)行相位調(diào)制，大腦視皮層完成神經(jīng)解碼——這一生物策略的工程化復(fù)現(xiàn)與超越。本報告系統(tǒng)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(diào)制能力，決定了視覺系統(tǒng)從“看得清”邁向“看得準(zhǔn)”的根本能力。在AI從“語義理解”深入“精密測量”的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)折期，威睛光學(xué)所構(gòu)建的“相位調(diào)制-數(shù)學(xué)解調(diào)”架構(gòu)，為AI的準(zhǔn)確判斷提供了不可動搖的“光學(xué)真相”基石——這正是AI時代機(jī)器視覺最稀缺、最不可替代的基礎(chǔ)設(shè)施。
關(guān)鍵詞：威睛光學(xué)；相位調(diào)制；相位恢復(fù)；波前編碼；計算成像；看得準(zhǔn)；AI機(jī)器視覺；仿生視覺；光學(xué)憲法
引言：當(dāng)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(yù)計到2032年將達(dá)805.9億美元。全球AI傳感器市場在2024年約48億美元，預(yù)計到2034年將激增至1610億美元。
數(shù)字背后是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢：機(jī)器的“眼睛”正以前所未有的速度部署到工業(yè)檢測、自動駕駛、安防監(jiān)控、醫(yī)療診斷等關(guān)鍵領(lǐng)域。但一個根本性問題被忽略了：當(dāng)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(chǔ)上？
展開 Lumerical案例 | 具有分布式電極的行波調(diào)制器
不同光波與微波速度失配百分比下，行波調(diào)制器調(diào)制強度與微波頻率的關(guān)系
不同特性阻抗和微波損耗下的調(diào)制頻率響應(yīng)
在參考文獻(xiàn)3中，研究了不同特性阻抗和微波損耗的調(diào)制頻率響應(yīng)；我們通過使用我們的行波電極進(jìn)行仿真，將電極特性阻抗作為參數(shù)，復(fù)現(xiàn)了這些結(jié)果。以下圖表顯示了仿真結(jié)果，圖中標(biāo)明了所有參數(shù)。
不同特性阻抗和微波損耗的調(diào)制頻率響應(yīng)
不同相移長度的調(diào)制頻率響應(yīng)
在參考文獻(xiàn)4中，研究了針對不同相移長度的多種調(diào)制頻率響應(yīng)。下圖是我們使用行波電極單元在仿真中重現(xiàn)的結(jié)果。兩次測量中相移器的長度分別為1mm和2mm，調(diào)制器的偏置電壓分別為0V和-3V。
不同相移長度的調(diào)制頻率響應(yīng)
不同終端阻抗的調(diào)制頻率響應(yīng)
在參考文獻(xiàn)5中，進(jìn)行了兩項測量。一項是以終端電阻為參數(shù)的頻率響應(yīng)測量，另一項是歸一化平均電壓的測量。下圖顯示了測量結(jié)果，并標(biāo)注了所有參數(shù)。
不同終端阻抗的調(diào)制頻率響應(yīng)
4納米和8納米調(diào)制器的調(diào)制頻率響應(yīng)
利用參考文獻(xiàn)3中的模型，可通過下圖預(yù)測帶寬分別為4nm和8nm的調(diào)制器的調(diào)制強度。在我們重現(xiàn)的該圖中，藍(lán)色和綠色曲線分別測量4nm和8nm調(diào)制器的帶寬。
所有使用行波電極元件的仿真結(jié)果都與已發(fā)表的文獻(xiàn)結(jié)果吻合良好，這證明了該元件的準(zhǔn)確性。更多信息請參見下文應(yīng)用示例：系統(tǒng)建模說明與結(jié)果。
系統(tǒng)建模說明
在這一部分，提供了兩個行波調(diào)制器的系統(tǒng)建模說明，并討論了仿真結(jié)果。
為了說明行波調(diào)制器的原理，我們構(gòu)建了兩個仿真系統(tǒng)：其中一個調(diào)制器由外部行波電極驅(qū)動，另一個調(diào)制器則由常規(guī)電信號直接驅(qū)動，但內(nèi)置了行波電極。
在文件TWM_waveguide_electrodes.icp中，光學(xué)調(diào)制器由NRZ電信號驅(qū)動，該電信號通過行波電極波導(dǎo)。光學(xué)調(diào)制器電極類型設(shè)置為"lumped"。行波電極波導(dǎo)對電信號產(chǎn)生濾波效果。
展開 科學(xué)家開發(fā)出一種新的偏振異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光材料！2D材料和0D量子點的“結(jié)合”，為未來新型顯示器帶來可能
此外，基于這種0D/2D納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光材料的多功能設(shè)備能夠無縫融合光發(fā)射、調(diào)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(gòu)型復(fù)合材料的光學(xué)性能示意圖；b、紫外波長范圍內(nèi)檢測性能的比較分析；c、電場調(diào)制（E=6V/mm）下，不同偏振角下發(fā)光強度的比較。
構(gòu)建0D/2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)偏振發(fā)光材料的關(guān)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(xué)特性能夠無縫協(xié)調(diào)。為了避免2D材料對0D發(fā)光材料激發(fā)和發(fā)射光之間的潛在吸收猝滅，研究團(tuán)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(chǔ)色散元件。
通過化學(xué)吸附誘導(dǎo)Ti-O-C鍵的形成，該團(tuán)隊成功合成了CDs/CTO異質(zhì)結(jié)的膠體溶液。這種膠體溶液剛好保留了CTO的光學(xué)各向異性特性和CDs的有效藍(lán)色發(fā)光特性，這也就意味著研究人員成功構(gòu)建了一款全無機(jī)CDs/CTO異質(zhì)結(jié)構(gòu)的偏振發(fā)光材料。
基于上述所開發(fā)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光材料，研究人員利用光學(xué)器件異質(zhì)結(jié)的二向色吸收特性成功實現(xiàn)了360 nm至385 nm范圍內(nèi)的紫外光的檢測。這其中，CDs的偏振光發(fā)射是通過CTO誘導(dǎo)的定向排列實現(xiàn)的，這標(biāo)志著研究人員基于上述方案成功開發(fā)出一種無縫集成調(diào)制、發(fā)射和檢測的多功能光學(xué)控制原型裝置。
該研究成果不僅為偏振發(fā)光材料家族引入了一個新成員，還為開發(fā)各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光材料提供了新的視角和創(chuàng)新的方法。這些特性的融合為光學(xué)調(diào)制和檢測，以及對偏振發(fā)光的調(diào)制提供了一種有形的原型器件。這一發(fā)現(xiàn)將有可能應(yīng)用于光催化、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用、顯示和光通信等多個不同領(lǐng)域。
展開 
具有超快光學(xué)調(diào)制的被動輻射冷卻智能窗
聚合物分散液晶(PDLC)內(nèi)部呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，通過電場能夠?qū)σ壕⒌闻c聚合物基質(zhì)間的折射率匹配性進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)薄膜光學(xué)性能變化。由于制備簡單且成本低，PDLC在動態(tài)光學(xué)調(diào)節(jié)窗、建筑墻壁、投影屏幕等方面得到了廣泛的應(yīng)用。實際上，PDLC的聚合物基體在紅外區(qū)域具有特殊的化學(xué)鍵振動，有望在大氣窗口范圍內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的紅外熱發(fā)射，這在過去的研究中顯然被忽視了，有待于進(jìn)一步的探索。
中國PDLC薄膜的工作原理示意圖
02
成果掠影
近日，北京大學(xué)楊槐教授與湘潭大學(xué)謝鶴樓教授合作，通過分子設(shè)計，在傳統(tǒng)的PDLC基體中引入具有中紅外發(fā)射能力的可聚合單體并調(diào)控基體的微觀結(jié)構(gòu)，首次提出了一種電控PRC智能窗，在單一薄膜中同時實現(xiàn)了被動輻射冷卻和太陽光調(diào)制。通過給定電壓控制入射太陽光的總量，以毫秒級的響應(yīng)能力實現(xiàn)了熱量的按需多級管理 。該工作有望為先進(jìn)光學(xué)器件和節(jié)能設(shè)備的設(shè)計提供新的啟示。相關(guān)研究成果以“
Ultrafast Switchable Passive Radiative Cooling Smart Windows with Synergistic Optical Modulation”為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》。
03
圖文導(dǎo)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(fā)射單體的吸收光譜。
展開 【Lumerical系列】硅基電光調(diào)制器（3.1）——常用的光學(xué)結(jié)構(gòu)
前面兩期我們分別介紹了電光調(diào)制中常用的物理效應(yīng)和常見的幾種調(diào)制結(jié)構(gòu)，其中包括了載流子注入型、載流子耗盡型以及載流子積累型在內(nèi)的三中常見的調(diào)制結(jié)構(gòu)，并簡單總結(jié)了三種結(jié)構(gòu)的調(diào)制機(jī)制、調(diào)制過程、所需的電極結(jié)構(gòu)、以及優(yōu)缺點和適用范圍。
對于載流子注入型調(diào)制結(jié)構(gòu)而言，它的調(diào)制效率高，使用結(jié)構(gòu)簡單的集總電極，工藝簡單利于制造，適用于對調(diào)制速度要求不高的片上傳感等領(lǐng)域。載流子耗盡型調(diào)制結(jié)構(gòu)依賴多數(shù)載流子的注入，它的調(diào)制速度快，多采用馬赫-曾德爾型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并使用行波電極作為驅(qū)動電極，多應(yīng)用于需要高速調(diào)制的領(lǐng)域。與前兩種結(jié)構(gòu)相比，載流子積累型也有較高的調(diào)制速度，但需要氧化物來充當(dāng)電容，增加了工藝難度，現(xiàn)階段應(yīng)用范圍較窄。
本期我們針對硅光調(diào)制器的幾種常見的光學(xué)結(jié)構(gòu)，如微環(huán)諧振腔、馬赫-曾德爾干涉儀、慢光諧振腔以及邁克爾遜干涉儀等，簡單闡述這些結(jié)構(gòu)的基本原理、調(diào)制機(jī)制、優(yōu)缺點、性能參數(shù)和應(yīng)用范圍。
等硅基光電調(diào)制器的常見光學(xué)結(jié)構(gòu)
1. 微環(huán)諧振腔：
1) 結(jié)構(gòu)概述：
微環(huán)諧振器（Micro-Ring Resonator, MRR）作為典型的光學(xué)諧振器件，具有良好的波長選擇性、腔內(nèi)增強特性以及高品質(zhì)因數(shù)，因此廣泛應(yīng)用于光學(xué)傳感、光學(xué)濾波、激光器、調(diào)制器等領(lǐng)域。隨著微納加工工藝的發(fā)展，已經(jīng)實現(xiàn)了半徑為1.5μm的微環(huán)。對于激光器、調(diào)制器等有源器件而言，小的微環(huán)尺寸可實現(xiàn)小的驅(qū)動電流、高的調(diào)制頻率。
2)基本原理：
如圖1所示，典型的MRR結(jié)構(gòu)由直波導(dǎo)和閉合環(huán)形波導(dǎo)兩部組成，光從輸入波導(dǎo)的輸入端進(jìn)入，傳播至微環(huán)處一部分光以倏逝波的方式耦合到環(huán)形波導(dǎo)中，另一部分光從直通段輸出。耦合進(jìn)入環(huán)形波導(dǎo)的光在傳播一周改變的相位正好等于2π的整數(shù)倍，與新耦合進(jìn)入微環(huán)的光滿足相干條件，兩者相互干涉產(chǎn)生諧振增強效應(yīng)。
展開 國產(chǎn)光學(xué)軟件突破 | 3D可視化衍射光波導(dǎo)仿真
其投影光學(xué)系統(tǒng)焦距 14.5 mm，對角線視場角 28°，總長度僅 9.45 mm，光學(xué)元件直徑小于 5.4 mm，憑借緊湊小巧的特性，完美適配近眼顯示設(shè)備的輕量化需求。在性能表現(xiàn)上，該系統(tǒng)在 30 cycles/mm 采樣頻率下的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）值均優(yōu)于 0.7，成像質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
可視化3D衍射光波導(dǎo)模組示意圖（來自原文）
為驗證模塊性能，研發(fā)團(tuán)隊與市面主流商業(yè)軟件，在衍射效率、均勻性及光線路徑等關(guān)鍵指標(biāo)上展開對比，結(jié)果充分證明了該國產(chǎn)模塊的精度與可靠性。目前，該成果已以相關(guān)論文形式發(fā)表于國產(chǎn)核心期刊《中國光學(xué)》第 18 卷第 4 期，相關(guān)光波導(dǎo)模塊已正式嵌入武漢二元科技有限公司的 OAS（Optical Advanced Software）軟件。
（a）投影光機(jī)系統(tǒng)布局（b）投影光學(xué)系統(tǒng)的MTF（來自原文）
OAS 光學(xué)軟件的光波導(dǎo)設(shè)計功能非常便捷，該功能將構(gòu)建更為高效、精準(zhǔn)的設(shè)計流程，進(jìn)一步推動光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。目前軟件已在光波導(dǎo)設(shè)計中展現(xiàn)卓越效能，為科研人員和工程師提供技術(shù)保障。
展開 軍用光電吊艙系統(tǒng)分析報告（下）
智能維度：感算一體實現(xiàn)“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(shù)儲備基礎(chǔ)上，建議將可編程光學(xué)調(diào)制器件、感算一體探測器、高光譜成像芯片列為最高優(yōu)先級，并同步布局物理-數(shù)據(jù)雙驅(qū)動重建算法。這些技術(shù)將共同構(gòu)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(shù)據(jù)會思考”。計算成像模組，正是讓“思考”發(fā)生在光信號層面的關(guān)鍵技術(shù)。
威睛光學(xué)成立于2018年，是一家圍繞計算光學(xué)成像技術(shù)，以新一代智能光電產(chǎn)品為核心的高新技術(shù)企業(yè)。公司專注高端光學(xué)技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用，致力于為國家安全和民用領(lǐng)域提供先進(jìn)的光學(xué)產(chǎn)品與解決方案。核心業(yè)務(wù)包括光學(xué)儀器與設(shè)備的研發(fā)、制造，以及光學(xué)系統(tǒng)集成、服務(wù)等。成立以來形成自主知識產(chǎn)權(quán)60+項，具有ISO9001質(zhì)量體系認(rèn)證，并獲得國家高新技術(shù)企業(yè)、專精特新中小企業(yè)等多項榮譽，技術(shù)成果已成功進(jìn)入“慧眼行動”遴選，同時得到多家國企投資機(jī)構(gòu)資金支持。
公司AI計算成像超景深無焦點技術(shù)已達(dá)高水平，其核心產(chǎn)品擴(kuò)景深無焦點相機(jī)、激光測照器、激光導(dǎo)引頭、制冷&非制冷紅外熱像儀等，在國家安全、工業(yè)檢測、航天航空、生物醫(yī)療、安防監(jiān)控等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這些產(chǎn)品不僅提升了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的性能，還為各行業(yè)提供更高效、精準(zhǔn)的技術(shù)解決方案。
如想了解我司產(chǎn)品，歡迎加威：threephy
展開 RP 系列激光分析設(shè)計軟件 | 主動鎖模
調(diào)制器頻率是往返頻率的整數(shù)倍。該方法的一個變種是有理諧波鎖模，其調(diào)制頻率為往返頻率乘以兩個整數(shù)之比。
與被動鎖模的比較：
與被動鎖模相比，主動鎖模通常會產(chǎn)生脈沖持續(xù)時間更長的脈沖。這主要是因為脈沖越短，調(diào)制器的脈沖縮短效果就越差。相比之下，用于被動鎖模的可飽和吸收器可以在脈沖變短時提供更快的損耗調(diào)制。
主動鎖模的另一個缺點是需要光學(xué)調(diào)制器、電子驅(qū)動器和（大多數(shù)情況下）同步裝置（見上文）。
另一方面，當(dāng)需要與某些電子信號同步的脈沖序列時，或當(dāng)許多激光器需要同步運行時，主動鎖模是一種自然的解決方案。因此，主動鎖模通常用于光纖通信。
展開 Nature | 超薄非線性量子光源
一方面，該材料具有可隨層數(shù)擴(kuò)展的極強的二階非線性光學(xué)效應(yīng)，相比其他已報道的二維材料以及傳統(tǒng)χ(2)晶體，在構(gòu)建小型化、可集成的量子光源以及經(jīng)典和量子光學(xué)調(diào)制器等開辟了一條全新的道路。未來，通過進(jìn)一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)或者結(jié)合諧振結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在如SPDC源亮度以及偏振特性調(diào)控方面還有巨大的可探索空間。
另外，NbOCl?具有的極弱層間電子耦合以及塊體中類單層的顯著激子效應(yīng)等特性，區(qū)別于目前已報道的其他二維材料體系，將為凝聚態(tài)物理研究者，尤其是二維材料研究者提供了一個獨特的研究對象，有望產(chǎn)生一些新的物理。另外，對于二維材料異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建來說，NbOCl?作為一個全新的候選“模塊”，其特性有望帶來一些新的器件概念。
論文信息
Guo, Q., Qi, XZ., Zhang, L. et al. Ultrathin quantum light source with van der Waals NbOCl? crystal. Nature 613, 53–59 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05393-7
文章來源：中國光學(xué)
展開 常見光學(xué)名詞圖解
18、總高TTL（Total Track Length）:可分為光學(xué)及機(jī)構(gòu)，一般在光學(xué)試樣中為光學(xué)TTL，在鏡頭圖面中為機(jī)構(gòu)TTL。光學(xué)TTL為從光學(xué)系統(tǒng)的第一片鏡片至成像面的長度，如下圖紅色部分。機(jī)構(gòu)TTL為從Barrel頂端至成像面的長度，如藍(lán)色部分。
19、對比（Contrast）：指影像中的明亮區(qū)域與陰暗區(qū)域的明度比率。如下圖的比較：
當(dāng)然，以上內(nèi)容并不能完全包含所有的光學(xué)名詞，希望能對您有所助益。
【Lumerical系列】硅基光電調(diào)制器（2）——常見的三種調(diào)制結(jié)構(gòu)
上一期我們介紹了光學(xué)調(diào)制的基本概念并總結(jié)了電光調(diào)制中常用的物理效應(yīng)，對于硅材料而言，主要的電光效應(yīng)包括克爾效應(yīng)、弗朗茲-－凱爾迪什（F-K）效應(yīng)、量子限制斯塔克（QCSE）效應(yīng)和等離子體色散（PD）效應(yīng)等，但體硅材料中克爾效應(yīng)和F-K效應(yīng)都非常微弱，因此硅基高速電光調(diào)制一般都利用硅材料的等離子體色散效應(yīng)來實現(xiàn)調(diào)制。
硅光子平臺需要利用載流子注入來實現(xiàn)等離子體色散效應(yīng)，通過在波導(dǎo)上外加偏置電壓使自由載流子濃度發(fā)生變化，進(jìn)而使輸出光波的幅值和相位發(fā)生改變，最終實現(xiàn)電光調(diào)制，但受到載流子本身的復(fù)合壽命的限制，器件的開關(guān)速度只能達(dá)到MHz量級，接下來我們簡單介紹下等離子體色散效應(yīng)中的幾種常見調(diào)制機(jī)制。
等離子體色散效應(yīng)中常見的三種調(diào)制結(jié)構(gòu)（調(diào)制機(jī)制）
1. 載流子注入型：
圖1（a）載流子注入型結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來自文獻(xiàn)1，2）
圖1（b）載流子注入型原理示意圖（圖片來自文獻(xiàn)1，2）
1) 結(jié)構(gòu)描述：
早期的高速調(diào)制器的工作原理多為載流子注入型，采用橫向PIN結(jié)構(gòu)（也有垂直PIN結(jié)構(gòu)），在波導(dǎo)兩側(cè)區(qū)域進(jìn)行高濃度摻雜，而波導(dǎo)中摻雜濃度較低，通過正向偏置PIN結(jié)注入少數(shù)載流子。當(dāng)波導(dǎo)橫截面較小的上，基于載流子注入的調(diào)制器可獲得較大的擴(kuò)散電容（通常約為10 pF），因此可以實現(xiàn)相對較高的調(diào)制效率。
2) 調(diào)制過程：
施加正向偏置電壓→波導(dǎo)中載流子濃度升高→波導(dǎo)折射率和吸收系數(shù)改變→實現(xiàn)電光調(diào)制。
3) 電極結(jié)構(gòu)：
載流子注入型的結(jié)構(gòu)約為幾百微米，通常使用集總電極來驅(qū)動。
4) 限制因素：
a) 注入的電子-空穴對的復(fù)合時間。
b) 驅(qū)動電極的輸出電阻與P區(qū)（N區(qū)）摻雜區(qū)域的體電阻總和。
展開 Zemax案例 | 基于Zemax超細(xì)內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計
性能仿真：提前驗證設(shè)計可行性
在樣機(jī)制作前，團(tuán)隊通過Zemax的仿真分析工具，對系統(tǒng)性能進(jìn)行了全面驗證，避免了傳統(tǒng)“設(shè)計-試制-返工”的高成本循環(huán)：
MTF曲線仿真：利用Zemax的調(diào)制傳遞函數(shù)分析功能，得到像方與CCD處的MTF曲線，如圖2所示。結(jié)果顯示，像方分辨率在113.5 lp·mm?1處MTF值大于0.1，CCD處分辨率達(dá)48.71 lp·mm?1，遠(yuǎn)超設(shè)計指標(biāo)，相當(dāng)于8134像素的傳像纖維束效果，優(yōu)于住田082F1000-7.0的7000像素水平。
圖2 光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)
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(jié)果顯示，0°至40°全視場范圍內(nèi)，彌散斑均位于艾里斑內(nèi)，球差、彗差等像差得到有效抑制。
圖3 全視場點列圖
景深與相對照度仿真：借助Zemax的工作距離掃描功能，模擬不同工作距離下的MTF變化，確定系統(tǒng)景深范圍為0.6-20mm，覆蓋全工作場景；通過相對照度分析，驗證全視場相對照度均高于99%，避免了邊緣發(fā)暗問題。
圖4 全視場相對照度圖
組裝與測試
基于Zemax的仿真設(shè)計方案，團(tuán)隊完成了樣機(jī)的加工與組裝——采用±0.005mm的高精度公差篩選光學(xué)元件，通過平行光管、顯微鏡等設(shè)備完成參數(shù)校準(zhǔn)。測試結(jié)果顯示：
工作距離5mm時，樣機(jī)可分辨線間距40μm的分辨率板圖像，對應(yīng)像素數(shù)7657；工作距離1.9mm時，可分辨線間距14.1μm的圖像，對應(yīng)像素數(shù)7204。盡管受加工與組裝誤差影響，像素數(shù)略低于Zemax仿真的8134，但仍遠(yuǎn)超住田傳像纖維的7000像素，且完全消除了摩爾紋等瑕疵，成本降低30%以上。
展開 國家納米中心唐智勇Adv. Mater. 綜述：磁圓二色譜在納米材料領(lǐng)域的應(yīng)用:深入理解和調(diào)控激子和
3) 由于納米材料中明顯改善的符號強度，MCD很可能擁有巨大的潛力來監(jiān)測化學(xué)界面反應(yīng)或生物過程中磁性光學(xué)活性位點的動態(tài)變化。4) 除了“檢測”作用之外，MCD技術(shù)還作為一種新的光學(xué)調(diào)制方法，為設(shè)計在傳感、自旋電子學(xué)和納米光子學(xué)領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值的先進(jìn)磁光納米材料提供新思路。然而，進(jìn)一步的發(fā)展需要在納米尺度上對MCD進(jìn)行深入的理論理解。
文獻(xiàn)鏈接：Magnetic Circular Dichroism in Nanomaterials: New Opportunity in Understanding and Modulation of Excitonic and Plasmonic Resonances, (Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201801491)
來源：材料人
展開 如何在 COMSOL 中建立線性和非線性光學(xué)模型
這種介質(zhì)被稱為泡克耳斯介質(zhì)（Pockels media），其中，d1 被稱為線性光學(xué)系數(shù)，因為折射率是電場的線性函數(shù)。
在 COMSOL Multiphysics 中，我們使用光學(xué)調(diào)制器演示了泡克耳斯效應(yīng)。在這個模型中，光通過一個單硅波導(dǎo)傳播，該波導(dǎo)分為兩個波導(dǎo)。如下圖所示，在上支路上施加一個接觸墊，并用直流電壓激勵。波導(dǎo)的這個分支也可以被定義為 d1=30e-12m/V 的泡克耳斯介質(zhì)。
當(dāng)不對接觸墊施加電壓時，光通過上分支和下分支暢通無阻地流動，并在分支合并在一起的點相長干涉。然而，當(dāng)向接觸墊施加特定電壓時，在接觸墊內(nèi)的區(qū)域中產(chǎn)生局部電場。在外部電場影響下，該區(qū)域的材料特性改變了該介質(zhì)的折射率，進(jìn)而有效地改變了光通過上部波導(dǎo)傳播的速度。當(dāng)這些在上部和下部分支中傳播的光在分支合并處相互干涉時，會導(dǎo)致相消干涉，沒有光向前傳播。
泡克耳斯效應(yīng)的潛在應(yīng)用是設(shè)計光開關(guān)。例如，在
光子集成電路
領(lǐng)域。在 COMSOL 的教程模型中，我們演示了一種特殊的光開關(guān)元件，稱為
馬赫-曾德爾調(diào)制器
。
馬赫-曾德爾調(diào)制器示意圖。
上輸出支路 1 和下輸出支路 2 的傳輸與施加的直流電壓的關(guān)系。
關(guān)于克爾效應(yīng)
某些氣體、液體和晶體表現(xiàn)出中心對稱性質(zhì)，其中泰勒展開的第一項和第三項占主導(dǎo)地位。在這種情況下，折射率可以定義為所施加電場的二次函數(shù)，如下所示:
線性和非線性光學(xué)建模的總結(jié)性思考
本文討論了不同的光學(xué)材料，如 KDP、BK-7、LiNbO
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、CdTe 和外電場下的硅。
這些材料表現(xiàn)出不同的線性和非線性現(xiàn)象，例如 SHG 效應(yīng)、自聚焦效應(yīng)以及線性和二次電場效應(yīng)。
我們還研究了這些材料在激光工程領(lǐng)域、濾波器設(shè)計和光開關(guān)中的應(yīng)用。
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