相位調(diào)制技術(shù)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
相位調(diào)制技術(shù)的實(shí)例教程
在傳統(tǒng)光學(xué)成像中，相位信息的丟失被物理上“完美成像”的設(shè)計(jì)所規(guī)避：只要所有光線都精確匯聚到理想的像點(diǎn)位置，圖像就在幾何上正確，不需要額外恢復(fù)相位。但一旦系統(tǒng)偏離完美——離焦、像差、擾動(dòng)——“看得準(zhǔn)”就立刻瓦解，因?yàn)?em>相位畸變會(huì)直接轉(zhuǎn)化為圖像的變形、模糊和測(cè)量誤差。
威睛光學(xué)的技術(shù)邏輯恰恰在此處與傳統(tǒng)分道揚(yáng)鑣：它不追求被動(dòng)避免相位畸變，而是主動(dòng)操控相位，將“編碼-解碼”機(jī)制貫穿整個(gè)成像鏈路。它讓相位信息從“被丟失的受害者”變成“被利用的工具”，從而解開(kāi)了傳統(tǒng)光學(xué)的物理死結(jié)。
1.3 相位調(diào)制：人眼進(jìn)化四十億年的終極答案
大自然用四十億年的進(jìn)化，給出了一個(gè)極為優(yōu)雅的答案：人眼本質(zhì)上就是一個(gè)精密的相位調(diào)制系統(tǒng)。
角膜——作為眼球最前部的透明組織，提供了約70%的靜態(tài)屈光力。從相位調(diào)制的角度看，角膜是一個(gè)固定的、高精度的波前整形器，它賦予入射平面波一個(gè)基本的匯聚相位分布，將遠(yuǎn)處光線初步聚焦，奠定成像光路的基礎(chǔ)構(gòu)架。
晶狀體——位于虹膜后方的雙凸透明體，通過(guò)睫狀肌的微調(diào)改變自身曲率。從相位調(diào)制的角度看，晶狀體是一個(gè)動(dòng)態(tài)可調(diào)的相位調(diào)制器：改變曲率就是在改變施加在波前上的相位分布，從而實(shí)現(xiàn)從遠(yuǎn)景到近景的連續(xù)調(diào)焦。這種動(dòng)態(tài)相位調(diào)制能力，使得人眼在沒(méi)有機(jī)械馬達(dá)的情況下，能在極小體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)大范圍清晰成像。
瞳孔——虹膜中央的圓形開(kāi)孔。從相位調(diào)制的角度看，瞳孔是一個(gè)孔徑約束下的波前濾波器。它不僅控制進(jìn)光量，更重要的是通過(guò)改變孔徑大小來(lái)調(diào)節(jié)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的波前范圍，從而影響像差組成和景深特性。小瞳孔擋住邊緣光線，減少球差，擴(kuò)大景深；大瞳孔引入更多邊緣波前，提升分辨率但壓縮景深。
角膜、晶狀體、瞳孔三者協(xié)同工作，完成了對(duì)進(jìn)入眼球的光波前的全維度、動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)的相位調(diào)制。
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在這個(gè)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(diào)制器。通過(guò)利用引入的各向異性介電常數(shù)特性，我們?cè)贑HARGE中計(jì)算了由射頻引發(fā)的電容電場(chǎng)（E場(chǎng)）。然后，這些電場(chǎng)用于通過(guò)Pockels效應(yīng)在電信波長(zhǎng)下計(jì)算鈮酸鋰中的電光折射率擾動(dòng)。接著，我們?cè)贔EEM中計(jì)算了擾動(dòng)的LN波導(dǎo)的光學(xué)模式，以及TE基模的電壓相關(guān)相位調(diào)制性能，包括損耗和VπL。
概述
背景
光收發(fā)器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。所有的計(jì)算都始于電子領(lǐng)域，然后通過(guò)將信號(hào)從電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，我們可以提升更多的通道，擁有更大的帶寬，這可以在長(zhǎng)距離傳輸中顯著減小信號(hào)衰減。這些器件在互聯(lián)網(wǎng)的長(zhǎng)距離傳輸中起著至關(guān)重要的作用，以滿足流量和延遲需求的日益增長(zhǎng)。我們可以將光收發(fā)器及光電探測(cè)器視作連接到互聯(lián)網(wǎng)超級(jí)高速公路的出口和入口。
這些器件通常采用Mach-Zehnder干涉結(jié)構(gòu)，其中載波被分到兩個(gè)傳輸通道，并在輸出處重新耦合。通過(guò)施加有數(shù)據(jù)信息的電信號(hào)來(lái)改變兩個(gè)臂中的光的相位，將導(dǎo)致在輸出處出現(xiàn)相干性。Mach-Zehnder干涉結(jié)構(gòu)通常用作非常敏感的光學(xué)儀器，但在這種情況下，光的相位被有意地調(diào)制，因此此類器件通常被稱為Mach-Zehnder調(diào)制器（MZM）。當(dāng)前，已經(jīng)使用了多種材料平臺(tái)和物理效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種功能。在這個(gè)示例中，我們關(guān)注鈮酸鋰中的Pockel效應(yīng)。
大多數(shù)用于相位調(diào)制的物理機(jī)制都比較弱，導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致傳輸損耗較大，或者難以與其它光學(xué)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(shí)現(xiàn)低損耗和高調(diào)制效率。傳統(tǒng)的晶體鈮酸鋰已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但是晶體鈮酸鋰的制備方法無(wú)法制備高折射率差的光波導(dǎo)。
展開(kāi) 當(dāng)兩束或者多束光在光纖中傳播時(shí)，除了光波對(duì)自身的調(diào)制之外，還有來(lái)自其它光波的干擾。光波由于光纖的非線性作用而互相干擾，這種現(xiàn)象稱之為交叉相位調(diào)制（XPM）。
本案例演示了在OptiSystem中將頻率相接近的兩束光耦合到一根光纖中進(jìn)行傳輸，兩束光之間由于存在XPM效應(yīng)，導(dǎo)致頻譜的不對(duì)稱展寬，以及不同頻率以不同速度傳播，最終形成時(shí)域內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不對(duì)稱波形。
1. 光路設(shè)計(jì)
取兩個(gè)相互作用的高斯光波，一個(gè)是泵浦光，一個(gè)是探測(cè)光。泵浦光波長(zhǎng)為1550nm，功率為20mV；探測(cè)光波長(zhǎng)為1551nm，功率為2mV。將兩光耦合后入光纖中進(jìn)行傳輸，考慮光纖的群速度色散效應(yīng)（GVD），兩束不同頻率的光在光纖中速度不一致。光在光纖傳輸過(guò)程中，不僅有XPM和GVD的影響，自相位調(diào)制（SPM）也起到了調(diào)制作用，本例中不予考慮。
2. 仿真過(guò)程
2.1搭建光路圖?
2.2設(shè)置泵浦光和探測(cè)光的脈沖參數(shù)
泵浦光
探測(cè)光?
2.3設(shè)置光纖參數(shù)：
勾選群速度色散，色散值設(shè)為16ps/nm/km
勾選自相位調(diào)制
3. 運(yùn)行結(jié)果
圖1.光纖傳輸前
圖2.光纖傳輸后
展開(kāi) 當(dāng)兩束或者多束光在光纖中傳播時(shí)，除了光波對(duì)自身的調(diào)制之外，還有來(lái)自其它光波的干擾。光波由于光纖的非線性作用而互相干擾，這種現(xiàn)象稱之為交叉相位調(diào)制（XPM）。
本案例演示了在OptiSystem中將頻率相接近的兩束光耦合到一根光纖中進(jìn)行傳輸，兩束光之間由于存在XPM效應(yīng)，導(dǎo)致頻譜的不對(duì)稱展寬，以及不同頻率以不同速度傳播，最終形成時(shí)域內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不對(duì)稱波形。
1. 光路設(shè)計(jì)
取兩個(gè)相互作用的高斯光波，一個(gè)是泵浦光，一個(gè)是探測(cè)光。泵浦光波長(zhǎng)為1550nm，功率為20mV；探測(cè)光波長(zhǎng)為1551nm，功率為2mV。將兩光耦合后入光纖中進(jìn)行傳輸，考慮光纖的群速度色散效應(yīng)（GVD），兩束不同頻率的光在光纖中速度不一致。光在光纖傳輸過(guò)程中，不僅有XPM和GVD的影響，自相位調(diào)制（SPM）也起到了調(diào)制作用，本例中不予考慮。
2. 仿真過(guò)程
2.1搭建光路圖?
2.2設(shè)置泵浦光和探測(cè)光的脈沖參數(shù)
泵浦光
探測(cè)光
2.3設(shè)置光纖參數(shù)：
勾選群速度色散，色散值設(shè)為16ps/nm/km
勾選自相位調(diào)制
3. 運(yùn)行結(jié)果
圖1.光纖傳輸前
圖2.光纖傳輸后
展開(kāi) 注意，由于等式（1）具有余弦，因此直流技術(shù)無(wú)法區(qū)分正負(fù)速度。
圖1 FOG DC檢測(cè)布局
光纖陀螺儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)：相位調(diào)制方法[2]
當(dāng)嘗試測(cè)量非常低的角旋轉(zhuǎn)速率時(shí)，DC方法不是很準(zhǔn)確，所以通常使用相位調(diào)制技術(shù)。對(duì)于該設(shè)置，光檢測(cè)信號(hào)
將相位調(diào)制器幅度選擇到+/-0.9 rad ，給出最大化J1(Φm) = 0.581517 的項(xiàng)Φm = 1.8 。提取調(diào)制頻率ωm的余弦級(jí)數(shù)
公式3得到角速度。我們可以重新排列找到φ_??，然后再次使用公式（3）找到角速度。注意，在這種情況下，由于等式（5）具有正弦關(guān)系，所以我們可以確定角速度的大小和方向。另外，在這種情況下, 在等式（2）中，零速電流不是??_??=????/2 而是 ??_??=????/8因?yàn)樵诠獾竭_(dá)光電二極管的時(shí)候，其功率已經(jīng)被耦合器減半了三次。
圖2 OptiSystem設(shè)計(jì)的調(diào)制技術(shù)原理圖（資料來(lái)源：REF）（注：光纖偏振器未包含在設(shè)計(jì)中）
對(duì)于以下的OptiSystem設(shè)計(jì)，角速度已設(shè)置為7.27e-5rad / s（地球的轉(zhuǎn)速）。I-FOG的設(shè)置顯示在紅色框中（在全局參數(shù)下）。通過(guò)使用相移分量來(lái)應(yīng)用薩格納克相移，計(jì)算如下:
在這里，我們根據(jù)前面的方程，使用C ++組件來(lái)計(jì)算角速度。測(cè)得的角速度（在C ++組件下顯示為結(jié)果）為7.29e-5rad / s。
圖3 FOG 相位調(diào)制
[1] http://www.jgorasia.com/Files/Spring10/Instrumentation/FOGreport.pdf (Accessed 24 Jan 2017).
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2.7 通向“極簡(jiǎn)”的階梯：從精簡(jiǎn)到顛覆
必須指明的是，并非所有相位調(diào)制技術(shù)都能將光學(xué)系統(tǒng)推向“極簡(jiǎn)”。 在這三層硬件架構(gòu)中，真正的極簡(jiǎn)化突破，發(fā)生在超構(gòu)表面與液體透鏡這兩個(gè)前沿層面。
自由曲面實(shí)現(xiàn)的是“精簡(jiǎn)化”而非“極簡(jiǎn)化”。 它通過(guò)一張曲面替代多片球面鏡片，顯著減少了鏡片數(shù)量，但光學(xué)系統(tǒng)的基本形態(tài)——折射透鏡組——并未改變。
圖1.FOG DC檢測(cè)布局
光纖陀螺儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)：相位調(diào)制方法[2]
當(dāng)嘗試測(cè)量非常低的角旋轉(zhuǎn)速率時(shí)，DC方法不是很準(zhǔn)確，所以通常使用相位調(diào)制技術(shù)。
圖1 FOG DC檢測(cè)布局
光纖陀螺儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)：相位調(diào)制方法[2]
當(dāng)嘗試測(cè)量非常低的角旋轉(zhuǎn)速率時(shí)，DC方法不是很準(zhǔn)確，所以通常使用相位調(diào)制技術(shù)。對(duì)于該設(shè)置，光檢測(cè)信號(hào)
將相位調(diào)制器幅度選擇到+/-0.9 rad ，給出最大化J1(Φm) = 0.581517 的項(xiàng)Φm = 1.8 。提取調(diào)制頻率ωm的余弦級(jí)數(shù)
公式3得到角速度。
圖1 FOG DC檢測(cè)布局
光纖陀螺儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)：相位調(diào)制方法[2]
當(dāng)嘗試測(cè)量非常低的角旋轉(zhuǎn)速率時(shí)，DC方法不是很準(zhǔn)確，所以通常使用相位調(diào)制技術(shù)。對(duì)于該設(shè)置，光檢測(cè)信號(hào)
將相位調(diào)制器幅度選擇到+/-0.9 rad ，給出最大化J1(Φm) = 0.581517 的項(xiàng)Φm = 1.8 。提取調(diào)制頻率ωm的余弦級(jí)數(shù)
公式3得到角速度。
圖1.FOG DC檢測(cè)布局
光纖陀螺儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)：相位調(diào)制方法[2]
當(dāng)嘗試測(cè)量非常低的角旋轉(zhuǎn)速率時(shí)，DC方法不是很準(zhǔn)確，所以通常使用相位調(diào)制技術(shù)。 對(duì)于該設(shè)置，光檢測(cè)信號(hào)
(4)
將相位調(diào)制器幅度選擇到+/-0.9 rad ，給出最大化J1(Φm) = 0.581517 的項(xiàng)Φm = 1.8 。
當(dāng)兩束或者多束光在光纖中傳播時(shí)，除了光波對(duì)自身的調(diào)制之外，還有來(lái)自其它光波的干擾。光波由于光纖的非線性作用而互相干擾，這種現(xiàn)象稱之為交叉相位調(diào)制（XPM）。
本案例演示了在OptiSystem中將頻率相接近的兩束光耦合到一根光纖中進(jìn)行傳輸，兩束光之間由于存在XPM效應(yīng)，導(dǎo)致頻譜的不對(duì)稱展寬，以及不同頻率以不同速度傳播，最終形成時(shí)域內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不對(duì)稱波形。
1. 光路設(shè)計(jì)
取兩個(gè)相互作用的高斯光波
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在這個(gè)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(diào)制器。通過(guò)利用引入的各向異性介電常數(shù)特性，我們?cè)贑HARGE中計(jì)算了由射頻引發(fā)的電容電場(chǎng)（E場(chǎng)）。然后，這些電場(chǎng)用于通過(guò)Pockels效應(yīng)在電信波長(zhǎng)下計(jì)算鈮酸鋰中的電光折射率擾動(dòng)。接著，我們?cè)贔EEM中計(jì)算了擾動(dòng)的LN波導(dǎo)的光學(xué)模式，以及TE基模的電壓相關(guān)相位調(diào)制性能
圖1 FOG DC檢測(cè)布局
光纖陀螺儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)：相位調(diào)制方法[2]
當(dāng)嘗試測(cè)量非常低的角旋轉(zhuǎn)速率時(shí)，DC方法不是很準(zhǔn)確，所以通常使用相位調(diào)制技術(shù)。對(duì)于該設(shè)置，光檢測(cè)信號(hào)
將相位調(diào)制器幅度選擇到+/-0.9 rad ，給出最大化J1(Φm) = 0.581517 的項(xiàng)Φm = 1.8 。提取調(diào)制頻率ωm的余弦級(jí)數(shù)
公式3得到角速度。
圖1.FOG DC檢測(cè)布局
光纖陀螺儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)：相位調(diào)制方法[2]
當(dāng)嘗試測(cè)量非常低的角旋轉(zhuǎn)速率時(shí)，DC方法不是很準(zhǔn)確，所以通常使用相位調(diào)制技術(shù)。對(duì)于該設(shè)置，光檢測(cè)信號(hào)
(4)
將相位調(diào)制器幅度選擇到+/-0.9 rad ，給出最大化J1(Φm) = 0.581517 的項(xiàng)Φm = 1.8 。
當(dāng)兩束或者多束光在光纖中傳播時(shí)，除了光波對(duì)自身的調(diào)制之外，還有來(lái)自其它光波的干擾。光波由于光纖的非線性作用而互相干擾，這種現(xiàn)象稱之為交叉相位調(diào)制（XPM）。
本案例演示了在OptiSystem中將頻率相接近的兩束光耦合到一根光纖中進(jìn)行傳輸，兩束光之間由于存在XPM效應(yīng)，導(dǎo)致頻譜的不對(duì)稱展寬，以及不同頻率以不同速度傳播，最終形成時(shí)域內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不對(duì)稱波形。
1. 光路設(shè)計(jì)
取兩個(gè)相互作用的高斯光波
