相位調制技術的案例
計算成像的“光學憲法”：以相位調制為靈魂的AI視覺新范式
在傳統光學成像中，相位信息的丟失被物理上“完美成像”的設計所規避：只要所有光線都精確匯聚到理想的像點位置，圖像就在幾何上正確，不需要額外恢復相位。但一旦系統偏離完美——離焦、像差、擾動——“看得準”就立刻瓦解，因為相位畸變會直接轉化為圖像的變形、模糊和測量誤差。
威睛光學的技術邏輯恰恰在此處與傳統分道揚鑣：它不追求被動避免相位畸變，而是主動操控相位，將“編碼-解碼”機制貫穿整個成像鏈路。它讓相位信息從“被丟失的受害者”變成“被利用的工具”，從而解開了傳統光學的物理死結。
1.3 相位調制：人眼進化四十億年的終極答案
大自然用四十億年的進化，給出了一個極為優雅的答案：人眼本質上就是一個精密的相位調制系統。
角膜——作為眼球最前部的透明組織，提供了約70%的靜態屈光力。從相位調制的角度看，角膜是一個固定的、高精度的波前整形器，它賦予入射平面波一個基本的匯聚相位分布，將遠處光線初步聚焦，奠定成像光路的基礎構架。
晶狀體——位于虹膜后方的雙凸透明體，通過睫狀肌的微調改變自身曲率。從相位調制的角度看，晶狀體是一個動態可調的相位調制器：改變曲率就是在改變施加在波前上的相位分布，從而實現從遠景到近景的連續調焦。這種動態相位調制能力，使得人眼在沒有機械馬達的情況下，能在極小體積內實現大范圍清晰成像。
瞳孔——虹膜中央的圓形開孔。從相位調制的角度看，瞳孔是一個孔徑約束下的波前濾波器。它不僅控制進光量，更重要的是通過改變孔徑大小來調節通過光學系統的波前范圍，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、瞳孔三者協同工作，完成了對進入眼球的光波前的全維度、動態、自適應的相位調制。
展開 OptiSystem應用：交叉相位調制（XPM）
當兩束或者多束光在光纖中傳播時，除了光波對自身的調制之外，還有來自其它光波的干擾。光波由于光纖的非線性作用而互相干擾，這種現象稱之為交叉相位調制（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行傳輸，兩束光之間由于存在XPM效應，導致頻譜的不對稱展寬，以及不同頻率以不同速度傳播，最終形成時域內結構復雜且不對稱波形。
1. 光路設計
取兩個相互作用的高斯光波，一個是泵浦光，一個是探測光。泵浦光波長為1550nm，功率為20mV；探測光波長為1551nm，功率為2mV。將兩光耦合后入光纖中進行傳輸，考慮光纖的群速度色散效應（GVD），兩束不同頻率的光在光纖中速度不一致。光在光纖傳輸過程中，不僅有XPM和GVD的影響，自相位調制（SPM）也起到了調制作用，本例中不予考慮。
2. 仿真過程
2.1搭建光路圖?
2.2設置泵浦光和探測光的脈沖參數
泵浦光
探測光
2.3設置光纖參數：
勾選群速度色散，色散值設為16ps/nm/km
勾選自相位調制
3. 運行結果
圖1.光纖傳輸前
圖2.光纖傳輸后
展開 OptiSystem應用：交叉相位調制（XPM）
當兩束或者多束光在光纖中傳播時，除了光波對自身的調制之外，還有來自其它光波的干擾。光波由于光纖的非線性作用而互相干擾，這種現象稱之為交叉相位調制（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行傳輸，兩束光之間由于存在XPM效應，導致頻譜的不對稱展寬，以及不同頻率以不同速度傳播，最終形成時域內結構復雜且不對稱波形。
1. 光路設計
取兩個相互作用的高斯光波，一個是泵浦光，一個是探測光。泵浦光波長為1550nm，功率為20mV；探測光波長為1551nm，功率為2mV。將兩光耦合后入光纖中進行傳輸，考慮光纖的群速度色散效應（GVD），兩束不同頻率的光在光纖中速度不一致。光在光纖傳輸過程中，不僅有XPM和GVD的影響，自相位調制（SPM）也起到了調制作用，本例中不予考慮。
2. 仿真過程
2.1搭建光路圖?
2.2設置泵浦光和探測光的脈沖參數
泵浦光
探測光?
2.3設置光纖參數：
勾選群速度色散，色散值設為16ps/nm/km
勾選自相位調制
3. 運行結果
圖1.光纖傳輸前
圖2.光纖傳輸后
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。
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OptiSystem應用：光纖陀螺儀系統設計
注意，由于等式（1）具有余弦，因此直流技術無法區分正負速度。
圖1 FOG DC檢測布局
光纖陀螺儀系統設計：相位調制方法[2]
當嘗試測量非常低的角旋轉速率時，DC方法不是很準確，所以通常使用相位調制技術。對于該設置，光檢測信號
將相位調制器幅度選擇到+/-0.9 rad ，給出最大化J1(Φm) = 0.581517 的項Φm = 1.8 。提取調制頻率ωm的余弦級數
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因為在光到達光電二極管的時候，其功率已經被耦合器減半了三次。
圖2 OptiSystem設計的調制技術原理圖（資料來源：REF）（注：光纖偏振器未包含在設計中）
對于以下的OptiSystem設計，角速度已設置為7.27e-5rad / s（地球的轉速）。I-FOG的設置顯示在紅色框中（在全局參數下）。通過使用相移分量來應用薩格納克相移，計算如下:
在這里，我們根據前面的方程，使用C ++組件來計算角速度。測得的角速度（在C ++組件下顯示為結果）為7.29e-5rad / s。
圖3 FOG 相位調制
[1] http://www.jgorasia.com/Files/Spring10/Instrumentation/FOGreport.pdf (Accessed 24 Jan 2017).
展開 OptiSystem應用：光纖陀螺儀系統設計
注意，由于等式（1）具有余弦，因此直流技術無法區分正負速度。
圖1 FOG DC檢測布局
光纖陀螺儀系統設計：相位調制方法[2]
當嘗試測量非常低的角旋轉速率時，DC方法不是很準確，所以通常使用相位調制技術。對于該設置，光檢測信號
將相位調制器幅度選擇到+/-0.9 rad ，給出最大化J1(Φm) = 0.581517 的項Φm = 1.8 。提取調制頻率ωm的余弦級數
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因為在光到達光電二極管的時候，其功率已經被耦合器減半了三次。
圖2 OptiSystem設計的調制技術原理圖（資料來源：REF）（注：光纖偏振器未包含在設計中）
對于以下的OptiSystem設計，角速度已設置為7.27e-5rad / s（地球的轉速）。I-FOG的設置顯示在紅色框中（在全局參數下）。通過使用相移分量來應用薩格納克相移，計算如下:
在這里，我們根據前面的方程，使用C ++組件來計算角速度。測得的角速度（在C ++組件下顯示為結果）為7.29e-5rad / s。
圖3 FOG 相位調制
[1] http://www.jgorasia.com/Files/Spring10/Instrumentation/FOGreport.pdf (Accessed 24 Jan 2017).
展開 OptiSystem應用：光纖陀螺儀系統設計
注意，由于等式（1）具有余弦，因此直流技術無法區分正負速度。
圖1 FOG DC檢測布局
光纖陀螺儀系統設計：相位調制方法[2]
當嘗試測量非常低的角旋轉速率時，DC方法不是很準確，所以通常使用相位調制技術。對于該設置，光檢測信號
將相位調制器幅度選擇到+/-0.9 rad ，給出最大化J1(Φm) = 0.581517 的項Φm = 1.8 。提取調制頻率ωm的余弦級數
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因為在光到達光電二極管的時候，其功率已經被耦合器減半了三次。
圖2 OptiSystem設計的調制技術原理圖（資料來源：REF）（注：光纖偏振器未包含在設計中）
對于以下的OptiSystem設計，角速度已設置為7.27e-5rad / s（地球的轉速）。I-FOG的設置顯示在紅色框中（在全局參數下）。通過使用相移分量來應用薩格納克相移，計算如下:
在這里，我們根據前面的方程，使用C ++組件來計算角速度。測得的角速度（在C ++組件下顯示為結果）為7.29e-5rad / s。
圖3 FOG 相位調制
[1] http://www.jgorasia.com/Files/Spring10/Instrumentation/FOGreport.pdf (Accessed 24 Jan 2017).
展開 OptiSystem應用：光纖陀螺儀系統設計
注意，由于等式（1）具有余弦，因此直流技術無法區分正負速度。
圖1.FOG DC檢測布局
光纖陀螺儀系統設計：相位調制方法[2]
當嘗試測量非常低的角旋轉速率時，DC方法不是很準確，所以通常使用相位調制技術。對于該設置，光檢測信號
(4)
將相位調制器幅度選擇到+/-0.9 rad ，給出最大化J1(Φm) = 0.581517 的項Φm = 1.8 。提取調制頻率ωm的余弦級數
(5)
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因為在光到達光電二極管的時候，其功率已經被耦合器減半了三次。
圖2.OptiSystem設計的調制技術原理圖（資料來源：REF）（注：光纖偏振器未包含在設計中）
對于以下的OptiSystem設計，角速度已設置為7.27e-5rad / s（地球的轉速）。I-FOG的設置顯示在紅色框中（在全局參數下）。通過使用相移分量來應用薩格納克相移，計算如下:
在這里，我們根據前面的方程，使用C ++組件來計算角速度。測得的角速度（在C ++組件下顯示為結果）為7.29e-5rad / s。
圖3.FOG 相位調制
[1] http://www.jgorasia.com/Files/Spring10/Instrumentation/FOGreport.pdf (Accessed 24 Jan 2017).
展開 OptiSystem應用：光纖陀螺儀系統設計
注意，由于等式（1）具有余弦，因此直流技術無法區分正負速度。
圖1.FOG DC檢測布局
光纖陀螺儀系統設計：相位調制方法[2]
當嘗試測量非常低的角旋轉速率時，DC方法不是很準確，所以通常使用相位調制技術。 對于該設置，光檢測信號
(4)
將相位調制器幅度選擇到+/-0.9 rad ，給出最大化J1(Φm) = 0.581517 的項Φm = 1.8 。提取調制頻率ωm的余弦級數
(5)
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因為在光到達光電二極管的時候，其功率已經被耦合器減半了三次。
圖2.OptiSystem設計的調制技術原理圖（資料來源：REF）（注：光纖偏振器未包含在設計中）
對于以下的OptiSystem設計，角速度已設置為7.27e-5rad / s（地球的轉速）。 I-FOG的設置顯示在紅色框中（在全局參數下）。 通過使用相移分量來應用薩格納克相移，計算如下:
在這里，我們根據前面的方程，使用C ++組件來計算角速度。 測得的角速度（在C ++組件下顯示為結果）為7.29e-5rad / s。
展開 OptiSystem應用：光纖陀螺儀系統設計
注意，由于等式（1）具有余弦，因此直流技術無法區分正負速度。
圖1.FOG DC檢測布局
光纖陀螺儀系統設計：相位調制方法[2]
當嘗試測量非常低的角旋轉速率時，DC方法不是很準確，所以通常使用相位調制技術。 對于該設置，光檢測信號
(4)
將相位調制器幅度選擇到+/-0.9 rad ，給出最大化J1(Φm) = 0.581517 的項Φm = 1.8 。提取調制頻率ωm的余弦級數
(5)
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因為在光到達光電二極管的時候，其功率已經被耦合器減半了三次。
圖2.OptiSystem設計的調制技術原理圖（資料來源：REF）（注：光纖偏振器未包含在設計中）
對于以下的OptiSystem設計，角速度已設置為7.27e-5rad / s（地球的轉速）。 I-FOG的設置顯示在紅色框中（在全局參數下）。 通過使用相移分量來應用薩格納克相移，計算如下:
在這里，我們根據前面的方程，使用C ++組件來計算角速度。
展開 面向大口徑超薄平面光學器件及應用：PB相位液晶光子技術
與傳統折射/反射光學元件不同，這種元件的設計理念通過光學幾何相位或PB相位（Pancharatnam–Berry phase）來實現，即液晶分子的二維空間有序排布（圖2）。液晶材料是一種具有單軸光學各向異性的材料，具有相對較高的雙折射率（Δn≈0.2），通過高分辨圖案化液晶配向技術（例如光配向）控制液晶分子的取向，可實現復雜相位波前，在數個微米厚度內高效操控光場，實現各種光學功能，不涉及顯影、蝕刻等結構轉移步驟，被譽為第四代光學技術。
圖1 （a）傳統光學元件，（b）液晶聚合物平面透鏡
圖2基于PB相位液晶元器件中液晶分子的指向矢分布。(a)透鏡，(b)光柵，(c)液晶分子從0到2π變化，對應相位在0到4π之間變化，在2π位置由于液晶分子自組裝作用，不存在相位突變。
圖3 基于液晶聚合物的平面光學元件制備流程
基于幾何相位的液晶超表面器件，利用液晶分子在平面內0-180°指向變化，來控制光學波前0-2π相位變化，從而實現復雜光學相位器件（圖2）。該新型光學元器件的制備流程由圖3中給出，主要包括旋涂偏振光敏薄膜、圖案化偏振曝光、灌注液晶（LC）或者涂敷液晶聚合物（LCP）材料，即可完成主動可控的液晶光子器件或者耐用薄膜液晶聚合物光子器件，其中器件效率通過半波延遲量來控制。幾何相位液晶平面光學有以下特點：
輕薄、易集成：液晶或者液晶聚合物材料具有相對較高的雙折射率(約0.15)，僅需<2 um的厚度即可滿足可見光至近紅外器件的半波延遲需求。液晶聚合物薄膜可通過層壓、膠粘等工藝與多種光學元件進行對準集成。
分子指向電場可控，便于面向主動光學器件應用。
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AR｜奇景推LCoS相位調變新技術，搶進車用AR抬頭顯示器
來源 ：鉅亨網
奇景光電5月19
日宣布，最新的 LCoS 相位調變 (phase modulation) 技術，可應用在汽車擴增實境抬頭顯示器(AR HUD)，提供全息影像顯示，可直接投射在駕駛視線的擋風玻璃上。
奇景指出，以 LCoS 相位調變作為全息影像顯示的車用 AR 抬頭顯示器平臺，相較一般抬頭顯示器方案，不僅可達到更明亮、更高對比度的影像質量，而且還可以同時顯示多個焦點平面影像，并具有更低功耗、更低成本和更小外形尺寸等特點。
奇景以提供兩個焦點平面的車用 AR 抬頭顯示器為例，使用奇景 LCoS 相位調變技術的產品，可將汽車儀表板信息，直接投射在駕駛視線內的汽車擋風玻璃上，顯示在焦點 50 公分處的焦點平面。
此外，還可同時投射導航地圖或實時導航等訊息在擋風玻璃上，顯示在焦點約 10 公尺處的焦點平面上，將訊息融入實際環境中，讓駕駛能更自然及安全的接收來自車上各種駕駛輔助訊息。
AR 抬頭顯示器也搭配專有的計算機計算全息演算計算引擎，可演算實時 AR 融合訊息，以及進行影像失真調整，以適應不同的擋風玻璃曲率。
奇景光電執行長吳炳昌表示，AR 抬頭顯示器將成為汽車重要關鍵配備之一，奇景 LCoS 相位調變可在車用 AR 抬頭顯示器中達到多焦點全息顯示，并打破目前抬頭顯示器通用標準。
展開 前沿進展 | 多焦點光場顯微成像技術
這種相位調制方式使得sLFM技術更具靈活性。在后續的工作中，研究人員將探索更復雜的相位編碼，進一步優化sLFM的成像性能，推動高質量大范圍活體三維成像技術的發展。
主要作者
戴瓊海，教授，博士生導師。清華大學信息學院院長、中國工程院院士、中國人工智能學會理事長。從人工智能立體視覺、計算成像到腦與認知開展了基礎理論與關鍵技術系列研究，承擔了國家973、重大儀器和基礎科學中心等項目。在Nature, Cell, Nature Biotechnology, Nature Methods, Nature Photonics等發表論文百余篇，培養研究生百余名。獲國家技術發明一等獎、國家科技進步獎二等獎、全國高校黃大年式教師團隊。
季向陽，清華大學自動化系教授，獲國家杰出青年科學基金、國家“萬人計劃”領軍人才、中國青年科技獎等人才獎勵。主要研究方向為光學成像、視覺信號獲取與智能處理等。
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