光相位解调器

使用Moku锁相放大器和相位表进行开环和闭环相位检测的选择指南高精确度及高灵敏度相位检测在众多测试测量场景都至关重要。例如，测量电流和电压之间的相移可以显示设备或元件的复阻抗。可以通过光学干涉仪的控制臂和测量臂之间的相移来测量极小的位移。Liquid Instruments的Moku设备可以提供两种检测射频信号相位的仪器：锁相放大器和数字相位测量仪。在本应用说明中，我们将介绍这两个仪器的工作原理，并为不同的应用场景提供仪器选择指南。介绍锁相放大器和相位表（数字相位测量仪）是两种常用于从振荡信号中获取相位信息的仪器。锁相放大器可以被视为开环相位检测器。相位是由本地振荡器、混频器和低通滤波器直接计算出来的。相比而言，相位表则采用数字锁相环（PLL）作为其相位检测器，使用一个反馈信号来实时调节本地振荡器的频率。这可以被视为一种闭环相位检测方法。在我们介绍这两种仪器之前，我们先来总结一下Moku:Pro锁相放大器和相位表（用于相位检测）的区别。请注意，本表中的参数规格是基于Moku:Pro的。工作原理锁相放大器原理如图1所示，锁相放大器有三个关键组成部分：一个本地振荡器、一个混频器和一个低通滤波器。图1: 锁相放大器的简化原理图输入信号Vin和本地振荡器VLO可以用正弦和余弦函数来描述。A1和A2代表振荡器的振幅。ωin和ωLO代表输入和本地振荡器的频率。∆ϕ 表示输入信号和本地振荡器之间的相位角差。混频器的输出Vmixer是输入和本地振荡器的产生的。应用三角函数示意假设 ωLO ≅ ωin= ω, Vmixer可写为低通滤波器过滤掉了高频率分量sin(2×2ωt+∆j)。假设输入信号和本地振荡器的振幅是固定的，输出信号Vout可以表示为在此有几个需要注意的地方：单相锁相放大器的输出与sin(∆ϕ)成正比，而不是与成正比。这大大限制了相位检测的线性动态范围，因为正弦函数是一个周期性的函数，它只在一个非常小的范围内提供（近乎）线性响应。另外，任何振幅的波动都可能引起一些系统误差。Liquid Instruments的Moku锁相放大器提供了双相解调的选项，可有效地区分了来自振幅和相位对输出的影响（可以通过此链接更深入了解双相位解调）但线性动态范围仍然限制在2π以内。另一方面，锁相放大器的数字信号处理（DSP）比相位表简单得多。这使锁相放大器能够以更高的速率处理数据，从而提供更宽的解调带宽。用户也可从外部设备输入一个本地振荡器作为参考，以直接测量两个振荡器之间的相对相位差。锁相放大器的开环特性确保仪器能够提供有效即时的响应，不容易受信号突变或损失造成的影响。因此，用户可使用锁相放大器测量接近或处于输入本底噪声的信号。相位表/PLL 原理相位表的核心相位检测单元是一个锁相环（PLL）。相位表的基本测量原理是将一个内部振荡器锁定在输入信号上，然后从内部振荡器的已知相位推断出输入信号的相位。图2显示了PLL的运作原理。锁相环的运作原理与锁相放大器非常相似，但有两个重要的区别：1）本地振荡器被一个压控振荡器（VCO）所取代；2）低通滤波器的输出反馈形成一个闭环。 图2: 锁相环的简化原理图VCO的输出 VVCO可以表述为 ωset是VCO的设定/中心频率。K是VCO的灵敏度 VCO, VVCOinput 是VCO的输入。AVCO是VCO的振幅。K和AVCO在正常工作时都保持不变。在不深入了解闭环控制理论的情况下，这种配置试图保持输入信号Vin和VCO之间的瞬时频率差为零。因此：由于ωset和K都是基于已知的仪器设置，输入的频率可以根据VVCOinput来计算。同时，ωset在时间t的累积相位可以表示为输入信号的累积相位可以用来近似表示。这里我们把K∙Vvcoinput项定义为ωdiff。因此，输入信号和参考信号（振荡器在设定的频率下）之间的累积相位差可以通过测算环路的频率差/误差信号积分获取。这种方法为相位检测提供了一个原生的相位解包支持，使输出与相位差呈线性关系。输入信号的瞬时频率也通过进行测量。此外，相位表有一个内置的二级振荡器来计算输入信号的振幅，类似于一个双相锁相放大器。除了来自环外积分器的相位，相位表的输出可以被设置为直接从数控振荡器（NCO；它可以被认为是数字的VCO）生成输入信号的正弦锁相副本，具有任意的振幅和可调相位。另一方面，输入和NCO之间的稳定锁定是PLL正常运行所必须的，不连续的输入可能会导致测量中断。由于这个原因，PLL在非常低的频率上保持稳定的锁定更具挑战性，相位表对比于锁相放大器在低载波频率边界更受限制，因此不建议用于测量接近输入本底噪声的信号。应用中考量因素和演示在本节中，我们将通过演示讨论在对Moku锁相放大器和相位表之间进行选择时的一些实际注意事项。相位检测的线性动态范围锁相放大器和相位表的关键区别之一是相位检测的线性动态范围。单相锁相放大器的相位线性动态范围小于π，双相锁相放大器则将这一极限推至2π。理论上，相位表可以跟踪无限的相位变化。在实践中，实际检测范围受用于表示相位的数字位长度的限制，在Moku:Pro上大约是16,000,000π。 在这个演示中，通过多仪器模式（MIM）（点此详细了解MIM）同时开启波形发生器、锁相放大器、相位表和示波器功能。一个10MHz的相位调制信号以单相和双相模式输入Moku:Pro的锁相放大器和相位表。相位检测的输出通过示波器进行记录。 图3：Moku:Pro上的MIM设置，用于测试不同相位检测器的线性动态范围。归一化的相位输出（作为模拟信号）绘制成图4中相移的函数。从图4(a)来看，双相解调模式下的相位表和锁相放大器都在360°范围内提供线性相位响应。单相模式下的锁相放大器只提供了90°内的近线性响应。双相解调器将相位包裹在±180°，而PLL在整个720°的相位移动范围内持续线性输出（图4（b））。图4：Moku相位表的输出，锁相放大器在单、双相位模式下的输出在(a)360°和(b)720°的相移的函数。使用相位表和锁相放大器测量两个外部信号之间的相位差对于测量两个振荡信号之间的相对相移的应用，锁相放大器提供了一个更直接的检测方式。用户可以通过Moku锁相放大器直接输入一个参考信号作为本地振荡器来解调两个信号间的相位差。相位表的操作则需要一个板载振荡器作为绝 对频率参考，因此检测的相位为信号与板载振荡器的相位差。在这个演示中，一个频率调制（FM）的不稳定信号被送入锁相放大器作为信号和参考，而相位表作为信号，如图5（a）所示。在图5(b)中，调频引起的相位波动只在相位表（红色）上观察到，锁相放大器的输出保持不变（蓝色）。锁相放大器的输出为调频信号与其本身的实时相位差，因此是固定没有波动的。相位表检测的结果为调频信号与板载振荡器间的实时相位差，因此检测到的是调制的载波。图5：（a）一个调频调制信号被接入到相位表的信号输入通道，以及锁相放大器的信号和参考输入。(b) 示波器上的相位表（红色）和锁相放大器（蓝色）的输出。在此有两种方法可以用相位表测量两个振荡器之间的相对相位差。1) 两个输入信号之间的相位差可以通过 ∆ϕ1-∆ϕ2,来计算，其中∆ϕ1,2 代表输入到一个共同参考的相位差。图6中显示了一对具有180°相移的锁相正弦波使用相位表内置的数据记录监测用来记录 ∆ϕ1 （红色）、∆ϕ2 （蓝色）和 ∆ϕ1-∆ϕ2（橙色）。在两个输入通道上可以观察到恒定的相位漂移，但数学通道提供了输入之间的正确相位差。图6：一对具有180°相移的正弦波被接入相位表。数学通道中绘制出∆ϕ。2) Moku:Lab和Moku:Pro的主时钟可以通过一个10 MHz的参考信号进行同步。如果参考振荡器可以与10 MHz同步，这就使得Moku:Pro上NCO的时基与参考相同。然而，时基同步并不能捕捉到参考NCO的任何参数调整（比如参考源是有目的地进行频率调制的）。另外，用于捕捉10MHz参考的PLL可能会给系统带来额外的噪声。除非需要通过模拟通道输出实时差异，否则不推荐使用这种方法。测量接近本地噪声的信号相位表要求输入信号和本地振荡器之间有稳定的锁定。Moku相位表有几个内置的安全机制来防止意外的变化对测试造成影响。例如，当锁定丢失时，"飞轮 "选项会自动将环路保持在最 后的已知状态。另一方面，锁相放大器的输出在任何时候都是确定的。为了演示这一效果，一个正弦相位调制的信号被同时输入到锁相放大器和相位表上。然后，输入信号被切断约两秒钟，再打开。两个相位检测器的输出通过示波器进行记录。从图7中可以看出，重新连接信号后，相位表的输出（红色）急剧漂移。锁相放大器的输出（蓝色）在信号断开时保持在0，之后立即恢复到预期值。 图7：示波器上记录了相位表（红色）和锁相放大器（蓝色）在信号突然丢失后的输出。总结Liquid Instruments的Moku:Lab和Moku:Pro的相位表和锁相放大器是为灵敏的相位检测应用提供的两种软件定义的仪器功能。相位表的闭环方法提供了特殊的线性动态范围，同时提供输入的频率、相位和振幅信息。锁相放大器算法相对简单，可以提供更快的响应速度，并且输出结果更容易预测。可以通过在Moku:Pro上部署多仪器并行，最多对四个输入在八个频率上进行相位检测，是多通道相位检测和锁相环应用的理想解决方案。参考[1] Shaddock, D., Ware, B., Halverson, P. G., Spero, R. E., & Klipstein, B. (2006, November). Overview of the LISA Phasemeter. In AIP conference proceedings (Vol. 873, No. 1, pp. 654-660). American Institute of Physics.[2] Roberts, L. E. (2016). Internally sensed optical phased arrays.关于昊量光电：昊量光电 您的光电超市！上海昊量光电设备有限公司致力于引进国外先进性与创新性的光电技术与可靠产品！与来自美国、欧洲、日本等众多知名光电产品制造商建立了紧密的合作关系。代理品牌均处于相关领域的发展前沿，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等，所涉足的领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及前沿的细分市场比如为量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、先进激光制造等。我们的技术支持团队可以为国内前沿科研与工业领域提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等优质服务，助力中国智造与中国创造! 为客户提供适合的产品和提供完善的服务是我们始终秉承的理念！

引言：空间光调制器（一般指相位型SLM）可以对光的振幅、相位、偏振态等进行调制，在光学研究领域拥有广泛和悠久的历史。目前相位型空间光调制器在全息光学，全息光镊，激光并行加工，自适应光学，双光子/三光子/多光子显微成像，散射或浑浊介质中的成像，脉冲整形，光学加密，量子计算，光通信，湍流模拟等领域应用广泛。很多的科研人员在使用空间光调制器时，往往会受到零级光的困扰，零级光对研究结果也产生了非常大的影响。可以说大家苦零级光久矣。本文对液晶空间光调制器零级光的产生原因及其消除方法进行了阐述。Meadowlark Optics公司拥有40年纯相位SLM研发经验，可以提供模拟寻址的纯相位空间光调制器（1920x1200 & 1024x1024分辨率），产品工作波段可以覆盖400-1700nm，相位稳定性可以达到0.1%，帧频可以到1436Hz，损伤阈值可以达到200W/cm2以上。 关键词：空间光调制器、SLM，液晶空间光调制器，纯相位，LCOS，零级光，一级衍射空间光调制器零级光产生的原因？要想了解SLM零级光产生的原因，我们需要先了解下空间光调制器的结构构成。如下图所示，LC-SLM光学头主要由：保护玻璃，透明电极，液晶层，像素电极层（Wafer）构成。1） 保护玻璃的透过率窗口片保护玻璃的透过率在相应的工作波段（400-800nm,500-1200nm,850-1650nm）内通常在98.5-99.5%范围内，因此有少量的光被直接反射回去。2）透明电极的透过率透明电极的透过率一般都在99%以上，该部分造成的零级光基本可以忽略。3）空间光调制器填充率像素电极层（Wafer）由一个个的独立像元构成，从而SLM可以实现针对单个像元的独立调制。相邻像元之间会有微小的缝隙，缝隙部分无法加载电压，因此对应的液晶层无法加载相位，这部分未被调制的光会反射回去，产生零级光。4）入射光照射到非工作区域如果入射光照射到了非工作区域，则这部分光也会不被调制，直接反射回光路，产生零级光。5）入射光的偏振态或者偏振方向错误目前市面上所有的相位型空间光调制器（SLM）均要求线偏光入射，线偏方向与液晶的e轴平行（extraordinary axis）。如果入射光与e轴存在夹角，或者入射光的偏振态不是线偏光，则会有一部分分量的光不被调制，从而产生零级光。Meadowlark公司SLM零级光消除方法？硬件方面：1）提高空间光调制器的填充率，蕞小化缝隙影响。Meadowlark Optics公司可以提供1024x1024的纯相位空间光调制器，填充因子可以达到目前世界蕞高的97.2%，大大减小了缝隙产生的影响。2）提高空间光调制器的线性度。1920x1200的液晶空间光调制器，MLO公司在出厂前会对每一台SLM进行高精度的校准，保证每一台空间光调制器都具有高度的线性准确性，从而提高相位调制精度，达到蕞优的调制效果。软件方面：a)叠加闪耀光栅Meadowlark公司的SLM控制软件提供生成任意周期闪耀光栅的功能，该光栅可以方便的与客户的全息图进行叠加，从而把结果偏转到1级位置，客户只需要用光阑将零级光滤掉，只让一级光通过即可。b)叠加菲涅尔透镜MLO公司的调制器控制软件提供生成任意焦距菲涅尔透镜的功能，用户可以将全息图与该菲涅尔灰度图进行叠加，从而零级光与衍射光的焦平面会发生错位，零级光在衍射光的焦平面上会发散掉，从而减小零级光的影响。光路方面：1）光路中添加偏振片和半波片，提高入射光的偏振态准确性为了使用SLM作为相位调制器，入射偏振必须是线性的，并且与LC分子对齐。为了确保入射光的偏振是线性的，建议在激光光源后放置一个偏振器。为了确保偏振与LC分子对齐，建议在偏振器和SLM之间放置半波片，通过半波片的旋转可以将0级光调到最小。2）光路中添加使用0阶块（0th order block），阻挡零级光上海昊量光电设备有限公司可以提供什么样的空间光调制器？1）1920x1200纯相位空间光调制器（标准速度） 2）1024x1024纯相位空间光调制器（超高速度）关于昊量光电：昊量光电可以给客户提供SLM样品试用，以及全面的技术支持。上海昊量光电设备有限公司是国内知名光电产品专业代理商，代理品牌均处于相关领域的发展前沿；产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等，涉及应用领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及更细分的前沿市场如量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、先进激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等优质服务。您可以通过昊量光电的官方网站了解更多的产品信息，或直接来电咨询。

近年来，人们在居住、工作、休闲和交通等各种不同场景的多样化业务需求推动着新一轮的光子革命。其中，以5G无线通讯为主，对于信息高速传输的需求已经渗透到大数据、机器学习、远程医疗及自动驾驶等领域，使信息突破时空限制进行智能互联。而光子作为载体的信息处理传输材料可以很好的解决传输速率慢的问题，因此制备出高速、低耗能和易于工业化生产的电光材料，从而实现高速率的数据中心光互连，成为学术界和工业界亟待解决的关键问题。在传统的商业化电光材料的研究中，主要是以无机材料铌酸锂作为代表。然而传统铌酸锂材料所制成的电光调制器的信号质量、带宽、半波电压、插入损耗等关键性能参数的提升逐渐遭遇瓶颈，电光系数低，晶体生长、加工困难、体积庞大且与CMOS工艺不兼容等。与无机材料和电子为载体的微电子材料相比，光子为载体的二阶非线性有机电光材料具有电光系数高、光学损伤阈值高、响应速度快、制备过程更易于生产，具有良好的热稳定性、成本低以及选择范围广等优点，并能易与半导体微电子器件实现集成，故而有很大的应用前景。然而有机非线性光学材料运用到商业化的电光调制器等领域也面临着技术瓶颈（难以满足Telecordia GR-468-CORE standards 标准），如何获得兼具大的电光系数（r33值）、光热稳定性、极化取向稳定性的有机电光发色团仍然是行业的难点。1. 高性能交联型有机电光材料的研究针对有机电光材料的研究难点，王家海教授团队首次提出了二元交联材料的基解决方案：将可以交联的蒽和丙烯酸酯基团修饰到发色团QLD1-QLD4的电子给体和电子桥上，发色团在电场的作用下发色极化取向，温度进一步升高，交联反应发生，以网状聚合物的形式固定住已经取向的发色团分子，光热稳定性大幅提升。此外，由于没有小分子/聚合物交联剂的存在，发色团含量高达100wt%,电光系数大幅提升。交联后，QLD1/QLD2和QLD2/QLD4薄膜的电光活性非常高，r33的最大值分别为327 pm/V和373 pm/V， 这是目前文献报告的最高值。经Diels-Alder反应后，其电光薄膜的玻璃化转变温度从~90°C增加至185°C，这高于任何其他纯发色团膜。在85℃退火后，99.63%的r33初始值可保持500 h以上，这些材料具有超高的电光活性和长期长期极化取向稳定性，为有机电光材料的器件化和商业化提供了可能。图 1 电光材料QLD1-QLD4的分子结构该成果发表在化学顶级刊物 Chemical Science, 2022, 13, 13393-13402文章链接 https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/sc/d2sc05231h图 2 发色团数密度与极化效率的关系图；b)长期稳定性测试结果。2. 基于新型双给体的有机非线性光学材料的研究 研发了一种基于（N-乙基-N-羟乙基）苯胺衍生物的可修饰性双给体，并首次将其应用于非线性光学材料。在发色团的给体 和桥上分别引入三个隔离基团，用于减少分子之间的静电相互作 用，从而提高极化效率。基于此，我们开发了一系列非线性光学 发色团 BLD1-4，它们具有相同的双（N-乙基-N-羟乙基）苯胺基 给体、TCF 或 CF3–TCF 受体，和异佛尔酮衍生桥。密度泛函理 论计算表明，这四个发色团由于给体具有强大的给电子能力，比 传统的非线性光学发色团的一阶超极化率更大。纯发色团 BLD1– BLD4 的极化膜由于发色团的大空间位阻和大的一阶超极化率从而展现出非常高的极化效率。含有发色团 BLD3 的纯发色团膜在1310nm 处获得了超高的 r33 值（351pm/V）和极化效率（3.50±0.10 nm2 V-2）。大的电光系数使这些新的给体为有机非线性光学材料提 供了很有价值的参考。图 3 发色团 BLD1-4 的结构图 4 发色团 BLD1-4 的极化效率曲线该成果发表在材料刊物 Materials Chemistry Frontiers, 2022, 6,1079-1090.文章链接 https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/qm/d1qm01577j3. 树枝状有机电光材料的研究图 5 发色团 C1-C3 的结构 开发出具有大电光系数和高稳定性的电光材料，一直是这个领域最具挑战性的话题。一系列基于相同的双(N,N-二乙基)苯胺给体、三亚乙基二氢呋喃受体和异佛尔酮衍生桥的发色团 C1-C3 被合成开发出来。与含有单发色团的树枝状材料 C1 进行比较，我们合成了双枝发色团分子 C2 和三枝发色团分子 C3。这是第一次将双(N,N-二乙基) 苯胺基给体用于 CLD 型发色团和多发色团系统。与 C1 发色团相比， C2 和 C3 多发色团具有更高的电光性系数和玻璃化转变温度。纯发色团 C2 的薄膜上在 1310 nm 处取得了大的 r33 系数 (180 pm/V)和极化效率(1.94±0.08 nm2 V-2)，已经实现在。此外,树枝状分子 C2 的玻璃化转变温度高达 122℃。该材料具有良好的稳定性和大的电光系数，具有良好的应用前景。图 6 发色团 C1-C3 的 DSC 曲线该成果发表在材料刊物 Materials Chemistry Frontiers, 2021, 5, 8341-8351文章链接 https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/qm/d1qm01337h4. 自组装型有机电光材料的研究我们已经开发了一系列自组装的树枝状电光材料。通过在发色团的给体和桥部分引入芳香树枝状化合物（HD）、三氟苄基树枝状化合物、五氟苯基树枝状化合物和蒽环，合成了四种交联型树枝状化合物H1、H2、H3 和 HLD1。此外，还合成了含有三枝化三氟苄基的多发色团 H4。基于 HD-PFD/HD-AH/TFD-TFD 的π-π相互作用使得这些分子可以进行超分子自组装的，以最大限度地减少发色团的偶极-偶极相互作用，并在高负载密度下最大限度地提高发色团的极化效率。 对于分别含有发色团 1:1 H1:H3、1:2 H3:HLD1 和 H4 的纯电光膜，已经实现了高 r33 值（328、317 和 279 pm/V）。此外，发色团的长期取向稳定性也得到了改善。在室温下 1000 小时后，自组装型电光薄膜的初始电光系数仍然保持在 95%以上。图 7 发色团 H1-H4 以及 HLD1 的结构该成果发表在材料刊物 Dyes and Pigments, 2022, 202, 110283.文章链接 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143720822002054图 8 发色团 H1-H4 以及 HLD1 的极化效率与分子数密度的关系图团队负责人简介王家海，广州大学化学化工学院教授、研究生和博士后导师，2008年5月美国University of Florida化学系毕业，师从Charles R. Martin；2008年5月至2009年1月，美国约翰霍普金斯大学化学生物工程系博士后，从事微纳米器件加工课题，致力于智能器件的设计及其应用性能的探讨；2009年1月至2014年8月，分别在中科院苏州纳米所和长春应用化学研究所任副研究员，从事体外诊断纳米孔检测相关的技术开发。2014年10月加入山东大学，任研究员，从事氢能源催化剂材料的开发。2017年至今加入广州大学，百人计划教授。入选中国科学院首批促进会会员，广州市高层次青年后备青年人才，全球顶尖十万科学家之一。目前团队研究方向包括能源催化材料、锂电池、生物化学传感器、纳米孔单分子计数器和5G通讯。代表性成果发表在Advanced Materials、Biosensor and Bioelectronics、J. Am. Chem. Soc.、Nano Letters 等国际著名期刊上。