基于铌酸锂薄膜调制器的高速光学相干调控
2025-08-09 21:52:24   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

突破传统技术的限制，实现350 kHz高速光学相干调控。

结构化光场拥有众多独特而强大的特性。通过更好地调控其光学相干性，研究人员不仅可以减少与过度相干性相关的弊端，还能发现新的应用潜力。这种增强的调控能力为光与物质的相互作用提供了全新的视角。因此，微调这些光场的相干性以适应特定用途已成为科学探索的一个重要领域。

研究人员设计的铌酸锂薄膜（LNF）调制器，在0~2π相位范围内实现了350 kHz的调制频率，进一步实现了光场相干性的高速调控。

然而，当前主要挑战之一是传统的光调制技术通常调制速度较慢。这一限制使得光学相干调控难以从实验室走向实际应用。开发快速光学相干调控方法已成为亟待突破的关键瓶颈。

铌酸锂（LN）因其优异的线性电光响应（即Pockels effect），长期以来被公认为高速电光调制的核心材料。近年来，随着铌酸锂薄膜（LNF）制造工艺的进步和微加工技术的稳步发展，科学家们已经能够在绝缘体上铌酸锂薄膜（LNF-on-insulator）平台上制备多种集成光子器件。

铌酸锂薄膜调制器

如今，许多电光调制器和电子束偏转器均依托这种基于铌酸锂薄膜的平台开发。研究人员通过向铌酸锂波导施加电压，能够对通过波导的光进行精细且快速的相位调制。这种精确的相位调制使得利用铌酸锂薄膜调制器实现光学相干调控成为可能。

铌酸锂薄膜调制器在光学相干调控中的新应用

据麦姆斯咨询报道，近期，山东师范大学光场调制及应用中心、山东省光学与光子器件技术重点实验室、山东师范大学、上海交通大学以及光通信技术和网络全国重点实验室等组成的科研团队，提出了铌酸锂薄膜调制器在光学相干调控中的全新应用。研究人员通过设计特定的调制电压，实现了对光场相位分布的精准、高速调制，并借助多个相干模式的叠加来定制光学相干特性。相关研究成果以“High-speed optical coherence manipulation based on lithium niobate films modulator”为题发表在PhotoniX期刊上。

光学相干调控实验装置与实验结果

实验结果与理论预测高度吻合，并且该策略可轻松扩展至不同特殊光场的光学相干性调控，为光学相干性调控的实际应用奠定了基础。

从相干调制原理来看，随机光场的相干由相位分布决定。通过高速调制器调制相位即可实现光学相干调控。二阶场矩可以分解为相干模式的非相干叠加，并且光谱相干度与相位差统计特性相关，这构成了调制的理论基础。

随机场模态分解的原理和图解

铌酸锂薄膜调制器的技术实现

此次设计的铌酸锂薄膜调制器配备64个独立通道，二进制调制速率达2 MHz。其结构由金电极阵列、Z切铌酸锂薄膜和接地电极组成。通过施加电压调制折射率差异，从而实现精准的相位调制。

为了验证铌酸锂薄膜调制器的高速光学相干调控能力，研究人员选用一维高斯谢尔模型（Gaussian Schell-model）光源作为实验案例。通过杨氏双缝干涉实验测量远场条纹可见性，验证所生成的光场的部分相干性。实验结果与仿真数据高度吻合，证实了相干调控的有效性。该铌酸锂薄膜调制器在0~2π相位范围内实现了350 kHz的调制速率，性能远超数字微镜器件。

光学相干性测量结果

该研究利用铌酸锂薄膜调制器的电压分布加载预设的波前相位，合成具有特定相干性的随机场。与传统方法相比，该技术显著提升了调控速率，同时最大限度地降低能量损耗，为光学成像、加密以及随机介质信息传输等领域的实际应用奠定了基础。

该策略还为调控不同特殊光场的光学相干性提供了灵活性。尽管目前存在一维调制的局限性，但是这一问题未来可通过开发二维铌酸锂薄膜调制器加以解决。

论文链接：https://doi.org/10.1186/s43074-025-00176-5

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