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LC–PG 光路实验台按阵列与波长推荐物理光路
候选设计 · v10

完整交换光路

当前核心光路的尺寸说明

光斑传播 · 理想高斯模型

图示去掉中心光线位移,只看包络变化;共享板上的光束中心与方向看上方光路。器件面位置是薄元件等效面,尚不代表已确认的实体出入射表面。均匀 LC 和薄 PG 暂不改变 q 参数,未包含板材折射、双折射走离、孔径衍射和像差。

选中光路

点击图中光路或端口,可联动查看下方过程
输入端 · 逐级选择角度
接收端 · 调整输出方向
输出落点 · 局部放大
逐级状态与数据表
位置动作偏振局部入射角绝对出射角
高级验证 · 波传播、D / f 联合扫描与 L 扫描
全部可选连接 · 落点误差 μm

● 是当前已分配的活动连接;边框是正在查看的连接。点击只查看,使用“设为活动连接”更改交换配置。

建模边界:相同阵列总览叠加最多 M×N 条独立几何追迹;两端数量不同则取较少的一端;未分配输入保持空闲;尚未验证同时工作时的串扰、漏光、偏振分集和光纤耦合。图中的放大标注不是器件尺寸或角度的实比例。

模型依据与边界

本工具探索“液晶偏振选择器 + 固定聚合物偏振光栅”的双端 OCS 概念。不是 LCOS 像素相位调制,也不是华为交叉点矩阵。

本轮固定需求

1310 / 1550 nm 两个工作波长;光纤端面中心间距 250 μm;所有输入中心光线初始沿全局 +z,不允许端口预倾斜;各级板面互相平行,法线为 +z,后级斜入射允许。每一级 PG 为整块共享板,LC 按通道独立寻址。输出校正暂以轴向出射为设计目标,不等于已完成输出准直器设计。

每两个 LC+PG 级的封装长度暂取 1 mm,即每级 0.5 mm。计算层中心分别设在每级起点后 0.125 mm(LC)和 0.375 mm(PG);这些是待实际叠层图替换的等效位置,不代表液晶层厚度。

仍未确定的参数

100 μm 的平面未核实。中央4f暂把它作为末片发射PG处的1/e²直径,波前可选平坦或理想会聚;外侧MLA对照模式尝试两端等直径,其他模式按TX出口腰面解释;半径 50 μm、M²=1;用户只初步确认“可能是直径”,平面和定义未核实。板面节距 = 250 μm × 节距倍率。倍率仅描述目标几何,不等于已经设计完成光纤准直或扩束系统。接收光纤 MFD、准直镜、偏振分集、器件效率、有效板口径和容差仍需补充。

文献提供的部分

Kim 等,JLT 33, 2068–2077 (2015):LC 波片与无源 PG 级联,Fig.4、Eq.7–8。每级按入射圆偏振选择 ±1 阶,PG 翻转旋向。论文验证偏转模块,未验证本工具的完整 OCS。

参考:1550 nm;原型 PG 周期 5.8 / 11.5 / 23.1 μm,三级模块主光束透过率 84–87%。不把该范围外推成任意角度的损耗曲线。

补充研究 · 证据适用范围

Yuan 等,2022 · 多级快速大角度偏转

两片固定聚合物 PG(4 / 8.7 μm)与 FLC 波片组件,1064 nm;四个方向 ±8.3°、±22.9°,设备衍射效率 86.3%;特定两状态转换的 10%–90% 透过率上升时间 67/69 μs。支持多级角度选择,但不是 1550 nm 光纤 N×N OCS。

Guo 等,2019 · FLC 偏振选择 + 固定 PG

1064 nm 元件演示;摘要报告效率 95.7%、切换 82 μs。效率分母及时间阈值未从可访问摘要核实,不直接代入系统插损或稳定时间。

Wang 等,2019 · 双稳态液晶控制 PG 衍射

前置 π-BTN 偏振转换器与无源液晶 PG,选择 ±1 阶,约 90% 衍射效率。支持另一种偏振开关机制,未验证完整光纤交换机。

Zhang 等,2023 · 双端液晶偏转通信实验

520 nm、PG 与向列相偏振移相器,50 Mbit/s、超过 1 m 点对点自由空间通信。证明通信链路可使用这类偏转,仍不是电信波段 N×N 光纤 OCS。

二维选路的参考

Zhang 等,Optics & Laser Technology 157 (2023), 108623 用液晶相位延迟器与固定 PG 实现四个空间方向;两片 PG 的偏转方向相互正交,支持“水平 + 竖直”两轴选路的思路。该结果是二维光束偏转演示,并非 16×16 光纤 OCS 验证。

本版支持二维端口网格和三维方向矢量追迹;例如每端4×4空间网格对应16入16出。LC仅作光线局部圆偏振的理想保持/翻转记录,尚未验证实际Jones矩阵、角度相关偏振转换和接收耦合。

反射镜与系统长度

US20250341752A1,Fig.5B 在液晶阵列之间加入转向镜 356;Fig.5A 是直通布局。这一专利的具体器件结构不能直接等同于本工具的固定 PG 合成布局。

共享板图示范围按端口阵列显示,不代表已选定的有效口径。当前图采用展开光路。理想平面镜折叠后的传播长度应累计各段,不能用机箱内两端的直线间距替代 L。实体镜面偏振变换、镜面孔径与反射损耗尚未纳入。这里没有声称已完成折叠系统的验证。

中央4f与对照结构

当前主候选:中央4f。末片发射PG后先传播D建立位置选路,再由中继把该位置分布送到首片接收LC。共用镜组的近轴矩阵为−P(D),接收q=q_TX+D,而非按整个物理长度扩散。微透镜方案使用同目标单元的一对小透镜,属于局部倒像,不能套用共用镜组的全局位置倒像公式;两片小透镜均检查中心是否命中及光斑孔径。

LC和PG每级封装0.5 mm固定,内部LC/PG等效平面仍待实际叠层验证。接收4f会翻转中心光线角度,接收PG使用同符号逐级恢复轴向。有限级间距造成首片LC位置偏移,不能只看最终检测面。逐面停止对越出本LC区域的中心光线应用该通道控制。

中央4f可选择平坦TX波前,或理想R_TX=−D会聚波前以减小首片接收LC光斑;后者需要输入场准备,不是4f凭空生成的功能,也不保证整个接收级联的全局最优。

微透镜阵列 4f:两片等焦距阵列,发射 LC+PG 位于第一片之后,接收 LC+PG 位于第二片之前;偏转器处于中继内部。理想薄偏转器与近轴条件下,跨通道位移由中间角度产生,接收组先恢复轴向,再由目标微透镜聚焦。整体 ABCD 的线性部分为 −I,输入/输出共轭面 q 相同。有限偏转组采用逐面追迹,保留中心偏移和出射方向误差。该结构是本工具的一阶推导,不是引用论文的整机处方。

以 TX 出口 z=0、RX 入口 z=L 为基准,MLA 1 位于 TX 组之前,MLA 2 位于 RX 组之后。f 为两 MLA 间距的一半,外侧共轭面各距对应 MLA 一个 f。所有 PG 周期仍为全板共用;覆盖位置差需要增加级数。微透镜有效直径暂取阵列节距作为上界,2w 包络余量不是实际损耗。

光斑匹配可行域:末片PG到首片LC之间无透镜时,等端点 1/e² 直径至少为 2√(λL/π)。100 μm 目标在 1310 / 1550 nm 下分别要求两等效器件面的无透镜间隔 H≤6.00 / 5.07 mm;当前薄层位置约定下 H=L+0.25 mm。可行时选较大瑞利长度的等直径参考解;不可行时保持发射参考直径,并反求使首片接收LC光斑最小的曲率。不自动扩大输入光斑。最小光斑也不等于整个接收级联截获功率的全局最优。像面光斑复现并不证明实际光纤耦合。

自由传播:每个轴需要覆盖输出与输入的位置差。PG 有 ± 两种偏转,通过增加级数构成包括净零偏转的状态;不假设单片 PG 有可切换的直通零级。非二次幂端口数会保留未使用的边缘地址。

共享 2f 傅里叶中继候选:TX 出口为 z=0,薄透镜 z=f,RX 入口 z=2f。理想近轴关系 x_RX=f θ_TX,θ_RX=−x_TX/f;TX 选择目标位置,RX 校正来自不同输入的方向。这不是普通 4f 的 1:1 位置成像,也不是已由论文验证的整机光路。有限板间距、精确 PG 方向余弦与近轴透镜会保留落点及方向误差。

每一级的 PG 周期在整板内统一;所有路由共用同一组周期,不能为每条路径临时更换光栅。取样是穷举指定范围,不会把光线吸附到目标。

高斯传播与匹配

q 在空气中传播并在薄透镜处变换;w 为 1/e² 半径。标准 2f 系统 q_RX=−f²/q_TX;两端同腰斑要求 f=πw²/λ。普通 4f 中继可复现共轭面光斑,却不会自动把所有偏转角清零。参考 ABCD 传输关系 和 高斯光束公式。

光斑图使用轴向近轴 q 传播;未包含斜入射像散、材料厚度折射、截光后的衍射或 M²>1。2w 控制区余量是分配给 LC 通道的几何区边界检查,不等于 PG 板口径,也不直接给出损耗。共享板的总口径尚未指定。

两种设计模式

重设计模式随 L 和所选波长重算 PG 周期及中继镜。固定模式保持设计光栅和焦距。MLA 模式移动接收组及其 MLA / 像面,并固定设计输入场的尺寸与曲率;其他模式保持中继镜位置,移动接收偏转组。实际准直器和光纤的波长依赖尚未建模。

接收 LC 功率与理想模式重叠

主要验收目标是接收 LC 有效控制区内保留足够功率,不强求两端光斑直径相等。采用圆形高斯束到板面的理想斜投影,利用各方向边缘积分给出方形 LC 区域内功率的保守上下界;它不是测得的串扰或吸收损耗。微透镜按圆孔径积分入射高斯强度。单面截获率不能直接相乘作为整机透过率,也不能直接乘以未截光模式重叠。

输出共轭面模式重叠采用复高斯场积分,同时包括二维落点、倾角、束宽和波前曲率及其交叉项。目标是设计共轭模式,不是已确认的光纤模式。参考 Ansys 单模光纤耦合与物理光学传播。孔径多次截断后的复场传播、PG 斜入射像散和矢量偏振未在本版求解。

网页与 OpticStudio 的分工

网页只计算明确的理想关系。后续 OpticStudio 应检查真实镜头像差、基板、口径、双折射走离、装调和接收模式耦合;LC 电压—延迟量及 PG 各级次效率需实测或各向异性电磁计算输入。现有文献曲线是各自条件下的参考,不自动换算成本系统损耗。

研发前需补充器件数据并与波动光学或实验交叉验证。公开分享时,前端代码及内置参数可被访问者获取。