[發明專利]一種模斑轉換器

有效

• 申請號: 202111101225.2
• 申請日: 2021-09-18
• 公開（公告）號: CN113866881B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 黃慶忠;曾德圣
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G02B6/14
• 分類號: G02B6/14;G02B6/122;G02B6/124
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 夏倩

本發明公開了一種模斑轉換器，采用基于超表面結構的菲涅爾微透鏡，其中第一超表面結構包括在波導材料上刻蝕的多個長度相同、寬度不同的亞波長凹槽，第二超表面結構包括在波導材料上刻蝕的多個長度不同、寬度相同的亞波長凹槽；兩種超表面結構組合使用能減小器件尺寸，同時也避免刻蝕極小線寬的步驟，從而降低了工藝要求；能夠使單模輸入光在維持其模式階次的情況下改變其模場寬度?？梢园褜捘０呋９馐兂芍娌▽崿F聚束的功能或者把柱面波變成寬模斑的基模光束實現擴束的功能。寬模斑基模的模場可以通過增加菲涅爾微透鏡的周期數而加寬，可以滿足多種應用場景的實際需要。本發明可以實現分束器，準直器等功能，適用于不同的應用場景。

技術領域

本發明屬于集成光學領域，更具體地，涉及一種模斑轉換器。

背景技術

模斑轉換器主要是用來匹配不同模斑尺寸的光器件，它可以在較小的空間內維持模斑特性的同時改變模斑尺寸，從而實現不同寬度波導之間的低損耗耦合，在集成光學領域中應用非常廣泛。

目前設計模斑轉換器的主要思路有兩種，第一種是沿著光場傳播方向改變波導的形狀，使得光場在不同邊界條件下發生模式耦合，從而得到不同寬度的模斑，實現這一目的需要利用各種復雜的算法，例如遺傳算法，粒子群算法，逐步迭代反饋分析算法等等，這些算法而且必須將波導分成若干波長量級長度的小段進行計算，所以不僅耗費計算資源和時間，而且對前后模斑寬度差很大的器件進行波長量級的分段是不現實的，所以這種方法僅僅適用于寬度很小(十幾微米)的模斑轉換器；第二種是借助超表面結構實現局部有效折射率的變化，利用費馬原理實現光束的聚焦和擴束，從而實現模斑轉換。對于寬度較小(十幾微米)的模斑轉換器，這種方法效果很好，但是對于較寬的模斑轉換器，如果仍然利用有效折射率差進行相位調制，那么在靠近軸線處刻蝕的間隙尺寸非常小，在遠離軸線處刻蝕間隙尺寸又會非常大，對工藝要求非常高，而且轉換效率很低。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種模斑轉換器，由此解決現有模斑轉換器設計制造復雜、適用性窄、擴束和聚束寬度小等技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種模斑轉換器，包括：第一波導、過渡波導、基于超表面結構的菲涅爾微透鏡和第二波導，第一波導和過渡波導連接；

所述菲涅爾微透鏡包括第一超表面結構和第二超表面結構，所述第一超表面結構包括在波導材料上刻蝕的多個長度相同、寬度不同的亞波長凹槽，所述第二超表面結構包括在波導材料上刻蝕的多個長度不同、寬度相同的亞波長凹槽；

所述過渡波導和第二波導的中軸線重合，所述第一超表面結構、第二超表面結構均對稱分布于所述中軸線兩側；所述第一波導與第二波導的中軸線成任意角度；

入射光從第一波導入射，經由過渡波導引導至菲涅爾微透鏡進行相位調制后，從第二波導出射，形成擴束模斑；

或，入射光從第二波導入射，經菲涅爾微透鏡進行相位調制后，由過渡波導引導至第一波導并出射，形成聚束模斑。

優選地，所述第一超表面結構的各亞波長凹槽刻蝕在各尺寸相同的單元上，各所述單元由波導材料劃分得到；

所述第二超表面結構的各亞波長凹槽刻蝕在各尺寸相同的單元上，各所述單元由波導材料劃分得到。

優選地，所述第一超表面結構中各亞波長凹槽的長度與超表面層的有效折射率滿足以下關系式：

其中，Δn為波導材料有效折射率n與超表面層的有效折射率n′之差，F為焦距，d為刻蝕長度，λ為真空中的波長，y為各亞波長凹槽中心與所述中軸線的距離。

優選地，所述第二超表面結構中各亞波長凹槽的長度與波導材料的有效折射率滿足以下關系式：