具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供一种模斑转换器，如图1所示，包括：第一波导1、过渡波导2、基于超表面结构的菲涅尔微透镜3和第二波导4，第一波导和过渡波导连接；

所述菲涅尔微透镜包括第一超表面结构和第二超表面结构，所述第一超表面结构包括在波导材料上刻蚀的多个长度相同、宽度不同的亚波长凹槽，所述第二超表面结构包括在波导材料上刻蚀的多个长度不同、宽度相同的亚波长凹槽；

所述过渡波导和第二波导的中轴线重合，所述第一超表面结构和第二超表面结构均对称或分布于所述中轴线两侧；所述第一波导与第二波导的中轴线成任意角度；

入射光从第一波导入射，经由过渡波导引导至菲涅尔微透镜进行相位调制后，从第二波导出射，形成扩束模斑；

或，入射光从第二波导入射，经菲涅尔微透镜进行相位调制后，由过渡波导引导至第一波导并出射，形成聚束模斑。

具体地，如图2所示，所述菲涅尔微透镜包括多个位于不同波带的第一超表面结构5和多个位于不同波带的第二超表面结构6，所述第一超表面结构包括多个长度相同、宽度不同的亚波长凹槽，所述第二超表面结构包括多个长度不同、宽度相同的亚波长凹槽。

每个亚波长凹槽都能通过改变局部折射率改变光程，对入射光的局部相位进行调制。

其中，所述第一波导与第二波导的中轴线成任意角度，即第一波导和第二波导的中轴线可以设计为相互成任意夹角，以改变输入/输出光的方向，所得到的扩束模斑或者聚束模斑中心和其传播方向都可以偏离第二波导轴线相应角度。可以理解的是，第一波导和第二波导的中轴线夹角越大，模斑转换效率越低；即，当所述第一波导与第二波导的中轴线之间的角度为零，即所述第一波导、过渡波导和第二波导的中轴线重合时，模斑转换效率最高。

当所述第一波导与第二波导的中轴线之间的角度为零，即所述第一波导、过渡波导和第二波导的中轴线重合时，如图2所示，所述第一超表面结构和第二超表面结构均对称地分布于波导轴线两侧，所得到的扩束模斑或者聚束模斑中心和其传播方向都位于波导轴线。对称分布的两种超表面结构对于波导轴线对称位置的光场相位调制的程度一致，所以可以使得到的扩束模斑或者聚束模斑中心和其传播方向都位于波导轴线。

当所述第一波导与第二波导的中轴线之间的角度不为零时，如图3所示，所述第一超表面结构和第二超表面结构均对称地分布于所述过渡波导的中轴线，即第二波导的中轴线两侧，所得到的扩束模斑或者聚束模斑中心和其传播方向都可以偏离第二波导中轴线相应角度。

如图2所示，在波导轴线的一侧，多个第一超表面结构和第二超表面结构交替排列设置，每个波带内至多只包括一个第二超表面结构和第一超表面结构。

由于每个微透镜单元改变了波导的局部有效折射率，从而改变了光程差，所以可以对局部光场的相位进行调制，使得各个局部光束到某点的光程相等或者相位差为2π的整数倍，即可在该处聚光，实现聚束的功能，当该点位于无穷远时，即可实现扩束成等相位的基模光束功能。

优选地，所述第一超表面结构的各亚波长凹槽刻蚀在各尺寸相同的单元上，各所述单元由波导材料划分得到；

所述第二超表面结构的各亚波长凹槽刻蚀在各尺寸相同的单元上，各所述单元由波导材料划分得到。

具体地，所述第一超表面结构为在波导材料上刻蚀的长度相同、宽度不同的凹槽阵列；所述第二超表面结构为在波导材料上刻蚀的长度不同、宽度相同的凹槽阵列。

所述第一超表面结构，即第一菲涅尔微透镜，是在波导材料上刻蚀一系列经过设计的长度相同、宽度不同的亚波长凹槽，构成这种结构的超表面对有效折射率的改变是非均匀的，宽度越大，有效折射率的改变越大；所述第二超表面结构，是在波导材料上刻蚀一系列经过设计的长度不同、宽度相同的亚波长凹槽，这种超表面能均匀地改变波导局部的有效折射率。

宽度相同、长度不同的亚波长凹槽均匀地改变波导局部的有效折射率；宽度不同、长度相同的亚波长凹槽对局部波导有效折射率的改变是非均匀的，宽度越大，有效折射率的改变越大。

优选地，当入射光从第一波导入射，从第二波导出射时，所述第一波导为单模窄波导，所述第二波导为宽波导。

优选地，当入射光从第二波导入射，从第一波导出射时，所述第一波导为宽波导，所述第二波导为单模窄波导。

具体地，所述第一波导和第二波导，可以根据扩束或者聚束的功能选择，如果需要实现扩束器功能，应将单模窄波导作为第一波导，宽波导作为第二波导；如果需要实现聚束器的功能，则应该互换上述两种功能的波导；

特别的，宽波导宽度可通过增减菲涅尔透镜的周期数而调整，根据实际需要取舍，不用对实现光束变换的菲涅尔透镜结构进行调整；

优选地，所述过渡波导为锥形波导、波浪线形波导、幂指数形波导或抛物线形波导中的任一种。

具体地，过渡波导可以为线性锥形波导。

进一步地，所述过渡波导不一定是线性锥形波导，其波导边缘可以是其它经过设计的线形轮廓，包括并不局限于波浪线形，幂指数形，抛物线形等。

优选地，所述第二波导为宽模斑波导，其宽度可以通过增加菲涅尔微透镜的周期数而增加，其中一个周期对应一个波带。

具体地，宽模斑波导的宽度可以通过增加菲涅尔微透镜的周期数而加宽。

优选地，所述第一波导、第二波导、过渡波导及波导材料均为绝缘体上硅、铌酸锂、氮化硅、磷化铟或砷化镓中的任意一种。

具体地，所述第一波导、第二波导、过渡波导及波导材料均可以为采用绝缘体上硅、铌酸锂、氮化硅、磷化铟或砷化镓中的任意一种材料制备的单层或多层波导。

所述模斑转换器材料可采用包括但不局限于绝缘体上硅、铌酸锂、氮化硅、磷化铟或砷化镓等波导材料制成。

可以在包括但不局限于绝缘体上的硅波导、单层氮化硅波导、双层氮化硅波导、铌酸锂波导等各种材料的单层或多层光波导上实现模斑转换的功能。

优选地，入射光从第一波导入射，从第二波导出射时，所述第二波导包括多个不同宽度的过渡波导，各过渡波导与单模直波导连接，用于输出经由菲涅尔微透镜进行相位调制后的光束，形成不同比例功率的扩束模斑。

具体地，当入射光从第一波导入射，从第二波导出射时，所述模斑转换器能实现扩束功能，如图4所示，可通过在输出端增加宽度经过设计的不同宽度过渡波导，后接单模直波导引导光束传播，以实现输出不同比例功率的分束器。

入射光经过扩束器后，形成模斑较大的基模光束，可以在输出端用若干分立绝热过渡波导将光场导引出去；由于基模光束的光强分布是中间强，边缘弱，针对不同的分束功率比例，过渡波导的宽度需要设计；可以根据实际分束需要设置任意数目的过渡波导。

优选地，所述第一超表面结构中各凹槽的长度与超表面层的有效折射率满足以下关系式：

其中，Δn为波导材料有效折射率n与超表面层的有效折射率n′之差，F为焦距，d为刻蚀长度，λ为真空中的波长，y为各亚波长凹槽中心与所述中轴线的距离。

优选地，所述第二超表面结构中各凹槽的长度与波导材料的有效折射率满足以下关系式：

其中，n′为超表面层的有效折射率，n为波导材料有效折射率，F为焦距，d为刻蚀长度，λ为真空中的波长，y为各亚波长凹槽中心与中轴线的距离。

具体地，下面以平面光波聚束到波导轴线一点为例，介绍本发明的基本原理。

如图5-6所示，对于一束等相位基模光束，计算该模场截面上各个点到某一点的光程，显然位于轴线上光场的相位变化最小，同一截面远离轴线的输入光场的相位变化随距离增大而增加，同时考虑到光波的周期性，所以远离轴线各点的光场的相位调制只需要限制在相位变化在2π的范围内，即同一个波带范围，同时必须满足平面光波某一截面上的光波到达轴线上该点的相位差相等或者是2π的整数倍即可，其中2π的倍数即代表波带序号。

如图5所示，对于在第一个波带范围内的第一超表面结构，可以用等效介质理论或者FDTD(时域有限差分)等数值计算方法来确定微透镜单元的有效折射率，超表面层局部的有效折射率由亚波长凹槽宽度决定，然后可以用式(1)确定每个亚波长凹槽的刻蚀宽度；

如图6所示，对于在第一个波带范围内的第二超表面结构，每个亚波长凹槽的刻蚀长度d可以用式(2)确定。

光场调制可以通过刻蚀出的超表面层改变局部有效折射率实现，该超表面层构成了菲涅尔微透镜(如图2中第一超表面结构5和第二超表面结构6所示)，第一超表面结构第二超表面结构如果仅使用由长度相同、宽度不同的亚波长凹槽阵列构成的超表面(如图2中第一超表面结构5所示)，为满足性能要求，在靠近轴线区域的狭缝宽度就需要极其小(nm量级)，这给光刻和刻蚀工艺带来极大的难度。如果仅使用由长度不同、宽度相同的亚波长凹槽阵列构成的超表面结构(如图2中第二超表面结构6所示)，那么光束在会聚/扩束过程中，长短不一的狭缝结构会带来更多传输损耗。

因此，本发明将两种超表面结构结合起来使用，在相位差改变较小的地方(即在每个相位改变在2π范围内靠近轴线的地方，即第一个波带范围)使用长度不同，宽度相同的微透镜单元，在相位差改变较大的地方(即在每个相位改变在2π范围内远离轴线的地方)使用长度相同，宽度不同的微透镜单元。这样可以避免在相位差改变较小的地方刻蚀极细的凹槽，也可以降低光束在汇聚过程中经过较长微透镜单元的比例，同时缩短了透镜长度，降低了向衬底的损耗。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。