一种模斑转换装置及相关方法与流程

1.本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种模斑转换装置及相关方法。


背景技术：

2.在集成化光芯片的应用过程中会面对电磁波信号的模斑匹配问题，例如，光芯片波导和光纤之间的电磁波信号的交换耦合。电磁波信号的模斑匹配问题来源于波导之间的尺寸差异，当电磁波信号在一个波导中要传到另一个不同的波导中时，模斑不匹配会导致两个波导之间耦合效率下降，促使着电磁波信号在传递过程中信号强度明显降低，因此电磁波信号的模斑转换是实现高效率低损耗光芯片集成的一项关键技术。
3.目前，为了实现光芯片波导和光纤之间电磁波信号的高效率耦合主要有两种方式：在光纤的端部熔接一段高折射率差的小模斑热膨胀芯光纤(thermal expansion core，tec)，减小光纤端的模斑尺寸；在光芯片波导的端部增加模斑扩束结构(spot size converter，ssc)，增大光芯片波导的模斑尺寸。
4.针对光芯片波导端的模斑转换，对于采用硅或者氮化硅制成的波导芯片可采用光栅耦合器结构或者倒锥形模斑转换器结构，实现模斑的有效增大，但往往存在耦合效率低或者偏振相关、波长相关等缺点。
5.因此如何增加电磁波信号在不同波导之间传输的耦合效率是亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供一种模斑转换装置及相关设备，以提升电磁波信号在不同尺寸传输介质之间传递的耦合效率。
7.第一方面，本发明实施例提供了一种模斑转换装置，可包括：纵向模斑转换器，所述纵向模斑转换器包括n个几何体波导，且任意两个相邻的几何体波导之间通过填充材料进行填充；其中，所述n个几何体波导中的每个几何体波导包括入射面和出射面；其中，所述填充材料的折射率低于所述任意两个相邻的几何体波导的折射率；所述n个几何体波导各自的入射面和出射面间的几何特征尺寸沿第一方向逐渐减小；所述纵向模斑转换器，用于接收第一电磁波信号，并通过所述n个几何体波导对所述第一电磁波信号进行纵向模斑处理，输出第二电磁波信号；向第一接收器发送所述第二电磁波信号；所述纵向模斑处理包括纵向扩斑处理或纵向缩斑处理；其中，所述第一电磁波信号与所述n个几何体波导中的首个几何体波导之间的入射角或出射角的角度范围为第一范围；且每个几何体波导输出的电磁波信号与下一个几何体波导之间的入射角或出射角的角度范围为所述第一范围，其中，第一范围为0度到180度之间且不为90度。
8.本发明实施例基于现有技术中的模斑转换装置结构，通过对模斑转换装置中的纵向模斑转换器所包含的多个几何体波导的结构进行改进，使得电磁波信号与任意一个几何体波导之间的入射角或出射角不等于90度，从而实现将输入的电磁波信号进行相应模斑处理的同时也可以减少电磁波信号的串扰。具体地，由于传统的纵向模斑转换器由非均匀光
栅阵列构成，在电磁波信号通过非均匀光栅阵列的过程中，因为电磁波信号的入射角和出射角都为90度，所以每通过一个光栅便会导致一部分电磁波返回到入射波导中，会产生电磁波信号串扰导致明显的电磁波返回现象，从而影响电磁波信号在不同尺寸传输介质之间传递的耦合效率。而本发明实施例中，模斑转换装置包括由n个几何体波导构成的纵向模斑转换器，n个几何体波导中的任意两个几何体波导之间都通过填充材料进行填充，该填充材料的折射率要低于任意两个相邻的几何体波导的折射率，且n个几何体波导的几何结构尺寸是按照同一方向逐渐减小的；因此，电磁波信号在通过上述结构的n个几何体波导的过程中，能够根据实际需求进行纵向模斑处理，生成与接收波导向匹配的电磁波信号。并且，由于上述n个几何体波导中的每个几何体波导的入射面或出射面相对于纵向切面(电磁波信号传输方向的垂直方向上的切面)有所倾斜(即电磁波信号与任意一个几何体波导之间的入射角或出射角在0度到180度且不为90度)，因此，电磁波信号在从上述n个几何体波导中入射或者出射时，其反射信号不会沿原路返回，从而减少电磁波返回现象，进而不会干扰原电磁波信号的传输。综上，通过使用本发明实施例提供的模斑转换装置，可对电磁波信号进行有效的模斑处理的同时还能够减少电磁波信号返回现象，从而提升了电磁波在不同传输介质中的耦合效率。
9.在一种可能的实现方式中，所述第一接收器为第一波导时，所述第一波导为光纤、波导芯片、外接波导或激光器中的一种或多种；所述装置还包括：横向模斑转换器，用于接收第二波导输出的第三电磁波信号，并对所述第三电磁波信号进行横向扩斑处理，输出所述第一电磁波信号；所述第二波导为光纤、波导芯片、外接波导或激光器中的一种或多种。
10.在本发明实施例中，基于上述第一方面利用纵向模斑转换器对电磁波信号进行了相应的纵向模斑处理后，将该电磁波信号传输到接收波导中，在此场景下，本技术中的模斑转换器还可以包括横向模斑转换器，该横向模斑转换器用于接收输出波导输出的电磁波信号，并对该电磁波信号进行横向扩斑处理，并将横向扩斑处理过后的电磁波信号发送给纵向模斑转换器再进行纵向模斑处理，从而实现对输出波导输出的电磁波信号分别进行横向模斑处理和纵向模斑处理，生成与接收波导模场相匹配的电磁波信号，从而提升了电磁波在不同传输介质中的耦合效率。
11.在一种可能的实现方式中，所述横向模斑转换器为宽度沿所述第三电磁波传输的方向逐渐增大的锥形波导；所述锥形波导最宽的部分与所述纵向模斑转换器相连。
12.在本发明实施例中，横向模斑转换器为宽度沿输出波导输出的电磁波信号传输方向逐渐增大的锥形波导，当电磁波信号进入到锥形波导中后会沿着逐渐变宽的锥形结构进行相应的横向展宽。并且锥形波导最宽的部分与纵向模斑转换器相连，便于将横向展宽后的电磁波信号输出到纵向模斑转换器。
13.在一种可能的实现方式中，所述第一方向为所述第一电磁波信号传输的方向；所述纵向模斑转换器，具体用于：通过所述n个几何体波导，将接收到的所述第一电磁波信号逐步进行所述纵向扩斑处理生成所述第二电磁波信号。
14.在本发明实施例中，当n个几何体波导的几何特征尺寸沿着横向扩斑处理过后的电磁波信号传输方向逐渐减小，且纵向模斑转换器在接收到横向模斑处理过后的电磁波信号后，该横向模斑处理过后的电磁波信号会通过n个几何体波导，实现对该电磁波信号进行逐步纵向扩斑处理，且该电磁波信号在从上述n个几何体波导中入射或者出射时，其反射信
号不会沿原路返回，从而实现减少电磁波返回现象的同时也提升了电磁波在不同传输介质中的耦合效率。
15.在一种可能的实现方式中，所述接收第一电磁波信号；所述第一电磁波信号由所述第三波导输出；所述第三波导为光纤、波导芯片、外接波导或激光器中的一种或多种。
16.本发明实施例中的模斑转换装置可以应用于多种场景，例如，纵向模斑转换器可接收从起始于光纤、波导芯片、外接波导或激光器中输出的电磁波信号，并对该信号进行相应的纵向模斑处理。
17.在一种可能的实现方式中，所述第一接收器为横向模斑转换器时，所述横向模斑转换器，具体用于接收所述纵向模斑转换器输出的所述第二电磁波信号，并对所述第二电磁波信号进行横向缩斑处理，输出第三电磁波信号；所述第三电磁波信号由第四波导接收；所述第四波导为光纤、波导芯片、外接波导或激光器中的一种或多种。
18.在本发明实施例中，基于上述第一方面利用纵向模斑转换器对电磁波信号进行了相应的纵向模斑处理后，将该电磁波信号传输到横向模斑转换器中，在此场景下，该横向模斑转换器还可以用于接收纵向模斑处理过后的电磁波信号，并对该电磁波信号进行横向缩斑处理，并将横向缩斑处理过后的电磁波信号发送给接收波导，从而实现对输出波导输出的电磁波信号分别进行纵向模斑处理和横向模斑处理，生成与接收波导模场相匹配的电磁波信号，从而提升了电磁波信号在不同传输介质中的耦合效率。
19.在一种可能的实现方式中，所述横向模斑转换器为宽度沿所述第二电磁波传输的方向逐渐减小的锥形波导；所述锥形波导最宽的部分与所述纵向模斑转换器相连。
20.在本发明实施例中，横向模斑转换器为宽度沿纵向模斑处理过后的电磁波信号传输方向逐渐减小的锥形波导，当电磁波信号进入到锥形波导中后会沿着逐渐减小的锥形结构进行相应的横向缩斑。并且锥形波导最宽的部分与纵向模斑转换器相连，便于接收纵向模斑转换器输出的纵向处理过后的电磁波信号。
21.在一种可能的实现方式中，所述第一方向为所述第一电磁波信号传输的相反方向；所述纵向模斑转换器，具体用于：通过所述n个几何体波导，将接收到的所述第一电磁波信号逐步进行所述纵向缩斑处理生成所述第二电磁波信号。
22.在本发明实施例中，当n个几何体波导的几何特征尺寸沿着输出波导输出的电磁波信号传输方向逐渐增大，且纵向模斑转换器在接收到输出波导输出的电磁波信号后，该电磁波信号会通过n个几何体波导，实现对该电磁波信号进行逐步纵向缩斑处理，且该电磁波信号在从上述n个几何体波导中入射或者出射时，其反射信号不会沿原路返回，从而实现减少电磁波返回现象的同时也提升了电磁波在不同传输介质中的耦合效率。
23.在一种可能的实现方式中，所述横向模斑转换器与所述纵向模斑转换器的厚度一致。
24.在本发明实施例中，横向模斑转换器可以对电磁波进行横向模斑处理，纵向模斑转换器可以对电磁波进行纵向模斑处理，横向模斑转换器和纵向模斑转换器的厚度相同，不仅能够实现对电磁波进行模斑处理，同时横向模斑转化器和纵向模斑转换器也可以通过半导体工艺同时制作降低制造的难度。
25.第二方面，本发明实施例提供了一种模斑转换装置，可包括：m个纵向模斑转换器和m个横向模斑转换器；所述m个纵向模斑转换器中的每个纵向模斑转换器为上述提到的任
意一项所述的纵向模斑转换器；所述m个横向模斑转换器中的每个横向模斑转换器为上述提到的任意一项所述的横向模斑转换器。
26.在本发明实施例中，模斑转换装置可由多个横向模斑转换器和多个纵向模斑转换器组成，根据实际需求可对输出波导阵列输出的多个电磁波信号同时进行相应的模斑处理，从而提升了电磁波在不同传输介质中的耦合效率。
27.第三方面，本发明实施例提供了一种模斑转换方法，可包括：由纵向模斑转换器接收第一电磁波信号，并通过n个几何体波导对所述第一电磁波信号进行纵向模斑处理，输出第二电磁波信号；向第一接收器发送所述第二电磁波信号；所述纵向模斑处理包括纵向扩斑处理或纵向缩斑处理；所述纵向模斑转换器包括所述n个几何体波导，且任意两个相邻的几何体波导之间通过填充材料进行填充；其中，所述n个几何体波导中的每个几何体波导包括入射面和出射面；其中，所述填充材料的折射率低于所述任意两个相邻的几何体波导的折射率；所述n个几何体波导各自的入射面和出射面间的几何特征尺寸沿第一方向逐渐减小；其中，所述第一电磁波信号与所述n个几何体波导中的首个几何体波导之间的入射角或出射角的角度范围为第一范围；且每个几何体波导输出的电磁波信号与下一个几何体波导之间的入射角或出射角的角度范围为所述第一范围，其中，第一范围为0度到180度之间且不为90度。
28.在一种可能的实现方式中，所述第一接收器为第一波导时，所述第一波导为光纤、波导芯片、外接波导或激光器中的一种或多种；所述方法还包括：由横向模斑转换器接收第二波导输出的第三电磁波信号，并对所述第三电磁波信号进行横向扩斑处理，输出所述第一电磁波信号；所述第二波导为光纤、波导芯片、外接波导或激光器中的一种或多种。
29.在一种可能的实现方式中，所述横向模斑转换器为宽度沿所述第三电磁波传输的方向逐渐增大的锥形波导；所述锥形波导最宽的部分与所述纵向模斑转换器相连。
30.在一种可能的实现方式中，所述第一方向为所述第一电磁波信号传输的方向；所述方法包括：由纵向模斑转换器通过所述n个几何体波导，将接收到的所述第一电磁波信号逐步进行所述纵向扩斑处理生成所述第二电磁波信号。
31.在一种可能的实现方式中，所述接收第一电磁波信号；所述第一电磁波信号由所述第三波导输出；所述第三波导为光纤、波导芯片、外接波导或激光器中的一种或多种。
32.在一种可能的实现方式中，所述第一接收器为横向模斑转换器时，所述方法包括：由横向模斑转换器接收所述纵向模斑转换器输出的所述第二电磁波信号，并对所述第二电磁波信号进行横向缩斑处理，输出第三电磁波信号；所述第三电磁波信号由第四波导接收；所述第四波导为光纤、波导芯片、外接波导或激光器中的一种或多种。
33.在一种可能的实现方式中，所述横向模斑转换器为宽度沿所述第二电磁波传输的方向逐渐减小的锥形波导；所述锥形波导最宽的部分与所述纵向模斑转换器相连。
34.在一种可能的实现方式中，所述第一方向为所述第一电磁波信号传输的相反方向；所述方法包括：由纵向模斑转换器通过所述n个几何体波导，将接收到的所述第一电磁波信号逐步进行所述纵向缩斑处理生成所述第二电磁波信号。
35.在一种可能的实现方式中，所述横向模斑转换器与所述纵向模斑转换器的厚度一致。
36.第四方面，一种半导体芯片，其特征在于，包括：如上述提到的任一所述的模斑转
换装置。
37.第五方面，一种终端设备，其特征在于，包括：如上述提到的任一所述的模斑转换装置。
附图说明
38.图1是现有技术中的一种非均匀光栅型plc波导模斑转换器装置示意图。
39.图2是本发明实施例提供的一种电磁波通信系统架构图。
40.图3是本发明实施例提供的一种模斑转换装置的结构图。
41.图4为本发明实施例提供的一种纵向模斑转换器示意图。
42.图5为本发明实施例提供的一种模斑转换场景示意图。
43.图6为本发明实施例提供的一种沿z轴传播方向不同位置的xy截面模场分布图。
44.图7为本发明实施例提供的一种横向扩斑和纵向扩斑示意图。
45.图8为本发明实施例提供的一种电磁波返回对比示意图。
46.图9为本发明实施例提供的另一种模斑转换场景示意图。
47.图10是本发明实施例提供的另一种模斑转换装置的结构图。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例进行描述。
49.本技术的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
50.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
51.在本说明书中使用的术语“部件”、“模块”、“系统”等用于表示计算机相关的实体、硬件、固件、硬件和软件的组合、软件、或执行中的软件。例如，部件可以是但不限于，在处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行文件、执行线程、程序和/或计算机。通过图示，在计算设备上运行的应用和计算设备都可以是部件。一个或多个部件可驻留在进程和/或执行线程中，部件可位于一个计算机上和/或分布在2个或更多个计算机之间。此外，这些部件可从在上面存储有各种数据结构的各种计算机可读介质执行。部件可例如根据具有一个或多个数据分组(例如来自与本地系统、分布式系统和/或网络间的另一部件交互的二个部件的数据，例如通过信号与其它系统交互的互联网)的信号通过本地和/或远程进程来通信。
52.首先，对本技术中的部分用语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解。
53.(1)平面光波导(planar lightwave circuit，plc)，平面光波导也就是光波导位于一个平面内。最常见的plc分路器是用二氧化硅(sio2)做的，其实plc技术所涉及的材料非常广泛，如玻璃/二氧化硅(quartz/silica/sio2)、铌酸锂(linbo3)、iii-v族半导体化合
物(如inp,gaas等)、绝缘体上的硅(silicon-on-insulator,soi/simox)、氮氧化硅(sion)、高分子聚合物(polymer)等。
54.(2)模斑转换器(spot size converter，ssc)，指连接两段不同尺寸光波导起到模场转换作用的光学器件。现有的光纤-波导耦合器主要有光栅耦合器、棱镜耦合器和三维楔形转换器。
55.(3)激光二极管(ld，laser diode)，包括单异质结(sh)、双异质结(dh)和量子阱(qw)激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小(一般小于2mw)，线性差、单色性不太好。
56.(4)横电波(transverse electric，te)，在电磁波的传播方向上不存在电场分量，但存在磁场分量，称这种电磁波为横电波，简称te波。垂直极化波斜入射到理想导体表面时合成波为横电波。
57.(5)横磁波(transverse magnetic，tm)，在电磁波的传播方向上不存在磁场分量或者说磁场的振动方向垂直于波的传播方向，但存在电场分量，称这种电磁波为横磁波，简称tm波。平行极化波斜入射到理想导体表面时合成波为横磁波。横磁波(tm波)是属于导行电磁波的一种，和横电波(te波)相对应。
58.(6)热膨胀芯(thermal expansion core，tec)，光纤跳线进行自由空间耦合时，对位置的偏移没有单模光纤那样敏感。光纤熔接技术，通过将传统单模光纤的一端加热，使超过2.5mm长的纤芯膨胀，就可制成这种光纤。在自由空间耦合应用中，光纤经过这样处理的一端可以接受模场直径较大的光束，同时还能保持光纤的单模和光学性能。tec光纤经常应用于构建基于光纤的光隔离器、可调谐波长的滤光片和可变光学衰减器。
59.请参见图1，图1是现有技术中的一种非均匀光栅型plc波导模斑转换器装置示意图，如图1所示该非均匀光栅型plc波导模斑转换器装置由宽度逐渐增大的锥形波导结构和宽度逐渐减小的长方体非均匀光栅阵列结构组成。基于该非均匀光栅型plc波导模斑转换器的低折射率差二氧化硅plc波导模斑转换过程如下：
60.1、电磁波信号从输出波导进入锥形波导结构。当电磁波信号进入到锥形波导结构时，电磁波信号会沿着锥形波导宽度逐渐增大的方向进行横向展宽，从电磁波信号的模场分布图可以明显地观察到电磁波信号横向变宽。
61.2、电磁波信号从锥形波导进入到非均匀光栅阵列。如图1所示，图1中该非均匀光栅阵列由宽度逐渐减小且长和宽不变的多个长方体光栅构成，且每个长方体光栅之间由低折射率填充材料进行相应的填充。当电磁波信号横向展宽后，会从锥形波导进入到该非均匀光栅阵列。如图，电磁波信号首先进入低折射率填充材料，然后再进入长方体光栅中。需要说明的是，电磁波在低折射率填充材料中会展宽，在长方体光栅中会被束缚，随着长方体的宽度逐渐减小，长方体光栅对电磁波的束缚减弱，从而电磁波信号在垂直于非均匀光栅阵列平面的纵向进行相应的展宽。从电磁波信号的模场分布图可以观察到电磁波纵向变宽。
62.3、电磁波信号进入接收波导。与从输出波导输出的电磁波信号模场分布图相比，进过该模斑转换器后的电磁波信号横向和纵向都出现了展宽。得出该模斑转化器可实现电磁波双方向的模斑转换的结论。
63.上述非均匀光栅型plc波导模斑转换器装置的缺点：在电磁波信号通过非均匀光栅阵列的过程中，每经过一个光栅都会导致一部分电磁波信号向后反射回到入射波导中，并且反射的电磁波信号之间会出现干涉现象，最终导致明显的电磁波返回现象。这种电磁波返回对于波导芯片中传输的信号可能会产生串扰，需要尽量去避免，尤其是信号收发芯片。
64.综上所述，现有的模斑转换装置，由于电磁波在该种模斑转换装置中会出现电磁波返回现象，导致电磁波信号在传输过程中遇到较大的干扰，并且降低了电磁波信号在不同波导之间传输的耦合效率。因此，本技术提供的一种模斑转换装置用于解决上述技术问题。
65.基于上述，下面先对本发明实施例所基于的其中一种光通信系统进行描述。请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种光通信系统架构图，该光通信系统中可以包括输出波导201、模斑转换器202、接收波导203。输出波导201可以作为电磁波信号的输出端，当输出波导201作为电磁波信号的输出端时接收波导203可作为电磁波信号的输入端，本技术对此不作具体限定。其中，
66.输出波导201，输出波导201可以为plc波导芯片、光纤、激光器、平行平板波导、矩形波导、同轴线等用于传输电磁波信号的任意一种结构。在光通信中波导是用来定向引导电磁波信号的结构，从而使得电磁波信号能够在其端点间进行传递。从电磁波信号传播的角度来看，波导可分为内部区域和外部区域，电磁波信号会被限制在折射率较高的内部区域进行传播。例如，当输出波导201为plc波导芯片，电磁波信号可通过该波导芯片中进行传输并可传向接收波导203。
67.模斑转换器202，在本技术中指连接输出波导201与接收波导203这两个不同尺寸波导并起到模场转换作用的光学器件。常见的模斑转换器有光栅耦合器、棱镜耦合器和三维楔形转换器等。例如，当输出波导201为plc波导芯片，接收波导203为光纤时，由于这两种波导的尺寸大小不同，若电磁波信号直接从plc波导芯片输入到光纤中，则电磁波信号在接口处会产生较大的损耗，并且由于模场不匹配导致两波导之间存在耦合。因此，可在plc波导芯片和光纤之间插入一个模斑转换器202，能够有效的降低连接损耗和由模场不匹配引起的耦合损耗。需要说明的是，该光通信系统中的模斑转换器202的具体结构可为图3中的模斑转换装置30或图10中的模斑转换装置100。
68.接收波导203，接收波导203可以为plc芯片、光纤、激光器、平行平板波导、矩形波导、同轴线等用于传输电磁波的任意一种结构。例如，当接收波导203为光纤，输出波导201为plc波导芯片时，当电磁波信号从plc波导芯片中输出后，进过模斑转换器后会进入到光纤中，此时由于plc波导芯片与光纤之间插入了一个模斑转换器，因此能够降低的连接损耗和由模场不匹配引起的耦合损耗，然后电磁波信号会进入到光纤中进行传输。
69.可以理解的是，图2中的光通信系统架构只是本发明实施例中的一种示例性的实施方式，本发明实施例中的光通信系统包括但不仅限于以上光通信系统。需要说明的是，上述模斑转换器202可以集成在波导芯片、光纤、单端口光端机等光通信设备中，例如，把模斑转换器202集成在光纤中，当激光器与光纤进行电磁波信号传输时，此时激光器为上述输出波导201，光纤为上述接收波导203，光纤中的模斑转换器202可对电磁波信号进行处理使得电磁波信号能够更好地耦合进入光纤。又例如，上述模斑转换器202可以集成在单端口光端
机(又称光猫)中，当两个光纤进行电磁波信号传输时，光猫用于连接两个不同的光纤，此时将电磁波信号输入光猫的输出光纤作为上述输出波导201，将接收光猫输出的电磁波信号的接收光纤作为上述接收波导203，光猫中的模斑转换器202可对电磁波信号进行处理使得电磁波信号能够更好的从输出光纤耦合进入接收光纤。
70.下面基于上述电磁波通信系统，结合本技术中提供的模斑转换装置的实施例，对本技术中提出的技术问题进行具体分析和解决。
71.请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种模斑转换装置的结构图，如图3所示，模斑转换装置30包括：纵向模斑转换器301，可选的，还可以包括横向模斑转换器302。其中：
72.纵向模斑转换器301，包括n个几何体波导，且任意两个相邻的几何体波导之间通过填充材料进行填充；其中，所述n个几何体波导中的每个几何体波导包括入射面和出射面；其中，所述填充材料的折射率低于所述任意两个相邻的几何体波导的折射率；所述n个几何体波导各自的入射面和出射面间的几何特征尺寸沿第一方向逐渐减小；纵向模斑转换器301，用于接收第一电磁波信号，并通过所述n个几何体波导对所述第一电磁波信号进行纵向模斑处理，输出第二电磁波信号；向第一接收器发送所述第二电磁波信号；所述纵向模斑处理包括纵向扩斑处理或纵向缩斑处理；其中，所述第一电磁波信号与所述n个几何体波导中的首个几何体波导之间的入射角或出射角的角度范围为第一范围；且每个几何体波导输出的电磁波信号与下一个几何体波导之间的入射角或出射角的角度范围为所述第一范围，其中，第一范围为0度到180度之间且不为90度。
73.需要说明的是，上述所提及的n个几何体波导横切面的形状可以统一为除矩形外的梯形、菱形、圆形、三角形等几何形状。可选的，n个几何体波导形状横切面的形状可以不相同，但n个几何体波导中的每一个几何体波导的横切面形状都为除矩形外的梯形、菱形、圆形、三角形等几何形状。例如，如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种纵向模斑转换器示意图，图中展示了三种纵向模斑转换器301中的n个几何体波导的横切面形状设计，第一种情况为n个几何体波导的横切面形状统一为梯形且沿着第一方向梯形的几何特征尺寸逐渐减小，第二种情况为n个几何体波导的横切面形状统一为三角形且沿着第一方向三角形的几何特征尺寸逐渐减小，第三种情况为n个几何体波导的横切面形状由梯形、圆形、三角形组成，并且各形状的几何体波导横切面的几何特征尺寸沿着第一方向逐渐减小，并且在这三种情况中每一个几何体波导的厚度都是一致的。需要说明的是，在图4的第三种情况中，沿第一方向的几何体波导横截面积会逐渐减小，例如，第一梯形的面积比第二圆形的面积大，并且第一梯形波导的厚度与第二圆形波导的厚度一致。
74.本发明实施例基于现有技术中的模斑转换装置结构，通过对模斑转换装置中的纵向模斑转换器301所包含的多个几何体波导的结构进行改进，使得电磁波信号与任意一个几何体波导之间的入射角或出射角不等于90度，从而实现将输入的电磁波信号进行相应模斑处理的同时也可以减少电磁波信号的串扰。具体地，由于传统的纵向模斑转换器由非均匀光栅阵列构成，在电磁波信号通过非均匀光栅阵列的过程中，因为电磁波信号的入射角和出射角都为90度，所以每经过一个光栅便会导致一部分电磁波返回到入射波导中，会产生电磁波信号串扰导致明显的电磁波返回现象，从而影响电磁波信号在不同尺寸传输介质之间传递的耦合效率。而本发明实施例中，模斑转换装置30包括由n个几何体波导构成的纵向模斑转换器301，n个几何体波导中的任意两个几何体波导之间都通过填充材料进行填
充，该填充材料的折射率要低于任意两个相邻的几何体波导的折射率，且n个几何体波导的几何结构尺寸是按照同一方向逐渐减小的；因此，电磁波信号在通过上述结构的n个几何体波导的过程中，能够根据实际需求进行纵向模斑处理，生成与接收波导向匹配的电磁波信号。并且，由于上述n个几何体波导中的每个几何体波导的入射面或出射面相对于纵向切面(电磁波信号传输方向的垂直方向上的切面)有所倾斜(即电磁波信号与任意一个几何体波导之间的入射角或出射角在0度到180度且不为90度)，因此，电磁波信号在从上述n个几何体波导中入射或者出射时，其反射信号不会沿原路返回，从而减少电磁波返回现象，进而不会干扰原电磁波信号的传输。综上，通过使用本发明实施例提供的模斑转换装置，可对电磁波信号进行有效的模斑处理的同时还能够减少电磁波信号返回现象，从而提升了电磁波在不同传输介质中的耦合效率。
75.在一种可能的实现方式中，所述第一接收器为第一波导时，所述第一波导为光纤、波导芯片、外接波导或激光器中的一种或多种；所述装置还包括：横向模斑转换器302，用于接收第二波导输出的第三电磁波信号，并对所述第三电磁波信号进行横向扩斑处理，输出所述第一电磁波信号；所述第二波导为光纤、波导芯片、外接波导或激光器中的一种或多种。
76.例如，如图5所示，图5为本发明实施例提供的一种模斑转换场景示意图，图中由于plc波导芯片和光纤的尺寸大小不一致，电磁波信号不能直接从plc波导芯片输入光纤，需要在这两种电磁波传输介质之间插入本发明实施例提供的模斑转换装置，解决电磁波信号模斑转换问题，使得电磁波信号从plc波导芯片输出后能够更好的耦合进入光纤。图中plc波导芯片为上述的第二波导(输出波导201)，光纤为上述的第一波导(接收波导203)，并且从plc波导芯片输出的信号为第三电磁波信号，横向模斑转换器302输出的信号为第一电磁波信号，纵向模斑转换器301输出的信号为第二电磁波信号。电磁波信号从plc波导芯片输出后，进入横向模斑转换器302进行横向扩斑处理，然后在进入纵向模斑转换器301进行纵向模斑处理，由于n个梯形波导中的每个梯形波导的入射面和出射面相对于纵向切面(电磁波信号传输方向的垂直方向上的切面)有所倾斜(即电磁波信号与任意一个梯形波导之间的入射角和出射角在0度到180度且不为90度)，因此，电磁波信号在从n个梯形波导中入射和者出射时，其反射信号不会沿原路返回，从而减少电磁波返回现象，进而不会干扰原电磁波信号的传输，从而提升了电磁波在不同传输介质中的耦合效率。
77.因此，基于上述利用纵向模斑转换器301对电磁波信号进行了相应的纵向模斑处理后，再将该电磁波信号传输到接收波导中，在此场景下，本技术中的模斑转换器还可以包括横向模斑转换器302，该横向模斑转换器302用于接收输出波导输出的电磁波信号，并对该电磁波信号进行横向扩斑处理，并将横向扩斑处理过后的电磁波信号发送给纵向模斑转换器301再进行纵向模斑处理，从而实现对输出波导输出的电磁波信号分别进行横向模斑处理和纵向模斑处理，生成与接收波导模场相匹配的电磁波信号，从而提升了电磁波在不同传输介质中的耦合效率。
78.在一种可能的实现方式中，所述横向模斑转换器302为宽度沿所述第三电磁波传输的方向逐渐增大的锥形波导；所述锥形波导最宽的部分与所述纵向模斑转换器301相连。
79.例如，如图5所示，图中横向模斑转换器302为宽度沿着第三电磁波信号传输的方向逐渐增大的锥形波导，且锥形波导最宽的部分与纵向模斑转换器相连301。第三电磁波信
号在锥形波导中沿着锥形波导进行一个横向展宽，然后该电磁波信号再进入纵向模斑转换器301。
80.因此，横向模斑转换器302为宽度沿输出波导输出的电磁波信号传输方向逐渐增大的锥形波导，当电磁波信号进入到锥形波导中后会沿着逐渐变宽的锥形结构进行相应的横向展宽。并且锥形波导最宽的部分与纵向模斑转换器301相连，便于将横向展宽后的电磁波信号输出到纵向模斑转换器301。
81.在一种可能的实现方式中，所述第一方向为所述第一电磁波信号传输的方向；所述纵向模斑转换器301，具体用于：通过所述n个几何体波导，将接收到的所述第一电磁波信号逐步进行所述纵向扩斑处理生成所述第二电磁波信号。
82.例如，如图6所示，图6为本发明实施例提供的一种沿z轴传播方向不同位置的xy截面模场分布图。图中电磁波信号沿z轴方向进行传输，并且电磁波信号先通过横向模斑转换器302然后在通过纵向模斑转换器301，图中的横向模斑转换器302为宽度逐渐增大的锥形波导且纵向模斑转换器301由n个梯形波导构成。图6中分别截取该模斑转换器入射端1、中间部位2、出射端3三个位置的模场分布，图中可以观察到中间部位2相对于入射端1的模场出现了横向展宽，出射端3相对于中间部位2的模场出现了纵向展宽。具体地，如图7所示，图7为本发明实施例提供的一种横向扩斑和纵向扩斑示意图，图中显示了从入射端1到中间部位2的横向模场分布，以及中间部位2到出射端3的纵向模场分布。从图7中可以观察到，沿着电磁波信号传播方向的入射端1到中间部位2区域出现横向扩斑，而在中间部位2到出射端3区域则产生纵向扩斑，最终实现了入射端1到出射端3区域内横向和纵向的双方向扩斑功能。
83.需要说明的是，如图8所示，图8为本发明实施例提供的一种电磁波返回对比示意图，图中展示了本发明实施例提供的模斑转换装置30与现有的非均匀光栅型模斑转换装置的电磁波回返曲线，图中t-te/tm代表所提出横电波(transverse electric，te)和横磁波(transverse magnetic，tm)偏振电磁波信号在本技术的模斑转换装置30传播过程中的回返，而图中g-te/tm则代表te和tm偏振电磁波在现有非均匀光栅型模斑转换装置传播过程中的回返。通过回返曲线的对比可以明显发现，本发明实施例所提供的模斑转换器30的回返相对于现有非均匀光栅型模斑转换器出现了明显的下降，由此可说明本发明提供的模斑转换装置30具有低返回特性。
84.因此，当n个几何体波导的几何特征尺寸沿着横向扩斑处理过后的电磁波信号传输方向逐渐减小，且纵向模斑转换器301在接收到横向模斑处理过后的电磁波信号后，该横向模斑处理过后的电磁波信号会通过n个几何体波导，实现对该电磁波信号进行逐步纵向扩斑处理，且该电磁波信号在从上述n个几何体波导中入射或者出射时，其反射信号不会沿原路返回，从而实现减少电磁波返回现象的同时也提升了电磁波在不同传输介质中的耦合效率。
85.在一种可能的实现方式中，所述接收第一电磁波信号；所述第一电磁波信号由所述第三波导输出；所述第三波导为光纤、波导芯片、外接波导或激光器中的一种或多种。具体地，本发明实施例中的模斑转换装置30可以应用于多种场景，例如，纵向模斑转换器301可接收从起始于光纤、波导芯片、外接波导或激光器中输出的电磁波信号，并对该信号进行相应的纵向模斑处理。
86.在一种可能的实现方式中，所述第一接收器为横向模斑转换器302时，所述横向模斑转换器302，具体用于接收所述纵向模斑转换器301输出的所述第二电磁波信号，并对所述第二电磁波信号进行横向缩斑处理，输出第三电磁波信号；所述第三电磁波信号由第四波导接收；所述第四波导为光纤、波导芯片、外接波导或激光器中的一种或多种。
87.例如，如图9所示，图9为本发明实施例提供的另一种模斑转换场景示意图，图中由于光纤1和plc波导芯片的尺寸大小不一致，电磁波信号不能直接从光纤1输入plc波导芯片，需要在这两种电磁波传输介质之间插入本发明实施例提供的模斑转换装置30，解决电磁波信号模斑转换问题，使得电磁波信号从光纤1输出后能够更好的耦合进入plc波导芯片。图中光纤1为上述第三波导(输出波导201)，plc波导芯片为上述第四波导(接收波导203)，并且从光纤1输出的信号为第一电磁波信号，纵向模斑转换器输出的信号为第二电磁波信号，横向模斑转换器输出的信号为第三电磁波信号。电磁波信号从光纤1中输出后，进入纵向模斑转换器进行纵向模斑处理，然后进入横向模斑转换器进行横向缩斑处理。
88.因此，基于上述第一方面利用纵向模斑转换器301对电磁波信号进行了相应的纵向模斑处理后，将该电磁波信号传输到横向模斑转换器302中，在此场景下，该横向模斑转换器302还可以用于接收纵向模斑处理过后的电磁波信号，并对该电磁波信号进行横向缩斑处理，并将横向缩斑处理过后的电磁波信号发送给接收波导203，从而实现对输出波导201输出的电磁波信号分别进行纵向模斑处理和横向模斑处理，生成与接收波导模场相匹配的电磁波信号，从而提升了电磁波在不同传输介质中的耦合效率。
89.在一种可能的实现方式中，所述横向模斑转换器302为宽度沿所述第二电磁波传输的方向逐渐减小的锥形波导；所述锥形波导最宽的部分与所述纵向模斑转换器301相连。
90.例如，如图9所示，图中横向模斑转换器302为宽度沿着第二电磁波信号传输的方向逐渐减小的锥形波导，且锥形波导最宽的部分与横向模斑转换器301相连。第二电磁波信号在锥形波导中沿着锥形波导进行一个横向缩斑，然后该电磁波信号再进入plc波导芯片。
91.因此，横向模斑转换器302可为宽度沿纵向模斑处理过后的电磁波信号传输方向逐渐减小的锥形波导，当电磁波信号进入到锥形波导中后会沿着逐渐减小的锥形结构进行相应的横向缩斑。并且锥形波导最宽的部分与纵向模斑转换器301相连，便于接收纵向模斑转换器301输出的纵向处理过后的电磁波信号。
92.在一种可能的实现方式中，所述第一方向为所述第一电磁波信号传输的相反方向；所述纵向模斑转换器301，具体用于：通过所述n个几何体波导，将接收到的所述第一电磁波信号逐步进行所述纵向缩斑处理生成所述第二电磁波信号。
93.例如，如图9所示，电磁波信号从光纤1中输出后，首先进入纵向模斑转换器301中的几何特征尺寸最小的梯形波导，然后再通过几何尺寸逐渐增大的几何体波导，进行纵向缩斑处理。由于n个梯形波导中的每个梯形波导的入射面和出射面相对于纵向切面(电磁波信号传输方向的垂直方向上的切面)有所倾斜(即电磁波信号与任意一个梯形波导之间的入射角和出射角在0度到180度且不为90度)，所以，电磁波信号在从n个梯形波导中入射和者出射时，其反射信号不会沿原路返回，从而减少电磁波返回现象，进而不会干扰原电磁波信号的传输，从而提升了电磁波在不同传输介质中的耦合效率。
94.因此，当n个几何体波导的几何特征尺寸沿着输出波导输出的电磁波信号传输方向逐渐增大，且纵向模斑转换器301在接收到输出波导201输出的电磁波信号后，该电磁波
信号会通过n个几何体波导，实现对该电磁波信号进行逐步纵向缩斑处理，且该电磁波信号在从上述n个几何体波导中入射或者出射时，其反射信号不会沿原路返回，从而实现减少电磁波返回现象的同时也提升了电磁波在不同传输介质中的耦合效率。
95.在一种可能的实现方式中，所述横向模斑转换器302与所述纵向模斑转换器301的厚度一致。具体地，横向模斑转换器302可以对电磁波进行横向模斑处理，纵向模斑转换器301可以对电磁波进行纵向模斑处理，横向模斑转换器302和纵向模斑转换器301具有相同的厚度。本发明实施例所提供的模斑转换装置30不仅能够实现对电磁波信号进行模斑处理，同时横向模斑转化器302和纵向模斑转换器301也可以通过半导体工艺同时制作降低制造的难度。
96.请参见图10，图10是本发明实施例提供的另一种模斑转换装置的结构图，如图10所示，模斑装置100包括：m个纵向模斑转换器1001，可选的，还可以包括m个横向模斑转换器1002。
97.所述m个纵向模斑转换器1001中的每个纵向模斑转换器为上述提到的任意一项所述的纵向模斑转换器301；所述m个横向模斑转换器1002中的每个横向模斑转换器为上述提到的任意一项所述的横向模斑转换器302。具体地，模斑转换装置1001可由多个横向模斑转换器302和多个纵向模斑转换器301组成，根据实际需求可对输出波导阵列输出的多个电磁波信号同时进行相应的模斑处理，从而提升了电磁波在不同传输介质中的耦合效率。例如，如图10所示，图中当m等于4时，输出波导阵列包括4个输出波导，接收波导阵列包括4个接收波导，且每一个输出波导和接收波导之间通过本发明实施例提供的横向模斑转换器和纵向模斑转换器所组合的结构进行连接，从而可实现该模斑转换装置对输出波导阵列输出的4个电磁波信号同时进行相应的模斑处理，从而提升了电磁波在不同传输介质中的耦合效率。
98.上述详细阐述了本发明实施例的装置，下面提供了本发明实施例的相关方法。
99.本发明实施例提供了一种模斑转换方法，可包括：由纵向模斑转换器接收第一电磁波信号，并通过n个几何体波导对所述第一电磁波信号进行纵向模斑处理，输出第二电磁波信号；向第一接收器发送所述第二电磁波信号；所述纵向模斑处理包括纵向扩斑处理或纵向缩斑处理；所述纵向模斑转换器包括所述n个几何体波导，且任意两个相邻的几何体波导之间通过填充材料进行填充；其中，所述n个几何体波导中的每个几何体波导包括入射面和出射面；其中，所述填充材料的折射率低于所述任意两个相邻的几何体波导的折射率；所述n个几何体波导各自的入射面和出射面间的几何特征尺寸沿第一方向逐渐减小；其中，所述第一电磁波信号与所述n个几何体波导中的首个几何体波导之间的入射角或出射角的角度范围为第一范围；且每个几何体波导输出的电磁波信号与下一个几何体波导之间的入射角或出射角的角度范围为所述第一范围，其中，第一范围为0度到180度之间且不为90度。
100.在一种可能的实现方式中，所述第一接收器为第一波导时，所述第一波导为光纤、波导芯片、外接波导或激光器中的一种或多种；所述方法还包括：由横向模斑转换器接收第二波导输出的第三电磁波信号，并对所述第三电磁波信号进行横向扩斑处理，输出所述第一电磁波信号；所述第二波导为光纤、波导芯片、外接波导或激光器中的一种或多种。
101.在一种可能的实现方式中，所述横向模斑转换器为宽度沿所述第三电磁波传输的方向逐渐增大的锥形波导；所述锥形波导最宽的部分与所述纵向模斑转换器相连。
102.在一种可能的实现方式中，所述第一方向为所述第一电磁波信号传输的方向；所述方法包括：由纵向模斑转换器通过所述n个几何体波导，将接收到的所述第一电磁波信号逐步进行所述纵向扩斑处理生成所述第二电磁波信号。
103.在一种可能的实现方式中，所述接收第一电磁波信号；所述第一电磁波信号由所述第三波导输出；所述第三波导为光纤、波导芯片、外接波导或激光器中的一种或多种。
104.在一种可能的实现方式中，所述第一接收器为横向模斑转换器时，所述方法包括：由横向模斑转换器接收所述纵向模斑转换器输出的所述第二电磁波信号，并对所述第二电磁波信号进行横向缩斑处理，输出第三电磁波信号；所述第三电磁波信号由第四波导接收；所述第四波导为光纤、波导芯片、外接波导或激光器中的一种或多种。
105.在一种可能的实现方式中，所述横向模斑转换器为宽度沿所述第二电磁波传输的方向逐渐减小的锥形波导；所述锥形波导最宽的部分与所述纵向模斑转换器相连。
106.在一种可能的实现方式中，所述第一方向为所述第一电磁波信号传输的相反方向；所述方法包括：由纵向模斑转换器通过所述n个几何体波导，将接收到的所述第一电磁波信号逐步进行所述纵向缩斑处理生成所述第二电磁波信号。
107.在一种可能的实现方式中，所述横向模斑转换器与所述纵向模斑转换器的厚度一致。
108.需要说明的是，本发明实施例中所描述的模斑转换方法中各个步骤的实现在所述的装置实施例中的模斑转换装置中完成，此处不再赘述。
109.本发明实施例还提供一种半导体芯片，其特征在于，包括：如上述提到的任一所述的模斑转换装置。
110.本发明实施例还提供一种终端设备，其特征在于，包括：如上述提到的任一所述的模斑转换装置。
111.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
112.需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某些步骤可能可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。
113.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
114.上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
115.另外，在本技术各实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
116.上述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以为个人计算机、服务器或者网络设备等，具体可以是计算机设备中的处理器)执行本技术各个实施例上述方法的全部或部分步骤。其中，而前述的存储介质可包括：u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、只读存储器(read-only memory，缩写：rom)或者随机存取存储器(random access memory，缩写：ram)等各种可以存储程序代码的介质。
117.以上所述，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。