【摘 要】
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模式转换器可以实现光波导中不同模式的自由转换,对特定模式进行激发或屏蔽,波导模式转换器是实现模分复用（MDM）系统的关键性组件,在集成光子电路中发挥着重要作用。数字超材料利用具有不同介电常数的元素材料来合成具有所需参数的电磁材料。具体来讲,数字超材料将每个设计单元抽象为“0”和“1”这两个状态,“0”和“1”对应不同材料,并且通过改变每个设计单元的01排列来得到不同的材料结构.进而实现特殊的功能与
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模式转换器可以实现光波导中不同模式的自由转换,对特定模式进行激发或屏蔽,波导模式转换器是实现模分复用（MDM）系统的关键性组件,在集成光子电路中发挥着重要作用。数字超材料利用具有不同介电常数的元素材料来合成具有所需参数的电磁材料。具体来讲,数字超材料将每个设计单元抽象为“0”和“1”这两个状态,“0”和“1”对应不同材料,并且通过改变每个设计单元的01排列来得到不同的材料结构.进而实现特殊的功能与应用。在波导模式转换器的设计中引入数字超材料的思想,可以简化设计思路、提高设计自由度、降低设计难度。本文完成的工作如下:1、研究背景中首先介绍了波导模式转换器的基本概念和作用,随后对数字超材料的定义进行了阐述,最后介绍了模式转化器和数字超材料的国内外研究现状。2、介绍了基于数字超材料的波导模式转换器设计的理论基础,包括平面光波导的模式传输特征、数字超材料设计理论,拓扑优化理论、移动渐近线方法、有限元理论等。3、探讨模式转化器的设计过程,包括设计可传输4种TE模式的平面光波导、在波导上对数字超材料功能区进行设计、创建优化目标函数、调整数值优化过程中的参数设置等。4、分析设计成果,对设计的六种模式转换器按照模式转换特性分成两类,第一类是基模（TE0）向高阶模（TE1,TE2,TE3）转换,第二类是高阶模向高阶模转换（TE1-TE2,TE1-TE3,TE2-TE3）。讨论两类模式转换器的结构分布、内部磁场和功率通量分布、传输效率等。本文设计的由硅和空气组成的数字超材料功能区域,在较小的面积下（1550nm×1000nm）通过硅和空气不同组合,实现了六种不同的模式转换,且传输效率较高、结构紧凑、工作带宽大。
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