塑料制成的光纤具有轻质、柔软、低成本等特点，可用于通信、图像传输、照明与装饰等领域，实现与其它光纤优势互补的各种功能.在通信领域，渐变折射率塑料光纤实现了10 Gbps@100 m的消费级传输速率和40 Gbps的测试级传输速率; 在图像传输领域，已有0.45 mm直径@7400像素和1.5 mm直径@13 000像素的传像束，以及分辨率高达256 lp/mm的光纤面板产品; 在塑料光纤激光器领域，有关增益介质、光纤长度、光纤结构等与激光器/放大器的特征性能间关系的理论与实验研究逐步深入; 在装饰和照明领域，已有用塑料光纤开发的太阳光光纤照明、造型光纤照明、光纤毯治疗仪等装置.本文就塑料光纤在上述领域的最新研究和应用情况进行综述.

制备了NaYF4∶Er3+,Yb3+纳米晶, 表征了纳米晶的形貌, 通过物理掺杂的方式将纳米粒子掺杂到SU-8中作为光波导放大器的芯层材料, 优化了波导放大器的尺寸, 利用旋涂、刻蚀等工艺, 在二氧化硅衬底上制备了光波导放大器。实验中用光漂白法和湿法刻蚀两种方法制备光波导放大器, 分别给出了两种方法制备的器件的结构、工艺流程、光场模拟结果, 并对两种方法制备的器件的放大特性进行了测试。测试结果表明, 当980 nm波长的泵浦光功率为241 mW且1 550 nm波长的信号光功率为0.1 mW时, 使用湿法刻蚀法制备的放大器得到2.7 dB的相对增益。当980 nm波长的泵浦光功率为235 mW且1 550 nm波长的信号光功率为0.1 mW时, 使用光漂白法制备的放大器得到4.5 dB的相对增益。根据以上测试结果, 分析了两种工艺对器件性能的影响。

为了克服主客掺杂型有源材料均匀性和稳定性差的问题, 采用键合掺杂方法, 将高温热解法制备的油酸修饰掺铒氟钇钠纳米晶粒与甲基丙烯酸甲酯发生共聚反应, 形成键合型有源芯层材料。纳米晶粒均匀固定在聚合物分子链上, 抑制了高浓度掺杂时的团聚析出且材料更稳定。纳米粒子在聚合物中的质量百分比达到约1wt%, 具有良好的成膜性, 用原子力显微镜照片观察薄膜表面粗糙度为1.76 nm。用椭偏仪测量薄膜光学性质, 并用柯西色散模型拟合出薄膜折射率随波长的变化关系, 材料在1 550 nm信号光波长的折射率为1.485。设计嵌入式波导结构, 采用有限元方法进行模式分析和计算光场强度分布。采用紫外光刻和感应耦合等离子体刻蚀工艺制备凹槽形下包层, 填充有源材料制备条形波导放大器。实验结果表明, 当1 550 nm信号光功率为0.1 mW, 1 480 nm泵浦光功率为390 mW时, 在1.2 cm长的样品中得到了3.58 dB的信号光相对增益。

制作了基于KMnF3∶Yb3+,Er3+纳米晶材料的工作波长655 nm的聚合物平面光波导放大器。材料的吸收光谱表明, KMnF3∶Yb3+,Er3+纳米晶在980 nm附近有很强的吸收。在980 nm激光的激发下, 由于Er3+和Mn2+能级之间的能量传递, KMnF3∶Yb3+,Er3+纳米晶产生了很强的红色上转换发光。根据KMnF3∶Yb3+,Er3+纳米粒子的发光特性, 制备了KMnF3∶Yb3+,Er3+ NCs-PMMA复合材料, 用其作为芯层设计了掩埋形结构光波导放大器, 利用传统的半导体工艺完成器件制备。器件测试结果表明, 当655 nm信号光功率为0.1 mW、980 nm泵浦功率为260 mW时, 器件获得了2.7 dB的相对增益。

设计了一种高浓度稀土铒掺杂聚合物填充硅狭缝结构的平面光波导放大器(工作波长1 550 nm，泵浦波长1 480 nm)，能够在低泵浦下获得高增益，可以应用于硅基光互联的损耗补偿。通过扫描电镜照片观察发现，合成的铒掺杂聚合物材料具有良好的纳米狭缝填充能力。考虑铒离子的合作上转换和激发态吸收，利用铒离子四能级跃迁模型，建立原子速率方程和光功率传输方程，数值仿真分析了聚合物光学性质、狭缝波导结构参数及信号光泵浦光功率等放大器增益特性的影响因素。这种具有纳米截面尺寸的光波导放大器，获得4.5 dB的信号光相对增益仅需要1.5 mW 的泵浦光，展现了良好的集成光学应用前景。为了进一步提高增益，引入了多层狭缝结构，四层狭缝波导的重叠积分因子比一层狭缝的高42%。

利用四个平行耦合单环谐振器作为基本路由单元, 数值模拟了一种可路由三种信道波长的四端口光路由器.为了实现单模传输、低传输损耗以及微环波导和信道波导的相位匹配, 优化了基本路由单元的结构参量.给出了路由器的器件架构和设计方法, 计算了链路光谱、插入损耗、串扰等路由特性.在选定的三个信道波长(1 550、1 551.6、1 553.2 nm)下, 器件沿不同路径的插入损耗范围为0.02~0.6 dB, 器件串扰的范围为－23.41~－37.71 dB.与具有相同波导参量的基于交叉耦合双环谐振器的四端口光路由器相比, 该四端口光路由器在串扰和波长选择性方面略显不足, 但其使用的微环数量由8个降低为4个, 插入损耗由1.62 dB降低为0.02 dB.

结合有机聚合物材料和无机SiO2材料, 设计一种1×2多模干涉—马赫曾德尔干涉仪热光开关, 优化器件参数, 并对其性能进行模拟.利用化学气相沉积、光刻等工艺制备热光开关, 并对其波导形貌进行表征.为了测试器件性能, 采用ARM7处理器和InGaAs光电探测器, 设计并研制了一种光开关性能测试系统.该系统主要由低纹波线性供电电源、光电探测器、前置放大器、主放大器、信号调理器、模数转换器、主控制器、显示器等构成.采用商用光功率计对该测试系统进行标定, 其零点漂移小于0.5 dBm.在光开关电极上施加不同的直流驱动电压, 作为对比, 利用自主研制的光功率计和商用光功率计分别测试光开关某端口的输出光功率.实验结果表明, 两种情况下测得曲线的变化趋势一致, 均在驱动电压为10 V时, 输出光功率达到最小值.该测试系统具有良好的性能, 可满足实际测试需要.

Optimization and simulation are performed for a polymer four-port microring optical router with three channel wavelengths, which contains four-group basic routing elements with two different ring radii. In terms of microring resonance theory, coupled mode theory and transfer matrix method, expressions of output power of basic routing element and optical router are derived. In order to realize single-mode propagation, low optical transmission loss and phase match between microring waveguide and channel waveguide, the device parameters are optimized. With the selected three channel wavelengths of 1550 nm, 1552 nm and 1554 nm, characteristics are calculated and analyzed, including output spectrum, insertion loss and crosstalk. Simulation results indicate that the device has 12 possible I/O routing paths, the insertion losses of three channel wavelengths along their routing paths are within the range of 0.02-0.61 dB, the maximum crosstalk between the on-port along each routing path and other off-ports is less than -39 dB, and the device footprint size is ~0.13 mm₂. Based on the proposed structure, through proper selection on ring radius, the routing structure can also be used for other channel wavelengths. Therefore, the designed structure shows wide applications in integrated optical networks-on-chip (NoC).

设计并制备了一种高集成度、低成本、低损耗4通道交叉型二氧化硅光波导延迟线阵列。利用BPM软件对交叉结构光波导延迟线的Y分支的损耗、弯曲损耗进行数值模拟。综合考虑器件尺寸和损耗参数, 设计交叉型延迟线结构的弯曲半径最小为1 500 μm, 引入优化的锥口Y分支结构和垂直相交波导结构。采用标准半导体制作工艺制备器件, 测试得到了器件的红外输出光斑, 延迟线延迟时间分别为0、113、226和339 ps。4通道二氧化硅延迟线阵列能实现相邻通道相等的延迟时间间隔, 且可通过集成实现延迟时间的增加, 同时输出端可以与光纤阵列集成。