低损耗、超细聚合物纳米线的可控光波导特性及应用研究

Polymer optical nanofibers have become one of the most representative basic structural units in recent years because of their unique advantages such as good flexibility, easy doping and simple processing, it is of great significance to study, optimize and apply the optical waveguiding of ultrafine polymer nanofibers for the development of intelligent optical chips and miniaturized integrated optical circuits. This project aims to obtain low-loss ultrafine polymer nanofiber waveguiding which has tunable photonic structures and properties through structural design of luminescent molecules and introduction of stimuli-responsive functional molecules. Therefore, we shall study (1) the relationship between different structures of luminescent molecules and the optical transmission loss, (2) the modulation of the wavelength and intensity of the optical waveguiding based on the structural transformations of the functional molecules under different external stimuli, (3) the influence of the interaction among different nanofiber units on the performance of the final devices. We aim to obtain methods for transmission loss decrease, wavelength and light intensity regulation of ultrafine polymer nanofiber waveguiding and reveal the relationship mechanism of nanofiber units in composite structures. Our research will provide theoretical reference and technology support for the design, preparation and application of ultrafine polymer nanofiber optical waveguiding with high transmission efficiency and controllable photonic properties.

聚合物光学纳米线由于其柔韧性好、易掺杂、加工工艺简单等诸多独特的优势成为近年来微纳光子学领域最具代表性的基本结构单元之一，研究和优化聚合物纳米线的光波导过程并加以应用对智能光学芯片和微型化集成光路的发展具有重要意义。本项目旨在通过对纳米线中发光分子的结构设计和刺激响应功能分子的引入得到低损耗、结构和性能可调控的超细聚合物纳米线光波导，并将其制备为异质结应用于微纳光子学元器件的构筑。为此，拟研究发光分子的不同结构与光传输损耗之间的关系；研究功能分子在不同的外界刺激下的结构转变对光波导波长和光强的调控过程；研究异质结中不同纳米线单元之间的相互作用对最终器件性能的影响。总结得到超细聚合物纳米线光波导降低损耗与调控波长和光强的方法，揭示复合结构中基元的作用机制，为具有高传输效率和可控光子学性质的超细聚合物线光波导的设计、制备和应用提供一定的依据和参考。

聚合物光学纳米线由于其柔韧性好、易掺杂、加工工艺简单等诸多独特的优势成为近年来微纳光子学领域最具代表性的基本结构单元之一，研究和优化聚合物纳米线的光波导过程并加以应用对智能光学芯片和微型化集成光路的发展具有重要意义。本项目从材料制备，单根纳米线的微结构设计和多根纳米线之间的相互作用几个方面探索构筑聚合物纳米线的光波导的方法并调控其波导参数，最后再将其更好的应用于各类光子学元器件。在项目的研究过程中，不仅成功的制备出具有特殊微纳结构，各微区域内荧光和波导性质可调控的功能聚合物纳米线，还构筑了一系列可编程的光学元器件，包括光波导开关（有效选择传输光的颜色和强度），光学二极管（具有不对称光传播的行为），光学晶体管（实现光放大的功能），和光编码器（对信息进行编码和加密）等。同时在调研大量文献的基础上，总结了聚合物微纳米纤维荧光波导的研究进展，对共轭聚合物用在激光方面的研究进展也进行了综述。在研究过程中发现：纳米线中的螺吡喃可与发光波长匹配的染料分子在合适的条件下发生荧光共振能量转移并基于此来调控纳米线的微结构；异质结中不同的发光纳米线单元之间的可以产生波导的耦合和相互作用，利用这些不同的作用能实现各种光功能。本项目借助刺激响应基团螺吡喃与染料分子之间的能量转移，在外界刺激下调节纳米线的结构和发光，并最终调控聚合物纳米线的光传输性能，这为微纳波导领域一直以来性能固定无法调节的难题提供了可行的解决方法。同时将不同发光和不同结构纳米线单元组合在一起，利用它们之间的协同相互作用得到复合功能结构，这为聚合物纳米线应用于构筑各类集成光子学器件提供了途径。