提出并实现了一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）增敏空芯微瓶谐振腔（PS-HCMR）的高灵敏温度传感器。采用提拉镀膜法在高Q值（~7.83×10⁷）PS-HCMR表面均匀涂敷一层PDMS薄膜以实现热敏功能化，基于PS-HCMR回音壁模共振谱的热敏感性以及PDMS的高热光效应和热膨胀效应，实现了对温度信号的高灵敏度感知与测量。实验结果表明：当膜层厚度为150 μm时，温度灵敏度可达0.127 nm·℃^-1，相比于纯SiO₂ HCMR提高了32倍。所提出的PS-HCMR的温度传感器具有灵敏度高、制备简单、结构紧凑等优势，在工业化控制、电力系统、环境监测等领域中具有良好的应用前景。

微腔光频梳具有功耗低、可集成、梳齿间隔可调的特点，在各个领域都有广泛的应用。绝缘层上的硅（SOI）材料加工工艺与现有的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容，使其成为最具前景的光子平台之一。本文设计了一种截面为脊形的硅基微环谐振腔，研究了各个几何参数对微环谐振腔色散的影响；数值求解了微环谐振腔热动态方程，并分析了不同参数对微环谐振腔热动态效应的影响。数值求解了LLE（Lugiato-Lefever Equation）模型，由于SOI微腔光频梳理论研究大多忽略了热光效应，因此本文分析了在模型中引入热光效应项后对光频梳产生和演化的影响。数值结果表明，在温度变化范围为0~0.16 ℃条件下，时域上光场最大功率值增加了22%，频域上光频梳展宽了221 nm。最后对两种热光效应条件下光频梳输出频谱进行分析，结果表明，光频梳在热光效应温度变化范围为0~0.32 ℃的情况下，相较于0~0.16 ℃的情况，带宽展宽了353 nm。

在高功率激光运转条件下,掺杂稀土离子的量子亏损和玻璃材料的本征吸收均会造成光纤放大器中增益光纤温度的整体上升与梯度分布。在热平衡状态下,光纤材料的热光效应将会诱导光纤横向折射率的再分布,引发高功率激光运转条件下增益光纤模式特性的改变。为此,利用多物理场有限元建模的数值计算方法对高功率激光运转条件下大模场掺镱石英光纤的热致模式特性展开系统研究,分析总结大模场增益光纤的模式特性在不同激光运转功率、增益光纤设计参数(纤芯直径、数值孔径、热光系数)和光纤弯曲使用条件下的变化规律。结果表明,随着激光运转功率的增加,纤芯和包层之间的温差会变大,从而导致光纤的归一化参数V值增大,最终使模式的传输损耗系数减小,模式在纤芯区域的功率因子增大。

借助波导转角镜结构，利用古斯-汉欣空间位移和热光效应折射率调制的有效组合，提出了波导反射模式数字式热光开关结构。在给定入射角的条件下优化了空间古斯-汉欣位移，在具有古斯-汉欣效应的本征态下，反射光束出现了较大的跳跃。在1.0 μm 厚硅膜的绝缘体上硅平台上，单模输入波导和多模干涉波导结构之间的导模本征态匹配，验证了1×3数字式光开关功能。实验中，器件结构引起的光损耗为0.3 dB，开关功率为130~150 mW，开关时间约为50 μs，相邻输出端之间隔离度为15 dB。与马赫-曾德尔干涉仪型的2×2热光开关和等离子体效应热光开关的最新结果进行比较证明了该数字式热光开关的先进性。

设计并制备了一种基于非对称定向耦合结构的聚合物波导热光模式开关。该器件由一个单模波导和一个双模波导组成。在双模波导上制作金属加热器,通过向加热器提供驱动电压,可以实现单模波导中的LP01模与双模波导中的LP11a模的转换。选用硅作为衬底,聚合物EpoClad和SU-8分别作为波导的包层与芯层材料,采用传统的半导体微加工工艺制备了热光模式开关器件。当工作波长为1550 nm时,热光模式开关的消光比可以达到14.6 dB,驱动功率为29.6 mW,模式开关的上升时间和下降时间分别为660 μs和480 μs。该器件在可重构模分复用系统中具有广阔的应用前景。

提出并研究了一种基于稀土光纤双花生结(RDDFP)的光纤温度传感器。采用稀土掺杂光纤制备双花生结,利用其包层模和纤芯模干涉对温度的敏感特性,结合稀土光纤中稀土离子的强热光效应,实现对温度的高灵敏度感知与测量。通过理论和实验研究并对比掺铒光纤双花生结(EDDFP)和掺镱光纤双花生结(YDDFP)两种稀土光纤花生结中的模式干涉和热敏感效应。实验结果表明,相比于普通光纤双花生结,RDDFP具有更强的热光效应和更高的温度灵敏度。其中,EDDFP温度灵敏度为1286 pm/℃,YDDFP温度灵敏度为-2343 pm/℃。基于RDDFP的光纤温度传感器具有灵敏度高、重复性高、全光纤、制作简单、结构紧凑等优势,在电力系统、建筑、航空航天以及海洋开发领域等具有良好的应用前景。

针对高功率强抽运条件下,热光效应及其引起的模式不稳定效应对高功率大模场光纤功率及亮度提升的限制,理论仿真了有源光纤吸收系数变化对光纤热沉积、热致折射率以及光纤数值孔径的影响,分析表明高吸收系数光纤带来更高热负荷密度,在热光效应调制下加剧光纤数值孔径的增大程度,从而降低光纤激光的模式不稳定阈值。在理论研究基础上设计并制备了两款不同抽运吸收系数光纤样品并展开了高功率模式不稳定实验研究。实验结果证明,吸收系数为1.71 dB/m的光纤样品的模式不稳定阈值激光功率约为800 W,吸收系数为1.20 dB/m的光纤样品在输出激光功率达到1700 W时仍未观测到任何模式的不稳定现象,实验结果验证了降低光纤的抽运吸收系数可提升热致模式不稳定阈值的理论分析。该研究结果为设计研制大模场有源光纤,并获得更高功率光纤激光输出提供了一种新颖有效的技术途径。

提出了一种基于法布里-珀罗腔的二维光子晶体温控光衰减器,此结构利用掺杂硅的热光效应对光子晶体折射率进行线性调制,折射率的变化引起了光子晶体的带隙以及法布里-珀罗腔光程差的变化,并导致反射率在某一温度区间内随温度线性变化,实现了对入射光的可控衰减。利用商业电磁仿真软件CST模拟了含掺杂硅的基于法布里-珀罗腔的光子晶体反射率光谱曲线,该曲线随温度发生平移;并仿真了此结构在特定频率下,其反射率随温度变化的规律,在频率为0.284 THz时,曲线具有较好的线性度;仿真了4种不同的入射角情况,并对入射角为3°的温度-反射率曲线进行了线性拟合,得出了表征公式。最终设计出了一款调谐幅度为0~7.68%的光子晶体温控光衰减器。

针对微纳光纤布拉格光栅(MNFBG)在应用中存在的温度依赖问题，数值模拟了被不同折射率液体包围的MNFBG的反射波长与温度的关系，并且制作了可更换封装液体的MNFBG用于实验研究。通过使用蒸馏水和不同折射率的匹配液封装MNFBG，得到了MNFBG反射光谱及其中心波长随封装液体温度的变化规律。研究发现，在相同的温度变化过程中，不同性质的封装液体会影响MNFBG反射光谱的形状和移动方向，改变了普通光纤布拉格光栅(FBG)在温度升高过程中反射光谱形状几乎不变但其中心波长线性红移的特性。封装液体的折射率和热光系数越大，MNFBG反射波长随温度的变化越趋于非线性。换用折射率和热光系数分别为1.456和4×10-4 ℃-1的匹配液体后， MNFBG反射波长的温度灵敏度为-50.3 pm/℃。MNFBG特性与环境液体、温度和FBG的尺寸有关，通过有效控制相关因素可以实现FBG在更多领域的功能化应用。