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近年来，随着互联网流量的快速增长和新应用的陆续出现，对于增加光纤的传输容量的需求十分迫切。模分复用技术是当前认为可以提高光纤传输容量的有效方法，在模分复用系统中，每个模式都是独立传输的信道。模式转换器能实现模式之间的相互转换，在模分复用系统里能发挥重要作用。利用电光（Electro-Optic，EO）或者热光效应制作的模式转换器能作为可重构的模式开关使用，灵活地实现模式转换。本论文以聚合物光波导模式转换器和开关为研究对象，探索实现高带宽的模式转换器和低开关电压的模式开关的理论与技术，论文的研究内容概述如下：
（1）针对提高模式转换器的工作带宽的问题，提出利用长度切趾长周期光栅来提高模式转换器工作带宽的方案。利用有机聚合物材料设计和制作了基于侧壁光栅的LP01-LP11a模式转换器和基于表面光栅的LP01-LP11b模式转换器。LP01-LP11a模式转换器和LP01-LP11b模式转换器分别在120nm和150nm的波长范围内转换效率达到了99%，并在180nm和300nm的波长范围内转换效率超过了90%。并且这两种模式转换器对温度和偏振变化均不敏感。超宽带的模式转换器能与其他器件进行集成，在模分复用系统里发挥重要作用。
（2）针对有机电光聚合物（Electro-Optic Polymer,EOP）薄膜的极化问题，提出利用石墨烯电极来极化有机电光聚合物薄膜的方案。利用石墨烯薄膜埋入芯层和包层折射率差较小的波导中不会对TM（Transverse magnetic）偏振的模式造成较大损耗的优点，取代传统金属电极来完成有机电光聚合物的极化。因此石墨烯电极与电光聚合物薄膜之间不需要缓冲层，大大减小了极化电压。采用410V的电压极化了3.8μm厚的薄膜，极化之后，电光聚合物薄膜在1541nm波长处的电光系数r33达到了82pm/V，在1300nm波长处，电光系数达到了110pm/V。而且极化之后石墨烯薄膜不会引入额外的损耗，石墨烯电极亦可以作为调制电极使用。采用石墨烯作为极化电光聚合物薄膜的电极，可以简化电光器件的设计和制作。
（3）针对聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate,PMMA）支撑的石墨烯不能转移到不耐丙酮衬底的问题，提出醇类溶剂可溶的支撑材料来取代PMMA完成石墨烯的转移的方案。利用醇类溶剂可溶的聚（4-乙烯基苯酚-co-甲基丙烯酸甲酯）（Poly(4-vinylphenol-co-methyl methacrylate)，PVP-co-PMMA）和PMMA双层薄膜完成了石墨烯的转移，该转移方法能实现大面积、高品质的石墨烯转移。利用该转移方法成功将石墨烯转移到电光聚合物薄膜上，完成电光聚合物薄膜极化之后，PVP-co-PMMA和PMMA双层薄膜能被乙醇溶剂剥离。该转移方法能使得石墨烯转移到不耐丙酮的衬底上，如电光聚合物薄膜和有机半导体材料上，扩大了石墨烯的应用范围。
（4）针对实现低开关电压、高带宽的模式开关,提出利用石墨烯和有机电光聚合物材料来设计电光模式开关的方案。利用石墨烯电极在折射率差较小的波导中不会对TM偏振模式的光造成较大损耗的性质，以及石墨烯电极能高效极化有机电光聚合物薄膜的优势，设计了基于石墨烯光栅电极的LP01-LP11a和LP01-LP11b模式开关。通过优化模式开关的芯层尺寸、包层和芯层折射率以及光栅电极的设计来得到低开关电压、低损耗、高转换效率的模式开关。并利用长度切趾长周期光栅电极实现了超宽带模式开关的设计。
（1）针对提高模式转换器的工作带宽的问题，提出利用长度切趾长周期光栅来提高模式转换器工作带宽的方案。利用有机聚合物材料设计和制作了基于侧壁光栅的LP01-LP11a模式转换器和基于表面光栅的LP01-LP11b模式转换器。LP01-LP11a模式转换器和LP01-LP11b模式转换器分别在120nm和150nm的波长范围内转换效率达到了99%，并在180nm和300nm的波长范围内转换效率超过了90%。并且这两种模式转换器对温度和偏振变化均不敏感。超宽带的模式转换器能与其他器件进行集成，在模分复用系统里发挥重要作用。
（2）针对有机电光聚合物（Electro-Optic Polymer,EOP）薄膜的极化问题，提出利用石墨烯电极来极化有机电光聚合物薄膜的方案。利用石墨烯薄膜埋入芯层和包层折射率差较小的波导中不会对TM（Transverse magnetic）偏振的模式造成较大损耗的优点，取代传统金属电极来完成有机电光聚合物的极化。因此石墨烯电极与电光聚合物薄膜之间不需要缓冲层，大大减小了极化电压。采用410V的电压极化了3.8μm厚的薄膜，极化之后，电光聚合物薄膜在1541nm波长处的电光系数r33达到了82pm/V，在1300nm波长处，电光系数达到了110pm/V。而且极化之后石墨烯薄膜不会引入额外的损耗，石墨烯电极亦可以作为调制电极使用。采用石墨烯作为极化电光聚合物薄膜的电极，可以简化电光器件的设计和制作。
（3）针对聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate,PMMA）支撑的石墨烯不能转移到不耐丙酮衬底的问题，提出醇类溶剂可溶的支撑材料来取代PMMA完成石墨烯的转移的方案。利用醇类溶剂可溶的聚（4-乙烯基苯酚-co-甲基丙烯酸甲酯）（Poly(4-vinylphenol-co-methyl methacrylate)，PVP-co-PMMA）和PMMA双层薄膜完成了石墨烯的转移，该转移方法能实现大面积、高品质的石墨烯转移。利用该转移方法成功将石墨烯转移到电光聚合物薄膜上，完成电光聚合物薄膜极化之后，PVP-co-PMMA和PMMA双层薄膜能被乙醇溶剂剥离。该转移方法能使得石墨烯转移到不耐丙酮的衬底上，如电光聚合物薄膜和有机半导体材料上，扩大了石墨烯的应用范围。
（4）针对实现低开关电压、高带宽的模式开关,提出利用石墨烯和有机电光聚合物材料来设计电光模式开关的方案。利用石墨烯电极在折射率差较小的波导中不会对TM偏振模式的光造成较大损耗的性质，以及石墨烯电极能高效极化有机电光聚合物薄膜的优势，设计了基于石墨烯光栅电极的LP01-LP11a和LP01-LP11b模式开关。通过优化模式开关的芯层尺寸、包层和芯层折射率以及光栅电极的设计来得到低开关电压、低损耗、高转换效率的模式开关。并利用长度切趾长周期光栅电极实现了超宽带模式开关的设计。