掺铒光波导放大器（EDWA）是未来微光子系统的重要组件之一，Er:LiNbO₃晶体作为EDWA的基体材料具有稳定性高和集成性能好等优点，并可以将Er³⁺离子的激光性能和LiNbO₃晶体的非线性光学性能结合在一起。Er:LiNbO₃晶体发射的1.54μm波段近红外发光对应现代光纤通信的标准“窗口”波长。然而，Er:LiNbO₃晶体的光损伤效应限制了晶体的实际应用。本论文选择不同价态Zn²⁺，In³⁺和Zr⁴⁺离子提高晶体的光损伤性能，研究了不同价态抗光损伤离子对Er:LiNbO₃晶体缺陷结构和光学性能的影响，为获得高效率1.54μm波段近红外发光提供了理论依据和实验指导。采用第一性原理的方法，研究了Zn²⁺，In³⁺和Zr⁴⁺离子掺杂LiNbO₃晶体的几何结构。结果表明，Zn²⁺，In³⁺和Zr⁴⁺离子在晶体中均优先占据Li位。研究了Zn²⁺，In³⁺和Zr⁴⁺离子在Li位上的稳定性，认为在Er:LiNbO₃晶体中，Zn²⁺离子会促使Er³⁺离子进入Nb位，形成Er³⁺离子团位束。In³⁺离子对Er³⁺离子占位影响不大。Zr⁴⁺离子在Li位上稳定性较低，易于进入Nb位，使Er³⁺离子继续占据Li位。采用Czochralski方法生长了Er:LiNbO₃晶体，通过研究不同浓度Er³⁺离子掺杂同成分LiNbO₃晶体的缺陷结构和不同激发波长下的近红外发射光谱，上转换发射光谱和上转换布局机制，提出了Er³⁺离子占位与光学性能的关系，即Er:LiNbO₃晶体中Er³⁺离子团位束的形成增大了交叉弛豫的发生概率，在980nm激发光源下，Er³⁺离子团位束会抑制1.54μm波段近红外发光。研究了不同[Li]/[Nb]比（分别为0.94，1和1.25）对Er:LiNbO₃晶体缺陷结构和光学性能的影响。结果显示，当[Li]/[Nb]=1时，Er:LiNbO₃晶体中的Er³⁺离子团位束被解离，发射高效率的1.54μm波段近红外发光。研究了Er³⁺（3mol%）/Zn²⁺（3,6和7mol%）:LiNbO₃晶体的缺陷结构和光学性能，结果显示，Er³⁺离子并未影响Zn²⁺离子在晶体中的阈值浓度；当Zn²⁺离子掺杂浓度低于其阈值浓度时，晶体中的Er³⁺离子团位束被解离，引起了1.54μm波段近红外发光的增强；当Zn²⁺离子掺杂浓度高于其阈值浓度时，晶体中会再次形成Er³⁺离子团位束，导致1.54μm波段近红外发光降低。结合第一性原理计算结果和Er³⁺离子占位和光学性能的关系，生长了Zn²⁺/Er³⁺摩尔比例为3/1.5（mol%/mol%），6/1（mol%/mol%）和7/1.5（mol%/mol%）的Zn/Er:LiNbO₃晶体。光学测试结果表明Zn/E（r6mol%/1mol%）:LiNbO₃晶体具有最强的1.54μm波段近红外发光。Zn/Er:LiNbO₃晶体的OH-吸收峰Lorentz三峰分解和上转换绿光寿命测试结果表明，Zn²⁺离子促使Er³⁺离子在低于其阈值浓度时从Li位进入Nb位，在晶体中形成了Er³⁺离子团位束。研究了In/Yb/Er:LiNbO₃晶体(In³⁺离子掺杂浓度为1，2和3mol%)的缺陷结构和光学性能。研究发现，Yb3+和Er³⁺离子共掺降低了In³⁺离子的阈值浓度；当In³⁺离子达到阈值浓度时，晶体中形成Er³⁺离子团位束。由于Yb3+离子的敏化作用，In/Yb/Er:LiNbO₃晶体中Er³⁺离子团位束的形成有利于1.54μm波段近红外发光。In³⁺离子掺杂浓度为阈值浓度时，晶体1.54μm波段发射最强。Zr/Er:LiNbO₃和Zr/Yb/Er:LiNbO₃晶体近红外发射光谱测试结果显示Zr⁴⁺离子提高了1.54μm波段近红外发射效率。通过晶体Raman光谱和Er³⁺离子4I11/2→4I15/2跃迁在1020nm处的衰减曲线测试结果分析了Zr⁴⁺离子增强近红外发光强度的机理是晶体最大声子能量的增大。不同价态Zn²⁺，In³⁺和Zr⁴⁺离子掺杂Yb/Er:LiNbO₃晶体的1.54μm波段发射性能结果显示，Zn²⁺离子降低了1.54μm波段发射，In³⁺离子对此波段发光没有影响，Zr⁴⁺离子大幅度增强了1.54μm波段发射。因此Zr/Yb/Er: LiNbO₃晶体将成为最有前景的优良波导器件基质材料。采用Judd-Ofelt理论研究了Zn²⁺， In³⁺和Zr⁴⁺离子掺杂Er:LiNbO₃和Yb/E r:LiN bO₃晶体的光谱性质，Zr/Yb/Er:LiNbO₃晶体具有最大的光学品质因子值。通过McCumber和Füchtbauer-Ladenburg理论分析了抗光损伤离子掺杂Er:LiNbO₃和Yb/Er:Li NbO₃晶体1.54μm波段的发射性能，结果显示，晶体均具有大的发射截面积，适合作为EDWA的基体材料。