光子集成设计是光学网络运算中一个重要的课题,主要包括多波长激光器、光学逻辑门、光开关等各种光学功能器件小型化设计及其集成。基于各种材料薄膜设计的微腔和光子晶体是两种可以实现集成光学芯片的良好结构载体。铌酸锂材料因为其优秀的非线性特性在光学功能器件设计中具有极佳的应用前景。而铌酸锂薄膜制备技术的商业化发展使得铌酸锂在光子集成器件的应用上迈出了重要的一步。本论文基于铌酸锂薄膜的结构和色散方程,研究了厚度低于900nm铌酸锂薄膜平面波导中I型和II型的倍频相位匹配条件,分析了不同厚度的铌酸锂薄膜中I型倍频发生的相位匹配条件和可能性,并分析了空间模式的最优化匹配。实验上成功地在900 nm厚度的铌酸锂薄膜上得到1018 nm波长光的倍频光产生。以铌酸锂薄膜制备的回音壁微腔为研究对象,分析了在铌酸锂微腔中发生倍频的三个条件。利用波导耦合微腔的理论计算了铌酸锂微腔中的本征模,通过保角变换计算了铌酸锂薄膜微腔对应不同波长光的有效折射率。最后介绍了铌酸锂薄膜微腔的制作,为设计基于铌酸锂微腔的多波长激光器提供了理论基础和实验准备。从二维铌酸锂介质柱光子晶体出发,设计了一种结合光子晶体缺陷波导和缺陷微腔的新型全光逻辑门和半加器。设计缺陷微腔对波导分光进行改善后,基于双光干涉原理所设计的新型全光逻辑门最高可以达到23dB的消光比。并基于上述基本单元结构设计了全光半加器,成功实现了基础逻辑运算。为基于铌酸锂设计的光子集成全光逻辑门提供了一个高效的实现方案。