目前集成电路受发热、量子隧穿等影响,集成度难以进一步提高,而集成光子学有望克服这一困难,这使得集成光子学的应用趋于明朗。ADI公司首席技术官Samuel Fuller认为,集成光子学在硬件上可以提供大量互联,给集成光子的发展描绘了美好的蓝图。事实上1969年贝尔实验室S. E. Miller就提出“集成光学(Integrated Optics)"替代集成电路,处理信息的设想。然而经过40多年的发展,集成光子器件的发展并没有达到预期的效果。发展集成光学最大的障碍是光学衍射极限的存在限制了器件尺寸,所以光子器件集成度难以提高。近些年来人们已经在基于硅、铌酸锂的集成光学研究方面取得一些成果。这些光子器件之所以能够实现是因为硅、铌酸锂的折射率比较大,很窄线宽的波导就可以对光进行很强的束缚。铌酸锂作为科学界的“光学硅”综合性能很优异,表现为非线性系数大,通光范围广(0.42um～5.2um),有很强的压电效应、热释电效应等,能提供多个调控维度,因此受到研究人员越来越多的青睐。尤其是非线性效应可以用于产生新的频率的光或者是对其他频率的光能量进行放大,在光子器件中应用前景很乐观。相比之下,硅的通光范围较小(1.1um～1.6um),没有非线性等效应,可以调控的维度少,在光子器件中很多功能无法实现。所以我们有理由认为未来铌酸锂光子器件有更好的发展前景。除了高束缚的介质波导外,近十几年来快速发展的表面等离激元光子学(Surface Plasmon Polariton, SPP)也给光子集成提供了新途径。表面等离激元是金属与介质界面上自由电子集体振荡产生的电磁模式,这种模式被束缚在界面附近,模面积在亚波长尺寸,能突破衍射极限,是提高光子集成度的良好选择。目前学术界已经在基于SPP的光子开关、光子逻辑门、光子调制器等方面取得一些进展。但是SPP应用到光子器件中有一个障碍,它的传播损耗较大,一般传播长度只有百微米量级,这意味着器件回路的尺寸被限制在这个范围之内,真正应用到光子器件甚至是光子芯片中,必须解决SPP损耗问题。幸运的是铌酸锂具有很强的二阶非线性效应,我们可以利用光参量放大过程(optical parametric amplification, OPA)来补偿SPP损耗,甚至是放大SPP能量。本文从铌酸锂的非线性效应出发,着重研究铌酸锂光子器件中的非线性过程,在杂化波导体系中通过光参量放大补偿SPP传播损耗。并且研究了铌酸锂波导的加工制备方案,结合光刻、质子交换、反应离子刻蚀等,能够大面积刻蚀出铌酸锂波导,也能用聚焦离子刻蚀技术制备很精细的波导。结合这两种加工方式可以高效制备精细的铌酸锂功能器件。本文也从理论上设计了可加工的基于铌酸锂波导的光子器件的性能,为未来铌酸锂光子器件的实现做准备。