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掺铒光波导放大器（Erbium Doped Waveguide Amplifier: EDWA）兼具掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier: EDFA）的偏振串扰无关性、低噪声指数等优点，及体积小型、结构紧凑的重要优势，可以与其他光波导器件集成在一起构成高效的集成光学系统。是继EDFA以后又一极具发展前途的光放大器。无机基质EDWA已经拥有了商用化的器件，但是工艺复杂周期长，设备昂贵，难以与其他光波导器件集成，EDWA的集成优势难以体现。有机基质EDWA具有价格低廉，制备工艺简单，折射率易调节，易于集成（尤其是与其他聚合物光波导器件集成）的优点，可以弥补无机EDWA的不足。但是其自身也存在着技术难题：无机稀土离子在有机体中的掺杂量和铒离子发光量子效率难以提高。本论针对两个主要技术难点，结合器件结构设计，对有机聚合物平面光波导放大器展开了一系列研究工作。主要内容与工作创新点如下：1.基于980nm泵浦下的Er-Yb共掺六能级跃迁模型，结合原子速率方程和前向泵浦下的光功率传输方程，使用重叠积分简化方法对器件进行增益特性的理论分析。采用Judd-Ofelt理论计算表征材料发光性能参数；采用基于插值的有限差分法，结合有效折射率法，用Matlab编程，更精确的分析波导模式特性，并获得模场分布。2.针对有机基质中Er荧光寿命短，发光量子效率较低这一问题，采用简单地共沉淀法合成油酸（Oleic acid:OA）修饰的LaF3:Er, Yb纳米颗粒，采用有机改性前驱体基于sol-gel法制备有机无机杂化材料。对材料进行红外光谱分析、元素分析等一系列表征。纳米颗粒粒径约8nm，荧光寿命约100μs（La:Er:Yb=85:3:12），与有机无机杂化材料（Organic/Inorganic Hybrid Materials:OIHM）的5%失重温度都在300℃以上，OA-LaF3:Er,Yb纳米颗粒以33wt.%比例掺杂OIHM，获得了平整的薄膜，用Judd-Ofelt理论计算其理论亚稳态能级寿命达到13.34ms。用自行搭建的近场光斑测试系统及增益测试系统，对该掺杂材料制作的嵌入式波导放大器进行测试。器件通光性良好，121mW泵浦光下，在2.9cm长的波导器件中，获得3.69dB（Ps=1mW）、3.89dB（Ps=0.5mW）和4.11dB（Ps=0.2mW）的相对增益，小信号光获得了较大增益；在一个1.9cm长的波导器件中，观察到：相对增益由抛光前的2.2dB提高到抛光后的3.2dB（Ps=1mw，Pp=188mW），抛光后泵浦效率提高。模拟计算铒镱共掺光波导放大器（Erbium-Ytterbium Co-Doped Waveguide Amplifier: EYCDWA）的增益特性。讨论了在确定的结构下Er3+离子掺杂浓度、重叠积分因子、信号光和泵浦光功率，波导长度及Er3+离子亚稳态能级寿命对增益的影响。3.为了优化器件结构，我们尝试对芯包层共同掺杂型（Core-cladding doped）波导放大器的增益特性进行分析，并将之与单芯层掺杂型（Core doped）波导放大器对比。获得结论：Core-cladding doped型波导在一定芯区厚度内，起到了提高增益的作用，但是泵浦效率较低；峰值浓度明显降低，易通过改变浓度来提升器件性能。根据材料特性和波导结构对芯包层的要求，选用具有紫外热光漂白效应的SU-8为基质材料，取高温热分解法制备的发光能力更强的OA-NaYF4:Er,Yb纳米颗粒为掺杂剂。OA-NaYF4:Er,Yb纳米颗粒粒径约为15nm，具有更好地无机晶格，上转换及下转换发光都更强，在SU-8中的掺杂量可以适当降低，从而确保SU-8的交联度。利用我们摸索的SU-8一般工艺条件与光漂白的工艺条件，制作了OA-NaYF4:Er,Yb纳米颗粒掺杂SU-8的Core doped型及Core-claddingdoped型光波导，由于SU-8低损耗特性，获得良好通光效果。在1.5cm长的Coredoped型波导中获得相对增益2.08dB（Ps=1mW，Pp=170mW）。这种Core-claddingdoped型波导为提高波导放大器的增益特性提供思路。4.针对主客掺杂型材料分散能力及掺杂均匀性有限的问题，合成并表征了一种可以直接旋涂成膜的铒/镱共掺可溶性配合物Er1.2Yb0.8（PBa）6（Phen）2材料（PBa为4-戊基苯甲酸，Phen为一水合1,10-邻菲啰啉），Er含量提高到10.9wt.%（OA-LaF3:Er, Yb掺杂OIHM中Er含量1.1wt.%）。其薄膜吸收光谱与一般主客掺杂薄膜形成鲜明对比，几乎没有基质材料的背景吸收，特征吸收峰非常清晰。粉末和薄膜的光致发光光谱的峰值都在1535nm处左右，荧光半高宽约80nm。可溶性配合物薄膜中稀土元素质量百分比高达18.4wt.%，由于存在阻碍干法气体刻蚀的问题，我们仍然采用嵌入式结构，制备嵌入式光波导放大器。在一个1.5cm长的SU-8包层波导中得到相对增益5.20dB （Ps=0.3mW，Pp=140mW）；一个2.2cm长的PMMA薄片表面的嵌入式波导中得到相对增益2.52dB （Ps=0.2mW，Pp=170mW）。针对与实验结合最紧密的四种不同上下包层组合结构及非理想刻蚀情况进行分析，结果表明：芯包折射率差大和折射率差小，可以得到大小相当的增益；折射率差大时，单模工艺难度大，但泵浦效率高；上下包层折射率差大且波导芯尺寸小时，光场向上包分散，增益下降，可考虑上包掺杂型；实验中常出现的侧向刻蚀情况会导致增益性能下降，应尽量避免。5.针对高芯区折射率波导分析中凸显出的增益与泵浦效率的竞争问题，引入低芯区折射率波导——狭缝波导。首先分析了狭缝波导的基本特性：狭缝波导的平均光强系数γ比一般的高折射率波导高出两个量级，设计中可不用考虑；狭缝波导对波长不敏感。讨论狭缝宽wS、Si侧壁宽wH及Si侧壁高hSi对重叠积分因子Γ的影响关系，确定狭缝波导尺寸。建立1480nm泵浦下四能级跃迁模型，分析一般高折射率波导中，包括掺杂浓度、激发态吸收、合作上转换、信号光和泵浦光传输损耗、信号光和泵浦光功率、波导有效截面积以及重叠积分因子对该系统增益特性的影响，发现对于确定的材料参数，最佳泵浦强度Ip-sat近似为定值。于是可以由狭缝波导不同尺寸得到对应的最佳泵浦功率，从而计算对应最大增益；利用多层狭缝大幅度提高Γ，指出狭缝个数以34层为宜。本论文分别采用具有油酸修饰的纳米颗粒（OA-LaF3:Er,Yb和OA-NaYF4:Er,Yb）和Er/Yb共掺可溶性配合物制作了聚合物平面光波导放大器。综合无机纳米核良好的稀土发光环境，及可溶性配合物直接旋涂成膜的思路，有望探索出更具优势的有源材料，为制作出具有高净增益的聚合物光波导放大器奠定基础。