光子学(Photonics)的诞生可以追溯到1960年世界上第一台激光器的发明；但这个概念却在十年后的第九届国际高速摄影会议上首次由荷兰科学家L. Poldervaart提出。广义上讲,光子学是研究光子的产生、传输以及与物质相互作用规律的科学。由于使用的可见光和红外光波长仅为微米量级,与无线通信相比具有更快的数据传递和处理能力。在过去的几十年,随着光纤通信系统和光电技术的快速发展,尺寸小型化、功能多样化、能耗最低化和结构集成化等迫切需求促使集成光子学(Integrated Photonics)技术应运而生。在当代科技信息高速发展的潮流下,对集成光子学系统提出了实时高速的信息流处理和交换能力,大大拓展了集成光电技术在通信技术、信息系统和生化探测等方面的应用前景。本文针对新型光子器件及相关性能进行了深入创新研究,一方面建立理论模型对性能进行优化(第二、五章)；另一方面,通过研制新型微纳光子器件,实现性能指标的改善和提升(第三、四章)。主要研究工作和创新成果如下：第一,硅波导中光放大器模型的提出和相关非线性效应的研究。根据半导体硅在强光强下产生的受激拉曼散射(SRS)、双光子吸收(TPA)、自由载流子吸收(FCA)和自由载流子色散(FCD)等非线性效应,结合固有的线性损耗和色散效应,建立了在超快脉冲泵浦信号条件下泵浦光、信号光和闲频光振幅耦合模型。通过引入拉曼散射贡献因数(RCF),研究了参量放大过程中有无受激拉曼散射效应影响两种信号放大情况。基于该理论模型,仿真研究了信号光放大和闲频光转换性能(峰值、带宽和平坦度)的影响因素：波导零色散波长、三阶色散系数和四阶色散系数。通过对泵浦光参数(信号波长、脉冲比特率和脉冲宽度)的合理选取,分别得到了信号光增益谱从1457到1663 nm波长范围内10.2 dB的信号增益值和小于1 dB的峰值波动；闲频光转换谱从1482到1617 nm波长范围内10.1 dB的转换效率。另外,还计算得到伴随的噪声分布谱线。第二,新型光子晶体(PhC)结构光谱计的研制。创新设计出硅基、与直波导耦合谐振腔结构的光子晶体器件用于光谱计。利用数值仿真得到谐振模式在1550 nm传输窗口的光子晶体直波导(较长的线缺陷区域)和谐振腔参数,通过工艺优化研制了该器件。利用线缺陷区域将光信号通过锥形光纤、微纳波导等结构耦合导入器件；临界耦合条件的实现保证绝大多数光子耦合进与之频率匹配的谐振腔,使器件的探测效率提高几个数量级。通过对光子晶体谐振腔边洞位移量的局部调节,实现对不同谐振腔谐振波长的精确调节。仅使用红外相机与探测系统组合来记录谐振腔反射的探测信号,同时快速得到待测信号的所有光谱信息。搭建了交叉偏振测量系统对该光谱计进行测试,得到工作带宽从1522到1545 nm、光谱分辨率为1 nm的集成光谱计,探测效率达到6.36%。第三,研制了基于锥形多模光纤和螺旋型锥形波导结构的光谱计。鉴于多模波导中单色光产生波长依赖的模式色散和干涉效应,建立波导内多模干涉模型,对器件可行性进行理论验证。创新性引入锥形结构(破坏光传导时的全内反射条件),并结合波导固有的体缺陷和粗糙面,将散射的多模干涉光强分布收集到探测器上进行存储、处理,同时得到待测信号的所有光谱信息。对组成材料和结构参数进行优化研究；创新提出信号处理算法,解决长期以来光谱计器件尺寸与光谱分辨率、工作带宽不能同时优化的难题。搭建了实验测试的显微共焦系统,通过测试得到锥形光纤中400到2400 nm的工作带宽和10 pm量级的光谱分辨率；在300 μm×300 μm的螺旋锥形波导,得到550到725 nm的工作带宽和0.02 nm的光谱分辨率。第四,谐振腔结构增强光与物质相互作用的研究。针对单层二硫化钼材料在670 nm附近的宽谱荧光峰,仿真得到谐振模式与之重叠的金属等离子体谐振腔尺寸参数,并工艺实现两者的集成。建立了包含修正自发辐射效率、谐振腔模式和抑制自发辐射因素的荧光增强效应模型,搭建显微共焦系统和散射谱测量系统实验测试,从理论和实验上得到一致的研究结果：领结型金属等离子体谐振腔增强效果满足acosl θ+b的偏振特性,且当激发光方向与偏振模式方向一致时,等离子体宽谱增强因子达到十倍。这些研究结果对基于光与物质相互作用的非线性和器件研究具有重要意义。