近年来,硅基光子学的研究得到了飞速发展,多用途的无源和有源硅基纳米光子器件在多个领域展现出巨大应用前景,受到国际学术界和产业界的极大关注。其独特优势在于,可利用现有的微电子互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺来实现大规模、低成本、低功耗的光电集成。基于与CMOS兼容的工艺,可以制作出高折射率差、低损耗的紧凑型硅波导和氮化硅波导。同时,基于绝缘体上硅（SOI）波导和氮化硅（Si₃N₄）波导体系,已研制出硅基调制器、滤波器、波分复用器以及探测器等各种功能器件。但挑战仍然存在,大规模的片上集成器件存在一定的损耗,限制器件性能同时增加了传输信号的误码率,因此片上光波导放大器的需求日益迫切。然而硅是间接带隙半导体,硅本身不能单独完成高效集成光学互连的使命,因此,与其他有源材料集成是非常必要的。铒掺杂的聚合物材料具备制备工艺简单,种类多样、折射率差易于调整,易于实现高密度大规模集成等优势,是与绝缘体上硅（SOI）波导和氮化硅（Si₃N₄）波导集成制备光波导放大器的良好选择。目前报道的聚合物材料的光波导放大器的增益结果都不甚理想,这主要是由于:无机稀土离子与有机聚合物的物理掺杂方式限制了稀土离子的掺杂浓度,波导内光场密度低,因此新型的掺杂方式和波导结构亟待被开发。针对这一问题,本论文对高增益、低阈值泵浦功率、结构紧凑的SOI-铒掺杂聚合物混合集成光波导放大器进行了系统研究。主要开展的工作及创新点如下:1、粒径均一、小尺寸的纳米颗粒可以均匀分散于聚合物中,从而降低了光的散射损耗,但是小尺寸纳米粒子的比表面积比较大,大量的表面缺陷和表面活性剂分子很容易导致荧光中心无辐射跃迁而使荧光猝灭。针对这一问题,本文采用在纳米粒子表面包覆活性壳层(壳层中含有敏化剂Yb³⁺)的方法提高铒镱共掺纳米粒子在1.53μm发光强度。探索异质壳核诱导方法,合成了核-壳结构的α-NaYF₄/β-NaLuF₄:Yb³⁺,Er³⁺纳米粒子,通过透射电子显微镜观察,纳米粒子形貌良好,分散均匀,包覆壳层前后,纳米粒子的粒径分别为13 nm和21nm。这是本文在材料方面的一个创新点。2、在对纳米粒子进行光学改性研究的基础上,为了进一步提高增益,本文采用在纳米粒子表面修饰不饱和基团与有机聚合物前驱体共聚的方法制备一种新型高掺杂稀土纳米粒子的有机聚合物:NaYF₄/NaLu F₄:Yb,Er NCs-PMMA键合型复合材料。与传统物理掺杂相比,Er³⁺的掺杂浓度提高了一个数量级,同时,也改善了材料的稳定性。分别对α-NaYF₄/β-Na Lu F₄:Er³⁺,Yb³⁺NCs-PMMA材和α-NaLu F₄NCs-PMMA两种材料的红外发射光谱分别进行了测试,纳米粒子包覆壳层后的荧光发射强度较α-NaLuF₄提升了近6倍,荧光光谱的半高宽也得到了展宽,为62 nm。将这种新型聚合物材料作为增益介质用于高增益聚合物光波导放大器的制备是本文在材料方面的重要创新点。3、采用NaYF₄/NaLu F₄:Yb,Er NCs-PMMA键合型复合材料作为波导的芯层制备倒脊型光波导放大器。基于有限差分法对波导放大器的单模条件及光功率占比进行计算。建立了980 nm泵浦的铒镱共掺七能级系统模型,通过分析将其简化,获得原子速率方程和光功率传输方程。通过对有源芯层材料吸收光谱及发射光谱的测试,结合Judd-Ofelt理论,对增益特性模拟所需参数进行了计算。结合Matlab软件编程,对波导放大器的增益特性进行了精确分析。优化了波导的长度、信号光及泵浦光的输入功率等关键参数。我们采用传统的半导体工艺制备了器件并对其增益性能进行了测试。在1.3 cm长的器件上,当信号光功率为0.1 mW,泵浦光功率为400mW时,获得了29.2 dB的相对增益,此时器件的传输损耗为5.3±0.3 dB/cm,光纤与波导端面耦合损耗为3.6 dB。经计算,该器件的净增益为15.1 dB,为目前报道的在聚合物波导放大器上获得的最大增益值。4、提出将增益聚合物填充到狭缝波导中制备新结构的光波导放大器。狭缝波导可以将电场集中限制在纳米尺度的低折射率狭缝中,狭缝区域内的光场密度很高,比常规微米尺度矩形介质波导的光场密度高近20倍,这将提高信号光、泵浦光与增益介质的相互作用。该结构对于提高放大器的增益性能和降低泵浦光的阈值功率具有重要价值,是本文在器件结构设计方面的一个创新点。基于电磁场本征方程及其有限差分形式,通过全矢量有限差分方法对SOI狭缝波导的模式进行了分析。合成了NaYF₄:10%Er³⁺NCs-PMMA材料,将其填充至SOI狭缝波导中作为增益材料,结合波导的重叠积分因子及有效截面积对波导的尺寸进行了优化,硅波导高度为250 nm,宽度为222 nm,狭缝宽度为100 nm。建立了1480 nm泵浦的Er³⁺四能级跃迁模型,对基于SOI狭缝结构的光波导放大器增益性能进行了分析;对芯层材料的折射率、荧光光谱和吸收光谱进行了表征,结合J-O理论对模拟所需的参数进行了计算;结合增益特性对波导关键参数进行了优化,当信号光功率为0.001 mW,泵浦功率为20 mW时,在1.5 cm长的波导上可获得5.78 dB的净增益。为了降低传输损耗,引入低损耗的Si₃N₄狭缝波导,通过相同的理论分析方法对Si₃N₄狭缝波导进行尺寸优化,优化的Si₃N₄高度为400 nm,宽度为400 nm,狭缝宽度为200 nm。理论计算表明,当波导传输损耗为3dB/cm时,在6cm长度器件可获得8.2d B净增益。上述研究为波导放大器提供了新的思路及方向。