随着因特网和移动终端设备的快速发展和更新,对通信网络的传输速率和通信网络的宽带容量的需求也在增加。未来光纤通信网传输系统的最终目标是建立一个全光网络,即在接入网,城域网和骨干网中全面实现“光纤传输代替铜线传输”。近年来,片上集成光学器件的相关研究得到了快速发展,在通信和传感等领域具有广阔的应用前景,引起了国内外学者和企业的高度关注。片上集成光学器件的优势在于,其制备工艺与微电子互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺相一致,能够实现光路和电路的集成。基于传统的CMOS工艺和有机聚合物材料的特性,已研制出热光开关、光插分复用器、阵列波导光栅等聚合物波导器件。将这些器件进行片上集成,由于光在波导中传输时存在吸收、损耗及色散,会出现光信号幅度衰减,系统误码率增大等现象,严重影响片上通信质量。因此研制应用于片上集成的具有损耗补偿功能的光波导器件至关重要。本论文对基于稀土掺杂的聚合物光波导放大器和热光开关器件进行了系统的研究,从材料的合成、器件结构设计和理论分析、器件工艺制备和性能测试等方面进行了深入研究,主要研究内容如下:论文合成了NaYF₄:18%Yb³⁺,2%Er³⁺纳米粒子,对纳米粒子的形貌进行了表征,然后将纳米粒子掺杂到SU-8紫外光刻胶中得到波导芯层材料,利用原子力显微镜对芯层材料薄膜的表面平整度进行了表征,并利用椭偏仪测试并拟合了芯层材料的折射率。结果显示,纳米粒子尺寸均匀,直径约为12nm,进行表面修饰后能充分溶解到SU-8光刻胶中,旋涂后的芯层薄膜具有良好的表面平整度,在1550nm波长处,未曝光SU-8折射率为1.577,曝光后的SU-8折射率为1.562。利用matlab软件对器件的增益性能进行了理论分析,根据芯层材料的折射率,设计了以SiO₂为下包层,纳米粒子掺杂的SU-8光刻胶为波导芯层,PMMA为上包层的矩形波导结构,采用了光漂白法和湿法刻蚀两种工艺制备器件,采用端面耦合的方式对器件的增益性能进行了测试,测试结果显示,通过湿法刻蚀工艺制备的波导放大器获得了2.7dB的相对增益;通过光漂白工艺制备的波导放大器获得了4.5dB的相对增益。在上述光波导放大器的研究基础上,论文提出了将光放大材料应用于制备热光开关器件,设计并制备了基于NaYF₄:18%Yb³⁺,2%Er³⁺纳米粒子的具有损耗补偿功能的聚合物波导热光开关。器件使用SiO₂作为下包层,纳米粒子掺杂的SU-8聚合物作为波导芯层,PMMA聚合物作为上包层。测试结果表明,制备的器件具有优异的热光调制特性,同时实现了对热光波导开关的损耗补偿功能。使用304 Hz方波施加电压测量,器件的上升和下降时间分别为240μs和380μs。在7mW的驱动功率下,器件的消光比约为14dB。没有泵浦光输入时,开关器件的插入损耗约为15dB,当泵浦光功率为230 mW,且输入信号光功率为0.1 mW时,器件在1530 nm波长下的损耗补偿为3.8 dB。