随着信息和互联网时代的进步,人们对信号的传播和处理能力提出更高的要求,推动了集成光子学技术的高速发展。在众多的集成光学材料平台中,铌酸锂晶体因其具有宽带透明窗口、高二阶非线性系数以及优异的电光性能,在非线性波长转换、光频梳产生以及高效电光调制等领域具有十分重要的地位。然而,传统的铌酸锂光波导制作技术,如钛扩散或质子交换,只能产生微小的折射率对比度,使得铌酸锂集成器件的尺寸较大,难以实现大规模集成。近年来,绝缘体上铌酸锂（LNOI）薄膜技术为铌酸锂晶体带来了新的生命,促进了铌酸锂集成光子学的复兴。LNOI平台既具备了铌酸锂的多种光学特性,还具有高折射率对比度,使铌酸锂光子线（纳米波导）的光场束缚能力增强,允许更小的截面尺寸和弯曲半径,大大提升了相关器件的性能和集成度。光子线是LNOI集成光子学中重要的基本结构,它的导波特性和色散特性是重要的基础知识,本论文对铌酸锂光子线的相关内容进行了理论分析,为设计和制作基于LNOI平台的微光子器件提供了指导作用。此外,目前LNOI平台处于快速发展阶段,虽然已在该平台上成功研制了多种高性能光子器件,但仍有部分关键模块发展相对缓慢,如偏振控制和有源模块,缺少部分偏振控制及光放大功能。为促进各种无源和有源光子器件在LNOI平台上的单片集成,使LNOI成为更有吸引力和竞争力的集成光学平台,本文还针对偏振控制器件以及掺铒有源光子线进行了研究。本论文研究的具体内容包括:1.研究了基于LNOI平台的rib型脊形光子线的导波特性。针对波长为1.55μm的导波,计算了在中心脊区传输的若干低阶TE/TM模式以及在两侧平板波导区域所传输的基模的有效折射率随光子线几何参数的变化关系。通过比较中心脊区一阶模和两侧平板波导基模的有效折射率,确定了铌酸锂rib型光子线的单模传输条件与几何参数的依赖关系。并对中心脊区传输的TE和TM基模的电场分布进行了模拟和讨论。此外,还计算了在中心脊区传输的基模的有效群折射率与波长的关系。2.研究了基于LNOI平台的脊形光子线的色散特性。重点研究了群速度色散调控的灵活性、零色散波长、色散平坦度和零模式双折射（ZMB）。分析了几何结构参数与外加电场对铌酸锂光子线的色散调控,定量计算了铌酸锂光子线的色散平坦度,并与尺寸相当的硅光子线的结果作比较。还研究了刻蚀深度的变化对铌酸锂光子线中传输的TE00和TM00模式的群速度色散的影响。讨论分析了铌酸锂光子线中零模式双折射的实现方式,并给出了用于同时实现单模传输和ZMB的光子线几何参数。3.研究了基于LNOI平台的两种偏振控制无源光子器件。首次提出了一种基于铌酸锂脊形光子线的基模偏振转换器,该器件通过在光子线的一侧引入半无限介质覆盖层而实现横向不对称折射率分布。材料与波导双折射的共同作用使模式发生混合,并利用锥形缓变结构使之能够实现模式转换。针对1.55μm波长,模拟了锥形横向非对称LNOI脊形光子线的模式混合和转换机制。结果表明,该器件可以实现TM00和TE00模式间的高效转换,长度有望小于100μm。通过选择合适的覆盖层材料或调整其厚度,可以优化转换效率。此外,还提出了一种基于非对称定向耦合器原理的偏振分束器,用于实现LNOI平台上TE和TM偏振光的分离。该器件结构简单,长度仅约11μm,偏振消光比大于20 dB。4.研究了基于LNOI平台的有源光放大模块。通过掺杂铌酸锂晶体的生长以及离子切割技术成功制备了直径为3英寸、掺杂浓度为0.5 mol%的Er:LNOI薄膜,随后使用微纳加工技术在薄膜表面成功制作了掺铒铌酸锂rib型脊形有源光子线,并对其表面形貌、模场分布、损耗、光谱以及放大性能进行了表征。结果表明,在1480 nm泵浦光的作用下,波长为1531 nm的小信号光在掺铒有源光子线中获得了大于5 dB/cm的信号增强因子。高效的LNOI有源光子线将会成为未来铌酸锂光子集成芯片中的重要基础元件。