铌酸锂(LiNbO3, LN)是一种广泛使用的介电材料, 由于其电光系数大, 透明范围大, 本征带宽宽, 因而在集成和非线性光学器件中极为重要。但绝缘体上铌酸锂薄膜(LNOI)的化学稳定性好, 刻蚀速率慢, 其微结构参数难以控制。针对以上问题, 该文开展了基于电感耦合等离子体刻蚀(ICP-RIE)的LNOI脊形微结构的制备工艺研究, 分析了腔室压强、气体总流量及刻蚀功率等参数对刻蚀速率、刻蚀倾角和表面粗糙度(RMS)的影响。研究表明, 在优化的工艺条件下, LNOI薄膜的刻蚀速率达到24.9 nm/min, 制备出刻蚀深度249 nm、刻蚀倾角76°、表面粗糙度(RMS)0.716 nm的LNOI脊形微结构。该文通过对刻蚀工艺与微观结构参数的研究, 建立了基于ICP的LNOI微结构刻蚀方法, 为控制LNOI脊形光波导和提升性能提供了工艺支撑。

基于铌酸锂薄膜提出了一种新型的低损耗切趾光栅设计方案，在线性改变填充因子的同时根据布拉格条件对每个光栅周期进行调控。此方案不仅提高了向上衍射效率，还增加了向上衍射模斑和单模光纤模斑的重叠积分，极大地提高了耦合效率。1550 nm处对于TE模式耦合效率达到81.3%（0.90 dB），是目前已报道的基于无反射层铌酸锂薄膜的光栅耦合器设计方案中耦合效率最高的。考虑到实际工艺下波导存在刻蚀倾角，基于合理推广的布拉格条件同样对光栅周期进行调控，优化了带刻蚀倾角的切趾耦合光栅，耦合效率高达60.0%（2.22 dB）。

光学超晶格是一种基于准相位匹配技术的非线性光学材料。通过铁电畴工程研制出不同微结构的光学超晶格, 可以实现高效灵活的非线性频率转换, 并对光场进行多维调控。光学超晶格的基质材料, 经历了从体块到薄膜的发展, 伴随着两种材料体系超晶格制备技术的突破, 催生了激光变频技术、非线性光场调控和多功能集成光量子芯片等重要应用。

变换光学的发展与应用为实现片上集成多频传输和宽带非线性光子器件的设计提供了新的方法。基于变换光学理论模型，通过在铌酸锂（LiNbO₃）薄膜光子晶体中调控色散和群速度的空间分布，获得了具有片上彩虹捕获特性的波导器件。通过对非线性四波混频过程进行分析，展示了其在宽带四波混频方面具有良好的应用前景。同时，所设计的变换光学波导结构也可应用于其他集成非线性光学器件。

铌酸锂薄膜因其优异光学性能及容易与结构紧凑的光波导等器件相集成等诸多优势, 目前已经成为可调谐Fabry-Perot滤波器、电光调制器等器件领域向集成化和微小型化趋势发展的首选光学材料。由于光波导和光纤的尺寸差异而引起了严重的模场失配使得光纤与光波导耦合时存在着较大的插入损耗问题。 仿真分析了超高数值孔径光纤和脊形波导直接耦合时, 其光场模式分布、折射率、耦合效率和耦合损耗等关键性能的相互影响。结果表明当刻蚀深度和宽度分别为300 nm和0.8 μm时, 铌酸锂脊型波导与单模光纤(UHNA7)的耦合效率可达33.8%, 而耦合损耗为4.71 dB。仿真比较了上包层材料替换为二氧化硅和氮化硅材料时, 脊型波导和单模光纤的耦合效率显著增加到63.4%而耦合损耗被降低到 1.98 dB。