自从集成光学的概念被提出以来,基于光波导结构的集成光子器件研究得到飞速发展。铌酸锂具有优良的声光、电光和非线性光学特性,在可见光和近红外波段的透过率高,被称为“光学硅”。随着制备技术的发展,基于铌酸锂的集成光子器件,包括高速电光调制器、频率梳、非线性频率转换器等,已经被广泛研究,展示出铌酸锂在集成光子领域的应用前景。本文将从铌酸锂集成光子学的研究现状出发,对几种铌酸锂集成光子器件进行理论分析和数值模拟。主要包括以下内容:1.绪论部分简要回顾了集成光学的发展背景,介绍了铌酸锂的材料特性,以及铌酸锂集成光子学器件的应用前景、研究意义以及相关研究进展。2.介绍了光波导的基础理论,包括光波导的简单分类和不同维度波导的电磁场理论;对几种重要的铌酸锂波导及其制备工艺进行重点介绍,为接下来铌酸锂集成光子器件的研究工作奠定基础。3.数值模拟分析了两种铌酸锂集成光子学线性基本器件。一是基于非对称波导的宽带定向耦合器。从耦合模式理论出发,通过对传输矩阵的分析,确定最佳参数的基本范围,并借助三维时域有限差分法对结构进行优化。此外,模拟了一种新提出的光纤-铌酸锂薄膜波导耦合器,通过构建双层锥形波导结构提高光纤和波导的模式匹配区域从而提高耦合效率,并优化该耦合器的具体参数。4.第四章首先介绍了涡旋光束光源的研究现状,接着立足涡旋光的集成化产生方案,提出了一种基于非线性Cherenkov型相位匹配方式的倍频涡旋光产生的新方案。其基本原理是,在角向极化的铌酸锂微环谐振腔中,近红外的基波光在微环中谐振,二次谐波则沿着Cherenkov辐射角的方向发射出去。研究发现,倍频涡旋光的拓扑荷数由微环中回音壁模式的方位角阶数和非线性光栅元件的数量共同决定;此外,还对倍频涡旋光束的光场分布和转换效率等进行了系统研究。