传统的以电子为媒介的芯片系统将人们带入了信息与互联网的时代,数十年蓬勃的发展过后,一方面随着摩尔定律与香农定律逐渐逼近极限,信息载体的存储密度与运算速度的提升愈发困难。另一方面,随着物联网与5G的新纪元崭露头角,人们对信号的传播、调制、探测各方面都提出更高的要求。光子,相比于电子有更快的响应速度,在信息传输方面有大容量、低串扰的优势。随着微纳加工技术的不断进步,以光子为媒介的集成光学芯片逐渐从理论走向实践,硅基的光子学芯片技术已经较为成熟,并逐渐出现在大规模的商用舞台。铌酸锂被誉为“光学中的硅”。它对光有声、光、电、热各个方面的响应,是一种优秀的光学芯片基底材料。随着铌酸锂薄膜的出现,将光场束缚在亚微米尺度的结构中成为可能,引发了铌酸锂领域的一场革命。本文中,我们首先对铌酸锂各方面的性质进行简要介绍,然后重点回顾基于铌酸锂薄膜上主要的微纳器件及其制备方法。现有的半导体加工技术在铌酸锂的图形化、刻蚀、金属薄膜等方面已经有了重要进展,为以后直接制备铌酸锂基集成光学芯片打下坚实的工艺基础。飞秒激光因为具有极高的峰值功率,极小的热影响区域,是精密加工的一种重要手段。而波导和微腔是光芯片中的重要构件,在第二章中我们利用飞秒激光在体介质铌酸锂中加工了II型波导,并利用飞秒激光与聚焦离子束相结合的方法制备了品质因子高达10⁵的铌酸锂和钽酸锂光学微腔。我们还利用飞秒激光诱导的“光致退火”效应进一步修复制备过程中损伤的铌酸锂晶格,使得微腔的品质因子得到一个数量级的提升。非线性模块也是集成光学芯片的重要组成部分。本文第四章总结了集成波导和微腔中的非线性相位匹配方式。铌酸锂波导中主要通过周期性调制非线性极化率或者光强实现准相位匹配,从而得到高效的倍频输出。而铌酸锂微腔由于其本身对光场有很强的增益,相位匹配条件相对宽松,可以通过自然相位匹配或者循环相位匹配实现非线性过程。实验上,我们在铌酸锂微盘腔中实现了效率约为2.36×10^-6/mW的倍频输出,在钽酸锂微盘腔中得到了效率约为1.22×10^-6/mW的倍频输出。不同结构、不同材料相互结合,各取所长发挥自身优势也是集成光学芯片的重要研究部分。非线性过程另一个重要的考虑因素是带宽。宽带的非线性过程在超短脉冲频率转换、波分复用系统甚至未来的量子通讯网络中都有重要的应用。在第五章,我们理论分析了实现宽带频率转换需要同时满足相位匹配和群速度匹配,通过将周期性极化的铌酸锂制作成亚微米结构的薄膜,引入波导色散调控,使其在满足相位匹配的同时可以满足群速度匹配,理论上给出了倍频中心波长和薄膜厚度的对应关系。实验上,我们制备了周期20μm,厚度700nm的周期性极化铌酸锂薄膜,利用五阶相位匹配和群速度匹配,在通讯波段得到了带宽15nm左右的倍频输出。