硅基光子学领域近年来取得了许多突破性的成果及进展，它其中的一些部件也逐渐或已经实现了商用化，如硅基探测器、调制器、数据传输线等。但是，作为硅基光子学的重要组成部分，稳定的硅基光源却成为了困扰其发展的一个最富挑战性的难题。硅材料本身的间接带隙结构使其在发光及光源方面受到了极大的限制。因此，为了获得高效稳定的硅基光源，研究人员也在不断地尝试从硅基增益材料和器件结构等方面来解决这一问题。在硅基发光增益材料方面，镶嵌在二氧化硅基质中的硅纳米晶凭借着其优良的发光性能、较高的发光效率和稳定的结构组成等优点，受到了人们的广泛研究，也逐渐地成为了研制硅基光源的一最有希望的优选材料。与此同时，从结构方面来讲，凭借着其较高的品质因子和较低的模式体积，回音壁模式的光学微腔能够很好地限制并引导它内部传输的光波，并可使其达到一个超高量级的光强密度，这将十分有利于介质的自发辐射及腔模式的激光发射。基于此，本文以硅基光发射及硅基光源为研究出发点，主要研究了富硅氧化硅薄膜中硅纳米晶的发光性能和机理，并阐述了纳米阵列结构对硅纳米晶光学性能的调制作用，然后我们对回音壁模式的微盘腔、微环芯微腔的光学性能进行了研究分析，最后探讨了硅纳米晶与微环芯微腔两者相结合的纳米硅同心环芯微腔器件，为将来高效率的硅基腔形激光器的实现打下初步的基础。具体的主要内容及结论如下：　　⑴建立了系统的硅纳米晶发光机制演变模型，为进一步完善硅纳米晶的发光机理打下了一定的基础。通过等离子体化学气相沉积及后续退火工艺，我们制备出了多种组分及不同退火温度下的含有硅纳米晶量子点结构的富硅氧化硅薄膜，并对薄膜的发光性能及机理进行了详细的研究分析。我们讨论了包括量子限域效应、应力、Si-O-Si横向、纵向光频支声子等多个与硅纳米晶发光相关的载流子复合机制。实验及分析表明，不同尺寸及分布状态下的硅纳米晶中存在着截然不同的现象及复合机制：(a)当硅纳米晶尺寸极小、分布较稀疏时，我们证实了“量子限域失效点”的存在，它对应于此时硅纳米晶电子态曲线上的拐点位置;(b)当纳米晶尺寸较大、分布较密集时，以邻近纳米硅间的能量转移为基础的载流子倍增和纳米孪晶的相继出现也被实验所观测到;(c)当情况介于前两者之间时，量子限域效应是影响并主宰硅纳米晶发光的最主要因素。基于以上的发现和分析，我们最后提出了一个系统的模型，用来描述和解释随着尺寸及间距的变化硅纳米晶发光机制的演变过程。　　⑵研究了纳米阵列结构对硅纳米晶发光性能的调制作用。通过将含有硅纳米晶的富硅氧化硅薄膜共形沉积在周期性排列的硅纳米柱阵列上，我们获得了硅纳米晶和纳米阵列两者相结合的复合结构，并对其光学性能进行了研究。与平板硅纳米晶薄膜相比，这种复合结构的反射率有了极大的降低。它在整个可见光及近红外波段的反射率都普遍低于3％，最低处可达到0.7％。同时，该复合结构的发光性能随退火温度的变化趋势，也揭示出了纳米柱阵列对其上硅纳米晶材料的发光性能有明显的调制作用。进一步说，在不同的发光波段其对硅纳米晶的发光有不同程度的抑制或增强作用，其中最大的抑制和增强因子（倍数）可分别达到12.5和8.8。　　⑶制备出了具有较高品质因子Q的硅基微盘腔和微环芯微腔，并对其Q因子的影响因素进行了分析。通过自主搭建的锥形光纤制备系统，我们获得了低损耗（低于10％）、传输性能良好的单模锥形光纤，并对光纤与微腔之间的耦合状态及其特点进行了讨论分析。由于微盘腔边缘较大粗糙度引起的强烈的表面散射损耗的存在，我们所制备的微盘腔的Q因子只能达到约105的量级，这可以通过测量锥形光纤透射谱中腔模式的吸收线宽这一方法来获得。为改善这一状况，我们利用激光熔融回流术对微盘腔进行了后续加工优化，使其边缘部分在熔融状态下依靠表面张力自然地形成了极其光滑的类环状结构，进而形成了我们所述的微环芯微腔。利用中心波长精细扫描法测得了所制备的微环芯微腔的Q值可达到107-108量级。凭借着超高的Q因子及较低的模式体积，微环芯微腔具有更高的Purcell因子，这使得它在腔形激光器和高灵敏探测器方面具有巨大的学术意义和更广阔的应用价值。　　⑷提出了一种新型的纳米硅同心环芯微腔结构。通过将硅纳米晶量子点和微环芯微腔有机地结合起来，该结构旨在为将来腔模式高品质的激光发射进行一定的前期实验探索。在此结构中，一方面，我们将硅纳米晶结合到微环芯微腔中去，利用其良好的光增益特性为微腔结构提供理想的光泵浦或发光源;另一方面，通过把硅纳米晶的发光区域与微环芯的主要模式区域相分离，减少了硅纳米晶中的损耗对微腔性能的影响，从而保持了微腔结构的高品质特性。在相互促进的前提下避免了有可能造成的干扰。我们初步制备出的这种纳米硅同心环芯微腔的Q值可达到106的量级，远远高于之前纳米硅基微腔的相关报道。这为将来硅基腔形高品质激光器的成功研制提供了一定的实验依据和借鉴意义。