氧化锌(ZnO)是优良的宽禁带半导体光电材料,成为继GaN之后光电领域研究的热门,ZnO相关产业将有广阔的应用领域和市场前景。稀土元素因其特殊的电子层结构,具有丰富的力、光、电、磁性能,引起世界范围内科学家的研究兴趣。若在氧化锌薄膜光波导中掺杂进稀土离子,使稀土离子处在一个很低的声子能量局域环境内,基质材料或稀土离子本身将展现不同的特性。氧化锌为颇具潜力的发光材料,以便应用在集成光学、高密度数据存储系统、低价UV激光或发光二极管、固态照明、安全通讯、生物检测、太阳能利用、光通信、物联网等领域。稀土资源对国民经济、军事、国际影响力具有战略影响,其优良特性在诸多高精尖科技领域及传统领域中得到应用,体现出很好的社会价值,对稀土特性的研究顺应时代发展的要求。本文介绍了薄膜光波导理论、稀土元素及其应用、薄膜的制备方法、薄膜的研究方法等知识。利用TRIM软件模拟了Ho、Er、Tm、Yb离子注入ZnO材料,并得出射程分布等参数,通过与由RBS技术分析Er+离子注入ZnO薄膜得出的射程实验数据进行对比,以期对实际实验提供参考。在本论文的工作中,以ZnO烧结陶瓷为靶材,应用射频磁控溅射技术在(001)蓝宝石、(100)MgO衬底上制备ZnO波导薄膜。利用棱镜耦合、X射线衍射、RBS背散射分析等技术研究了所沉积薄膜的光波导及内部结构信息。结果表明在两种衬底上所沉积的ZnO薄膜可以形成优良的平面光波导结构；薄膜结晶状况为存在少量其他晶向的c轴择优取向；薄膜含有的Zn及O组分原子数比例为近化学计量比；薄膜的沉积速率受衬底材料表面能作用轻微影响；薄膜的有效折射率相对于ZnO体材料较小且受衬底材料影响。生长在蓝宝石衬底上ZnO薄膜的平均晶粒尺寸较在MgO衬底上的小,且其随膜厚的增加无明显变化,但在MgO衬底上晶粒尺寸则随膜厚的增加有增大趋势。利用射频磁控溅射技术在蓝宝石衬底上沉积ZnO：Yb光波导薄膜,然后用离子注入技术将能量为200KeV的Er+离子注入薄膜中,剂量为1×1015ions/cm2。应用棱镜耦合技术、卢瑟福背散射(RBS)技术、X射线衍射(XRD)技术和荧光光谱等技术研究了薄膜的波导性质、基本结构、厚度、组分、Er+的射程情况及光学频率上转换性质。实验发现掺杂Yb和Er的薄膜可以形成光波导结构,但波导质量较纯ZnO波导膜差,膜的有效折射率及沉积速率随Yb掺杂量增加有减小趋势；薄膜呈ZnO高度c-轴取向生长,Yb和Er能有效掺杂进ZnO晶格,ZnO晶格常数受Yb掺杂量的不同而变化；在980nm激光激发下没有发现在300～720nm间的光学频率上转换。以具有稀土氧化物掺杂的ZnO烧结陶瓷盘作为靶材,利用射频磁控溅射技术沉积稀土离子掺杂的ZnO薄膜,研究了薄膜在980nm激光激发下的光学性能。在ZnO中实现稀土元素的掺杂途径很多,其中注入法为非均匀掺杂的一种。利用离子注入技术,在室温下将能量为200KeV、剂量分别为1×1015ions/cm2和4×1014ions/cm2的Er+离子注入进ZnO薄膜和Yb掺杂的ZnO薄膜,为有效激活稀土离子及恢复样品因注入引起的晶格损伤,使用退火炉在空气气氛下对样品进行850℃退火处理(退火后的样品显得异常通透)。研究发现掺杂Yb和Er后薄膜可以形成光波导结构,但波导质量较纯ZnO波导膜差,膜的有效折射率及沉积速率随Yb掺杂量增加有减小趋势；薄膜呈ZnO经典c-轴取向生长；利用光谱仪研究了薄膜的光学频率上转换性质,980nm半导体激光器被用来作为泵浦源,测试了300-720nm间的光谱,未发现薄膜在980nm激光激发下产生光学频率上转换性能。720nm至红外区间的光谱有待研究。最后,对课题的进一步研究路线略作展望。