硅基光波导具有强的光场约束力,其加工制备过程可与互补金属氧化物半导体(complimentary metal-oxide semiconductor,CMOS)工艺兼容,这些优越性使得硅基光波导能够被广泛用于集成光功能器件的研制开发,成为未来大规模光电集成芯片的基础。为了获得芯片集成的中红外宽带相干光源、超短脉冲压缩器和宽带光参量放大器,需要选择合适的材料设计新型波导,可产生宽带平坦的低色散,进而实现诸多宽带非线性应用,包括可覆盖整个中红外波段的超连续谱、具有亚光学周期的超短脉冲、具有高质量波形的脉冲压缩以及具有宽带增益谱的光参量放大。在超连续谱产生方面,沟槽型波导可被用来调节出近红外波段的宽带平坦低色散,进而获得近红外宽带超连续谱。然而,用于沟槽的低折射率材料的有限透明窗口会大大限制中红外超连续谱的带宽。选择具有高非线性,更宽透明窗口和CMOS工艺兼容的锗和硅材料作为波导芯区,采用新型双层波导结构来产生中红外波段近两个倍频程带宽的平坦低色散。通过使用非线性传输模型,利用亚皮秒脉冲泵浦,可产生用作集成中红外宽带相干光源的倍频程超连续谱。在脉冲压缩方面,研究了沟槽型和双层光波导,利用单段波导进行脉冲压缩,即可分别产生具有亚光学周期脉宽、低基座、高质量波形的超短脉冲;分析了可在同一芯片上对压缩后的超短脉冲进行载波包络相位标定的可行性;研究了抑制脉冲基座抖动的机理并选择了可获得高质量脉冲的最佳泵浦条件。在光参量放大方面,通过选择具有高非线性的富含硅的氮化硅材料,实现新型双层波导的色散调控;研究在双泵浦条件下的宽带相位匹配机制,最终得到了宽带光参量放大。