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硅基光子学的研究在过去的五年取得了长足的进展，从光波导调制器到Raman激光器等等。以现代日新月异的微电子技术进展为依托，人们看到了硅基光互联的希望。其中最难以攻克的难题便是如何实现硅基高效率光源和激光器。硅本身的非直接带隙特性导致其复合需要声子参与，这直接降低了其复合效率。克服这一能带特征，人们尝试了各种方案，包括量子尺寸限制效应；稀土掺杂和Raman效应等。前两者已经经历了较长时间的研究；而Raman效应激光器虽然解决了激射的问题，但仍然无法实现电注入。
在前人研究的基础上，我们从自发辐射的本质出发，通过调节硅基辐射材料周围的场分布实现硅基材料自发辐射效率的提高。1946年由Purcell提出的自发辐射的增强和抑制效应，充分体现了原子的自发辐射并不是孤立原子的特性，而是原子—真空场系统的性质。以Purcell效应为前提，结合光子晶体周期结构的设计，我们制备了从一个维度光子限制到三个维度光子限制的微腔结构，实现了自发辐射的增强和抑制。在三维光学微腔的研究中，我们采用共形薄膜生长的方法得到了拥有尺寸依赖的模式特征的光子量子点和光子分子结构。这些内容为本文主体，为全文3部分中的前两部分。
第1部分为第2、3两章。即构成微腔的材料准备。我们对等离子体增强化学气相淀积(PECVD)系统制备的氢化非晶氮化硅(a—SiNx：H)薄膜的光学性质进行了细致深入的研究，掌握了其折射率和生长速度随组分的变化规律。对于其光发射性质，也通过退火等手段进行了研究，发现其中并无量子限制发光的可能性，较为可能的机制当为缺陷发光过程。同时，样品也显示了良好的EL特性。上述性质研究提供了我们选择特定组分a—SiNx：H薄膜作为微腔布拉格反射层(DBR)和有源层的依据。这些内容组成第2章。第3章为通过激光晶化的方法在微腔有源层中引入纳米晶硅的尝试，通过对以往激光晶化方法的改进，希望在样品晶化的前提下保证膜表面的平整度。结果表明采用逐步提高能量分布辐照的方法有望实现这一目的。
第2部分为微腔的结构设计和性质分析。第4章是一维周期结构构成的Fabry—Perot腔的设计。采用掺杂一维光子晶体的设计思路，设计并制备了a—SiNx：H薄膜一维周期结构构成的Fabry—Perot微腔。变温PL谱的测量分析显示，样品的光子带隙的随温度移动规律可以类比于晶体能带的随温度移动性质。通过变角度PL谱的测量，对微腔发射谱的空间性质以及有源层的场分布有了更为深刻的认识。进一步，我们制备了对称的耦合腔结构并进行了研究。
循着Purcell效应，在第5章中我们设计制备了更小模式体积的三维光子限制的微腔结构。由于非晶态在生长过程中几乎不用考虑应力的影响，通过共形生长的方法，可以很方便的实现三维限制的微腔结构。通过改变样品的横向尺寸，我们可得到具有光子量子点特性的三维光子限制微腔。在此基础上，通过耦合腔的设计，我们实现了光子分子的结构，并对其性质进行了分析。光子量子点和光子分子可以更加有效地对硅基发光材料进行光调制。
第6章独立构成论文第3部分，为纳米硅量子点二阶非线性的初步研究，其在硅基光子学有着潜在的应用价值。文中对取得的初步结果进行了简要的分析。
第7章为本论文工作的总结和关于未来工作的一些展望。光子量子点