氮化铝作为目前已知的最宽带隙的半导体材料,能够工作在紫外到红外超宽的波段上。将氮化铝选做光波导器件的材料,能够发掘它的光学性能上的优势,宽禁带的特点使基于氮化铝材料的光波导器件在双光子吸收及自由载流子吸收等方面的非线性损耗更低,更有利于非线性效应的研究。本文从波导的色散角度出发,分析以氮化铝半导体材料为主的光波导特性。色散是引起光波导中频谱展宽的主要因素,在光器件设计中要尽量减少色散对脉冲信号的影响。文中设计了四种基本的狭缝氮化铝波导结构,通过对固定色散范围内的带宽以及色散值的分析,详细优化每一个结构参数对色散曲线的影响,使色散能够在宽带范围内实现平坦,在双狭缝波导中实现了超宽带的平坦色散。通过色散优化可以控制零色散波长,增强氮化铝波导的非线性效应,进一步研究波导的非线性特性。基于氮化铝的二阶非线性系数,文中进一步分析了氮化铝狭缝波导中二阶非线性色散优化。通过参数优化,将零色散波长调控到期望的波段,进而提高狭缝波导的非线性特性。在单狭缝波导中实现正交基模之间的转换,通过色散调控,选取合适的泵浦波长,在二倍频处实现基模到高阶模的转换,为后续在氮化铝波导中二次谐波的实验验证打下基础。基于氮化铝的三阶非线性系数,在双狭缝氮化铝波导中分析氮化铝波导三阶非线性效应的波长转换过程。在零色散波长附近选取合适的泵浦波长,计算相位匹配条件,实现基于简并四波混频效应的波长转换,并分析波导的传输长度等对转换带宽及转换效率的影响,在氮化铝波导中实现近红外到中红外波段宽带范围内的转换结果,有利于氮化铝光波导在中红外波段的应用研究。针对氮化铝光器件的研究,在文章最后设计了基于氮化铝材料的高效光栅耦合器。分别设计一维和二维两种结构的光栅耦合器,详细优化光栅参数,分析光栅的衍射特性,使外界独立光源耦合到氮化铝光波导中。基于氮化铝的光波导研究,能够发挥氮化铝半导体材料的独特优势,促进光学器件的性能优化,增加光器件的多样性。