硅基集成光子器件的发展受益于硅光子学与互补金属氧化物半导体(CMOS)微纳加工技术的进步,对光互联和光传感等应用有重要意义。针对目前光学生化传感检测领域对检测灵敏度、响应速度、最小需要样品量以及便携性等指标的要求不断提高,“片上实验室”的发展受到越来越多的关注。而硅基光子晶体(PhC)微腔传感器因其尺寸小、灵敏度高、易于集成、无标签检测、成熟的CMOS制备工艺等优势,成为实现片上集成传感检测的首要选择。为了提高光子晶体微腔传感器的品质因子(Q)和灵敏度(S)等性能指标,解决温度对硅基器件的扰动问题以及实现高效率的传感检测,本文设计、分析并制备了基于绝缘体上硅(SOI)的一维(1D)光子晶体纳米束腔(PCNC)、二维(2D)光子晶体微腔和一维光子晶体环形(PhCR)谐振腔,研究折射率(RI)和温度(T)以及折射率的实部(n)和虚部(κ)对谐振模式的影响,进行双参量的传感机制分析。具体主要工作内容可概括如下:(1)利用高品质因子的一维光子晶体纳米束腔,并提高模式光场在分析物中的重叠积分,实现同时具有高品质因子和高灵敏度的传感器。首先,设计了一种高品质因子与模式体积比(Q/V),同时结构尺寸很小的基于矩形孔的空气模一维光子晶体纳米束腔传感器。谐振模式的光场主要局域在低折射率区域的空气孔中,相比传统的介质模光子晶体纳米束腔传感器,灵敏度提高。当纳米束腔长度约为8 μm时,品质因子Q为1.27×105,模式体积V为0.745(λ/nSi)3,Q/V高达1.7×105(λ/Si)-3,灵敏度 S 为 252.65 nm/RIU,探测极限 DL 为 4.7×1 0-5RIU,品质因数FOM为2.10×104。然后,为了进一步提高灵敏度,设计了基于矩形空气孔的一维光子晶体槽纳米束腔传感器。谐振模式的大部分光场被局域在槽区域中,提高了光场在分析物中的重叠积分,从而增强了光与物质的相互作用。该设计可以同时实现超高S～835nm/RIU、超高 Q～5.50×105 和超低 DL～3.4×10-6,FOM 值高于2.92×105,有效传感区域仅占约12μm×0.08 μm。最后,为了解决多路集成复用时有限的自由光谱范围(FSR)带来的模式重叠混淆的问题,设计了基于一维光子晶体纳米束波导的高性能带阻滤波器与传感器集成,用于实现多路集成复用传感。(2)利用基于一维光子晶体单腔多模结构的折射率和温度同时传感检测,消除温度对硅基传感器的干扰。首先,数值仿真验证了基于空气模一维光子晶体纳米束腔的基模和一阶模的双参量传感检测的可行性。其次,提出了一种可以在单个光子晶体纳米束腔中同时局域介质模和空气模的设计方法,并进行了实验验证。量测的光子晶体微腔的空气模和介质模分别在谐振波长3.728 μm和3.875μm处获得高Q值1.90×104和2.56×104。仿真模拟得到的空气模和介质模的折射率灵敏度分别为186 nm/RIU和135 nm/RIU,温度灵敏度分别为147pm/℃和158pm/℃。此外,通过与微流体通道集成,进行液体传感检测,定性证明了同一个微腔中的空气模和介质模对外界环境变化的响应不同。(3)利用多点复用以及折射率实部和虚部同时传感检测,提高传感检测效率。通过将波导两侧第一行中的几个孔向线缺陷方向移动来减小W1光子晶体波导的宽度,将调制波导的导模局域,得到高性能的光子晶体波导宽度调制线缺陷腔。设计两个级联的微腔实现复用,获得两个谐振下坠峰,用于多路传感检测。传感参量包括折射率实部n和折射率虚部κ,在检测过程中获得了两个相互独立的物理量:波长偏移△λ和线宽变化△δλ,且分别关于折射率实部和折射率虚部成线性变化。两个腔的Q因子分别为15725和15817。折射率实部灵敏度分别为174.1 nm/RIU和167.6 nm/RIU。折射率虚部灵敏度分别为291.8 nm/RIU 和 298.7 nm/RIU。(4)利用慢光效应和提高光场在分析物中的重叠积分,增强吸收灵敏度。一维光子晶体环形谐振腔的带隙边缘具有慢光效应,并且在高阶光子带隙(PBG)下工作时可以实现更高的光场与分析物的重叠积分。因此,在中红外波长范围3.64-4.00 μm,首次通过实验证明并比较了的PhCR的一阶和二阶光子带隙边缘的慢光效应和吸收增强因子。对于PhCR谐振腔的二阶PBG的介质带边缘模式,实验量测的群折射率～11,Q因子～7425,吸收增强因子～5,有效光学路径长度相比于展开的一维光子晶体波导至少提高三倍。另外,验证了 PhCR谐振腔的热光调制效应,并通过比较温度灵敏度证明二阶PBG带隙边缘模式在分析物中具有更高的光场限制因子。综上,本论文分别从同时实现高品质因子和高灵敏度、消除温度对硅基传感器件扰动、提高传感检测效率以及提高中红外波段吸收灵敏度这四个方面出发,提出、设计并验证了高性能的光子晶体微腔和双参量的传感检测模型。本论文的研究成果为高性能的硅基光子晶体微腔传感器的设计提供了参考,为实现片上集成传感打下坚实的基础。