光子晶体器件利用带隙约束导光机制,具有传统器件所没有的特性,并且器件尺寸很小,适合高度集成化,是未来集成光路元件的理想选择。因此,从光子晶体第一次被提出以来的二十几年里,引起了广泛的关注。本文中为光子晶体新型光器件的一些关键技术进行了研究:本文设计了一种新型的球形光子晶体微腔,提出球形光子晶体的概念,该微腔具有目前报道中最高的品质因子;提出了具有慢光封冻模的光子晶体波导,并进行了数值演示;对空气芯和混合芯二维光子晶体波导的色散关系进行了分析,为低损耗慢光波导的研究打下了基础;利用转移矩阵法对多层对称波导进行了理论上的分析,并利用Matlab对所得到的解析方程进行数值计算,得到了相对精确的色散曲线。本课题研究光学谐振腔以及慢光波导关键技术,在推动集成光子器件的发展方面具有重要意义。本论文的主要研究内容如下:第一章为绪论,综合介绍了本文中研究课题所涉及的理论基础和文献综述。绪论首先介绍了光子晶体及其相关概念,对光子晶体的理论研究方法进行了详细说明;介绍了光学微腔的应用以及大致的研究方向;最后介绍与慢光相关的基础知识及其应用领域,并对两种典型的实现慢光的机制:材料色散和结构色散进行了分析和比较。在论文第二章,我们设计了一种新型的光学谐振腔,根据其结构特点将其命名为球形光子晶体微腔。为了得到极高品质因子的光学微腔,我们对其从结构上进行了优化。首先将三维球形结构简化为一维结构,对其禁带宽度进行参数优化,接着回到球形结构,优化的参数为:介质的层厚、中心缺陷即谐振腔的尺寸与介电常数、球体的周期等。利用FDTD方法验证得到该结构具有109量级的品质因数,说明光在此谐振腔将持久驻留而不衰减。在第三章中,我们设计了非对称性光子晶体波导,首次在二维光子晶体中得到封冻模。基于普通W1型光子晶体波导,优化结构参数,通过调整波导两边包层的左右相对位置和波导邻近的空气孔半径,获得含有拄拐点的色散曲线。其中所谓拄拐点是指即对于某个特定频率,其一阶导数与二阶导数同时为零,而三阶导数不等于零的点。在对应的频率点上,我们得到了一阶导数与二阶导数同时为零的点,并通过FDTD仿真验证了此模式的存在。在此基础上,我们对该结构中三阶非线性效应进行了初步的探讨和研究,在介质硅中引入非线性效应,考察该结构中的参量放大现象,得到封冻模对应的信号光获得的信号增益为最强。进一步验证了慢光增强非线性效应的现象。在第五章中,我们设计了两种低损耗的光子晶体波导。第一种为空气芯波导,第二类为在W2空气芯波导中插入Si层形成的混合芯波导。两者的目的都是通过最小化光与物质相互作用的范围,以降低光传播过程中介质对光的吸收损耗。通过调节空气芯波导的参数,我们尽可能将光限制在空气中(第一类波导)或者薄的Si层中(第二类波导)。另外,在W2空气芯波导中,我们于不同的位置插入Si条,通过插入Si层数目以及位置的变化调控其色散关系的变化趋势。论文第六章详细介绍了转移矩阵法,并利用转移矩阵法对多层对称波导进行了理论分析。利用Matlab对所得到的解析方程式进行数值计算,得到了相对精确的色散曲线图像,与理论吻合得非常好。并且,我们所得到的精确方程表达式为未来的优化工作打下了良好的理论基础。