集成光子技术的独特优势和迅猛发展促使光通信与全光信息处理、光计算与光子神经网络、光量子计算与密钥分发、微波光子学和光谱分析与传感等现代光学的研究与应用领域逐步迈向集成化,获得了更进一步的发展和突破。这些光学研究和应用又反过来向集成光子技术的基础器件提出了能耗更低、尺寸更小、效率更高、成本更低的要求。光子晶体纳米梁谐振腔作为一种同时具备极小尺寸和极高调控效率的谐振型器件,有潜力作为一种新型的集成光子器件基本单元结构,满足集成光子技术的发展要求。然而,纳米梁谐振腔目前还缺乏更为广泛的应用,这主要是因为纳米梁谐振腔作为多端口单元结构时面临传输效率低的核心问题,限制了其获得更复杂的组合功能和规模化集成。除了这一核心问题,还有一系列关键问题:如纳米梁谐振腔设计缺乏高消光比结构设计;纳米梁谐振腔通常只拥有一个高品质因子Q值谐振模式,不满足多种非线性效应对多频率光场相互作用的需求;在使用纳米梁谐振腔进行规模化阵列的应用时,需要克服众多单元结构的工艺误差问题等。基于以上的发展需求和纳米梁谐振腔所面临的各种问题,本论文面向集成光开关、高消光比滤波器、四波混频谐振腔、小型化光谱仪这四种纳米梁谐振腔的实际应用,对其关键技术进行了研究,并通过理论分析和实际器件制作进行验证,主要贡献和成果可总结为如下几个方面:（1）本研究首先从光子晶体的理论和设计方法出发,提出了一种先通过平面波展开法计算能带结构特性构造缓变光子晶体结构,再通过时域有限差分法优化光场实现高Q值小模式体积纳米梁谐振腔的设计优化方法。（2）针对纳米梁谐振腔传输效率低的核心问题,提出了一种普适性的半对称Fano谐振理论模型,从理论上推导了高传输效率条件,并根据理论设计实际制作了具有高传输效率的纳米梁谐振腔光开关,使工作波长的插入损耗从8.5 d B大幅降低至1.5 d B。其结构特征为在与纳米梁谐振腔相耦合的双弯曲波导上精心设置了4个半对称的空气孔,核心尺寸仅为3μm×5μm,远小于传统光开关器件。（3）针对纳米梁谐振腔缺乏高消光比结构的关键问题,进一步发挥Fano谐振耦合增强对纳米梁谐振腔扩展能力的提升,提出了一种Fano增强的高阶纳米梁谐振腔滤波器,其结构为多个完全一致的纳米梁谐振腔近距离耦合排布,仅以20μm×10μm的尺寸就实现了高达70 d B的高消光比和1 d B的低插入损耗。相比于传统高阶谐振器滤波方案,还无需有源调谐校准。（4）针对纳米梁谐振腔单一工作谐振频率的关键问题,提出了一种基于特殊能带工程的光子晶体纳米梁谐振腔结构,使其仅拥有三个间隔相同的高Q值谐振频率模式,满足四波混频应用对光场频率的要求,其结构为中心孔参数反向缓变的单纳米梁多模式谐振腔,核心尺寸仅为20μm×1μm,并可以使用Fano耦合进一步增强非线性效率。（5）针对光谱仪应用中纳米梁谐振腔阵列规模化应用的工艺误差问题,通过将小尺寸可设计的光子晶体纳米梁与计算光谱重建算法相结合,通过算法提高了纳米梁腔阵列的工艺容忍度,优势互补得到了兼顾小尺寸、易扩展、易移植的纳米梁光谱仪,其结构为密集排布的宽度渐变的纳米梁谐振腔单元,单元核心长度仅为6μm,单元间隔为3μm。理论表明可以很容易地将该工作波段为1550 nm的纳米梁光谱仪移植到1310 nm和2400 nm附近。