慢光(将光速减慢)是最近十几年人们提出的新颖话题,一经提出,立刻吸引了全世界科学家的目光。长久以来,光是人们公认的宇宙中速度最快的物质,其速度被认为是不可以被改变的。随着现代纳米技术及集成光路的发展,特别是硅基光子学的发展,人们在绝对零度下的原子蒸汽,半导体量子阱,微环阵列,光子晶体波导中都观察到了光速的减慢。与其他的方法相比,光子晶体波导具有最大的慢光带宽,最小的慢光损耗,最小的器件体积和工作在室温之下等优势,被认为最有发展前途。本论文在“国家重点研究发展计划(973计划)前期预研专项”和“国家自然科学基金”的支持下,重点研究光子晶体慢波波导中存在的主要问题,设计和制备了宽带、低色散、低损耗的光子晶体波导,提高了慢光的品质因子,取得了如下成果：(1)从平面波展开法出发并结合时域有限差分算法,设计了一种新型的基于绝缘体上硅(silicon-on-insulator,SOI)的U型群折射率光子晶体波导,通过移动光子晶体靠近波导的两排孔来获得宽带慢光。这种新提出的U型波导只修改了常规光子晶体波导中的一个参数,在工艺上没有增加任何难度。并且,这种U型波导可以提供极大的带宽(>40nm)极低的色散(<2nm.ps)或极低的光速(光速减慢为原来的200倍)。更为重要的是,对此波导的建模仿真表明连续的改变移动偏移量可以连续的改变慢光性能,实现了静态可调慢光。(2)分析和总结了当前光子晶体慢光波导的研究现状,对文献报道的各种结构的慢光波导进行了对比,分析它们慢光性能的差别及其优缺点。经过这些调研,我们发现当前文献报道的各种慢光波导结构的品质因子——“归一化延迟-带宽积”都小于0.3,极个别结构具有大于0.3的“归一化延迟-带宽积”,但是随着“归一化延迟-带宽积”的增加,慢光效应被大大减弱(光速被增大)。也就是说,之前提出的结构,慢光品质因子和慢光效应成反比,相互制约。(3)从推导“延迟-带宽积”的公式出发,我们系统分析了光子晶体波导的各个结构参数与最终的“延迟-带宽积”之间的关系,指出影响光子晶体波导的两个关键结构参数,提出了一种有效的提高光子晶体波导的“延迟-带宽积”并同时维持器件的慢光效应不变的系统优化方法。我们对之前提出的U型群折射率波导应用这种优化方法,成功的将“延迟-带宽积”由0.15提高到0.35,而群速度维持在c/90不变。慢光的品质因子被提高了130%,而慢光效应没有被降低。我们提出的这种优化方法也同样适用于之前文献报道的其他光子晶体慢光波导。(4)我们对光子晶体波导在实际的加工制造中的四种常见工艺误差进行了建模,并应用严格的三维的时域有限差分算法仿真了器件的传输谱线。通过分析比较光场在光子晶体波导中的分布,我们发现大部分的光场都集中在靠近线缺陷的两排孔的区域之内。通过含有工艺误差器件的传输谱线与不含误差器件的传输谱线,我们得出如下结论：如果在靠近线缺陷的两排孔的区域之内控制好工艺误差,不管其他区域的误差有多大,最终器件总的损耗可以得到良好的控制。这一结论对今后的工艺加工有积极的指导作用。