光子晶体是由不同折射率介质以周期性排列而形成的规则光学结构。光子晶体作为一种新型光学材料,于1987年被E.Yablonovitch[1]和S.John[2]分别同时提出。光子带隙是光子晶体的一个重要特性,能够阻断特定频段上的光子通过,控制光在其中传播时的运动规律。传统光器件,比如光纤和光波导,通常是利用全反射的方式来实现对光子的控制;与此不同的是,光子晶体借助其光子带隙,展示了一种新的控制光子的机制,开拓了光通信研究的一个新领域。此外,尺寸是光子晶体另一个显著的优势所在,一般在纳米或者微米级别。光子晶体在光计算机、集成芯片和全光通信系统中有着令人期待的前景,自其概念提出以来,基于光子晶体的器件已经被陆续提出。本文主要研究了晶格渐变型二维光子晶体性能及其在边腔耦合型传感阵列中的应用,研究成果主要包括如下几个方面:首先,设计了基于晶格渐变W1波导阵列的带通滤波器并研究了其特性。该阵列基于二维光子晶体平板上的W1波导,引入晶格渐变结构。W1波导本身可以视作通带较宽的带通滤波器,在其他参数保持不变的情况下,其通带范围与晶格常数a成线性关系。对不同晶格常数的W1波导来说,其通带范围也有所不同,位于某一 W1波导通带范围的光有可能位于另一块W1波导的阻带范围。把多个不同晶格的W1波导串联在一起,这些W1波导的阻带范围互相重叠,串联结构的通带将会小于单独W1波导的通带。利用这一性质,通过调节W1波导的晶格常数大小,可以构造带宽可调谐带通滤波器。另外,本文对边腔耦合光子晶体传感器的特征参数做了优化。针对提出的光子晶体传感检测模型和检测传感应用需求,引入外部特征传感参数,仿真分析光波在光子晶体传感检测模型中的传输特性和电场分布特性,深入研究分析光子晶体结构的应用特性和稳定性,数值分析其Q值、灵敏度S与外部特征传感参数的依赖关系,根据计算的结果进一步进行优化设计,以提高光的局域特性来提Q值,通过增强光与物质的相互作用来提高灵敏度。在优化灵敏度的同时,考虑质量灵敏度Sm与S的权衡。基于参数优化后的光子晶体单腔和晶格渐变型光子晶体波导阵列,提出了同时具备复用方式新、单腔性能最优、单传感单元独立性高、谐振峰间距可控等诸多优势的二维光子晶体传感阵列。最后,基于上文提出的传感阵列和交叉双横梁结构,通过在光子晶体W1波导两侧引入三个不同晶格常数的传感微腔,使三个微腔的谐振频率不同,在输出端的透射谱中可获得不同频率的谐振峰,构造了一个高性能、高集成度的光子晶体传感阵列。在传感阵列之上设计了交叉双横梁结构和安装在其上的成等高差的传感硅柱,当受力横梁发生形变时,位移横梁上水平高度不同的传感柱依次进入上述微腔,微腔的等效折射率发生变化,谐振峰依次偏移,实现大量程传感。本文首次应用多个微腔协作测量一个待测物理量,为高灵敏度、大量程的光子晶体传感阵列的设计提供了理论依据和设计思路。该传感器阵列具有可扩展性,为量程可扩的光子传感器阵列的实现提供了方法。