光子晶体是近年来出现的一种新型光学材料,由折射率不同的介质在空间周期性变化而构成。它具有独特的光子带隙特性,即频率落在光子带隙中的电磁波无法在其中传播,提供了一种全新的控制光的机理,有着广阔的应用前景。目前,光子晶体的研究已经成为一个发展迅速的科学领域。随着激光雷达技术的发展,对设备有着越来越迫切的小型化要求。由于光子晶体可在波长量级控制光路,对光学器件的集成化有着重要作用。本文将光子晶体器件应用到激光雷达系统中,有效地满足其小型化的要求。论文的主要内容包括:1.从固体物理学中晶体的概念入手,引出光子晶体的基本理论。包括第一布里渊区和布洛赫理论,并基于电磁波的基本理论麦克斯韦方程组,对分析光子晶体的主方程进行了推导。介绍了光子晶体常用的分析方法——传输矩阵法、平面波展开法和时域有限差分法。2.用平面波展开法计算二维光子晶体的能带结构,分析了晶体结构、介质柱填充比和介电常数比对光子带隙的影响。在二维光子晶体中引入点缺陷、线缺陷,对缺陷特性做出讨论。同时引入这些缺陷的组合,利用耦合模理论分析光子晶体点缺陷和线缺陷间的相互耦合,设计出可应用于激光雷达系统(工作波长为1550nm)的二维光子晶体滤波器,实现极窄线宽(1.51nm)的带通滤波功能。3.由于光子晶体器件为亚波长结构,从光子晶体波导中出射的光束会因为衍射极限而发散到各个方向,为了实现光子晶体器件的广泛应用,需要解决光子晶体功能器件和传统光学器件之间的耦合问题。基于表面波理论,对光子晶体波导出射光束进行准直处理。讨论了压缩出射光束发散角的两种方法:引入表面耦合腔结构和引入光栅结构激发表面波。最后,综合上述两种方法设计出级联结构的二维光子晶体准直器件,实现了把出射光束的发散角由60°压缩到5.56°,并对其在激光雷达中的应用进行分析。