光学生物传感器是利用光学信号来检测生物样品状态变化的装置。近年来,随着纳米技术的巨大进步,将新型纳米材料和先进的光学传感技术相结合,设计并制造新一代的高性能微纳结构光学生物传感器成为了可能,这类传感器具有检测快速简便、高灵敏度、微小尺寸和无损测量等优点,便于集成和实现智能化,这为整个传感器领域打开了一扇新的大门。因此,构建并研究基于微纳结构的高性能光学生物传感器具有重要的理论价值和现实意义。在目前主要的微纳光学传感器类型中,基于表面等离子体共振的光学生物传感器是报道最多的之一,但这类传感装置对激发条件要求高,且其分辨率普遍偏低;而基于光纤技术的微纳传感器测量稳定性难以保证,并且由于其几何形状难以集成。针对这些问题,本论文基于先进的光学Tamm态理论,引入几种具有金属介电特性的新型微纳米材料与光子晶体结合,创新性地构建了基于微纳结构的系列光学生物传感器,对它们的传感增强机理进行了系统研究,并通过数值仿真验证了所构建传感器的可行性和高效性。论文的主要内容如下:1.首先介绍了光学生物传感器的结构和原理,在综合分析几种典型的微纳结构光学传感器性能及其国内外发展状况基础上,提出基于表面缺陷态的光子晶体结构是最具发展潜力的传感模型,然后分析了几种新型的微纳米材料及其在光学生物传感器中的应用现状,最后对光子晶体折射率传感器的主要性能参数进行了说明。2.研究了一维光子晶体的结构模型及电磁理论;基于传输矩阵分析法和自洽理论,对一维光子晶体的能带结构和光传输特性进行了分析和验证;阐述了光学Tamm态的概念,以金属-分布式布拉格反射镜(DBR)结构为研究对象,研究了基于表面缺陷一维光子晶体Tamm态的形成机理和条件。3.以光学Tamm态理论为基础,构建了基于石墨烯-DBR层状结构的太赫兹光学生物传感器,采用改进的传输矩阵法对传感器进行了工作机理和性能分析;在此基础上,对传感器的有关性能参数进行了优化,以获得理想的传感性能。4.研究了狄拉克半金属材料(BDS)在中红外波段的光学特性,将AlCuFe材料与一维光子晶体结合,构建了基于BDS-DBR结构的可调谐中红外光学生物传感器,仿真结果表明这种传感器具有高灵敏度和超高品质因数等特点。5.基于等效折射率法及多种拟合算法,以水与乙二醇的混合溶液为模拟对象,建立了三种光学生物传感器(分别是基于Au-DBR、石墨烯-DBR和BDS-DBR结构的微纳传感器)共振角度与乙二醇浓度的关系模型,为传感器的实际应用提供了理论参考;将构建的传感器与已报道的最新同类型传感器进行性能对比,结果显示石墨烯或狄拉克半金属材料与光子晶体结合都使传感器性能得到很大提升。因此,我们相信构建的系列光学传感器在生物检测领域具有很大的应用潜力。