自光子晶体物理概念在上世纪八十年代末提出以来,随着微纳加工制备技术的发展,各种光子晶体器件在理论、实验和应用方面都取得了很大的进展。其中,光子晶体传感器作为一种新型的微纳传感器,由于其典型的高灵敏度、高分辨率、响应迅速、抗干扰、可微型化、可复用以及可集成度高等优势,目前关于光子晶体传感器的研究已成为国内外研究内容的热点之一。与此同时,由于光子晶体的特殊优越特性,光子晶体被认为是未来的光-半导体,因此光子晶体在未来光子集成和集成光路应用方面也是一种首要选择。其中,高集成低功耗高灵敏度微纳集成传感器网络也是未来实现处处感知领域研究的重要内容之一本文的主要研究内容是以二维硅(Si)平板光子晶体为研究对象,利用平面波展开法(Plane wave expansion, PWE)和时域有限差分法(Finite-difference time-domain method, FDTD),以探讨光子晶体波导与微腔的控光特性,即导光特性和局域特性为研究手段,从深入研究基于不同缺陷结构平板光子晶体的能带特性、光场分布特性、导光特性和局域特性出发,重点研究了平板光子晶体波导,光子晶体微腔,及光子晶体波导与微腔集成结构的控光特性、光场传输机制与透射特性,在此基础上,分析研究了多种不同平板光子晶体传感模型的传感机制、传感性能以及在不同传感效应中的实现与应用。本文的研究结果为光子晶体微纳传感器在未来微纳集成传感器网络中的应用研究提供了有效参考,具体包括以下内容：1)光子晶体波导与微腔控光特性理论研究。为了研究光子晶体微腔结构的控光局域特性,本文创新地的提出了一种全新的二维光子晶体慢光耦合谐振腔阵列结构,通过数值模拟仿真研究了该光子晶体谐振腔阵列结构的电光调制特性。在数值模拟中,该光子晶体慢光耦合谐振腔阵列是基于三角晶格柱阵列光子晶体微腔阵列结构实现的,背景介质填充物是具有非线性效应的电光聚合物。当电光调制器两端的电压发生变化时,具有非线性效应的电光聚合物的折射率会发生变化,与此同时光场在光子晶体内的传输特性也会相应的发生变化,因而可以实现对光的传输速率和延迟效应等传输特性的控制。仿真模拟结果表明该光子晶体谐振微腔阵列结构在所有的晶体方向内都存在平坦导模,能够实现超低群速度慢光传输(～10-3c,c是光在真空中.的传播速度),可实现200ps的光延迟；当调制电压从0V增加到0.5V,可实现4.5ps的延迟,波长偏移调制灵敏度高达9.34nm/V。在进一步了解光子晶体微腔控光特性之后,为了更好地了解光子晶体波导控光特性,本文通过数值仿真模拟研究了光子晶体W1波导和槽波导的导光特性,创新性地提出了光子晶体槽波导电光传感器结构。通过比对光子晶体槽波导电光传感器和光子晶体W1波导电光传感器的传感性能,仿真模拟结果表明光子晶体槽波导电光传感器的灵敏度高达87.0nm/V,相对于光子晶体W1波导电光传感器提高了30多倍,Q值提高了6.6倍。传感器的性能参数FOM (Figure of Merit)提高了两个数量级。这表明光子晶体槽波导结构可以有效地提高光与介质的相互作用,进而有效提高传感器的灵敏度。2)光子晶体传感器及集成传感器阵列的传感机制与传感性能理论研究。在研究分析光子晶体波导与微腔控光特性基础上,为了把光子晶体波导导光特性优势与光子晶体微腔局域特性优势集成在一起,本文创新性地提出了一种光子晶体波导与微腔集成结构电光传感器。利用平面波展开法(PWE)和时域有限差分法(FDTD),数值仿真模拟研究了光子晶体波导与微腔集成结构电光传感器的传感器性能。仿真模拟结果表明随着电压数值的变化,透射谱的谐振峰发生偏移,而且谐振峰的偏移量与电压的数值变化量满足线性相关,灵敏度为31.9nm/V。在此基础上,为了提高光子晶体传感器的复用性,提高光子晶体微纳传感器的集成度,本文创新性地提出了一种全新的光子晶体微纳集成级联传感器阵列结构。该集成传感器阵列是由单一光子晶体W1波导与光子晶体耦合谐振腔阵列构成。通过数值模拟仿真,发现不同结构参数大小的谐振腔在透射谱中可以产生不同位置的谐振波长；而且当多个耦合谐振腔级联在一起时,在透射谱中会得到多个不同位置的谐振峰；随着传感器周围折射率的变化,彼此之间相互独立,互不影响。仿真结果表明,优化设计耦合谐振腔在透射谱中可以产生消光比大于20dB的谐振峰；传感器阵列的折射率灵敏度～100nm/RIU,折射率检测分辨率高达8.65×10-5。为进一步提升光子晶体微纳集成传感器阵列的性能,减小传感器单元之间的串扰,同时提高传感器的集成度,本文进一步创新性地提出了一种设计灵活的光子晶体微纳集成并联传感器阵列,研究分析了优化结构光子晶体传感器阵列中传感器单元之间的串扰,数值仿真结果表明,优化结构光子晶体集成传感器阵列在提高光子晶体传感器集成度的同时能有效地抑制传感器单元之间的串扰。3)高性能光子晶体微纳集成传感器的实验制作与性能测试。为进一步提升光子晶体微纳传感器的性能参数FOM,本文创新性地设计提出了一种全新的高性能光子晶体波导微腔集成结构传感器,该传感器由多束光子晶体纳米束微腔通过并行排列的方式构成。首先通过利用三维时域有限差分法,完成了该高性能光子晶体传感器的结构设计和传感性能的数值分析。仿真结果表明该光子晶体传感器在通信波段(～1550nm)附近不考虑水吸收的前提下,Q值可实现>107,折射率灵敏度高达810nm/RIU,到目前为止,该结构是首次被提出能够同时实现高Q值和高灵敏度。在此基础上,本文通过实际制作相应的光子晶体传感器器件,通过实验测试,完成实验验证。实验结果发现,该光子晶体波导微腔集成传感器的折射率灵敏度是451nm/RIU,水环境下通信波段的Q值大于7000,传感性能参数FOM大于2000,相对于本文其它的光子晶体传感器的性能参数提升了一个数量级。此外,在蛋白质分子检测过程中,该光子晶体传感器可以实现PBS溶液(phosphate buffered saline solution)中浓度为10ag/ml的蛋白质分子(Streptavidin)的检测。4)除上述内容之外,通过数值仿真模拟,本文还介绍了光子晶体在微位移传感器和压力传感器领域的应用与研究。创新性地提出了光子晶体槽波导微位移传感器,数值仿真结果表明该光子晶体槽波导微位移传感器的灵敏度S=1.0a-1(a为晶格常数)。此外,创新性地提出了光子晶体微机械压力传感器和相应的集成传感器阵列,仿真结果表明该光子晶体压力传感器的灵敏度S=0.50nm/nN,可检测压力分辨率为0.68nN。