传感器器件的集成化和微型化仍然是未来集成光学器件的重要发展方向。光子晶体是指介电常数呈周期性变化的电介质结构,具有光子带隙、光子局域和光子引导等特性。具有微谐振腔的光子晶体检测传感器结构是指尺寸在微米级别的周期性介电结构上去除部分材料而形成微谐振腔,将光引导、局域到微腔中,形成高品质因子,小模式体积的谐振(或下坠)峰,当谐振腔周围环境发生变化时,谐振(或下坠)峰出现偏移,从而计算其环境中参量的变化,达到传感的目的,满足集成光学对传感器器件集成化、微型化的需求。本论文针对光子晶体微谐振腔的生化检测传感性能指标需求,进行了深入的理论和实验研究。本论文的主要研究内容是基于硅在绝缘体上(Silicon-on-insulator,SOI)的一维或二维光子晶体结构,利用光子晶体结构的主要理论分析方法:平面波展开法和时域有限差分法,分析光子晶体结构的基本特性,包括带隙特性和局域特性,研究光子晶体波导与波导,波导与微腔之间的导光和局域特性,设计基于不同微谐振腔结构的一维或二维光子晶体结构,理论研究不同微谐振腔的光场分布特性和透射特性,得出能够用于生化检测传感的一维或二维光子晶体结构。利用制作器件相关仪器:Electron Beam Lithography (EBL),Reactive-ion Etching(RIE),Scanning Electronic Microscopy (SEM)等,实验制作理论设计的一维亚波长光栅结构,其测试结果表明具有良好的传感效果,能为光检测传感领域提供良好的参考价值。本论文的具体研究成果如下:(1)高性能环形(槽)腔光子晶体生化检测(阵列)传感器设计首先,理论设计了一种高品质因子的环形槽光子晶体结构,在该结构中设计了一个环形槽,通过调整环形槽宽度和中心空气孔的尺寸,将光局域在环形槽附近区域,增加光的局域时间和提高光与检测物质相互作用,提升检测传感性能,仿真结果显示其在水环境下品质因子约为104,灵敏度为160nm/RIU。然后,设计了一种高品质因数(FOM)环缺陷光子晶体结构,数值仿真当环缺陷中心只有一个空气孔时,中心空气孔半径从0.2a到0.65a变化,波导宽度从0.9W1到1.02%变化时,计算结果显示,当中心空气孔的半径为0.40a和波导宽度为0.985W1时,获得了最优的品质因子大于107。为了进一步增加光在环缺陷腔内部和低折射率之间的相互作用,增加环缺陷内部空气孔的个数,当环空气孔内部为7个空气孔时,得到最优化的品质因子和灵敏度的乘积,其对应的FOM约为8000,在理论上高于之前报道的光子晶体结构的FOM。最后,基于设计的环形槽光子晶体结构,设计了一种由3个环形槽构成的阵列结构。利用分束原理,将输入波导的光分成3束光耦合到3个环形槽分支中,通过在输出波导监视3个分支的传输透射谱。数值得到了 3个传感器在水环境中的品质因子分别为11029,10153,10669,灵敏度分别为 145.5 nm/RIU,140 nnm/RIU,134 nm/RIU,其3个传感器之间的串扰程度低于-25.8dB。基于以上的设计,在理论上获得了高品质因子,高品质因数和单片光子晶体传感阵列结构,为光子晶体生化检测传感结构设计提供了宝贵的经验。(2)高集成度的一维光子晶体低折射率模式纳米束腔生化检测传感器设计首先,理论设计了一种基于波导渐变的一维光子晶体低折射率纳米束腔结构,从一维纳米束腔的中心元胞向波导两边二次的渐变波导宽度,将中心元胞的低折射率模式局域到两边元胞的禁带范围内,提高了光的局域性和结构的品质因子,同时光被局域到一维纳米束腔的低折射率区域,提高了光与检测物质的相互作用,提高了传感器的灵敏度。仿真结果显示该传感器结构在水环境下的品质因子约为104,灵敏度为390nnm/RIU。然后,提出了一种椭圆孔渐变的一维光子晶体纳米束腔传感器结构,从一维纳米束腔的中心元胞逐渐增大椭圆孔的长轴尺寸,随着元胞单元远离腔中心,元胞的有效折射率逐渐减少,其元胞的禁带范围逐渐向高频平移,将中心元胞的低折射率模式局域到两边元胞的禁带里,提高光的局域性和结构的品质因子,同时中心元胞的低折射率模式被局域到两边元胞的禁带里,提高了检测传感器的灵敏度,仿真结果显示该传感器结构在水环境下的品质因子约为104,灵敏度为244.7 nm/RIU。因其结构在渐变区域只有8个周期,没有任何的镜像部分,其尺寸约为6.4μm×0.85μm。对比其他一维和二维光子晶体传感器,提出的两种传感器结构因具有高的灵敏度,小的尺寸和容易的集成,在生化检测传感领域具有明显的优点,能够为生化检测传感器集成到单片芯片上提供良好的理论支持。(3)提升探测极限的一维光子晶体亚波长光栅谐振腔生化检测传感器设计为了提升亚波长光栅检测传感器的探测极限,在亚波长光栅结构拥有大的光与物质重叠分数和高的灵敏度的情况下,理论和实验设计了一种TM模式的赛道形谐振腔结构。理论上分析了光与物质的相互作用、亚波长总线波导和赛道形波导间的耦合效率,指出了其光与物质的重叠分数随着亚波长光栅柱子的占空比和宽度的减少而增大。在理论仿真结果的基础上,选择了硅柱子占空比为0.7,宽度为600nm,成功制作了该赛道形谐振腔结构,当亚波长光栅赛道形谐振腔结构的总线波导和赛道波导的长度、宽度分别为6.5μm、140nm时,结构拥有高的灵敏度(～429.7nm/RIU)和最佳的品质因子(～9800),得到最低的探测极限为3.71 × 10-4 RIU,低于最新报道的亚波长光栅谐振腔的探测极限的32.5%,能够为生化检测传感领域提供良好的设计方案。