具有超高品质因子的光学微腔是构造各种集成光子器件的重要组件，以光子晶体微腔为基础的混合微腔为实现强烈的光和物质相互作用提供了一个新颖的平台，在腔量子电动力学、集成单光子源、量子计算等方面都具有十分广阔的应用前景。本文基于双异质结构光子晶体微腔，结合蝶形金纳米天线等离激元结构，设计实现了一种可见光波段的新型光子-等离激元混合微腔，并通过改变蝶形金纳米天线的间隙、角度、长度、厚度、相对位置等结构参数，利用三维时域有限差分法研究了等离激元纳米结构对混合腔的品质因子、有效模式体积、品质因数的调控规律，模拟结果显示，混合腔的有效模式体积和品质因数分别始终稳定在10^-6（λ/n）³和10⁸（λ/n）^-3数量级，最佳品质因数值可达5.730689×10⁸（λ/n）^-3，优于其他类型的微腔。

近些年来，涡旋光束特有的相位结构和携带轨道角动量（OAM）特性，使其在光通信、光操纵、成像、传感到量子信息等领域具有广泛的应用前景。但这些应用都必须依赖于高质量涡旋光束的产生，因此光学微腔凭借自身结构紧凑、品质因子高、元件体积小等优点，研制出的新型集成光学器件能够发射出高质量涡旋光束，在现代光电子器件制造中占据十分重要的地位。综述了光学微腔产生OAM光束的原理、研究进展、设计方案以及实验生成，同时对已有的OAM激光器性能进行分析，最后对集成光学器件应用领域面临的挑战和进一步改进方向进行展望。

从矩形空气孔光子晶体平板的研究入手，设计了一种新型的正方形空气孔L3型光子晶体平板微腔。采用有限时域差分法，计算了正方形空气孔L3型光子晶体微腔的Q值、模体积及谐振频率；讨论了正方形空气孔边长对微腔Q值、模体积及谐振频率的影响。对L3型光子晶体平板微腔进行了优化，设计出了Q值为27719、模体积为0.4361(λ/n)3、谐振波长为1543 nm的正方形空气孔的L3型光子晶体平板微腔。该L3型光子晶体平板微腔的Purcell因子高达4767。

设计了一种二维液晶调制光子晶体微腔光衰减器。两条二维三角晶格空气孔光子晶体波导由一个光子晶体微腔连接, 在微腔的点缺陷中填充苯乙炔类液晶。通过施加不同电压, 电场诱导液晶取向以改变液晶的折射率, 从而改变光子晶体微腔的谐振波长, 进而实现光传播强度调节。运用时域有限差分方法和平面波展开法分析了二维液晶调制光子晶体微腔光衰减器的光学特性。数值计算结果表明: 对于1.55 μm通信波段, 通过外界电场控制所填充的向列相液晶的方向可以对这种二维液晶调制光子晶体微腔光衰减器实现3.40%～99.58%的可调谐光输出。

二维平板光子晶体微腔在垂直于平板方向上存在辐射损耗, 使得微腔品质因数不够大, 限制了其应用。结合光子晶体微腔损耗的傅里叶分析, 采用调整腔模空间分布的方法, 减少了波矢在辐射泄漏区域的分布, 进而降低了腔损耗, 实现了微腔品质因数的优化。针对L3 型二维光晶体微腔的结构设计, 对具体的L3 型光子晶体微腔优化进行了数值仿真, 仿真结果表明微腔品质因数得到了极大的提高, 验证了光子晶体微腔品质因数优化方法的有效性。

通过平面波展开法对二维点缺陷三角晶格光子晶体的微腔结构进行研究,计算得出其色散图以及缺陷模分布。结果表明：缺陷模波长与微腔谐振波长基本吻合。利用FDTD模拟谐振波长波段的电磁波在光子晶体中传播的动态演化过程,并计算出局域模的空间分布图。最后在有规律地改变缺陷周围介质柱半径的情况下实现谐振中心波长的可调性。

利用平面波展开法对由硅(Si)介质柱构成的二维正方晶格光子晶体在TM模式下的能带进行计算。构造了光子晶体微腔,利用时域有限差分法对该光子晶体微腔的谐振特性进行了数值模拟,得到了缺陷态模场分布。考虑硅的热膨胀效应和热光效应对硅性质的影响,引入到光子晶体微腔谐振模式的计算中,模拟计算了微腔谐振波长随温度的变化关系。结果表明,随着温度的升高光子晶体微腔的谐振波长增大,温度每升高1 ℃,波长向长波漂移6.7 pm,而且具有良好的线性。光子晶体微腔的这种特性可以用于温度传感,具有一定的实用意义。

为了研究光子晶体的光局域特性,采用传输矩阵法计算了1维缺陷光子晶体微腔中缺陷模的局域场强分布,建立了相对局域化长度的概念,它表征光子局域程度的强弱,局域化长度越小,光子局域程度越强,反之亦然。结果表明,缺陷层两侧排列为高折射率介质层的结构局域光的能力比两侧为低折射率介质层的强;考察前一种结构,且满足共振布喇格散射条件或共振米散射条件范围时,相对局域化长度可获得较小值。