光子晶体和周期介质波导是设计和制作光子器件的新型结构。基于这两种结构的各种光子器件凭借超高的结构紧凑度和优越的传输性能已经成为集成光子学领域的研究热点之一。单晶硅材料则是在光电子集成器件中一直有着重要应用的常规半导体材料，其透明波段恰为研究者们广泛关注的光纤通信波段（C波段）和太赫兹波段，因此基于硅光子晶体和周期介质波导的无源光子器件在这两个波段都有着重要的应用价值，国际上对于这方面的设计、制作和应用等研究工作已广泛展开，并在短时间内取得了丰硕的研究成果。尽管如此，人们在基于硅光子晶体和周期介质波导的器件设计和应用方面仍面临一些挑战，例如降低器件结构的复杂程度、突破器件结构受晶格方向的限制、提高器件工作带宽、调节器件工作波长、以及光波波段传输行为在太赫兹波段的适用性等。因此，本论文将主要针对这几个问题研究几种基于硅二维光子晶体和周期介质波导的无源器件，通过模型搭建、物理分析和数值模拟/计算的方法进行器件的设计和优化。 本论文主要有如下四点创新： ■利用将拐角部分弧形化的方法提出并研究了三种基于硅二维光子晶体的波导弯曲互连结构，在尽量小的结构空间内使得波导弯曲更为平滑，最大程度地减小光波在波导弯曲结构中传播时所经历的传播环境变化或传输性质改变，减小弯曲损耗，提高传输效率和高传输带宽。 首先，提出并研究一种圆弧形的硅柱型二维光子晶体波导弯曲互连结构。该波导弯曲结构改变了拐角处的光子晶体晶格布局，使其按照圆弧形状排列，不仅能够实现从0°到180°多种不同角度的波导弯曲，而且在整个光子带隙频率范围都能够获得98％以上的传输效率。其次，提出并研究一种工作于光通信波段（1.55μm附近），结构紧凑且简单的空气孔型硅平板二维光子晶体波导弯曲结构。在波导弯曲的拐角处引入一个圆弧形空气槽，不仅能够减小弯曲损耗、增大高传输带宽，而且该方法能够同时适用于60°和120°波导弯曲。最后，将在空气孔型硅平板二维光子晶体中波导弯曲结构嵌入圆弧形空气槽这一应用进行拓展，设计不受晶格方向限制的任意角度硅平板二维光子晶体波导弯曲，实现平板内光子器件的任意角度弯曲互连。 ■进行硅柱型二维光子晶体波导交叉互连结构的设计和优化研究。在波导交叉结构的连接处引入一个正方形微腔结构，并通过嵌入硅柱型二维光子晶体线缺陷中的直条介质波导结构改善微腔的谐振及其与波导的耦合效果，使该波导交叉结构可以在较大的频率范围内达到高传输、低串扰的传输要求。 在将波导交叉结构建立在利用谐振腔结构的模型基础上，确定了在这一波导交叉结构中获得高传输、低串扰带宽所需的条件。将线缺陷波导替换为嵌入硅柱型二维光子晶体线缺陷的直条硅波导，并通过计算确定了二维光子晶体和直条硅波导的结构参数，保证这种结构的波导能够在光子带隙频率范围内获得较大的单模传输频带。在波导交叉结构的中心放置截面为正方形的长方体硅柱作为微腔结构，并确定正方形微腔的相关结构参数的最佳值。这种波导交叉结构可以有效地减小串扰和各种损耗，获得较大的高传输带宽和低串扰带，较好地实现光波信号的交叉传输。 ■利用硅二维光子晶体构建太赫兹多模波导模型，通过理论推导和模拟计算来研究太赫兹波在硅二维光子晶体多模波导中的多模干涉效应和自成像原理，验证其在太赫兹波段的适用性；在计算出太赫兹波自成像位置的基础上设计并制作基于多模干涉效应及自成像原理工作的太赫兹滤波器和分束器。 选用单晶硅作为介质构建了两种用于太赫兹波段的二维光子晶体结构，并在此基础上构建了相应的对称型太赫兹多模波导模型。通过理论推导和模拟计算研究了太赫兹波在硅二维光子晶体多模波导中的对称型多模干涉效应及自成像原理，验证其在太赫兹波段的适用性，并得到了成像条件和成像位置。在计算出自成像位置的基础上设计出基于自成像原理工作的太赫兹滤波器和分束器。通过模拟和计算对两种太赫兹无源器件进行了性能预测，结果表明器件性能较好。通过对所设计的器件模型进行结构及参数的适当调整，利用在单晶硅片上进行电感耦合等离子刻蚀工艺制作了这两种太赫兹器件。 ■通过引入一段半径较小的缺陷部分构成一种基于硅周期介质波导的Fabry—Pérot微腔，通过移动缺陷部分能够达到调节微腔谐振波长的效果，且谐振波长调节过程中微腔品质因数（Q值）几乎维持一个定值。 通过在硅周期介质波导中引入一小段缺陷波导作为异质结构的方法构建了一种Fabry—Pérot型微腔，Q值的计算结果约为1000。研究了移动缺陷部分对微腔谐振波长和相应Q值的影响，结果表明随着缺陷长度的增大，微腔的谐振波长发生红移，而对应的Q值则在谐振波长红移的整个过程中几乎维持定值；谐振波长随缺陷长度的变化曲线符合一个二次函数曲线。这种微腔可以在维持恒定Q值的情况下通过横移缺陷硅柱这一简单的方法对谐振波长进行调节。