全光信号处理依赖于较强的光学非线性过程，而通常情况下的非线性效应非常微弱，需要足够大的入射功率、互作用长度或二者兼而有之，但系统的集成化和小型化又要求尽可能地减小二者。目前有两种途径可以弥补：一是选择非线性极化率高的材料，二是通过结构设计优化非线性过程。其中结构优化又包括在有限小的空间提高光场的分布和减小波矢失配。光子晶体特别是缺陷光子晶体的出现，为此提供了广阔的发展空间。我们知道，光子晶体最本质的特征是光子带隙的存在。通过适当地掺杂，可以在光子晶体带隙中引入缺陷态，实现强Anderson光子局域，从而提高光场分布，达到降低入射源功率或泵浦光阈值的目的。本文在前人已有的工作基础上，基于Bragg散射和F—P腔共振条件，提出了自己的结构设想，构建了一类一维的单缺陷双局域非线性光子晶体，用于增强二次谐波产生或光学参量振荡，获得了如下研究成果： (1)对于增强二次谐波产生问题，人们大多试图将基波调节至带边或局域模式，虽起到一定的优化作用，但带边模式情形需要严格满足波矢匹配条件，基波的单独局域也未能充分利用缺陷层可以产生强局域的优势。本文通过引入单一的缺陷层，在缺陷处同时实现了基波和谐波的强局域。Shooting法的数值计算结果表明，这样的缺陷光子晶体，在入射基波的功率密度仅相当于连续光激光器输出水平的情况下，便可以获得非常高的二次谐波转换效率，且由于结构的镜面对成性，最高转换效率为50％。 (2)这类单缺陷非线性光子晶体，还可以被设计成双共振光学参量振荡器。在这样的光子晶体中，信号光和闲置光同时在缺陷层中局域放大，而泵浦光处于带边模式。Shooting法的数值计算结果表明，这样的光子晶体光学参量振荡器具有低阈值和高效率的双重显著特征。 (3)在对光子晶体的理论分析方法方面，取得了两项成果：一是用等效F-P腔模型，解析地给出了局域模的物理图像。二是首次将Shooting法发展运用到光子晶体非线性过程的求解中。由于光子晶体中多重散射的存在，其非线性过程的求解远比均—材料的情况复杂。现有的解法，如传输矩阵法、格林函数方法等，需要满足小信号近似，而Shooting法既适用于小信号情形，也适用于耗散情形。左手材料及表面极化激元是本文研究的另一项课题。在p偏振模式下，金属亚波长周期栅中的耦合表面等离激元，以及波导共振模式对增强透射带了非凡的意义；同时，介电/左手材料界面在p偏振和s偏振模式下均可以激发表面极化激元。 (4)探讨了左手材料亚波长周期栅结构中的电磁波传输问题。这部分的主要成果有：①左手材料中负介电系数和负磁导率的同时存在，引起了传统时域有限差分公式在界面的发散问题，本文对这此做了相应的修改，并首次将严格耦合波理论应用到左手材料栅的计算中。②用严格耦合波理论和时域有限差分方法，研究了左手材料亚波长周期栅结构中的电磁波传输问题。分p偏振和s偏振两种情况，讨论了透射峰与结构参数的关系、表面极化激元模式的耦合，以及由结构的周期性引起的模式劈裂等问题。总结出共振透射峰的机制，并将其归结为两类：一是入射和出射界面产生的表面极化激元的耦合；二是周期栅结构造成的波导或准波导共振。