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自光子晶体概念提出后，它迅速发展成为一门新的科学。光子晶体除了“光子带隙”和“光子局域”两个基本性质外，还具有多种操控电磁波传播的特性，因此它有着广阔的应用前景，特别是在光子集成、光电集成、光通讯等领域的应用倍受人们关注。光子晶体自准直效应和表面波也是目前科学前沿的研究热点。进一步利用这两个特性设计更多新型的性能优良的光子器件是本文研究的主要工作。
本文中光子晶体器件设计是建立在数值仿真的基础上。该数值实验平台包括平面波展开法和有限时域差分法，文中分别对它们进行了详细介绍。
论文研究的第一个重点是充分利用光子晶体自准直效应的优点设计新型光子器件，包括干涉仪、激光器、光开关。
利用自准直效应最明显的优点——导波功能，结合简单的自准直光束反射技术，我们首先设计一种对称结构的马赫-增特尔(MZ)干涉仪，并利用它研究了自准直光束经过反射和透射后的相位变化，得到了干涉仪单向出射条件。自准直模式能够克服衍射损失，因此它具有较高的品质因子(Q)，利用这一优点并结合自准直光束的反射机制，我们设计了几种不同结构的激光器，包括法布里-波罗(FP)激光器和环形激光器，数值仿真结果展示了它们比相应传统激光器具有优越性，例如低阈值、光束零交叉、反射镜角度不敏感、集成性好等。此外，利用材料的非线性效应对自准直进行调节，我们设计了MZ型和FP腔型亚皮秒超快光开关。
论文研究的第二个重点是利用光子晶体表面波设计新型垂直腔面发射激光器。
经过周期调制的光子晶体表面相当于一个光栅，它把表面波由非辐射模式转变为辐射模式，受到散射的表面波相互之间发生相涨干涉，从而导致垂直表面发射，利用这一机制，我们设计了两种新型垂直腔面发射激光器，第一种是直接调制光子晶体表面构成单表面腔，第二种为基于耦合表面波的背靠背双表面腔，其中只对一个表面调制构成发射腔，另一表面为激射腔。这些新型激光器具有以下优点：开放式的微腔可以有效地避免温度效应，高品质因子，垂直腔面发射，出射光束波阵面非常平坦。这些设计思想也可以用于改善传统发光二极管的性能。
此外，我们还研究了二维光子晶体平板不同结构的色散关系，发现自准直频移相对平板厚度和空气孔半径变化具有不敏感性，并通过数值模拟为自准直实验和进一步的器件设计提供了切实可行的结构参数。