光子晶体纳米梁腔是在一维光子晶体中引入缺陷而形成的一种准周期性结构。其超高的品质因子(Q)、小的模式体积(V)、强光-物质互作用以及结构上的便利性,使得其在光学折射率传感和粒子捕获传感等方面具有突出优势。近年来,由于其优异的材料特性以及与互补金属氧化物半导体加工技术的兼容性,硅材料已经成为低成本、小型化以及高密度集成的光子学中最具前景的材料之一。本文主要基于硅基光子晶体纳米梁腔,研究了其在近红外波段的光学折射率传感和光学捕获传感等方面的应用。首先,本文提出了一种基于绝缘体上硅材料平台的悬浮开缝光子晶体纳米梁腔传感器,并详细介绍了其设计、制备和测试表征。优化后的纳米梁腔可将大部分光能局限在低折射率区(约57%),极大提高了传感性能。通过测量浸泡在不同质量浓度NaCl溶液中的纳米梁腔传感器的光谱响应,测试结果验证了其具有约656 nm/RIU的超高灵敏度,为当前同类型微腔传感器中的最高值。该器件传感区域的总尺寸只有15.6μm×0.64 μm,使其在实现在未来实现高灵敏度与大规模多通道片上传感器方面有重大优势。本文还设计了一种新型的双排亚波长光栅结构波导传感器。利用狭缝效应将大部分光场局限在低折射率区域,我们设计得到的灵敏度约560nm/RIU,比常规亚波长光栅结构波导传感器高出约 100 nm/RIU。此外,本文设计了 一种基于超高Q/V的蝴蝶结形状的光子晶体纳米梁腔粒子捕获装置,基于光力的麦克斯韦应力张量计算模型与三维有限元数值方法,详细分析了其对单纳米颗粒的光学捕获传感性能。该结构具有远远小于同类腔的模式体积与相对应较高的Q值,其对半径仅为3 nm的单个聚苯乙烯纳米粒子的捕获,理论上可以获得最大捕获力为1.2×105 pN/mW,这比之前的结果高出一个数量级以上。此外,计算得到的腔折射率灵敏度约为350nm/RIU,单个纳米颗粒造成的波长扰动为6.5 pm,这为极小尺寸的纳米粒子传感捕获过程提供了一种有效的监测手段。所提出的具有极限光约束和高捕获效率的粒子捕获装置将有助于多功能片上光学单粒子传感/操纵器件的发展。