时域耦合模理论是研制很多光子晶体功能器件（如超快双稳开关，全光二极管等）的重要理论基础。随着研究的不断深入，人们发现标准时域耦合模理论已不能对一些实验现象和器件设计作出合理的解释和精确的指导。本论文对时域耦合模理论及其应用进行了较为深入的研究，论文的主要工作和创新点如下：　　 （1）基于改进的耦合模理论建立了硅基光子晶体芯片中双光子吸收效应及其作用机制的物理模型，在此基础上研究了双光子吸收效应对光子晶体双稳开关特性的影响，发现双光子吸收效应将随频率失谐量的增大而加强，尤其是在峰值透射率处，双光子吸收损耗将急剧增大，这导致了峰值透射率随着频率失谐量的增大而单调递减。我们还发现，随着入射光功率的增加，反射谱的中心波长将向长波方向飘移，并且谱线形状变得不对称。此外，还对双光子吸收引起的热光效应对微腔材料温度的影响以及由此引起的折射率变化进行了计算。　　 （2）提出了在泵浦光激励下，由动态非线性Kerr效应导致的“腔模移动诱导损耗”的概念，并将其引入到耦合模方程中，建立了一个简单有效的模型来描述腔模移动诱导损耗对非线性微腔透射、反射以及频谱特性的影响。并指出，这种新型损耗效应广泛地存在于各类非线性光子晶体器件中，并具有与双光子吸收效应非常类似的特性。我们的研究表明，在一个高非线性的光子晶体微腔中，腔模移动诱导损耗效应将可超过双光子吸收效应而成为决定光子器件性能的另一重要因素。　　 （3）对光子晶体双稳开关的阈值泵浦条件进行了系统的研究，建立了光子晶体双稳开关的含时演化方程，并由此导出了实现双稳跳变所需的控制光阈值功率和阈值时间条件。我们发现，当入射光频率失谐量增大时，为实现双稳跳变所需的控制光阈值泵浦功率也随之增加，而与之相应的阈值泵浦时间却随之下降。最后，我们将连续波单束控制光泵浦时的阈值功率和阈值时间条件推广到连续波集束控制光泵浦以及脉冲控制光泵浦时的情形，从而建立了双稳开关阈值条件的较为完整的理论。所得理论预期结果为FDTD仿真计算所精确证实。　　 （4）通过建立单模和多模谐振理论，发现了适当频率范围内的单频激光入射到线性光子晶体微腔中可以激发出新频率（腔模谐振频率）的现象，并找到了如何将光子能量从入射光高效地转移到新频光的方法，从而对“只有非线性才能产生新频率”的传统观点提出了挑战。我们还发现了腔模谐振频率的分裂现象，指出它是由缺陷腔间的耦合效应所引起的，并提出了如何减少这种频率分裂的方法，以获得更为稳定的激光输出。　　 （5）作为时域耦合模理论的重要补充，我们还尝试使用量子力学的方法，探讨光子晶体量子阱的周期性边界微扰问题。并通过一种数学变换，将该问题与基于Schrodinger方程的量子阱边界周期性微扰问题联系起来。通过对后者的求解，发现阱中粒子将与微振动阱壁间交换能量，且其最小能量单元具有谐振子的形式。所采用的方法和技术可以自然地推广到势阱双壁扰动的情形以及光量子阱边界（或阱内材料折射率）周期性微扰的情形。