传感技术是自动控制技术、信息技术和自动检测技术不可缺少的组成部分之一。传统的电子传感器件往往体积较大,而且在电磁干扰等恶劣环境下并不能胜任,这就为以光波导为媒体、光作为载体的光学传感技术的发展提供了契机。随着人们对传感器件微型化、集成化等要求的不断提高,“片上实验室”的概念被提出,利用光波导表面的消逝场感知外界环境变化的微型光学传感器件成为研究热点,尤其是具有高Q值、低成本的微环谐振器在传感应用方面的研究备受关注。目前,微环谐振器在温度、折射率、加速度等方面的传感研究被大量报道,然而如何提高微环传感器探测灵敏度和测量范围仍然是微环传感系统尚未得到很好解决的问题。本文围绕着这两类重要问题,展开了相关理论和实验的研究,具体内容包括以下几个方面:针对传统微环谐振器存在波长不可调谐、自由频谱范围(FSR)较小和结构不灵活等问题,提出了一种带有相位调制器的双输入微环谐振结构。首先采用传输矩阵法计算双输入微环谐振器的传递函数,并在此基础上分析该谐振结构的传输特性,给出了临界耦合条件。通过讨论两个输入端口的相位差与微环谐振特性的关系,证实该双输入微环谐振器与具有相同结构参数的传统单微环谐振器相比,可实现大FSR和谐振波长在一定范围内的可调谐,为进一步研究微环传感器测量范围的拓宽奠定基础。为了提高微环传感器的测量范围,分析了U型反馈微环谐振器分别在弱耦合和强耦合条件下的传输特性,并在此基础上,研究了U型反馈微环谐振器整体和局部分别感温的传感特性,证实在弱耦合条件下,当反馈波导的长度是微环谐振器环长的整数倍并且微环与U型反馈波导同时感温时,光谱整体发生规则性漂移,无伪模现象出现,与传统单微环谐振结构相比,可提高系统温度测量范围。实验上,搭建了制作微纳光纤与光纤微环谐振器的实验平台,并成功拉制满足实验条件的微纳光纤,制作了不同半径的光纤单微环谐振器。在此基础上,制作了光纤U型反馈微环谐振器,实验结果表明该结构适用于大FSR微环谐振器设计。同时,通过改进耦合区域结构,制作了类跑道光纤微环谐振器,与具有相同结构参数的Knot型微环谐振器相比,类跑道光纤微环谐振器具有更强的稳定性,并且能够通过对耦合区长度的调整,使系统更加接近临界耦合状态,产生具有更高品质因子和消光比的输出谱线,当采用强度检测法进行传感时,具有更大的探测灵敏度。进一步将微环谐振器与马赫-曾德尔干涉仪相结合,研究两种不同复合结构的传输特性。首先,基于单微环谐振器与马赫-曾德尔干涉仪相耦合可以产生非对称Fano线型的特性,分析了将U型反馈微环谐振器耦合成为马赫-曾德尔干涉仪传感臂的结构在不同谐振情况下的传输特性,得出当反馈波导长度为微环周长3倍并且在参考臂不设置相位调制器的情况下,利用U型反馈微环谐振器具有谐振波长可调的性质,通过调整透射系数,可在两端谐振点处产生最陡峭的Fano线型,当采用强度检测法进行传感时,具有高探测灵敏度的传感特性;其次,将微环与马赫-曾德尔干涉仪相串联,并利用微纳光纤制作了该结构器件,实验结果表明,该结构可以使干涉特性和谐振特性有效相结合,在一定程度上提高了谱线深度。本文通过对微环谐振器的理论和实验研究,充分证明所提出的几种微环结构能够有效改善传统微环谐振器的传感性能,并对微环谐振器的优化设计提供了新的思路和方法。