目前,传统传感器已经逐渐不能满足各行各业小型化、集成化、抗干扰的需求,因此,高性能传感器的研制已成为大国角力的前沿阵地。“片上实验室”概念的提出使得集成光学进一步成为研究热点,集成光学传感器也引起国内外研究者的极大兴趣。作为集成光学的经典结构,微环谐振腔具有结构紧凑、插入损耗小、串扰低等优点,其特殊的“回廊壁模式”使光场在波导内传播的有效长度远大于实际波导长度。受益于上述特性,高灵敏度、高集成度的微环谐振腔型传感器得到大量报道。与此同时,要进一步提升微环传感器的性能往往需要增大器件尺寸。因此,研究高性能、小尺寸的微环传感器具有重要意义。本文的目的是在不增大器件尺寸的前提下,提升微环传感器的消光比以及灵敏度。本文在分析平面光波导理论、微环谐振腔理论的基础上,结合耦合模理论、传输矩阵法提出了嵌套双环的传输结构,设计了基于绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator,SOI)材料的嵌套双环型传感器。通过波导截面尺寸,内外环耦合长度、耦合间隔等参数的设计及优化,来提升传感器的消光比和灵敏度。基于CMOS工艺,制备出了SOI嵌套双环型传感器。受益于嵌套双环结构以及SOI材料的优势,芯片有效尺寸仅为15μm×10μm。测试结果显示,器件消光比达到30 dB左右,灵敏度达到157.16 nm/RIU,检测极限为6.4×10~-55 RIU,实验与模拟结果基本吻合。为了进一步提升传感器的灵敏度,本文基于游标效应,提出了一种新型级联嵌套双环传感器设计。考虑到研制周期和制作成本问题,该级联嵌套双环传感器采用易加工的聚合物材料及相应加工工艺实现。通过对光谱包络线形的特性分析,就引入嵌套双环对级联结构的性能提升进行了充分讨论,并对级联结构的尺寸进行设计和优化。基于传统微加工工艺,包括匀胶、镀铝、光刻、刻蚀、切割抛光等工序,成功制备出了基于聚合物的级联嵌套双环传感器。实验结果显示,器件灵敏度达到338.96 nm/RIU,检测极限为3.0×10~-55 RIU,实验与模拟结果基本吻合。