片上微纳光学传感器具有低探测限、高灵敏度、实时检测、无需荧光标记等优点,广泛应用于疾病诊断、食品安全、传染病防控等领域。这类传感器将受到的微弱折射率扰动转化为易于检测的波长移动等信号。然而,大部分基于波长移动的片上微纳光学传感器易受外界环境干扰,诸如温度与外部的折射率扰动等,难以实现高精度的检测。针对该问题,本论文设计了一种亚波长光栅微环谐振器,通过微环中的模式分裂效应形成自参考检测。分裂的模式处在同一背景环境中,经历同样的噪声,从而避免了温度等噪声的影响,可以同时实现高灵敏度和高信噪比的检测。有效地解决了高灵敏度传感器需要精密的测试环境控制系统,导致测试系统过于昂贵和笨重的问题,对今后片上微纳光学传感器的广泛应用带来了可行的方案。模式分裂产生于微环谐振器中逆时针传播的模式（Counterclockwise,CCW）和顺时针传播的模式（Clockwise,CW）的耦合,耦合强度与环内反射相关。为了解释亚波长光栅微环中的模式分裂,建立了含有内部反射器的微环谐振器理论模型。为了完善理论模型,考虑了四端口定向耦合器的对模式分裂的影响。利用传输矩阵以及传播常数的积分形式计算得到亚波长光栅波导中的反射,分析了亚波长光栅波导中的反射对亚波长光栅微环模式分裂的调控作用。为了验证理论模型的有效性,采用二维时域有限差分（2D-Finite-DifferenceTime-Domain,FDTD）模拟了亚波长光栅微环的模式分裂效应与传感性能。仿真结果表明,亚波长光栅微环最大折射率灵敏度为713 nm/RIU。在生物传感方面,利用亚波长光栅微环的模式分裂检测生物分子层的厚度,最大自参考灵敏度达到21 pm/nm,温度串扰小于5%。证明了亚波长光栅微环模式分裂是温度不灵敏度的。同时利用理论模型分析了生物分子层厚度对模式分裂的影响,其变化趋势与仿真结果吻合,体现出两种方法的一致性。基于上述仿真结果,设计了梯形硅柱结构的亚波长光栅微环谐振器,并进行微纳加工制作,对亚波长光栅微环的模式分裂现象进行了实验验证。在实验上观测到模式分裂的现象,测试所加工的亚波长光栅微环的折射率灵敏度为459 nm/RIU,模式分裂随折射率变化的自参考灵敏度为4.89 nm/RIU。随温度变化的自参考灵敏度为-0.94 pm/K,而基于波长的移动的温度灵敏度是此结果的74倍,从实验上验证了亚波长光栅微环传感器是温度不敏感的。本论文提出的基于模式分裂的亚波长光栅微环传感器,提供了一种解决传统的基于波长移动传感器易受温度等环境扰动问题的方法,为今后实现高精度、高灵敏度的生物传感提供了参考意义。