光学微腔是一种微米或亚微米量级的谐振腔,可将光子局域在极小空间区域中,有效减小光学腔的尺寸,增强光与物质的相互作用,被广泛应用于环境监测、生物化学/物理传感、医疗诊断等方面。常用的光学微腔可以分为法布里-珀罗（Fabry Perot,FP）微腔、光子晶体（Photonics Crystal,PhC）微腔、回音壁模式（Whispering Gallery Mode,WGM）微腔。其中,回音壁模式光学微腔因其超高品质因子,较小模式体积和超低检测极限（可达单分子水平）被广泛应用在光学传感、调控以及非线性光学等研究领域。到目前为止,多种几何结构的WGM光学微腔已被广泛研究,如微球腔、微环腔、微泡腔等。本文基于回音壁模式光学微泡腔提出双回音壁模式光谱自参考技术实现了温敏聚合物的相变动力学研究;另一方面,将二维材料和回音壁微腔结合,提出了一种全新结构的石墨烯辅助的可调谐微泡腔谐振器。本文主要内容分为以下三个部分:第一、回音壁微泡腔的制备以及耦合系统的搭建回音壁模式光学微泡腔的制备以及耦合测试系统的搭建是实现微泡腔应用研究的基础。本文基于热拉法利用氢焰机和二氧化碳激光器,制备了高效率耦合器件单模光纤锥以及高品质因子微泡腔。实验上,为实现光学微腔传感应用,利用三维纳米平移台搭建了光纤锥和微泡腔的耦合测试平台。第二、基于回音壁微泡腔PNIPA的研究实验上,制备高品质因子（>107）回音壁微泡腔,搭建传感测试系统,将温敏聚合物—PNIPA溶液通过微流管注入微泡腔。首次提出自参考光谱技术研究PNIPA的相变动力学。在实验中,采用光加热的方式精确控制PNIPA的相变过程,所采用的加热光波长为1550 nm,探测光波长为780 nm。本研究利用所提出的自参考光谱技术,成功地从微泡腔的透射谱中解码出相变过程中PNIPA的折射率信息和温度信息。在实时测量中,首次观察到PNIPA折射率在不可逆相变循环中的迟滞现象,揭示了相变循环过程中的热量耗散。此外,在热平衡条件下,发现PNIPA的折射率随加热功率的变化呈现经典的玻尔兹曼分布,并显示出相变的阈值。本研究可以进一步扩展到其他材料,对探索新型动态生化过程具有重要意义。第三、回音壁模式的热调谐将二维材料与回音壁微腔结合,系统研究了回音壁微腔的可调特性,提出了一种全新结构的石墨烯辅助的可调谐微泡腔谐振器。依据热量传递基本原理,在仿真工具COMSOL中建立石墨烯-微泡腔调控器件三维模型,利用有限元法进行了数值仿真,详细研究了石墨烯-微泡腔调控器件的在空腔状态和填充水溶液状态下的调控范围、调控速度等性能参数。当电流从0 mA变化至1mA时,空腔状态下其调谐范围为～3.09nm,90%上升时间为～14.0ms;填充水的状态下其调谐范围可达～3.19nm,90%上升时间约为～14.5ms。本文所提出的石墨烯-微泡腔混合集成器件为实现可调谐微腔激光生物传感提供了理想平台。