伴随着微纳光学研究的不断发展,微纳光学器件作为一类重要的现代检测器件已经在工业生产中得到广泛应用。微纳光学器件不仅可以实现对光波的调控,还可用于开发传感器,在化学分析、生物检测、环境监测等领域具有广阔的应用前景。本文针对三种硅基微纳光学器件进行了结构设计与优化,并分析其光调控的原理和传感性能,具体研究内容如下:1.为了实现近场增强和远场的单向性辐射,采用有限元法研究了硅基纳米天线的多极共振模式以及光波的散射特性,阐明硅基纳米天线多模的相互作用与远场散射方向性之间的联系。提出了硅基纳米柱阵列结构,通过改变电偶极子的发射方向实现了TD、MD、MQ的激发,发现多极分解散射谱中共振峰位受纳米柱内径、外径以及高度等参数的影响。提出了可支持多个共振模式的高介电硅空心纳米块结构纳米天线,通过纳米块几何尺寸的优化可以实现远场散射单向性并且远场的方向性高达44.6 d B。2.研究了基于倏逝波激发的表面等离子体共振（SPR）效应,通过设计基于二氧化硅材料的周期性光子晶体光纤（PCF）结构并涂覆等离子体材料使特征光波被吸收,利用特征光谱对介质参数的敏感性设计了三种基于SPR的光子晶体光纤折射率传感器。第一种是结构简单的大空气孔PCF-SPR传感器,该传感器在1.26～1.38的折射率测量范围内,最大波长灵敏度能够达到35000 nm/RIU,最大振幅灵敏度为1120.73 RIU-1,波长和振幅分辨率分别达到2.86×10-6 RIU和8.92×10-6 RIU。为进一步提高传感器性能,采用十重Penrose光子准晶体（PQF）结构设计了偏芯准D型PQF-SPR折射率传感器,该结构有效增强了纤芯模与SPP模之间的耦合,提高了传感灵敏度,同时保持了光纤的机械强度。在1.40～1.44折射率范围内,最大波长灵敏度和平均波长灵敏度分别达到62000 nm/RIU和26500 nm/RIU。最后采用Cryptophane E作为甲烷敏感材料设计了甲烷SPR传感器,采用双面抛磨的六重光子准晶体结构来增强SPR效应,提高了传感器的性能。在甲烷浓度为0～3.5%范围内,该传感器的最大灵敏度达到8 nm/%,平均灵敏度为6.643 nm/%。3.研究了基于二氧化硅材料的倾斜光纤光栅（TFBG）的光谱特性,仿真分析了周期性结构参数光栅栅距、光栅长度、折射率调制深度和倾斜角度等对透射光谱的影响,结果表明透射谱纤芯模谐振峰对外界环境温度和应变敏感,包层模谐振峰对环境折射率的变化敏感,利用TFBG可实现温度、应变和折射率等参数的测量。采用倾角为3.5°,长度为12 mm的TFBG实验测试了温度和折射率传感特性,并利用其对折射率的敏感性开展液位测量,分别测试了60%～80%的甘油溶液在不同液位下的透射光谱,建立了透射光谱的包络面积与液位的关系。实验结果表明,溶液浓度越高液位测量灵敏度越高,该方法可实现液位的准确测量。