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光子集成技术是光子学中最前沿和最有前途的研究领域之一,并且将成为未来高速率和大容量信息网络体系的重要技术,与传统的分立光电光（Optical-Electrical-Optical,OEO）器件相比,光子集成器件由于更加紧凑的器件结构和优良的传输性能而具有更加广阔的应用前景。在光子集成技术产业化的发展过程中,如何将多个不同功能的光子器件集成在不同材料的多个薄膜介质层上、如何提高芯片集成度和芯片性能、降低封装技术和批量生产的成本以及提高光子集成芯片的稳定性等问题是目前制约其发展和应用的关键因素。然而,硅光子学（Silicon Photonics）的惊人研究进展和巨大应用潜力为光子集成产业的进一步发展提供了巨大的推动力。基于绝缘体上硅（Silicon on Insulator, SOI）的微纳结构光学谐振腔结构是各种光电和光子器件的基本结构,具有很高的品质因数,能够实现高集成度和高灵敏度的传感器。本文研究了基于微纳结构光学谐振腔的传感技术,并研究了其在生化传感中的潜在应用,主要研究内容和取得的成果如下:1、研究了不同半径、不同回音壁模式（Whispering Gallery Mode,WGM）硅基微纳结构谐振腔的透射谱和相位响应。随着微环半径的增大,相邻谐振模式的临界耦合间距Wgap越接近,同一谐振模式的Q值也越大。随着Wgap的变化,微环谐振腔的耦合状态可分为:过耦合状态、临界耦合状态和欠耦合状态。谐振模式的阶数m越大,其对应的Q值就越大;相同m谐振模式的Q值随Wgap的增大逐渐增大。由于器件材料和待测样品的热光系数（thermal-optic coefficient,TOC）和热膨胀系数（thermal expansion coefficient,TEC）的影响硅基微纳结构谐振腔容易受到温度的影响,解决温度影响的方案主要分为无热化和温度控制两类。2、研究了角向光栅微环谐振腔（angular grating-microring resonator,AG-MRR）的传输特性和双向耦合特性,利用有效折射率法（effective-index method,EIM）分析了角向光栅结构对微环谐振腔谐振模式的选择特性。利用角向光栅的选择作用,使角AG-MRR的准FSR达到50.2nm,从而有效地增大了传感的测量范围。由于AG-MRR的尺寸能做的很小,容易集成,AG-MRR为光子集成传感器的实现提供了一种可行的方案,并且能够实现超大测量范围传感。3、研究了微盘谐振腔WGM （0,36）和WGM （1,28）模式的传输特性、耦合状态以及波导灵敏度。提出了用微盘谐振腔的两个WGM模式进行折射率（refractive index, RI）和温度双参数测量的方案。利用传感特性矩阵建立了 RI和温度的变化量与WGM （1,28）和WGM （0, 36）模式谐振波长的变化量之间的关系,从而实现RI和温度的双参数测量。4、在微盘谐振腔上增加负TOC的聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate,PMMA）层形成双层介质微盘谐振腔结构,研究了不同聚合物层厚度和不同聚合物材料的折射率和温度传感特性。研究表明,TE01模式的折射率传感灵敏度低于TM01模式,但是TE01模式的温度传感灵敏度高于TM01模式。增加负TOC材料后会减小微盘谐振腔温度传感的灵敏度,而且其减小量随聚合物层厚度的增大而增大。当厚度增大到110 nm后,其减小量逐渐变小,同时折射率传感灵敏度也有相似的变化规律。利用TE01模式进行传感能够获得较低的折射率灵敏度和较高的温度灵敏度,而利用TM01模式进行传感能够获得较高的折射率灵敏度和较低的温度灵敏度。负TOC的聚合物层对微盘谐振腔起到了温度补偿的作用,而且对TM01模式的温度补偿作用大于TE01模式。5、研究了表面等离子体（surface plasmon polaritons,SPPs）的局域增强效应对光与物质相互作用的影响,提出了利用双层介质加载表面等离子体（two-layer dielectric loaded surface plasmon polaritons,TDLSPPs）微环谐振腔结构进行生物化学传感的方案。通过对TDLSPPs波导的有效折射率、传播距离和波导灵敏度的优化分析表明:在兼顾传播长度和波导灵敏度的情况下t2和t分别选择700nm和280nm,此时TDLSPPs波导的传输距离可达到126 μm,这是介质加载表面等离子体（dielectric loaded surface plasmon polaritons, DLSPPs）波导的3倍。TDLSPPs微环谐振腔的Q值和ER分别为541.2和12.2 dB。利用TDLSPPs微环谐振腔进行葡萄糖溶液检测时的折射率灵敏度为408.7nm/RIU（是普通微环谐振腔的6倍左右）,检测极限（detection limit, DL）为2.13×10-4RIU;进行化学气体检测时的折射率灵敏度为260 nm/RIU,检测极限为6.97×10-5RIU。本文对微纳结构微环谐振腔传感技术的研究为其在硅基光子集成中的应用打下了一定的研究基础,为实现高集成度和高灵敏度的生物化学传感器研究开拓了领域,对于实现Lab-on-chip具有一定的指导意义,在体外诊断（In-vitro Diagnostic,IVD）和即时检测（Point-of-care Testing,POCT）诊断器械的发展中具有潜在的应用。