近年来随着纳米材料的应用和微加工技术的不断发展,在光通信领域内,光波导器件也逐渐向微型化,集成化和规模化发展。如同集成于芯片上的大规模集成电路一样,光学系统的发展方向也是将各种光信息处理元件集成到一个芯片上,形成实现多种功能的新型光波导器件。微环谐振器结构由于具有纳米量级的尺寸和卓越的滤波功能,不仅非常适合于大规模集成,而且可以同时实现包括滤波器,缓存器,激光器,波分复用器,光开关,调制器,波长转换器,逻辑门和传感器等多种功能。鉴于其强大的功能,微环谐振器已经成为了近年集成光学领域的一个研究热点。本论文从普通单环微环谐振器出发,通过外加U型波导的方式提出了一些新型的微环结构和应用。同时以传感调制器件和开关逻辑器件为潜在应用方向,利用U型波导对微环谐振器本身的滤波效果进行了优化,并设计了相应的带有U型波导的微环光开关,逻辑器和传感器,概括全文的研究工作,主要包括:首先,本文研究了微环谐振器的理论基础,设计了几种带有U型波导的微环滤波器结构,并利用耦合模理论和传输矩阵法推导建立了微环滤波结构的数学模型。理论仿真发现,通过在微环谐振器上外加U型反馈波导对滤波光谱进行调制,以及选择合适的微环参数,可实现多种滤波效果的优化,例如自由光谱范围的扩大,Q值的增加,消光比的提高等等。这些滤波效果的提升可进一步转化为基于微环滤波效果设计的光子器件的性能提升。此外,本文尝试利用光刻工艺按照设计参数制作带有U形波导微环谐振器,目前完成光刻部分。其次,本文将设计的带有U形波导的微环结构应用于光开关领域,利用单刀双掷开关和聚合物电光调制单元实现了三种光路开关状态,提出了一种新型的光开关器件,并在理论上提升了电光开关的响应速率。另外,本文还基于微环谐振器的开关功能,结合U形波导设计了两种多功能的微环逻辑门器件。通过选择不同输入口和输出口,可以实现与门,与非门,或门,或非门,同或门,异或门等多种逻辑运算。最后,本文基于带有U型波导的微环谐振器结构,设计了一个双气腔的气体传感器,可以通过一次测量的输出光谱同时得到两个气腔内的气体浓度,大大节约了时间和空间消耗。在该传感器的设计中,本文采用了氧化锌颗粒镀层结构作为核心传感元,并同时讨论了氨气和酒精蒸汽的两种不同的吸收机制在传感过程中表现为不同的敏感曲线。