近年来,集成光学环形谐振腔以其微小的尺寸、优越的性能和CMOS工艺兼容性,吸引着大量研究者。利用微环形谐振腔可以实现芯片上的多种功能器件,如光学激光器、调制器、滤波器、逻辑门器件以及生物传感器等。将多个微环耦合、或者将微环与其他光学结构耦合可以形成各种耦合环结构,有望进一步提升器件性能。不仅如此,在合适的参数条件下,耦合环结构中还存在着可以类比于量子系统的有趣的物理效应,比如电磁诱导透明(EIT)和法诺(Fano)效应。前人的工作主要着眼于利用耦合环结构实现某一特定应用,但对于耦合环的特性理论研究并不够深入和全面。本文立足于集成耦合微环形结构的多种结构类型,从基本理论模型入手,旨在探索其中的物理效应,并将其应用于光学功能器件的性能提升,具体工作包括:第一,首次在光学集成耦合环中理论预测了EIT效应的多种相位区间,从物理层面解释了其成因,并展示了其在进一步提升器件光学延时和非线性特性上的巨大优势;EIT效应的多种相位区间广泛存在于耦合双谐振系统中,本文还展示了新的相位区间对量子相移门的性能提升。第二,首次在微环-法布里波罗耦合系统中展示了“超精细谱”——嵌套式EIT效应——的产生和原理。这种高品质因数的响应频谱具有很好的鲁棒性,对于光学滤波器、光开关和光学调制器的构建很有意义。第三,首次在嵌套式耦合环结构中发现类比于量子系统中的反常Fano效应,并以传感应用为例,在多种参数条件下对比了其相对于正常Fano效应的性能提升;辅之以低温度噪声和低损耗的波导设计,最终构建出高灵敏度和超低检测极限的光学生物化学传感器。第四,完善了光学集成微谐振系统的传感器理论,对光强检测的信号探测方法中的主要噪声源按照不同机制进行归类,并分析了各种噪声机制对于不同微谐振腔结构的信噪比和检测极限的影响,最终针对噪声抑制和提升系统检测极限给出微谐振腔传感器设计的准则。第五,基于上述集成传感器理论,以气体传感为例,在多组结构参数下分析和比较了三种不同耦合环结构的灵敏度特性,并给出了不同结构形式中传感器设计的最佳参数选取位置,为更全面的理解各种耦合环结构提供了帮助,也为基于耦合环结构的其他功能器件设计奠定了理论基础。