回音壁模式光学微腔具有高品质因子(Q值)和小模式体积,在光通信、光互连、微型激光器、生物传感、非线性光学、量子力学等众多领域有着重要的应用,然而,所有这些应用的关键点是对微腔内模式的高效耦合与调控。传统研究中,通常采用倏逝波耦合的方式来实现腔内模式的激发,虽然这种技术能够实现高效的耦合,其波导-微腔间的距离往往需要纳米量级的精确控制,大大增加了器件的加工成本,导致其商用化的推广困难。针对此问题,本论文从最初的麦克斯韦方程出发,推导、设计并实验验证了一套全新的波导-微腔耦合机制,为上述微腔商业化应用上的困难带来了可行的解决方案。本论文主要完成了以下工作:(1)理论上,针对传统倏逝波耦合的光学微腔器件中存在的成本问题,将微腔与波导直接相连,从微腔模式沿波导出射的时间反演过程出发,提出了在波导中输入光信号来激发微腔谐振模式的末端耦合机制。并采用二维有限元数值仿真本征值分析和传输谱分析相结合的方式,在理论上证明了波导末端耦合机制的可行性,最后利用三维时域有限差分法数值仿真对该机制进一步验证。(2)实验上,利用绝缘体上硅衬底制备出波导-微腔相连结构的样品,在波导中直接输入光信号并测得其反射谱,直接实验验证了末端耦合机制的可行性。通过分析实验反射谱,验证了末端耦合机制不仅能够有效激发出腔内的谐振模式,还能保持较高的耦合效率,与数值仿真结论保持一致。在此基础上,进一步改变连接波导宽度和波导偏移位置,末端耦合机制仍能保持其较高的耦合效率,表明该机制对实际制备误差有高度容忍性。同时,利用该机制所支持的高Q值模式,通过观察谐振波长的偏移,实现了对外界环境温度、单个纳米颗粒和纳米颗粒数量的光学传感,其传感精度与传统的硅基光学微腔可比拟。(3)依托理论和实验验证的波导末端耦合机制,进一步将其推广到变形腔领域。首先,针对圆形波导-微腔结构中高Q值模式数量较少的问题,引入Quadruple型变形腔将其与波导相连,利用腔内高阶四次反射模式的特殊场分布,实现了同一套高耦合效率和高Q值模式的稳定激发。此外,高阶四次反射模式沿微腔边界的场分布不均匀,在场分布较弱的特定位置引入额外的泄露波导,能够保持其高效率和高Q值的前提下,实现了对腔内低Q值模式数量的有效控制。(4)依赖变形腔中丰富的相空间结构,研究了变形腔奇点周围的特殊物理现象,如模式耦合、混沌态到稳定态的量子隧穿过程以及量子隧穿过程中引起的光学手性。首先,利用混沌变形腔中不同模式较大的场分布差别,采用热调制的方式单独调控两个模式的谐振波长,首次在单个微腔中实验验证了模式的强耦合现象。此外,将波导直接与变形腔激光器的混沌区域相连,通过对比有无连接波导时激光器的远场能量分布,实验验证了混沌态到稳定态的量子隧穿过程,并进一步通过改变连接波导位置的方式实现了腔内谐振模式手性的高效调控,在光学传感的基础上,使波导-微腔相连结构进一步成一个优异的基础量子力学研究平台。综上所述,本论文以光学微腔为研究平台,以微腔中的时间反演过程为理论依据,提出了一种高效的微腔末端耦合机制,保持微腔器件高性能的同时,还拥有器件成本低、制备误差容忍性高等优点,能够加快光学微腔器件的商业化进程,特别是为低成本的生物传感器和大规模集成光子芯片的发展提供重要的实验和理论支持。变形腔与波导相连的结构,也为量子力学基础研究提供了理想的平台,最终加快光学微腔基础研究的实用化进程。