光学微腔的研究中，在较小的空间中提高对光的限制能力是被广泛关注的一个方向。和传统的微腔结构相比如平面微腔，回音壁模式（Whispering-gallerymode）光学微腔能够通过全反射的作用将光长时间限制在微腔中，从而形成了非常高的品质因子（Q值）和较小的模式体积。因此，回音壁模式微腔中光和物质的相互作用被大大提高。在过去的几年中，这类光学微腔被成功地应用在了无标记的光学探测器上，并提高了它们的灵敏度。一般来说，一个回音壁模式光学传感器由一个高Q值的微腔和一根拉锥光纤组成。采用倏逝波耦合的方式，光源从光纤耦合进微腔中，同时探测到的信号由微腔耦合进波导中输出。因此，微腔和耦合波导的间距往往需要被精确地控制在几百个纳米以内。然而实际的探测中，由于外界环境扰动，这一间距很难被精确地控制在某一特定值。为了解决这一问题，本文提出了一种直接耦合的机制来激发出微腔内高Q值的模式，同时该结构还表现出了较好的传感特性。本论文主要取得以下成果：建立了一种直接耦合的微腔结构，即一个圆形微腔直接与波导相连的微腔-波导结构，通过在波导中直接输入光源激发出了圆形微腔内的高Q值的回音壁模式。为了解释微腔内较高的耦合效率，建立了谐振辅助耦合的模型，同时使用有限元法（FEM）和时域有限差分法（FDTD）的仿真结果验证了这个模型。接着，分别以有效折射率n=3.3和n=1.45的微腔为例，采用直接耦合的方式激发出了腔内的高Q模式，并详细研究了其对外界折射率改变和单纳米颗粒的传感特性。仿真结果表明，这种微腔-波导的传感系统拥有非常高的传感精度，能够实现折射率10-7量级的改变的探测和半径为5nm的单纳米颗粒的传感。此外，这种传感系统展示出了对微腔折射率，波导宽度和波导偏移的不敏感性，表明其在实际应用中对制备误差较高的容忍性。此外，以微腔-波导系统为基础，在微腔附近增加一个耦合波导实现了滤波的效果。并采用局部折射率微扰的方法，实现了对输出端口的输出能量比例的调控。本文提出的直接耦合的微腔系统解决了传统倏逝波耦合传感器存在的问题，数值模拟结果对传感器和滤波器的研究提供了参考意义。