硅基光学微腔受益于硅光子学的发展与微纳加工技术的进步,越来越在集成光学器件及相关应用领域扮演重要的角色。其优异的特性如极小的尺寸、较低的损耗、较强的光场局域增强等使其在激光器、调制器、探测器、传感器等领域获得了广泛的应用。尤其在传感器领域,硅基光学微腔的局域光场增强特性和多样的性能优化途径使其作为片上实验室的功能逐渐丰富起来。本文基于硅基微环谐振器和一维光子晶体微腔,探讨了其在光纤布拉格光栅(FBG)传感系统、超声波传感、单粒子捕获与传感等领域的应用,阐述了硅基光学微腔在传感器领域丰富多样的功能。首先本文介绍了硅基光学微腔的数值模拟方法和制作工艺流程,论述了在频域和时域两个方面的计算手段,并分析了其各自的适用场合;重点介绍了光刻与刻蚀的方法和其中涉及的光刻胶旋涂、显影、去残胶等工艺。然后,提出了采用绝热硅基微环谐振器与光电探测器(PD)替换光谱仪来实现基于光纤布拉格光栅的传感系统。设计并制作了基于覆盖PMMA聚合物的槽式硅基微环谐振器。分析了这种FBG传感系统的优势在于其便携性、廉价性、应用场景多样化等。接着,设计了两种超声波传感器,分别是基于槽式硅基微环谐振器(半径12 μm)和硅基一维光子晶体微腔(尺寸为0.75 μm×13.3μm)的。两种微腔的尺寸都远小于目前最先进的基于聚合物微环谐振器的超声传感器(半径30μm),此外,两种微腔都工作在通讯波段的C带而不是聚合物微环谐振器所采用的可见光波段。这种新颖的超声传感器的3 dB带宽高达约540 MHz。随后,本文研究了耦合一维光子晶体微腔中的宇称-时间对称性问题。通过对该对称性的打破,本文讨论了这种耦合系统在单向光传输中的应用,分析表明其隔离度约11.63dB,同时这种器件紧凑的尺寸、固有的易与集成光波导耦合特性等,使其在片上光学信号处理领域具有极大的应用前景。本文还论述了这种概念在增强粒子传感器的灵敏度方面的应用,计算结果表明这种基于宇称-时间对称性破坏的传感器其灵敏度是传统的一维光子晶体微腔传感器的2倍以上。接下来,本文提出了槽式一维光子晶体微腔在粒子捕获中的应用。结果表明这种系统可以稳定捕获半径仅2 n的聚苯乙烯粒子,其理论上的粒子捕获性能即光阱刚度(0.4pN/(nm·mW))和光势阱(2000kBT/mW)远优于传统的自由空间光粒子操控系统和先前报道的近场光学粒子操控系统。最后,总结了全文的研究内容,对以后可能的工作开展方向和硅基光学微腔的研究发展进行了展望。