近年来,回音壁模式(Whispering Gallery Mode, WGM)光学微腔因其极高的品质因子(Quality factor,Q值)和极小的模式体积(V)得到了很大的关注,它们在诸多领域比如基础物理理论研究以及实用化光电子器件(光开关、光调制器、极窄线宽滤波器和高灵敏度传感器等)领域都具有非常大的应用潜力。尽管如此,目前它们基本还仅限于实验室研究,并没有走向实用化或商品化。很重要的原因是WGM的谐振特性受外界环境的影响非常大。首先,吸附到微腔表面的水汽或者微小灰尘颗粒会严重降低系统的Q值；其次,WGM的谐振波长易受外界温度变化的影响而产生偏移。这些都会导致基于微腔的传感器的性能下降,并阻碍微腔的实用化。另外,为了获得较高的耦合效率,通常使用锥形光纤来激发微腔中的谐振模式,这会导致整个耦合系统非常脆弱且缺乏健壮性,外部极小的振动甚至微弱空气流动都可能引起WGM耦合状态的显著变化。以往的研究中,人们在封闭的环境中进行实验,以保证微腔周边干净的环境以及稳定的气流。这种方式虽然可以极大限度的排除污染物的干扰以及温度噪声的影响,但巨大的密闭容器以及分立的耦合结构使得整个系统非常笨重、复杂,不便于应用在实际环境中。为了促进微腔耦合系统的实用化,需要设计一种合适的封装结构。针对以上问题,本论文提出了一些解决方案,论文内容大体上可以分为两大部分：理论仿真和实验。首先,利用FDTD方法以及COMSOL软件的PDE求解器,研究了具有内参考功能的三层结构微球腔的耦合特性和传感性能,仿真结果说明我们提出的这种新型结构的传感器不仅能够降低折射率传感中的热噪声影响,还能同时探测温度的变化。然后,我们实验研究了微球腔、柱形腔和瓶口腔的耦合特性,将它们封装成为了一体化的器件,并进行了温度传感实验以及抗振动性能的测试。详细的研究内容如下：(1)基于FDTD方法,实现了三层结构微球腔与光波导耦合的仿真,三层膜的折射率从内到外依次为高、低、高。研究了膜层厚度对谐振特性的影响,发现只要三个膜层所选择的折射率以及厚度合适,内外两个高折射率膜层能够束缚光波并支持它们各自的WGM。另外,我们还研究了微腔外的环境折射率变化对内外层WGM谐振特性的影响,仿真结果说明：环境折射率变化时,外层模式的谐振波长会显著改变,但内层模式的谐振波长变化非常小,这个性质使得三层结构微腔在高精度折射率和温度传感领域有重要的应用价值。(2)利用COMSOL软件的弱解型偏微分方程模块实现了微腔中谐振模式的稳态仿真计算,并利用微扰理论,推导出了三层微腔的内外层谐振模式用于温度和折射率传感的灵敏度表达式。我们发现,内外层两模式的温度响应特性非常接近,但它们对外界折射率变化的响应差异巨大。详细研究了膜层厚度对内外层模式的影响,通过优化最外层的厚度,理论上实现了温度噪声的完美去除。(3)使用一种全新的封装方案加工出了微腔与锥形光纤耦合系统的一体化器件,借助一个石英玻璃管、两片石英玻璃以及紫外光固胶,在不改变己经调谐好的耦合状态的前提下完成了器件的封装。实验中,让微球腔与锥形光纤保持接触,以提高耦合系统的稳定性,这种情况下依然获得了高达1.08x108的Q值。我们研究了微球腔取向和位置对谐振谱的影响,发现通过调整微球腔的位置以及取向可以获得不同的谐振谱。将封装器件密封在一个干净的有机玻璃制作的盒子中,获得了Q值的长时间保持。另外,我们还制作了双光纤耦合微球腔的封装器件,可以应用于Add-Drop滤波器,制作出的器件参数为：Q值达到2.7×10。,FSR约为0.016nm,最大Drop口输出为42%。(4)通过光纤熔接机的电弧放电,我们制作出了高质量的柱形腔和瓶口腔,在不同的耦合点实现了腔内谐振模式的选择性激发。在数值仿真以及理论计算的帮助下,获得了谐振模式的空间场分布,实现了谐振模式的定位识别,与实验结果非常吻合。另外,通过轴向移动微腔,实现了谐振模式的可控、稳定的耦合。最后,我们采用与微球腔同样的封装方法,对柱形腔以及瓶口腔进行了一体化封装。由于柱形腔直径的均匀性,模式场的分布在轴向上被显著拉长,因此柱形腔封装器件的抗振动性能远远优于微球腔器件。我们相信这种便携的、具有良好健壮性的微腔器件将来会得到广泛的应用,尤其在振动环境场合。