微环谐振器是一种集成光波导结构,具有结构简单、品质因子高等优势,使其可以实现大规模集成化,并在滤波器、传感器、逻辑开关、激光器、波分复用器、偏振器等集成光子器件领域有着广泛的应用。然而,目前由微环谐振器构成的集成光电子器件存在设计结构复杂,传感性能差,调制效率低等问题,在结构和材料方面还具有较大的提升空间。因此,本文旨在通过设计微环的级联结构和组成材料来提高微环在传感器、逻辑开关等集成器件的性能。首先,本文利用波动理论对平板波导和矩形波导中的导模建立数学模型,并结合边界条件,求解出两种波导中不同模式下的特征方程。使用等效折射率法对波导中的复杂问题进行降维运算,得到光波导在传输过程中需要满足的水平和垂直两个方向上的单模传输条件。利用振幅耦合方程和传输矩阵法,建立单直和双直微环谐振器的数学模型,并对微环谐振器的性能参数如谐振波长、半高全宽、自由光谱范围、消光比等进行表征。其次,在上述建立的微环谐振器的基本结构和传输模型的基础上,设计了一种以金刚石为芯层、二氧化硅为包层的跑道型谐振腔式传感器,建立单直波导和跑道型微环构成的直-弯耦合结构的数学模型,并对其传输系数、耦合因子、品质因数等参数进行讨论,计算优化参数下结构的灵敏度、探测极限等性能指标。此结构的提出拓展了金刚石在集成光学传感器中的应用范围。进而,设计了一种以石墨烯为有源调制区的微环谐振逻辑开关,利用一个直波导和U型波导级联两个相同硅基微环,通过改变微环谐振器中石墨烯的加载电压,可以实现结构在两个输出端口同时实现高速的同或/异或（XNOR/XOR）逻辑运算功能。此结构可减小插入损耗,降低调制电压,增大器件的消光比和3d B带宽。结构的提出拓展了石墨烯在光开关上的应用,而且促进了光电通信器件大规模集成的发展。最后,基于双微环级联和U型波导的基本理论,设计了一种结构可以产生可调节法诺共振输出线型。利用金刚石的良好的生物相容性和传感特点,增强器件的传感特性。使用石墨烯作为结构的有源调制区,通过改变U型反馈波导和双微环上的石墨烯外加电压,输出光谱中的法诺共振得到不同的变化规律,并使得结构的消光比得到较大的提升,减小误码率。设计的结构可应用于快速光开关、高灵敏生化传感器等领域。