光学微球腔因其回音壁模式可获得极高的品质因数而受到广泛关注.本文分析了Fabry-Perot腔和微球腔的基本原理,通过CO2激光熔融光纤实验制得了直径为1.2 mm的微球腔,并测试了微球腔和锥形光纤耦合结构的耦合特性.采用典型的PDH稳频系统设计了基于微球腔的稳频系统,分析了用于鉴频的误差曲线的吸收特性和色散特性,对比了不同调制频率、微球腔直径、耦合损耗、传输损耗下与误差曲线斜率的关系.结果表明: 耦合状态下最大Q值可达到1.1×108,调节微球腔内横磁模和横电模的转换可优化耦合效率,匹配微球腔和锥形光纤的尺寸得到了径向二阶模式的透射谱,误差曲线效率达到15.4A mW/MHz.球腔在提高PDH稳频技术灵敏度上具有巨大潜力.

根据角速度传感的基本原理，搭建了以高Q光学微球腔为核心敏感部件的角速度传感实验测试系统。实验中通过调制、解调技术得到了光学微球腔的谐振曲线及其相对应的解调曲线，并采用PID反馈控制电路实现了微球腔谐振点的实时跟踪锁定，谐振点锁定精度约为10 kHz。通过对系统提供低、高2组不同的旋转角速度进行实验测试，并对数据进行处理分析，得到系统输出信号幅度的变化趋势与测试转台提供的旋转角速度变化情况相对应的结果。初步验证了高Q光学微球腔的角速度传感效应，为后续深入研究高Q光学微谐振腔角速度传感器件奠定了基础。

利用时域有限差分(FDTD)法模拟了均匀结构、双层结构和三层结构光学微球腔，得到了各自的能量密度分布，通过对比发现多层结构具有更高的最大能量密度与存储能量和较小的模式体积。波导与多层微球腔之间存在一个最佳间隙，模拟结构的最佳间隙在60~120 nm。改变高折射层的厚度和折射率，在特定波长的入射光下可以获得具有较高最大能量密度(大于360)或者较小模式体积的(小于0.03)的微球腔，确定了优化的厚度和折射率。分析高斯光激励的带有导出波导的微球腔，导出波导与微球腔中的光具有相似的激发频谱，表明多层微球腔可以对入射光实现选频并导出。结果显示，多层微球腔具有更好的性能，为光学微球腔后续的结构设计和实际应用提供了一个新的优化思路。