基于微环谐振腔的微波光子滤波器（MPF）以其优异的可调谐特性得到了广泛关注和研究，但通常微环的带宽决定了所实现的MPF带宽，进而限制了滤波分辨率。本文提出并验证了一种基于三微环级联的MPF，相比单个微环，通过多引入两个微环谐振腔，使光载波与±1阶光边带拍频后的相位差谱从0~π变得更陡峭，从而实现了MPF带宽压缩。实验结果表明，本文提出的基于级联三微环的MPF在不提升微环本身Q值的前提下，相比基于单微环的MPF，滤波带宽压缩了约69%，3 dB衰减斜率提高了约3.6倍，实现了更精细的滤波；另外，该MPF还实现了11.5~20.3 GHz的频率连续调谐和187.1~1597.0 MHz的带宽连续调谐。

微腔光频梳具有功耗低、可集成、梳齿间隔可调的特点，在各个领域都有广泛的应用。绝缘层上的硅（SOI）材料加工工艺与现有的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容，使其成为最具前景的光子平台之一。本文设计了一种截面为脊形的硅基微环谐振腔，研究了各个几何参数对微环谐振腔色散的影响；数值求解了微环谐振腔热动态方程，并分析了不同参数对微环谐振腔热动态效应的影响。数值求解了LLE（Lugiato-Lefever Equation）模型，由于SOI微腔光频梳理论研究大多忽略了热光效应，因此本文分析了在模型中引入热光效应项后对光频梳产生和演化的影响。数值结果表明，在温度变化范围为0~0.16 ℃条件下，时域上光场最大功率值增加了22%，频域上光频梳展宽了221 nm。最后对两种热光效应条件下光频梳输出频谱进行分析，结果表明，光频梳在热光效应温度变化范围为0~0.32 ℃的情况下，相较于0~0.16 ℃的情况，带宽展宽了353 nm。

基于微环谐振腔和光纤布拉格光栅，利用相位-强度调制，实现了三种滤波响应可切换微波光子滤波器。通过改变光纤布拉格光栅反射谱、微环谐振腔陷波和光载波三者之间的相对波长，微波光子滤波器的滤波响应可以在带通、平顶带通和高通之间切换。制备了欧拉微环并搭建了微波光子滤波器系统，实现了上述三种响应。三种响应的带宽均具有一定的调谐能力，其调谐范围分别为5.56~7.68 GHz、6.23~11.92 GHz和5.83~10.86 GHz。三种响应下微环的插入损耗均小于10 dB。可切换的滤波响应使该微波光子滤波器具有更高的灵活性，在频率测量、杂散抑制等场景中具有广阔的应用空间。

提出一种反射型法布里-珀罗（FP）标准具和微环谐振腔级联的温度传感器。该温度传感器由光纤反射镜、FP标准具和微环谐振腔构成。利用强度探测的方法，仿真计算和实验验证表明，温度传感器具有较高的灵敏度和较低的探测极限。将宽带光源和滤波器组合作为实验的输入光源，反射型FP标准具起到滤波的作用，温度传感元件是微环谐振腔。仿真计算得出该温度传感器的灵敏度为2.1406 dB/℃。实验结果表明，该温度传感器的灵敏度为1.9434 dB/℃，探测极限为0.01 ℃。

硅基光子集成谐振腔作为光学敏感单元对芯片级光学陀螺的性能起着至关重要的作用。以互易敏感增强型双微环架构的光子集成陀螺谐振腔为研究对象，通过时域有限差分法仿真分析了双微环谐振腔的关键结构参数，并通过搭建仿真链路研究了微环谐振腔的品质因子、精细度与耦合系数、传输损耗的内在关系。在此基础上，选取典型结构参数设计版图，基于无源硅基光子集成工艺的多项目晶圆流片制备了双微环谐振腔器件。测试结果表明，当微环半径为500 μm、波导与微环的耦合系数为0.3时，在工作波长1550 nm附近微环的自由光谱范围为0.182 nm，3 dB带宽为0.045 nm，精细度为4.04，品质因子约为3.4×104。本研究结果为双微环谐振腔的进一步优化设计提供了依据。

提升量子光源在量子信息处理方面的编码容量是量子技术发展亟需解决的问题。轨道角动量作为光子一个独特的自由度, 其空间模式分布会形成无限维完备的希尔伯特空间正交解, 因此利用光子的轨道角动量进行编码可以极大地提高信息处理的容量, 是高维量子信息处理的重要资源。具有二能级系统的量子光源可以等效成点光源, 在微纳尺度下对量子光源进行调制产生轨道角动量是拓展片上集成量子光源编码维度的有效方法之一。主要探讨了点光源在微环谐振腔中产生轨道角动量叠加态的特性。首先介绍了角向光栅对微环谐振腔中点光源产生轨道角动量的调制机理; 然后研究了微环谐振腔的腔量子电动力学效应对点光源辐射子的辐射速率和收集效率的影响, 并对单光子纯度进行了分析; 最后研究了点光源产生轨道角动量叠加态的电场分布、相位分布及矢量偏振特性, 不仅分析了微环谐振腔中不同位置的点光源对腔模及轨道角动量的影响, 还对出射轨道角动量叠加态的纯度进行了详细分析。该研究为集成轨道角动量光量子器件的发展提供了有效的方法, 对进一步了解微纳尺度下产生轨道角动量的机理和性质有良好的促进作用。

通过对级联MZM和PM生成光频梳方案进行研究, 并在理论基础上搭建了光纤链路进行实验验证, 最多可以产生信噪比(SNR)为35 dBm、平整度为4.5 dBm且梳齿数为22的光频梳。通过实验研究不同频率和功率下的谱线图变化, 验证方案的可行性。

针对普通马赫-曾德尔（M-Z）滤波器为了获得良好的滤波性能需要mm量级的臂长差的问题，文章提出了一种基于微环辅助M-Z滤波原理的温度传感器，其具有μm量级的尺寸。在M-Z滤波器的一个臂上耦合一个液体微环腔，利用微流控技术将一些温敏液体注入腔内，通过分析传感器的输出光谱，可以检测到温度的变化。实验结果表明，该传感器具有良好的滤波性能及温度分辨能力，消光比>10 dB，3 dB带宽<1 nm，温度检测分辨率可达到0.1 ℃。此外，通过改变微环中液体的种类，可以调节传感器的温度检测范围。