近年来，光学微结构凭借其独特的结构和光学特性，可广泛应用于光子学设计、基础物理、全光通信等领域，从而受到人们越来越广泛的关注。本论文研究两种光子学微结构：双环形光学微腔和光子晶体光纤，主要研究工作包括以下三个方面：1.设计了两种基于双环形微腔的光学系统：第一种是双环形微腔耦合马赫-曾德尔（M-Z）干涉仪，利用耦合矩阵法推导了系统的透过率和相移表达式，研究了耦合共振器诱导透明现象（CRIT）和耦合共振器诱导吸收现象（CRIA）的产生机制和应用；第二种为双环形微腔耦合共振反射系统，推导了系统的透过率和群延迟表达式，研究表明该系统能产生中心波长灵活可控的反射信号并且具有良好的群延迟特性，有望代替光纤光栅成为可调谐激光器的腔反射镜，反射滤波器等。2.设计了一种基于HC-1550-02空芯光子晶体光纤（HC-PCF）的光谱吸收型传感器：数值模拟了HC-1550-02PCF的模场分布，得到0.96的相对灵敏度，这对于提高传感系统的灵敏度具有重要的实际意义；理论模拟和实验研究了乙炔气体在HC-PCF中的扩散过程，理论模拟和实验所得的曲线趋势一致，并发现引入内外压强差可以大大提高气体扩散速度，从而提高系统响应速度；搭建了实验系统测得乙炔气体和氨气的吸收光谱，得到乙炔在1531.58nm处的气体检测灵敏度为82ppmv。3.在掺铒光纤激光器的二能级速率方程的基础上，分析了阈值附近的非线性效应与模式竞争对传感系统灵敏度的影响；在此基础上用衰减器模拟气室搭建实验光路进行模拟验证，灵敏度增强因子达到了158.5，证明阈值附近的非线性效应和模式竞争对提高系统检测灵敏度的重要性，该灵敏度增强机理具有应用于双波长掺铒光纤内腔吸收光子晶体光纤气体传感器的潜力。