由摩尔定律所预示的微电子的发展逼近极限,光子技术或者光电子技术则被认为是一种有望进一步提升信息器件性能的关键技术。随着大数据、云计算和物联网等技术的迅猛发展,对高集成度、高速、高效率的光电器件的需求愈发迫切。高集成度的要求促进了器件小型化的发展,但小型化将带来光与器件材料结构作用不充分的负面影响,导致器件效率下降,这个矛盾制约了传统光电器件的进一步发展。近年来,微纳光子学迅速发展,基于微纳光学结构在亚波长尺度下的光场调控产生的一系列新颖光学效应,有效实现了光与物质相互作用的增强,并在信息传输与处理等方面得到广泛应用。光学传感器和调制器是有源和无源光子与光电子器件的代表,均涉及到物质对光信号产生的改变,是研究微纳结构光场调控技术的重要平台和典型应用场景。目前微纳光学传感器面临着高传感灵敏度与高品质因子难以兼容的问题,并且折射率传感机制缺乏物质辨识能力,需要较复杂的特异性界面修饰,在使用中往往依赖外部的复杂检测系统例如光谱仪或荧光显微镜等;而微纳光调制器面临着小器件尺寸与高调制效率难以兼具的问题,尤其在调谐型的光学调制应用中还存在驱动电压高效率低等问题,在使用中难以保证稳定性和低功耗。本论文针对这些问题,围绕光学传感与光调制技术,展开新型微纳光学结构传感器和调制器的研究。具体的研究内容主要有以下几个部分:一、针对微纳光学传感器难以兼具高的灵敏度和高品质因子的问题,设计并制备了基于光栅狭缝波导的光学传感结构。其主要创新思想在于光学共振微纳结构与微流通道的一体化集成,利用狭缝波导的光场局域特性提高光与待测物质的空间重叠从而提高光学传感灵敏度,并利用光栅波导的低损耗导模共振效应实现高品质因子的光学共振模式用于传感。仿真结果表明,在1.2THz波段传感灵敏度达到0.438THz/RIU,共振品质因子达到5600,器件综合的品质因数达到692/RIU。利用光刻与干法刻蚀等工艺实验制备了相关器件,并进行了葡萄糖溶液的传感检测实验。二、针对基于光栅狭缝波导的光学传感结构对制作精度和测试条件要求较高,且传感信息的提取依赖外部的检测设备,无法实现单片集成型光学传感的问题,设计了片上可直接电读出式传感结构。其主要创新思想在于将微纳光学共振结构与热阻材料一体化集成,利用热阻材料二氧化钒成功地将微纳光学共振结构产生的光吸收信号先转换为热信号,再转变为电信号输出,进而实现了集成型光学传感。仿真结果表明:传感结构的光学灵敏度高达3000 nm/RIU,Q值高达250,结构的品质因数FoM约250;在仅数微米的超紧凑光学相互作用长度下,结构可将CO2的吸收增强8000倍;同时利用80个平均共振线宽为10 nm的传感结构组成阵列,并与压缩感知算法相结合,实现了 CO2吸收光谱的重构,光谱分辨率达到为0.1 cm-1。三、针对长波段（红外波段和太赫兹波段）相应的探测器阵列单元规模小且价格高,难以将上述光热电传感阵列用于光谱传感的问题,研究了一种基于调谐机制的微型光谱传感技术。其主要创新思想在于通过利用单个或少量探测结构结合可调谐的响应机制来获得物质的光谱信息。仿真结果表明:通过改变电压的方式连续对待测物光谱进行采样,同时结合压缩感知算法对待测物光谱进行重构,可以显著提升光谱分辨率,在中心频率为1.1 THz处实现了 0.1 GHz的光谱分辨率,将光谱的采样效率提高4倍。四、针对液晶等传统电光材料对光谱进行调控时存在驱动电压高、调控速度慢等问题,研究了新型可调材料并与微纳结构相结合用于光调制技术。其主要创新思想在于利用微纳光学耦合手段实现了新型材料的高效光学调控。研究了新型可调折射率材料ITO薄膜并在此材料基础上利用微纳光学耦合手段实现了超薄ITO薄膜的介电常数趋于零（Epsilon Near Zero,ENZ）光学调控吸收,仿真结果表明该光学调制结构仅通过调控几纳米厚的ITO薄膜便可实现在波长1520 nm处82%的调制深度。同时,研究了新型相变材料Ge2Sb2Te5（GST）,并与介质超表面相结合,实现对结构反射光谱振幅和相位的灵活调控,仿真结果表明通过调控仅仅5 nm厚GST由非晶态变为晶态,可实现在红外波段高达高达98.5%的调制消光比。