生物传感器因其在医疗诊断,药物研发,环境监测,食品工业以及生化安全等领域的广泛应用而取得了快速的发展,其中基于光学的生物传感器由于其超高的灵敏度,较强的抗电磁干扰能力,可多功能集成及具有高度灵活性的优势,获得了广泛的研究和应用。在过去的几年里,在高性能计算机和超高速通信系统的驱动下,硅基光子学发展迅猛,从光子器件的设计,制作工艺,器件封装及测试都有许多进展,已经逐步走向产业化应用。本论文的目的是利用硅基光子学已经取得的成果,针对生物传感应用进行研究,开发出高性能,低成本的传感器,满足未来的需求。本文的一个研究重点为基于折射率检测的超高灵敏度光学传感器。首先,对硅基光波导传感器的制作、测试、及性能评估等进行了系统研究,验证了基于硅基微纳光波导的级联环形谐振腔传感器工作在TM模式下具备超高的传感灵敏度,同时提出了基于波分复用方式实现级联环形谐振腔传感器阵列化集成的方案,实验结果显示此传感器阵列具备极高的性能和良好的温度特性；然后,研究了工作在波长探测模式的基于马赫泽德干涉仪的传感器,实验结果显示了其较高的传感灵敏度和高度的灵活性,并且研究了基于马赫泽德干涉仪与环形谐振腔级联的传感方案,通过引入游标效应,可以实现更高的传感灵敏度；此外,在有效传感灵敏度和相对温度敏感性等方面对环形谐振腔传感器和马赫泽德干涉仪传感器进行了比较,分析了它们的相对优势及各自适合的应用场景；最后,对光波导传感器在生物传感领域的应用进行了研究,在硅波导表面进行生物化学修饰之后利用抗体抗原的免疫反应测试了其生物传感应用的特性,实验结果显示它可以检测到浓度极低的蛋白质分子,并且具有良好的特异性,具有良好的应用前景。本文的另一个研究重点为基于拉曼光谱技术的光波导传感器,传统的拉曼光谱检测设备都有效率低,系统复杂及成本较高等缺点。我们提出了利用硅基微纳光波导作为激发和收集拉曼散射信号的介质提升其效率,同时利用集成的环形谐振腔作为滤波器的集成拉曼光谱传感器,理论分析和初步实验结果显示,这种集成的拉曼传感器具有潜在的巨大应用价值。