光学环形谐振腔具有波长选择性、局域光功率增强、结构设计灵活、结构紧凑等特点,已经成为至关重要的光学器件模块。常见的光学环形谐振腔结构包括宏观的光纤环、打结光纤环、回音壁微球等。不同的结构对应着不同的应用领域:宏观光纤环可以作为光纤陀螺的线圈,用于角速度传感;回音壁模式微腔由于较小的模式体积,可用于生化传感和非线性效应的激发;光子芯片上的硅腔由于较小的尺寸和稳定的结构,可用于光通信和光计算等光学器件。针对环形谐振腔色散受损耗影响大、谐振腔式光纤陀螺在高速下存在测量死区以及光波分复用器件参数设计缺乏系统理论等问题,本文从理论和实验方面开展了基于环形谐振腔的色散控制以及在光通信器件和光纤陀螺领域的系统性研究,具体内容如下:首先阐述了材料色散的物理机制和光学环形谐振腔的传输特性。通过对Kramers-Kronig关系的介绍,证明了材料色散是由介质对光场的吸收引起的。利用传输矩阵法,对单环谐振腔、上下话路环形谐振腔和上下话路谐振马赫-曾德尔干涉仪的传输特性进行研究。其次引入辅助环来调控上下话路环形谐振腔直通端和下载端的色散特性,当辅助环处于欠耦合状态时,两个输出端口的快慢光特性会发生反转。在不改变基础环与总线波导耦合状态的情况下,可以通过减少辅助环损耗或增加辅助环尺寸的方法来提高两个端口的群延迟,从而实现色散特性的自由调控。再次提出了基于单环谐振腔的角速度传感模型,证明传感灵敏度与群折射率的关系。为了解决谐振腔式光纤陀螺在高转速情况下无信号响应的问题,提出一种由Sagnac环路和谐振环路组成的复合式光纤陀螺。这种复合式结构,一方面克服了干涉式光纤陀螺低速时灵敏度低的缺陷,提高了测量极限;另一方面,解决了谐振腔式光纤陀螺在高速区无响应的问题。随后研究了基于上下话路谐振马赫-曾德尔干涉仪光学交织器的参数优化模型和多级级联规律。一方面,提出基于定量色散值的理论模型来评估损耗和透射系数对交织器平整度的影响,从而优化光学交织器的参数,大大降低参数设计复杂度;另一方面,提出引入相移的方法来定量总结多级交织器的级联规律,从而得到密集信道的波分复用器。最后提出两种基于谐振腔结构的新型光学交织器,一是基于环形谐振腔的可切换光学梳状滤波器/交织器结构,通过对可调耦合器的调节,可使该滤波器在两种功能之间切换,从而降低了复用器的系统复杂度。二是基于法布里-珀罗腔辅助迈克尔逊干涉仪的三阶反射式混合交织器,在不增加器件复杂度的情况下,提高了交织器的阶数,从而获得更好的滤波效果。这两种新型交织器有利于进一步提高波分复用器的集成化和微型化。本文的研究工作从理论推导出发,研究了快慢光反转的理论,改善了谐振腔式光纤陀螺的固有缺陷,研究了色散在光学交织器参数优化中的作用。同时结合实际需求,设计了有利于集成化和微型化的波分复用器件。对于环形谐振器在光通信、光纤陀螺以及快慢光领域的进一步发展提供了参考。