光学微腔,通过循环谐振作用将光场长时间限制在其中,可极大地提升腔内光功率,因此被广泛应用于基础物理研究以及光电子器件领域。相比其他类型的光学微腔,回音壁模式光学微腔具有极高的品质因子与较小的模式体积,显著地增强了光与物质的相互作用,因此受到研究人员的极大关注。过去的二十年间,不同材料以及形态的回音壁模式光学微腔被发明并制备,以满足不同的研究与应用需求。基于回音壁模式光学微腔的非线性效应,特别是光学频率梳与受激布里渊散射,在窄线宽激光器以及微波信号产生等领域已经得到广泛应用。本文以回音壁模式微棒腔为研究课题。首先研究了微棒腔的加工、优化、模式控制以及封装技术,在此基础上对基于微棒腔的克尔光频梳的产生与性能优化技术进行了研究。同时,对基于微棒腔的克尔光频梳以及受激布里渊散射在大容量光通信系统中的应用进行了探索。本论文的主要研究内容和创新工作如下:1.研究了微棒腔的加工、优化、模式控制以及封装技术。通过对加工技术的优化,提升了微棒腔的Q值并实现了自由频谱宽度的高精度优化。在此基础上,研究了微棒腔的回音壁模式激发控制方法,并实现了微棒腔-锥形光纤耦合系统的封装。主要研究内容包括:（1）针对回音壁模式微腔的高性能要求,制备了回音壁模式微棒腔并对其性能参数进行优化。通过对加工材料及加工工艺的优化,获得了超过同类型微腔此前所报道最高水平的品质因子（>109）;首次提出激光退火工艺,实现了微棒腔自由频谱宽度的高精度优化（<5MHz）,并实现了单孤子克尔光梳重复频率约10MHz的连续调谐。（2）针对微棒腔激发模式的可控性需求,使用有限元方法建立了微棒腔-锥形光纤耦合系统仿真模型。基于该仿真模型,对回音壁模式的激发数量与激发效率控制,以及高阶回音壁模式的选择性激发控制方法进行了研究,并通过实验予以验证。（3）针对微腔耦合系统实用化和器件化的需求,设计了稳定可靠的微棒腔-锥形光纤耦合系统的封装方案。与传统方案相比,本方案创新性地提出了封装后耦合可调的设计,从而实现对封装过程以及外界环境影响所造成的耦合变化的补偿,并实现了对微腔耦合效率的精密调控。基于该封装系统,成功产生了稳定的单孤子克尔光梳。2.研究了基于回音壁模式微棒腔的单孤子克尔光梳的产生与性能优化技术。提出了一种相干辅助激光加热法,成功产生单孤子克尔光梳。在此基础上,研究了辅助激光对腔内注入激光的相对频率噪声的抑制作用,并实现了对单孤子克尔光梳光谱包络与本征功率的优化。主要研究内容包括:（1）针对具有超高Q值的微棒腔产生孤子克尔光梳的难点问题,提出了一种相干辅助激光加热方案。泵浦光与辅助光来自同一个激光器,其相干性降低了孤子产生过程中对激光器稳定性的严格要求,并增强了产生的孤子克尔光梳的长时间稳定性。在未进行泵浦激光波长反馈控制的条件下实现了单孤子克尔光梳长达6小时的稳定存在,相较传统方案1小时以内的稳定时间获得了显著提升;同时,利用泵浦光驱动频率的高精度调谐能力,实现了在孤子克尔光梳产生过程中对泵浦光失谐频率赫兹精度的调谐。（2）理论研究了辅助激光对腔内注入激光的相对频率噪声的抑制作用,并通过实验进行验证,对比热效应获得了更优的抑制效果。（3）通过对微棒腔与锥形光纤相对耦合位置的精细调整,实现了对单孤子克尔光梳光谱包络平坦度的优化,并大幅提升了泵浦光到孤子克尔光梳的能量转换效率。3.研究了基于回音壁模式微棒腔的非线性效应在大容量光通信系统中的应用,包括克尔光频梳与受激布里渊散射。主要研究内容包括:（1）针对克尔光梳本征功率过低的缺陷,利用光注入锁定技术,实现了对基于微棒腔产生的孤子克尔光梳的低噪声均衡放大。利用功率放大后的光梳梳齿作为载波进行了相干光通信实验,得益于高达60d B的光性噪比,相较传统级联掺铒光纤放大器的功率放大方案获得了更优的通信质量。（2）利用微棒腔的受激布里渊散射效应实现了高阶调制信号的相干载波恢复,并利用再生的相干载波作为本振光进行自零差相干探测。与使用独立窄线宽激光器作为本振光的传统方案相比,在不牺牲系统性能的前提下极大地减轻了接收端对数字信号处理的开销。通过本文的研究,获得了具有高性能且可控的微棒腔光器件,基于该器件产生了性能良好的克尔光频梳并对其在大容量光通信领域的应用进行了探索。未来将继续提升加工与封装工艺,实现该器件稳定高效的制备,进一步推进其实用化。同时,对基于该器件产生的克尔光梳的噪声特性及功率进行进一步的优化,并将其扩展到高精度光学测量以及低噪声微波信号产生等更多的应用领域。