近年来量子信息和量子计算的研究中,有效的操控单量子比特成为了一个需要解决的关键问题。而对于单量子比特的有效操控需要借助于高效的光与物质的相互作用接口,光学微腔凭借着较高的品质因子(Q)和较小的模式体积(V),在增强光与物质相互作用的领域有着极大的应用潜能。本博士论文以光学微腔系统作为研究对象,主要研究了微腔中的非线性效应以及它在量子信息中的应用。主要的研究内容和取得的创新点如下:一、研究了微腔系统中的非线性效应。在满足宇称-时间对称的光机械系统中,解析地分析了高阶边带产生过程;在表面等离子体波导与谐振腔耦合系统中,分析了类电磁诱导透明现象的产生机制;提出了一个区分Autler-Townes劈裂与类电磁诱导透明现象的方法。二、研究了光学微腔在量子信息中的应用。我们构建了金刚石氮-空位色心与回音壁模式光学微腔耦合的杂化系统,分析了该固态比特与光学微腔的耦合系统中的非线性相互作用,分别实现了纠缠浓缩、可以执行控制翻转操作的普适高维量子逻辑门以及高维贝尔态分析。三、实验研究了集成光学微腔与光纤的有效耦合。制备出了高品质因子的铌酸锂微环腔,设计实现了双层反向锥形模式尺寸转换器;将光纤与波导芯片耦合过程中的耦合损耗从14dB降至3.4dB,从而解决了集成光学微腔与光网络的低效耦合问题。