中红外激光通常指波长为2-20μm的激光。一方面，生物和化学中许多重要分子基团的振动或转动能级在此波段内，同时3-5μm和8-13μm波段又是大气中的两个透明窗口。因此中红外波段在光谱分析、空间遥感、污染监测和激光对抗等方面具有重要的应用价值。另一方面，几十年来，人们对光学信息处理进行了深入的研究，特别是对大规模集成光学的研究更是近年来的热点之一。硅由于其可与CMOS兼容、易于集成等优势引起了各国科学家的广泛关注。但是在1.1μm~2.2μm的波段，双光子吸收效应及自由载流子吸收效应极大的制约了硅基器件的应用，特别是在输入信号功率较大或频率较高时的应用。而在中红外波段，由于没有双光子吸收的影响，硅成为人们研究光信息处理的首选材料。基于以上两点，本论文紧密围绕中红外激光与硅基光学展开，以硅基环形谐振腔为主要研究对象。我们首先在第二章中介绍了环形谐振腔的基本理论及制作方案，然后提出了若干具有重要应用的光子学器件。在中红外硅基光学的研究中，首要问题是光源的产生。本论文中我们发展了级联拉曼激光器的理论，在第三章中提出了一种在硅基环形腔中基于四级受激拉曼散射效应实现3427nm中红外激光输出的方案。我们用数值分析的方法讨论了该拉曼激光器的输入输出特性，研究了自由载流子寿命、谐振腔长度、输入输出耦合比等参量对结果的影响。在此过程中，我们发现了此激光器中的饱和输入现象。最后我们通过对此现象的分析，首创了一种级联双环拉曼器结构，成功克服了该现象的影响，最终实现了功率更高、更稳定的中红外激光输出。在光信息处理过程中，信号单向导通器件是具有重要应用的基本元件。我们在第四章中提出了一种基于双环谐振腔的中红外全光二极管，非互易导通率可大于20dB。该方案的基本原理是不同光强的输入激光通过不同强度的自相位调制效应造成微环谐振腔谐振频率不同程度的红移。在这一章中，我们优化了硅基悬空波导的横截面积以达到最佳单向导通效果；我们提出了波长追踪法来实时调节微环谐振腔工作状态，克服了实验环境及输入激光波长漂移对结果的影响；我们分析了线性传输损耗、输入信号功率以及光学双稳态效应对单向导通特性的影响。第五章中我们对中红外光学频率梳在硅基微环谐振腔中的若干特性进行了分析，构建了中红外光学频率梳在硅基环形谐振腔中传播的数值模型。利用该模型我们深入研究了光学频率梳在微环谐振腔中的参量振荡等非线性动力学机制，分析了频率梳产生的阈值、带宽、能量转化的效率以及输入输出耦合比对结果的影响。我们发现泵浦信号自相位调制与交叉相位调制之间的差异制约了频率梳产生过程中的能量转化效率，并提出耦合双环谐振腔结构成功的解决了这个问题。与传统单环谐振腔相比，耦合双环谐振腔中频率梳的产生阈值、泵浦带宽、能量转化效率等指标都有了大幅改进。相比于单环谐振中的光学频率梳，在耦合双环谐振腔中，其产生的阈值由约80mW下降至41mW，能量转化效率由10%~20%提高到25%以上。