回音壁模式光学微腔已经成为基础光物理和微纳光子学研究的重要实验体系之一。该类微腔一般具有旋转对称结构，品质因子超高、模式体积较小，且可芯片集成，因而在腔量子电动力学、腔光力学、低功率下非线性光学、高灵敏生物传感、微型滤波器和低阈值激光器等领域有广泛的应用。传统上，为了激发微腔的回音壁模式并收集其发射，通常采用近场耦合的方法。例如，实验上可以使用微米尺度光纤锥作为近场耦合器件，耦合效率可以接近100％。然而，使用光纤锥或者其它近场器件来耦合回音壁模式也存在一系列挑战，最为突出的一点是需要满足严格的相位匹配条件。实验上，一方面，人们可以通过优化光纤锥尺寸来实现高效耦合，但有效耦合的带宽较窄(＜100 nm);另一方面，由于光纤锥本身的机械特性，耦合不稳定，造成耦合效率和模式线宽/品质因子发生变化。此外，对于高折射率材料的微腔，更难使用光纤锥实现相位匹配。　　具有非旋转对称结构的光学微腔为回音壁模式的应用提供了一个新视野和新机遇。由于打破了旋转对称性，这类光学微腔具有定向出射等特性，既可以在自由空间有效收集回音壁模式的发射，又可通过自由空间激光光束有效激发腔内模式。近些年的研究揭示出其具有如下几个显著特点，(1)良好的定向出射特性;(2)允许有效的自由空间耦合，无需相位匹配条件;(3)具有丰富的相空间结构，是研究经典和量子混沌的理想平台。　　本论文研究内容主要包括以下三个方面:　　1.芯片上超高品质因子非对称微腔的制备工艺和耦合系统　　在实验上，本文提出两步干法刻蚀技术并结合激光表面处理，成功的制备出非对称微芯圆环腔，其品质因子创纪录的超过108，且具有良好的定向发射特性。超高品质因子非对称光学微腔的成功制备为后续的物理和应用研究提供了坚实基础。　　2.基于超高品质因子非对称光学微腔的低阈值激光和高灵敏传感应用　　通过在微腔中掺杂三价稀土铒离子，并采用自由空间有效激发和收集，在1480nm激光泵浦下，观测到了1550nm波段上的单向性激光出射，激光阈值小于2微瓦，实验测量的远场发射角小于10°。这项研究工作为集成光子学芯片上光源提供了一种可能的解决方法。　　利用自由空间耦合不影响模式线宽的特点，本文提出了模式展宽的微腔传感新机制，可以有效的消除耦合不稳定，环境热噪声及激光器频率漂移带来的线宽测量噪声。实验上，实现了单个聚苯乙烯纳米粒子和慢病毒的检测。　　利用自由空间耦合方法，成功观测到了二氧化硅材料的三阶非线性效应，包括拉曼激光，光频梳（四波混频）和三次谐波，相比于传统光纤锥耦合，具有无需相位匹配和宽带激发等优点。　　3.超高品质因子非对称光学微腔的新物理机制研究　　本文提出了隧穿诱导透明的物理机制，利用混沌辅助的动力学隧穿，解释了在自由空间耦合超高品质非对称光学微腔时，透射谱表现出的反常的类电磁感应透明现象。　　纳米光纤既具有自由空间光束的特点，又具有良好的导光能力，本文提出利用纳米光纤实现与非对称光学微腔的耦合，实验证明可以在超过1000nm带宽范围内实现有效耦合。