光子在信息传输方面的巨大优势使其在信息处理、采集、控制方面有着非常重要和广泛的应用。特别是在激光问世之后,光通信迅速发展并取得了很多突破性的成果。由光学谐振腔组建的系统,可以把光束缚在极小的空间内,从而能增大光强和光-物质相互作用强度。在这种系统中可以进行单光子级别的光信息传递和转换的研究,因此谐振腔组建的系统在构建光信息器件方面有着巨大的优势。构造简单但功能多样的腔量子电动力学(QED)系统和光机械系统,是近些年的国际研究热点,在量子信息和量子网络方面有着重要应用。本文以腔QED和光机械系统为研究平台,探讨了其中的非线性效应和光信息传输过程。主要内容包括:一、我们提出了利用量子点和高阶边带进行光子转换和信息处理的理论方案。在支持偏振方向相互正交的两个光模的光子晶体腔中,通过巧妙放置量子点(人造原子)的位置,使其同时和两个腔模产生耦合。在由两束连续光组成的外场的驱动下,量子点与腔模的耦合会产生有效的强三阶非线性,致使系统中发生拉曼散射和四波混频,从而产生高阶边带,最终使输出光谱呈现出等间距的光梳分布。量子点作为媒介,承载着两个腔模之间的能量转换,使得信息可以在光模和量子点中进行有效的转移和转换。因此尽管只有一个光模被驱动,但是未被驱动的光模也有高阶边带的产生。我们探讨了高阶边带的产生原理和边带在两个光模之间的转化效率,以及系统各参数对该转化效率的影响。方案的实验可行性和相关物理机制在文中也有详尽阐述。我们构建的这个系统具有操控不同频率模式下的光子相互之间转化的能力,在经典通信系统和集成量子网络中都有广泛的潜在应用。二、我们提出了结合宇称-时间反演(PT)对称理论的高阶边带增强方案。PT对称概念最初是在数学上被提出的,它完善了量子力学关于非厄米哈密顿量的理论。引入了增益和衰减构建的PT对称光学系统为人们探究光-物质相互作用提供了新的平台。这里,我们研究了由一个含非线性介质的衰减腔和一个增益空腔构成的PT对称系统的线性和非线性的光传输效应。通过调节双腔耦合强度,可以控制系统参数处于PT对称区域或者对称性破缺区域。通过理论推导和数值模拟研究发现,PT对称系统中的低阶和高阶的边带产生效率均被大大增强,尤其是在PT对称破缺点附近。这种增强效应实质上源于PT对称系统中的非线性增强,我们从理论推导出发,对其物理图像进行了详细的阐述。我们的研究提供了在弱驱动和弱非线性下获得强高阶边带的途径,有利于光频梳和芯片光通信的发展。三、我们提出了增强光机械系统非互易性效应的方案。该方案中,我们结合了 PT对称概念和光机械系统,研究了这个组合系统的光传输效应。首先,通过理论推导我们得出了系统的散射矩阵。采用实验上可取得的参数值,我们发现PT对称组合系统的光传输会被放大,可以获得更好的光单向传输效应,取得了隔离率约为40 dB的理论值。同时,通过调制输入光的端口和相对相位值可以控制光信号的输出,系统可以作为光开关和隔离器。我们提出的方案在现有的技术下可以实现,在光器件制作方面有着重要的潜在应用。