构建了一种多层嵌套的谷拓扑光子回路结构，直接通过倏逝场的耦合实现回路间的能量传递。每个回路都有自己的共振频率，通过对光源频率和位置的调节，可以选择性地激发单层或多层回路的共振模式，进而实现对光波传输路径的调控。与同类型的研究结果相比，所设计结构没有采用引入缺陷形成谐振腔的方法，而是保留了谷光子晶体结构的完整性，具有共振和波导传输的双重特征，从而增加了传输信道的密度。研究结果在可重构光子传输波导领域具有较大的应用价值。

为设计新型光学生物传感器，本课题组构造了基于Parity-Time (PT)对称的耦合谐振腔系统，用于实现对人体血糖浓度的测量。通过结构优化，使系统达到PT对称极点状态，然后利用极点状态下透射率对血糖折射率极其敏感的特性，将对血糖浓度的测量转化为对系统透射率的测量，从而达到血糖传感的目的。本文研究了两种传感方式：一是固定特定极点处的频率，测量系统在不同血糖浓度下的透射率；二是在极点附近的频率范围内扫描，测量特定血糖浓度下透射率的峰值。血糖质量浓度为20～182 mg/dL时，第二种方式下传感器的灵敏度均高于第一种方式；当血糖质量浓度高于182 mg/dL时，第一种方式在1466.40 THz频率下的灵敏度要比第二种方式高。可以将本文对血糖浓度的传感方式推广到对其他生物样本的测量上。

为了构建光学三极管模型,设计了一个基于半导体磁性材料InSb的PT(parity-time)对称耦合微腔的结构模型。通过结构参数优化,产生了PT对称结构磁场强耦合的极点效应。在极点频率附近,通过改变输入电流信号改变施加在磁性材料上的磁感应强度,实现极点状态下信号的放大输出。这种放大可以是同相,也可以是反相,该设计实现了特殊光学三极管模型。

为了解决产生光量子霍尔效应的模型存在的边界态局域较弱和带宽较窄问题，构建了三角复式晶格光子晶体，并利用简约布里渊区中心点的能带简并得到奇宇称的p轨道和偶宇称的d轨道。首先，通过晶胞缩放反转两个轨道的位置，使拓扑相位发生变化。然后，分析了影响拓扑平庸结构带隙和非平庸结构带隙的主要因素。最后，对两种结构的介质柱半径和缩放距离进行了优化计算，找到实现两种结构最大公共带隙的最优参数，可实现的最大相对带宽为24.59%。在最优结构参数的基础上构建边界结构并计算出边界态色散曲线，结果表明，该边界态在有效带宽为0.0435时具有较强的自旋方向锁定和边界电磁场局域效应。

基于二维磁光光子晶体和拓扑光子学理论,提出一种新的光路传输网络结构,其由一系列光子晶体和空气的矩形单元组成。首先根据施加正向磁场、负向磁场和空气区域的三种情况分别标记为“+1”、“-1”和“0”并将其作为编码单元。然后构建2×2、3×3和4×4三种光路矩阵网络。最后利用COMSOL软件模拟光波的传输路径。仿真结果表明,通过不同的编码序列可以对光路实现灵活和多样的控制,从而在未来光集成回路中满足高密度光路传输和大容量信息处理的要求。

为了实现可见光全波段光波吸收器, 设计了石墨烯和一维光子晶体的复合结构。用修正的传输矩阵法研究它的传输特性。通过参数的优化和设计级联结构, 在正入射条件下该结构在整个可见光波段除两个个别频率吸收率为0.7和0.66外, 其余吸收率均达到0.88。结构的吸收还具有对入射角度不敏感的特征。

为了获得圆偏振和激光输出一体化的结构,利用增益和损耗微腔、磁性微腔和金属层组成一个复合结构体系,并借助4×4传输矩阵研究该结构的传输特性。结果发现,该结构在一定结构参数范围内产生了较强的法拉第旋转效应,并获得了增益传输模式,实现了多种椭圆偏振或圆偏振激光的同时输出。此外,在某些特定结构参数和特定波长条件下,该结构会产生超强的圆偏振激光。

设计了一种嵌入磁性材料微腔的可调制的PT对称结构。通过传输矩阵法计算结构的传输谱,研究了磁微腔共振对PT对称结构的调制效应,得到一种可被入射角度方向和大小双重调制的增强的非互易带边模式,调制结果是带边模式在左右带边的转换。磁场大小的增加会导致带边模式向高频移动,磁场方向的变化也会引起带边模式在左右带边的转换。

为了实现更高灵敏度的温度传感,提出一种基于宇称-时间(PT)对称结构的光学温度传感器理论模型。该模型在PT对称布拉格反射镜结构中嵌入热光材料共振腔。热光材料的折射率随温度变化,进而影响结构在缺陷模式处的透射率大小。利用传输矩阵法计算模型的透射率谱线,结果显示,在不同温度下,该结构的缺陷模式透射率大小变化远大于模式位置的变化,因此,通过透射率大小的变化可实现温度传感。微腔共振导致结构具有独特的增益放大,该传感器灵敏度最大可达6.82 dB·K ^-1,检测范围最大达44.4 K,并且可以通过调节结构参数,使传感器在小范围高灵敏度和大范围低灵敏度两种模式之间转换。

提出一种新的机制实现光延迟,构造了含单向边界回路和单向空气波导的复合波导。电磁波传播通过边界回路时,其单向传播和干涉相长效应使电磁波绕过 这些回路达到完美传输,这些回路由于增加了额外传播距离而导致光延迟。该复合波导的独特之处在于它拥有光延迟、单向传播和克服散射损耗的复合功能。频域 和时域仿真分别论证了其完美传输和时间延迟功能。