反手性拓扑光子态是具有抗背向散射及免疫缺陷特性的新型波导态，其在拓扑光子晶体的两个平行边界沿相同方向单向传输，在拓扑激光、集成光路、量子信息等领域展示出应用潜力。本文聚焦反手性拓扑光子态研究进展，从Dirac模型出发，推演经典Haldane模型、反手性Haldane模型以及异质Haldane模型，并展示不同拓扑态的传输行为。讨论手性边界态、反手性边界态以及单向体态在光子晶体中的实现，重点介绍基于反手性拓扑光子态的紧凑单向波导、拓扑环形腔、拓扑分束器等拓扑光学器件。最后针对反手性拓扑光子态研究面临的关键问题、未来发展趋势进行分析和展望。

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。

电磁波在媒质中的传输行为与媒质等频线的形状密切相关。双曲超材料的等频面为开放的双曲面,它支持任意大波矢的传播,将通常环境中以倏逝波形式存在的电磁波大波矢分量转换为传播场,从而实现更多奇特的电磁传输性。基于双曲线型等频面超材料,通过调节等频线的形状,制备出兼具双曲超材料和零折射率材料的新型材料,该材料不仅可以支持大波矢实现高方向性单向传输,同时可以将任意角度入射的电磁波以零角度折射,从而实现亚波长聚焦和超分辨特性。利用微波实验验证了高方向性单向传输特性、亚波长聚焦和超分辨特性,该研究为双曲超材料的理论和应用研究提供了更多的可能性。

提出了一种基于谷霍尔效应的单向波导,波导结构由两种不同拓扑性质的光子晶体组成。这两种光子晶体均是由Al₇₀Ga₃₀As和Si介质柱构成,可以实现光在通信波段中的单向通过。仿真结果表明,所提结构不仅可以实现光路的大角度转弯,还对缺陷具有良好的耐受性,为具有高效光传输特性的新型光波导设计提供了参考。

基于光子晶体异质结构实现光波单向传输在全光网络和光信息处理中有重要意义。基于全反射原理设计了两种由二氧化硅和锗材料构筑的三角晶格光子晶体波导异质结构, 运用时域有限差分法对该结构在宽频带内的单向传输特性进行分析。通过改变正向出射端波导宽度对结构进一步优化, 实现了在异质结构一中, TE模式光波在1458~1517 nm波长范围内正向透射率高于0.8, 透射对比度高于0.9的单向传输；在异质结构二中, TM模式光波在1498~1689 nm波长范围内正向透射率高于0.8, 透射对比度接近于1的单向传输。

设计了一种基于二维光子晶体波导旁侧Fano微腔的全光二极管结构, 实现光的单向传输。其关键技术是在光子晶体波导中采用简单反射层打破Fano微腔结构上的空间对称性, 使得反射层两侧波导与微腔耦合效率不对称。两侧波导入射光激发微腔非线性克尔材料所需的光强阈值不同, 从而实现单向导通功能。通过有限时域差分(FDTD)方法对其传输特性和性能进行了数值仿真和分析, 研究发现：该结构在较低的光强阈值下可以实现正向导通、反向截止的全光二极管效果; 该结构具有超快的响应时间, 达到皮秒量级; 该结构具有较高的最大透射率(达到90%)和较高的正反透射比。基于光子晶体结构的设计使得该器件可以具有很好的工作波长可调特性, 并易于在目前半导体工艺基础上进行制作以及与其他器件集成。

理论和数值研究了轴向均匀的三层波导系统中太赫兹表面等离子激元的单向传输行为, 三层系统由厚度为d的高介电常数介质层插入到低介电常数介质层和磁光半导体层中间组成。计算结果表明, 在外加磁场的作用下, 系统存在单向传输的频段。通过金属微米粒子的耦合及调节磁光半导体区域的磁场方向, 可以有效控制表面等离子体激元在三端口系统中的传播。