光子晶体,作为一种具有带隙结构的人工晶体材料,由于其制备的器件具有响应速度快,体积小,集成度高,价格低廉等诸多优点,因此在光波导和光通信方面具有重要的价值。然而,其容易受到制造缺陷影响,使光波在传输的过程中发生强烈的后向散射,造成比较大的损耗。近年来,拓扑光子晶体中光波的传输特性及其应用研究受到许多科研工作者的青睐,究其原因,就在于存在受拓扑保护、免疫缺陷且能抑制后向散射的边缘态,使其在发展无损传播的光学系统、高效的光学器件等方面具有巨大的潜力和广阔的前景,从而突破常规光学元件性能受到背向反射和弯曲损耗的影响,难以进行大规模集成的限制。本论文基于光量子谷霍尔效应,通过破坏空间对称性提出了一种谷光子晶体（VPC）,实现了拓扑相变。在此基础上,提出了受拓扑保护的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）和折射率传感器两种光学器件,并对器件进行了设计、仿真与性能研究。主要研究内容如下:（1）通过破坏系统的空间反转对称性,提出了VPC的一种具体实现方法,并详细阐述了其实现拓扑相变的机理和过程。不同于传统的基于光量子霍尔效应的拓扑光子晶体,该VPC是在保持系统时间反演对称性的前提下使用常见的硅材料实现的,无需使用磁性材料或外加磁场来破坏时间反称,由此降低了相关的加工技术难度。同时,通过对基于VPC的波导（TPWG）与基于传统光子晶体的波导（PCWG）中的光波传输特性进行比较,突出了VPC中受拓扑保护的边缘态的后向散射免疫和单向传输的特性。（2）基于VPC提出了一种拓扑保护的马赫-曾德尔干涉仪（TPMZI）,仿真结果表明,该TPMZI即使在有缺陷的情况下也能保持高效和稳定性,主要表现为:光的宽带高透射率,在1500-1600nm的波段范围,输出端的光透射率达到了95%以上;高灵敏度,当探测臂中填充的物质折射率在1-1.15变化时,灵敏度能达到662%/RIU以上;高消光比和调制深度,消光比能达到25.dB,调制深度能达到99.3%;缺陷免疫性,当系统中存在非谷混合的缺陷,典型的例如检测过程中的粒子阻塞和结构加工中的无序缺陷时,依然能保持抑制后向散射,保证了输出的高效性和干涉仪功能的稳定性。（3）基于VPC提出了一种拓扑保护的折射率传感器（TPRIS）,分别对基于波导和谐振腔耦合波导两种不同结构进行了设计,并与同等条件下基于传统光子晶体的拓扑平庸RIS进行对比。仿真结果显示,基于波导结构的TPRIS在折射率取值为1²的探测范围之内平均拟合度可以达到99.91%,表现出宽的探测范围。其探测灵敏度为278.8nm/RIU,是同等条件下拓扑平庸RIS的3倍;基于谐振腔耦合波导的TPRIS灵敏度有了明显提高,为438 nm/RIU,相比拓扑平庸RIS灵敏度的291nm/RIU依然具有明显优势。在假设光谱仪的分辨率为0.01nm的条件下,其最小分辨率为2x10^-5RIU,足以辨别细微的折射率变化。还研究了其对光子晶体原胞中棒子半径变化的灵敏度,其中TPRIS的灵敏度为3.2,拓扑平庸RIS的灵敏度为6.7。结果表明,TPRIS在灵敏度、对加工误差的抵抗性等方面都更具优势,优于基于传统光子晶体的RIS。