信息科技在当前时代的需求逐渐加大,人们对信息传输容量和速率的要求也随着变高,传统的光学元件已经不能满足现在的通信系统需要,研究人员开始研究新型材料制造新型光学元件用于通讯等其他方面。在传统光学元件中,一个光学系统需要多个光学元件组成,导致了光学系统结构复杂、体积庞大,基于超材料的一些光学应用使这些问题得到了解决。基于超材料的光学结构利用人工对表面结构进行布局,利用其区别于天然材料的功能,达成了许多天然材料不具备的调控性质。通过对表面的微纳结构进行尺寸、形状和位置的调整,光学元件可以实现对于入射光的相位、振幅和偏振状态等特性的调控,从而达到调整光学波前的目的,为多功能光学元件奠定了基础。基于超材料的新型光学元件集成度将更高,体积更小,单个元器件具备实现多光学功能的潜力,从而大大减少了光学系统的体积,提高了调控效率,能够更完美的适应现在飞速发展的信息技术,在非线性光学,光学传感器,高分辨率成像等方面都能得到极大的应用。本论文主要对基于一维及二维超材料光学器件的结构设计方法进行了讨论和性能仿真,主要内容可概括如下:(1)介绍了关于超材料的研究背景和研究现状,分别对一维超材料和二维超材料进行了讨论,分别介绍了基本的分类方法和研究方法,以及数值计算方法。介绍了不同的研究机理,并分别提出了其应用。(2)提出了具有高品质因数和高光机械耦合效率的一维超超材料硅基光子晶体条形开槽波导微腔。对其设计原理,理论背景知识,计算方法进行了介绍;对一维硅基光子晶体的光和机械的模场模式,相关参数,耦合模式进行了理论分析,在谐振波长1550nm处一维硅基光子晶体能产生1.06×106的高品质因子和3210k Hz的高光机械耦合率。硅基集成技术具有高速率,低损耗,与CMOS工艺兼容等特点,将为集成硅基光子混沌源提供一定的支持。(3)提出了一系列基于计算全息方法的二维超材料单焦点和多焦点超透镜,介绍了超透镜的基本设计理论和聚焦物理机制。研究了在可见光500nm-750nm范围内,通过计算全息方法设计了超透镜的表面相位分布,并根据Pancharatnam-Berry相位分布排布了超透镜表面的单元结构,得到了单焦点和多焦点超透镜。此外,超透镜对于单焦点和多焦点的聚焦能力和聚焦效果,比起以往工作,提升了15%左右的聚焦效率,突破了传统光学衍射极限,简化了设计流程,可以灵活设计超表面结构。讨论了多波长共焦面超透镜的宽带性能,它们也获得了良好的聚焦效果,并突破了光学衍射极限,为将来的光学拓扑和光存储提供一定的技术支持。