传统光器件中，背向散射是导致器件性能下降的主要损耗源。人工超材料中存在的可类比量子霍尔态的电磁单向边界态，具有独特的单向传输和完全的背向散射抑制特性，为传统光器件中存在的背向散射损耗问题提供了很好的解决方案。这种理想的光传输性质在光子系统中是前所未有的，其在构建对缺陷免疫的高性能光子器件方面展现了广阔的应用前景。
　　本文的研究内容主要是围绕基于人工超材料的单向传输效应以及这种独特的单向传输效应在光子器件中的应用这两条核心主线进行展开的。一方面是研究了基于磁性光子晶体的单向边界态在谐振腔、慢光波导等光子器件中的应用，另一方面是设计了新型超材料结构，在高频波段实现了电磁波单向传输，并研究了单向传输特性在拓扑谐振腔以及连续可调的功率分配器中的应用。通过理论计算和数值仿真取得的主要研究结果总结如下：
　　(1)为了解决光器件性能易受制造工艺缺陷或环境变化导致的背向散射损耗影响的问题，研究了基于磁性光子晶体的光子晶体环形谐振腔。由于磁性光子晶体中的边界态具有独特的单向传输和完全的背向散射抑制特性，该谐振腔中电磁波是单向旋转的，其旋转方向由垂直于旋转平面的外加磁场方向控制。此外，谐振腔的本征频率分别位于光子晶体的第二个和第三个光子带隙中时，其对应的谐振腔中电磁波的旋转方向相反。谐振腔的品质因子为3.2?106，该值比相同尺寸的传统光子晶体环形谐振腔高一个量级。数值仿真结果显示这种独特的单向旋转特性使其品质因子几乎不受谐振腔中引入缺陷的影响。这一特性使得该器件对制造工艺偏差具有较高的容忍度。
　　(2)为了解决传统通道下路滤波器性能易受波导中缺陷的影响的问题，研究了基于磁性光子晶体的单向下路滤波器。该滤波器由具有单向旋转特性的光子晶体环形谐振腔与两个单向波导耦合构成。与传统的通道下路滤波器中通过控制激发模态对称性和谐振腔与波导之间的相对耦合来选择输出端口的方式不同，该单向通道下路滤波器结构中，通过控制外加磁场的方向即可实现将信号路由到任意预先选定的端口。数值仿真结果显示，共振频率处，两个波导之间的能量转移效率为96.7%，而且该值几乎不受滤波器中引入缺陷的影响。因此，通过级联四端口的滤波器可能实现多通道的设计。该研究结果可用于波分复用及相关集成光子技术中。
　　(3)为了解决光子晶体慢光系统对背向散射特别敏感的问题，研究了基于磁性光子晶体的单向慢光波导。通过优化结构参量和调整外磁场强度，实现了具有较大归一化延时带宽积和低群速度色散的慢光。通过有限元频域和时域数值模拟波导中存在不同类型缺陷或障碍物时电磁波的传输，验证了其对背向散射免疫的特性。与传统的慢光波导相比，该结构不仅具有更高的归一化延时带宽积和更低的群速度色散值，而且对背向散射免疫。
　　(4)为了将单向传输的研究扩展到可见光波段，提出了以等离子体/半导体/旋电超材料为背景材料的光子晶体结构。在垂直于平面方向的外加磁场作用下，光子晶体的块体能带中出现相对宽度约为24%的光子带隙。通过数值计算光子晶体投影能带，理论验证了带隙中边界态的存在。该边界态具有单向传输特性，对各种类型的缺陷和障碍物具有良好的鲁棒性。该边界态位于光锥之外，因此电磁波沿着光子晶体边界自导的单向传输而不需要辅助限制层，而且其传输的方向取决于外加磁场的方向。作为一种可能的应用，设计了一种不受几何形状限制的拓扑腔。该腔只支持顺时针或逆时针方向旋转的电磁波，因此该结构可承受不同角度的弯曲。
　　(5)为了实现利用均匀连续介质将单向传输的研究扩展到太赫兹波段，设计了一种基于介电/磁化半导体交替层结构的双曲旋电超材料。在外加磁场作用下，超材料的等频面分离，出现空间间隙。通过理论计算验证了空间间隙中单向表面模的存在。通过数值仿真电磁波在不规则界面的传输验证了该表面模的单向性和对背向散射免疫的特性。通过将两块相同的超材料结构对接，并施加反向的外加磁场，实现了将单向表面模数量加倍。作为一种可能的应用，设计了基于多表面模的连续可调的功率分配器。