集成电路按照摩尔定律发展了30多年,但由于量子临界效应和功耗问题,正在逐步逼近其物理极限。因而,探索新的信息载体的调控成为信息技术发展的重大课题,而其中光子调控是一个重要候选。近20年来,光子晶体、金属表面等离激元、超构材料等人工微结构材料的研究为人们操纵光子提供了新的材料、思路和机遇。而另一方面,为了使光子技术与传统硅基微电子工艺兼容,人们从应用角度提出了硅基光子学,为硅基光电集成提供了有力支撑。在设计这些光学结构和系统时,自然界只提供几种基本的材料参数：实部折射率,增益和损耗。在之前大部分研究中,结构和器件的设计主要基于巧妙地调控材料的实部折射率,而忽视了虚部折射率,即材料的增益和损耗系数。然而,系统中无处不在的损耗通常都被看作影响器件的不利因素,增益则因为它能克服系统损耗甚至实现光的激射在光电子学中则具有重要价值。最近几年,人们基于早期量子理论发展了时空对称光学(Parity-Time Symmetric Optics)。这个新兴领域为同时调控材料的实部折射率,增益和损耗实现新奇光学性质提供了一个新的途径,也为发展新一代光子器件提供了新的可能。本论文主要致力于借助人工微结构材料的设计理念,在硅基光子学的平台上,研究时空对称光学和对称破缺奇异点处的新奇光学效应,以及开发新型的光学器件。本论文的研究内容主要包括以下几个方面：(1)不同于垂直于波传播方向上的时空(Parity-Time,简称PT)对称的双波导耦合结构中光波的不对称能量振荡,本论文第二章节中,我们首次在理论上提出了在硅基光波导中引入一种沿光波传播方向的PT对称调制可以实现传播方向上能量的不对称传输。我们分析该系统在PT对称相变的阈值点可以实现波导传播模式的单向转化,而且这种效应对截断增益区间的被动PT对称调制仍然满足。我们利用超构材料的设计思想对原先微观函数调制进行了一些巧妙的变换,最终转化为材料的宏观形状调制。数值模拟验证了每一步变换过程都能保持单向效应。在实验中利用互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容工艺技术制备出了相应的硅基波导光子芯片,并用近场光学显微镜测量了近场的幅值和相位,结果证实了在该硅基被动PT对称光波导中,光波沿传播方向不对称的能量振荡——单向模式转化。(2)在本论文第三章节中,我们理论上提出了一种一维PT对称非厄米散射系统,发现PT对称散射系统打破了传统厄米散射系统中透反射率守恒的关系。通过讨论散射系统中的散射矩阵本征值,我们提出了被动PT对称散射系统除了平均背景耗散,具有与均衡PT对称系统完全类似的PT对称相变过程,在对应的相变奇异点能实现与均衡PT对称系统类似的单向无反射现象,实现波的单向隐身。结合耦合波理论和数值模拟,我们自洽地验证了这一新奇的光波不对称传输效应。利用超构材料在介电常数的复平面中的设计思想我们通过调控光学材料的形状和厚度在硅基波导中设计出了相应的超结构,继而采用了CMOS兼容的加工工艺成功制备出了相应的光波导样品,在PT对称相变奇异点处测得前向和反向反射率在整个宽带通讯波段内差值超过7个分贝,实现了一种新奇的单向无反射效应。该研究首次在硅基光学平台中清晰地观测到了PT对称相变奇异点以及相应的PT对称性的自发破缺过程。我们的研究,独立开发了一种基于硅基光子芯片的非厄米光学平台,它不仅可用于模拟和观测一种可解的开放系统中量子力学原理和动态演化过程,并且为实现新一代光子集成器件提供了新的原理和手段。(3)利用光子系统模拟量子力学原理和凝聚态物理过程中的新的物相,具有重要的科学意义和器件应用前景。因为,相比于凝聚态电子系统,光子系统具有更大的可控性和可观测性,而且易于集成。基于此,在本论文第四章节中,我们首次在硅基光子芯片中利用硅波导耦合阵列研究了厄米和非厄米光学布洛赫振荡效应。在该章节中,我们分别研究了硅基厄米和被动PT对称的非厄米直波导阵列的色散曲线以及PT对称性,并用自洽的耦合波理论和数值模拟研究了两个系统在等效外场下的光学布洛赫振荡效应。硅基厄米光子晶格中的周期势和作为恒定外场的线性梯度势由弯曲的波导阵列来实现,而被动PT对称非厄米光子晶格中的复数光学势由相同的弯曲光波导阵列结合额外的间隔地的沉积在硅波导上的损耗铬层来实现。采用CMOS兼容的加工工艺,我们成功地制备了厄米和非厄米光波导阵列,并通过扫描近场光学显微镜,在空间域中直接、连续地观察到相应的空间分布的光学布洛赫振荡和相关动力学过程。除了厄米光子晶格中经典光布洛赫振荡现象外,我们在非厄米布洛赫振荡的汇聚点首次观察到了明显的空间二次辐射现象。我们分析这与我们系统的无阈值的PT对称性破缺有关。这个可硅基集成的厄米和非厄米光子系统,为拓展芯片上的光量子模拟和研究非厄米光学输运供了新的平台。