近年来,非厄米性质的研究引起了人们广泛的关注。时空对称性(Parity-Time Symmetry,PT)的研究揭示了非厄米哈密顿量的重要性,其不仅能够描述开放系统、增益损耗系统,更能够产生实数本征值,从而对应可观测的物理量。非厄米性质的研究极大拓展了人们的研究范围,提升了人们对非厄米系统的认识。电子系统的非厄米特性在真实实验系统中难以随心所欲地调控,而光学系统则由于其易调控、杂质少、易制备、易表征的优势,渐渐成为能够类比电子系统的优异实验平台。光子晶体的能带结构则能直接与电子材料的能带结构相互类比和启发。此外,光学系统的非厄米研究为人们提供了新的研究思路,拓展了人们对光学增益/损耗的认识。通过调节增益损耗的大小和空间分布,非厄米势能调制为系统提供了一个额外的自由度,能够对系统的本征值、能带结构进行调控。而非厄米自由度也能够带来新颖的光学现象和更强大的光学调控能力。非厄米研究与很多光学器件和光学体系都能够完美兼容,如光波导、光子晶体、光学谐振腔和光学超晶格等。这使得光学系统和非厄米研究能够相互促进,相得益彰。本论文主要聚焦于光学非厄米研究领域。将光学非厄米势能调制与传统光学器件相结合,探究由此引发的新现象和新效应。具体工作内容如下:1.设计了一种时空对称光栅。这种光栅由硅波导和银涂覆的二氧化硅波导交替组合而成,同时具有实部和虚部的光学调制。通过精确设计光栅的结构、尺寸等参数,我们在1550nm处成功构造出非对称的衍射级。此外,这种非对称的衍射效应是偏振依赖的,仅对TM偏振的模式产生响应。我们研究了硅波导和二氧化硅/银复合波导之间的距离对奇异点和非对称衍射之间的影响,表明了系统非对称衍射的根本原因在于损耗介质和结构设计共同作用下的结构非对称性。此外,我们还探究了不同入射角、不同增益损耗系数变化下,光栅非对称衍射的变化情况。2.设计了一种基于非厄米光学系统时空对称奇异点的光学多层膜结构。在近红外波段,通过带隙较小的III-V族半导体引入光学损耗。通过粒子群优化算法寻找损耗层的厚度和分布的最优解,使得此多层膜结构在1550nm的通讯波段展现出不对称的反射率,即多层膜的正向反射率和反向反射率具有较大差异。更重要的是,反射率较小的一侧在精确调控下,能够理论上达到反射率为0。在此结构下,通过外加光源入射到此结构中,利用半导体材料的光电效应所产生的光生载流子,能够引起半导体材料自身折射率发生变化。通过测量两侧反射率之间对比度的变化,实现外加光源探测。3.基于耦合共振光波导结构,设计了一种二维蜂窝点阵光子晶体。六角晶格和kagome晶格的复合使得光子晶体布里渊区不同高对称点处同时出现二重简并和三重简并的狄拉克点。复式晶格的特殊设计使得结构中产生破坏性干涉现象,从而导致在通讯波段中出现横跨布里渊区的平带色散。耦合共振光波导中的顺时针旋转模式和逆时针旋转模式在波导中的单向耦合能够形成人工规范场,从而实现赝自旋轨道耦合,能够使得狄拉克点简并打开并在平带和相邻能带间形成无能隙的边界态。我们基于这种拓扑边界态设计并模拟验证了形状不规则拓扑微腔、分束器这两个具有真实应用价值的器件。4.设计了一种基于光学耦合共振光波导的一维Su-Schrieffer-Heeger模型。我们利用耦合共振光波导所特有的单向耦合特性,将其与非厄米调制相结合,成功实现了左右非对称的耦合。当取开放边界和周期性边界条件时,奇异点的位置发生变化,从而产生特殊的体边对应关系。系统体态展现非厄米趋肤效应,即体态场分布局域在边界处。我们构建了紧束缚哈密顿模型并分别计算其在开放边界条件和周期边界条件下的相变点位置,并通过有限元模拟得到了光学结构的投影能带数据。