非互易光子器件作为光子系统中不可缺少的匹配元件,包括光隔离器、光环行器和光二极管等,可以实现光信号的定向传播和调控。在将光子系统不断小型化,集成化的过程中,对各个光处理功能器件的小型化势在必行。在这样的前提下,可集成片上的微纳尺度非互易光子器件的研究显得尤为重要。本文利用时间反演对称性破缺机制,分析了非互易光传输行为的产生机理,并设计了几类结构简单的非互易光子器件结构。同时,对非互易光子行为的结构,材料等参数进行了深入研究。本论文的完成受到了教育部科学技术研究重大项目培育基金和国家自然科学基金的资助。具体的研究内容如下:1.磁光光子晶体中单向波导的电磁传输特性研究1)利用磁光光子晶体设计出了单向的光子晶体波导。在该波导内特定频率的电磁波只能沿某一特定方向传播,而反向传播被抑制。2)基于磁光光子晶体带结构分析,指出该单向性电磁模式源于磁光光子晶体中因外磁场所引入的独特带隙结构。3)讨论了电磁波耦合进入单向波导的奇异耦合特性。2.磁光介质磁畴壁处单向边界模研究1)利用磁光介质引入的时间反演对称破缺机制,提出在磁畴壁处存在的一种单向性边界电磁模式,并深入讨论了其存在条件,产生原因和电磁隔离的一些特性。2)而后基于这一单向电磁模式,提出了一种结构简单,且具有宽频特性的电磁隔离器件结构,并且分析了此结构的隔离特性。3.基于非互易微环谐振腔的光信号隔离研究1)基于磁畴壁处的单向性边界电磁模式,构建了含有磁畴壁的非互易波导结构,并计算了此非互易波导的正、反向传输模式的色散关系。2)基于此非互易波导提出并讨论了一种非互易微环谐振腔结构。数值结果表明,此非互易微环谐振腔可以在可见光频段实现高于20d B的光信号隔离。4.高透过率大角度波导弯折结构的研究1)基于磁畴壁处的单向性边界电磁模式,在微波频段提出具有非互易传输特性的波导结构。2)并着重分析了利用此非互易波导进行高透过率波导弯折的可行性。通过在磁畴壁弯折处添加圆角过渡,实现了大角度的高透过率波导弯折。数值仿真结果表明此波导弯折结构具有宽频的高透过特性、弯折结构紧凑、保持电磁模式分布的最小畸变三个显著特点。5.非互易超常光学透过现象研究1)提出一种双层光栅结构,在近红外频段实现了非互易的超常光学透过现象。2)进一步分析了这一结构的超常光学透过非互易性与入射光角度和磁光介质层厚度均有关。当入射角度为27°,对应磁光介质层厚度为290nm时,正反方向透过谱的非互易性可达57.6%。