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表面等离子体激元是一种产生于金属与介质界面上的表面电磁波,具有局域增强效应,还能打破衍射极限,在亚波长尺度对光场进行调制。这些特性使表面等离子体激元在微纳光学中扮演着重要的角色,被广泛地应用于波导、超表面等微纳器件设计之中。相比传统光学波导,表面等离子体波导具有更小的体积,在未来高度集成的片上全光通路中具有重要应用价值;超表面能够利用其微结构形成的表面等离子体共振在微观尺度影响光波,从而在宏观尺度实现各种新颖的光调制效果。两者目前都是微纳光学中热门研究方向,具有极大的研究与应用价值。在本文中,我们基于表面等离子体激元的传输和局域特性,通过理论分析和模拟仿真,设计了一系列微纳光学器件。其中,基于表面等离子体金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)波导结构,我们设计了多个用于片上全光通路的器件;基于金属和石墨烯在太赫兹波段的表面等离子体效应,我们设计了一种光电调制超表面器件。本论文的主要研究内容和创新点包括:1.利用一种新型的耦合结构,在MIM波导系统中首次提出了基于环形腔结构的片上滤波器和波分复用器设计方案。此工作将经典的环形腔结构引入到MIM器件中,填补了空白。2.基于同心双环腔结构,在MIM波导系统中设计了一种超高分辨率片上传感器。利用双环腔产生的超模,此传感器不仅具有平均水平的灵敏度,更具有远高于其他同类传感器器件的分辨率。3.结合非线性材料,在MIM波导系统中首次提出了基于等离子体感应透明效应(Plasmon-induced transparency,PIT)的片上多通道光开关设计方案。通过改变泵浦光能量,此器件能够实现在通信波段的单通道和多通道开关调制。4.在MIM波导系统中,首次结合增益材料提出了基于PIT的片上慢光增强方案。通过增加泵浦光能量,该有源器件的延迟时间能够远大于其他同类的无源慢光器件。5.在MIM波导系统中首次提出了一种能够极大降低加工难度的直接耦合结构,并基于此结构成功实现了PIT。此耦合结构对促进在实验上实现多样化的MIM波导结构具重要意义。6.基于石墨烯-金属混合超表面结构,提出了一种在太赫兹波段实现对宽带PIT的调制方案。此超表面不仅能够实现对PIT强度的调节,更能够实现对PIT带宽的调节。此种多维调制方案能够大大增加对太赫兹波调制的自由度,具有重要意义。