随着现代信息科学技术的发展,人们对人工神经网络的研究有了进一步的深入,它在系统识别和控制、经济、生物以及医药等领域解决了很多现代计算机无法处理的问题,显示出其强大的功能和潜力。但传统人工神经网络模型的计算效率较低并且还有较高的能耗,如何突破传统电子技术对人工神经网络的限制就显得至关重要。结合集成光学技术计算速度快、损耗低的特点,光学神经网络系统以其超高计算速度、高计算精度和超低功耗推动了光子集成技术与神经网络在人工智能、智能感知与智能认知等领域的发展。作为光学神经网络系统的核心,支持光学神经网络的基本光学逻辑器件是决定光学神经网络系统能否成功落地的重要因素。早期的光学逻辑器件是基于半导体激光器和光放大器的,尽管这些器件能够实现相应的逻辑功能,但由于其尺寸和功耗导致它在光学计算应用中的表现不尽如人意。在后续的研究中,由于衍射极限的限制,硅基器件的尺寸需要大于半波长范围,不能满足高集成度光子设备的要求。随着研究人员对表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）的进一步研究,在突破了光的常规衍射极限的基础上,实现了对亚波长范围光的操纵,光逻辑器件的集成度进一步提高。基于表面等离子体激元,本文设计了两种不同运行方式和逻辑功能的多功能逻辑器件,具体研究内容如下:1、利用Drude理论模型对仿真中金属的特性进行定义,对表面等离子体激元的激发、传播等物理特性进行了理论研究,使用耦合模理论对逻辑器件的金属-绝缘体-金属（Metal-Insulator-Metal,MIM）基础模型的耦合过程进行了数值分析,利用时域有限差分法（Finite-difference Time-domain,FDTD）对所提出的理论模型进行了数值仿真。2、设计了一个可以同时实现多个逻辑功能的逻辑器件,它由一个马赫曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer,MZI）波导和一对相同的内嵌有可旋转椭圆的六角形谐振腔构成,采用时域有限差分法模拟所提出的结构。最终可以同时实现四种逻辑功能:NOR、AND、OR和NOT。通过对模拟结果的计算,得到了四个逻辑门的对比度的结果。与同类逻辑器件相比,所提出的逻辑器件具有更好的性能。因此,该结构在光通信和光子集成设备领域具有良好的应用前景。3、设计了一个可以实现所有基础逻辑功能的逻辑器件,它由两个内嵌有长方形的六边形谐振腔和三根MIM波导构成,通过在上下两个波导中输入特定相位的光来作为逻辑输入并利用两束光的相互干涉可以在同一个的波长处实现所有的逻辑功能。通过仿真对其在这一波长处的逻辑功能的性能进行了计算分析。该逻辑器件可以在光集成电路当中充当一个多面手的角色,无需变换器件就可以改变所实现的功能,进一步提高了光集成器件的集成度。