随着通信系统的不断发展,电子器件带宽和速率有限且噪声干扰较大等问题逐渐显现出来。光子器件有着较大的通信带宽、较快的处理速度和较好的抗干扰性能,但是由于衍射极限的存在,导致传统光子器件的体积相对较大,无法在芯片中进行集成。表面等离子体激元可以把电磁场强烈地束缚在金属表面,突破衍射极限,因此在纳米光子领域具有重要应用。本文基于表面等离子体激元在单一金属膜上设计了新型的表面等离子体光调制器,通过多芯光纤进行耦合输入和输出。调制器主要包含耦合模块、偏振旋转模块和调制模块,能够实现光波与表面等离子体激元之间的相互转化,极化旋转,信号调制等功能,且器件体积与传统光调制器相比缩小了两个以上的数量级,是现代通信系统中的理想器件。具体工作如下:1.对表面等离子体相关理论、传输特性以及典型的波导结构进行了分析。分析了MIM波导中的一阶和二阶波导模式,并研究了不同波导模式对金属纳米槽和非对称金属纳米槽SPP激发的影响。利用一阶和二阶波导模式之间的相互转化,构建非对称纳米槽实现了SPP定向激发。2.在调制器耦合模块,设计了非对称槽光栅和组合光栅耦合器。两种光栅均设计为垂直耦合,椭圆聚焦的方式。利用非对称纳米槽,设计了非对称金属纳米槽垂直金属光栅,三维模型下其1-d B耦合带宽可达110nm,入射波长为1535nm时,耦合效率最高达-2.1d B。利用单金属纳米槽和非对称金属纳米槽,设计了组合光栅,能够以更高的耦合效率实现垂直单向耦合,其1-d B耦合带宽能够达到90nm,在入射波长为1545nm时,最高耦合效率可达-1.8d B。两种光栅均采用椭圆聚焦的形式,整个耦合模块的横向尺寸控制在12μm的范围之内。3.设计了调制器的偏振旋转模块和调制模块。设计了基于针尖结构的偏振旋转模块,实现了将金属表面传播的表面等离子体激元转化为水平对准极化的MIM波导间隙等离子激元模式,并对其原理进行了分析。调制模块实现了信号调制,调制完成的信号再通过偏振旋转模块和垂直金属光栅耦合器输出到光纤模式。表面等离子体光调制器的损耗15.1d B。调制模块的长度仅为10μm,当调制臂中填充电光系数为343pm/V的JRD1材料,采用“推挽”的工作模式,其半波电压为5V。整个器件的尺寸限制在44×10μm~2的范围内,有利于将器件集成到芯片,为片上光互连奠定了基础。