表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是由金属表面的自由电子和光子相互作用激发形成一种电磁表面波。基于SPPs的纳米器件能够将光波局限在金属表面的亚波长区域内,从而可以突破衍射极限对传统光学器件的限制,实现纳米级别的光传输与处理。SPPs的独特性质,使得它在新能源、传感和高灵敏生物检测等领域获得了广泛的应用。随着对SPPs研究的逐步深入,其在新型光子学器件和光学传感等微纳米器件研究领域必将拥有更加广阔的发展前景。本文基于对称与非对称两种金属包覆介质波导提出了一种纳米三维等离激元波导(three-dimensional plasmonic waveguide,TDPW),用有效折射率理论分析了其传播特性,然后以TDPW为基础设计研究了多种微纳光学器件,利用时域有限差分方法进行了对设计的波导及器件的性能做出数值仿真验证。具体工作如下:(1)应用有效折射率法和数值仿真对SPPs在TDPW的传播特性进行了研究,分析了在两种固定波长(1550nm和635nm)情况下,改变波导几何参数包括包覆层金属Ag条的宽度’和高度Am,以及中间介质层Si02的厚度td对传播特性的影响。结果表明,SPPs被强烈的局域在TDPW的芯层内,该波导对光的约束性非常好。此外还对波导结构进行了优化,在入射光波长1550nm和635nm时,波导在几何参数分别在wm=80nn7、hm=200nm、td= 70n/n 和 = 60nm、hm=90nm、td=70nm时,传播性能表现最佳。(2)以TDPW为基础,我们研究了在倾斜直弯曲和90°弯曲两种情况下,波导内SPPs的弯曲传输效率。结果表明,在倾斜直弯曲下在较大弯曲角度θ,波导内SPPs仍能保持较好传输效果,例如在θ=60,,入射波长为1550nm时,透射率仍可达到74%;对于90°弯曲情况下,在入射波长为1550nm,弯曲半径在1.1 μm,可以达到无损传输效果(不计欧姆损耗)。(3)在对基于TDPW的定向耦合分析中,研究了在固定波长1550nm下,耦合长度和耦合效率随波导间距变化关系,发现有最小耦合长度;紧接着研究了波导阵列中,光学离散衍射随波导间距变化的表现情况。(4)基于TDPW,提出了环共振器和Add-Drop Filter。从理论上推导了自由光谱范围(the free spectral range,FSR)大小与弯曲环半径的大小成反比,即半径越小,蜀明就越大;FDTD数值仿真说明,在同样情况下,环共振器和Add-Drop Filter两种结构的环共振频率和FSR范围均一致。(5)通过均匀缩减TDPW覆盖层金属Ag条的宽度,我们由此设计出了一个纳米光聚焦器,入射光源宽度为800nm。仿真效果表明,输出端达到饱和时,而聚焦尺度可缩小至入射光源宽度的25%;并且输出端聚焦光斑达到最大输出强度时,聚焦尺度可进一步缩小至入射光源宽度的10%。(6)最后提出并设计了一个基于TDPW的M-Z分束干涉器,利用光干涉原理,通过调节单个干涉臂的折射率,实现了对输出光的干涉相增或相消效果。该结构广泛应用于传感检测领域。