本文设计了一种基于同心纳米圆环谐振腔的金属-介质-金属(MIM)表面等离子体光波导(SPW), 其中外侧是一个完整的环形谐振腔, 而内侧环形谐振腔带有一个微小缺口。利用数值和解析方法分析了不同几何参数下的传输特性。可以发现, 当缺口宽度θ=5°, 位置φ=45°时, 会在波长674 nm处产生明显的等离子体诱导吸收(Plasmonic Induced Absorption, PIA)现象。基于此, 首先研究了该结构在折射率传感器方面的应用, 研究结果表明, 其灵敏度超过600 nm/RIU, 最大品质因子约为700。其次研究了其快光和慢光特性, 在PIA传输谷处会产生约-0.081 ps的光学延迟, 意味着较大的异常色散和快光效应, 而在PIA传输谷两侧的传输峰处会分别产生约为0.045 ps和0.043 ps的光学延迟, 意味着较大的正常色散和慢光效应。这种表面等离子体光波导结构在折射率传感器、纳米滤波器、光开关和片上纳米光学器件集成等领域有一定的应用前景。

本文设计了一种支持多重Fano谐振的金属-介质-金属(MIM)型表面等离子体光波导(SPW)结构,该结构由带有枝节谐振腔的直波导耦合同心双圆环谐振腔组成。利用有限元法进行数值仿真,研究了耦合距离、枝节的高度以及同心双圆环内、外环半径对Fano传输特性的影响。同时,结合磁场分布图,分析了多重Fano谐振形成的物理机理。另外,通过改变填充在同心双圆环谐振腔内介质材料的折射率研究了该结构在折射率传感器领域的应用。该波导结构具有灵敏度为1 400 nm/RIU,品质因数高达1 380的传感特性。最后,本文研究了该波导结构的慢光特性,研究表明Fano峰附近的最大群折射率约为11.4,最大延迟时间约为0.076 ps。这种SPW结构在纳米尺度的滤波器、折射率传感器以及慢光器件等领域有着潜在的应用前景。

本文设计了一种支持Fano谐振传输特性的金属-介质-金属(MIM)型表面等离子体光波导结构,该结构由带有枝节谐振腔的直波导和一个开口方环谐振腔组成。利用数值方法详细研究了Fano谐振传输特性对几何参数的依赖关系,并通过时域耦合模理论(CMT)对给定参数条件下的传输谱进行了拟合验证。同时,也对该结构在折射率传感器方面的应用进行了研究,通过计算介质折射率变化引起的Fano谐振峰的波长变化可以发现,传感器的灵敏度高达1500 nm／RIU,品质因子超过1800。这种表面等离子体光波导结构在光子器件集成及纳米滤波器、快速光开关以及折射率传感器等领域有一定的应用前景。

设计了一种带有枝节的金属-介质-金属(MIM)波导与T型谐振腔侧耦合的表面等离子体光波导结构。利用有限元法(FEM)，数值分析了改变耦合距离、T型腔几何尺寸及其不对称性、枝节高度对法诺(Fano)共振谱线的影响。结合电磁场分布进一步揭示了Fano共振现象产生的物理机理，由此可以动态调节表面等离子体波在结构中传输时产生的Fano共振特性。另外，研究表明在T型腔内填充不同折射率的材料，利用所设计的波导结构可以实现灵敏度高达940 nm/RIU的纳米尺度的折射率传感器。最后研究了结构的慢光传输特性，可以在Fano峰值附近实现约0.025 ps的光学延迟。这种新型的表面等离子体光波导可能会在光子器件集成、慢光效应及纳米传感领域有着较大的应用前景。

设计了一种由涂覆双层石墨烯的圆形介质纳米线组成的表面等离子体光波导。利用有限元法(FEM), 数值分析了纳米线半径、介质夹层厚度、石墨烯化学势以及工作频率对波导所支持的电磁场模式的有效折射率、传播长度、归一化模式面积以及品质因数等模式特性的影响。结果表明, 这种新型的混合表面等离子体光波导具有很强的模式束缚能力, 归一化模式面积非常小, 可以实现极高密度的器件集成, 并且传输损耗较低。

本文设计并提出一种基于金属-介质-金属结构的带有半环形共振腔的表面等离子体光波导滤波器,利用数值模拟的方法研究了其传输特性。结果表明,在该结构传输谱曲线中形成的滤波阻带位置可以通过改变半环形共振腔的半径来调整。另外由于结构固有的特性,在传输谱曲线上还可以观察到类似等离子体感应透明的传输特性,而且这一特性可以通过改变半环形共振腔与直波导之间的耦合间距和采用面对面放置的双半环结构进行调节。本文所设计的结构可以动态控制光的传输,并可以应用于紧凑型纳米光学器件集成领域。

作为亚波长的表面等离子体光波导,在传导电磁场模式的过程中,模式间的串扰是影响模式传输距离及其它物理特性的一个重要因素,因此本文首先系统地研究了两个平行放置的由介质-金属-介质纳米线阵列构成的混合表面等离子体光波导的模式耦合和串扰特性;其次作为对比,把波导结构变为金属-介质-金属纳米线阵列,同样平行放置两个来研究其模式耦合与串扰特性．研究结果表明,这两种混合表面等离子体光波导所支持的电磁场基模的耦合长度远大于其有效传输距离。因此在进行高密度集成时,模式间发生串扰的概率将会非常小。基于这种特性,这两种结构的混合表面等离子体光波导可以应用于高密度光子器件集成、纳米光子学和生物传感器等领域。

本文研究了一种由三根并排放置的椭圆形金属-介质-金属纳米线构成的混合表面等离子体光波导所支持的电磁场基模的控制特性, 中间是高折射率的介质纳米线, 左右是两根对称放置的金属纳米线。研究结果表明, 基模电磁场增强效应主要分布在三根纳米线形成的两个间隙区域, 且对整个结构的几何参数有一定依赖性。因此, 通过改变纳米线的几何尺寸、两根纳米线之间的间距以及介质的电磁参数, 可以调整和控制这种波导所支持的基模的有效折射率、模式传输距离、归一化的模式面积和模式束缚因子等物理特性。基于这些有效的模式操控特性, 这种混合型的表面等离子体光波导可以应用于高密度光子器件集成、纳米光子学和生物传感器等领域。

采用二维时域有限差分(FDTD)法，分析并对比了弯曲分叉部分的形状分别为正弦形和圆弧形的基于金属绝缘体金属（MIM）型表面等离子体光波导的Y形分束器的反射率、传输率以及能量分束比随几何结构参数的变化关系。数值计算表明，波导宽度对这两种Y形分束器传输特性的影响较为明显，两个输出分支的偏移量和弯曲分叉部分的长度对这两种Y形分束器传输特性的影响比较微弱。在600~1500 nm波长范围内，弯曲分叉部分为圆弧形的Y形分束器的传输特性比弯曲分叉部分为正弦形的好。对于非对称型Y形分束器，当弯曲分叉部分为正弦形时，偏移量对反射率、传输率和能量分束比的调节作用较为明显，能量分束比最大可达到2∶1。当弯曲分叉部分为圆弧形时，偏移量对反射率、传输率和能量分束比的调节作用较为微弱。

设计了一种带有增益介质包层的两个平行圆柱形纳米金属棒构成的表面等离子体光波导，基于频域有限差分法，对这种波导所支持的基模的能流密度分布、有效折射率、传播长度和模式面积随几何结构参数和电磁参数的依赖关系进行了分析。结果表明，沿纵向的能流主要分布在两个圆柱形金属棒所形成的中间区域。通过调节这种波导的几何参数及电磁参数，可以调节模式的传播特性。在增益介质的辅助下，传播距离明显增大。这种表面等离子体光波导可以用于光子器件集成领域和传感器领域。