设计了一种金属三角肋和增益介质三角肋完全对称并带有圆柱形空气缝隙的新型混合等离子体波导结构。采用COMSOL Multiphysics软件,分别仿真了波导的二维和三维耦合电场分布模型,并基于有限元法分析了波导的模式特性。研究结果表明:当工作波长为1550 nm时,设计的波导结构具有很强的光场约束能力、超长的传输距离、超低的传输损耗和增益阈值。对波导的结构参数进行了优化,当波导的有效模场面积达到0.0022λ2时,波导的传输距离能够达到69805 nm,传输损耗低至0.0017;基于此波导的激光器也具有很低的增益阈值,为49.3 cm -1。最后研究了实际制备过程中可能出现的制作误差对波导性能的影响,并分析得出此波导结构对制作误差具有较高的容忍度。与同类型带有空气缝隙的波导结构相比,此波导的综合性能更优,在各种集成纳米光子设备中具有很大的应用潜力。

基于表面等离子激元的纳米激光器能够将光源的尺寸降低几个数量级,结合表面等离子体波可将波长限制在纳米尺度内传输,突破衍射极限,从而实现与电子学器件的尺寸相匹配,最终实现整个光互连系统的小型化和低功耗。简述了表面等离子激元的基本原理,对近年来的表面等离子激元纳米激光器的研究工作进行了总结,详细介绍了各种结构及其优势,指出了该类激光器在开发过程中面临的挑战和今后的工作重点,展望了纳米激光器广泛的应用前景。

设计了一种高折射率基底的椭圆表面等离子体波导,基于有限元法对此波导支持的基模的能流密度分布、有效折射率、传播长度、 有效面积与几何参数、结构之间的关系进行了分析。能流密度分布表明能量主要集中分布在两个金属椭圆柱之间的中心区域,在金属与锗基底、基底与基底之间 也存在能量。通过调节两个椭圆的中心距离及其两个半轴的大小,可以实现此波导模式传输特性的分析。工作波长确定时有效折射率随中心距的增大而减小, 而传播长度增大。

提出了一种新颖的基于金属脊-三角形半导体的混合表面等离子体波导结构, 基于有限元法对该波导结构进行了数值仿真和分析.主要研究了该结构的电场分布、传输长度、归一化模场面积和质量因数.结果表明:在工作波长为1550 nm时, 通过优化参数, 其有效模场面积达到0.00193 λ2, 传输长度为37.7 μm, 质量因数为4853, 该结构具有较低的损耗.与金属平板混合波导结构相比, 具有更大的质量因数, 更强的光场限制能力, 波导的综合性能更好.这种波导结构在微纳米光子学、光电子通讯和光信息存储等领域具有广阔应用前景.

本文设计了一种带有两个水平侧耦合Fabry-Perot (FP)共振腔的基于金属-绝缘体-金属(MIM)结构的Y型表面等离子体光波导结构。传输谱存在一个较窄的阻带，两个腔的长度相同时，两个输出端的传输谱几乎完全重合；两个腔长度不同时每个输出端的传输谱上的阻带位置也不同，并且当一个输出端透射率达到最小时，另一个输出端的透射率接近最大。通过调节两个FP共振腔的长度、宽度以及腔内介质的折射率，可以调节表面等离子体激元在腔内发生共振从而形成驻波的工作波长，实现探测灵敏度高达1280 nm/RIU、品质因子大于200的传感特性。利用这些特性可以在两个输出端对不同的工作波长实现滤波、开关、分束等功能，因此这种亚波长表面等离子体光波导结构在集成光学滤波器、纳米光开关、分束器以及折射率传感器等领域有一定的应用前景。

设计了一种新颖的混合双肋型表面等离子体波导结构，基于有限元法对该波导在工作波长为1550 nm下的传输特性进行了数值仿真和优化分析。研究了该结构的电场分布、传输损耗、归一化模场面积、品质因子和增益系数。结果表明，通过最优参数设计，有效模场面积可达1.5×10-4λ2，品质因子为135，增益系数为1286 cm-1，且此时具有较小的损耗。与矩形金属脊混合波导结构相比，所设计的结构具有更强的光场限制能力，可以获得更好的波导传输效果。所设计的波导结构是未来解决光电技术高速化、小型化、集成化的一个重要途径。

提出了一种基于混合表面等离子体波导（HPW）的纳米激光器，并对其进行了理论研究和仿真分析。此结构通过金属-介质界面的表面等离子体模式与高增益介质半导体纳米线波导模式耦合，使中间的空气间隙场强得到显著增大，并保持低损耗传输，实现对输出光场的深亚波长约束。通过对几何参数进行优化，得到具有较小阈值和较高品质因数的纳米激光器。与边缘耦合混合表面等离子体纳米激光器比较可知，当二者的几何参数相同时，基于HPW的纳米激光器具有更小的阈值。

设计了一种基于非线性介质SiNC/SiO2的混合表面等离子体波导，利用有限元方法定量分析了这种波导所支持基模的能流密度分布、有效折射率、传播长度和有效面积与几何结构参数以及非线性介质的依赖关系.分析结果表明，光场主要被限制在非线性区域，通过调节非线性层的厚度以及非线性比例因子，可以实现模式的有效折射率和传播长度等传输特性参数的调节.固定非线性介质比例因子，有效折射率和传播距离随非线性层厚度增加而增大；固定波导尺寸，有效折射率随比例因子增大而增大，传播距离和有效面积较小.最后，根据分析结果对非线性效应进行优化，优化后波导最优结构尺寸为波导宽度为250 nm，非线性材料层厚度为100 nm，硅层厚度为150 nm.

为实现长距离传输及亚波长尺度的模式限制，在传统介质加载型表面等离子结构的基础上，设计了一种微孔介质加载混合表面等离子体波导，采用时域有限差分法(FDTD)对该波导模式场分布及传输特性进行了相应的研究。研究表明所设计的波导结构具有较强的局域场限制，通过在孔内填充增益介质，使混合等离子体波导的传输损耗得到了补偿，输出端的表面等离子激元实现了增益放大。结果表明，通过调整波导的几何参数和电磁参数，可以显著提高波导的场限制，降低波导本身的损耗，其中当孔与金属之间距离为44 nm时，波导的损耗达最小约为-13 dB/μm。这一设计可以为光子器件集成提供一定的理论和实验借鉴价值。

研究了介质加载型表面等离子体(DLSPP)波导中发光粒子的自发辐射特性.通过经典偶极子近似,给出了发光粒子在SPP 波导任意位置处的自发辐射速率与自发辐射耦合成表面等离子体(SPP)导波模概率的计算方法；采用有限元法(FEM)模拟计算了单模DLSPP 波导中若丹明6G(R6G)发光粒子的自发辐射速率和自发辐射耦合成SPP 模式的概率.模拟结果表明,在DLSPP 波导中,当发光粒子距金属界面较近时,自发辐射速率大幅增强,当远离金属界面时,自发辐射速率降低并趋于真空中的值；同时,DLSPP 波导中发光粒子自发辐射耦合成SPP 模式的概率也与其位置相关,当处在波导截面中心位置时,自发辐射耦合成SPP 导波模的概率可高达70%.基于上述模拟结果,指出通过优化发光粒子在截面上的掺杂分布,可以提高截面上平均粒子数反转度,也可以提高截面上发光粒子自发辐射耦合成SPP导波模的总效率.