光子是传递、处理、储存信息的重要载体,微纳光子学作为光子信息领域的重点方向近二十年来获得快速发展。表面等离激元(SPP)因其对光场的约束能力以及亚波长的特性,给微纳光子集成尤其是片上集成技术带来了新的解决思路,引起了人们热烈的研究兴趣。本论文深入研究了表面等离激元的近场干涉性质,在金属条载波导中发现了新颖的复合干涉效应,并提出了新颖的光开关和逻辑门的设计方案,实现了相位不敏感异或门的设计方案。另一方面,我们将石墨烯引入到等离激元体系,通过特殊的微纳结构设计,大大增强了等离激元模式与石墨烯相互作用,获得了性能优异的光电调制器。主要研究内容包括:1.研究了金属波导中等离激元矢量近场波的干涉效应,发现了受条形波导尺寸影响和调控的复合干涉现象——同步干涉和反同步干涉,并以此构建等离激元光子开关和逻辑门设计。我们首先从实验上研究平坦金属表面由于两束正交传播的SPP波受光栅透反射形成的反同步干涉。然后,在进一步拓展到金属条形波导时发现干涉性质发生变化。经分析,此时由SPP狭缝模式产生的场交叠效应会导致同步干涉的产生。由此,受波导结构参数调控能获得复合干涉效应。我们以此实现了一个样品尺寸在10μm见方量级的2×2光子开关,并提出了基于此开关功能的光子逻辑门设计。这为构建超小型光子信息处理功能模块提供了方案。2.将金属条形波导中的SPP同步干涉效应拓展到金属/硅混合波导体系,并与反同步干涉级联,获得了具有相位不敏感的干涉效应。在同步干涉波导器件设计中,我们从理论上巧妙构建了两段波导结构,利用交界面上的模式失配差异,实现了同步干涉的效果。同时,它还具有单端输出的性质。理论计算显示,当我们把两段2 × 2光子开关按照同步干涉和反同步干涉级联时,整个波导器件的两个输出端口会有一个始终保持信号输出为零的相位不敏感特性。同时,单端入射时相位不敏感的端口始终有信号输出。由此,我们提出了一种级联波导结构模型,通过将同步干涉器与后一个多模干涉的2×2波导器件级联,最终模拟了一个相位不敏感的输出端口。基于该结果,我们理论演示了一种基于干涉效应且相位不敏感的XOR光子逻辑功能。这种新颖的干涉效应和过程为人们构建新的光子器件提供新的思路。3.研究并提出一种具有高调制深度的等离激元石墨烯调制器。我们结合超构表面的设计理念,提出了一种槽型金属波导阵列结构,能够支持很强的TE偏振的表面模式。在此表面上放置上石墨烯,可以大大增强的电磁模式与石墨烯的相互作用,解决了普通自由金属表面SPP的电场与石墨烯平面不匹配的问题。经过二维本征模式的分析以及三维电磁传播特性的仿真,我们获得此类石墨烯调制器具有比普通SPP调制器高出3个量级的调制深度。同时,我们还将此结果与已经报道硅基波导、SPP边缘模式等调制器做比较,性能也是大大超出。另外,理论结果显示我们构建的调制器还具有宽带响应和低插入损耗的优点,这为二维材料与SPP结构开发新的光电子器件提供了新思路和新方法。