等离子波导(plasmonic waveguide)具有对光场约束能力强、能够增加系统集成度等优点,是纳米光子学和纳米集成光子芯片的重要组成器件。等离子波导是电磁波与导体表面自由电荷相互耦合作用下产生集体共振的一种波导。它能够得到超越光衍射极限的模场,实现器件高密度集成,已成为当前最为热门的研究领域之一。本论文对等离子波导开展理论和实验研究。利用Lumerical软件对微纳光纤和金属薄膜构成的等离子波导结构的模场及传输特性进行理论分析,并在实验上对理论分析结果进行验证;对微纳光纤和布拉格金属光栅构成的等离子波导器件的滤波特性进行了理论分析和实验研究;从理论和实验上对微纳光纤、锗锑碲(GST)相变材料光栅和金膜构成的三明治结构等离子波导的滤波特性进行了研究。本论文主要研究内容如下:首先,仿真分析了由水平结构微纳光纤和弯曲结构微纳光纤与金属薄膜构成的等离子波导的传输特性。通过实验,得到了微纳光纤和金属薄膜构成的等离子波导结构中不同模式的传输谱,分析了两种结构对传输谱的影响以及在同一结构中不同入射光偏振态对传输谱的影响,通过线性拟合得出弯曲结构中不同模式的传输损耗。水平结构的等离子波导会激发其高阶模式,而弯曲结构的等离子波导由于模式缓变过渡可以只激发等离子波导的基模。等离子波导模式的传输损耗随着微纳光纤半径的增加而减小。其次,在由微纳光纤和布拉格金属光栅构成的等离子波导结构中,通过仿真优化得到布拉格金属光栅的结构参数;研究相关参数(包括微纳光纤与金属光栅之间的耦合长度、角度以及微纳光纤半径等)对布拉格金属光栅器件反射滤波特性的影响;采用CMOS工艺制作了金属光栅,给出了工艺流程;实验上研究了不同参数对金属光栅反射滤波特性的影响。在该等离子波导结构中,等离子模式具有加强布拉格金属光栅滤波特性的作用。其反射谱具有两个反射峰,分别由等离子波导的基模和高阶模反射引起。随着微纳光纤半径的增加,金属光栅反射谱的中心波长发生红移;随着微纳光纤和金属光栅耦合角度的增加,金属光栅反射谱的中心波长发生红移并且当角度增加到一定程度后反射峰消失;而微纳光纤和金属光栅耦合长度的增加不会对金属光栅反射谱的中心波长产生影响。再次,为拓展等离子波导结构的功能,尝试在微纳光纤和金膜之间加入GST光栅,构成三明治结构等离子波导,对其性能开展理论分析和实验研究。通过仿真优化得出了GST光栅的结构参数,分析了微纳光纤和GST光栅的耦合长度、微纳光纤的半径、GST光栅的周期和占空比的改变对该结构反射滤波特性的影响。同时也研究了GST不同相变状态对结构的滤波特性影响,详细介绍了在金膜表面制作GST光栅的工艺流程。GST材料具有晶态和非晶态两种相变状态。当GST材料处于非晶态时,GST材料体现半导体特性,光场主要集中在GST光栅中传播;当GST材料处于晶态时,GST材料体现金属特性,光场主要集中在微纳光纤和GST光栅交界面传播。GST材料从非晶态到晶态变化的过程中,GST光栅的反射滤波谱的消光比会大幅降低,GST光栅起到一个光开关的作用。随着微纳光纤半径的增加,反射谱的中心波长发生红移,而微纳光纤和GST光栅耦合长度的改变不影响反射谱的中心波长移动。最后,总结了本文主要研究内容及创新点,并对基于微纳光纤的等离子波导进一步研究工作提出展望。