表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)由于具备亚波长约束、透射增强效应和突破衍射极限等特点成为了纳米光子学研究的热点之一。其本质是金属表面的自由电子和入射光子之间产生共振而形成的一种沿着介质和金属表面进行传播的电子疏密波。表面等离子体激元为光子器件的集成化和微型化提供了一种新的方向,例如分光器、传感器和滤波器等相继被成功设计。而与表面等离子体激元金属纳米结构相关的法诺效应由于对四周环境十分敏感,因此在生物传感方面具备很重要的应用价值。本文在国内外研究的基础上,重点设计了三种基于金属-绝缘体-金属(metalinsulator-metal,MIM)型光波导的光学传感器,应用理论分析和数值模拟方法研究了其相关的传输特性,并对传感器的性能和系统的参数进行了优化。主要的工作分为如下几个方面:1、介绍了表面等离子体的发展历史以及相关的应用。以麦克斯韦方程组及其相关的边界条件为基础,分析并推导了表面等离子体激元的相关特性和原理;详细介绍了时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)的计算方法和基本原理。2、深入解释了基于表面等离子体激元的散射矩阵理论和时域耦合模理论,阐述了散射矩阵理论在齿形耦合系统中的简化过程,并由耦合模理论进一步推演出多模干涉耦合模理论。最后,利用这两种理论模型对传感器结构进行了理论拟合,进一步证实了结构的合理性。3、提出了三种由矩形腔和齿形腔组成的MIM型波导光学传感器系统,为了探究这些系统的光学特性,文中利用FDTD方法对其进行数值模拟仿真。仿真结果表明第一种和第二种波导结构的透射光谱实现了三个法诺共振现象,而第三种结构实现了四个法诺共振现象。由于它们的物理机制皆不相同,因此可以通过改变相应的谐振腔参数独立调整各个法诺峰的谐振波长,这种独立可调性对于实际的应用具有重大的意义。其中,第一种是对称性结构,具有制造简单、透过率高等特点,相应的灵敏度和品质因子可高达1100nm/RIU和91。第二种结构与以往的结构相比较,使用了矩形腔中的一部分作为另一个谐振腔的一部分输出波导的思路,其灵敏度和品质因子可达985nm/RIU和54。第三种创新地使用了一个复合结构作为系统的宽带,其好处是宽带的物理空间相对广阔有利于窄带的耦合,其灵敏度和品质因子可达到1120nm/RIU和80。文中所设计的纳米传感器结构具备被广泛应用于光子集成电路和芯片上的潜力。