随着现代信息技术的发展,传统的电子元器件已经不能满足当代对器件高集成度和高速率的需求。与电子器件相比,光子器件在传输带宽方面具有天然的优势,因此,使用光纤制作的光子器件被大量研究。然而传统光子器件和电子器件在尺寸上的不匹配,使得光电子集成器件在尺寸、功耗等方面存在不足。为了进一步提高光子器件的集成度,表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)逐渐被人们关注。SPPs是一种由入射光场与金属表面自由电子相互耦合产生的束缚于金属-介质表面并沿其传播的电磁波。由于SPPs具有表面局域和近场增强的特性,具有突破衍射极限的优势,使得人们可以在亚波长尺寸的金属结构中实现对光信号的传播和操纵。目前,SPPs的理论研究趋于完善,并且在包含基于SPPs的集成波导、新型光源的多个领域也取得了较大进展。为促进光电子集成的发展,本文设计了两种新型光学纳米级器件,分别为逻辑器件和慢光器件。本文主要研究内容如下:一、详细介绍了SPPs的研究进程、基本性质、以及基于SPPs在光学器件中的应用。重点介绍了基于SPPs在逻辑器件和慢光器件中的应用及研究现状,并介绍了需要进一步研究的内容及意义。二、探究了本文所涉及的理论分析模型和数值仿真方法。理论分析包括:求解金属材料介电系数的Drude模型、可表征SPPs在金属-绝缘体-金属(Metal-InsulatorMetal,MIM)波导结构内传播特性的MIM波导理论、以及用于分析纳米谐振腔与波导耦合时传输特性的耦合模理论。对理论分析进行求解验证的数值仿真方法是时域有限差分法(Finite-different Time-domain,FDTD)。三、提出了一种具有新型操作方法的多功能逻辑器件,它主要由一个六边形腔体和两个具有内嵌滑块的长方形腔体组成。滑块不同的位置来表征不同的输入状态。耦合模理论显示,滑块处于不同的位置会影响传输谱线。通过操纵滑块,三种逻辑操作可以在所设计的结构中同时实现,并且用FDTD方法进行了数值上的验证。另外,还探究了结构参数对器件性能的影响。所提出的具有新型操作方法的结构可为设计其它的光子集成器件提供新的思路,具有广阔的应用前景。四、设计出一个具有多峰等离子体诱导透明(Plasmon-induced Transparency,PIT)效应的慢光器件,它主要由两个分别与槽形谐振腔耦合的齿状腔体构成。耦合模理论显示,三个PIT峰由两种不同的物理途径产生,第一种物理途径为波导辐射谐振腔与非辐射谐振腔直接耦合,第二种为两个失谐的谐振腔间接耦合。根据形成原因可发现由第一种途径产生的两个PIT窗口的传输特性可被单独操纵。因此,我们用FDTD方法研究了由第一种途径产生的两个PIT窗口的慢光特性。另外,通过调整结构参数,可以实现对两个慢光区域的工作波长、透射比和群指数的操纵。该器件可在多波长处同时实现慢光现象,进一步提高了器件的集成度,具有重要的应用价值。