表面等离子体激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)是光子与金属表面自由电子相互作用形成的横磁模(TM)表面波,可在金属-介质界面传播,场强在垂直于界面的两侧介质中呈指数衰减,且在交界面处能量最大。表面等离子体波(Surface Plasmon Wave,SPW)能够突破衍射极限对光子的束缚,实现亚波长尺度的局域限制,在光谱学、纳米光子学、成像、生物传感等方面都有广泛的应用。当金属很薄,约为几十纳米时,如两侧介质折射率不同,则振荡减弱,损耗增大,传播距离大幅度减小,称为短程表面等离子体(Short-Range Surface Plasmon Polaritons,SRSPP)。如金属两侧介质具有相同折射率,则金属-介质上下两个界面的表面等离子波会相互耦合,振荡加强,可以传播较长的距离,称为长程表面等离子体(Long-Range Surface Plasmon Polaritons,LRSPP)。基于LRSPP波导的光学传感器主要工作于1310 nm和1550 nm波长,且多为分立的单元器件,在与光源和探测器集成,以及低成本探测方面有待进一步研究。本文主要研究基于表面等离子体效应的光波导器件,包括LRSPP直波导折射率传感器、输入/输出光栅耦合器。论文利用有限差分本征(Finite Difference Eigenmode,FDE)法研究了LRSPP波导在850 nm进行折射率探测的最优条件,确定了波导的最佳几何参数;利用双层剥离法制备了LRSPP直波导,对其光学传输特性进行了表征;为实现LRSPP波导传感器与光源和探测器的集成,理论设计了基于聚合物波导光栅的输入/输出光栅耦合器。本文主要从以下几个方面进行了系统研究:1、长程表面等离子体折射率传感器LRSPP波导折射率传感器是一种体折射率传感器,由嵌入在对紫外线敏感的聚合物SU-8中的金波导组成。在激励波长850 nm下,利用有限差分本征法对金波导的尺寸进行模拟优化。当金波导宽度分别为1、1.5、2、2.5和3μm,金波导厚度分别为15、20、25和30 nm,待测物折射率范围1.562~1.586,折射率步长为0.004的条件下,对传感器的耦合损耗(Coupling loss,CL)、模式功率衰减系数(Mode power attenuation,MPA)和灵敏度(Sensitivity,S)等重要参数进行了模拟,结果表明,在850 nm波长下,当金波导的宽度为1.5μm,高度为25 nm,分析物的折射率小于或大于SU-8的折射率时,传感器灵敏度分别为195.69和187.68 dB/RIU/mm。利用Lift-off的方法制备了宽度1.5μm,厚度25 nm的LRSPP金波导,通过原子力显微镜对金波导尺寸与表面的粗糙度进行了表征,利用搭建的测试系统,对长度为1.88、2.40、2.60 mm的LRSPP直波导的插入损耗(Insert loss,IL)进行测试,结果表明,传输损耗约为13.09 dB/mm,与仿真结果12.01 dB/mm相似,说明该传感器设计具有较好的实验可行性。2、输入/输出光栅耦合器为了解决传统的垂直耦合方法中光纤模式与模式模场尺寸相差较大、模式不匹配,导致耦合损耗较大的问题,提出了一种方向性增强聚合物波导光栅耦合器。上包层采用空气,波导芯层是折射率为1.58的聚合物SU-8,为了增大折射率对比,下包层选择折射率为1.33的氟化聚合物CYTOP。基于光栅的衍射效应,采用时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)理论计算和优化了光栅参数,增强了在与入射/出射光方向垂直的正向衍射光强度;为防止光能量泄露到衬底,通过在光栅耦合器下方引入金膜反射镜,将部分向下透射光重新反射回耦合光栅,从而提高耦合效率;与所述耦合光栅串联的光栅反射器可进一步增加耦合效率。对光栅耦合器、金膜反射镜以及反射光栅的优化结果表明,在1550 nm波长下,可实现51.31%的垂直耦合效率,并且C波段1 dB带宽可达62 nm。