表面等离激元(surface plasmon polaritons,SPPs)是光波和金属表面自由电子相互作用形成的一种电磁波模式,该模式的场强局域在金属表面,离开金属表面指数衰减。由于它能将激发的电磁场能量局域在亚波长尺度内,突破衍射极限,并且具有巨大的局部场增强效应,因此在纳米光子器件及非线性光学等领域具有重大的应用前景。本论文主要研究基于非对称结构实现对表面等离激元传输的操控,包括非对称纳米单缝中的表面等离激元单向发射、分束,非对称单缝中的表面等离激元全光控制,非对称波导结构中表面等离激元模式的紧束缚和长程传输以及基于Fano干涉的高分辨表面等离激元波长解调器。具体内容如下:　　 在高集成度光学中,在超紧凑的尺寸下实现表面等离激元的可控激发非常重要。本论文利用非对称纳米单缝成功实现了表面等离激元的单向激发。该非对称纳米单缝由一个普通的纳米缝和紧靠着它的纳米槽组成。数值模拟发现该纳米单缝结构的非对称性使单缝左右两个方向表面等离激元的干涉过程不同,从而可以有效实现表面等离激元的单向激发。实验上在830nm入射波长下,得到左右两个方向的表面等离激元的消光比为30:1,而非对称纳米单缝的横向尺寸仅为370nm。进一步还发现在金属膜表面覆盖一层有限厚度的介质膜,表面等离激元和准柱面波的波矢大小会出现很大的差值,这个大的差值导致单缝附近的表面电磁场出现一个额外的强度调制。基于该效应,在介质膜覆盖的非对称纳米单缝中,当激发光的波长分别为740nm和830nm时,激发的表面等离激元分别向非对称单缝左右两个方向传播,实现了不同波长的分束。这个超紧凑的表面等离激元分束器横向尺寸只有800nm。该结果同时表明,准柱面波对总场的调制为超紧凑表面等离激元器件的设计提供了更多的可能性。　　 在上述工作的基础上,在实验上成功实现了对表面等离激元激发的全光控制。通过在非对称单缝上覆盖一层光致双折射聚合物膜,在泵浦光照射下,聚合物膜的折射率的实部可以发生改变,从而改变非对称单缝上部的FP腔内的表面等离激元的干涉状态,有效实现对表面等离激元激发效率的控制。在该结构中,由于FP腔效应,光与物质的非线性作用增强,并且SPPs在腔内每一个来回带来的相位延迟与两倍腔长相关,这大大提高了表面等离激元对腔内聚合物折射率变化的响应。同时,由于表面等离激元的激发和调制过程被集成在同一个非对称纳米缝中,因此它的横向尺寸非常小。实验上,在横向尺寸只有2μm的非对称单缝中实现了超过π的表面等离激元相位调制和大于20dB开关比的表面等离激元激发强度调制。　　 接下来的工作主要是关于表面等离激元波导的研究。通过理论计算和数值模拟研究了非对称波导结构中表面等离激元的长程传输模式。首先计算的是一维平板波导,一个薄的金属膜夹在半无限厚的衬底和有限厚的高折射率聚合物膜中间。计算发现,在合适的聚合物膜厚度下,高折射率聚合物膜和上方空气层的总有效折射率可以和金属膜下方的低折射率衬底满足折射率匹配条件,从而支持表面等离激元模式的长程传输,同时该模式在金属膜上表面的场强分布具有亚波长束缚。在此基础上,进一步研究了在通信波长λ=1550nm附近置于衬底上的非对称有限宽的介质.金属一介质二维波导结构。数值模拟发现,在合适的波导尺寸下,这种非对称二维波导结构中表面等离激元也存在长程传输模式(传播距离L＞300μm),并且同时具有紧束缚(光斑大小～700nm)。基于该波导的超紧凑的环形谐振腔具有很高的品质因子。　　 最后,基于金属-介质-金属波导中不同FP谐振腔之间的强烈耦合,设计了一种超紧凑的高分辨率的表面等离激元波长解调器。研究发现,在这个波长解调器中,存在一个新的窄带的直角谐振腔。这个窄带的直角谐振腔和原来的宽带FP谐振腔干涉,使透过谱中出现了Fano线型。这个陡的非对称的Fano线型可以极大地提高波长解调的分辨率,使之远小于单个独立的FP谐振腔的谱宽。