基于传统介质波导的集成光学器件由于光学衍射极限的限制,在实现器件的小型化和集成化方面遭遇了瓶颈。表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是束缚在金属-介质界面处传播的一种电磁波模式,其电磁场能量在分界面处最大,然后以指数的形式向两边衰减。SPPs能够打破传统光学中衍射极限的限制,并且具有很强的局域电磁场增强特性,为人们在纳米尺度对光进行操控和调制提供了可能。金属-介质-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)波导是一种典型的表面等离激元波导,具有在亚波长尺度上限制和传导光的能力,是实现纳米量级光子器件和集成光子回路的有效技术途径。利用MIM波导结构,人们已经在理论和实验中设计了各种表面等离激元器件,包括分束器、调制器、M-Z干涉仪、光开关、激光器等。此外,利用MIM波导结构也可以产生一些特殊的光学现象,例如Fano共振、电磁诱导透明和慢光效应等,引起了越来越多研究人员的关注。在本文中,我们结合了理论分析和数值仿真的方法,对MIM波导耦合谐振腔的透射特性和一些特殊的光学现象进行了研究和分析,设计出了多种功能性的SPPs器件。具体的研究内容如下:1.基于MIM波导结构的高灵敏度折射率传感器。设计了一个有缺陷的MIM波导和正方形腔耦合的结构,先利用耦合模理论对该结构的透射特性进行了分析,然后用有限元法对该结构的透射特性进行了数值仿真。研究结果表明缺陷波导的宽谱模式和正方形腔的两个窄谱模式发生干涉作用,产生了两个尖锐的Fano共振。用数值仿真方法研究了结构参数对Fano共振的调谐作用,并分析了该结构的折射率传感特性。结果表明在该结构中,Fano共振不仅易于调谐,而且具有很好的传感特性,灵敏度高达1120nm/RIU,FOM≈1.7×105,可以实现高灵敏度的传感器。此外,研究了该结构的扩展特性,实现了4个可以两两独立调谐的Fano共振。2.基于Fano共振的SPPs解复用器。在前面研究的基础上,研究了一个单Fano共振结构单元,用有限元法对该结构的调谐特性进行了分析。然后提出了一个基于“T信”型MIM波导的1×2解复用器结构,该结构的两个输出端分别包含一个单Fano共振结构单元。当两个边耦合腔的腔长不同时,就可以用输出端口的两个Fano共振峰分别选择两个不同波长的光信号。同理,设计了基于十字型MIM波导的1×3解复用器结构,通过控制三个边耦合腔的腔长或填充介质折射率,可以实现三个不同波长的光信号选择。Fano共振具有非对称的线型,共振峰到共振谷的波长变化非常小,而且对比度很高,所以基于Fano共振的SPPs解复用器可以提高波长的分辨率。3.基于MIM波导结构的可主动调控的慢光器件。提出了一个MIM波导耦合谐振腔结构,结构包含了一个孔径耦合正方形腔和一个槽型腔,该结构可以实现表面等离激元诱导透明效应。首先通过改变孔径耦合腔的品质因子,研究在通信波长1.55 μm上产生的慢光的时延特性。研究结果表明,品质因子越小,群折射率越大,群时延也越大。为了能够动态的调节慢光效应,以及获得更大的群折射率,我们在槽型腔中填充了增益介质,通过泵浦增益介质可以实现慢光的主动调节。研究结果表明,增益系数越大,透明窗口的透射率越大,群折射率也越大。最后,我们还将该结构进行了扩展,研究了具有三个透明窗口的PIT效应已及增益介质对三个透明窗口内的慢光特性的调控作用。该结构可以应用于慢光器件、超快光开关等,在光子集成回路中具有重要的应用。