随着光子集成电路的发展,由于器件中衬底与波导之间高折射率差导致的传输常数差异大会引起偏振相关的色散和损耗,使波导的偏振态随机变化,这是波导应用中的难题。偏振旋转器、偏振功率分配器和偏振分束器等偏振器件能够实现偏振态的调控,在光子集成电路中对偏振控制有着重要的地位,是光子集成电路中不可或缺的核心器件。然而,偏振器件的研究存在尺寸大、偏振消光比低、损耗高等问题。基于表面等离子体波导的偏振器件具有消除高折射率对比的优点,是目前偏振器件的研究热点。3～5μm的中红外光谱区域是检测和分析空气分子的一个重要窗口,对提高信号传输能力,增加通信容量十分重要,因此本文主要研究中红外波段的偏振器件特性。本文围绕中红外表面等离子体波导的偏振器件开展了一定的基础研究工作,研究内容主要包括:1.设计了一种基于表面等离子体波导的中红外偏振旋转器。首先利用有限元方法（finite element method,FEM）对表面等离子体波导的模式特性进行了分析,研究了波导中的两种偏振模式PM 1和PM 2的有效折射率随参数的变化规律。其次,对偏振旋转器的传输特性和偏振旋转特性进行了优化,当波导尺寸W1（=H1）=1500 nm,W2（=H2）=300 nm,W3（=H3）=50 nm时,偏振转换效率（polarization conversion efficiency,PCE）达到最优值。在工作波长为3.5μm,器件长度为104μm时,PM 1之间PM 2的偏振转化效率可高达99.9%。最后,提出了一种可行的制备方法,并对其制造容差进行了分析,在±10 nm的容差范围内,波导的偏振转化效率没有明显下降,表明器件的制造容差较大,具有一定的制备可行性。此偏振旋转器的设计和研究为实现集成偏振波片提供了理论支持,可为其在集成光学的应用奠定基础。2.设计了一种基于表面等离子体波导的中红外偏振功率分配器。首先对该偏振功率分配器的设计进行了分析,对波导的基本结构以及该功率分配器设计的性能指标进行了分析。其次对偏振功率分配器的传输特性进行了优化,当工作波偏振功率分配器长为3.5μm,波导尺寸为W1（=H1）=1500 nm,W2（=H2）=70 nm,Lc=12μm时,该偏振功率分配器的TM和TE模式的输出功率比为1:1。最后对偏振功率分配器的性能指标偏振消光比和插入损耗进行了分析,该偏振功率分配器的消光比高达32 d B以上,插入损耗很小,几乎接近于0 d B。这种高性能,紧凑型的偏振功率分配器结构为紧凑型的偏振分束器结构奠定了基础。3.设计了一种基于表面等离子体波导的中红外偏振功率分束器。首先研究了两个波导中存在的TE和TM模式的的光场分布。其次通过相位匹配原理优化波导几何参数,当W1=1.2μm,W2=1.05μm,输入端口TE和TM模式的有效折射率实部为2.413和2.576,相邻的Ga As波导的TE和TM模式的有效折射率为2.409–0.001i和2.091-0.007i,此时,TE模式相位匹配,TM模式相位失配。最后分析了偏振分束器的模式特性和偏振分束特性。当工作波长为3.5μm,器件长度为25μm,波导几何尺寸为W1=1.2μm,W2=1.05μm时,TE模式因为相位匹配经过耦合在相邻的波导中传输,消光比和插入损耗分别为19.78 d B和2.64 d B,而TM模式因为相位不匹配直接从输入波导中传输,消光比和插入损耗分别为7.78 d B和2.64 d B。基于表面等离子体波导的偏振分束器为实现集成波片奠定了基础,在分子检测和增强信号传输量的光通信技术中具有潜在的应用前景。本文设计的偏振旋转器的偏振转化效率高达99.99%,器件长度仅为104μm。PM 1和PM 2的偏振消光比和插入损耗分别为17.49、10.95和4.7、4.6 d B。工作带宽高达600nm。偏振功率分配器在实现功率均分的同时器件长度仅为12μm,偏振消光比高达32d B,损耗接近于0 d B。偏振分束器的器件长度仅为25μm,TE和TM的消光比和插入损耗分别为19.78,7.78,2.64和2.64 d B,工作带宽高达400 nm。偏振旋转器、偏振功率分配器和偏振分束器为解决偏振敏感问题提供了新的偏振分集方案。通过对以上工作的研究,本论文对中红外表面等离子体波导器件进行了理论研究,满足了目前应用领域的尺寸小、高消光比和低损耗的需求,为中红外偏振器件的实际应用提供了理论基础。