表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是一种局域在介质-金属表面的特殊的电磁模式,它的光场能量在分界面处最大,并且以指数形式向两边衰减。它是一种强大潜在的信息技术载体,在光通信领域内越来越受到重视。SPPs具有克服传统光学中的衍射极限的优势,而且还具有巨大的场增强效应。以表面等离激元为基础的光学器件为光子器件的集成化和小型化提供了可能。基于以上的优点,基于表面等离激元的纳米光学器件已经成为了纳米光子学研究的热点之一。本论文正是基于这一背景之下,基于MIM(metal-insulator-metal)金属波导,研究了各种金属纳米腔耦合波导的光学性能并且设计了各种不同功能的纳米光学传感器结构,并且利用已有的仿真软件和理论分析对器件的功能和结构的参数进行了优化。具体的内容可以分为如下几个部分:1.介绍了论文的研究背景和相关的研究意义,并且介绍了表面等离激元的研究历程和相关的应用。另外本论文介绍了金属的自由电子气模型和常见的基于表面等离激元的波导结构以及表面等离子体MIM波导。2.本论文介绍了纳米光学传感器和电磁场的有限元法以及多物理场有限元软件COMSOL Multiphysics。详细推导了表面等离激元激发所满足的条件,并且介绍了几种常见的激发表面等离激元的方式。另外本文介绍了表面等离激元的传输特性,为我们设计结构参数的设置提供了参考。3.研究了一种基于MIM波导实现Fano共振现象。本论文利用MIM波导耦合矩形腔和Slot腔,实现了双个Fano共振线谱的获得。并且我们利用驻波理论定性和定量的解释了 Fano共振,利用有限元法COMSOLMultiphysics,对结构的各个参数进行了研究,很好的调谐了获得的Fano共振线谱。通过已有的物理知识,我们对于结构进行了非对称的扩展,获得了三个Fano线谱图,并且根据理论分析可以很好的调控每个Fano共振峰。最后我们通过对结构的调控设计的传感器结构可以很好的应用于实验当中,通过这种结构设计的纳米光学传感器能够达到灵敏度为800nm/RIU,品质因数高达1.35 × 104。4.本论文通过简单stub腔和单边矩形腔的耦合,获得了双个Fano共振线谱,并且利用有限元法COMSOL Multiphysics对结构进行了数值的仿真和理论的分析。本文利用驻波理论对Fano线谱的一些现象尝试着进行了定性的分析,而且通过调控结构的参数,可以很好的实现了双个Fano共振峰的调控。与此同时,利用已有的知识,进行了结构的扩展,通过有限元法COMSOL Multiphysics可以很好的分析出每个Fano共振峰的来源,并且实现了多个Fano共振峰的独立调控。本论文通过简单的stub腔和单边矩形腔之间的相互耦合获得的Fano共振峰,可以设计出灵敏度能够高达1900nm/RIU,品质因数高达3.8 ×104的纳米光学传感器。综上所述,我们基于MIM波导利用矩形腔,stub腔和单边矩形腔之间的相互耦合获得了单个,双个,多个Fano共振峰的线谱,并且利用有限元法COMSOL Multiphysics仿真和理论分析了每个Fano共振峰的来源,实现了 Fano共振线谱的很好的调控。利用这些Fano共振峰的特性设计出的纳米光学传感器具有超高的灵敏度和较高的品质因数,这对于设计纳米光学传感器有着很好的借鉴意义和实现基于微纳尺度的纳米光学器件的设计有着很好的参考价值。