近几年来电子集成电路的大小与体积按照摩尔定律所预期的速度迅速减少，其单元器件已在实验室实现了数十纳米量级尺度的突破。与此相反地，作为光子集成线路基本结构的光波导的横向尺寸却由于受衍射效应的影响，被限制在光波长的量级，使得光子集成线路单元器件的大小一般在数十至数千波长的尺度范围。随着微细加工技术不断发展，为了大幅度地减少光子集成线路的体积、研制集成度更高、功能更强和功耗更低的光子集成回路或平面集成光器件，人们已相继提出了高折射率差介质波导(如SOI硅隔离体)和光子晶体等原理和技术，力图获得体积更小的元器件。然而，高折射率反差形成的传统介质波导由于在原理上仍受到光衍射极限的限制，对光波模式的束缚被限制在光波长量级；而基于光子晶体缺陷态的光场束缚法需要缺陷周边至少有数个周期的光子晶体对光场干涉相消才能形成禁带限制作用，致使光子晶体器件在其横向和纵向方向无法达到真正的亚波长或纳米量级。如何获得突破衍射极限的各种高效光波导、光开关、波分复用及光调制器等器件，是实现纳米光学集成的关键所在，也是目前迅速发展的纳米光学领域的一大研究热点。 表面等离子体激元(SPPs)是局域在金属表面的一种自由电子与光子相互作用形成的混合激发态，其突出特点之一就是具有将电磁场能量聚集在纳米尺度范围的能力，在纳米集成光学与器件方面有着极大的应用潜力，被认为是最有希望的纳米集成光学器件的信息载体。SPPs已在纳米金属小孔阵列结构透射增强、纳米光学成像、纳米光刻和高灵敏生化传感等其它领域获得了激动人心的结果，但在光子传导与控制的纳米平面集成光子学领域的研究仍十分有限，远不能满足研制和开发高功能纳米集成光电子器件的迫切要求。因此，开展有关表面等离子体激元的纳米金属-介质-金属集成光波导特性与器件研究，无论对于深入认识表面等离子体激元的激发及其与光子相互作用的规律、促进纳米光子学学科的发展，还是对于设计新型纳米光波导结构、研制下一代纳米平面集成光电子器件，均有着十分重大的理论价值和应用价值。 本论文围绕表面等离子体激元(SPPs)这一中心展开研究。简单介绍了集成光学的概念、研究意义及国内外研究现状；同时，介绍了处理光场与介质结构的相互作用的有限时域差分法的求解方法。接着，基于有限差分的计算方法，讲述了表面等离子体激元的基本原理、特性及其与光波的耦合方法。文中，首次提出了基于表面等离子体的Y型分支波导和光定向耦合器等光学器件，并对其各种光学特性做了较为详尽的模拟研究和分析。研究表明，该新型Y分支波导的尺寸在纳米量级；在光通信波段具有良好的导波性能；相对传统分支波导，可实现任意角度的高效率分光功能；同时其还具有对分叉间隙处制作缺陷不敏感的优良容差特性。而基于SPPs的新型光定向耦合器，除了可与传统耦合器一样实现入射光在两个通道间的周期性转换外，也具有纳米横向尺寸。另外，我们首次发现，在一个耦合周期内，耦合器两出口的光功率极值位置存在错位，并首次证明了该错位与金属复折射率的关系。最后，我们首次研究了气体杂质对该新型耦合器耦合效率的影响，结果表明其具有对狭缝处气体折射率变化不敏感的优良特性。