现代社会是一个高度信息化的时代,无论是在国家安全、工业生产和商业活动,还是人们的日常生活,都涉及到信息的传输和处理,都离不开信息的保密性和安全性,密码技术是信息安全的核心技术。经典密码学基于计算复杂度,利用求解数学问题的困难来保证密码方案的安全性,并与信息具体的载体无关。从理论上来说,只要拥有足够强大的计算能力,经典密码就无法保证它的安全性,因此它并不是一种绝对安全的密码方案。与经典密码不同,量子密码是密码学与量子力学相结合的产物,它的安全性基于求解量子力学难题的不可能性,通信双方以量子态为信息载体、通过量子信道传输、在通信双方之间建立共享密钥的方法,称为量子密钥分配(Quantum Key Distribution, QKD),其安全性是由量子力学中的“海森堡测不准原理”及“量子不可克隆原理”或纠缠粒子的相干性和非定域性等量子特性来保证的。量子密钥分配并不用于传输密文,而是在保密通信双方分配密钥,俗称量子密码通信。量子密钥分配与经典通信相结合,可以实现绝对安全的保密通信。最早的量子密码系统是以单光子为信息载体,但由于目前尚无安全可靠的单光子源,探测效率比较低,因此单光子量子密钥分配的速率和安全性受到了严重的制约。与之相反,连续变量量子密钥分配所需光源发射频率高,使用多光子光源,信号较强,适合远距离的密钥传输；不需要复杂的单光子探测器,而是采用零拍探测测量光强,通常在室温条件下进行,而且几乎不受普通背景光噪声的影响,测量频率可达数GHz,量子效率高达99%,克服了单光子探测器探测效率低的弊端,可大幅度提升了码率,因此连续变量量子密钥分配正越来越多的受到人们的关注。在连续变量的量子密钥分配系统中,一般采用光场的正则位置和动量加载信息。由于压缩态、纠缠态在光纤中对各种损耗极为敏感,难于实现长距离传输,而相干态则易于保持,所以我们以相干态为信息载体实现连续变量量子密钥分配。现代信息技术对于器件微型化和集成化的要求,要求单元器件的尺寸越来越小。电子器件高度集成而产生的热效应和信号延时两大问题阻碍了芯片运算速度的进一步提高,与之相比,光子器件在信息传输领域中具有比电子器件更多的优势,但光子器件的集成则要落后很多,光波导及其器件的横向尺寸仍然保持在波长量级。电子和光子器件在尺度上的失配,无法实现纳米电子器件和微米光子器件的信息传输。要解决上述问题,需要从根本上发展新的原理和技术。提高光子器件集成密度,关键是要将光约束在衍射极限的范围内。基于传统光学的基本原理和技术因受到衍射极限的限制,在纳米尺度上就难以实现与此相关的信息的传输、处理和相关技术应用,不能满足科学技术发展的需要,因此迫切需要实现突破衍射极限的新机理和新技术,其中一种重要途径是表面等离子体(Surface Plasmon, SP)。利用表面等离子体的空间局域特性,采用亚波长金属结构而获得表面等离激元器件,有可能把光子和电子融合在纳米尺度上,从而实现在纳米尺度对光子的路由、操纵,甚至光器件的微型与集成。集成光路的全光信号处理要求用光来控制光,这使得非线性的作用显得尤为重要,而基于亚波长金属结构的非线性光学器件在纳米尺度下可以得到明显的非线性效应,这是其他类型的器件无法比拟的。本论文的工作包括两个方面,连续变量量子密钥分配和亚波长金属结构中的表面等离极化激元,具体如下：1、对采用低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code, LDPC)的逆向协调连续变量量子密钥分配系统进行了仿真研究。在仿真过程中,我们假设以相干态为信息载体,光源是重复频率0.5MHz、工作波长为1550nm的激光器,量子信道为20公里长的单模光纤,接收端采用平衡零拍探测系统测量接收到的信号,设探测器的探测效率大于0.6,探测系统引入的额外噪声小于0.05,线路额外噪声为0.05。采用多级编码/多级译码结构的协调校验方案：信源编码时码本选取具有对称性的自然码,量化空间的选择则参考了Lloyd和Max提出的最佳量化器及矢量量化的思想；信道编码采用长度为200000的不规则LDPC码,采用改良的基于对数域译码的对数似然比(LLR) BP算法进行译码,最终实现了高效率的逆向协调算法。通过仿真计算,最终能够实现20km单模光纤中2.2kb/s的密钥传输速率,编码效率达到0.89,并且仍有提高余地。2、利用三维全矢量时域有限差分方法,对飞秒高斯脉冲通过对称的线性或非线性金属／介质／金属(MIM)表面等离极化激元波导后的输出进行了数值仿真。脉冲中心波长为850nm,脉宽为20fs,波导的长度固定为560nm,中间介质层厚度d分别取20nm,50nm,100nm,200nm,介质为线性介质或非线性介质。结果表明,在线性情况下,当d=100nm和d=200nm时,输出脉冲与输入脉冲基本没有发生改变。随着d的进一步减小,输出脉冲开始变得不对称,在脉冲的后沿,出现了“拖尾”的现象,而且,d越小,拖尾现象越明显,同时,伴随着“拖尾”现象的发生,输出脉冲的频谱与输入脉冲频谱相比变窄了,同样也是d越小,变窄越严重。当d=50nm和d=20nm时,输出脉冲的谱宽分别被压缩了35%和58%,我们把这种现象归因于波导共振效应,而不是色散效应。在非线性情况下,结果要复杂地多,输出脉冲严重畸变,而且不规则,同时也伴有“拖尾”现象,跟线性情况下类似,随着d的减小,“拖尾”越来越严重,脉冲畸变也越来越严重,在频域,输出脉冲的频谱被展宽了很多,而且由原来的一个峰值变为若干峰值,同样也是随着d的减小,输出频谱峰值变多,这儿非线性效应引起的自相位调制起了很重要的作用。3、利用三维全矢量时域有限差分方法,计算了基于金属/介质/金属(MIM)结构表面等离极化激元波导的布拉格光栅的透射谱。设金属为银,中间介质为空气,周期地改变中间介质层的厚度(150nm和1OOnm),使MIM结构的有效折射率呈周期性排布。设中心波长为1550nm,根据一阶布拉格条件,计算得到介质层厚度为150nm和1OOnm所对应的传播长度分别为292nm和398nm。仿真结果表明,基于MIM波导中的布拉格光栅透射谱中出现明显的带隙,中心为1550nm。如果在结构中引入缺陷,在带隙中会出现一个锐利的透射峰,可以用来设计极窄带的滤波器,然后我们增大中间介质层的介电常数,计算发现缺陷峰向长波方向移动。本文的创新点主要有：1、将理论上最接近仙农极限的低密度奇偶校验码(LDPC)应用到连续变量量子密钥分配(Continuous VariableQuantum Key Distribution, CVQKD)的数据协调中。采用Mackay构造法,找到能达到系统安全要求的LDPC码校验矩阵,设计了具体的数据协调方案,最终能够实现20km单模光纤中2.2kb/s的密钥传输速率。2、通过计算飞秒高斯脉冲通过中间层厚度不同的对称金属／介质/金属(MIM)表面等离极化激元波导后的输出,分析了色散效应,波导共振效应和非线性效应在这种现象中各自的作用机理。提出了波导共振效应在脉冲通过短线性MIM波导时起主要作用。如果存在非线性效应,则由其产生的自相位调制效应会导致输出谱的明显展宽。3、采用金属的复合Lorenz模型,计算得到了中间介质层的厚度和折射率周期性改变的MIM波导(即布拉格光栅)的透射谱。在其周期结构中引入缺陷,通过改变中间介质折射率,得到了缺陷峰随介质层折射率变化的规律。