表面等离子光学是研究表面等离子激元性质和应用的一门新兴学科，在纳米光子学、近场光学、光谱技术、传感技术和集成光子学等相关领域有大量重要应用。其中的表面等离子回路领域致力于研究亚波长尺度的金属-介质波导和波导元件，以实现与大规模集成电路元件尺寸相当的可集成光子学元件，是近年来的热点研究领域并已取得了大量成果。但是这一领域面临表面等离子激元传输损耗问题这一重大困难，目前也没有能够为表面等离子激元传输信号提供放大作用的可靠的器件设计。本文提出可以在金属-介质-金属波导结构中设计表面等离子激光双稳态放大器实现对波导中传输的表面等离子激元数字信号的放大。首先通过对金属-介质-金属波导中周期性支节结构传输特性的仿真研究，构造波导中的等效纳米腔。基于对等效纳米腔场分布的分析，提出等效纳米腔的本征模式理论，并用推迟格林函数方法建立纳米腔局域模式与传输场的耦合关系。然后，研究在波导纳米腔中加入增益介质的模型。以偶极近似下的二能级粒子受激辐射模型描写增益介质，基于等效纳米腔的本征模式理论量子化纳米腔中的局域场，在旋转波近似下获得系统的光学布洛赫方程，证明系统的表面等离子激光性质。仿真分析信号波长、结构尺寸、增益介质载色体浓度及增益介质与饱和吸收体浓度比等重要参数对表面等离子激光激发曲线性质的影响。进一步研究在增益介质中加入饱和吸收体的模型，利用相同形式的光学布洛赫方程，仿真分析这一物理模型的激发过程与驰豫过程的动态特性，基于脉冲泵浦条件下初始激元数与放大器稳态的关系，阐明模型的双稳态特性，论证这一结构可以用作表面等离子激元数字信号的双稳态放大器。基于前述物理模型设计了波导结构表面等离子激光双稳态放大器的原型器件，给出结构设计与制作工艺流程。讨论了材料性质与选择对放大器性能参数的影响。设计得到的原型器件具有亚波长尺度波导结构，便于集成；亚皮秒级响应时间，适用于超高速信息系统；太赫兹级带宽，阈值放大器特性适于数字信号的放大。表面等离子激元信号在波导中的无损传输问题是当前表面等离子回路领域的核心问题之一，目前被大量研究的同步补偿方案其结果距实际应用有很大距离，并且在理论上存在稳定性问题。本文设计了波导结构表面等离子激光双稳态放大器阵列，以放大器中继放大传输的方式为解决无损传输问题提出了一种新的方案，避免了损耗补偿的稳定性问题。随着对表面等离子激元的光激发过程的研究发展起来的表面等离子共振技术，在传感技术特别是生物化学传感领域具有重要和广泛的应用。本文设计了一种采用纳米粒子增强技术的表面等离子共振生物量传感器，并提出了光纤环路解调技术，所设计的传感系统具有超高灵敏度、准实时响应和大动态范围，适用于生物化学反应动力学测量研究。基于同一原理设计的波导环路解调SPR传感系统，展现了SPASER双稳态放大器的一种可能应用。