近些年，随着纳米光子学的兴起，光与亚波长器件的相互作用引起了人们极大的研究兴趣，产生了许多新颖的光学现象，如超分辨成像，隐身斗篷，负折射率超材料等。目前，光子晶体和表面等离子体被认为是最有可能实现微纳光子器件的两种重要手段。其中表面等离子体的特性可以通过改变亚波长金属的表面结构调控，其与光的相互作用也会随之变化。表面等离子体为发展新型光子器件、宽带光通讯系统、超灵敏光学传感器以及微小光子回路等提供了可能。本论文正是在这一背景下，基于亚波长金属波导，研究了其中的表面等离子体特性并设计了具有各种功能的新型微纳光子器件。本论文的研究内容主要包括如下几个方面：1.利用有限时域差分法，研究了亚波长金属波导腔耦合系统的滤波特性。在金属介质金属波导中引入纳米盘型谐振腔，实现了纳米滤波器。其滤波特性可通过改变谐振腔的半径、腔内材料的折射率以及谐振腔与波导之间的耦合距离来调控。基于该滤波器，通过在金属介质金属波导中级联多个纳米盘型谐振腔，同时合理调节各谐振腔的结构参数，实现了多通道的可调谐波分解复用器。通过结构的设计和优化，提高了波分解复用器各通道的透过率。提出了一种T型波导耦合纳米盘型谐振腔的结构，实现了表面等离子体的单向传输与控制。研究发现该结构的透过率可以通过调节T型波导两臂的光程差改变，并利用光的干涉理论对这一现象作了解释。2.研究了非线性材料复合亚波长金属波导中非线性现象。在谐振腔中加入Kerr三阶非线性材料，入射光强度的改变会引起非线性材料折射率的变化，从而改变谐振腔的滤波特性。利用有限时域差分法研究了不同的入射光强度对应的透射谱，发现该非线性金属波导可以实现光开关效应。由于谐振腔的共振特性提供了正反馈作用，在该非线性结构中能够产生光学双稳态现象，研究还发现当改变谐振腔的半径时，会对双稳态现象产生明显的影响。利用传输线理论，建立了金属光栅结构的等效电路模型，基于该光栅结构的滤波特性，通过改变光栅单元的高度，并在其中加入Kerr三阶非线性材料，在宽带宽范围内实现了光开关效应。3.建立了金属光栅波导的色散方程并研究了其色散特性。发现改变光栅波导的结构参数可以对其透射和色散特性调控，并且在光栅结构的色散曲线的截止频率附近能够产生明显的慢光效应。为解决以往基于金属表面实现的慢光器件具有的散射损耗大、光束缚能力差等问题，在金属介质金属波导中引入了准周期光栅结构。当光栅单元的高度增加时，对应色散曲线中的截止频率会逐渐降低，当入射光的频率不同时，会在该波导的不同位置处产生明显的慢光效应，从而实现“彩虹捕获”现象。金属具有不可避免的欧姆损耗，利用波导的本征方程，研究了金属损耗对锥形波导的慢光效应的影响。发现金属的损耗会影响光波的群速度，导致锥形波导中传输模式的群速度无法继续减小。为解决这一问题，在锥形波导的芯层引入增益材料以补偿金属损耗，通过适当地改变增益材料的增益系数，在波导的不同位置实现停光现象。从而在含有增益材料的锥形波导中产生“彩虹捕获”现象。提出了一种基于石墨烯等离子体的微纳尺度自聚焦透镜，其有效折射率可达100。该透镜有望用于亚波长尺度的光束准直、光束聚焦和像传输。4.基于金属光栅波导的等效电路模型，研究了利用金属光栅波导结构实现类电磁诱导透明效应。通过改变每个光栅单元中两个矩形腔的高度，调谐其对应的共振波长，能够在该结构中产生类电磁诱导透明效应。金属光栅波导的色散分为材料色散和光栅波导产生的结构色散，因此通过适当调节结构色散，能够对材料色散进行补偿。研究发现，在类电磁诱导透明效应的透明窗口对应频率处，能够实现近零色散的慢光传输。基于传输线理论，研究了光栅波导中的结构参数对其透射和色散特性的影响。发现光栅结构中矩形腔的高度差以及光栅周期都会对其色散产生影响。通过对光栅波导的结构参数进行优化，得到了慢光群折射率为35，归一化延迟带宽积达0.65的亚波长慢光波导。