表面等离子体(Surface Plasmons Polariton,SPP)是由光和金属表面自由电子相互作用引起的一种电磁波模式,它局限于金属与介质界面附近。SPP具有巨大的局部场增强效应以及将电磁场能量限制在纳米尺度范围内的特点,所以基于SPP的各种纳米光子器件能够有效地缩小尺寸,被誉为最有希望的纳米全光集成回路的基础,成为了国内外研究的一个热点。　　 本论文主要从SPP的基本原理出发,开拓SPP的应用,发展了新的SPP光学元器件的设计方法,并设计了一系列的纳米光子元器件。　　 首先,借助于光子晶体的相关理论,设计了基于金属-介质-金属(Metal-Mielectric-Metal,MDM)波导的布拉格滤波器。在该设计中通过三种不同的方法增大了禁带宽度。第一种,选取特殊结构,增大周期排列的两种MDM波导有效折射率的差值；第二种,连接两个金属异质结构；第三种,梯度改变每层MDM波导的厚度。这种基于SPP的光学器件具有重要的应用价值,尤其是对要求禁带较宽的元器件。　　 其次,设计了方环形滤波器,在该设计中我们首次分析了第四个端口的能量输出情况。利用耦合波理论推导了相邻两个波导中能量转换时的耦合长度,据此我们设计了方环形滤波器,该器件不仅可以实现滤波的功能,还可以实现特定频率分束的功能。　　 然后,利用模拟退火(Simulated Annealing,SA)优化算法设计基于SPP的纳米透镜。首次将SA优化算法引入到金属狭缝阵列透镜的设计中,解决了在设计中利用等光程原理不能同时考虑相位和振幅的问题。利用该优化算法设计了可突破衍射极限的单焦点、双焦点以及三个焦点等不同功能的金属狭缝阵列纳米透镜。同时发现在金属狭缝中引入凹槽时也可以起到对振幅和相位的调制作用,并首次根据这一性质设计了具有单焦点、长焦深的金属狭缝凹槽阵列透镜。为了检验SA优化设计器件的性能,用时域有限差分法(The finite-difference time-domainmethod,FDTD)对器件特性进行了模拟,模拟结果同预期符合很好。通过这些设计说明SA算法可以很好的解决类似问题。　　 最后,提出了相位-振幅型杨顾(Yang-Gu,Y-G)算法,相比模拟退火算法具有更好的收敛速度。利用该扩展方法设计了基于SPP的纳米透镜。在传统Y-G算法的基础上对其进行推广,将仅适用于纯振幅或纯相位调制的传统Y-G算法推广为两者可同时进行调制；并将先前的标量Y-G算法推广到了矢量算法中。为了检验算法的可行性,设计了单焦点、非对称的双焦点、非对称的三个焦点以及对称的双焦点等一系列聚焦性能不同的纳米透镜,设计结果利用FDTD方法进行了检验,其性能与我们所预期的吻合。这说明利用推广后的相位-振幅型Y-G算法可以很方便的同时考虑振幅和相位调制,并进行亚波长SPP光学器件设计。　　 总之,本论文依据表面等离子体的特性,给出了设计微纳光学元器件的相关方法,如:将优化算法引入到纳米光学元器件的设计中、提出相位-振幅型杨顾算法,扩展杨顾算法的应用,并借助于光子晶体的相关理论等。并利用这些方法设计了一系列的微纳光学元器件,在一定程度上突破了衍射极限的限制,表明了提出方法的有效性。这将推进纳米光学元器件的应用,促进光电集成技术的发展。