微纳光子学主要研究在微纳尺度下光与物质相互作用的规律及其在光的产生、调控、传输、探测和传感等方面的应用。在光电材料中引入特征尺度接近或小于光波长的微纳结构后,将会展示出许多奇异的光电效应。基于此的微纳光子学器件,例如激光器、光互联器件、传感器及延迟器等在信息光电子学、生物医疗和国防安全等领域有着重要的应用,从而引起了世界各国学术界和产业界的普遍重视。本论文围绕微纳光子学若干关键器件开展了一系列的理论与实验研究,取得的创新成果如下：一、基于微结构光纤的微纳光子学器件(1)设计了一种基于微结构光纤的镀银纳米层表面等离子体激元共振传感器。这种传感器的结构简单,其外层6个大孔不仅可以增强待测液体的微流动,还可以增大银纳米层与纤芯导模光场的接触面积。理论分析表明：该传感器的灵敏度为1500 nm/RIU,相应的分辨率为6.67-10-RIU。与相同结构下的镀金纳米层的传感器比较,该传感器的灵敏度和Q值均高于镀金纳米层传感器。(2)利用烽火公司拉制的高非线性微结构光纤,实现了基于受激布里渊散射的可调谐慢光延迟。该光纤是由围绕在纤芯周围的一层柚子形空气孔和外围五层圆形空气孔组成的,其非线性系数高达136(W·km)-1@1550 nm。实验采用单泵浦光和单级延迟方案,信号光为脉宽100 ns的光脉冲。当泵浦光功率为162.6 mW时,在120 m长的高非线性微结构光纤中获得了最大76 ns的延迟量,相当于0.76个脉冲宽度。通过调节泵浦光功率的大小,可以实现对慢光延迟量的调谐。(3)设计了一种由相邻的亚波长直径的纳米光纤和半导体纳米线组成的色散补偿器件。用有限元法理论分析了模式有效折射率、色散等特性与纳米线直径、间距的关系。分析结果表明,在单根纳米波导中传输韵独立导模之间相互耦合能产生对称超模,对称超模的最大负色散可达-4.5×106ps/nm/km。二、表面等离子体激元微纳光子学器件(1)相邻金属银纳米线表面的表面等离子体激元能够互相耦合形成具有强光场限制能力和长传输距离的表面等离子体激元间隙模式。理论研究发现,将两根金属银纳米线置于衬底上时,纳米线之间的间距存在一个约等于纳米线半径的关键值Dp。当金属银纳米线的间距小于Dp时,其传导特性几乎不受衬底的影响,且与衬底表面粗糙度无关。(2)结合对称表面等离子体激元模式和混合表面等离子体激元模式,设计了一种兼具两者优点的非对称混合表面等离子体激元波导。理论分析表明,将该波导置于二氧化硅衬底上时,可以消除衬底对其传输特性的影响,恢复被破坏的模场对称性和传输长度,在亚波长光场限制下可实现2.49 mm的传输长度。(3)在对非对称混合表面等离子体激元波导研究的基础上,通过在波导结构中嵌入金属银纳米线,设计了一种能实现厘米级传输长度的非对称混合表面等离子体激元波导。理论分析表明,该波导可以在深亚波长光场限制下实现高达2.69 cm的传输长度,同时其品质因数高达139037。该波导可以用作定向耦合器件,它在间距为0.1μm时的耦合长度仅为1.01μm。耦合长度对波导间距的高度依赖使得该波导还可以作为波长选择器件应用于波分复用系统中。(4)基于非对称混合表面等离子体激元波导结构和端面金属银反射镜,提出了一种三维尺寸均小于其工作波长的低阈值表面等离子体激元纳米激光器结构。理论分析表明,当纳米激光器的谐振腔长为1 gm时,其最小的阈值增益能达到260 cm-1,对应的Q值和Purcell因子分别为219和172。在适度牺牲阈值增益和Q值的情况下(阈值增益增加到1261 cm-1,Q值减小到45),该纳米激光器的谐振腔长可以减小到200 nm。(5)采用金属-绝缘体。金属结构,设计了一种基于圆形谐振腔的微型表面等离子体激元传感器,其三维尺寸均小于1μm。理论分析表明,该传感器的灵敏度为1010nm/RIU,相应的分辨率是9.9×10-5RIU,且对结构参数的变化不敏感,这就意味着它几乎不受制作过程中的工艺误差的影响。此外,该传感器在共振波长处的透射率仅为5%,这使其可以在特定的宽谱范围内实现波长选择功能。三、GaAs/AlGaAs纳米线激光器(1)首次采用倏逝波泵浦的方式实现了GaAs/AlGaAs纳米线的室温、单模激射。该纳米线采用核壳(core-shell)结构,AlGaAs壳层作为表面钝化层可以有效地减少纳米线的表面态效应,增强GaAs核层的发光效率。一维的GaAs/AlGaAs纳米线不仅作为增益介质,而且其带有反射端面的圆柱形波导结构还构成了能提供相干反馈的法布里-珀罗谐振腔。将GaAs/AlGaAs纳米线粘附在微纳光纤的表面,利用微纳光纤表面的倏逝波轴向泵浦GaAs/AlGaAs纳米线。当脉冲激光能量大于1.5μJ时,在室温下实现了GaAs/AlGaAs纳米线的单模激射,其波长为868.6 nm、线宽约1.8 nm。通过改变GaAs/AlGaAs纳米线的长度,还可实现在852.5-882.5 nm范围内的不同激射波长。(2)首次实现了基于Purcell效应增强的GaAs/AlGaAs纳米线的自发和受激辐射。将纳米线与SiO2-Au衬底结合,纳米线中的介质模式与Au表面的表面等离子体激元模式在二氧化硅间隙处发生杂化形成混合表面等离子体激元模式。纳米尺度局域的电磁场为光子和表面等离子体激元构建了尺度小于波长的微腔,通过Purcell效应增强了自发辐射率和受激辐射率。实验结果表明,GaAs/AlGaAs纳米线的自发和受激辐射强度分别被增强了四倍和十倍。当泵浦功率为40mW时,Purcel1效应能使GaAs/AlGaAs纳米线表现出完全的混合表面等离子体激元激射行为。