等离激元传感被《科学美国人》评为2018年度十大新兴技术之一,目前,等离激元传感器已经广泛应用于化工、生物医学和食品加工等行业的折射率测量。表面等离激元(SPPs)能克服光的衍射极限并在亚波长结构内控制光,随着纳米加工技艺的不断发展,在取代传统光电子器件实现微纳光学器件和高集成光子回路方面具有重要优势。其中,传感已被确定为表面等离激元最有前途的应用之一。由于谐振场的特殊分布,等离激元传感器感知环境(折射率)变化具有很高的灵敏度,其中品质因数(FOM)是评估传感器性能的最重要参数。同时,等离激元传感器的灵敏度和传感性能依赖于传感器的材料和结构。基于此,本文的主要工作与创新点如下:1.首先介绍了表面等离激元的研究背景、研究意义、研究现状和诸多应用。然后详细介绍了其在微纳光器件(如微纳传感器,光开关和滤波器等)方面的应用。其中,本文基于周期交错双边梯形等离激元结构创新地设计出一种具有超宽带宽和可调谐性的高性能带阻滤波器。最后介绍了基于Fano共振的等离激元微纳传感器的主要研究方法和国内外研究进展。2.介绍了表面等离激元的基本概念和物理模型,并通过麦克斯韦方程推导出金属-介质界面上和金属-介质-金属(MIM)波导中的表面等离激元的色散关系,得出了产生表面等离激元的条件。随后着重介绍了本文使用的Drude模型,还介绍了有限元方法(FEM)以及仿真软件COMSOL Multiphysics,并以MIM波导结构为例介绍了其数值模拟过程。最后,给出了两种常用实例的耦合模(CMT)公式。3.通过CMT和FEM研究了 stub腔与微环腔耦合结构的透射响应,创新点主要体现在两个方面。一方面,物理解释详尽,仿真实验结果与理论推导结果高度吻合,具体体现在:提出的CMT模型能很好地拟合出产生的Fano共振和EIT-like效应;根据驻波理论、TM模的色散模型和金属的Drude模型推导出微环腔中高阶谐振模式的阶数,与数值模拟结果一致。另一方面,最后提出的复杂等离激元结构作为折射率传感器具有很高的灵敏度1600 nm/RIU和超高的FOM值1.2×106,优于绝大多数相关研究[15,16,22,28-30,55,61,63,64,67,70,93,94,109,11 1,119]。此外,该系统的最大群延迟和群指数分别为1.49ps和221,优于相关研究[29,54-57,119],具有很好的片上慢光应用前景。值得一提的是,它还可以设计为高消光比约43 dB的光开关,优于相关研究[16,59,110]。4.提出了一种含金属挡板的MIM波导与三角腔耦合的简单等离激元结构,创新点主要体现在三个方面。首先,该结构具有独立可调谐性和灵活可扩展性,具体表现为:系统中的三重Fano谐振可以通过调节结构参数独立调谐,使设计更灵活;通过引入环形谐振器,该结构很容易扩展为五重Fano系统。其次,该结构可设计为高性能微纳传感器,具有较好的灵敏度1200nm/RIU和超高FOM3.O×106,明显优于目前研究[15,16,22,28-30,55,61,63,64,67,70,93,94,95,109,111,119-122]。最后,仿真结果与理论结果相吻合,体现在:提出的多模干涉耦合模理论(MICMT)模型能很好地拟合出产生的Fano共振;根据驻波理论计算了谐振阶数,与仿真结果一致。综上所述,本文设计出两种新型等离激元微纳传感器,它们的FOM最高均达到了 106数量级,比目前的研究水平提升了一个量级左右,并且仿真结果与使用CMT、MICMT和驻波理论推导出的结果相同。因此,本文的研究成果为高性能等离激元传感器的设计提供了理论依据,并且对于微纳光器件的设计和研究有一定的参考价值,同时对实现高集成光子回路也具有积极意义。