随着光电子集成技术的快速发展,表面等离子体已经成为科研工作者的研究热点。当光入射到金属表面时,金属表面的电子会随着入射光振荡产生一种表面波,并且以一种特殊的形式存在于金属-介质界面上,这种模式就是表面等离子体激元(SPPs)。在纳米量级内,表面等离子体激元为控制光的传播注入了新的生命力。表面等离子体波导能够突破传统光学存在的半波长衍射极限,实现了亚波长尺寸下的低损耗传输和对光的限制能力,这促进了光电子器件的高速化、微型化和集成化。在众多类型的SPPs波导中,混合表面等离子体波导(HPW)具有较低的传输损耗和较强的光场限制能力,体现出了其独特的优势。本文将增益介质作为高折射率材料引入HPW中,设计了两种新颖的混合等离子体波导结构,在COMSOL Multiphysics软件平台上对这两种结构的特性进行了仿真和研究,这为光电子集成器件的发展提供了新思路。本文的主要工作如下:(1)在课题的研究背景下,首先介绍了SPPs的发展概况和应用领域,接着介绍了其未来的发展方向,然后阐述了SPPs和表面等离子体波导的理论知识,在这个基础上,着重分析了HPW的特点和优势,并介绍了常用的增益介质材料以及研究方法,这为后续设计和研究新型混合波导结构提供了一定的理论依据。(2)在Dai和Gao波导结构的基础上,设计了一种带有增益介质的基于InGaAsP的双肋型混合等离子体波导结构。在工作波长下借助COMSOL软件仿真模拟了该结构的电场分布,并详细分析了波导模式特性和传输特性随几何参数的变化规律。可以看出,该波导结构不仅具有较强的光场限制能力而且传输损耗也比较低。通过分析比较,我们得到了最优结构尺寸时的品质因子和增益系数。在相同的几何参数下,该结构与同类矩形金属脊结构相比具有更好的波导特性,可以获得更好的波导传输效果。(3)基于圆柱形半导体纳米线波导结构,设计了一种带有增益介质的基于金属脊和三角形半导体的混合表面等离子体波导结构,这种结构制备相对容易。在红外波长下利用有限元法模拟仿真了该波导结构基模的电场分布,研究了波导的群速度和色散特性,然后详细分析了其模式特性、传输长度、普塞尔因子和品质因子随几何参数的变化规律。通过优化波导结构的几何参数,不仅能够有效地提高其基模的传输长度和品质因子,而且还能保持对光场的超深亚波长约束能力。在相同的条件下,该波导结构与先前报道的金属平板波导结构相比,可以看出,我们设计的结构具有较低的损耗,更大的品质因子,更强的光场限制能力,波导的综合性能更好。这种波导结构在微纳米光子学、光电子通讯和光信息存储等领域具有广阔的应用前景。