传统光学器件受到衍射效应的限制,其最小尺寸一般在半波长左右。这在很大程度上制约了光学集成电路的小型化和集成密度。为解决这个难题,我们需要突破衍射限制,进而获得各种亚波长尺寸的光器件。表面等离激元（Surface plasmons,SP）是目前纳米光子学领域的研究热点之一。它是指沿着金属介质分界面传播的表面电磁波（主要在红外和可见波段）,其主要特性是电场强度在金属与介质的界面上具有最大值,远离金属表面场强呈指数衰减。另一方面,表面等离激元的等效波长比真空中光波长小,它可以实现电磁能量的亚波长约束,也就是突破衍射极限。由于表面等离激元具有局域场增强效应、亚波长约束、远距离传输等特性,这使得其在通信、生物、化学、能源等领域具有广泛应用,如纳米光波导、纳米激光器、表面增强拉曼散射、传感器、单分子荧光、超分辨率成像、光刻、太阳能电池、癌症治疗等。其中,表面等离激元波导是重点研究方向之一。到目前为止,各种类型的表面等离激元波导相继被提出和研究。一般采用解析或者有限元方法（Finite element method,FEM）计算得到表面等离激元的有效折射率和模式场分布,进而研究其传输特性。本博士论文在分析现有表面等离激元波导研究的基础上,提出新的波导结构,并着重对太赫兹和通信波段的几种表面等离激元波导的传输特性以及非定域效应对其影响进行了详细的理论研究,获得了一些有意义的结果。1.提出一种介质包裹的太赫兹双金属线波导结构太赫兹双金属线波导具有低损耗,易耦合等特性。这种波导支持近似TEM（Transverse electric and magnetic）模式,能量主要集中在双线中间的区域内,弯曲损耗很小。但是由于太赫兹表面等离激元效应很弱,使得模式场约束相对较差。考虑到光场趋向于被束缚在折射率更高的地方,我们提出介质包裹的太赫兹双金属线波导,采用有限元方法研究了介质层厚度以及其介电常数大小对模式传输特性的影响。该工作有以下几个创新点:（a）介质包裹太赫兹双金属线波导模式传输距离可达米级别,且模场面积相比同尺寸太赫兹双金属线更小。通过选择不同的介质层厚度和介电常数,可以实现对传输距离和模场面积的调控。（b）由于添加了介质层,增益介质可以很好地掺杂到其中,这为太赫兹金属线有源器件的实现提供了一种方法。通过在介质层添加增益介质,可以在一定程度上降低损耗。2.建立“三波模型”来描述混合型表面等离激元波导中高折射率介质棒中的场分布混合型表面等离激元波导利用表面等离激元模式和介质模式的强耦合,实现光场的亚波长约束和长距离传输。之前的研究重点主要集中在高折射率介质和金属之间的间隙区域,即低折射率区域。由于介质模式（HE11）和表面等离激元模式（TM）的强耦合,使得高折射率介质棒内的场不再是纯光纤的基模场。加之混合型表面等离激元波导结构复杂,很难建立本征方程。因此,利用该混合模式电场分量Ey占绝对主导地位这一特性,我们建立了一个三波模型,由传输波、倏逝波和临界波组成。利用非线性拟合方法得到待定系数,并发现三波模型得到的高折射率区域的场分布与模拟结果符合地很好。该工作有以下几个创新点:（a）给出了混合型表面等离激元波导中高折射率区域场的近似表达式,并由该表达式可以判断出该区域同时存在倏逝波和传输波。（b）采用非线性拟合的方法确定了表达式中的待定系数。3.研究了纳米尺度表面等离激元波导中的非定域效应在研究表面等离激元波导时,我们假定材料都是均匀的,即非空间色散的,这样,我们采用Drude或者Lorentz模型可计算金属材料的介电常数。但是,当表面等离激元波导的尺寸（大约10 nm左右,甚至更小）远小于波长时,电子的量子效应以及与其相关的非定域效应会显著地改变光响应,经典模型已经无法准确的描述电磁特性。这时就需要考虑非定域效应对电子运动的影响。在该工作中,我们分别采用Hydrodynamic Drude（HD）模型和Generalized nonlocal（GNL）模型研究了三种表面等离激元波导中的非定域效应。该工作有以下几个创新点:（a）HD模型在电子运动方程中仅引入了量子压力项,而GNL模型在电子运动方程中引入了量子压力项和感应电荷扩散项。结果表明,考虑非定域性之后,采用GNL模型得到的表面等离激元波导中本征模的损耗相比定域情况会变大。但是,采用HD模型得到的表面等离激元波导中本征模的损耗相比定域情况会变小。此外,结果表明由HD和GNL模型得到的模式场分布和有效折射率的实部无明显差别,且非定域效应在波导间隙更小和尖端更尖时更加显著。在特定情况下,我们发现金属边界法向电场连续。与经典电磁理论所假设的感应电荷只在金属表面呈Dirac delta函数分布不同,考虑非定域效应之后,感应电荷向金属内部扩散。这种感应电荷扩散效应对金属表面进行了修正,即导致金属的实际尺寸变小。而对于表面等离激元波导,研究结果表明尺寸变小,损耗会增加。因此,采用HD模型得到的表面等离激元波导中本征模的损耗变小这一现象反常。对于GNL模型,模式损耗变大是因为感应电荷的扩散和“表面修正效应”。（b）之前在非定域问题的研究中（HD模型）,由于描述问题的方程不仅是麦克斯韦方程组,还有另外一个偏微分方程（Partial differential equation,PDE）。研究人员普遍采用FEM软件COMSOL中的自定义PDE模块,利用变分法得到该PDE的弱形式表达式,并带入COMSOL软件中,与系统自定义的麦克斯韦方程进行耦合求解。而在本工作中,我们对金属区域添加外部电流密度（External current density,ECD）,并与麦克斯韦方程进行耦合计算非定域效应,避免了使用复杂的弱形式的方法。该方法简化了计算。（c）该工作对纳米尺度表面等离激元的应用有一定的参考意义。在纳米尺度,非定域效应导致表面等离激元的传播距离变小。因此,在光子集成电路以及其他应用中应该注意选择合适的表面等离激元波导尺寸。本论文主要包含了我们在表面等离激元波导方面的研究工作,涉及太赫兹波段和通信波段,重点阐述了介质包裹的双金属线等离激元波导传输特性、混合型等离激元波导模场特性以及非定域效应对表面等离激元传输特性的影响,结构尺寸范围覆盖了微米到纳米量级。这些研究成果在波导器件、光学集成电路、超分辨率成像、纳米激光器、传感等领域具有一定的应用前景。