微型化是近年来先进光子技术和器件的重要发展方向,其中微纳光波导结构是当前的研究热点之一。通常,介质材料具有低损耗等优良光学特性,但其对光场的约束受到衍射极限的限制,而且介质衬底材料易于对传输光场分布造成较大的影响。金属材料可以通过将入射光波能量转化为金属表面自由电子的集群振荡,具有深亚波长尺度约束以及可以同时传输光信号和电信号等优点,在微纳光子学领域受到越来越多的关注。然而金属材料在对光场具有强约束的同时,不可避免地会产生很高的光学损耗,引起严重的信号衰减和热量产生等问题。如何在维持光场强约束的同时降低传输损耗,是目前深亚波长尺度光波导结构所面临的关键问题之一。基于上述考虑,我们提出使用金属-介质微纳复合结构(金属支撑型微纳光纤环、近场耦合型金属-介质纳米线)来降低损耗并维持光场约束的方案,并成功地将其应用于光学传感器、分束器、干涉器、谐振腔等微纳光子器件。在本工作的第一部分,我们研制了金属铜棒支撑型微光纤环形谐振腔。通过调节耦合系数平衡谐振腔的内在损耗,实现了临界耦合状态,在临界点附近获得大约30dB的消光比,表明对于微纳介质光波导来说,利用金属支撑的复合结构是降低衬底材料对微纳波导光场影响的有效途径。实验中在480gm直径环形谐振腔中获得的品质因子(Q值)达到4000以上,同时,可以通过电流精确调节谐振腔特性。作为上述复合结构的应用之一,我们研究了该类谐振腔在液体中的折射率光学传感。通过测量谐振峰位移随谐振腔所处环境折射率的改变,我们测量了低浓度酒精水溶液和高浓度甘油水溶液的折射率,折射率测量的灵敏度分别达到了1.1×10-4和1.8×10-5,表明该类复合型谐振腔能够同时用于低浓度和高浓度的液体折射率传感,具有高稳定性、高灵敏度、大动态范围等优点。在本工作的第二部分,我们提出通过金属-介质纳米线的近场耦合,实现强约束和低损耗复合光子结构的方案。通过介质波导传输模场与金属表面等离子体结构传输模场的充分重叠,实现了微纳光纤、ZnO纳米线与Ag纳米线的高效率直接耦合。比如,通过220nm的耦合长度,我们在单偏振方向上实现了650nm波长的光从ZnO纳米线到Ag纳米线高达82%的耦合效率。另外,我们还实现了一根ZnO纳米线同时激发多根Ag纳米线中表面等离子体波的耦合方式。在此基础上,我们采用Ag-ZnO纳米线复合微纳结构,实现了偏振分束器、Mach-Zehnder干涉器和环形谐振腔等微纳光子器件。对于耦合长度为200nm量级的偏振分束器,消光比的实验测量值约为12.7dB；对于58μm尺度的Mach-Zehnder干涉器,观察到明显的干涉谱；对于尺度为36gm的复合型环形谐振腔,Q值达到500以上,显示了金属-介质复合结构在发展新型微纳光子器件以及同时实现强约束和低损耗的可能性。同时,微纳尺度上多种功能材料的复合,也为金属表面等离子体的高效激发、金属结构的损耗补偿和有源放大、超快光调制、高灵敏度传感和腔量子电动力学研究等应用提供了有希望的途径。