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表面等离子体激元（Surface plasmon polaritons,SPP）,是电磁波与金属表面集体震荡的自由电子发生耦合形成的二维束缚波,沿着金属-介质界面传输,场强在垂直于界面方向的两侧物质中指数衰减。其特点是具有更短的有效波长,场分布空间局域性,可突破衍射极限限制,并对金属结构形状、介质材料属性、入射光偏振态等十分敏感,在亚波长光学、超高密度光存储、超分辨显微成像、微纳传感探测以及新能源等领域具有重要的应用潜力。对于被同种绝缘介质包被的金属,当金属的厚度很小（几十纳米）,金属-介质上下两个界面的表面等离子波会相互耦合,振荡得到加强,能够传播较长的距离,这种结构叫做长程表面等离子体（Long range surface plasmon polaritons,LRSPP）波导。与单个金属-介质界面的SPP波相比,LRSPP波的传输损耗较小,模场尺寸较大,易与单模光纤耦合,可同时传输电信号和光信号,可应用于光通信、数据传输、生化传感等领域。本文主要研究基于表面等离子体效应的聚合物光波导器件,包括长程表面等离子体光波导片上光信号处理器件、基于等离子体增强效应的波导模间干涉位移传感器、波导型表面等离子体折射率传感器三大部分。首先对器件进行相关理论分析,确定器件的几何参数,绘制掩模板,之后采用光刻、刻蚀等工艺制作器件,并对其进行测试分析。本文主要从以下几个方面展开研究:一、长程表面等离子体光波导片上光信号处理器件以SU-8/Au/SU-8金属芯型平板波导为例,研究了LRSPP波导的传输和损耗特性。LRSPP波导对模场的限制能力较弱,大部分模场分布在介质当中,传输损耗较低。随着金膜厚度的增加,金属对光的限制作用增强,波导传输损耗增加。设计一种长程表面等离子体波导-介质波导垂直耦合器。由于LRSPP波导只支持横磁（Transverse magnetic,TM）模式,在传播常数相匹配时,TM模式的光会从介质波导耦合至LRSPP波导,从金波导输出,而横电（Transverse electric,TE）模式的光会继续沿着介质波导输出。数值计算表明,对于TM偏振光,在交叉输出端口和直通输出端口的光功率差为10 dB时,其光学带宽为250 nm。器件对介质波导厚度和金膜厚度的工艺容差较大,可应用于光调制器、传感器、光电集成等领域。设计并制作一种基于长程表面等离子体波导的长周期光栅滤波器。将光栅结构置于包层上表面,光漂白法制作光栅,工艺简单。在光栅作用下,LRSPP模式满足相位匹配条件时耦合为波导的包层模式。采用热蒸发法制作25 nm厚金薄膜,采用湿法刻蚀技术制作有限宽金属条波导,形貌较好。实验中在1553 nm波长处测到一个对比度为-23.5 dB的谐振峰,热调谐效率约为2.5 nm/℃。器件能用于滤波、传感、光电集成等领域。二、基于等离子体增强效应的波导模间干涉位移传感器研究了介质波导的模间干涉效应。由于光纤的模场比波导的模场尺寸大,在采用端面耦合方式激发波导模式时,会激发波导的包层模式。由于包层模式的有效折射率与波导芯层模式有效折射率接近,二者同时存在时会发生耦合,形成一个随波长近似正弦变化的干涉光谱。实验中发现,通过在波导前端引入光栅结构,能形成稳定的模式激发机制,使得输入光纤偏离波导中心位置时,仍然能够激发波导芯层模式和包层模式,形成输出光谱均匀稳定的干涉图样。谐振波长对输入光纤位置变化的灵敏度约为2.3 nm/μm。研究了长程表面等离子体波导的模间干涉效应。通过测试8 mm长LRSPP波导器件,观察到在C波段出现两个谐振峰的干涉光谱。通过在波导前端引入光栅结构,在一定范围内光谱的谐振峰随入射光纤偏离波导中心的变化而连续变化。谐振波长对输入光纤位置变化的灵敏度约为1.7 nm/μm。器件可用于传感、光电集成等领域。三、波导型表面等离子体折射率传感器设计一种基于长程表面等离子体波导的光强检测折射率传感器。器件以硅为衬底,以聚合物SU-8为包层。当LRSPP波沿着金波导传输时,待测物与SU-8包层之间折射率差越小,波导的传输损耗越低。金膜长度增加,传感器的灵敏度增加,传输损耗也增加。对于5μm宽、40 nm厚和2 mm长的金波导,当待测物折射率从1.572增加到1.575时,传感灵敏度为938.4 dB/RIU。设计一种基于介质波导模式-表面等离子体模式耦合的光谱检测折射率传感器。器件以硅上二氧化硅为下包层,聚合物SU-8为波导层,PMMA材料为缓冲层。对于某一波长,当SU-8波导模式与SPP模式的有效折射率相接近时,波导模式会耦合为SPP模式,形成特有的SPP共振波谷。研究了金属薄膜厚度、PMMA缓冲层厚度和波导层厚度对器件传感性能的影响。结果表明,对于该器件,金属薄膜厚度增加,谐振峰蓝移,谐振强度减弱,对于同一段待测折射率,灵敏度降低;PMMA缓冲层厚度增加,谐振强度减弱,谐振峰蓝移,对灵敏度的影响较小;波导层厚度减小,谐振强度增强,对谐振峰的位置和灵敏度的影响较小。采用光谱检测方式,金属表面材料折射率变化时,吸收峰的位置会发生变化,可用于生物化学传感芯片。设计并制作一种基于表面等离子体共振效应的集成光波导型液体折射率传感器,以光强作为检测参量。硅上二氧化硅作下包层,聚合物SU-8作波导芯层,采用光漂泊法制作聚合物波导。理论模拟了器件的几何参数,如金膜厚度、长度,以及波导层材料对器件灵敏度、插入损耗和输出功率的影响,确定器件尺寸。对苯甲醛和肉桂醛二元混合物进行测试分析,结果表明,所制备器件的测量灵敏度为875 dB/RIU,分辨率为1×10-6。通过改变波导层材料,可以调整传感器的传感测量范围。通过优化设计波导结构,可以提高传感器的探测灵敏度。采用光强检测方式,易于制作光电集成传感芯片。