随着工业和社会的发展,人们对光学器件的集成提出了很高的要求。在这一背景下,表面等离激元作为目前唯一一种可以在亚波长范围内调控处理光学信号的手段而受到了广泛的研究。在相关研究工作中,表面等离激元的非线性效应有大量的研究成果。然而可以发现的是,这些工作主要集中在了表面等离激元到空间光的非线性过程上,缺少由表面等离激元到表面等离激元的非线性过程,这实际上不利于将来光学集成设计。为了解决这个问题,本论文就表面等离激元到表面等离激元的非线性过程进行了研究。在进行该项研究之前,由于多数非线性介质中往往具有各向异性性质,而这领域的相关工作成果较少,因此,我们也对表面等离激元的各向异性特性展开了研究。本文主要研究了表面等离激元各向异性特性和非线性特性。各向异性的研究中,我们发现了各向异性引起的新现象,并设计了相关器件。非线性的研究中,本论文主要研究了表面等离激元的二次谐波生成过程和实现倍频波矢匹配的方法。本文主要的研究内容与创新点如下:1.本论文设计仿真了一个包含各向异性介质圆腔的金属-介质-金属表面等离激元波导结构。发现由于填充了各向异性介质,导致圆腔内的驻波场分布出现了随波长增长而顺时针旋转的现象。这个各向同性情况下未出现的现象导致了谱线上新的谷的生成。为了理解这个现象的物理机制,我们研究了各向异性材料的参数,例如光轴角度、折射率等,对谱线的影响。所有的结果都能用折射率椭球方法和耦合模理论得到很好的解释。最后,基于前面的现象,我们设计了一个达到8 nm分辨率的波分复用器。这个工作显示了各向异性材料在表面等离激元微纳结构中的独特作用。2.本论文理论研究了基于各向异性材料的平面表面等离激元波导结构。根据理论结果,由于材料的各向异性,波导介质层中的表面等离激元出现了场倾斜,这一未在各向同性情况下观察到过的现象。这个现象通过仿真获得了验证,并且我们发现这个倾斜现象造成了波导上下界面上电磁场的相位差。通过理论推算,我们获得了倾斜角度和光轴角度的依赖关系。基于上述结果,本文提出了一个对称的包含各向异性介质的表面等离激元微纳结构。这个结构可以输出具有π相位差的光学信号。由于这个特性,我们实现了将该结构作为具有高消光比的异或逻辑门。同时,在其它波段上,在不改变任何结构参数的情况下,这个结构还可以作为或逻辑门。这说明该结构有实现并行逻辑计算的潜力。而通过电光效应和热光效应,这个结构还可以实现光开关器件或者改变各器件的工作波段。这个工作发现的现象在未来微纳光学集成中有巨大的应用潜力。3.本论文理论研究了基频表面等离激元到倍频表面等离激元的二次谐波生成过程。从麦克斯韦方程组出发,本文推导获得了表面等离激元的倍频方程。之后尝试利用各向异性来实现倍频的波矢匹配,但是遇到了困难。我们从耦合模理论获得了启发,将倍频过程视为了模式耦合的过程,并利用光栅结构实现了表面等离激元的波矢匹配。仿真中出现的偶数级光栅不能实现波矢匹配现象也由上述理论获得了很好的解释。之后,基于上述结论,我们设计了验证光栅实现倍频波矢匹配的实验方案。这个工作揭示了表面等离激元的倍频过程,对表面等离激元的非线性的理解起到了推动作用。