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表面等离激元(surfaceplasmonpolariton，SPP)是在金属表面区域的一种自由电子集体振荡和光子电磁场的相互作用形成的电磁模，这种相互作用使得SPP具有很多独特的有意义的性质，迅速发展成为一门新兴学科，在生物、化学、能源、信息等领域具有重要的应用前景。SPP光波导具备突破衍射极限的模式束缚能力，能满足未来高度集成光子线路对集成度的要求。本学位论文主要利用谱元法设计了一种新颖的SPP光波导，并对其在高度集成光子线路领域的应用进行了深入研究;同时探讨了基于稀土离子的增益辅助SPP传播的可能性。 由于SPP光波导具有奇特的几何配置和模场分布，模场会在金属周围的纳米尺度范围内强烈集中和剧烈变动，这就使得一些传统数值模拟方法面临巨大的挑战。本文首次采用谱元法对表面等离激元光波导进行建模和仿真。谱元法是一种高阶有限元方法，采用Gauss-Lobatto-Legendre多项式构造高阶基函数，以实现谱式的精度。我们同时提出了以金属-介质交界面周边额外网格元为特征的非均匀网格划分机制，以便捕获SPP光波导的波导几何结构及其剧烈变化的模式场分布。本学位论文对两种典型SPP光波导进行了谱元法求解，对精度和模式场分布的分析表明，谱元法是极其精确和高效的。 金属损耗的存在，长久以来限制了SPP光波导的进一步应用。为了克服这个困难，本文利用谱元法提出了一种工作于电信通信波段λ0=1550nm处的基于槽缝的SPP光波导，其几何配置是在槽缝波导低介电常数区域的正中心插入一个金属条块，整个波导的几何尺寸为～300×300nm2。 三维集成能在两个方向上集成器件，大大提高了集成密度。用于三维集成的基于槽缝的SPP光波导能够同时实现低于衍射极限的等效模式面积（～0.3A0，A0为工作波长在真空中的衍射极限面积）和毫米量级的传播距离(～2.6mm)。参量图显示，与传统SPP光波导对比，性能得到了极大的提升。本文同时也对模式宽度和串话干扰进行了分析，结果证明了该SPP光波导具备优异的三维集成性能。 用于平面集成的基于槽缝的SPP光波导能够与当前半导体平面制备工艺相兼容。由于波导置于衬底，而上包层为空气，主横向电场分量的偶对称性被破坏，传播损耗将增大。本文通过调节上硅块高度，对这种SPP光波导进行优化设计，重新获得长距离传播所要求的完全偶对称性，实现最优模式传播距离。与前人提出的SPP光波导各方面性能的比较可见，基于槽缝的SPP光波导是未来高度集成光子线路的最优侯选方案之一。 克服SPP光波导损耗的另一个解决方案是增益辅助SPP传播，其设计和实现的两个关键点为高增益材料和低损耗SPP线路。确定材料增益系数须对其光谱进行测定和分析。掺Pr3+稀土离子的Gd3Ga5O12(GGG)晶体在可见光范围内产生受激发射方面有很大的应用潜力。本学位论文也对1at.％的Pr(:)GGG晶体的固体激光性能和增益放大性能进行详细研究。我们在室温下测量了该晶体的吸收光谱和荧光光谱，以及荧光寿命衰减曲线。采用标准Judd-Ofelt理论和改进Judd-Ofelt理论对其振子强度参数进行了分析，进而预测了3P0激发多重态的荧光性质。3P0→3F3和3P0→3H5这两个跃迁违反了晶体中稀土离子电偶极跃迁的选择定则，为了表征其在实测光谱中的存在，本文引入了实验分支比，以便如实反映从3P0基态到各个激发态的真实比例。本文计算了其中一个具备应用前景、极有可能产生激光的跃迁的受激发射截面，并将结果与其它已经实现高效可见光激射的激光晶体进行了比较。通过这一系列的光谱分析，可以证明，Pr(:)GGG是一个极其优秀的固体增益材料，有望应用于可见光激光器和光波导放大器。 本文的研究工作为SPP光波导的研究提供了一种可靠、高效的数值仿真方法，提供了一个同时实现超强模式束缚和超长传播距离的设计思路。而与激光晶体光谱测定、分析的工作相结合，对于基于稀土掺杂增益材料的SPP波导放大器和SPP纳米激光器的研制具有重要意义。