随着光电集成电路的快速发展,表面等离激元表现出了强大的应用潜力,也成为了学者们研究的焦点和热点。表面等离激元波具有良好的局域限制性,利用这点可以设计亚波长尺寸的光电器件,更加有利于光电系统的集成化。目前对于表面等离激元的研究主要是基于以金和银为代表的贵金属,但是因为金属表面等离激元的退相干性和有限的响应频带范围,使得其在光学器件的实际应用中受到了极大的限制,并且其工作频带很难涉及到中红外。在此背景下,近年来越来越多的学者将目光转向二维材料石墨烯。石墨烯的类金属性使得其可以激发表面等离激元,并且石墨烯表面等离激元具有超宽的频带响应等卓越的光电特性,这些特性优于金属表面等离激元,使得其具有广泛的光学应用。现阶段对于石墨烯表面等离激元在光学方面的研究已经很多,但是在中红外的应用研究还是非常欠缺,并且器件的性能提高进入到了瓶颈。基于这一点,本论文将研究的重点主要集中在了基于石墨烯表面等离激元的高性能光电器件,应用范围涉及到近红外至中红外。设计了新结构器件并且有系统的理论分析。器件在性能方面,比较前人的研究有很大的提高。本文具体工作内容如下:1.以电磁场的知识为基础,通过公式推导从理论上分析石墨烯表面等离激元的基本原理。在此基础上将石墨烯表面等离激元与金属表面等离激元做了对比,相比于现阶段比较传统的金属表面等离激元,石墨烯表面等离激元有着明显的优势,包括低损耗,宽的工作频带。研究了其在光电器件设计中的适用性和优越性。通过查阅文献确定石墨烯表面等离激元光电器件的COMSOL仿真方法,包括结构的设计、材料的选取、参数的设置、器件结构的建模等。2.研究了石墨烯表面等离激元在中红外波段的传输特性。在此基础上完成了电介质-石墨烯-衬底-电介质异质结波导结构的设计,并研究了在该结构中的石墨烯表面等离激元传输特性。通过COMSOL软件对所设计的结构进行建模和仿真验证,并把最终结果和理论值进行对比。结果证实了其在中红外波段确实具有对光传输长度进行调控的卓越的性能。此外,研究了电介质-石墨烯-电介质异质结的相位调制特性,证实了该结构在多个波长处可以实现连续可调的相移。3.设计了应用于1550nm入射波长的混合三棱柱波导,该混合波导的原理是将传统的硅波导模式和银表面等离激元模式进行耦合,使得其各项性能参数相比于传统的波导有很大的提高。该波导的优势在于小尺寸、小的有效模式面积以及超长的光传输长度等等。在设计器件结构和选取合适的材料之后,用COMSOL Multiphysics软件的RF模块对该结构进行建模和仿真,并通过改变器件各个参数来优化器件性能,最终得到比较理想的效果。此外,在该混合波导的基础上设计了一款波导集成的电光调制器,该调制器的各项性能指标都非常的优越,对比前人的设计有很大的提高。4.设计了一款中红外带阻滤波器,以滤波器为例研究了石墨烯表面等离激元在中红外光电器件设计中的具体应用。该窄带带阻滤波器是基于石墨烯纳米带周期性结构的,通过外加电压改变石墨烯的费米能级,进而改变石墨烯自身折射率,最终影响整个器件的有效折射率,达到对光的传输特性的调控。用COMSOL软件对该周期性结构进行建模和仿真,通过调节纳米带的结构参数来优化滤波器的性能,通过调节外加电压使得中心频率蓝移或者红移。相比于其他中红外滤波器该滤波器在性能上要有很大的提升,包括中心频率可以达到大范围的可调性、极窄的3d B带宽以及良好的工艺鲁棒性。