自石墨烯首次发现以来,其优异的电学、光学特性受到人们的广泛关注。由于石墨烯具有宽带吸收以及高载流子迁移率的特性,使其在光电探测领域备受瞩目。随着材料制备技术的发展,类比二维石墨烯材料,涌现出了具有各种特性的新型二维材料,它们由于受到纵向尺度的量子限制,展现出了很多传统半导体所不具备的优异光电性能,这极大的吸引了基于二维材料光电器件的兴趣。然而,原子层级别的厚度的光程使得二维材料的光吸收受限,这是本征二维材料光电器件低响应率的关键因素。近年来,通过微纳光子学结构调控光与物质相互作用,进而增强二维材料吸收,正成为提高二维材料光电器件性能的一种新的发展趋势。本论文主要围绕利用微纳结构调控二维材料光耦合从而增强光吸收和光响应开展研究,从理论和实验上分析了集成微纳光耦合结构二维材料器件光吸收和光响应增强的物理机理,揭示了光耦合结构增强光与二维材料相互作用的内在机制,实现了器件自驱动光响应增强以及二维材料高带宽的完美光吸收性能等。主要创新性的结果如下:1.建立了石墨烯和等离激元微纳谐振腔的集成结构,通过实验数据获得材料的电磁参数,基于有限元电磁场计算方法,理论实现了将入射光完全耦合到复合结构中,强烈的局域光场使得石墨烯吸收得到了明显提高。数值结果表明,石墨烯在共振波长处的吸收率提高至23%,局域模式的最大电场是入射光的35倍以上。相较于传统亚波长光栅集成石墨烯结构的局域场提高了8倍以上。2.为了实现金属-石墨烯-金属的类场效应晶体管红外探测器件的自驱动光响应,我们提出利用非对称集成的等离激元微纳谐振腔,打破局域场增强的对称性,使得石墨烯的光耦合呈现非对称分布。在与耦合天线复合的一端电极处,由于石墨烯与金属结区局域光场增强以及结区面积的增大,使得此处光响应显著提高;而在没有耦合天线但仍具有底部介质层与金属平面的另一端电极处,由于石墨烯受到底部近距离金属平板对光场的抑制作用,降低了金属与石墨烯结区附近的光吸收。最终,两端电极-石墨烯接触结区处,分别的光响应对比度高达105倍。这种超高对比度远远超过之前国内外的相关研究成果。基于这种非对称光响应的超高对比度,我们在红外泛光条件下,几乎零偏压下,实现了显著的净自驱动光响应。相较于一般耦合光栅集成石墨烯器件,等离激元微纳谐振腔集成的石墨烯器件红外光响应提高一个量级以上。3.通过控制顶部金属微结构的宽度,改变谐振腔的腔长,从而实现了等离激元微纳谐振腔集成的石墨烯红外探测器峰值探测波长的调谐。实验表明,通过改变金属微结构条带宽度,复合结构器件峰值光响应从1.3μm红移至1.65μm,光响应共振峰的带宽约为200～300 nm。此外,复合结构器件响应时间小于几个微秒,偏振消光比最高可达30,其光响应机制归因于光热电效应。4.揭示了局域场的极化方向与二维材料各向异性的光吸收的匹配对于二维材料光耦合的重要作用,获得了基于局域场极化方向与二维材料主吸收方向的匹配调控和体系临界耦合调控共同作用大幅提高二维材料光吸收率,并抑制金属耦合结构的光吸收损耗。我们研究了一种常见的光耦合结构,即金属-介质-金属（MIM）结构,证明了它有两种形式:局域场极化方向主要垂直于多层结构平面的磁谐振器形式和局域场极化方向主要平行于多层结构平面的超表面索尔兹伯里屏形式。当超表面索尔兹伯里屏形式的MIM结构与石墨烯结合时,局域场极化方向主要平行于石墨烯平面（即沿石墨烯的主吸收方向）,石墨烯的峰值吸收率在THz波段接近100%,在中红外波段接近90%。与局域场极化方向主要垂直于石墨烯平面（即与石墨烯主吸收方向正交）的磁谐振器形式相比,超表面索尔兹伯里屏形式使石墨烯的光吸收率增强效果提高了1.6～4.2倍,共振吸收增强带宽提高了3.6～6.4倍,金属损耗降低了7.4～24倍。对于单层黑磷（BP）,超表面索尔兹伯里屏形式的MIM结构将BP在3.5μm波长处的吸收率从0.44%提高到31%,比磁谐振器形式的吸收率高5.4倍。另外,带宽也是原来的1.8倍。此外,超表面索尔兹伯里屏形式将单层Mo S2在可见-近红外范围（415 nm到800 nm）的平均吸收率从7.3%提高到68.1%,比磁谐振器形式诱导的吸收率高4.4倍。超越临界耦合的光吸收提高归因于平面内的偏振光场,它有助于二维材料在光吸收竞争中降低了金属的吸收。