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随着科学技术的高速发展,传统的电子芯片的尺寸基本达到了物理极限,以电子芯片为基础的半导体产品的传输速度,抗干扰能力和携带信息容量出现瓶颈。因此,人们一直在寻找一种新的信息载体来代替电子。后来人们发现,传递电磁相互作用的光子在传输速度、抗干扰能力、携带信息容量方面具有独特的优势,尤其是器件的小型化,使得用光子来代替电子成为了一种新的趋势。然而在实际的应用中发现,光纤的尺寸较大,无法在接口处与小巧的光子器件相匹配。因此表面等离子体光学这一新兴学科被引入,它可以在纳米尺寸范围内完美的融合电子学和光子学的优势,为尺寸不兼容问题提供解决方案。表面等离子体光学的核心是表面等离子体(Surface plasmons,简称SPs),它是绝缘体或金属材料表面的传导电子与光波里的光子之间共振产生的一种震荡波。由于SPs可以突破光的衍射极限并把光局域在纳米级范围内,因此为实现微纳光电器件提供了可能。近年来,由于石墨烯的动态可调性,宽频率工作范围以及很强的SPs局域性,基于石墨烯的微纳等离子体光电设备被人们广泛研究。本文以石墨烯SPs为基础,以光学异常透射现象中占有主导地位的等离诱导透明现象(Plasmon-induced transparency,简称PIT)为桥梁,采用时域有限差分法(Finite-difference time-domain,简称FDTD),耦合模理论(Coupled mode theory,简称CMT)以及电磁场理论,对不同图案化的石墨烯的光学性质、机理和机制进行了详细的研究,从而实现了具有不同功能的微纳光电设备。主要研究内容如下:一、基于单层图案化石墨烯超材料的单等离诱导透明(Single plasmon-induced transparency,简称Single-PIT)。1、基于石墨烯带和石墨烯条组成的超材料实现了Single-PIT,该现象是由石墨烯条产生的超辐射模式和石墨烯带产生的亚辐射模式之间的破坏性干涉所形成。研究表明:左(右)透射谷的振幅主要通过施加到石墨烯带(条)的栅极电压来调制,从而实现了双模式开关调制器。更有意义的是,该超材料还实现了50%的吸收率和0.7ps的慢光特性,这表明该Single-PIT超材料在吸收和慢光方面具有潜在的应用。此外,具有不同结构参数的石墨烯带与石墨烯条之间的耦合效应也被详细研究。因此,该结果为实现一款双模式光电开关和多功能设备提供了可能。2、设计一种由四个石墨烯块和一个石墨烯条组成的图案化石墨烯超材料来实现Single-PIT和单等离诱导反射(Single plasmon-induced reflection,简称Single-PIR)。通过控制石墨烯的费米能级可以动态地调制Single-PIT和Single-PIR。非常有意义的是,得到的群速度可高达627表明可以实现超慢光。此外,Single-PIR的反射率可以达到70%。因此,该结构为实现优异的慢光设备,反射器和调制器提供了可能。二、基于单层图案化石墨烯超材料的双等离诱导透明(Dual plasmon-induced transparency,简称Dual-PIT)。1、将四个石墨烯方块和三个石墨烯条组成的图案化石墨烯置于介质硅中,分析研究了该石墨烯超材料结构的Dual-PIT和双等离诱导吸收(Dual plasmon-induced absorption,简称Dual-PIA)特性。利用石墨烯的费米能级、载流子迁移率和周围的介质环境对Dual-PIT和Dual-PIA进行了动态和静态调控,同时利用得到的328的群速度和93.5%的吸收率提出了优异的慢光与吸收特性的超材料。2、基于m形石墨烯的超材料实现了Dual-PIT,该现象是一个暗模式和两个明模式之间破坏性干涉的结果。研究表明,当石墨烯的费米能级较低时,石墨烯表现出损耗介质特性;当石墨烯的费米能级较高时,它表现出金属性质。此外,当石墨烯的载流子迁移率达到3m~2/Vs时,该超材料的群衰减可高达0.6ps,这表明较高的载流子迁移率可以实现优异的多通道慢光设备。3、基于H型石墨烯的慢光超材料实现了一个明显的Dual-PIT现象,该现象可以利用石墨烯的费米能级、载流子迁移率进行动态调控。结构的简单性和石墨烯的连续性具有较大的优势,此外237的群速度表明其在慢光领域具有一定的应用价值。三、基于双层图案化石墨烯超材料的法诺(Fano)共振。设计了一种由上层双石墨烯带和下层石墨烯条组成的太赫兹多功能调制器,它可以产生一个Fano共振现象,该现象是由宽的低品质因子模式和窄的高品质因子模式之间的杂化而产生的。与其他基于石墨烯的太赫兹调制器相比,振幅调制度可高达99.57%,这意味着可以实现一种优异的光电开关。此外,Fano共振的消光比可高达到99.70%,可以用于设计一款优异的光电滤波器。下层石墨烯条的横向和纵向长度的变化可实现了出色的双带、三带滤波器。因此,该研究为太赫兹多功能调制器的实现提供了一种新方法。