表面等离激元是一种表面波,可以在金属-电介质界面上传输。表面等离激元能够将光波束缚到亚波长尺度范围并突破衍射极限,有望用于高集成化的光电器件和下一代光互连技术。石墨烯的成功制备为表面等离激元的发展提供新的物理平台。石墨烯具备优异的光电特性和可调控的电子结构,成为太赫兹波段和中红外波段有广泛应用前景的表面等离激元波导材料。与传统的金属-电介质界面中表面等离激元相比,石墨烯等离激元不仅具有强的光场束缚性和低损耗特性,而且,石墨烯等离激元具有可调性。石墨烯等离激元不仅成为了表面等离激元领域的重要组成部分,而且为实现微型化、高集成化和主动可调的光电器件提供了新的可能。在深入研究了传统的表面等离激元、石墨烯等离激元的形成机制、物理特性及实际应用的基础上,本论文主要分析了石墨烯-电介质复合波导中等离激元的模式特性和传输特性。一方面,在太赫兹波段利用石墨烯对电磁场强束缚性,提出了具有超深亚波长束缚、低损耗、超低串扰特性的几种复合等离激元波导结构。另一方面,利用石墨烯电子结构的主动可调性,理论上实现了特殊等离激元的动态可调,优化了复合等离激元波导的结构参数。本文的研究不仅是对传统表面等离激元波导研究一种丰富和扩展,更有望用于亚波长尺度的光传输、光互连。本文主要研究成果和创新点如下:1.设计一种石墨烯-微米线复合波导,研究并分析了该结构所支持的基态混杂等离激元的模式特性以及串扰特性。结果表明,在频率为3THz,化学势为0.5e V时,通过改变微米线的直径和间隙距离可以有效地压缩混杂等离激元模式的模场面积,进而达到深亚波长尺度束缚,其归一化模场面积可达~1.8×10-3。此外,分析了石墨烯-微米线复合波导的串扰特性,平行放置的石墨烯-微米线复合波导相距32μm仍具备低串扰的特性。2.设计了空心结构的石墨烯-微米线波导,即:石墨烯-微米管复合波导。研究结果表明,通过改变微米管的内径和外径、石墨烯-微米管之间的距离以及石墨烯的化学势可以有效地压缩混杂等离激元模式的模场面积,并且使得混杂等离激元模式具有可调性。在3THz波段实现深亚波长束缚,混杂模式的归一化模场面积可达~6.4×10-4。另外,当化学势小于0.5e V时,两个并排放置的石墨烯-微米管复合波导实现低串扰所需距离小于32μm。3.设计了一种石墨烯-椭圆微米线复合波导。研究并分析了椭圆微米线几何形状、几何尺寸以及石墨烯的化学势对该结构所支持的基态混杂等离激元的模式特性的影响。在椭圆半轴满足a=10μm,b=6μm时,归一化模场面积可达~4.6×10-4,传输长度36.81μm,品质因子~60.91。与石墨烯-微米线复合波导对比,这种结构具有更丰富的模式特性,同样可以实现深亚波长束缚。另外,通过串扰分析,椭圆微米线半轴b＜a相对于b＞a更有利于实现低串扰。4.设计一种石墨烯-矩形凹槽复合波导,研究并分析了系统结构参数以及石墨烯化学势对该复合结构所支持的基态混杂等离激元模式特性的影响。研究结果表明,通过改变矩形凹槽的尺寸、间隙距离以及石墨烯的化学势可以有效地压缩混杂等离激元模式,在3THz波段实现超深亚波长束缚性的混杂等离激元,其归一化模场面积可达~1.56×10-4,传输长度21.26μm,品质因子~60.13。与传统的无凹槽的复合结构相比,模场面积降低了两个数量级。另外,降低Ga As矩形波导的高度和增加凹槽的宽度均能有效地降低串扰。当高度h=15μm,凹槽宽度wr=10μm时,两个石墨烯-矩形凹槽复合波导之间无串扰的最小距离减小到22μm。5.设计一种石墨烯-弧形凹槽复合波导,分析了结构参数对基态混杂模式的模式特性以及串扰特性的影响。研究结果表明,通过改变弧形凹槽的半径、间隙距离以及石墨烯的化学势可以有效地压缩混杂等离激元模式的模场面积,在频率为3THz,化学势为0.2e V时,实现具有超深亚波长束缚性的混杂等离激元,其归一化模场面积~2.67×10-4,传输长度24.91μm,品质因子~54.07。与传统的无凹槽的复合结构相比,模场面积降低了两个数量级。另外,通过分析相邻的两个石墨烯-弧形凹槽复合波导之间的串扰特性,其结果表明增大凹槽半径,可以有效地降低串扰。当凹槽半径r=4.5μm时,两个石墨烯-弧形凹槽复合波导之间无串扰的最小距离减小到26μm。6.研究了石墨烯-电介质复合波导中余弦-高斯等离激元的传输特性。通过调节石墨烯的化学势,分析了对称、非对称的电介质-石墨烯-电介质平板波导中余弦-高斯等离激元的传输特性,首次实现了动态可调的余弦-高斯等离激元。另外,分析了波导的不对称性对余弦-高斯等离激元传输特性的影响,结果表明电介质的折射率差越大,余弦-高斯等离激元横向振荡周期和纵向传输距离越小。