石墨烯的兴起为光学界提供了在广阔的电磁波谱范围内探索科技应用的新机遇。单层石墨烯与光相互作用涵盖了从太赫兹到紫外线的光谱范围,其具有特别优异的光电子性质,可以应用于光电探测器、调制器、生物医学、成像技术等光学前沿领域。单层石墨烯是直接带隙半导体,并且表现出强烈的激子发射性质,可以通过外加电压来调制。超颖表面的本质是用具有随空间变化几何参数的天线阵列来形成随空间变化的光学响应,由亚波长微纳结构阵列或者光学薄膜构成,光学特性的可控突变由光和光学天线的相互作用来实现。超颖表面的一个典型应用就是可以实现超越衍射极限的波前调制。结合石墨烯与超颖表面的双重优势可以实现可调光电调制器更广泛的应用。本论文主要基于石墨烯和超颖表面的调制理论,研究了石墨烯-金属复合结构超颖表面可调光电调制器件的设计和实验方法。研制出了基于贝里相位调制的石墨烯-超颖表面复合结构可调透镜,能够实现在太赫兹波段的焦距调控。主要的理论研究和实验内容如下:总结了常用的石墨烯制备方法及测试表征,如机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长等多种制备工艺以及转移工艺。同时进行了机械剥离法和化学气相沉积法制备石墨烯的实验及测试表征。理论和实验都证明机械剥离法制备的石墨烯会产生碎裂效应,不易得到大面积的高质量单层石墨烯;而化学气相沉积法可以在铜箔上制备出大面积高质量的石墨烯,可应用于实际器件中。研究了石墨烯-金纳米棒复合结构增强电调拉曼散射的特性,实验结果表明金纳米棒结构可以增强石墨烯的拉曼散射调制。在-30 V到30 V的外加电压的作用下,石墨烯的特征谱G带和2D带都有明显的调制,而且拉曼散射强度得到了增强,与FDTD模拟的结论一致。研究了石墨烯对超颖表面单元的调谐特性,包括石墨烯的电导率、介电常数等相关参数计算,超颖表面波前调制的理论等。从理论模型方面验证了石墨烯可以通过外加电压改变电化学势,从而实现电光调制。进行了石墨烯-金属超颖表面复合结构器件的设计仿真,通过FDTD模拟,设计了石墨烯-金属复合结构的可调透镜。FDTD模拟的结果显示,当石墨烯的电化学势从0.1 eV增加到0.3 eV时,焦距从4.4 mm变化到3.9 mm,实现了透镜聚焦并且焦距可调。从实验角度出发,改进了石墨烯-超颖表面可调透镜结构,基于贝里相位调制的理论,设计研制了太赫兹可调透镜并进行测试表征。实验测得未施加电压时焦距为10.46 mm,当外加电压Vg为2.0 V时焦距变为12.24 mm,实验结果显示焦点偏移可达4.45λ,与理论模拟结果一致。总而言之,利用外加电场可以改变石墨烯的电化学势,进而增强与超颖表面等离子体的耦合,可以实现可调的石墨烯-超颖表面结构光电调制器件的应用。实验证明外加电压作为一种典型的调制手段可以用来调制基于石墨烯-金属超颖表面透镜的焦距,可以进一步推广到更多的光电调制及探测等领域。