光调控器件在高速光通信、光显示、激光雷达和激光遥感等领域中有着重要的应用。由于传统光调控器件受到经典衍射极限的约束,其尺寸远大于电学器件的尺寸,导致光调控器件价格贵且体积大。在集成光调控技术发展的早期,薄膜材料虽然起到至关重要的作用,但在实际应用中仍然受加工条件、晶格匹配以及固定带隙的限制。自从成功制备石墨烯以来,不断涌现的超薄二维材料具有传统薄膜材料所不具备的电学、光学、力学特性以及与现有的CMOS工艺技术兼容且光学性质很容易通过外加电压来调控等优点,在光调控器件领域引起了极大的关注。然而,由于二维材料厚度极薄,绝对光吸收很弱,这极大影响了光与二维材料之间的相互作用,使得基于二维材料的光调控器件整体性能大打折扣。最近,人们发现将二维材料与光学超材料结构相结合,利用光学超材料能够按人们意愿对光进行调控的特性,可增强二维材料与光的相互作用。基于此,本文从理论上研究了二维材料/超材料的光调控特性,同时引入二维材料微机械系统,对多种模式超材料结构的光透射实现宽色域调控。主要研究成果如下:1、研究了一种金属-介质-布拉格光栅的多层薄膜光学结构,利用该结构产生的塔姆等离激元及其局域场增强特性,有效地诱导了石墨烯紫外吸收增强。通过转移矩阵方法计算,在波长为270 nm处,石墨烯的光吸收率可以被增强9.2倍,达到82.8%。通过调节纳米结构几何参数和入射角度可以调控石墨烯的紫外吸收,可应用于高性能的紫外光电器件。2、研究了一种基于黑磷的太赫兹吸收结构,其中二维黑磷超材料被夹在介质层之间,并从耦合模理论上证明了这种结构具有很强的可调谐的各向异性吸收。在TM偏振8.34 THz吸收达到99.4%,而在相同频率下的TE偏振因阻抗失配其吸收只有17.7%。在此基础上又提出了一种基于黑磷的中红外三波段吸收器,其中单层黑磷与缺角矩形结构耦合。通过理论分析证明由于引导共振的临界耦合,该黑磷基吸波器实现了TM偏振下在共振波长2901.76 nm,3810.71 nm,4676.97 nm处吸收光谱达到95.45%,98.68%,98.06%的高吸收率。同时探讨了可调参数与吸收性能之间的关系,例如黑磷受电压控制的载流子浓度或费米能级以及结构的几何参数,展示了优越的主动调控光吸收的能力。3、研究了一种基于石墨烯-黑磷超表面的中红外可调谐宽带电磁诱导类透明（EITlike,Electromagnetically induced transparency-like）效应。所设计结构单元由一对平行石墨烯-黑磷条和一个圆盘形石墨烯-黑磷谐振器组成。类EIT效应背后的物理机制是两种明模的频率失谐和杂化耦合,其具有主动可调的单层石墨烯和单层黑磷所不具有的宽带类EIT效应。结果表明,时域有限差分法（FDTD）仿真结果与基于耦合洛伦兹振荡器模型的理论分析非常吻合。此外,类EIT效应的透明窗口不仅可以通过改变纳米结构的几何形状进行调控,还可以通过调整入射光的极化角度和石墨烯-黑磷的费米能级实现主动调控。这种混合结构的研究为可调的光学慢光器件等提供了理论指导。4、研究了石墨烯微机电系统-光子晶体微腔复合结构中的色彩调控。设计的光子晶体微腔具有红、绿、蓝三原色对应波长的三个共振驻波模式,这三种波长的光在微腔的不同位置处形成局域化光场。而石墨烯位于光场较强处则光吸收率高、透射率低,在光场较弱处则反之。由此通过电压调节石墨烯微机电系统在微腔中的位置就可以调节石墨烯对不同颜色光的吸收,从而在单个像素内实现单色光及其混合色光的输出,大大提高分辨率并降低损耗。本研究的创新点在于:首先,利用石墨烯在紫外波段的激子效应,通过光学塔姆结构的光局域化效应增强石墨烯与紫外光的相互作用;其次,利用二维材料表面等离子体共振与光学超材料进行耦合,实现多种特殊的光学现象;最后,首次将二维材料MEMS和多模光学超材料结合,利用单像素产生三原色及其混合色,为发展出高速、高分辨率、低功耗的新型显示技术提供新思路。