光子学和电子学及其在传感领域的技术发展,已经跨入一个新的纪元——太纪元。与之对应的“太赫兹（Terahertz,THz）”一词,现用于描述频率在0.1-10THz（对应波长3mm～30μm）范围内的一段特殊电磁频谱。近年来,学术界和商业界对THz波段的集中开发已经填补了介于微波与红外波谱之间的空白。尤其是在THz传感、成像及通信领域,各国科研人员进行了大量的理论研究与应用技术开发工作。折射率传感器作为光学传感器的一种,可用于THz科技的诸多领域。研制高灵敏度、多功能且易集成的THz折射率传感器对促进THz系统的实用化具有重要意义。基于光子晶体光纤（Photonic crystal fiber,PCF）的THz波导器件,对于解决自由空间THz波的传输和操控难题大有裨益。PCF具有灵活的结构（如空气孔的形状、尺寸和排列方式多样）、可控的传输机理（折射率传导和带隙传导）以及孔道内可填充或涂覆功能性材料,这些特点使基于PCF的THz折射率传感器具有设计自由度大、灵敏度高、与现有光纤系统兼容的优势。石墨烯（Graphene）是一种由碳原子呈蜂窝状排布而形成的单层二维材料,具有独特的能带结构和优异的电学和光学特性（如高载流子迁移率、可调控的费米能级、可饱和吸收性和可激发表面等离激元等）。石墨烯的带内跃迁以及等离子体振荡频率覆盖THz频段。通过施加外部电/磁场和化学掺杂等方式可以灵活控制石墨烯的THz电光特性。近年来,大量的研究表明,石墨烯有望成为THz频段新型功能器件研制的基础。本文将THz PCF和石墨烯结合,设计了基于石墨烯-PCF的THz复合波导（G-PCF）,对复合波导的传输特性和折射率传感特性进行了系统的研究。主要研究工作如下:（1）设计了一种石墨烯-固芯PCF复合THz波导。为提高灵敏度并引入双折射,在PCF纤芯近邻包层孔内引入了两个较大的空气孔并在其内表面涂覆石墨烯,用于填充待测样品。由于石墨烯的高介电常数,G-PCF的导模主要分布于较大的气孔中。对于折射率在1.00-1.50的待测样品,石墨烯的引入可将相对灵敏度系数提高5倍以上,尤其是对折射率为1.03的待测样品,相对灵敏度系数提高了 15倍。该石墨烯-固芯PCF对折射率为1.37的待测样品获得了约90%的高相对灵敏度系数。此外,该G-PCF的传输特性和折射率传感特性可以通过外加电/磁场进行调控。（2）设计了一种石墨烯-D型PCF复合的THz波导。通过在D型PCF的特定空气孔内壁涂覆石墨烯材料,激发了 THz波段的类表面等离激元。当待测样品的折射率从1.0变化到1.5时,该复合波导可以获得214.28GHz/RIU的平均折射率灵敏度和5.0×10-7RIU的折射率分辨率。随着石墨烯的化学势由0.4eV增加到leV,两个偏振基模的类表面等离激元共振峰位置均发生蓝移,其中X偏振随化学势的调谐灵敏度可达到750GHz/eV;Y偏振随化学势的调谐灵敏度可达到765GHz/eV。通过施加外电场可对石墨烯的化学势进行调控,故所设计的石墨烯-D型PCF复合波导可以获得较高的电调谐灵敏度。（3）设计了一种石墨烯-带隙引导型PCF的复合THz波导。研究了带隙随PCF结构参数、基材折射率和待测样品折射率的变化规律。分别对选择性填充（仅在纤芯空气孔中填充）待测样品和完全填充（在纤芯和包层的全部空气孔中填充）待测样品两种情况进行了讨论。对于选择性填充的情况,当待测样品折射率大于PCF包层的等效折射率时,波导的传输机理由带隙引导型转变为折射率引导型,传输特性由带通性转换为宽带传输。在带隙之外的频率处,可实现对THz波的“开-关”控制;对于完全填充的情况,由于气体和常见液体的折射率低于基材的折射率（1.53）,待测样品的填充不会改变原空芯波导带隙引导型的传输机理,但带隙的位置和带宽会随着待测样品的折射率而改变,从而实现折射率传感功能。在该带隙型PCF的纤芯空气孔内壁涂覆石墨烯后,随着石墨烯化学势（μc）的改变,G-PCF的基模模场分布以及限制损耗发生显著变化。当石墨烯μc等于0.6eV时,获得了最大的限制损耗变化量,使PCF的限制损耗由70dB/m增加到1565dB/m。因此,通过引入石墨烯并调控其化学势可实现对特定频率范围内THz波的“开-关”控制。研究结论为设计基于PCF的THz传感器、滤波器和开关等功能器件提供了理论指导。本文的研究方向属于THz光子学领域。综上所述,对石墨烯-PCF复合THz波导的设计和传输、传感特性开展了系统研究。为多功能、可调谐THz传感器的研制提供了理论依据和实验指导。