石墨烯材料由于其独特的电子能带结构而在中红外波段支持并传播表面等离子体波。自从这一点在2012年被实验证实以来,基于石墨烯等离激元的纳米光学器件已经成为近几年的研究热点。石墨烯材料的引入更是为亚波长纳米等离子体光子学的研究提供了一个崭新的平台。本论文借助耦合模理论和时域有限差分法,从理论分析和数值模拟两个方面研究基于石墨烯等离激元电磁耦合滤波器、布拉格反射器、等离子体诱导透明器件、以及完美超吸收器的理论设计原理及其性能调控机制。全文主要内容如下:(1)理论设计双缺陷型的单层石墨烯结构。模拟结果表明,由于激发的表面等离子体波在石墨烯和空气的边界处发生反射,双空气缺陷之间的石墨烯条带相当于一个标准的法布里-珀罗谐振腔。整个结构则表现出完美的中红外带通滤波器的效应。带通滤波透射峰的光谱位置不仅可以通过改变双缺陷的距离进行调控,还可以通过改变石墨烯的化学势进行调控。而透射峰的品质因子可以利用空气缺陷大小的改变进行优化。此外,模拟结果进一步证实,透射峰的共振波长随着衬底材料折射率的增加而发生线性的红移现象。因此,整个器件将在光学滤波和折射率传感方面有着重要应用。(2)理论设计石墨烯-周期性介质光栅-石墨烯的三明治结构。研究双层石墨烯结构的对称和反对称模式的表面等离子体波的波矢特性和电场分布。比较周期性介质光栅对两种模式的调控效果。计算结果得到了对称模式传播下的布拉格反射器效应和相应的超宽带的带阻滤波透射谱,并给出对应的物理机制分析。模拟结果表明介质光栅的结构参数和石墨烯化学势改变都可以用于调节透射禁带的光谱位置。而介质光栅的折射率改变不仅可以调节透射禁带的光谱位置还可以有效地调控透射禁带的带宽,并得到带宽4.3 μm的超宽带透射谱。此外,还研究了基缺陷型光栅结构对透射谱的调制效应。整个结构将有助于中红外等离子体纳米集成回路的实现。(3)理论研究基于单个石墨烯条带波导共面耦合短石墨烯条带的电磁诱导透明效应。模拟结果显示基于石墨烯条带边模式的传播,短的石墨烯条带相当于一个标准的法布里-珀罗谐振腔。对于石墨烯波导侧向耦合单个短石墨烯条带结构,我们得到了明显的带阻滤波效应。而对于尺寸一样但耦合距离不一样的两个短石墨烯条带耦合在石墨烯波导同一侧的结构来说,临近波导的短石墨烯条带通过边模式的近场耦合直接和波导作用,相当于一个明模式。远离波导的短石墨烯条带无法跟波导直接作用相当于一个暗模式。共振波长相同的明暗模的干涉相消导致显著的等离子体诱导透明效应的出现。在不改变耦合系统结构尺寸的条件下,仅仅改变石墨烯的化学势可以有效地调节透明窗口的中心波长。而两个短条带耦合距离的改变则影响透明窗口的品质因子。三能级系统和耦合模理论(CMT)都证实了所有的模拟结果。并且得到群时间延迟高达0.28 ps的透明窗口,这将在等离子体的慢光器件中有着重要作用。(4)理论研究了基于周期性双层石墨烯条带阵列的宽角度窄带的完美超吸收器。模拟结果表明双层石墨烯条带结构支持反对称耦合的偶极子-偶极子电场共振。而当石墨烯条带电场共振的有效阻抗和空气中的阻抗实现匹配时,条带阵列可以抑制所有的反射波。同时,超厚的金属层衬底抑制了结构的所有透射。因此,在共振波长处得到了吸收率百分之百且带宽为300 nm的吸收峰。这和耦合模理论预测的现象完全一样。耦合系统的结构尺寸和石墨烯化学势的改变可以有效地调控吸收峰的光谱位置。此外,该石墨烯完美吸收器能在入射角改变至少60°的条件下保持优越的吸收性能。这将在太阳能电池和中红外波段的光学滤波方面发挥重要应用。