超表面作为一种人工电磁超材料,在现代光学的研究中受到了广泛的关注。由于其优异的电磁场调控能力,被应用于完美吸收、光学成像、偏振控制等多个方面。然而超表面的结构参数一旦固定,其物理功能便难以更改,这严重的限制了超表面结构器件的应用。作为一种二维材料,石墨烯与超表面结构的结合显示了解决这个问题的可能性,并已经取得了巨大的进展。石墨烯特殊的费米能级可以通过化学掺杂和改变外置电压的方式得到调节,实时的调控其电导率和光学特性。本论文中,我们研究了基于石墨烯/纳米结构超表面的可调谐光调制器,包括宽带透射式红外光调制器和通讯波段的光开关。主要内容如下:1、提出了一种基于石墨烯的硅基双层金属光栅的透射式红外光调制器。将石墨烯的局域表面等离子体与硅纳米光栅藕合,利用双层金属光栅的优异偏振特性和对石墨烯局域表面等离子激元进一步增强的场约束能力,实现了一种可自然光入射的具有优异的调制深度和调制带宽的透射光调制器。该结构对TE线偏振入射光具有强反射,对TM线偏振入射光可实现在7-22 μm波段范围内的透射调制,调制深度大于94.57%(12.65 dB),最高可以达到 99.96%(33.77 dB)。2、将石墨烯与纳米铝圆柱阵列结合提出了一种工作于光通讯波段的、与入射偏振无关的宽波段反射式光开关。该器件利用金属铝圆柱阵列激发磁等离子体共振,导致石墨烯的吸收能力显著增强,使得反射光显著减小。当石墨烯的费米能级改变时,石墨烯的介电常数发生改变,从而改变金属铝圆柱阵列的磁共振效应的频率和振幅,进而实现的光开关的功能。同时该结构可通过大面积紫外曝光结合金属镀膜的方法实现,无需对金属进行离子刻蚀,大大减小了实验制备难度。理论研究表明,在1400-1700nm波长范围内,当费米能级为0eV或0.2eV附近时,反射率接近于0,表现为强吸收,为“OFF状态”,当费米能级为0.6 eV附近时,反射率可以达到65%以上,表现为强反射,为“ON状态”。整个1400-1700nm波长范围内的调制深度最小为91.36%(10.63 dB),最大可以达到 99.77%(26.35 dB)。3、进行了基于石墨烯吸收增强的光通讯波段光开关的实验制备和实验验证工作。通过转移石墨烯至玻璃基底,利用紫外双光束二次曝光技术制作纳米圆孔阵列,最后通过物理气相沉积系统(PVD),将均匀的铝膜溅射到圆孔阵列内并完全包裹,成功制备了符合设计的实验样品,并搭建了检测光路完成了对样品的性能的测试。验证了不同波长时,器件反射光随石墨烯上施加电压的变化关系,实验结果与仿真结果基本相符。实验测得在λ=1510 nm处的最大调制深度为78.96%(6.77 dB),在λ=1550nm处的最大调制深度为79.50%(6.88 dB),在λ=1575 nm处的最大调制深度为78.18%(6.61 dB),在λ=1623 nm处的最大调制深度为78.90%(6.76 dB),基本验证了器件在1510-1630 nm的光开关功能。