表面等离激元(Surface Plasmons,SPs)是金属表面的自由电子与入射电磁波耦合引起集体振荡所形成的一种电磁波。其突破衍射极限在亚波长尺度下传播的特性,可以应用于大规模光路集成。传统的金属表面等离激元由于其能量损耗大,共振频率不能调谐等缺点,限制了其在光子集成领域的应用,而石墨烯等离激元由于其损耗低、局域性强且能够实现对共振频率的动态调控而吸引了更多科学家的关注。本论文主要围绕石墨烯等离激元(Graphene Surface Plasmons,GSPs)的物理特性、传播规律、调控手段等,设计了几种相关等离激元器件,并利用有限元法对提出的结构进行仿真和分析验证,深入地探索了其内在物理机制以及几何参数和费米能级的影响。主要内容如下:1、简要介绍了金属等离激元及其缺点;石墨烯电子能带结构及其电导率,石墨烯表面等离激元和局域等离激元共振及其激发方式,以及石墨烯等离激元研究现状。2、以单层石墨烯、双层石墨烯以及石墨烯-金属混合三种基本结构为例,介绍了石墨烯等离激元的基本性质。3、设计了一种基于不同宽度石墨烯纳米带的宽带偏振滤波器。分析了其对不同偏振模式入射光的吸收和反射。结果表明,当入射光的电场方向与石墨烯纳米带垂直时由于激发GSPs而被吸收,而入射光电场方向与石墨烯纳米带平行时只能被反射回去,从而实现偏振滤波功能。所设计的偏振滤波器偏振消光比达到29 dB、带宽范围达到1.6μm。4、设计了一种基于双层石墨烯纳米带的等离激元共振传感器。分析了该结构的周期、石墨烯纳米带的宽度、以及石墨烯费米能级对灵敏度的影响。结果表明该传感器的灵敏度高达4450nm/RIU,比文献中单层石墨烯透射式结构的灵敏度高3倍。5、设计了一种基于石墨烯纳米圆盘和纳米孔阵列的双波段可分别调控的红外吸收器。分析了不同几何参数以及石墨烯费米能级对共振频率的影响。结果显示所设计的红外吸收器的共振频率既可以通过改变石墨烯纳米盘和纳米孔的费米能级来实现同时调控,也可以只改变其中一个费米能级来实现分别调控。6、设计了一种基于Kretchmann棱镜耦合结构的等离激元共振传感器。分析了银层、钛酸钡层厚度以及石墨烯层数对传感器性能的影响。结果表明,所设计的传感器比传统的金属-硅-石墨烯结构传感器灵敏度更高,半高全宽更窄,品质因数至少提高2倍。7、最后对全文进行了总结。