鉴于金属-绝缘体-金属(Metal-insulator-metal,MIM)波导和石墨烯材料的表面等离激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)结构都具有许多优越特性,从而备受国内外科研人员的关注,相应的光器件也被广泛研究。但其中仍然有一些光器件的应用还在起步阶段,相应的机理还需要进一步研究,性能更好的SPPs光器件还有待进一步挖掘。本文正是从这些问题出发,从数值仿真和理论分析的角度,研究金属/石墨烯亚波长波导结构的光传输特性,为发展新型光器件和集成回路,打下坚实的理论基础。全文主要内容如下:(1)设计一种超集成表面等离子体诱导透明结构。该结构基于MIM波导布拉格光栅结构,通过耦合一个空气谐振腔,有效实现了表面等离子体诱导透明现象。并且从理论和仿真两方面对该结构的透射谱进行研究和分析。通过运用传输线理论进行解析,该结构可以得到一个显著的表面等离子体诱导透明窗口。而且还深入研究了空气腔和绝缘介质层之间的耦合距离对透射谱的影响,同时也讨论了空气腔厚度对透射谱的影响。为了验证这些传输线理论的解析结果,本文还使用有限时域差分法进行仿真比较。两种方法得到的结果符合得非常好。得到的这些结果可以为高度集成光子回路中设计和研究光开关、光传感和慢光等器件提供新的思路和理论分析方案。(2)在可见光和近红外波段,单层二硫化钼的吸收率只有大约10%,这限制了它在光电器件中的应用。为了能够显著提高单层二硫化钼的吸收率,本文基于MIM超材料结构,设计了一种双带可调的二硫化钼完美吸收器。通过使用有限时域差分法进行仿真,在可见光波段,得到了双带完美吸收峰。并且在这两个峰值波长处,单层二硫化钼的吸收率分别提高到57%和80.5%。通过调节相应的结构参数,二硫化钼的两个吸收峰波长可以分别在较宽的波长范围内单独移动。而且,所设计的二硫化钼吸收器可以容忍相对较宽的入射角度,并且该吸收器的性能和入射光偏振方向相关。所设计的二硫化钼吸收器将有助于在可见光波段范围研制新型纳米光器件。(3)基于石墨烯波导非对称结构,设计一种窄带表面等离子体滤波器,并且结合有限时域差分法对其传输特征进行研究。该结构是由两组不同厚度的空气槽组成,每组包含5个空气槽。经研究发现,由于该波导结构的布拉格波长会随着空气槽长度和厚度的变化而改变,导致两组空气槽构成的石墨烯波导结构的表面等离子体带隙波长会不一样。当级联这两组空气槽时,它们产生的表面等离子体带隙的透射谱线在特定波长处会发生重合。又由于厚度较长的一组空气槽产生的带隙透射谱最右端,会与厚度较短的一组空气槽产生的带隙透射谱最左端发生重叠,并且不会相互抵消为0。因此会在特定波长(也就是在中红外波段6.9μm处)得到一个3dB带宽为0.12μm的窄带透射峰,从而实现了很好的窄带滤波效果。同时,通过改变石墨烯的化学势,可以对该滤波器结构透射峰的峰值波长进行有效调控,从而实现特定波长处的窄带滤波效应。所设计的表面等离子体滤波器能够在光通信和信息处理中为研制多功能、超集成光器件发挥重要作用。(4)在中红外波段,基于Kerr非线性材料,设计和研究一种新型光传输不可逆石墨烯波导,并且结合有限时域差分法对其传输谱线进行深入研究。研究发现,通过结合不可逆非线性效应,本文设计的石墨烯波导结构可以实现可调谐光二极管的功能,并且正向入射和反向入射之间具有高达19.2dB的透射比,表现出良好的不可逆效应。而且,所设计的石墨烯波导结构的传输性能可以通过调节入射光强度或者改变相应结构参数进行灵活调控。该石墨烯波导结构可以在任意波长处实现正向传输或者反向传输的功能。所设计的基于不可逆石墨烯波导的光二极管结构,可以在高度集成光器件或者光子回路中发挥重要作用。