微纳米尺度上各种有序或无序的结构光学材料已被广泛应用于光学或电光器件设计，促进器件对电磁波的探测、吸收、传感与调制等性能。本论文利用微纳结构光吸收器设计并研制了垂直入射型光传感器与光调制器，这两类器件均是通过探测由物质的折射率变化引发的光信号变化实现物质传感或光调制，光与物质的相互作用强弱决定了此类器件的性能。而在垂直入射型器件中薄层物质仅能在厚度方向与入射光作用，器件性能受到很大限制。而微纳结构可将空间光耦合到局域电磁增强的谐振模式，以模式促进光与物质相互作用强度。　　针对微纳光学传感器通常依赖谐振模式的消逝场进行传感造成灵敏度低的问题，本文首先利用超材料吸收器和狭缝波导吸收器的场强限域效应设计太赫兹微流体传感器。超材料吸收器由金属微纳结构/介质/金属三层堆叠构成，它可将空间入射电磁场限域在上下金属层构成的谐振腔内而实现电磁增强，严谨的理论分析证明腔内介质折射率改变对腔模及共振频率的影响远比其它区域强。本文开发了特殊的封装制备工艺将微流体传感器与超材料吸收器一体化集成，使微流体通道位于上下金属层之间，充分利用超材料吸收器的近场模式促进太赫兹波与微量薄层待测物质的相互作用，以提升其传感灵敏度。仿真计算和初步实验测试得到了高达3.5 THz/RIU的传感灵敏度和0.31 RIU-1的归一化灵敏度。在通过一体化集成获得高灵敏度的前提下，针对金属微纳结构共振型传感器的品质(Q)因子低的问题，本文设计了光栅/狭缝波导介质结构的微流体传感器，以场强限域增强的低折射率芯层作为微流体通道以获得较高灵敏度，并以导模共振的极窄带高Q吸收峰进行传感，仿真计算的归一化灵敏度为0.37 RIU-1，Q因子高达3700，传感器的品质因数大于1000，这是目前太赫兹传感器中报道的最高结果。　　鉴于空间光传感器与调制器物理机制方面的相似性，本文将以上传感器的设计思想与经验推广至调制器。结合狭缝波导和新型电光材料透明金属氧化物(TCO)研究空间光调幅调制器，TCO材料位于狭缝波导的芯层，增强TCO表面场效应有源层（约1nm厚）与近红外波段空间光的相互作用强度，充分利用TCO材料的介电常数趋于零特性，影响狭缝波导的模式分布，对入射光的进行大幅度窄带偏压调制。为了提高调制器带宽以降低角度敏感性，将TCO材料生长于类狭缝波导的直立硅纳米线阵列之间，利用纳米线阵列宽光谱端面耦合、零反射和光场限域等特性，促进自由空间光与TCO超薄积累层的相互作用，以提高调制深度，器件设计结果可以在1550 nm达到全吸收调制，初步实验获得中红外波段(2.5～5μm)约8％的超宽带调幅调制，证明了器件原理与设计的有效性。本文还研究了基于石墨烯微纳结构的空间光相位调制器，构建了宽带、高转换效率的太赫兹可调超颖表面，并以石墨烯微纳结构/介质/金属三层堆叠的类超材料吸收器结构，增强石墨烯结构层的散射截面，突破几何相位薄层超表面的25％转换效率极限，获得高达60％的能量转换效率，并通过单一电极调控石墨烯的载流子浓度，动态调制器件的工作频段。