集成光路是满足日益增长的光通信网络容量与解决高性能计算机电互连瓶颈的有效途径。本课题以片上集成光波导作为切入点,围绕新型片上集成波导功能器件开展了一系列原理结构设计,主要研究内容和研究成果如下。(1)探索了金属表面等离激元在SOI纳米线波导模式控制上的应用。SOI纳米线波导模式控制是集成光路的基础性课题,其在偏振分复用技术和多模空分复用技术中有巨大的应用前景。本课题在简要分析了SOI纳米线波导模式和金属表面等离激元的基本特性后,提出了利用硅/金属混合波导控制SOI纳米线波导的新方法。基于多模干涉原理,通过巧妙地设计硅/金属混合的本征场分布,用两种不同硅/金属混合波导分别实现了超紧凑的波导类TE偏振与类TM偏振转换器和类TE基模与类TE一阶模式转换器。数值仿真结果表明,偏振转换器的偏振消光比在波长1.55?m处达到26.5 dB,而转换长度仅需610 nm。类TE基模与类TE一阶模式转换器的转换长度仅需1.1?m,在波长1.55?m处的消光比达到30 dB。(2)改进了现有的石墨烯等离激元波导结构。在深入分析了石墨烯光学电导率,费米能级与偏振电压关系,以及石墨烯等离激元模式色散关系后,提出了介质装载型石墨烯等离激元波导结构。这种波导结构基于等效折射率约束,不需要对石墨烯进行刻蚀加工,也不需要对石墨烯进行局部掺杂,而且易于加工和集成,有望成为石墨烯等离激元光学的基础功能器件。论文研究了求解介质装载型石墨烯等离激元波导模式色散关系的等效折射率解析模型。讨论了该波导的模式截止条件,单模范围以及模式特性的可调性。在此基础上,进一步深入研究介质装载型石墨烯等离激元波导间的定向耦合特性,发现改变石墨烯费米能级能有效地调控波导间的定向耦合功率比,并基于此设计了中红外波段电可控光开关,开关比在波长10.5?m处达到了16 dB。(3)提出了用纳米条带腔增强石墨烯与可见到近红外光相互作用的新方法。纳米条带腔集波导与腔的优势于一身,石墨烯与纳米条带腔耦合系统既利用了腔的场增强效果,又保持了与波导集成的方便性。针对特定的应用,论文提出了一种简单的纳米条带腔设计方法,并用瞬态耦合模理论从原理上分析了石墨烯与纳米条带腔耦合系统可能的状态。对于输入和输出波导对称的结构,石墨烯的吸收率最多为50%;对于输入和输出波导不对称的结构,满足临界耦合条件时,石墨烯的理论吸收率可达100%。在理论分析的基础上,用输入和输出波导对称的结构实现了超紧凑的片上集成石墨烯电光调制器。仿真结果表明该电光调制器在波长1.55?m附近的调制幅度达到7 dB,而器件的长度仅为6.5?m。利用输入和输出波导不对称的结构,首次实现了片上集成石墨烯近似完美吸收体,并详细地讨论具体的设计方法。仿真结果表明石墨烯的吸收率达到了97%,而石墨烯的长度仅为1.7?m。