在信息技术飞速发展的今天,传统电互联的通信方式经历了超过半个世纪的发展,已经逐渐在信息传输速度、功耗以及晶体管特征尺寸这三方面遇到了发展的天花板,但光电子学的研究为通信互联技术打开了另一扇大门。基于Ⅲ-V族材料和锗、硅等体材料所制作的光电子基础器件,为曾经的研究奠定了一定的基础,但由于传统材料自身的光电效应较弱,介电常数(ε)的可调范围太小,因此寻找和使用新材料就变得非常关键。2004年,当石墨烯这种二维材料被发现之后,它的ε大范围可调特性、超高的载流子迁移率、形态的自由可塑性以及它在金属／介质两个类别中的可切换性,引起了全世界光电子学者的高度关注。在2011年A. Vakil等学者揭示了石墨烯表面介电常数的计算方法之后,集成光电子领域中有关石墨烯的研究成果开始如雨后春笋般频频出现。速度为30 GHz的电光调制器、200GHz的全光调制器、消光比达到27dB的偏振器以及响应速度可达500GHz的光电探测器等基础器件的报道,都预示着石墨烯将在集成光电子学的发展中扮演一个举足轻重的角色。运用ε可调的材料控制光信号的传输,是设计光调制器件最基本的思路。本文以石墨烯、AZO(掺铝氧化锌)等新材料结合硅基平台,利用新材料的ε从正值到负值之间的大范围可调特性,针对硅波导和石墨烯表面等离子波导,对光调制器和光开关等基础器件进行了理论设计和仿真验证的工作,旨在从器件的消光比、特征尺寸、调制速度等指标上取得突破,主要内容如下：1.石墨烯和某些氧化物材料具有ε实部可调到接近于零的特殊性质,我们将这一点运用在微环谐振器上,设计了一种光开关。由于石墨烯的各向异性阻碍了设计,我们讨论了用AZO代替石墨烯。将AZO与硅基波导结合制成微环谐振腔,当AZO处于初始状态时,其介电常数与构成微环的硅材料很接近,同时损耗非常微弱,在特定的波长范围内能让整个微环处于谐振状态,保证光信号从下载端输出；通过电掺杂改变AZO内部的载流子浓度,当其介电常数被调到零附近时,巨大的介电常数差异让光能量集中在AZO薄层,并且带来严重的光损耗,使得微环丧失谐振特性,从而特定波长的光信号只能从直通端输出,由此构成了一种2×2光开关。这种器件的设计可以同时适用于TE模式和TM模式的导模,开关消光比均可以达到30 dB左右。2.ε实部接近于零的材料,被适当的外壳包裹,可以在通道面积非常狭窄的情况下,让特定频率的电磁波在其内部进行传输,这一特性被本文运用于设计超紧凑的光调制器和光开关。将石墨烯与二氧化硅材料堆叠,设计成周期性的超材料,并将其当作普通硅波导的连接通道。通过调节石墨烯的化学势,可以改变周期性超材料的等效介电常数,从而切换整个光波导的通断状态；通过利用常规金属材料代替虚拟的完美电导体,充当超材料通道的包裹层,探究这种器件的可实现性。基于这些工作,本文提出了一种特征尺寸仅有15m的电光调制器和一种1×2光开关。此二者实现3 dB消光比所需的电压均低于1 V,而最高消光比均可以达到约10 dB。3.在特定的掺杂条件下,石墨烯的ε实部可以被调节成一个负值,因而石墨烯具有成为表面等离激元波导的能力；同时,石墨烯在受到外部光照时,碳原子内部的热载流子会产生跃迁与冷却,在特定的情况下这种弛豫过程仅需要数百fs。这两种物理机制为构造超高速石墨烯表面等离子波全光调制器奠定了非常重要的基础。本文通过理论整合与数据分析,设计并提出了一种工作速度可以超过1 THz的全光调制器。这种石墨烯器件不仅在速度上具有很大的潜力,在调制深度(16dB/μm)、单比特功耗(90pJ)和特征尺寸(500m)等方面也有比较好的表现。