光调制器是光纤通信网络和光互连中的关键功能器件,在光网络和光互连中有广泛且重要的应用。特别是在光互连方面,随着光互连在超级计算机、大数据中心等系统中的应用不断深入,光互连正沿着机柜间光互连、板间光互连、芯片间光互连、芯片上光互连的趋势飞速发展。片上光互连成为未来的趋势,在未来几年内,对传输的要求将要达到10Tb/s/cm2的目标。高速发展的光互连需要高性能的光调制器,对光调制器在速率、体积、功耗、集成度等方面都提出了更高的要求,且十分紧迫,而现有的光调制器无法满足这一需求,研究基于新型光电功能材料的光调制器成为国内外研究热点。现有光调制器,例如铌酸锂调制器、Ⅲ-Ⅴ族半导体调制器、硅基调制器以及聚合物调制器或性能受到限制或具有不稳定难以满足光互联趋势等等一系列的缺陷。鉴于传统的光调制器受到结构或材料本身的限制,在面对片上光互连的要求时困难极大,因而很有必要研究基于新型光电功能材料的光调制器,以实现高速高效的光调制,并具备稳定可靠的性能,同时与CMOS工艺兼容。以石墨烯为代表的一系列二维材料具有十分独特和优秀的电学、光学、力学、热学等性质。目前有大量的各类基于二维材料的应用研究,例如传感器、探测器、生物医疗等等。那么能否利用二维材料优异的性质,制作出满足光通信网络和光互联要求的调制器?本文主要探究基于二维材料实现光调制器的可能性,研究基于不同二维材料和不同结构的调制器的原型器件,同时研究调制器的工作原理,并致力于获得高调制速度、宽带宽、低功耗、小体积等关键参数优秀的调制器。本文主要取得了以下创新性的成果:(1)利用杂化波导的场增强效应,提出了一种基于杂化波导的石墨烯调制器。通过将石墨烯-六角氮化硼-石墨烯层置于杂化波导低折射率介质层中,形成层状堆叠结构,利用石墨烯之上的电极,调节石墨烯光学参数,改变石墨烯对光的吸收效率,达到调制目的。通过计算机模拟发现,杂化波导中低折射率介质层厚度和杂化波导的宽度对调制器的调制深度有较大影响。高度越高损耗越小,调制深度越小,宽度越宽,损耗越大,但是调制深度也越大。通过对调制器结构几何参数适当的优化,仅用3μm长工作区域,实现了高达～40 dB的调制深度,3 dB调制带宽达到了 190 GHz。同时,转换调制器“开”和“关”两种状态所需要的电压仅需3.1 V,传输1 bit信息所需能量仅为7.7 fJ,整个器件核心区域的而积小于1μm2。(2)利用环形谐振腔和杂化波导优秀的场局域和场增强作用,提出了一种基于杂化波导谐振腔的石墨烯调制器。并且发现电压调节石墨烯对透射谱的两种影响:透射谱的红移或蓝移主要由于谐振腔有效折射率实部引发的相位改变而导致,透射谱幅值变化主要由于谐振腔有效折射率虚部发生变化,导致谐振腔的损耗发生改变。通过研究杂化波导几何参数对调制器有效折射率的影响,确定了能够在调制深度、能耗、器件面积等性能实现平衡的几何参数。同时发现该调制器能够实现多波长工作,工作波长从1400 nm到1700 nm区间,调制深度不低于12%,在1600nm时调制深度接近50%,在1550nm调制深度能够达到18.41%。该调制器与传统的基于二维材料的谐振腔调制器相比,器件面积可以缩小80%以上。(3)首次提出并研究了基于黑磷的光调制器。针对黑磷的各向异性,分别研究了波导的几何参数对光场沿着armchair和zig-zag方向传输时TE和TM模有效折射率的影响。根据波导的场分布和黑磷两个方向的电导率不同,发现沿着armchair方向传输的TM具有最好的调制性能。对工作波长为1550nm的调制器,可以实现消光比约为0.166 dB/μm,仅需18 μm长度工作区域即可实现3 dB的调制。对于工作波长为2100 nm的调制器消光比为0.102 dB/μm,实现30 dB调制深度仅需约30μm。(4)首次提出并研究了基于杂化波导的石墨烯/黑磷异质结光调制器。研究发现杂化波导的几何参数能够改变异质结对光的吸收效率。从平衡的角度出发,选择了与基于杂化波导的石墨烯调制器不同的几何参数。在优化参数下,调制器的消光比达到2.51 dB/μm,具有3 μm长度工作区域的调制器可以实现7.53 dB的调制深度。