当前,日新月异的光通信技术为光子集成器件的迅速发展创造了一个很好的契机。在微纳光子学方向中的深亚波长范围内有效控制光与物质的相互作用已经成为了人们研究的热点。入射光子和金属表面自由电子气之间的共振会激发表面等离子体激元,它对光场分布具有强局域限制性,这有利于光传输器件的集成化和微型化的实现。石墨烯是一种新型光电二维材料,因为它有着独特的能带结构、电子输运特性以及能够同硅基半导体工艺相兼容,在学术研究和工业应用领域中受到了广泛的关注。石墨烯等离子体激元同传统的金属表面等离子体极化波相比,在从中红外到太赫兹波段范围内连续电学可调,并且具备本征损耗低和对光场限制能力强等优势。对于光学系统而言,光波导与光调制器又是非常重要的光子器件。因此本论文在研究混合波导的基础上,对基于石墨烯等离激元的调制器进行了详细探索。本论文的主要工作表现在以下几个方面:(1)通过大量查阅与石墨烯表面等离激元相关的国内外文献以及近年来的研究成果,首先对混合表面等离子体波导和石墨烯调制器的研究背景、现状与应用前景等给出了相应的分析和介绍。(2)结合麦克斯韦方程组和物质的本构方程,推导出金属与介质分界面表面等离子体极化波的激发机理和特性,同时还推导出了石墨烯等离激元光电导率随电场的调制作用和色散关系。并简单介绍了基于有限元方法的数值模拟软件COMSOL。(3)基于混合等离子体波导的原理和优势,阐述了衡量混合模式的特征参数:有效折射率、传输距离、有效模场面积等。对文中提出的新型混合圆管-三棱柱等离子体波导(HTTPWG)和柱状-槽形混合等离子体波导(HCSPWG)采用COMSOL分析了二维混合波导中的模场分布以及模式的传播长度、模式面积随着结构几何尺寸、材料属性等参数的变化关系,并优化了混合波导结构的各项参数。这些研究为第四章基于石墨烯等离激元调制器的探索奠定了基础。(4)本文还基于石墨烯独特的优点,介绍了几种应用比较广泛的单/双层石墨烯与波导结合的调制器结构,对比了它们性能参数。最后,重点对我们设计的基于双层石墨烯环形腔结构的光调制器以及基于石墨烯波导-槽型混合等离子体结构的光调制器进行了详细阐述。