近年来光子器件逐渐向集成化、微型化发展。而作为光子器件的基础应用,光波导器件的研发是实现这一目标的关键环节。如电学领域中将大规模集成电路集成在芯片上一样,光学系统也逐渐向着将不同光信号处理元件集成在一个芯片上形成新型光波导器件来实现多种功能的方向发展。光学微环谐振器是光学器件的其中一种,具有结构简单、品质因子高、尺寸小易集成等优势,因此可有效地降低光纤通信系统的设计成本。更重要的是微环谐振器通过改变结构、材料,可用于制备滤波器、激光器、波分复用器、电光调制器和传感器等。由于其功能如此强大,微环谐振器已成为近年发展集成光学的重要研究课题。本文通过研究微环谐振器的基础理论,改变微环结构及材料设计了金刚石基多层波导微环谐振器以及基于双层石墨烯的微环电光调制器。主要研究工作如下:(1)在课题的研究背景下,首先介绍了微环谐振器的发展与研究现状及其应用领域。并阐述了单微环谐振器的基本原理,依据耦合模理论建立了传输矩阵,着重分析了TBOR型波导和U型波导两种结构的单微环谐振器的传输特性,包括其谐振波长、自由光谱范围、半高全宽、品质因子、消光比等特征参数。并在制作工艺上进行了简单说明。这为后续设计和研究新型微环谐振器及其应用提供了理论依据。(2)在理论基础上,设计了一种以金刚石新型材料为芯层的微环谐振器。其纵切面采用多层波导结构,通过分析金刚石的特性,建立结构模型、分析所设计结构的传输特性,并对其品质因子等参数进行计算,最终得出效果最佳的设计参数。这一结构的提出不仅能拓展金刚石在光学领域的应用,并可为光学集成芯片的开发提供一定的指导意义。(3)依据微环谐振器相关理论以及电光调制理论设计单输出与双输出两种结构的双层石墨烯单微环电光调制器。利用双层石墨烯结构,提高调制精度。引入折射率较高的绝缘材料作为两层石墨烯之间的绝缘层,进一步降低调制所需电压值。对于单输出调制器,采用U型微环结构,极大地提高了其自由光谱范围和消光比。对于双输出调制器,本设计能很好地实现单输入双输出功能;采用TBOR型结构,对其调制性能有较大提高;且两输出均达到了较低插入损耗、较高串扰抑制能力;最重要的是能与低压CMOS工艺相匹配。这两种石墨烯电光调制器的设计不仅拓展了石墨烯在光学领域的应用而且为大规模可集成光电通信器件的发展提供了重要的理论和技术参考。