近年来随着人工智能、5G通信等新技术的不断发展,人们对数据流量的需求日益剧增,现有光通信技术的交换速率上限100 Gbps已不能满足需求,制约主干线光通信网络速率的关键单元是光收发模块,这是未来几年全世界光通信领域所关注的热点问题。而对光模块中的关键器件即电光调制器与光电探测器的研究也将成为各国学者的研究热点。然而,由于传统硅材料存在低电子迁移率(仅1350 cm2V-1s-1)、间接带隙结构等固有限制,纯硅基的电光调制器调制速率难以进一步提升,纯硅基的光电探测器的工作波长也被局限在可见光及部分红外波段。为克服上述问题,世界各国学者纷纷将各种新材料与硅基芯片集成设计混合硅基光电器件以延伸硅基光电器件的发展潜力。其中,二维纳米材料石墨烯凭借其超高的电子迁移率(20000 cm2V-1s-1)、直接带隙结构等一系列优秀的光学、电学特性而受到广泛关注,为电光调制器与光电探测器的研究注入了新鲜的血液。为了将石墨烯用于电光调制器与光电探测器,以下关键问题亟待解决:(1)对电光调制器来说,由于石墨烯单原子层的特殊结构,光场与石墨烯之间的有效作用面积较小,使得光与石墨烯相互作用偏弱,最终导致电光调制器的调制效率难以进一步提高;(2)对光电探测器来说,由于石墨烯特殊的二维片状结构使得其对垂直入射光波的吸收率仅有2.3%,这对于提升光电探测器的响应度是十分不利的。针对以上的关键问题和挑战,本文展开了对基于石墨烯的电光调制器与光电探测器的研究,成果总结如下:(1)提出了一种基于石墨烯的混合等离子体波导电光调制器,通过混合等离子体波导的强场聚集效应来大大增强光与石墨烯的相互作用,将石墨烯调制器的理论调制效率提升至~0.417 d B/μm。同时加工制备了调制器样品,经过实验测试得到了~0.036 d B/μm的调制效率,这一水平已与国际顶级期刊Nature子刊报道的~0.033 d B/μm相当。这部分成果发表于OSA旗下的Optics Letters上,并受到华为公司的关注和项目合作邀请;(2)提出了一种基于石墨烯的三缝开槽波导光电探测器,利用纯硅基的三缝开槽波导在降低波导损耗的同时增强石墨烯对入射光波的吸收率。实验验证了三缝开槽波导对光与石墨烯相互作用的增强效果,并且最终得到了2.9 m A/W的响应度,优于Optics Letters期刊近期报道的结果。这部分成果发表于IEEE JSTQE上,同时由于这部分的工作本文作者获得了教育部颁发的研究生国家奖学金。