硅基集成光学在光通信、光互联、光传感等方向上具有极大的应用潜力,在近些年来得到了大力的发展。由于硅本身是间接带隙材料,需要与传统的半导体材料进行集成或者进行离子注入等方法来实现一些有源的器件功能,例如调制和探测等,而通常这伴随着巨大的工艺复杂度以及晶格失配问题。而石墨烯作为一种新型的二维材料,具有宽光谱吸收、载流子迁移率高、费米能级可调、热导率高等优异性能,并且可以通过湿法转移、纳米压印等方法转移到硅波导上,同时不会产生晶格失配和模式失配等问题;另一方面,虽然石墨烯只有单原子层厚度,但通过硅波导可以延长光场与石墨烯的作用距离,提高光场与石墨烯的作用强度。因此,硅-石墨烯波导混合集成器件受到了人们的广泛关注。本文首先介绍了集成光学的发展,硅-绝缘体平台的优势以及硅光器件在光通信、光传感等领域的典型应用。之后,本文介绍了石墨烯的电学、光学和热学等方面的基本性质,概述了硅基石墨烯混合器件的一些应用,并对混合器件的仿真方法进行了简要的介绍。本文提出了一种基于等离子体波导的近红外/中红外波段石墨烯高性能光电探测器,并首次用石墨烯实现了2μm波段的高速探测。我们设计并优化了等离子体波导结构尺寸,降低了金属的吸收损耗,同时提高了石墨烯的吸收率。另一个方面,我们加入了门电压调控的措施,可以改变石墨烯载流子掺杂浓度,通过扫描门电压以及偏压,实现了光电导、光热电以及辐射热光电探测机制的切换,并对此进行了理论上的分析。在2μm波段,器件在-0.3 V偏压下的响应度为～70 mA/W,测量的3dB带宽大于20 GHz(受限于测试系统);在1.55μm波段,器件在-0.3 V偏压下的响应度为～0.4 A/W,测量的3dB带宽大于40 GHz(受限于测试系统),同时进行了 30 Gbps的眼图测试。其次,本文研究了基于反射式结构的波导型石墨烯光电探测器,可以缩短石墨烯的长度以提高RC限制3dB带宽,减少暗电流,提高信噪比,降低功耗。首先,我们设计并制作测试了基于环形反射镜结构的超薄硅波导型近红外石墨烯探测器。基于这种结构,石墨烯对TE基模的吸收率增强了～5倍,在有源区仅用20 μm的石墨烯就可以吸收80%的光场能量。在1.55μm波段,器件在0.3 V偏压下响应度为25 mA/W,3dB带宽约为17 GHz。另外,我们设计并仿真优化了基于布拉格光栅的slot波导型中红外石墨烯光电探测器,石墨烯的吸收率能够提高到0.225 dB/μm,并且利用双门控电压可以构建p-n结以增强PTE效应。最后,本文研究了硅波导集成的石墨烯在光调制方面的应用。首先,我们设计了基于亚波长光栅结构的近红外/中红外石墨烯电光调制器,并对器件在近红外波段的性能进行了测试。器件静态调制的消光比约为0.075 dB/μm,通过测试S11参数并构建等效电路模型,预计器件的3 dB带宽约为137MHz。其次,我们设计并仿真了基于对称MZI结构的石墨烯热光调制器,结合弯曲波导耦合器,我们实现了低插损、低功耗、高消光比、大光学带宽的热光调控单元器件。