光通信技术在过去的几十年发展非常迅速,在我们的生活中的作用越来越重要。其中,光通信系统中的各种光电元件的性能对未来光通信系统的发展有很重要的意义。不过,目前很多光电元器件的性能存在一些缺陷,如尺寸过大,带宽窄,速度慢等都制约着光通信系统的发展。针对这些问题,本文将二维纳米材料石墨烯和传统的光电器件结合,利用石墨烯优越的光电性能,探索了高性能光电器件。本文首先对石墨烯的电学性质和光学性质进行了分析和研究,接着提出了石墨烯硅基波导的新结构,并将其和传统的光电器件结合,设计了几种新型的石墨烯光电器件,包括Mach-Zehnder石墨烯调制器,石墨烯微环谐振调制器,石墨烯TE/TM偏振器。本论文的主要创新和贡献在于。(1)提出嵌入式的石墨烯硅波导结构,并用数值方法和理论方法分别对其性能进行计算。首次发现石墨烯硅波导的有效折射率的实部变化幅度超过0.01。将石墨烯波导和传统Mach-Zehnder调制器相结合,大大缩小了Mach-Zehnder调制器的尺寸,解决了传统器件尺寸过大的问题。(2)在理论上详细分析了微环谐振调制器的特性。将石墨烯和传统微环谐振器相结合,提高了微环谐振调制器的工作带宽,并使得新型石墨烯微环谐振调制器的抗温漂范围达到27K。(3)针对传统的光偏振器的只能在单一偏振态下进行工作这一缺陷,提出了石墨烯环形波导结构,利用石墨烯的电可调性,首次将TE偏振器和TM偏振器用一个分立元件实现。