随着人类对信息量的需求呈爆炸式增长，为了避免电子瓶颈，构建全光通信网络迫在眉睫。而光逻辑门作为其中的关键器件，在全光网络中有着极其重要的作用。不过目前已经出现的光逻辑门器件都或多或少存在着缺陷，比如:基于SOA(semiconductor optical amplifier)或者非线性光纤的光逻辑门都存在功率过高，响应时间长或者集成度低等缺点。未来光纤通信的发展方向是高速率、高带宽、低能耗、小型化，光逻辑门作为光通信系统中不可或缺的组成部分，也必须满足高消光比、高调制器速率、宽调制带宽、低插入损耗、低能量损耗、小尺寸、易于集成等苛刻要求。本文的研究工作主要围绕高速的硅基光逻辑门器件开展。　　本文首先基于介质平板波导理论、热光效应及调制器的工作原理等理论设计出了一种硅基衬底上的聚合物热光或非(NOR)逻辑门。模拟结果显示，利用聚合物较大的热光系数及优化的结构参数设计，热光逻辑门的功耗为6 mW，器件的全部尺寸约为300 mm2。然后利用旋转涂覆、真空镀膜、接触曝光、反应离子刻蚀(RIE)、切割抛光等工艺，在实验上成功制备出了聚合物热光逻辑门芯片。测试结果表明，测得其功耗为28.2 mW，插损为20.8 dB，上升响应和下降响应时间分别为400μs和550μs。从响应特性来看，测试结果初步验证了设计思想。　　为了进一步改善器件的功耗、尺寸和响应速度等特性，本文进而提出了一种基于绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator, SOI)的紧凑型电光NOR逻辑门器件。利用SOI波导对光的强束缚特性，器件的尺寸仅为90μm2。由模拟结果可知，该器件的驱动电压为1.8V，功耗为6.66 mW，在1550nm的入射光情况下，其耦合调制区可以实现99％的耦合效率，还能获得21.8 dB的消光比。同时器件的响应速度极高，可以实现3 ns的上升响应时间与1.5 ns的下降响应时间。分析阐明，这种新型结构的数字型SOI基电光逻辑门同时具备低功耗、高集成度、低插损、高速响应、低驱动电压等优点，完全可以满足下一代集成计算机复用处理器芯片的要求。　　为了更进一步的提高逻辑门的响应特性，本文在最后尝试性的将石墨烯薄膜材料与SOI材料相结合，利用石墨烯的高电致吸收特性，设计出一种基于单一结构的石墨烯双逻辑门器件。该器件在继承了SOI低损耗，集成度高等优点的同时，还具备石墨烯对TM模式的强电致吸收特性。在1550nm的入射光的情况下，可以达到43.67 dB的消光比。虽然在尺寸方面有所增大，大约在200μm2，但是其消光比、响应特性都得到了明显提升。模拟结果表明，基于石墨烯的电吸收逻辑门的“开”、“关”的响应时间分别是0.5 ns和1.2 ns，其开启响应达到了亚纳秒量级。在未来的光网络系统中存在着巨大的潜力。