目前光调制器正向着更高速,更宽带宽,更小的器件尺寸以及集成化的方向发展,传统的调制器已经很难跟上光纤通信发展的步伐。开发新型集成化调制器的研究迫在眉急。石墨烯是一种具有蜂窝状晶格结构的二维材料,考虑到其优异的电学、热学、光学特性。本论文拟研究基于石墨烯热电极的马赫曾德热光调制器,和基于石墨烯电吸收特性的混合表面等离子调制器,重点研究器件的调制原理、结构仿真设计和性能分析。聚合物热光调制通常采用铝等金属作为加热电极,为了避免金属对传输光的吸收,需要制作较厚的上包层。这将导致响应速度下降,功耗增大,同时还将直接影响器件消光比特性。针对这一问题,本文基于光波导理论、热光效应等原理设计出一种基于石墨烯电极的聚合物马赫曾德热光调制器。利用石墨烯超强的热导率以及对光的弱吸收,热电极可以直接与芯层上表面接触,可有效提升器件的热效率和时间响应。模拟结果显示,器件的石墨烯加热电极长度仅为50μm,加热功率仅2.1 mW,加热效率为50 K/mW,响应时间仅有290μs。针对入射波长为1550 nm,消光比高达51.7 dB。实验上本文对水涝法转移石墨烯工艺进行改进,并对胶带法转移的石墨烯进行了光学显微镜、拉曼光谱、SEM表征,结果显示胶带法可以减少转移后的石墨烯的破损和断裂情况。结合传统微加工工艺,实验上开展了基于石墨烯电极的热光调制器的制备研究,并初步完成了器件制备实验。为了进一步提高器件的调制速率、调制带宽、并减小芯片尺寸,本文又开展了石墨烯电光调制器的研究。目前基于石墨烯的电光调制器大多使用高折射率介质波导或者谐振器结构。对于这些调制器,光的模式限制在高折射率介质区,远离石墨烯与介质波导的界面,调制器中的光与石墨烯的相互作用因而减弱,制约了器件的消光比和调制带宽。本文结合表面等离激元波导的强局域场特性,将石墨烯与混合表面等离子波导相结合,设计出一种新型的石墨烯混合等离子调制器。本文提出的掩埋型硅波导与银等离子波导组成的非共面结构的混合等离子波导,利于石墨烯的转移骤,同时可增加制作误差容忍度。由于石墨烯各向异性的特性,调制光的横向电场分量可以增强石墨烯的光学吸收。通过仿真发现基础模式中的混合楔形等离子模式可显著增强石墨烯的光吸收。对于该混合等离子波导的调制器,其调制效率提高到0.316 dB/μm,同时保持了较低的传输损耗,小于0.09 dB/μm。该调制器长度仅为10μm,调制带宽高达346 GHz,能耗为54.787fJ/bit。调制器在1.260μm到1.675μm波段(包含了全部的S至U波段)都可以达到3dB的调制深度。因此,本文实现了一种超高速、宽带、低损耗的石墨烯基混合等离子调制器,为增强光-石墨烯相互作用的光电器件提供了新的思路。