微纳光波导由于具有紧凑、功耗低和光约束能力强等独特优势,在光通信、光信息处理以及光学传感等方面有广泛的应用前景,同时也为纳米光子学中的基础研究提供了一个比较成熟的平台。目前比较常见的微纳光波导包括微纳光纤、半导体纳米线、集成光波导和金属表面等离激元波导,它们在不同的研究和应用场合构成各种光学器件并发挥着各自的特点和优势。然而,单一材料往往会给器件功能的拓展和性能的提高带来限制,比如硅的间接带隙使得制备基于纯硅的集成光源成为一项很有挑战的任务。因此光学器件的设计和制备经常需要用到不同的光学材料进行有针对性的功能化集成。基于上述考虑,我们研究了微纳光波导功能化集成及相关器件应用,包括微纳光纤和半导体纳米线与石墨烯的功能化集成,以及硅波导与自由纳米线灵活的功能化集成,展示了基于石墨烯饱和吸收特性的超快全光调制器,和基于硅波导-纳米线集成光路的光子器件。本论文的第一章,我们综述微纳光波导的研究背景及其功能化集成的研究进展,包括一些典型的研究成果。本论文的第二章,我们介绍微纳光纤与石墨烯的功能化集成。首先简要介绍微纳光纤的模式理论分析、制备和传输特性表征,接着是石墨烯的光学特性、机械剥离制备以及石墨烯与微纳光纤的复合方法。然后我们展示石墨烯复合微纳光纤的非线性饱和吸收特性以及在超快全光调制方面的应用。得益于微纳光纤表面的高比例倏逝场和更长的光-石墨烯相互作用距离,这种复合结构呈现出相比光垂直照射石墨烯更显著的饱和吸收效应。通过“泵浦-探测”的测量方法,我们得到石墨烯复合微纳光纤的超快动态响应时间仅为2.2ps,实现超快的全光调制。最后我们还探索了包覆在纳米光纤上石墨烯的荧光特性。本论文的第三章,我们提出氧化锌(ZnO)纳米线与石墨烯的功能化集成。我们先介绍ZnO的光波导特性及相关应用,然后展示石墨烯复合ZnO纳米线的制备、表征和器件应用。通过拉曼光谱和电子显微镜表征结果,可以发现石墨烯平滑紧密地包覆在纳米线上,并且保持了完好的晶体结构。波导线性光吸收的测量结果则显示石墨烯和纳米线表面的倏逝波有很强的相互作用。通过计算和全光调制实验,我们发现ZnO纳米线更高的折射率在降低开关光的功率方面有明显的优势。本论文第四章,我们研究了硅波导和自由纳米线灵活的功能化集成。首先我们介绍硫化镉(CdS)纳米线和稀土掺杂纳米光纤的制备方法和光学特性。其次我们展示CdS纳米线与硅波导在光通信波段的近场耦合,并且能够实现接近100%的耦合效率。基于此我们制备了混合的Mach-Zehnder干涉器及跑道形谐振腔,并以全光调制的方式演示了纳米线具有比硅波导高4倍的调制效果。最后,利用铒镱共掺碲酸盐玻璃纳米光纤与硅环腔复合,我们演示了光通信波段的片上光源。本论文的第五章为上述工作的总结与展望。微纳光波导的功能化集成能够为光学器件带来功能拓展与性能提高。本文的几项工作,从不同材料和结构各自的特点出发来进行优势互补,制备和研究了微纳光纤／纳米线和石墨烯的复合光学器件以及硅波导-纳米线混合集成光路。在这些工作当中,我们首次利用石墨烯皮秒量级的载流子弛豫时间实现超快的全光调制,首次实现硅波导和自由纳米线的高效耦合以及相关的混合集成器件,展示了它们一系列新特点和优势,为微纳光波导光学器件的发展提供了新的思路。