高速发展的信息化进程,导致了需要传递和处理的信息量日益呈爆炸性增长,以光纤通信网络为主的信息网络面临巨大挑战。因为光调制器是实现将电信号调制到光载波上的关键性器件,所以飞速发展的光纤通信网络对光调制器性能方面提出了更高的要求,如更高调制速率、更小体积、更低功耗和可集成等。然而现有基于传统电光材料的光调制器因自身材料的限制,已无法满足这些需求。石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构的新型材料,在室温下具有超高速的电子迁移速度、优良的电光学特性、并且与CMOS工艺兼容,将石墨烯应用在光调制器中有望使光调制器在带宽、尺寸、功耗、集成度等方面都能展现出显著的改进,已成为了国内外研究的新兴热点。本论文主要研究了石墨烯的电光调制特性及基于石墨烯的电光调制器。论文对石墨烯电光特性建立数值模型,将石墨烯与硅光波导结合,设计了几种基于石墨烯的光调制器的新型结构,研究了纳米加工工艺流程及其相关的光掩膜版图设计,掌握了石墨烯材料的准备和转移技术,完成了集总型光调制器和行波型光调制器的制备。具体研究工作如下:1.综述了石墨烯材料的制备方法、石墨烯材料的表征技术和光波导设计分析的方法。常用石墨烯制备的主要方法包括机械剥离法、氧化还原法和化学气相沉积法;主要表征石墨烯材料的技术包括光学显微、电子显微、扫描隧道显微和拉曼光谱技术;介绍了分析光波导中的光学模式的四种数值计算方法,包括有效折射率法、光束传播法、时域有限差分法和有限元法。2.研究了石墨烯的电光调制特性并建立了数值模型。石墨烯对光的吸收能力随着化学势能的变化而变化,而石墨烯材料的化学势能可以通过化学掺杂或外加偏置电压所调控,因而石墨烯的光吸收能力可以电学可控。研究了石墨烯的化学势能与外加偏置电压、石墨烯光导率及石墨烯介电常数之间的关系,揭示了石墨烯电光调制的工作机理。3.提出了三种集总型石墨烯光调制器结构,包括四层石墨烯吸收型、双层石墨烯相位和偏振不敏感吸收型光调制器结构。仿真计算结果表明,四层石墨烯吸收型光调制器只需要5μm的调制长度即可实现超过30 dB的消光比调制,3 dB调制带宽可达100 GHz而且功耗只有5.64 fJ/bit;双层石墨烯相位光调制器产生一个?相位的改变量所需要的调制长度为75.6μm,而功耗为0.452 pJ/bit,3 dB调制带宽可高达119.5 GHz;偏振不敏感石墨烯光调制器在入射光波长范围为1.45μm~1.60μm时均能实现偏振无关的调制,30μm长度的调制区域能达到20 dB以上的消光比,3 dB调制带宽能达到69.8 GHz。4.提出了两种行波型石墨烯吸收型光调制器结构,包括微带线和共面波导石墨烯光调制器结构。石墨烯材料既作为微波传输线,又作为光吸收的调控介质,当满足微波阻抗匹配条件时,微波信号能有效加载至调制器上。仿真结果表明,行波型结构光调制器的调制系数为0.0792 dB/μm,微带线和共面波导石墨烯光调制器结构的3 dB调制带宽均可超过200 GHz。5.研究并设计了石墨烯光调制器的纳米加工工艺流程,借助L-edit软件给出了光掩膜版图设计,研究掌握了石墨烯材料的准备和转移技术,实验证明了两次快速退火工艺能有效降低器件的电阻,给出了纳米加工每一步工艺实现的具体过程和工艺参数,最终制备出了集总型和行波型石墨烯光调制器,对器件作了初步实验测试,并针对研究过程中发现的问题,给出了未来石墨烯光调制器实验制备工作的改进意见和方案。