随着信息技术的飞速发展,人们对于通信网络、高速互连和信息处理提出了更高的要求。硅基光子集成器件凭借体积小、成本低、具有CMOS工艺兼容性的优点,可以实现大规模的光子集成,在光通信、光互连和智能传感等领域发挥着越来越重要的作用。可调控光子集成器件作为光子集成芯片的关键器件,一直受到人们广泛的关注研究。但是,硅材料存在自身的缺陷,通常需要与其他材料混合集成,才能够实现性能良好的有源器件和功能器件。石墨烯是一种新型的二维晶体材料,具有优异的电学、光学、力学和热学等方面的性质。不过,石墨烯的二维结构会限制它与光子的相互作用,不利于石墨烯优异性质的发挥。在本论文中,我们结合硅基光子学和石墨烯各自的优势与需求,提出了硅与石墨烯的混合集成,探究了可调控硅-石墨烯混合纳米线波导及器件的理论建模、制作测试和应用前景。首先,我们介绍了石墨烯的晶格结构、能带理论和光学电导率模型,理论上分析了石墨烯的光学和光电子特性。我们还介绍了两种对石墨烯进行仿真计算的思路方法,并具体计算分析了硅-石墨烯混合纳米线波导的模式和传输损耗等特征。然后,我们探讨了常见的石墨烯样品的制备方法、表征手段和转移工艺,详细介绍了硅纳米线波导器件的制作和测试方法。在此基础上,我们探究了石墨烯与硅纳米线波导混合集成的工艺流程和关键技术。然后,我们设计制作了硅-石墨烯混合纳米线波导,测试分析了混合纳米线波导的基本特性。在硅-石墨烯混合纳米线波导中,我们发现了一种光致透明效应,具有极低的泵浦功率阈值(仅为～2 W/cm2)、局域和非局域(距离远达～4 mm)的光照响应等特性,可以用于实现大带宽、远程控制、低功耗的全光调控功能。通过实验测试与理论建模,我们对光致透明效应的工作机理和全光调控的特性进行了详细分析。接下来,我们提出了石墨烯透明纳米加热电极和石墨烯透明热传导器的设计,制作实现了几种热光调控的微盘谐振器和马赫-曾德干涉器。石墨烯透明纳米加热电极具有比金属加热电极更好的加热效率、工作速度和温度范围,在不平整表面结构和微纳尺寸结构加热方面具有一定的优势。石墨烯透明热传导器利用石墨烯优异的导热性(导热系数高达～5300 W/m·K),可以形成一种非局域的加热效果,对于面发射器件、阵列结构器件等特殊加热场合具有重要应用价值。最后,我们总结了全文的主要内容、研究结论和心得,对硅-石墨烯混合集成光子器件和硅基光子学的研究发展进行了展望。