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2004年英国科学家A.K.Gaim和K.S.Novoselov首次采用机械剥离的方法在室温下制备并表征了石墨烯材料，引起学术界的广泛关注，从此掀起一场石墨烯材料的研究浪潮。近些年来，学术界对于石墨烯的研究逐步升温，围绕石墨烯材料在微电子和光电子等领域的应用展开了系列工作。其中，由于石墨烯材料有着优异的光电特性，如高载流子迁移率、高光吸收系数、宽光吸收谱等，石墨烯材料在光电子领域有着巨大的应用潜力。 本论文围绕石墨烯光电器件研究展开了系列工作，重点研究石墨烯光电转换机制，研制石墨烯光电探测器和光调制器，主要创新性工作包括: (1)系统研究了一套适用于制备石墨烯光电器件的微纳加工工艺。提出并发展了一种高精度定位转移机械剥离石墨烯的方法，这种方法可以在亚微米量级精确控制转移石墨烯的位置并且可以减少多余的体石墨对器件造成的影响;总结并优化了衬底的清洗方法，得到一套可以有效降低石墨烯材料掺杂程度的衬底清洗方法;发展出了适于制备石墨烯器件的电子束曝光套刻版图的绘制方法，利用图形数字化软件可以更准确、更快速地绘制电子束曝光套刻版图;探索了在石墨烯上蒸镀电极的条件，明显地降低了石墨烯材料的掺杂浓度。 (2)系统深入研究了多种石墨烯光响应机理，包括光伏效应、光致热电效应、热辐射效应和光电导效应。发现并提出了一种新的制备光电导型石墨烯光电探测器的方法，利用刻蚀SOI表面陷阱能级对于光生载流子的限制实现高的光响应度。器件对620nm和500nm入射光有高达200A W-1量级的光响应度，器件的开启和关闭时间分别为0.50ms和0.74ms，通过对比、分析器件对1550nm和808nm入射光的响应差异，我们估算陷阱能级与石墨烯的费米能级之差在0.40eV至0.76eV范围内。 (3)制备了波导集成的石墨烯光电探测器，测试发现光照导致器件电流减小的现象。经过对光伏效应、光致热电效应和热辐射效应对光电流贡献详细的理论计算和实验分析，确定这种结构的石墨烯探测器其光响应机制主要由热辐射效应主导。 (4)提出了石墨烯-六方氮化硼-石墨烯隧穿型光电探测器并分析了器件的工作原理;成功制备了原型器件并理论计算了器件的隧穿电流。 (5)理论研究了石墨烯光调制器的工作原理，即泡利阻塞效应。系统研究了制备波导集成型石墨烯光调制器的各步骤工艺条件，形成一套适用于制备此结构器件的工艺流程，重点研究了SOI衬底的选区掺杂、生长高质量氧化铝薄膜和石墨烯的选择性刻蚀等工艺。实现了波导集成型石墨烯光调制器的原型器件，测试得到1.3dB的调制深度。 (6)发现了多层石墨烯导电通道的非线性输运特性。结合在氧化硅/硅衬底上制备的场效应晶体管器件，研究表明这种非线性的输运特性是由ICP刻蚀过的SOI衬底与多层石墨烯材料相互作用导致的。进一步发现这种非线性的输运特性与Schwinger机制的理论预测结果吻合，即在高偏压范围内，α快速由1.02增长至1.5左右，I-V曲线由线性到非线性转变的电场强度特征值为5×104V m-1。