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近年来,通信互联网行业的各种新兴业务不断出现并日渐成熟,这其中包括4G/5G网络、大数据、云计算等。新兴的多媒体业务在逐渐被人们广泛应用的同时,将对高速大容量移动数据传输的要求越来越高,给光纤通信网络技术带来极大的挑战。作为光接收端的核心器件之一的光探测器势必要具有高速、高输出电流和接收高光注入(通常也称:大功率)的性能,才能应对以上挑战。随着“光载无线通信”概念的提出,传统用于数字光通信的光探测器将无法满足模拟信号通信中的高速、大功率传输要求。单行载流子光探测器(UTC-PD)具有高响应速度、高线性度、高饱和输出电流等优点,满足目前光通信的发展需求,特别适合于大功率模拟光通信系统接收端的光探测器。另外,信息传输的爆炸式增长,使得用于通信传输的芯片数量、尺寸、能耗都增加。因此,光通信技术向集成化、低能耗、易维护的方向发展。由于零偏压下的光探测器具有节约能源、封装简易、尺寸小、维护方便等优点,近几年对此类光探测器地研究愈加重视。本论文主要围绕零偏压下高速、大功率单行载流子光探测器开展理论和实验研究工作。论文的创新点和主要工作如下:1、对比研究了目前应用于光通信系统中的几种常见光探测器的性能优缺点,其中UTC-PD在高速、大容量的光通信系统中具有广阔的应用前景。理论分析了 UTC-PD在零偏压下的高速、大功率性能,研究了 UTC-PD的重要性能参数。2、研究了 UTC-PD吸收层采用不同掺杂方式、崖层和收集层采用不同厚度和掺杂浓度对其零偏压下3dB带宽和大功率性能的影响。仿真对比发现了当吸收层采用均匀掺杂、崖层厚度为10nm、崖层掺杂浓度为1 × 1018cm-3、收集层厚度为200nm、掺杂浓度为1 X 1016cm-3时,零偏压下UTC-PD(光敏面积为14μm2)的3dB带宽在入射光强为6×105W/cm2(84mW)时,最大带宽达到88.6GHz,且在9X 105W/cm2(126mW)的光强下,带宽仍可达71.7GHz,相应的响应度为0.16A/W。优化后的UTC-PD不仅具有很高的响应速度,而且接收大功率入射光强的能力也很强。3、深入分析了吸收层采用不同掺杂方式对零偏压下UTC-PD的3dB带宽和大功率性能的影响及其原因。零偏压下,高斯掺杂的UTC-PD可以提升吸收层的电场,从而加速电子运动,提升3dB带宽,但是会使InGaAs/InP异质结处的电场变小,进而使得在大功率光注入情况下,吸收层的电子不易通过异质结势垒,造成吸收层电子积累,影响大功率性能。4、仿真发现零偏压下UTC-PD的3dB带宽会随入射光强先增后降。分析可知,“先增”是由于吸收层中的自引入电场造成的,“后降”是由于吸收层中的电子积累造成的。不同频率下零偏压UTC-PD输出功率的1dB压缩点对应不同的入射光强,这些1dB压缩点组成的曲线可以划分出UTC-PD线性和非线性工作的光强范围。综合考虑上述结果和分析结论,可以得到零偏压下UTC-PD同时保持高速响应和线性输出的入射光强范围。该方法对于综合评价和优化光探测器的性能具有重要意义。5、提出了将高反射率分布式布拉格反射镜(DBR)与零偏压UTC-PD集成从而形成DBR-UTC集成型PD,即DBR-UTC-PD,仿真计算得到了零偏压DBR-UTC-PD的响应度为0.198A/W,此结果相对于普通UTC-PD提升了近一倍。通过实验制备出DBR-UTC-PD;测试表明在不同入射光强下,零偏压DBR-UTC-PD的响应度相对于普通UTC-PD提升了 0.05~0.09A/W,3dB带宽与普通UTC-PD无明显差异,最大都能达到11.4GHz。6、作为DBR-UTC-PD器件实验研究的基础,完成了对普通UTC-PD的后工艺制备,并对制备完成后的UTC-PD进行了性能测试。计算得到了 p、n极的接触电阻分别为27.8Ω和7.7Ω。3V反向偏压下的UTC-PD(直径为44μm)的暗电流为3.2nA。0.5V反向偏压下的UTC-PD(直径24μm)响应度为0.22A/W,3dB带宽为23GHz。0V偏压下UTC-PD的3dB带宽最大能到11.4GHz。