随着现代社会信息化进程不断加速,网络通信量呈“爆炸式”提高,人们对海量数据的长距离传输和宽带移动接入的需求日益凸显,于是高速、超高速光纤通信技术及宽带光载无线技术作为解决这些问题的主要方法得到了极大的关注。在超高速长距离光纤传输系统中,采用不同调制格式的相干接收成为主要的接收方式,而本振激光器及光前置放大器在相干接收系统中的应用使得接收机中的光电探测器需同时具备高速响应、高饱和和高线性度的特性。在宽带无线光网络的光载无线(Radio over Fiber,RoF)系统中,高频、高动态范围的毫米波调制光信号也需要更高响应速率、更大动态范围、更好线性度的光电探测器加以支撑。本论文以提高光电探测器的高速、大功率性能为目标,围绕高速、大功率、低功耗光电探测器及阵列的外延层结构、电极结构及与功能器件的混合集成等方面展开研究。本论文主要的创新点和研究成果如下:1.提出了具有InAlAs/InGaAs p型异质结构构的单行载流子光电探测器结构。与InP材料相比,InAlAs材料较高的导带及价带能量能够更加有效地在大功率下阻挡光生电子向电子阻挡层的扩散,同时减小光生空穴向p接触层渡越时的势垒高度,因此与通常采用的InP/InGaAsp型异质结构相比,所提出的光电探测器结构具有更好的饱和特性。对上述两种器件的仿真结果显示,所提出的具有800nm吸收层厚度以及20μm有源区直径的光电探测器具有20GHz以上的零偏压3dB带宽,其零偏压下的直流饱和电流及饱和输入光功率分别为 1.64mA 和 2.512mW。2.提出、设计并制备了一种双管芯对称连接p-i-n光电探测器阵列。所制备的有源区直径为2μm的双管芯对称连接光电探测器阵列在5mA平均光电流下实现了超过14GHz的3dB带宽,且在60mA的大功率工作状态下保持了超过12GHz的3dB带宽,同时该器件在12GHz处得到了 66mA的交流饱和电流及1.03dBm的饱和RF输出功率。与之相比较的是,具有相同外延结构及器件尺寸的双管芯行波光电探测器阵列在12GHz处仅得到了 42mA的交流饱和电流及-为31mA。测试结果表明,所提出的双管芯对称连接结2.74dBm的饱和RF输出功率,而单个光电探测器的交流饱和电流仅构在该外延层结构及器件尺寸下提升了光电探测器阵列的饱和特性,同时还解决了行波光电探测器阵列中电信号相位失配的问题。3.首次对双管芯对称连接光电探测器阵列的电极结构进行了优化。制备了优化前后的对称连接光电探测器阵列电极,受测试条件限制,我们仅在0-40GHz的频率范围内对优化前后的电极的传输损耗进行了测量,优化后的电极在40GHz频率点测得的传输损耗与优化前相比降低了 1.1dB。对具备优化后的电极结构的双管芯p-i-n光电探测器阵列进行了制备及测试,电极优化后的光电探测器阵列的3dB带宽相比优化前提升了 6.6GHz。4.提出并设计了具有更多光电探测器管芯的中心对称光电探测器阵列的电极结构,并对三管芯、四管芯阵列的电极结构进行了仿真优化,为具备更高饱和电流及饱和输出功率的光电探测器阵列的研制奠定了基础。5.提出了一种与亚波长光栅功分器混合集成的高性能双管芯对称连接(背入射)光电探测器阵列结构。设计、制备、测试了用于该结构的功分器,测试结果显示,所制备的功分器的功分比为1:0.9。实验完成了亚波长光栅功分器分别与p-i-n结构及单行载流子结构对称连接光电探测器阵列的混合集成,与正入射光电探测器阵列相比,混合集成结构引入的插入损耗在5dB以下。所制备的单行载流子混合集成阵列的3dB带宽最高达到23GHz,其交流饱和电流及饱和RF输出功率在12GHz处达到87.9mA和16dBm。这种混合集成器件在结构设计上避免了光信号相位失配的问题,消除了单片光电探测器阵列对相位补偿机制的需求,大大简化了光电探测器阵列的耦合复杂度。6.实现了一种新的基于GPIB总线及Python编程语言的光电子器件性能参数自动测试程序。该测量程序利用计算机作为测试系统的控制终端,用GPIB总线将各测试仪器于计算机连接并基于Python语言开发,可以对光电探测器、半导体激光器及无源光器件的各项参数进行自动扫参测量,实现了良好的稳定性、易用性及可扩展性。