可见光通信技术是一种以可见光为传输媒质的新兴通信技术，和无线通信频谱资源趋于枯竭的情况不同，可见光波段频谱资源丰富，包含数百太赫兹尚未有效利用的空白频谱。可见光通信具有带宽高、抗干扰性强、保密性好、无电磁辐射等优点，是一种面向未来的绿色通信技术，受到了国内外通信研究者的广泛重视，是通信领域关注的重要研究方向。发光二极管的迅猛发展与普及，为可见光通信的发展提供了有力支撑。但是，目前的商用发光二极管主要以照明为设计目的，调制带宽有限，不能很好地适用于高速及超高速的可见光通信系统。此外，电子集成芯片已经接近经典尺度的极限，进一步缩小特征尺寸、提高芯片集成度变得极为困难。光子集成芯片以高速率、低功耗的独特优势，成为了后摩尔时代新的发展趋势。本论文基于硅衬底氮化镓晶圆，围绕面向自由空间的可见光通信和面向芯片内通信的光子集成两个方面，一共探索了七种不同结构和功能的发光二极管器件及可见光通信芯片。
　　首先探索了面向自由空间可见光通信的发光二极管，主要包括三种器件：一是悬空薄膜双发射发光二极管。该器件包含两个光发射端，通过深硅刻蚀技术剥离器件底部的硅衬底，消除了硅衬底对出射光的吸收，利用氮化物背后减薄技术刻蚀获得厚度可控的悬空薄膜结构，去除了富含缺陷的缓冲层，有效提升了器件的光电性能。实验证明，该器件可以同时向外发射9MHz和25MHz的调制光，为进一步研制可见光多输入多输出(MIMO)通信系统中的光信号发射模块打下了基础。二是集成金反射镜和电介质布拉格反射镜(DBR)的谐振腔发光二极管。该器件以位于p-GaN层上表面的金属p电极作为顶部反射镜，在悬空氮化镓薄膜下表面沉积高反射DBR作为底部反射镜。该DBR由6对SiO2/Ta2O5组成，在450nm波长处的反射率约为95.1%。实验结果和模拟结果均表明，金属反射镜、氮化镓薄膜及DBR构成的垂直谐振腔对器件的底部出射光形成了有效调控，验证了在发光二极管的悬空氮化镓薄膜底部沉积DBR获得垂直谐振腔器件的可行性。三是在上述垂直谐振腔器件的研究基础上，优化了谐振腔结构，分别在p-GaN层上表面和悬空氮化镓薄膜下表面沉积了8.5对和7.5对TiO2/SiO2组成的DBR作为顶部反射镜和底部反射镜，避免了金属反射镜对出射光的吸收。顶部反射镜和底部反射镜的峰值反射率分别为99.4%和92.7%。实验证明，相比非谐振发光二极管，该谐振腔器件的电致发光光谱半高宽更窄、光谱强度更高。使用该器件作为光信号发射端的自由空间可见光通信系统实现了高达200Mbps的数据传输，表明该谐振腔发光二极管具备十分优异的通信性能。
　　然后探索了芯片内的平面可见光通信，主要包括四种通信芯片：一是集成悬空氮化镓直波导的可见光通信芯片。该芯片包含三个相同结构的薄膜量子阱二极管，悬空直波导用于实现量子阱二极管之间的光信号耦合。基于量子阱二极管光出射和光探测共存的物理机制，实现了一对一和一对多的芯片内可见光通信。实验证明，在1Mbps速率下进行芯片内数据通信时，眼图清晰可见，基于该芯片还实现了一对二的高质量实时音频数据传输。二是在直波导可见光通信芯片的基础上，优化了器件结构，制备了集成悬空氮化镓弯曲波导的可见光通信芯片。该芯片包含两个薄膜量子阱二极管，分别用于发送和接收可见光信号，其中发射端和输入波导相连接，接收端和探测波导相连接。实验和模拟结果均证明，悬空氮化镓弯曲波导能够有效传导可见光信号。相比直波导可见光通信芯片，该芯片中发射端和接收端有源区的有效尺寸大大缩小，降低了器件的电容及片内通信系统的RC常数，大幅度提高了芯片的响应速度，基于该芯片实现了速率为70Mbps的芯片内可见光数据传输。三是全双工可见光通信芯片。外延结构中的波导层和包覆层能够有效地将有源层电致发光产生的大量光子限制在器件内部，所以无需剥离硅衬底，简化了制备工艺。量子阱二极管电致发光光谱与光响应谱部分重叠的物理现象，以及器件光出射和光响应共存的物理机制为全双工可见光通信芯片的研制提供了物理基础。该芯片集成了两个波导型量子阱二极管，通过自由空间进行可见光信号传输。实验证明，该芯片可以实现同时同频全双工可见光通信，采用自干扰消除法提取叠加信号中的发送和接收信号，引入中值滤波器进一步消除接收信号中的噪声，提升通信质量。此外，基于该芯片，还实现了实时的全双工音频信号传输，为芯片内的并行数据通信开辟了一条新的途径。四是光子计算原型芯片。该芯片集成了两个共基极的光致晶体管，发射极和基极之间通过悬空氮化镓波导进行光信号耦合。实验证明，两个发射极发出的不同光信号经波导传输后，可以在集电极形成一个叠加信号，并验证了代表00、01、10、11四种状态的叠加信号组合，为复杂光子计算芯片的进一步研制提供了研究基础。