在科学技术迅猛发展的现代社会中，大量的信息和数据交换需要一个高速、宽带的通信系统。光纤通信凭借其频带宽、损耗低、免电磁干扰、高可靠性等优点，满足了信息高速长距离传输的要求，使它成为大类迈入信息社会的基石。光接收机作为光纤通信系统关键部件随着光纤通信蓬勃发展日益受到广泛关注。然而目前使用的混合集成Ⅲ-Ⅴ族化合物材料接收机制作工艺复杂、价格昂贵，限制了其广泛应用，无法使光通信进入千家万户。基于硅基的接收机弥补了Ⅲ-Ⅴ族材料接收机难以单片集成、制作复杂、成本高等缺点。　　 本论文的第一部分即是针对高速CMOS光接收机，我们采用标准CMOS工艺来实现硅高速探测器和接收电路的单片集成，极大降低了高速光接收机的成本，有望在短距离光传输中得到应用，实现光纤入户的梦想。这一部分主要研究内容如下：　　 (1)研究了与硅基标准集成电路工艺兼容的探测器原理与结构，基于标准CMOS工艺设计了两种高速探测器——双光电探测器(DPD)和空间调制探测器(SML)。模拟和测试表明DPD工作速率可达1Gb/s，SML光电流响应速率在2 Gb/s以上。　　 (2)深入分析了跨阻前置放大器设计理论和方法，设计了一种调节型(RGC)跨阻放大器，测试结果表明-3dB带宽为913MHz，1 Gb/s眼图清晰可见。在此基础上，提出了一种新型零极点补偿跨阻前置放大器，量化推导了其性能参数，包括带宽、增益、噪声、灵敏度等。测试表明-3dB带宽能达到1.12GHz。　　 (3)设计了2.5 Gb/s四分一速率线性时钟恢复电路。基于SONETOC-48标准，通过推导得到了满足码型依赖、抖动容差、带宽约束、抖动峰值要求的环路特性参数。测试结果表明，环路能正确锁定，成功恢复出了四路正交625MHz时钟。　　 光互连在长距离的通信中己得到了广泛的应用，将光互连应用领域进一步推进到单颗芯片上，实现片上光互连以解决深亚微米片上电互连的瓶颂，同时减小光互连系统的尺寸到IC级尺寸，并且使其和标准CMOS工艺兼容是一个极大的挑战。本文的第二部分即是针对片上光互连开展的，具体研究内容如下：　　 (1)在标准CMOS工艺线上实现了光功率为31.2nW的LED，并且实现了显示阵列。　　 (2)首次提出利用标准CMOS工艺中多层金属间氧化物为光波导将片上发光二极管和探测器进行了互连。　　 (3)率先实现了单片集成LED、光波导、探测器、接收电路的光电子集成回路(OEIC)，具备了电输入、电输出、光发射、光接收的功能，首次实现了CMOS工艺芯片上光互连。