在目前大数据、云计算、5G通信网络等高速通信应用服务的驱动下,数据网中的信息承载量以及传输速率不断向高速率和超大容量攀升。数据中心作为互联网应用处理和计算中的重要载体,其数据传输正在面临着向更大带宽和更快速率升级,但传统的电互连因其自身缺点的限制,很难满足当今数据中心的高速数据传输需求,因而为光互连带来了巨大的机遇。光纤通信技术由于其长距离、大承载容量和高速率等优势,成为了数据中心互连方案中的重要发展方向。随着近年来数据中心的大规模部署,其内部的光互连架构正相继从25Gbps/40Gbps向100Gbps/400Gbps等更高速率架构发展,这推动了数据中心光模块向高速率迭代。而作为光模块中的核心器件,光电探测器承担着将传输而来的光信号转换为电信号的关键作用,因此研究具有高响应速度和高量子效率的光电探测器,对光模块的高速数据传输和数据中心建设具有重要价值。PIN光探测器具有结构简单、适合大规模生产和集成等特点,被广泛应用于目前的光纤通信系统中,但是其结构中存在带宽和量子效率之间固有的矛盾,使得PIN光探测器很难兼顾高响应速度和高量子效率。因此为了解决这些问题,本文对PIN光探测器结构进行优化设计和理论分析,使其能够有效满足数据中心高速数据传输要求,同时又可以兼具高响应度的特性。本论文主要研究成果和创新如下:1.基于掺杂优化设计了一种部分耗尽吸收结构的高速、高响应度光探测器。针对传统光探测器的矛盾,在部分耗尽吸收光探测(PDA)的非耗尽吸收区内,采用高斯掺杂形成掺杂浓度梯度以引入电场,使光生电子在电场作用下可较快速地漂移入耗尽区。并且增加了漂移增强层,可以平衡器件中的电子和空穴漂移时间,同时亦可相应减小器件的结电容,以获得较高的响应速度。另外为了减小RC时间效应,仿真优化器件的各外延层结构和台面尺寸,以减小结电容。最后经过优化所获得的器件,台面直径为2μm时,其带宽在-3V偏压下可达34.5GHz,量子效率在1310nm处可达67%。2.提出了一种集成微透镜的双耗尽层(DDR)光探测器,该光探测器通过在InP衬底上集成透镜来提升器件与单模光纤的耦合效率。透镜的会聚作用又有利于缩小器件的台面尺寸,以减小光探测器的结电容,从而可以缓解RC时间常数对带宽的影响。通过对透镜的设计和仿真,研究分析了微透镜的在不同入射光下的会聚能力以及会聚时的光场分布情况。透镜尺寸选择为直径120μm,拱高12μm,集成该微透镜的光探测器,在器件台面尺寸为15μm时,带宽可达40.25GHz。3.提出了集成透镜的反射增强型蘑菇结构光探测器。理论分析了透镜的反射会聚能力,确定了该反射镜的尺寸参数和焦距,以及相应的衬底厚度。推导出了该透镜的量子效率公式,研究表明微透镜的引入可明显提高器件的量子效率。台面直径为30μm,中间吸收层直径为16μm的蘑菇型光探测器,-3V偏压下的3dB带宽为40.9GHz,1310nm波长下的量子效率为59.8%,相同条件下,无反射镜光探测器的量子效率不足20%。4.探索了制备集成微透镜的关键工艺方法,利用光刻热熔法在基片上形成透镜形的光刻胶胶型,得到了实现透镜图案的关键工艺参数。在实验过程中考虑到曝光量和显影时间对光刻出的透镜图案形貌的影响,通过进行对比实验,控制相关变量,并对实验结果进行分析,摸索出了制备微透镜的工艺流程和相关参数。