提出一种SOI基的新型隧穿场效应晶体管（TFET）探测器结构，将光电二极管与TFET结合，实现光信号的探测放大.光电二极管的正极与TFET的栅极互连，感光后光电二极管的光生电势调控TFET的沟道势垒，控制TFET的输出电流，实现光信号到电流信号的转化.陡峭的亚阈值摆幅能有效放大输出电流，提高TFET探测器的响应度.应用SILVACO完成探测器结构和性能的模拟仿真.光电二极管的光生电势通过较薄的BOX区形成了TFET的底部栅压，增强了对沟道势垒的控制能力，增大了输出电流，结果表明，探测器对弱光具有较高的响应度，当入射光强小于10 mW/cm²时，响应度可超过10⁴ A/W.此外，通过调整光电二极管的反偏电压、在源区与沟道间插入n⁺口袋等方法可显著提高探测器的输出电流和响应度.

在室内可见光通信系统中,为保证处于室内不同方位的多个用户均能够获得良好的通信质量,即改善接收平面接收光功率分布均匀性,提出一种基于改进蚁群算法的功率优化方法,将一维路径优化问题转化为三维,提高了运算效率;把接收平面最大功率与最小功率之差作为待优化的目标函数,并添加约束条件,避免了优化后平均光功率过低以及人工筛选带来的不确定性。仿真结果表明,该方法进一步降低了光功率的偏移量,并保证了通信环境的稳定性。

针对可见光通信对硅基光电探测器高响应度的要求，本文利用亚波长金属光栅的异常光学透射现象，提出一种增强与硅基CMOS工艺兼容的金属-半导体-金属光电探测器吸收的方法。采用时域有限差分法，详细分析了光栅周期、光栅高度和狭缝宽度对探测器吸收性能的影响，证明了类法布里-珀罗共振和表面等离子体激元是吸收增强的物理起源。对于波长615 nm的红光通信而言，探测器金属光栅的最佳周期、最佳高度和最佳狭缝宽度分别为580，91，360 nm。与没有亚波长金属光栅结构的探测器相比，本文设计的探测器吸收系数提高了32%。本文研究的MSM探测器结构与CMOS工艺完全兼容，有望在可见光通信芯片中得到实际应用。

基于深亚微米CMOS工艺, 设计了一种采用非接触式P阱保护环来抑制边缘击穿的单光子雪崩二极管结构.采用器件仿真软件Silvaco Atlas分析了保护环间距对器件的电场分布和雪崩触发概率等特性的影响, 结合物理模型计算了所设计器件的暗计数概率和光子探测效率.仿真和计算结果表明, 保护环间距d=0.6 μm时器件性能最优, 此时击穿电压为13.5 V, 暗电流为10－11A.在过偏压为2.5 V时, 门控模式下的暗计数概率仅为0.38%, 器件在400~700 nm之间具有良好的光学响应, 500 nm时的峰值探测效率可达39%.

基于UMC 0.18μm CMOS工艺，提出一种适合紫外/蓝光探测的探测器，该器件由栅体互联的NMOS晶体管和横向/纵向光电二极管构成.其中，浅结的光电二极管由UMC工艺中Twell层（浅P阱）和Nwell层形成，以增强其对紫外/蓝光的吸收，栅体互联的NMOS晶体管可以放大光电流，提高探测器的灵敏度和动态范围.仿真结果表明，本文设计的紫外/蓝光探测器具有低的工作电压和暗电流，对300~550 nm波长范围的光具有高的响应度和宽的动态范围.在弱光条件下（光强小于1 μW/cm2），响应度优于105 A/W，随着光强增大，响应度逐渐降低，但总体仍超过103 A/W.

为了研究量子阱结构对半导体环形激光器阈值电流的影响,从F-P腔激光器的振荡条件出发,分析了半导体环形激光器的阈值电流密度与量子阱结构参量的函数关系,并推导出最佳量子阱数的表达式.利用器件仿真软件ATLAS建立环形激光器的等效模型,仿真、分析了不同工作温度下,量子阱数、阱厚及势垒厚度对阈值电流的影响.结果表明,阈值电流随量子阱数和阱厚的增加先减小后增大,存在一组最佳值;在确定合适的量子阱数和阱厚后,相对较窄的势垒厚度有助于进一步降低阈值电流;采用GaAs/AlGaAs材料体系和器件结构,其最佳量子阱结构参量为M=3,dw=20nm及db=10nm.

基于标准CMOS工艺的p+源/漏区和n阱, 设计了两种楔形瓣状结构的正向注入型硅基发光二极管(Si-LED), 采用UMC 0.18 μm 1P6M CMOS工艺设计制备。测试结果表明, 正向注入型p+/n-well二极管的发射波长位于近红外波段, 峰值波长在1 130 nm附近, 且工作电压小于2 V, 与标准CMOS电路兼容。其中, 八瓣结构的Si-LED (TS2)在200 mA时的发光功率可达1 200 nW, 且未出现饱和, 而注入电流为40 mA时的最大功率转换效率达5.8×10-6, 约为四瓣结构器件(TS1)的2倍。所研制的Si-LED具有工作电压低、转换效率高等优点, 有望在光互连领域得到应用。

基于UMC 0.18μm CMOS工艺, 设计了一种2Gb/s传输速率的宽动态范围光接收机前端放大电路。采用对数放大器来增大接收机的输入动态范围, 前置放大器采用差分共源跨阻放大器, 并使用有源电感做负载来增大带宽。实验结果表明: 该接收机前端电路的增益为80dB, 3dB带宽为2.3GHz, 2.5Gb/s输出眼图良好, 输入动态范围为60dB(1μA～1mA)。

光子集成作为未来全光网络发展的必然趋势, 是实现高速光通信的重要解决方案。正如硅基集成电路的发展历程一样, 找到一种类似晶体管的基本集成单元, 并实现光子集成的大多数功能是目前光子集成技术中最迫切的问题。近年来, 由于半导体环形谐振器的功能多样性和可集成性, 使其最有可能成为光子集成的基本单元, 因而成为集成光子学、光通信和光信息处理领域的研究热点。文章在介绍半导体环形激光器工作原理和基本特性的基础上, 总结了InP基环形波导激光器在集成光源及光信息处理方面的应用和最新进展。

采用无锡华润上华(CSMC) 0.5 μm 标准CMOS工艺，设计并制备了一种新型的高发光功率载流子注入型三端Si-LED器件。该器件在p型衬底上进行n+掺杂，与p衬底形成两个相对的n+p结，其中一个结正向偏置，发出峰值波长在1 100 nm附近的红外光；另一个结同样正偏，作为注入结对发光进行调制。测试结果显示：第三端注入载流子明显增强了总体的发光功率，在10 mA偏置电流、3 V调制电压下，可获得1 nW的光功率，与单结相比提高了两个数量级。由于工作电压低，该器件可与目前主流的CMOS工艺共电源单芯片集成，在光电集成领域具有一定的应用前景。