在光通信飞速发展的今天，硅基光子集成芯片以其独特的优势发挥着重要的作用。硅基光电探测器作为连接光域和电域的桥梁，其带宽是限制系统通信容量的关键指标。此外，随着硅基光子学的不断发展，硅光集成系统的应用从最初的数字光传输延伸到模拟链路中，探测器的响应度、暗电流、饱和功率等其他指标也逐渐受到关注。然而，这些性能指标在器件设计上存在许多矛盾之处，很难同时兼顾。因此，如何针对性地优化硅基探测器，进而适用于不同应用场景，是一个非常重要的问题。目前，在硅基集成平台上实现光电探测的方法主要是引入与CMOS工艺兼容的外延锗层。为了便于大规模系统集成，硅基锗探测器的优化方案必须考虑工艺兼容性，这为优化设计带来了困难。
　　本论文的工作主要围绕硅基锗光电探测器的优化设计和系统应用展开，在前人相关理论基础上，对探测器中各种指标之间相互矛盾的机理进行了分析，在兼容常规工艺条件下，从光、电、热等多方面优化设计，分别实现了大带宽高响应度方案、高灵敏度方案、大带宽高功率方案等，并进一步在芯片间光互连和微波模拟链路中进行了系统应用。本论文的主要工作可以总结为以下几个方面：
　　(1)深入分析了硅基锗光电探测器的基础理论，建立了光学和电学仿真模型，对探测器的设计矛盾进行了总结和分析，随后以带宽和响应度的设计矛盾为例，提出了分段优化、逐步最优的一般设计思路。这一设计思路为后续的工作奠定了理论基础。
　　(2)针对输入光功率和带宽的矛盾，首次引入载流子加速技术来优化探测器内部空间电荷效应，并进行了实验验证。通过引入外部电场，缓解了探测器内部载流子分布不均匀的问题，有效降低了空间电荷效应，实现了器件在高输入光功率条件下大带宽的工作特性，在5dBm的输入光功率下测得器件带宽为23GHz。
　　(3)针对带宽和响应度的矛盾，提出并设计、制作了与CMOS工艺兼容的硅基锗雪崩光电探测器。将微环谐振的光学结构引入到硅基锗雪崩光电探测器中，在不需要附加工艺的条件下，实现了100GHz的增益带宽积。
　　(4)针对饱和输出功率和带宽之间的矛盾，提出了一种分布式吸收区结构，从理论模型上论证了最佳吸收区数目，并实验验证了带宽和饱和功率之间的矛盾改善。基于该思路，提出并验证了三种不同方案，即具有49GHz带宽的集总电极探测器、具有3.24dBm饱和射频功率的行波电极探测器和具有40dB共模抑制比的平衡探测器。上述三种方案都同时实现了大带宽和高饱和功率的性能，具备良好的应用前景。
　　(5)基于设计的硅基锗光电探测器，提出并验证了两种单片集成系统。这包括一种针对芯片间光互连的模式复用系统和一种针对微波光子学链路的并行微波信号处理系统。前者集成了包括8个大带宽探测器阵列在内的82个光电子器件，能实现384种数据交换，适用于高密度芯片间的光互连；后者将模式复用技术引入到集成微波光子学中，利用大带宽探测器实现了宽带可调谐滤波，为后续集成微波光子系统的发展提供了新思路。