随着光通信技术的迅速发展,高性能、多功能集成的光电子器件引起人们的广泛关注。Ⅲ-Ⅴ族半导体光探测器已经广泛应用于光通信系统中,其主要功能是实现光电转换。如何实现多功能集成的Ⅲ-Ⅴ半导体光探测器是光通信发展中需要解决的科学问题。近年来,硅基光子集成技术迅速发展,一些新型的微纳结构已经成为光子集成技术中的基本功能单元,比如微环谐振器、亚波长光栅。Ⅲ-Ⅴ/Si半导体材料的单片和混合集成技术也相应发展。硅基光子集成技术的发展,为实现Ⅲ-Ⅴ半导体光探测器的多功能化打开一扇窗户。如何利用Si基微纳功能结构来拓展Ⅲ-Ⅴ半导体光探测器的功能。本论文的研究工作以Si基微环谐振器和Si基亚波长光栅两个功能器件为基础,以实现长波长功能集成型光探测器为主要目标。重点开展微环谐振器和亚波长光栅的物理机理、器件设计仿真和集成Ⅲ-Ⅴ半导体光探测器工艺和测试研究。主要的创新点和研究成果如下：1.提出一种用于分析亚波长谐振光栅中Fano谐振现象的新模型。其核心思想是把亚波长光栅的反射光谱线型和光栅的结构联系起来,利用光栅的本征模式作为联系二者的桥梁。该模型计算出的Fano谐曲线在窄带范围内与严格耦合波算法计算的结果非常吻合。在此研究基础上,设计了一种高折射率差复合光栅结构来验证所提出的模型。2.研究了基于亚波长高折射率差单层光栅结构的带宽可调滤波器结构。发现如果光栅的结构尺寸满足一定约束条件时,该器件的透射光谱对光栅横截面形状变化不敏感。该滤波器的特点是可以通过调节光的入射角度来控制滤波器的带宽。理论研究表明随着入射角度的增加,该滤波器的带宽也相应增加,该器件在温度变化6K范围内,光谱线型变化不敏感。3.提出了利用亚波长光栅结构的光学谐振原理来调控石墨烯选择吸收光波的新方法。设计了一种基于多层亚波长光栅的石墨烯光吸收器结构。理论研究表明多层亚波长光栅的引入,使得石墨烯光吸收器的吸收光谱对入射光的角度具有选择性,随着入射光角度的增加,吸收峰位置向长波长方向漂移,吸收光谱的带宽也伴随着增加。4.实现了基于Si基谐振光栅的量子效率增强型光探测器。我们设计和制备了Si基谐振光栅结构,然后集成InGaAs光探测器。测试发现在1550nm波长附近的100nm带宽范围内,该光探测器对TE偏振光的量子效率比普通的InP/InGaAs探测器的量子效率提高了31.6%,光探测器的暗电流为27nA,3dB响应带宽在10GHz左右。5.成功制备了基于Si基谐振光栅的偏振选择光探测器。我们设计和制备了Si谐振光栅结构,该结构在宽光谱内具有偏振选择功能。此外,使用BCB键合工艺将Si基谐振光栅和InP/InGaAs光探测器集成。该器件在1550nm波长附近的100nm带宽内对TE和TM不同偏振光具有选择性。对TM偏振光量子效率在25%以上,对TE偏振光的其量子效率在2%左右,3dB响应带宽在9GHz左右。6.实现了基于Si基单微环的波长选择光波导探测器。我们设计和制备了Si基微环谐振器和InGaAsP光波导探测器的器件结构,然后在我们搭建的微组装平台上,使用BCB键合工艺实现两器件功能集成。该器件的自由光谱范围7nm,光谱线宽为4nm,在反向偏压3V时,光探测器的暗电流为250nA,在1555nm直通波长处,光探测器的响应度为0.002A/W。7.设计和仿真了基于Si基并联微环的平顶陡边响应光探测器。该探测器对输入光信号的波长漂移具有一定的容忍度。该探测器由硅基并联三微环谐振器构成滤波腔,倏逝波耦合光波导探测器作为光探测腔。通过仿真发现该探测器在1500nm波段范围内具有平顶陡边的光谱响应,光谱曲线的最大量子效率达到98%,3dB线宽为0.2nm,平坦度为0.56。