在信息技术发展日新月异的今天,大数据和云计算等新兴技术对于数据中心的性能产生了更高的需求。目前大型科技公司、银行、运营商等,在新业务的驱动下,对于计算资源的需求越来越高,计算集群的规模也有较大幅度的增长。机架内、机架间与数据中心间流量需求增长也很迅速。因此,传统的电互联技术由于其较高的能耗、较低的带宽与较短的传输距离等缺陷而正在被光互联技术所替代。目前,在光互联技术收发端口所使用的解决方案中,其模组依然由分立的发送模块与接收模块组成,集成度相对较低。如果可以实现激光器与光探测器的垂直集成,那么就可以增加模块的集成度,减小封装复杂度。但是由于在器件设计和工艺上存在一定难度,目前各个研究小组在垂直集成方案上研究较少。本文提出了一种基于垂直腔面发射激光器与光探测器垂直集成的单纤双向光互联方案,解决了在激光器与光探测器之间的光学解耦与电学隔离问题,在芯片同一端面上,且在同一直线光路上(垂直于该端面)实现了双工信号光的出射和入射,这不仅大大提高了光互联模组的集成度,而且降低了模组封装的复杂性,从而在提升模组性能的同时降低了成本。本文主要研究内容与创新点如下:1.基于薄膜光学相关理论,根据集成芯片的设计需求,提出并优化了一种新型的介质膜反射镜,具有腔内DBR的结构特性,同步实现了在探测器工作波长处的低反射率和在激光器工作波长处的高反射率。作为集成收发一体芯片的组成部分,此反射镜对激光器与光探测器的光学解耦具有重要的作用。2.基于上述新型介质膜反射镜的设计需求,提出了一种反射谱优化设计方法。此方法可以简化反射镜结构,提高工艺可实现性,并减小集成芯片设计的复杂度。3.利用新型介质膜反射镜提出并优化了一种新型集成芯片光学解耦结构,在保证激光器最佳工作条件的基础上,通过隔离腔补偿了光探测器的等效顶镜在λRCE-PD处的低反射率,使得其反射率符合谐振腔增强型光探测器的最佳吸收量子效率条件。这一技术保障了集成芯片光学解耦特性的实现,也为以后垂直集成多腔器件的复合光模式解耦优化提供了新思路。4.提出了一种基于激光器与光探测器垂直集成结构的光电收发芯片,并通过仿真对其性能进行了验证。集成芯片可以同步完成光信号的同轴收发。激光器的激射波长为850nm,阈值电流为1.2mA,斜率效率为0.66W/A,光探测器的响应波长为810nm,量子效率为90.24%,半峰值线宽7nm。高速工作状态下,激光器的小信号调制带宽为3GHz,光探测器的3dB响应带宽为27GHz。5.设计了一种应用于集成芯片单元器件间的电隔离结构。通过仿真,验证了此结构在100GHz带宽内可以获得良好的电隔离性能。6.针对集成芯片的实现,提出并优化了集成芯片的工艺实现流程,并基于实验室工艺条件对其关键工艺进行了实验研究。对于Si02膜溅射工艺,溅射速率1.36A/s,均匀性小于4%;对于GaAs材料ICP刻蚀工艺,开发了 Cl2/Ar/O2刻蚀工艺,刻蚀速率可以在6nm～65nm/min之间调整并精确控制,刻蚀表面不受刻蚀影响;对于SiO2的RIE刻蚀工艺,刻蚀速率为28nm/min,与光刻胶选择比为3:1。