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随着互联网和移动通信技术的迅速发展，声音、图像和视频等丰富的信息数据遍及到了人们生活的每一个角落。人们对宽带的需求快速增长，高速率、大容量、高频谱效率的通信成为下一代通信网络的发展趋势。目前，100G光传输网已经在全球范围内全面开始普及，400G光传输也逐步走向商用。为了不断提升光网络的传输容量，密集波分复用技术、光时分复用技术、偏振复用技术等得到了广泛的研究。此外，随着编码调制技术和数字信号处理技术的发展，相干光通信系统因为具有高的频谱效率、大的容错能力，已经成为目前高速光通信系统的主要技术。随着通信技术的进一步发展，单模光纤的带宽不断提升，并逐步靠近极限，为了获得更高的通信容量，模式复用技术开始获得研究者的广泛关注。 本论文围绕相干光通信接收端核心器件——平衡探测器展开，研究了平衡探测器的工作原理，重点针对1.55μm波段InP基单片集成平衡探测器进行了仿真设计、工艺开发、性能测试研究。设计开发了两种探测器与无源波导的集成技术，包括非对称双波导集成技术和共下波导准对接集成技术。完成了基于这两种集成方案的单片集成平衡探测器芯片的制备与测试。此外，本论文还研究了基于平衡探测器的高质量混沌信号产生、应用以及可用于模分复用系统的InP基模式转换器的设计制备。 本论文主要的研究工作和创新内容如下: 1.仿真设计并实验制备了两种集成波导的单行载流子传输探测器(UTC-PD)——共下波导型UTC-PD和倏逝波耦合型UTC-PD。利用三维波束传播方法(3D-BPM)分别对这两种UT℃-PD的外延层结构进行了优化，以提高光场传输效率、响应度和饱和特性。仿真得到共下波导型UTC-PD的外量子效率为63％;倏逝波耦合型UTC-PD的外量子效率为83.3％。实验中，所制备的共下波导型UTC-PD的响应度可以达到0.525A/W;非对称双波导型UTC-PD的响应度可以达到0.68A/W。 2.设计并实验制备了两种不同集成方式的单片集成平衡探测器——准对接集成方案和非对称双波导集成方案，实现了UTC-PD和MMI型3dB光耦合器的单片集成。采用3D-BPM算法设计优化了两种不同波导类型（浅脊波导和稀释波导）的2×2MMI型3dB耦合器。其长度容差分别为12μm和17μm，插入损耗＜0.5dB，分光不平衡度＜0.02dB，可保证单片集成平衡探测器两通道的均衡性。设计了准对接集成方案和非对称双波导集成方案的外延结构和整体工艺流程，实验制备的单片集成平衡探测器在C波段范围内不平衡度分别为1.2dB和0.5dB。 3.仿真优化并制备了少模通信用模式转换器，可以实现C-band的基模与一阶模的切换，并首次验证了波导TE0和TE1模式对于光纤模式LP01和LP11的激发效果，为单片集成少模发射器芯片提供了设计思路。 4.研究了基于集成外腔混沌激光器的光时域反射计，完成了长距离47km的mm级分辨率的光纤断点检测。 5.研究了基于平衡探测器的高质量混沌激光，其混沌信号得到了明显的带宽展宽和优化，并实现了480Gbit/s高速物理随机数的提取。