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光通信网络的蓬勃发展依赖于两大核心技术的突破，一是光传输技术，另一个是光交换技术。在光传输领域，单片集成的高性能光发射芯片是低成本、低功耗以及超高速数据传输领域最前沿、最具有竞争力的核心芯片;而在光交换领域，光交换技术将从光-电-光交换向全光方向转变，此时基于光子芯片的全光信号处理显得尤其重要。全光信号处理技术，如波长转换、逻辑门以及包括时钟提取在内的3R再生将是实现全光交换技术的基本功能单元。 本论文详细地阐述了单片光发射芯片的研制以及光信号处理研究两方面的内容。研究了高速直调波长可调谐DBR激光器的制作技术，研究了波长可调谐的窄线宽光源的实现技术，研究了基于反馈腔激光器的直调带宽扩展技术，研究了低阈值远场特性好的掩埋脊条激光器的制备技术，研究了基于非对称波导结构的大功率激光器的制备技术。进一步，研究了基于双波长激光器的全光时钟提取技术，研究了基于SOA-DBR单片集成器件的全光光判决技术。论文取得的创新性研究成果包含以下几个方面: (1)利用优化的对接材料(InGaAsP，λg=1.44μm)和对接角度(45°)以及短腔长方法(600μm)，制备了直调带宽＞13 GHz，波长调谐范围＞12 nm的两段式DBR激光器。获得了10 Gb/s清晰的背靠背眼图，动态消光比＞5 dB。输入1-dB压缩点和三阶交调截取点分别为19.5 dBm@5 GHz，32 dBm@5 GHz。 (2)提出一种利用外部光纤环实现线宽压缩的结构，成功将DBR激光器的线宽从12.5 MHz压缩至3.2 kHz，压缩比为3900倍。在DBR激光器12nm的波长调谐范围内获得了＜10 kHz的窄线宽。 (3)提出并利用放大反馈激光器(AFL)的光-光振荡(PPR)效应来扩展DFB激光器的直调带宽。理论仿真和实验均实现了将DFB激光器的直调带宽从12 GHz扩展至27 GHz。 (4)研究了基于双波长激光器的全光时钟提取技术和光子微波产生技术。利用40GHz双波长间隔的AFL器件实现了40 Gbaud NRZ-QPSK信号的时钟提取，得到的时间抖动最低为363 fs。利用100 GHz频率间隔的双波长DBR激光器完成对100 Gb/s OOK信号的全光时钟提取，得到的时间抖动＜680 fs。实验研究了色散恶化、信噪比恶化、以及长距离光纤传输恶化对时钟提取质量的影响。利用电注入锁定双波长AFL器件实现了高质量(相躁为-77.8 dBc/Hz@10 kHz)、宽调谐(15 GHz至33 GHz)、低驱动功率(3dBm)的光生微波。 (5)提出了一种基于SOA与DBR-LD单片集成芯片的全光判决门。实验测试得到了高“开-关”比、输入输出波长可调谐的光判决曲线。仿真实现了消光比提高了的NOT逻辑门:对于1.25 Gb/s的输入信号，输出信号的消光比提高了28 dB;对于10 Gb/s的输入信号，输出信号的消光比提高了6 dB。另外对于2.5 Gb/s的两个输入信号，输出信号实现了NAND逻辑门以及NOR逻辑门，并且输出信号的消光比分别提高了24 dB和20 dB。