本文阐述了作者在北京大学信息科学技术学院量子电子学实验室进行的一系列有关半导体光学行波放大器的理论和实验研究工作。其中以实验研究如何设计制作一台能够满足光学频率标准和超冷原子物理研究的半导体光学行波放大器为主要内容，辅以前期关于半导体光放大的理论推导与数值模拟和后期将制作完成的光放大器应用于实际研究工作当中得到实验结果和观察到的新现象。以上内容共同作为本人申请理学硕士学位的研究工作内容。 针对半导体光学行波放大器光放大的过程和特点，作者提出了一种全新的光放大器的光学机械结构，并将其实际加工完成，安装调试合格，应用于具体实验研究领域。这种全新的光学机械结构具有超精细调节(步长微米量级)、耦合透镜位置三维精密可调、高稳定度和快速散热等特点，适用于增益高、输出功率大、发热强的光学行波放大器。 为了保证光学行波放大器连续安全运行，作者专为光学行波放大器设计加工了大直流恒流电源，并且针对光放大器晶片的发热特性设计了满足高功率小体积散热要求的温度控制系统，这套系统具有高精度的大电流供给和快速准确的温度控制能力，短期稳定度高、长期工作漂移小、复现性良好，可保证光学行波放大器运行于高稳定状态。 在恒流电源和光学行波放大器整体性能的测试中，作者设计加工的恒流源和光放大器的各项指标均达到了设计要求：恒流源短期稳定度达到了10-5，长期工作电流漂移小于2×10-4，长期工作温度漂移小于10mK，开机温度和电流复现性良好；光学行波放大器对波长852nm附近的直流增益达到了18dB，对注入光具有很高的偏振选择性，长时间工作输出功率变化小于0.33％，经过放大的直流光与自身相干度为99.91％，在调制频率增加的同时相干度会相应降低。从对各项性能测试结果的比较中可见，作者自主设计加工的光学行波放大器已经达到或者超越了国际同类商用产品的性能。 本文还报道了国内首先进行的使用频率852nm附近的飞秒激光注入光学行波放大器，进行超短脉冲激光的放大和以及相干度测量的实验工作。作者得到飞秒激光注入相对放大率可以达到25dB，作者还将光放大器作为有效提高信噪比的工具，利用Mach-Zehnder干涉仪研究了由于光放大器带来的飞秒激光相干性的缺失，从实验结果中分析得到：由于光放大器带来的相干性缺失非常小，经过行波放大后的飞秒光与放大前光的拍频信号已经达到了频谱仪分辨极限，秒级稳定度可以达到优于10-15量级的水平。此实验工作为国内首个同类工作。作者还将光放大器应用于冷原子物理的研究工作当中，获得了铯原子的磁光阱。 作者还使用半导体能带理论和载流子传输特性方程仔细推导了光放大器工作过程中有源区内部的载流子浓度特性和总增益特性，通过对推导结果的数值模拟，得出了光学行波放大器总增益随着注入电流、注入光功率和有源区长度的变化规律，为光放大器的设计和使用提供了理论依据。