每一代通信技术的革命都伴随着用户数量和速率要求的爆发式增长,并带来巨大的社会经济效益。在这种时代背景下,光通信产业的发展也日益壮大,同时也对光通信器件提出了快速、经济、高容量和高灵活性的需求。波长调谐的高速直接调制半导体激光器即是一种有望满足以上要求的信号光源,一方面它具有波长可调的功能,可以适用于波分复用系统和多波长传输系统等;另一方面,它作为一种直接调制光源,可以满足接入网、数据中心等短距高速通信的需求。因此,这类成本相对较低却具有更高灵活性的光源正在获得更多的关注。本论文从波长调谐半导体激光器的理论出发,对波长调谐的三节分布式布拉格反射器（Distributed Bragg reflector,DBR）激光器的直接调制特性进行了研究;基于非对称非线性增益（Asymmetric nonlinear gain,ANG）和光子-光子谐振（Photon-photon resonance,PPR）效应,提出并设计了两种新颖的、波长调谐的高速直接调制半导体激光器;并对关键单元-等效相移（Equivalent phase shift,EPS）光栅进行了相关实验验证。本论文的主要研究内容如下:1)对波长调谐半导体激光器中的物理过程和调谐机理进行了研究,建立了适用于三节DBR激光器的仿真模型,包括静态传输线模型、速率方程模型和时域行波模型。对普通三节DBR半导体激光器的静态和动态特性进行了理论研究,并探讨了其直接调制带宽所受到的制约。2)基于多模速率方程模型,在不忽略次激射模的前提下重新梳理了非对称非线性增益项,对三节DBR激光器进行优化并引入非对称非线性增益,设计出ANG-DBR激光器。随后基于数值仿真,分析和讨论了非对称非线性增益对激光器静态特性和动态特性的影响。模拟结果表明:在非对称非线性增益的促进下,ANG-DBR激光器实现了27 GHz的直接调制带宽,并且同时保持了9 nm波长调谐范围。3)从理论上研究了普通三节DBR激光器中的PPR效应对直接调制带宽的拓展作用和受到的限制,提出采用可控等效相移光栅来更好地引入和维持PPR效应。由此设计出一种新颖的基于等效相移光栅和PPR效应的波长调谐EPS-PPR-DBR激光器,并利用时域行波模型等方法对该器件进行了全面的数值仿真分析。模拟结果表明,通过利用可控等效相移光栅在反射谱主瓣上形成的凹槽,可成功地引入PPR效应并使其保持稳定,从而使EPS-PPR-DBR激光器直接调制性能得以提升,直接调制带宽达到40 GHz,并得到质量良好的40 Gbps的直接调制眼图和较低的10 km标准单模光纤传输的误码率。与此同时,EPS-PPR-DBR激光器保持了7 nm波长调谐范围。4)针对EPS-PPR-DBR激光器中的关键单元-可控等效相移光栅进行了实验验证。将侧向支撑悬空波导结构与等效相移光栅结合,完成了等效相移光栅的仿真优化、设计以及制备、测试和分析。实验结果表明,这种光栅可以通过常规微纳加工工艺制备,并可以为引入PPR效应提供所需要的特殊形状的光栅反射谱和相移变化范围,而侧向支撑悬空波导结构极大地提高了等效相移光栅的热调谐效率。实验结果为后续EPS-PPR-DBR激光器的制作提供了初步的可行性验证。