随着云计算、高清视频、虚拟现实等宽带多媒体接入业务以及数据通信业务的飞速发展,通信系统对带宽升级的需求与日俱增。小型化、低成本、高性能的半导体光源器件成为下一代高速光通信网络中器件的主要发展趋势。由于折射率耦合分布反馈(IC-DFB)激光器具有良好的单模特性,能够保证信号在光纤链路中稳定的传输,是目前光纤通信系统中的一种常用光源。然而,其工作特性受外部反馈光的影响较大。此外,直接调制IC-DFB激光器的另一个主要问题是伴随着幅度调制的寄生频率啁啾。当激光器工作在C波段时,由于标准单模光纤(SSMF)在该波段存在较大色散,寄生频率啁啾使得激光器的传纤特性受到很大限制。为了分别解决上述两个问题,本文分别提出了两种基于窄带带通滤波结构的新型单模激光器,即:一种对外部反馈光不敏感的基于双失谐光栅滤波结构的单模激光器,以及一种基于谐振隧穿滤波结构的可单片集成高速调制啁啾管理激光器(CML)。此外,本文还提出了一种高效的基于非线性载流子近似的激光器仿真算法,可用于对空间烧孔效应显著的激光器进行仿真。本文的具体研究内容及创新点如下:1.提出了一种高效的基于非线性载流子近似的激光器仿真算法,并建立了完整的包括激光器及所提出的滤波器结构的理论模型,具体包括:(1)采用半导体激光器的速率方程模型对激光器的阈值、小信号以及啁啾等特性进行了解析推导及理论分析;(2)建立了仿真半导体激光器的一维时域行波和驻波模型。相较于速率方程模型,其可以清晰地描述激光器腔内光场通过光栅结构或激光器端面所形成的相互耦合以及光场与波导介质(例如:增益、损耗以及非线性等特性)之间的相互作用。通过时域分步交替算法可以对该时域行波模型进行数值求解;(3)建立了任意入射角度的传输矩阵法(TMM),用来计算本文所提出的带通滤波结构的透射谱和反射谱。(4)采用了非递归有限冲激响应(FIR)数字滤波器算法,用来在时域中联合仿真有源激光器区和无源带通滤波器区;2.提出了一种双失谐光栅带通滤波器的结构,并将其插入传统FP激光器中,以实现对外部反馈光不敏感的新型单模FP激光器。利用任意入射角度TMM研究了光栅结构参数对双失谐光栅区所形成透射谱带通特性的影响并进行了优化设计。利用一维时域行波模型以及FIR数字滤波器技术对倾斜双失谐光栅单模FP激光器进行了模拟。仿真结果表明该单模激光器可实现稳定的单模工作,边模抑制比(SMSR)可以达到50 d B;相对于传统的IC-DFB激光器,该单模FP激光器对外部反馈光表现出低敏感的特性。3.提出了一种基于谐振隧穿效应的倾斜双槽带通滤波器结构,利用其特有的极窄带宽带通透射谱作为光学整形滤波器(OSR)单元,以实现可单片集成的高速啁啾管理激光器。利用任意入射角度TMM方法对倾斜双槽结构所形成带通透射谱进行优化设计。利用一维时域行波模型以及傅里叶变换技术对该1550 nm波段的25Gb/s单片集成啁啾管理激光器进行了优化设计。仿真结果表明该器件在SSMF中可以实现超过22 km的无中继传输,因此有潜力应用于下一代高速接入网系统,例如25G EPON。