可调谐半导体激光器可以根据需要调谐输出波长而且具有纳秒级的波长调谐速度,在光纤通信系统以及现代光网络中发挥着重要的作用。多段式可调谐半导体激光器具有较大的波长调谐范围,并且兼顾了体积小,纳秒级的波长调谐速度以及易于单片集成等优点,是目前备受关注的可调谐半导体激光器的解决方案。本文主要研究了两类多段式可调谐半导体激光器:三段式分布布拉格反射（DBR）半导体激光器以及四段式取样光栅分布布拉格反射（SGDBR）半导体激光器。本文的主要工作如下:（1）采用商用半导体激光器仿真软件PICS3D建立了三段式DBR半导体激光器仿真模型。三段式DBR半导体激光器由有源区,相位区以及Bragg光栅区三段组成,本文分别对这三个区域进行设计得到一套完整的三段式DBR半导体激光器的结构以及材料参数。接着通过理论分析了弛豫谐振频率Ω和阻尼因子对激光器的直接调制带宽特性的影响,并就脊波导的宽度以及上波导层的厚度两个结构参数对激光器的直接调制带宽特性进行了优化设计,使得三段式DBR半导体激光器的直接调制带宽提高了大约2.2GHz。（2）通过Matlab软件编程实现了适用于四段式SGDBR半导体激光器的时域动态模型,并对四段式SGDBR半导体激光器的主要性能进行了仿真分析。接着利用多反射谱包络级联技术设计了一组数字级联取样光栅,获得了平坦的梳状反射谱,并用数字级联取样光栅代替四段式SGDBR半导体激光器中的前后节取样光栅,进而优化四段式SGDBR半导体激光器的阈值电流特性。通过时域动态模型仿真发现数字级联取样光栅激光器的阈值电流随着波长的漂移仅有3m A,相对于四段式SGDBR半导体激光器的20m A明显减小,验证了通过将四段式SGDBR半导体激光器的取样光栅替换成数字级联取样光栅可以有效的改善激光器的阈值电流特性。（3）四段式SGDBR半导体激光器最主要的功能是可以根据需求改变前后节取样光栅的注入电流,进而改变激光器的输出波长,因此需要知道SGDBR激光器的目标输出波长对应的前后节光栅的注入电流。目前研究人员主要利用Lab VIEW软件设计SGDBR激光器的波长扫描控制系统,生成激光器的“电流-波长”数据查询表。这种方法找到电流与波长的关系耗费非常多的时间和成本。本文提出了一种基于神经网络的四段式SGDBR半导体激光器的波长调谐方法,对于不同光栅耦合系数的SGDBR激光器,都可以快速获得目标波长对应的前后节光栅电流。该方法使用遗传算法结合神经网络逆向寻找目标波长对应的前后节光栅电流,平均利用遗传算法找到一个目标波长对应的前后节光栅电流只需不到1秒的时间,而且误差小于0.5nm,该误差完全可以通过改变相位区的注入电流对输出波长的进行微调来弥补。