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随着高速光通信和高精度固态激光雷达等应用的发展,对半导体激光器窄线宽、低噪声和高速直调等提出较高要求。窄线宽半导体激光器作为一种理想光源,具有体积小、低功耗和寿命长优势。围绕窄线宽激光器技术,目前主要包括内腔光反馈窄线宽技术和外腔光反馈窄线宽技术。其中内腔技术集中于优化分布反馈激光器（Distributed Feedback Lasers,DFB）,外腔技术主要包括分立元件组成的外腔激光器和波导型外腔激光器。本文围绕窄线宽半导体激光器的设计、性能优化和仿真建模展开数值研究。从器件物理过程中分析影响光谱线宽的诸多因素,通过数值模型优化新型结构达到光谱窄线宽性能。论文主要包括以下内容:（1）设计 Moiré 光栅分布反馈激光器（Distributed Feedback Moiré-grating Lasers,DFM）。对腔内纵向空间烧孔效应（Longitudinal Spectral Hole Burning,LSHB）的抑制展开研究。分析Moiré光栅分布反馈激光器性能,推导了器件仿真使用的一维行波模型。讨论Moiré光栅结构参数、光栅耦合系数对LSHB的影响。仿真结果表明较大的光栅耦合系数造成LSHB劣化和光谱展宽,长腔更有利于压窄线宽。模拟κL=2.5,L=250 μm腔长DFM激光器线宽为342.3 kHz,大信号直接调制速度为25 Gb/s,而相同注入和耦合强度下DFB线宽是574 kHz。扩展DFM腔长到400μm线宽进一步压窄到199 kHz。Moiré光栅结构能够有效抑制LSHB从而实现光谱窄线宽。（2）设计切趾侧向耦合表面光栅分布反馈激光器（Distributed Feedback Apodized-grating Lasers,AG-DFB）。使用传输矩阵结合行波方程推导适配的物理模型,通过优化设计切趾光栅实现对LSHB的抑制,并与传统λ/4相移光栅DFB对比分析不同腔长、端面镀膜等设计条件下LSHB对光谱线宽的影响。优化切趾光栅耦合系数变化范围和切趾长度,通过求解激光器横截面光场有效折射率,确定切趾光栅宽度和刻蚀深度等结构参数。仿真结果表明400 μm腔长AG-DFB光谱线宽为248 kHz,直调速度为30Gb/s,1mm腔长AG-DFB光谱线宽压窄为99.2 kHz。（3）设计硅基异质集成窄线宽可调外腔激光器和自脉冲输出激光器。首先介绍窄线宽可调外腔激光器。根据线宽与腔长的关系Δv ∝ 1/L3,借助外腔激光器有效腔长优势能够很大程度减小线宽。设计了微环异质集成外腔结构,使用两个微环级联形成游标效应选择单模,利用无源波导热光效应实现波长调谐。结合所提出的数字滤波器一维行波模型,计算激光器L-I曲线、光谱线宽、可调谐光谱。仿真结果表明波长调谐范围11 nm,光谱线宽达到62.3 kHz。在硅基异质集成方面,给出Ⅲ-Ⅴ/Si高耦合效率的Taper设计,分析粘结键合层厚度、Ⅲ-Ⅴ/Si对接精度与耦合效率的影响。然后,利用石墨烯较高的非线性系数和饱和吸收特性,设计自脉冲输出外腔激光器。在激光器右端面的微环和直波导耦合区引入部分反射单元,形成Fano共振,结合微环波导上覆盖的石墨烯构成无源Q开关,实现自脉冲光谱输出。分析了 III-V有源区粘结键合到硅波导的异质集成结构。优化设计部分反射单元得到了窄线宽Fano反射谱,使用速率方程计算了自脉冲激光器光场分布、载流子分布、输出光谱和光脉冲。随着注入电流从12 mA增加到20 mA,脉冲重复率从1 GHz上升到3.12 GHz。综上所述,本文的创新点主要总结为以下方面:首先提出一种改进后的传输矩阵一维行波模型算法。该模型用以仿真计算复杂结构的分布反馈激光器,包括多种折射率分布的布拉格光栅、分布耦合系数光栅等新型反馈机制,另外也能模拟HR-AR镀膜均匀光栅DFB和AR-AR镀膜λ/4相移光栅DFB等。能够准确得到激光器一维光子分布、载流子分布、L-I曲线、激射光谱、光谱线宽、小信号频率响应和大信号动态调制等,为激光器设计提供优化工具。然后使用改进的算法设计优化了 Moiré光栅分布反馈激光器和切趾光栅分布反馈激光器。两种新结构相对于普通DFB能够很大程度的抑制LSHB效应,实现压窄光谱线宽和高速直调,满足光通信和激光雷达等对高性能DFB激光器的迫切要求。最后计算波长可调谐窄线宽外腔激光器和自脉冲输出硅基集成激光器。结合数字滤波器行波模型设计可调谐窄线宽激光器结构。使用动力学方程描述自脉冲激光器的波导,-谐振腔耦合系统,并研究模型应用过程中多参数提取的拟合方法。