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信息时代爆炸性增长的网络数据量对光通信网络的传输容量、灵活性和动态性提出了新的需求。调谐半导体激光器作为一种波长可以快速灵活切换的光源器件,在未来的动态光网络中有着非常重要的应用前景。作为波分复用系统和全光交换网络中的关键器件,调谐半导体激光器越来越受到研究人员的关注。而随着基于波分复用技术的无源光网络WDM-PON(Wavelength-division multiplexing passive optical network)和基于时分和波分复用技术的无源光网络TWDM-PON(Time-and wavelength-division multiplexing passive optical network)在接入网中的发展和应用,低成本的高速可直接调制的调谐半导体激光器逐渐成为了研究热点。本论文从调谐半导体激光器的基础理论出发,对三节分布布拉格反射器(Three section distributed Bragg reflector,3s-DBR)激光器的直接调制特性进行了深入的分析和理论研究;进一步对可直接调制的3s-DBR激光器在5G移动前传网络(Mobile fronthaul,MFH)中的应用进行了研究;并基于3s-DBR激光器的结构特点提出了一种新型的啁啾管理调谐激光器。本论文的主要研究内容如下:(1)基于小信号模型和啁啾模型,对3s-DBR激光器直接调制特性进行了理论和实验研究,包括调制带宽以及频率啁啾特性。提出了一种基于激光器脉冲响应的调制响应的计算方法,通过对激光器时域输出的脉冲响应进行快速傅里叶变换得到频率响应曲线,有效地表征了激光器的小信号调制响应特性。进一步讨论了3s-DBR激光器的结构和材料参数对其调制带宽的影响,为实际器件设计和制作优化提供了一些指导。(2)通过实验研究了基于RoF-WDM-PON的移动前传网络,并验证了直接调制3s-DBR激光器在该网络系统中应用的可行性。一方面,采用WDM-PON的网络架构能够有效满足未来5G移动前端网络高带宽和超低延迟数据传输的需求;另一方面,在前传链路中采用光载无线(Radio over fiber,RoF)技术可以显著提高信号的传输容量和频谱效率。在实验中,对3s-DBR调谐激光器进行直接调制产生RoF信号,并研究了不同波长通道的多频带f-OFDM(filtered-OFDM)信号经过不同长度光纤的传输特性。实验结果验证了3s-DBR激光器具有直接调制产生多载波模拟格式信号的能力,并且其波长调谐性和动态性与高频谱效率的前传链路天生兼容,这将对支持未来光载移动通信至关重要。(3)从理论上研究了激光器直接调制过程中产生啁啾和光纤色散的相互作用对RoF信号传输的影响。通过理论计算,分别对激光器啁啾和光纤色散相互作用引起的RF信号功率衰减和复合二阶(Composite second order,CSO)失真进行了分析。针对直接调制3s-DBR激光器在基于RoF-WDM-PON的MFH中的应用,采用DBR型激光器啁啾补偿技术,通过在相位区施加与有源区反向的调制电流,使激光器啁啾从约30GHz下降到8GHz以下。传输模拟结果表明:经过啁啾补偿之后激光器啁啾明显降低,并且调制输出的RoF信号经过光纤传输之后的RF功率衰减和CSO失真得到有效的抑制,从而验证了该方案的有效性。(4)为了提高3s-DBR激光器的调制速率,提出了一种基于倾斜π相移光栅(Tiltedπphaseshift grating,TPSG)和DBR光栅级联的啁啾管理激光器——TPSG-DBR激光器。利用传输线理论模型和时域行波模型分别研究了该激光器静态和动态输出特性,模拟结果表明TPSG-DBR激光器利用级联光栅的失谐效应和光谱整形滤波器(Optical spectrum reshape,OSR)效应,能够在进行直接调制时获得高达25Gb/s的调制速率和6.2dB的消光比,频率啁啾也得到明显的抑制;传输模拟表明,TPSG-DBR激光器相对于普通的3s-DBR激光器来说,该激光器进行直接调制时输出光信号在光纤传输过程中的色散功率代价得到了明显减小。