对于低维材料构成的半导体激光器,根据有源区结构的不同,可分为量子阱激光器、量子线激光器和量子点激光器（Quantum dot laser,QDL）。QDL是一种自组装生长的新型纳米结构激光器,它的有源层由一些分离的量子点构成,电子和空穴被三维地限制在几十个纳米尺度的半导体晶体中。由于载流子的三维量子限制,QDL表现出低的阈值电流密度、低相位噪声、低啁啾、弱的光反馈敏感性、高光束质量、高温度稳定性等优点。其有望在下一代光子集成电路、光互联、光信息处理、光子神经元等应用领域中取代传统的量子阱结构激光器。目前,通过改进的分子束外延生长技术已经实现了高密度、高光学质量的量子点,具有较好温度特性的QDL正处于面向数据通信市场的量产阶段。由于量子点分立的能级和有限的带内弛豫时间,QDL存在多种激射模式,QDL能发生基态（Ground-state,GS）跃迁,也能发生激发态（Excited-state,ES）跃迁。这两种跃迁能单独发生,也能同时发生（GS+ES）,并且这两种辐射跃迁的波长相差几十纳米,其在太赫兹信号产生及应用领域具有一定的应用前景。为方便描述,文中把自由运行时单独GS和单独ES激射的QDL分别称为GS-QDL和ES-QDL,把能同时发生GS和ES激射的QDL称为双态QDL。现有研究表明,不同辐射模式的QDL在外部扰动下能产生周期性脉冲、低频反相波动、双稳以及混沌等非线性动力学行为。围绕这些动力学特性的研究不仅为QDL在光子微波信号产生、混沌保密通信、全光开关、混沌雷达及全光信息转换等相关技术领域的应用开辟了新的途径,而且对理解这些系统中非线性动力学产生的物理机制以及改善此类激光器器件的系统性能都具有非常重要的现实意义。基于此,本文针对不同辐射模式QDL在外部光注入和反馈下的非线性动力学特性及其在光生微波信号中的应用进行了系统地研究,旨在深入剖析外部扰动下QDL系统所呈现的各类动力学特征及内在的物理机理,探寻控制QDL产生非线性动力学的方法。研究内容及结论如下:1.基于QDL激子模型,研究了光注入下双态QDL非线性动力学特性。研究表明,当双态QDL工作在GS和ES同时辐射并且注入光的频率靠近GS的辐射频率时,通过适当调节注入参数,双态QDL的两个辐射模式能产生稳态、注入锁定、抑制态、单周期、倍周期、多周期和混沌脉冲态等丰富的动力学行为。进一步绘制动力学态在注入强度和频率失谐构成的参数空间中的分布图,发现复杂的动力学态主要分布在负频率失谐区域。通过计算此区域的排列熵发现混沌信号的复杂度可达到0.95以上。此外,在一定的频率失谐范围内,当注入系数较大时,ES辐射能被完全抑制。研究结果可为双态QDL在相关领域中的应用提供一定的理论支持。2.基于QDL的电子-空穴不对称模型,数值研究了光注入下双态QDL的功率诱导的激射态开关和双稳。研究结果表明,通过引入外光注入且注入光的频率靠近ES的激射频率时,对于一个在较低电流下工作在GS的自由运行双态QDL,可以实现GS和ES之间的功率诱导的激射态开关。其中,态转换所需的注入功率取决于注入功率的扫描路径,即注入功率在某一特定区域内可能存在态双稳。对于正向扫描注入功率,随着频率失谐的增加,发生态开关所需的注入功率呈下降趋势,并呈现出轻微波动。然而,对于反向扫描注入功率,态开关所需的注入功率随着频率失谐的增加表现出剧烈的波动。磁滞宽度随频率失谐的增加而波动且波动幅度随注入电流的增加而增大。此外,非均匀展宽因子和电子逃逸速率对双稳性能有较大影响。3.利用QDL的激子模型,数值研究了GS-QDL在外光注入下的非线性动力学特性。研究表明,在合适的注入参数下,GS-QDL能产生单周期、倍周期、多周期、混沌脉冲、和注入锁定等动力学行为。通过分析这些动力学态在注入参数空间中的分布情况,发现复杂动力学态分布面积较小。利用排列熵量化混沌信号的复杂度发现GS-QDL产生的混沌信号复杂度低于0.90,复杂度较低说明GS-QDL对外光注入表现出弱的敏感性。此外,还对GS-QDL在光注入和光反馈作用下产生的光子微波特性进行了数值研究。首先对基于单周期态产生的微波信号的性能进行了分析,给出了由频率失谐和注入强度构成的参数空间中的微波频率和微波功率的分布图,其结果与已报道的实验结果近似吻合。然后,在光注入下的GS-QDL中引入一个光反馈环来压缩微波信号的线宽。结果表明,在适当的反馈参数下,产生的微波的线宽至少可以降低一个数量级,说明引入外部光反馈可提高微波信号的质量。最后,分析了激光器的线宽增强因子对产生的微波信号性能的影响,发现较小的线宽增强因子有助于产生更窄线宽的微波信号。4.基于QDL的激子模型,数值研究了光注入下ES-QDL的非线性动力学特性。结果表明,在合适的注入参数下,ES-QDL能展现出丰富的非线性动力学行为,例如注入锁定、单周期、倍周期、多周期和混沌脉冲态。通过绘制这些动力学态在频率失谐与注入系数构成的参数空间中的分布图,发现注入锁定占据了较大的面积并且存在多种形式的动力学演化路径。利用排列熵计算量化了混沌脉冲态的复杂度,并确定了获得高复杂度混沌信号的参数范围。此外,还讨论了线宽增强因子对ES-QDL输出的动力学态的影响,随着线宽增强因子值的增加,正（负）频失谐区的混沌区域逐渐扩大（缩小）,注入锁定区域逐渐向负频失谐区移动。另外,还数值研究了利用ES-QDL输出的单周期动力学产生光子微波信号的性能。在光注入引起的单周期动力学范围内,研究了微波频率和微波强度随频率失谐量和注入强度的变化。结果表明,通过调整注入参数可以实现微波频率连续可调谐,通过改变注入强度可以增强微波强度。考虑到产生的微波具有较宽的线宽,进一步引入外腔光反馈对微波线宽进行了窄化,并研究了反馈参数对线宽的影响。发现随着反馈强度或延迟时间的增加,由于锁定效应,线宽明显减小。然而,对于较大的反馈强度或延迟时间,由于单周期动力学逐渐被破坏,线宽压缩效果变差。此外,通过优化反馈参数,可以使不同微波频率下的线宽减小一个数量级以上。对比光注入GS-QDL产生的光子微波信号,ES-QDL产生的微波信号的频率对注入强度的波动比较敏感,线宽也更大一些,这是由于ES-QDL更小的弛豫阻尼率引起的。因此利用GS-QDL产生微波信号的性能要优于ES-QDL。最后,实验研究了ES-QDL在外部光反馈下的辐射态开关现象。研究表明,引入外部光反馈后,在合适的反馈率下能够诱导GS模式激射,并且当反馈率足够大时,ES模式能够被完全被抑制,出现了辐射态开关现象。在相对较小的电流下,由于共用载流子和模式竞争,在发生态开关的过程中出现了ES辐射与GS辐射的反向波动,但在较大的电流下未观察到此类现象。此外,实验还发现发生开关所需要的临界反馈率随着电流的增加逐渐增加。本节的研究为ES-QDL在相关领域中的应用提供了一定的理论和实验支持。