硅光子集成已经成为解决高性能计算、大数据以及高速率数据交换的可靠技术之一，基于硅光技术的片上光互连具有高宽带、高速率、抗电磁干扰和低能耗的优势，并且能够与成熟的CMOS工艺相兼容，使得高密度的光子集成芯片成为了可能。尤其近些年来Ⅲ-Ⅴ直接带隙半导体材料与SOI混合集成的实现解决了硅材料间接带隙发光效率极低的困境，使得硅光子集成向着实际应用化迈进了一大步。利用键合技术制备的硅基微腔激光器由于其极低的体积和能耗是作为片上光互连的理想光源选择之一。本论文主要研究基于DVS-BCB键合技术的硅基微腔激光器，对硅基微腔激光器的模式特性和热效应进行了分析优化，并且实现了多波长的硅基微腔激光器阵列，通过器件结构设计获得了硅基微腔激光器的定向、稳定输出特性。　　设计并优化了DVS-BCB键合工艺流程，实现了Ⅲ-Ⅴ量子阱芯片与带有图形结构的SOI片之间的混合集成，获得了高质量的AlGaInAs/SOI键合片并且实现了低于100 nm的键合层厚度。在键合片上利用光刻、刻蚀等半导体加工工艺成功制备了不同尺寸的硅基微盘和微环激光器，器件在室温电注入下实现了激射。对于半径为5.5μm的硅基微盘激光器，实现了单模工作，阈值电流为7mA，边摸抑制比达到35 dB。　　利用三维FDTD方法分析了硅基微腔激光器的模式特性，理论模拟发现当谐振腔具有正梯形结构倾斜角度时，由于纵向上折射率的变化会使得模式光场向硅波导方向移动，从而增加硅波导耦合输出效率和光限制因子。提出并研制了基于内部底部接触层的硅基微环激光器结构，大幅度降低了硅基微环激光器的辐射损耗，提高了模式Q值和耦合输出效率。对于半径20μm，环宽3.5μm的硅基微环激光器，通过内部底部接触层设计，阈值电流密度低至1 kA/cm2，光纤耦合输出功率0.1 mW，边模抑制比30 dB。　　分析了硅基微腔激光器的热特性，通过覆盖P电极金属层来增强热量的扩散，降低了器件的热阻。发现减小微环的宽度实现更低的激射阈值，可以有效的改善器件的热效应，提高器件的工作温度范围。对于半径30μm，环宽3μm的硅基微环激光器，获得了高于55℃的连续电注入工作。提出了基于金属散热通道的硅基微环激光器结构，从理论上分析了基于金属散热通道的硅基微环激光器的输出特性，可以获得高于100℃，大于1 mW的功率输出。　　设计并研制了用于片上WDM系统的硅基多波长微腔激光器阵列。通过在同一条SOI硅波导上方集成多个不同半径的微盘或微环激光器可以实现多波长输出。对于半径9.42-9.12μm，相邻器件半径差20 nm的十六波长硅基微盘激光器阵列，在脉冲注入下实现了通道间隔约为3nm的十六个波长光的输出。研制了半径分别为15-15.14μm，相邻器件半径差20 nm，微环宽度2μm的八波长硅基微环激光器阵列，实现了连续电注入激射，通道间隔2nm，边模抑制比高于20 dB。　　在理论和实验上研究了硅基spiraz-ring微腔激光器的定向输出特性，发现在spiral-ring谐振腔中CW与CCW模式之间相互耦合导致了二者的简并态被解除，并且耦合模式以CCW模式分量占主导作用。相比于硅基微盘或微环激光器来说，硅基spiral-ring激光器消除了CW与CCW模式之间的竞争导致的输出功率震荡现象，实现了从CCW端的定向输出。对于半径30μm，内径25μm，切口宽度500nm的硅基spiral-ring微腔激光器，连续激射阈值为10 mA，实现了稳定的功率输出，并且CCW端的输出功率是CW端的五倍。提出了一种deformed-ring谐振腔结构，具有更高的Q值和定向输出特性。对于半径20μm，环宽4μm，切口宽度500nm的硅基deformed-ring激光器，脉冲激射阈值10mA，获得了更高的从CCW端的定向输出，实现了单模工作。此外，提出并研制了波导耦合的硅基微盘激光器，实现了从硅波导的单向、稳定输出。　　分析了八边形-环谐振腔的模式分布特征，通过合理设计八边形-环谐振腔的内径值可以有效的抑制高阶横模，实现单模激射。研制了边长21.6μm，内径15μm硅基八边形-环微腔激光器，实现了单横模工作，边模抑制比达到30 dB，并且基于驻波工作获得了稳定的功率输出。