半导体锁模激光器具有结构紧凑、电光转换效率高、易于集成等优点,在产生超短脉宽、超高重频、低噪声激光脉冲方面具有较大的优势,使其在众多应用领域具有重要的应用价值,如微波光子学、光谱测量、高速光通信系统、集成化光频梳等。然而,半导体激光器的紧凑结构导致其较大的腔内噪声密度,其输出激光具有较大的相位噪声,表现为较大的光学线宽和射频线宽。同时,基于片上可饱和吸收体的半导体锁模激光器还增加了激光器芯片和驱动电路的复杂度。为提升半导体锁模激光器的噪声性能并简化激光器结构,本论文设计了一种外腔半导体自锁模激光器,利用激光腔内的克尔非线性效应实现锁模。本论文的主要研究内容如下:1、本文所设计的激光腔由C波段的半导体增益芯片和光纤光栅（FBG）构成,增益芯片为一个In Ga As P/In P量子阱半导体光放大器（SOA）,其波导材料折射率为3.59,与光纤折射率1.46差别极大,导致增益芯片和光纤无法直接耦合。为此,采用光纤透镜的技术方案实现增益芯片和光纤的模场匹配。理论上,利用时域有限差分算法（FDTD）,研究了光纤透镜曲率半径、透镜尺寸以及透镜和SOA耦合距离对各自远场发散角、耦合效率的影响,最终确定光纤透镜的参数为:锥角为90°,透镜曲率半径4μm,透镜横向尺寸2μm。理论计算得到光纤到SOA芯片的耦合损耗为3.72 d B。论文还对耦合的容差进行了理论分析,当耦合效率下降0.5 d B时,光纤透镜的横向位移容差为±227 nm。2、完成了外腔半导体锁模激光器的封装:利用高精度电动耦合平台（调节步长为50 nm）,对光纤透镜的位置进行精细调节,实现激光器的低阈值发光,并完成光纤透镜的固定。利用14引脚的蝶形壳体对激光器组件进行了封装,蝶形壳体中加入了半导体制冷器用以对激光器的工作温度进行控制。外腔半导体锁模激光器的蝶形封装为锁模激光脉冲的稳定输出提供了保障。3、实验中设计制作了两种不同腔长的半导体锁模激光器,所对应锁模激光器基频分别为255 MHz和10 GHz。激光器使用超低噪声的电流源进行驱动,两台激光器的阈值电流约为50 m A,实现稳定锁模脉冲输出的驱动电流分别为120m A和180 m A,所对应的射频信噪比分别为50 d B和81.1 d B。受限于FBG带宽（～0.1 nm）,锁模脉冲的脉宽约为35 ps。重频为10 GHz的锁模激光器的射频线宽和光频线宽分别为40 Hz和5.4 k Hz,表明激光器具有较好的噪声性能。另外基于255 MHz基频的锁模激光器,通过调节驱动电流和温度,实现了2～13阶谐波锁模。本论文开发的外腔半导体锁模激光器具有结构紧凑,噪声低、重频和光学带宽易于设计等优点,通过设计FBG的滤波带宽和腔内色散,有望得到超窄脉宽的半导体锁模激光器,在微波光子学、光通信技术等现代光子信息技术中有重要的应用前景。