单片集成的大范围可调谐半导体激光器是光子集成电路以及下一代可重构光网络的关键器件之一。在密集波分复用系统,可调谐半导体激光器可以取代单个固定波长的激光器,极大地降低备用光源的管理和库存成本。在下一代可重构光网络中,可调谐半导体激光器可以用作波长路由,波长切换等。目前,商业可用的单片集成的大范围可调谐半导体激光器主要是基于光栅进行选模的,如分布式反馈激光器阵列和分布式布拉格反射类调谐激光器。然而光栅的制作需要高精度的刻蚀工艺,如电子束曝光,并且光栅的掩埋对外延质量要求比较高。由于成本较高,可调谐半导体激光器主要用于骨干网,并且逐步应用于城域网。因此,研究者一直在致力于研究制作简单、低成本以及控制简单的可调谐半导体激光器。近几十年,许多制作相对简单的新型的单片集成的调谐激光器被提出,但是其性能都还无法同基于光栅进行选模的可调谐激光器的性能相比拟。本论文提出了一种新型单片集成的大范围可调谐半导体激光器——多通道干涉激光器,并从激光器的理论设计、波长表征、实验验证以及性能改进等几个方面进行了相关研究工作。第二章首先介绍了多通道干涉激光器的工作原理。多通道干涉激光器是基于多个不同长度的臂干涉进行选模的,因此制作只需要常规光刻,从而降低了激光器的制作成本。每个臂上面有一个臂相位区可以独立地调节每个臂的相位,因此激光器对每个臂的初始相位不敏感,具有大的制作容差。详细讨论了臂长差以及臂的数量对激光器的选模效果的影响。综合考虑激光器的选模效果以及控制难度,我们将多通道干涉激光器臂的数目定为八个。然后介绍了基于多模干涉分束器(Multi-mode interferometer,MMI)的1×8分束器的实现,包括1×8 MMI和基于1×2 MMI级联的1×8分束器,详细介绍了MMI的自镜像原理、制作容差以及工作带宽等。多通道干涉激光器每个臂的末端需要集成一个宽带的反射器。通过对比几种常见的片上集成的反射器,采用了制作简单的多模干涉反射器,介绍了其反射原理,并对一端口的多模干涉反射器进行了模拟。确定了多通道干涉激光器的基本结构之后,利用稳态的多模速率方程对多通道干涉激光器进行了模拟,得到了多通道干涉激光器的阈值、输出光功率、边模抑制比以及调谐范围等,理论上预言了多通道干涉激光器具有超过40 nm的波长调谐范围,并且边模抑制比在整个调谐范围内超过了40 dB。第三章介绍了一种新的基于优化算法的可调谐激光器表征方法。常见的可调谐激光器的波长调谐最多只需要同时调节三个控制电流,其表征方法一般是通过扫描控制电流监测输出光谱、输出光功率或者有源区结电压,然后建立输出波长与控制电流的关系实现的。多通道干涉激光器的波长调谐需要同时调节八个控制电流,因此常规的表征方法不适用于多通道干涉激光器。为了解决多通道干涉激光器表征困难的问题,提出了一种基于优化算法的可调谐激光器表征方法,该表征方法利用指定波长和其余波长光功率之比近似代替边模抑制比从而获得稳定输出指定波长所需的控制电流,避免跳模。由于基于优化算法的调谐激光器表征方法是基于功率测量的,同时利用优化算法来提高表征效率,如粒子群算法,其表征速度可以非常快。首先介绍了基于光谱测量、功率测量以及有源区结电压测量的三种常规的可调谐激光器表征方法。然后介绍了基于优化算法的可调谐激光器表征方法,并且通过两种商用的可调谐半导体激光器实验验证了其可行性。第四章介绍了多通道干涉激光器的制作与测试结果。为了简化多通道干涉激光器的制作流程以及降低激光器的制作难度,在首轮流片中,激光器的有源和无源波导都采用了深刻蚀脊波导结构。通过测试,多通道干涉激光器具有大的调谐范围,超过53.6nm,并且在整个调谐范围内,具有良好的单模特性,边模抑制比超过了40 dB。由于激光器的有源区采用了深刻蚀脊波导结构,导致有源区的损耗增大以及表面复合增加,所以激光器的阈值偏高,输出功率较低。除此之外,还利用双端口的多模干涉反射器实现了多通道干涉激光器与半导体光放大器的集成。双端口的多模干涉反射器与激光器的波导制作步骤一样,因此不会带来额外的制作步骤,具有制作简单容差大等优点。第五章介绍了改进的多通道干涉激光器的制作与测试结果。在第二轮流片中,多通道干涉激光器的有源区和臂相位区都采用了浅刻蚀脊波导结构,其余无源波导结构仍然采用了深刻蚀脊波导结构。为了减少浅刻蚀和深刻蚀脊波导结构模式不匹配带来的损耗,还制作了一种结构紧凑转换效率高的锥形深浅过度结构。通过测试改进的多通道干涉激光器的阈值降至17 mA,集成半导体光放大器的多通道干涉激光器的阈值降至17 mA。另外,还对多通道干涉激光器的波长控制进行了相关研究,建立了多通道干涉激光器波长调谐与控制电流的关系。