连续波波长可调谐激光器(以下简称“可调谐激光器”)在光通信波分复用系统、灵活光交换网络、激光传感等领域都有着重要运用和广阔前景。当今,这些运用场景的新发展对具有更高性能且更低成本的可调谐激光器有强烈的需求。对此,本文分别针对采用硅基异质集成工艺制造的微环谐振腔外腔激光器和采用光纤工艺制造的基于多模干涉滤波结构的激光器的结构优化、参量设计及其运用,进行了一系列理论及实验研究。该工作提升了这两类可调谐激光器的部分关键性能指标,并且研究了新型激光器在实际运用中的效果。本文成果概括如下:1、提出并建立了基于微环谐振腔外腔结构的可调谐激光器的传输线分析模型,并用于进行此类激光器的结构优化和设计参数选择,该模拟模型与器件的实验效果基本相符。首先,系统性地梳理和归纳了半导体激光器相位噪声理论以及降低线宽的方法,深入研究了低损耗的硅基微环谐振腔运用于半导体激光器外腔时有利于的降低激光器线宽的原理机制和可调谐激光器设计要点;其次,建立并实验验证了此类激光器的传输线模型,利用该模型可以推算激光器的主要工作特性,方便进行激光器结构优化和设计参数选择。2、通过理论和实验深入对比分析了不同微环谐振腔外腔结构激光器设计方案的性能特征,并提出了选用方法推荐;分别研究优化了采用“非平衡马赫曾德尔干涉”的辅助结构和“并联三微环”结构的外腔设计的激光器设计,实现了激光的边摸抑制比的提高和激光线宽特性的提升。首先,理论上对比研究了基于“上下话路”和“耦合环”结构的几种微环谐振腔外腔激光器;随后,对完成制造的激光器进行了深入详尽的实验研究和数据分析,实验中令这几种不同结构的激光器可实现在光通信用C+L波段范围内波长调谐范围在20nm量级到40nm量级之间,3dB线宽在150kHzd到280kHz范围之间,激光边模抑制比在40dB以上。最后,总结归纳出这几种不同结构设计激光器的性能特征的差异、优缺点和适用范围。为进一步提升微环谐振腔外腔激光器性能的研究积累了设计和实验经验。3、研究了微环谐振腔外腔结构的激光器运用于高频微波发生器和微波跟踪发生器芯片时实现波长连续调谐的办法;实验实现了这两种微波发生芯片的演示效果,完成其性能分析。其中,微波跟踪发生器可同时产生两路频率间隔为特定值的微波,该两路微波的频率间隔设定值可以在0.01GHz到近10GHz范围内进行任意设置。最后,根据对实验效果进行分析,提出了完善微波发生器集成芯片性能的办法和建议。4、提出并实验制造了一种可用于传感的,基于锥型无芯光纤多模干涉结构的全光纤可调谐激光器,并应用于折射率和温度测量实验。该工作包括:采用对无芯光纤拉锥处理的办法,提升了由单模-无芯-单模光纤组成的多模干涉滤波结构的传输光谱特性对环境的敏感度,通过理论设计和实验研究使得多模干涉结构适用于作为掺铒光纤波长可调谐激光器的滤波器;随后,把该可调谐激光器运用于全光纤结构的环境传感系统中,该激光输出可以在工作范围内具有40dB以上的边模抑制比,该传感系统折射率测量敏感度为164.75nm/RIU,温度测量敏感度为10.4pm/℃。