随着信息网络的发展，大数据、云计算、物联网等新兴技术走进人们的生活。5G时代的到来，自动驾驶、智慧城市、智能家居以及AR (Augmented Reality)、VR (Virtual Reality)等技术正在逐步改变着现代人的生活方式。随之而来的则是数据容量和通信带宽指数型的增长，在过去十年，网络容量增长了近100倍，这给现有的通信技术带来了巨大压力。为满足不断增长的带宽和数据容量需求，人们在波分复用、时分复用的基础上提出了偏振复用、高阶调制格式以及空分复用等技术。相关光电器件的传输速率也在不断增长，25 Gbps高速直调DFB (Distribute Feedback)激光器、 电吸收调制激光器EML (Electroabsorption Modulation Laser)、APD (Avalanche Photodiodes)等器件已经从学术研究走向商业化。　　针对日益增长的带宽容量和新兴的自动驾驶需求，本论文主要展开了三个方面的研究——用于模分复用光通信系统的少模光发射芯片研究、用于相干光通信系统的外腔式窄线宽半导体激光器研制和用于自动驾驶领域的片上集成式相控阵激光雷达探索。本论文详细阐述了以上几种器件的实现原理、仿真设计、工艺制作和系统测试，主要工作和创新性成果如下:　　1.基于多模干涉MMI (Multimode Interference)耦合器设计了三种不同类型的模式转换/复用器，分别具有50％、66％和100％模式转换效率。通过级联MMI耦合器实现了具有100％模式转换效率的模式转换/复用器，其中采用1×1 MMI耦合器作为移相器，有效的降低了器件的体积和工艺制作难度，兼具波长和偏振不敏感的优势。　　2.基于MMI耦合器设计了一种波分-模分复用器，提出了两种基于MMI的波长-模式耦合器，整个系统全部基于MMI器件实现，具有较大的工艺容差。MMI器件作为标准代工元件，在未来的产业化中具有设计和成本优势。　　3.基于MMI型模式转换/复用器设计并制作了集成直调DFB激光器和模式转换/复用器的少模光发射芯片。实现了波导中基模到一阶模的转换和复用，并对基模和一阶模信道的输出功率、激射光谱以及高频特性等进行了表征。两信道激射波长在1538 nm附近，波导端输出功率大于4 mW，激光器小信号调制带宽15 GHz。同时，对两信道分别进行了10 Gbps背靠背NRZ (Non-Return to Zero)眼图和误码特性测试，得到了清晰的眼图和零误码接收。展示了10 Gbps PAM 4(Pulse Amplitude Modulation)调制，实现了模分复用+高阶调制格式的光发射功能。该少模光子发射器实现了激光光源与模式转换/复用器的单片集成，是我们所知的国际上首次报道的单片集成少模光发射芯片，可直接应用于少模光通信系统和光互连中，具有较大的学术和应用价值。　　4.设计并优化了掩埋脊波导型增益芯片，通过将增益芯片与光纤布拉格光栅蝶形封装的形式，制作了外腔式窄线宽半导体激光器。激光器激射波长1550nm，边模抑制比超过50 dB，最大输出功率约7.8 mW@150 mA，激光器线宽小于50 kHz，可满足400 Gbps相干光通信系统的指标要求。通过自注入反馈的方式，对外腔式窄线宽半导体激光器的线宽进行了压缩。获得了最小约为3 kHz的激光线宽输出，激光器线宽最大压缩率超过20，窄线宽工作区域扩大至1.33倍，降低了窄线宽工作模式的调谐难度。整体环路工作模式稳定，可应用于相干光通信系统以及高灵敏度光纤传感领域。　　5.设计并制作了片上集成式相控阵激光雷达芯片。激光雷达系统包括大功率激光光源、分束器、移相器和光学天线等部分。首次提出了基于1×1 MMI耦合器的主振荡功率放大器，分束器采用了级联1 ×2 MMI耦合器，移相器为顶加热型波导结构，光学天线采用了光栅发射型。搭建了损耗和远场光斑测试系统，对各分立器件的损耗性能进行了表征，并获得了光学天线的远场光斑图像。