随着移动互联网、大数据和云计算等技术的发展，用户对通信速度和质量的要求不断提高，对支撑城域网和局域网的短距光纤通信网提出了新的考验。高速直接调制分布反馈(distributed feedback, DFB)激光器作为短距光纤通信网的核心器件，在高速化和低成本的两个发展方向上都急需进一步突破，来满足短距光互联网络的发展。本文的主要研究对象为低成本、高性能的直接调制DFB激光器，主要研究工作和创新点如下：
　　针对DFB激光器的物理模型中涉及的主要物理过程进行讨论，分别阐述了这些物理过程相对应的理论模型和分析方法，总结了直接调制DFB激光器中调制带宽的主要限制因素，提出了一种集成有源布拉格反射区的直接调制DFB激光器(distributed feedback lasers with active distributed reflector, ADR-DFB laser)方案，解决了目前短腔高速直接调制DFB激光器中单模良品率低和制作工艺复杂的难题，并分别从器件原理、器件结构和制作工艺上对ADR-DFB激光器的可行性进行了讨论。
　　依据ADR-DFB激光器的结构特点，引入时域行波法对ADR-DFB激光器中关键结构参数进行了分析，并选择了最佳的器件结构设计对ADR-DFB激光器的直接调制特性进行了讨论。根据数值模拟中讨论的最佳器件结构设计，完成了ADR-DFB激光器的制作工艺开发，制作了能稳定工作的ADR-DFB激光器，从实验上验证了ADR-DFB激光器方案的可行性，同时展示了ADR-DFB激光器的优异单模良品率和高速调制特性。制作的ADR-DFB激光器在室温下取得了10mA的阈值电流和0.38mW/mA的输出斜率效率，在6倍阈值电流下具有24GHz的调制带宽，在28Gb/s的调制速率下实现10公里标准单模光纤中无误码传输。
　　分析了温度对DFB激光器中关键参数的影响，并将完整的温度参量引入时域行波法中完善了DFB激光器的数值仿真模型，在此基础上完成了宽温度范围(-40℃到85℃)直接调制ADR-DFB激光器的数值模拟设计。本文针对器件的宽温度工作环境优化了器件结构和制作工艺，完成了宽温度范围直接调制ADR-DFB激光器的制作，实现了ADR-DFB激光器在工业温度(-40℃到85℃)范围内稳定单模工作，展示了ADR-DFB激光器在工业温度范围内25Gb/s调制速率下10公里单模光纤无误码传输。
　　分析了ADR-DFB激光器中热饱和现象的主要原因，并讨论了不同解决方案的特点，提出一种啁啾光栅ADR-DFB激光器的解决方案，比较了采用线性啁啾光栅和分段啁啾光栅对热饱和现象的改善效果。实验验证了啁啾光栅ADR-DFB激光器能改善激光器的热饱和现象，并展示了啁啾光栅ADR-DFB激光器在多进制调制下的应用，通过PAM4调制格式实现56Gb/s的调制速率。
　　提出了一种负啁啾直接调制DFB激光器方案，为直接调制半导体激光器在长距离传输应用提供潜在解决方案；通过数值模拟和实验测量验证了该直接调制DFB激光器的负啁啾特性，常温下实现了20GHz的调制带宽，在10Gb/s调制速率下获得了-40GHz的频率啁啾，10公里标准单模光纤传输的功率代价为负值。