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随着量子秘钥分发、量子计算机、量子测量技术的迅速发展，近年来量子信息技术研究从实验室向演示应用不断推进。量子信息技术的核心是量子器件，其中可集成化量子光源，包括单光子源以及纠缠光子源，是十分重要的核心量子器件之一。在实现量子光源的各类体系中，GaAs基半导体具有独特优势，它首先可以集成各类波导和调制器，还可以生长性能优越的激光源和量子点单光子源，其GaAs/AlGaAs异质结布拉格材料拥有远远高于铌酸锂材料的二阶非线性系数，通过频率转换的方式可以解决GaAs基光子器件的在发光波长上的限制，使它和现有的光纤通信系统相兼容。因此GaAs基半导体器件是实现集成量子光学器件应用的理想体系。在科技部重大科学研究计划、国家自然科学基金委重大计划重点集成项目、以及中科院先导专项等的支持下，本文深入系统地研究了GaAs基两段式的锁模激光器，分析优化了外延结构对输出功率，脉冲宽度，锁模区域和输出光谱的影响;构建了基于周期极化铌酸锂(PPLN)晶体的单光子频率下转换光路，通过优化整体转换效率将GaAs基InAs量子点发射的单光子波长拓展到了光纤通信波段;深入研究了GaAs基电注入布拉格反射波导(BRW)非线性器件设计和制备，实现了基于腔内非线性效应的四波长输出激光器。取得的主要研究成果如下: (1)利用压应力量子阱模型计算优化了1.064um量子阱结构参数，通过对量子阱材料外延生长温度和束流的优化获得了发光质量高层厚6nm的InGaAs材料。用该量子阱为有源区设计和生长了多层量子阱结构激光器和大光腔结构激光器，分析了光学限制因子，衬底偏角，限制层掺杂以及量子阱数目对激光器功率的影响，获得输出功率为490mw的3层量子阱激光器、和输出功率为535mw的大光腔激光器。 (2)基于上述功率优化的激光器制备了4种不同结构的两段式锁模激光器，所有器件能够以17GHz左右的工作频率稳定锁模。对比了吸收区长度，光学限制因子和量子阱层数对脉冲宽度，锁模工作区域以及功率的影响，模拟计算了增益谱特性，分析了不同结构激光器的发射光谱，其中，三层量子阱表现出波长蓝移现象，长吸收区样品在0.9V偏压下获得了接近10nm的波长蓝移。所有器件样品中大光腔器件表现出4ps的最短的脉冲宽度和693mW的最高峰值功率的最优性能。 (3)利用PPLN晶体设计了单光子频率下转换的光路，优化后的系统整体转换效率由0.13％提高到1.39％，分析了系统中的噪声来源由此设计了有效降低噪声的多级滤波系统。利用该转换系统将GaAs基InAs量子点微柱单光子器件发射的864nm波段3MHz速率的单光子信号转换为43kHz速率的光通信波段光子信号，其二阶强度关联因子为0.22证实其单光子性。 (4)设计了以1.064um的InGaAs量子阱为有源区的布拉格反射波导结构，模拟计算了激射波长、载流子浓度以及温度对器件非线性转换波长的调谐作用;优化了偏角GaAs衬底外延生长条件，提出利用反射谱无损测试来标定材料厚度的方法;设计和制备了电注入的布拉格反射波导器件，在电脉冲泵浦下获得了1.071um的量子阱发光、1.77um和2.71um的自发参量下转换、和1.35um四波混频信号;通过调节注入电流、温度、电脉冲脉宽研究该器件的调谐特性，证明了自发参量下转换(SPDC)信号光子能量差值会随泵浦光波长和载流子浓度的增加而减小。