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半导体激光器是光电子领域的重要核心器件，因其小体积、低功耗、高电光转换效率等优点，在通信、医学、国防、探测等诸多领域中获得广泛应用。在半导体激光器诞生之初，人们就开始研究半导体激光器的时域高速动态特性。近年来，随着片上光互连技术和高速光通信技术的发展，人们对通信波段高速半导体激光器的综合性能有了新的要求，尤其希望高速半导体激光器还可以同时具有低功耗、高功率等性能。本论文针对通信波段高速、低功耗半导体激光器的需求，研制了通信波段高速、低功耗单芯片光子晶体微腔激光器。针对高速、高功率半导体激光器的需求，首次研究了半导体锁模激光器可饱和吸收区长度与脉冲能量、峰值功率的关系，创新性地实现了高速、高脉冲能量、高峰值功率单芯片半导体锁模激光器。本论文主要研究工作和创新点如下: 1.研制了通信波段高速、低功耗光子晶体微腔激光器。利用速率方程理论分析了单腔光子晶体激光器和耦合腔光子晶体激光器静态特性和动态特性的异同。实验获得耦合腔光子晶体微腔激光器输出功率为单腔光子晶体微腔激光器的20倍，斜率效率为5倍。在1.3倍阈值泵浦功率下，单腔光子晶体微腔激光器脉冲宽度为113ps，10％以上功率的脉冲宽度为206ps，对应开关速度为5GHz，功耗为2.73fJ/bit。耦合腔光子晶体微腔激光器脉冲宽度为201ps，10％以上功率的脉冲宽度为366ps，对应开关速度为2.73GHz，功耗为24.29fJ/bit。 2.理论研究了单芯片半导体锁模激光器的波导结构设计和静态电特性。研制了波长1.55μm，40GHz的单芯片半导体锁模激光器，射频频谱线宽为1.09MHz，边模抑制比为26.9dB，脉冲宽度为3.5ps。 3.利用行波法首次理论分析了半导体锁模激光器可饱和吸收区长度与脉冲能量、脉冲峰值功率和脉冲宽度的关系。基于理论结果，研制了波长1.55μm，80GHz，可饱和吸收区长度为80μm的单芯片半导体锁模激光器。激光器脉冲宽度为1.75ps，脉冲峰值功率为188mW，脉冲能量为0.33pJ。这是目前国际上波长1.55μm，80GHz的单芯片半导体锁模激光器中脉冲能量和峰功率的最高值。