光纤传输技术已经在宽带通信网络中应用了数十年,互联网流量和多媒体应用的爆炸性增长导致用户对通信带宽需求的不断增长。同时,对于光纤链路中光源的尺寸、功率和成本要求更加严格。在电信领域,GPON已经成为消除最后一公里带宽瓶颈的领先光接入技术之一。另一方面,由于数据密集型应用的数据量的爆发式增长,数据中心网络也面临着新的挑战。光纤通道技术委员会提出的应用于计算机之间光互连的光纤通道协议是新的解决方案,该方案利用光纤实现了极高速率的数据传输。此外,有源光缆技术在不改变传统电气接口的前提下,利用光通信的高速、稳定、无干扰的优势,实现了低成本高速率的信号传输。在这些成本敏感的应用中,迫切的需要一个高性价比的光源解决方案。相比于成本较高的DFB激光器,简单低成本的多纵模FP激光器是更合适的光源。然而,由于相对较大的频谱宽度和固有的模式分配噪声,FP激光器通常被限制在相对较低速率的应用中。目前还没有较好的低成本降低模式分配噪声的方法。本论文以降低模式分配噪声功率代价为着眼点,对于模式分配噪声性质展开了深入研究。本文的研究成果和贡献主要有如下几个方面:(1)归纳了用于表征模式分配噪声的四种方式以及其优缺点,概括了已知的模式分配噪声的性质,总结了迄今为止几种常用的降低模式分配噪声的方法。为模式分配噪声的研究提供了理论依据。(2)提出采用多模量子阱速率方程和宽带行波模型作为激光器数值仿真模型,并结合光纤和接收机模型,建立了一套完善的光纤链路模型体系,实现了光信号发射、传输和接收的整个物理过程的仿真。并且,将光纤链路模型和表征模式分配噪声的概率分布法、k因子结合起来,为模式分配噪声的研究提供了数值仿真基础。(3)利用数值模型,一方面对量子阱多模激光器的非线性增益系数与模式分配噪声的关系进行了研究。研究结果表明增大自饱和增益可以有效的抑制模式分配噪声;非对称交叉饱和增益可以改变光谱形状,但其对模式分配噪声的影响弱于自饱和效应。另一方面,研究了在给定输出光谱谱宽的情况下,激光器纵模的数目对模式分配噪声的影响;以及在相同纵模数目的情况下,输出光谱谱宽和模式分配噪声的关系。(4)基于模式分配噪声性质的研究,提出了一种内置带通滤波器的窄谱宽的FP激光器,可以显著地压窄激光器光谱宽度来降低模式分配噪声功率代价。设计器件是在脊波导FP激光器的一端引入一个宽脊区。宽脊区的等效折射率要高于窄脊区,于是在宽脊区形成了一个新的FP腔。利用新的FP腔的反射谱的带通特性,实现了光谱的压窄。从过渡区的引入、宽脊区长度以及窄脊区长度等方面对设计器件进行了优化,并得到了最佳的设计参数。利用系统链路模型仿真了优化后的器件的芯片级和系统级的性能。结果表明,相比于传统FP激光器,设计器件具有更窄的谱宽和更低的模式分配噪声功率代价,其最大传输距离是传统FP激光器的两倍。(5)对设计器件的制作工艺进行了实验研究。在常规的脊波导FP激光器制作工艺基础上,仅仅在标准光刻工艺中替换一块掩膜板就实现了设计器件的制作。设计器件的制作不会引入额外的工艺流程,可以极大的降低器件成本。(6)基于优化得到的最佳器件参数,制作了所设计的窄谱宽1310 nm InAlGaAs/InP多量子阱脊波导FP激光器,并从实验上研究了过渡区、宽脊区长度对其性能的影响以及双电极调节的方法。最后,比较了同一块晶片上制作得到的设计器件与传统FP激光器。设计器件的均方根谱宽是传统FP激光器的一半,并且其传输特性明显优于传统FP激光器。因此,本文提出的低成本窄光谱宽度FP激光器有望应用于高速短距离应用中。