提出一种基于集成光波导沟槽耦合器的超紧凑折射率传感器。该结构包括入射波导、反射波导及透射波导,亚微米宽的沟槽位于入射波导与反射波导的交汇处。入射波导中的导波光在沟槽侧壁发生受抑全内反射,使得一部分光经消逝场耦合进入透射波导,另一部分光被反射进入反射波导。透射光强度取决于消逝场耦合效率,而后者依赖于沟槽填充物的折射率,这意味着这种集成光波导沟槽耦合结构可作为微纳传感器用于实时探测液体折射率或溶液浓度。以氮化铝脊型波导为例,对这种新型折射率传感器进行仿真设计和仿真验证,经过结构优化,其折射率灵敏度可达207.05 %/RIU。

基于非对称氧化技术, 引入氧化孔径横向光场损耗各向异性, 使得TE/TM偏振光功率差进一步增加, TM偏振得到有效抑制, 从而实现795nm垂直腔面发射激光器单偏振稳定输出。实验结果显示: 当氧化孔径为7μm×5.5μm时, 不同温度下偏振抑制比均在10dB以上, 最高达到16.56dB; 当氧化孔径为20μm×18μm时, 偏振抑制比也可以达到15.96dB。最终, 得到偏振抑制比为16dB、水平发散角为8.349°、垂直发散角为9.340°的单偏振稳定输出795nm垂直腔面发射激光器(VCSEL), 为实现单偏振高光束质量VCSEL激光光源提供了实验基础。

亚波长光栅导模共振滤波器, 具有高峰值反射率、低旁带反射和窄带等特点, 能够实现基于高低折射率介质的滤波器所无法达到的独特功能。设计了中心波长为852nm的带有间隔层、线宽可控的超窄线宽导模共振滤波器, 并分析了主要参数对反射光谱的影响。选择弱调制的介质作为光栅层, 并在光栅层和波导层之间插入一层低折射率的介质作为间隔层来减小光栅层和波导层之间的耦合强度, 进而使导模共振滤波器的线宽达到0.02nm的超窄程度, 并且该结构中的光栅厚度、占空比等对反射光谱的影响极小, 均利于其工艺制备。

基于光栅层控制光波传播耦合波方程, 设计了能够实现共振波长可调谐的亚波长光栅导模共振滤波器.通过调谐空气层的厚度, 滤波器可以实现波长75 nm的调谐, 线宽均小于或等于1 nm.将共振波长可调谐滤波器与中心波长为1.55 μm的垂直腔面发射激光器(VCSEL)集成, 形成了激射波长可调谐VCSEL.研究发现激射波长调谐范围与共振波长可调谐滤波器相同, 而且在相同空气层厚度下, 激射波长可调谐VCSEL的激射波长和共振波长可调谐滤波器的共振波长相同.该VCSEL不仅可以选择激射波长还可对输出横向模式进行选择.

为增加可调谐激光器的波长调谐范围, 提高系统的可靠性和稳定性, 基于液晶的电控双折射特性, 设计了一种中心波长为852 nm的内腔液晶可调谐垂直腔面发射激光器结构。分析了该结构获得宽范围波长调谐和单偏振稳定输出的物理原理, 利用传输矩阵法进一步计算整个器件下不同液晶层厚度所对应的反射谱, 得出不同液晶厚度和折射率下激光器的激射波长。结果表明, 液晶可调谐激光器单偏振波长调谐范围达到31 nm, 调谐效率大于10 nm/V。

为了确定亚波长光栅在微电机械系统（MEMS）波长可调谐VCSEL不同位置（上DBR上表面、上DBR下表面以及内腔）中实现TE和TM偏振控制的光栅参数范围以及光栅在哪个位置时实现偏振控制最稳定, 通过MATLAB建立MEMS波长可调VCSEL的模型, 然后计算光栅在3种位置时上反射镜（包括空气隙和光栅）随光栅参数变化的反射率, 以此来确定它们实现TE/TM稳定偏振的光栅参数范围（即高反射范围内的参数）。将各自的高反射所对应反射率减去相同光栅参数范围内TM/TE 低反射对应的反射率, 通过反射率差值确定光栅在哪种位置时MEMS波长可调谐VCSEL实现偏振是最稳定的。最后得出的结论是光栅在上DBR下表面几乎无法控制TM偏振, 而将光栅放置于内腔中, 无论是在TE偏振控制上还是TM偏振上都是最稳定的。在实现TE偏振稳定的参数范围内, TE的阈值增益比TM最小少10 cm-1; 而在实现TM偏振稳定时, 在TE偏振稳定的参数范围内, TE的阈值增益比TM最小少5 cm-1。

通过金属有机化学气相淀积(MOCVD)和半导体后工艺技术制备了852 nm半导体激光器, 它在室温下的阈值电流为57.5 mA, 输出的光谱线宽小于1 nm。测试分析了激光器的输出光功率、阈值电流、电压、输出中心波长随温度的变化。测试结果表明, 当温度变化范围为293~328 K时, 阈值电流的变化速率为0.447 mA/K, 特征温度T0为142.25 K, 输出的光功率变化率为0.63 mW/K。通过计算求得理想因子n为2.11, 激光器热阻为77.7 K/W, 中心波长漂移速率是0.249 29 nm/K, 实验得出的中心波长漂移速率与理论计算结果相符。实验结果表明, 该半导体器件在293~303 K的温度范围内, 各特性参数能够保持相对良好的状态。器件如果工作在高温环境, 需要添加控温设备以保证器件在良好状态下运行。

微机电系统（MEMS） 垂直腔面发射激光器（VCSELs）是一种特殊光源，具有低功耗、高调制速率、宽波长调谐范围、易耦合等优点，被广泛应用于激光通信领域。为提升激光器工作性能，如扩大波长调谐范围、提高偏振对比度等，需要优化内腔亚波长光栅结构参数来改善腔内光场分布以及偏振输出模式。基于等效介质理论（EMT），并结合薄膜理论设计了针对调谐范围中心波长为850 nm、GaAs材料的亚波长光栅的较优周期、占空比、脊高的取值。分析了横电（TE）、横磁（TM）光，占空比与脊高对光栅透射率的影响。另外，通过系统模拟，对比了未刻蚀光栅、光栅未优化及光栅优化后的激光器波长调谐范围，结果表明：针对特定波长调谐范围及光栅材料，通过优化光栅参数可实现光栅对TE或TM光的增透，增强半导体腔和空气隙之间光场的耦合，进而扩大激光器的波长调谐范围。