2 μm波长附近可调谐半导体激光器在分子光谱学和光通信领域中有广阔的应用前景。基于绝缘体上硅（SOI）平台，对2 μm波长附近可调谐半导体激光器的外腔部分进行了设计优化。分析了不同尺寸光波导的模式损耗特性、单个微环谐振腔受总线波导耦合间距的作用以及总线波导光反馈终端对外腔半导体激光器性能的影响。并提出了一种具有高工艺兼容度的多模环形光波导光反馈结构。所设计的可调谐半导体激光器硅基外腔可通过环形波导上的镍铬合金微加热器进行0.1 nm/K的高精度调谐，对单个微加热器施加3.2 V电压时，调谐范围可达66 nm（1967~2033 nm）。

设计了一种基于双增益芯片合束的超宽带可调谐中红外激光器，该激光器以Littrow结构为基础，采用中心波长分别为4.0 μm和4.6 μm的两个量子级联增益芯片提供光增益，通过4.2 μm低通高反分束片合束后，将增益光入射到300 lines/mm的闪耀光栅形成光反馈，两个量子级联增益芯片通过交替互补的工作方式实现了3~5 μm的超宽谱调谐。在25 ℃温控和303 mA注入电流下，该激光器在34.54°~46.50°的闪耀光栅旋转角度下工作，波长调谐范围为3779~4836 nm（包括179 nm波长调谐空白区间），最大输出光功率为14.12 mW，边模抑制比为20 dB。该激光器具有结构紧凑、调谐范围超宽的优点，可为研制便携式模块化的中红外激光器提供参考。

3~5 μm中红外波段激光在气体分子传感、空间光通信、差频太赫兹产生等领域中有广阔的应用前景。研究了一种4 μm波段宽谱可调谐外腔量子级联激光器，设计了一种以Littrow结构为基础的紧凑便携可调谐激光器模块。在激光器模块中采用同一个量子级联增益芯片，分别使用刻线密度为450 line/mm和300 line/mm的闪耀光栅组建了不同的外腔。当采用刻线密度为450 line/mm的闪耀光栅时，注入电流303 mA下的输出光功率为7.30 mW，具有380 nm的调谐范围（3774~4154 nm），边模抑制比为20 dB，出现高阶模式激射现象；当采用刻线密度为300 line/mm的闪耀光栅时，303 mA注入电流下的输出功率为5.24 mW，调谐范围为297 nm（3779~4076 nm），边模抑制比为20 dB，出现基模激射现象。由此可见，采用不同的外腔配置，可以分别获得满足高精度波长调谐和高光束质量要求的激光器性能。

效率陡降严重影响AlGaN基深紫外发光二极管(DUV LED)的输出性能，也是近年来DUV LED的一个瓶颈性问题。对常规电子阻挡层(P-EBL)和Al组分三角形渐变P-EBL两种结构DUV LED进行了数值分析。研究了能带、电子电流、空穴浓度、电场、内量子效率、输出功率和自发辐射光谱的分布特性。模拟结果表明，在260 mA电流注入时，相比常规P-EBL结构，Al组分三角形渐变P-EBL结构DUV LED的效率陡降减小了5.85%，改善了DUV LED输出性能。根据数值模拟和分析，器件输出性能改善的原因是Al组分三角形渐变P-EBL结构提高导带势垒高度和增强空穴在P型区域获得的动能，从而减小电子泄漏，并提高了空穴注入效率。

1064 nm分布布拉格反射(DBR)半导体激光器具有窄线宽、输出稳定的特性, 在自由空间激光通信用种子光源等方面具有广阔的应用前景。设计了一种单模、窄线宽的1064 nm DBR半导体激光器, 利用金属有机化合物气相沉积技术生长出InGaAs应变量子阱半导体激光器材料, 并制备出腔长为1200 μm的脊型波导1064 nm DBR半导体激光器。当注入电流为70 mA时, 室温下该激光器的连续输出功率可达到7 mW, 3 dB光谱线宽为0.12 nm。

在理想情况下,单光子是由量子点单光子源发光产生的。量子点单光子发射器件的制作主要利用自组织生长方法在图形衬底上结合光学微腔结构实现。采用金字塔形衬底制备量子点可实现量子点的高定位生长, 该方法易于制备和隔离单光子源量子点。利用金字塔形衬底不但可以解决多个量子点占据同一个位置的问题, 而且在金字塔形衬底上制备的量子点有利于光子的发射和收集。

根据分布布拉格反射镜(DBR)的工作原理，优化量子阱(QW)和DBR结构，采用Crosslight 计算机模拟软件模拟了垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)的反射谱和QW增益谱，确定QW组分、厚度以及DBR的对数。采用分子束外延技术外延生长并制备了850 nm顶发射VCSEL。测试结果表明，阱宽为5 nm的In0.075Ga0.925As/Al0.35Ga0.65As QW，在室温下激射波长在840 nm左右，设计的顶发射VCSEL结构通过Ocean Optics Spectra Suite软件验证，得到室温下的光谱中心波长在850 nm附近，证实了结构设计的正确性。

由于在很多特殊应用领域要求980 nm泵浦源半导体激光器具有光谱稳定、低功耗等, 本文通过对980 nm单模半导体激光器的腔长、腔面反射率及光纤光栅反射率等优化设计, 研制出低阈值、高功率980 nm光纤光栅外腔波长稳定半导体激光器。该低功耗、波长稳定的单模半导体激光器, 在100 mA工作电流下尾纤输出功率达到51 mW, 3 dB带宽为0.16 nm, 边模抑制比大于40 dB, 器件在250 mA工作电流下, 尾纤输出功率达到120 mW。

为了提高980 nm半导体激光器的出光功率，在外延结构中加入了扩展波导，并优化了激光器的垒层厚度和波导层组分，将光场以有源区为中心的对称分布转化为以扩展波导和有源区同为中心的对称分布，降低了有源区限制因子，提高了输出功率，同时增加了出光面积，降低了器件腔面的光功率密度，避免器件出现光学灾变损伤。