水平谐振腔面发射分布反馈(Surface emitting distributed feedback, SE-DFB)半导体激光器因具有更好的光束质量获得了广泛关注。本文设计了波长为940 nm的水平谐振腔面发射分布反馈半导体激光器, 分析了光栅的结构参数(形状、周期、占空比、刻蚀深度等)对激光器发光特性(线宽、边模抑制比、功率及斜率效率等)的影响。结合二阶光栅、脊形波导、电极及出光口、解理封装等器件工艺, 制备出发光波长为940.3 nm的水平谐振腔面发射半导体激光器, 线宽为0.52 nm, 连续工作模式下发射功率为890 mW。

分布反馈式(DFB)半导体激光器具有优良的稳定性和单模性, 广泛应用于激光器抽运和光通信等领域。光栅作为DFB激光器的关键部件, 对激光器性能有重要的影响。针对976 nm波段设计制备了DFB激光器的光栅。基于耦合模理论优化设计光栅的结构参数, 采用激光干涉光刻和反应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术制备光栅。通过引入表面镀膜SiO2的方法提高了光栅图形由光刻胶向衬底转移的保真度, 显著地改善了光栅的图形质量。探究了曝光时间、ICP刻蚀时间对光栅表面形貌的影响。实验结果表明, 所制备的光栅条纹分布均匀, 有较好的表面形貌, 满足预期设计目标。

近年来, 水平腔面发射半导体激光器具有高功率、高光束质量及易封装集成等优良性能, 已成为激光器领域的研究热点。本文详细阐述了几种水平腔面发射半导体激光器的结构设计、工作原理以及激光输出特性, 并对该激光器国内外最新研究进展与发展现状进行了总结和论述。在此基础上, 对该激光器的研究方向和发展趋势进行了分析与展望。目前, 水平腔面发射半导体激光器的激光输出功率可达瓦级, 美国Alfalight公司引入曲线形光栅的单一发射器输出功率可达73 W。随着应用领域的不断拓展, 中远红外波段水平腔面发射激光器将成为未来的研究焦点。

设计了一种具有波长和偏振模式选择特性的GaAs材料的亚波长抗反射光栅，工作波长为976 nm。采用等效介质理论与薄膜理论对光栅进行初步设计，基于严格耦合波法依次对光栅占空比、脊高和周期进行优化确定，同时分析了各个参数对光栅透射率的影响。所设计的抗反射光栅分别具有99.99%（横电模）和99.86%（横磁模）的高透射率，并且在976 nm± 30 nm的范围内保持99%以上的高透射率，满足器件应用要求。最后研究了工艺误差导致的光栅非矩形形貌对光栅透射率以及偏振优势模式的影响。

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。