本文设计了GaAs基1 060 nm高性能激光二极管的有源区结构, 通过在有源区中引入锑化物的应变补偿结构GaAsP/InGaAs/GaAsSb/InGaAsSb/GaAsP, 改变了有源区的能带结构, 解决了禁带宽度对发光波长的限制, 将弱Ⅱ型的量子阱能带结构变为Ⅰ型, 增大了电子空穴的波函数重叠, 提高了激光二极管跃迁概率和辐射复合概率及内量子效率, 降低了非辐射复合, 有效增强了器件输出功率和电光转换效率。同时, 设计了非对称异质双窄波导结构, p侧采用导带差大、价带差小的AlGaAs作为内、外波导层, 有利于价带空穴注入有源区且对导带中的电子形成良好的限制。n侧采用导带差小、价带差大的GaInAsP作为内、外波导层, 有利于导带电子的注入且对价带中的空穴形成更高的势垒。电子注入势垒和空穴注入势垒分别由原先的218、172 meV降低到148、155 meV, 提高了激光二极管的载流子注入效率; 电子泄漏势垒和空穴泄漏势垒分别由252、287 meV上升到289、310 meV, 增强了载流子限制能力。最后获得的激光二极管的输出功率和电光转换效率分别达到了6.27 W和85.39%, 为制备高性能GaAs基1 060 nm激光二极管提供了理论指导和数据支撑。

应用于掺镱(Yb)光纤激光器的半导体可饱和吸收镜(SESAM)需要具有较高的调制深度，即将较厚的砷化铟镓(InGaAs)材料作为吸收层。然而，InGaAs材料与砷化镓(GaAs)衬底之间的大失配，导致过厚的InGaAs材料质量极易恶化，影响锁模效果。因此，优化的外延结构设计和高质量的外延材料成为研制高性能SESAM的关键。本文设计了吸收层InGaAs材料总厚度分别为150 nm和300 nm的两种应变补偿多量子阱(MQW)结构的SESAM，利用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)方法进行外延材料生长，采用光致发光光谱仪、高分辨X射线衍射仪和分光光度计对外延材料特性进行表征，优化外延材料生长参数。将研制的两种SESAM应用到线型腔掺Yb光纤激光器中，实现稳定锁模的泵浦功率分别为130 mW和120 mW，输出激光脉宽分别为18.3 ps和9.6 ps。实验结果表明，吸收层InGaAs材料厚度为300 nm的SESAM更容易实现稳定锁模并获得脉宽较窄的激光脉冲输出。

为了降低2μm半导体激光器的阈值电流并提高器件的输出功率, 设计了InGaAsSb/AlGaAsSb应变补偿量子阱结构, 并利用SimLastip软件对器件进行了数值模拟。研究表明, 在势垒中适当引入张应变可以改善量子阱的能带结构, 提高对载流子的限制能力。当条宽为120μm、腔长为1000μm时, 采用应变补偿量子阱结构的激光器的阈值电流为91mA, 斜率效率为0.48W/A。与压应变量子阱激光器相比, 器件性能得到明显的改善。

通过低压金属有机化学气相外延(LP-MOVPE)工艺生长了AlGaInAs应变补偿量子阱材料,通过X射线双晶衍射、光荧光、二次离子质谱的测试分析得到了材料生长的优化工艺参数,降低了材料中的氧杂质含量,得到了高质量AlGaInAs应变补偿量子阱材料,室温光致发光半宽FWHM=26 meV.采用此外延材料成功制作了1.3 μm无致冷AlGaInAs应变量子阱激光器, 器件测试结果为:激射波长:1290 nm≤λ≤1330 nm;阈值电流:Ith(25℃)≤15 mA;Ith(85℃)≤25 mA;量子效率变化:Δηex(25～85℃)≤1.0 dB.