为探究不同铟(In)组分InxGa1-xN势垒对绿光激光二极管光电性能的影响，本文采用SiLENSe(simulator of light emitters based on nitride semiconductors)仿真软件对一系列具有不同In组分InxGa1-xN势垒的激光二极管进行研究，结果发现InxGa1-xN势垒中In组分最佳值为3%，此时结构的斜率效率最高，内部光学损耗最低，光学限制因子最大，性能最优。在具有In0.03Ga0.97N势垒的多量子阱结构基础上，设计了一种组分阶梯(composition step-graded， CSG)InGaN势垒多量子阱结构，提高了激光二极管的斜率效率和电光转换效率，增加了光场限制能力。仿真结果表明，当注入电流为120 mA时，具有CSG InGaN势垒的多量子阱结构，电光转换效率从17.7%提高至19.9%，斜率效率从1.09 mW/mA增加到1.14 mW/mA，光学限制因子从1.58%增加到1.62%。本文的研究为制备高功率GaN基绿光激光二极管提供了理论指导和数据支撑。

基于实验样品，利用PICS3D模拟软件分析电子阻挡层对激光器性能的影响，尤其是对电光转换效率的影响。通过在上波导层和电子阻挡层之间插入一层AlGaN层，调整插入层和原始电子阻挡层的Al原子数分数和厚度，形成复合电子阻挡层，设计了一系列InGaN基紫色激光器，并模拟比较它们的电流-电压特性曲线、发光功率、电光转换效率、能带分布和载流子分布等特性。结果表明，采用插入层的Al原子数分数和厚度分别为0.30和15 nm、原始电子阻挡层的Al原子数分数和厚度为0.24~0.06和5 nm的新复合结构电子阻挡层，可以调整能带结构、抑制电子泄漏、增加空穴注入，从而提高辐射复合率、增大激光器电光转换效率。相较于参考结构，新结构的电光转换效率提升了36.9%。

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。

提高半导体激光器的输出功率及电光转换效率一直是国内外的研究热点。本文针对应用在低温环境下的半导体激光器，优化其外延结构中波导层的材料组分，有效降低了器件的串联电阻，使其在低温环境中有更好的性能表现。制备了腔长为2.5 mm的940 nm半导体激光阵列(巴条)，并在－65～5 ℃的温度范围内对其进行性能表征。对比波导层优化前后两种结构的低温特性，结果显示，优化后的外延结构在低温下的性能大幅提升。由于低电阻特性，优化后的外延结构在－65 ℃、占空比为8%(200 μs，400 Hz)的准连续条件下的最大电光转换效率高达82.3%，远高于结构优化前的78.5%，而且其在1000 W输出功率下的电光转换效率为71.3%。

对808 nm的InAlGaAs/AlGaAs半导体激光器芯片的波导厚度进行了优化，研究发现N波导与P波导厚度比值为1.8时芯片电光转换效率最高。基于上述高效率芯片研制出Chip-on-submount(COS)单管和光纤芯径62.5 μm、数值孔径0.22的光纤耦合模块，并研究了两种器件在-10~90 ℃范围内的效率特性。结果显示，温度由-10 ℃升高到90 ℃，COS单管的载流子泄漏占比由1.18%增加到16.67%，光纤耦合模块的载流子泄漏占比由1.99%增加到17.73%，表明温升引起的载流子泄漏加剧是导致电光转换效率降低的主要因素。此外，还研究了高温老炼、热真空、空间辐照对光纤耦合模块电光转换效率的影响，并揭示了导致器件电光转换效率降低的内在因素。

深紫外光源在杀菌消毒、生化检测、紫外固化、紫外通信等方面具有巨大的应用前景，基于AlGaN半导体的深紫外发光二极管(LED)因具有无毒、体积小、能耗低、寿命长、波长可调等优势，得到了广泛的关注和研究。经过近二十年的研究开发，AlGaN基深紫外LED无论是发光效率和器件寿命都得到了巨大的提升，已逐步开始商业化。然而，相对于GaN基蓝光LED，目前AlGaN基深紫外LED的效率仍旧非常低，还有很大的提升空间。本文首先介绍了深紫外LED的发展现状，并分析了导致器件效率低的原因。然后，分别从内量子效率、光提取效率以及电光转换效率三个方面对目前AlGaN基深紫外LED的研究状况进行了系统的回顾，总结了目前提高发光效率的各种手段和方法。最后对AlGaN基深紫外LED的未来发展进行了展望。

研制了一套微通道封装结构半导体激光器的低温测试表征系统, 实现了对高功率半导体激光器在－60℃~0℃低温范围内的输出功率、电光转换效率和光谱等关键参数稳定可靠的测试表征. 采用计算流体力学及数值传热学方法, 模拟了无水乙醇、三氯乙烯以及五氟丙烷三种载冷剂的散热性能. 模拟结果表明, 压降均为0.47 bar时, 采用无水乙醇作载冷剂的器件具有最低的热阻(热阻为0.73 K/W)和最好的温度均匀性(中心和边缘发光单元温差为1.45℃). 低温测试表征系统采用无水乙醇作为载冷剂, 最大可实现0.5 L/min的载冷液体流量, 最多能容纳5个半导体激光器巴条同时工作. 基于该低温测试表征系统, 对微通道封装结构976 nm半导体激光器巴条在6%占空比下的低温特性进行了研究. 测试结果表明, 载冷剂温度由0℃下降到－60℃, 半导体激光器的输出功率由388.37 W提升到458.37 W, 功率提升比为18.02%; 电光转换效率由60.99%提升到67.25%, 效率提升幅度为6.26%; 中心波长由969.68 nm蓝移到954.05 nm. 器件开启电压增加0.04 V, 阈值电流降低3.93 A, 串联电阻增加0.18 mΩ, 外微分量子效率提高11.84%. 分析表明, 阈值电流的减小及外微分量子效率的提高, 是促使半导体激光器在低温下功率、效率提升的主要因素. 研究表明, 采用液体微通道冷却的低温工作方式, 是实现半导体激光器高输出功率、高电光转换效率的一种有效手段.

设计并制作了波长为976 nm的宽条大功率半导体激光芯片。采用非对称宽波导外延结构设计及金属有机化学气相外延技术生长了低损耗、高效率的外延材料。制备了190 μm发光区宽度、4 mm腔长、976 nm波长的半导体激光芯片，并将其封装为COS器件。测试结果表明：封装器件在室温下的阈值电流为1.05 A，斜率效率为1.12 W/A，最高电光转换效率可达到68.5%; 在40 ℃、19.5 W功率输出时的电光转换效率可以达到60%; 9个器件在40 ℃和15 A电流下老化4740 h后，无一失效，而且老化前后的功率-电流曲线和光谱没有变化，证明该激光芯片具极高的稳定性和可靠性。

本文设计并制作了一种高效率、高可靠性的915 nm半导体激光器。半导体激光器是光纤激光器的关键部件，为了最大限度地提高器件的电光转换效率，在设计上采用双非对称大光腔波导结构，同时对量子阱结构、波导结构、掺杂以及器件结构进行了系统优化。器件模拟表明，在25 ℃环境温度下，器件的最高电光转换效率达到67%。采用金属有机气相沉积(MOCVD)法进行材料生长，随后制备了发光区域宽度为95 μm、腔长为48 mm的激光芯片。测试表明，封装后器件的效率以及其它参数指标达到国际先进水平，在室温下阈值电流为1 A，斜率效率为118 W/A，最高电光转换效率达665%，输出功率12 W时，电光转换效率达到643%，测试结果与器件理论模拟高度吻合。经过约6 000 h的寿命加速测试，器件功率没有出现衰减，表明制作的高功率915 nm激光芯片具有很高的可靠性。

提出了一种高电光转换效率的新型复合波导半导体激光器结构(Composite Waveguide LD, CWG LD)。该器件结构高的电光转换效率得益于其所采用的Al组分阶梯分布AlxGa1-xAs波导层。通过优化设计波导层电阻率分布及能带分布, CWG LD结构在保证输出光功率的同时, 可以有效地降低器件串联电阻并提高电光转换效率。结合理论分析及计算机数值仿真软件, 分析了复合波导提升器件电光转换效率的机理。经优化, 在激光器条宽为6 μm、腔长为1 000 μm的情况下, 波导层阶梯数为1时CWG LD结构可以获得最大的电光转换效率。研究结果表明: 在注入电流为900 mA时, CWG LD结构的串联电阻由常规波导器件结构的3.51 Ω降低为2.67 Ω, 电光转换效率由54.7%提升至69.5%。