硅基光电子技术以光电子与微电子的深度融合为特征, 是后摩尔时代的核心技术。硅基光电子芯片可以利用成熟的微电子平台实现量产, 具有功耗低、集成密度大、传输速率快、可靠性高等优点, 广泛应用于数据中心、通信系统等领域。除硅基激光器外, 硅基光探测器、硅基光调制器等硅基光电子器件技术已经基本成熟, 但作为最有希望实现低成本、大尺寸单片集成的硅基外延激光器仍然面临着诸多挑战。在此背景下, 本文从直接外延无偏角III-V/Si(001)衬底、无偏角硅基激光器材料、外延技术, 以及单片集成等方面探讨了近些年国内外硅基光源的研究进展, 重点介绍了本研究组在硅基外延III-V族量子阱和量子点激光器方面的研究进展, 包括无反相畴GaAs/Si(001)衬底的制备、硅基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器材料外延、硅基InAs/GaAs量子点激光器材料外延和新型并联方式共面电极硅基激光器芯片制作等。

研究了InGaAs/GaAs/InGaP 量子阱激光器在不同温度下的电流-电压特性, 并建立了一个理论模型进行描述。实验所用激光器腔长为0.3 mm, 脊条宽度为3 μm。实验测量得到该激光器在15~100 K的电压温度系数(dV/dT)为7.87~8.32 mV/K, 在100~300 K的电压温度系数为2.93~3.17 mV/K。由理论模型计算得到该激光器在15~100 K的电压温度系数为2.56~2.75 mV/K, 在100~300 K的电压温度系数为3.91~4.15 mV/K。在100~300 K, 实验测量与理论模型计算得出的电压温度系数接近, 理论模型能较好地模拟激光器的温度电压特性; 但在15~100 K相差较大, 还需要进一步完善。

报道了InGaAs/GaAs/InGaP量子阱激光器的激光光谱研究,并在法布里-珀罗(FP)腔激光器中发现了单模工作特性,且该单模工作特性可以在较大的工作电流范围内(36~68 mA)存在,在一定的电流(14 mA)范围内保持单模可调谐。在20 ℃,当器件注入电流为62 mA时,激光器单模工作情况下的最大边模抑制比(SMSR)为29.8 dB,在其他电流条件下该器件的边模抑制比也都大于20 dB。激光器在单模工作时,器件最大输出功率(单面)达到12.5 mW。对于具有相同结构和材料的FP腔激光器来说,在不同条宽或腔长的器件中都观察到上述单模工作特性。这一特性在一些单频激光的应用系统中具有较大的应用价值。

对AlGaInAs多量子阱1 300 nm FP激光器进行反射式倒装封装，在热沉上靠近激光器出光端面约10~20 μm的区域采用Au反射层，对器件垂直方向出光进行反射。测试结果显示，与常规封装相比，采用这种结构封装芯片垂直发散角从34.5°降低至17°，器件单模光纤的平均耦合功率从1 850 μW提高至2 326 μW，耦合效率从21.1%提高到26.5%。对两种激光器进行光电参数的测量，结果表明：与常规封装器件相比，采用反射式倒装结构器件的饱和电流从135 mA提高至155 mA，饱和输出功率从37 mW提高至42 mW，热阻从194 K/W降低至131 K/W。最后对两种器件在95 ℃环境温度、100 mA电流下进行加速老化实验，老化结果显示：在老化条件下，器件衰退系数从常规封装的4.22×10-5降低至1.06×10-5，寿命从5 283 h提高至21 027 h。

对AlGaInAs多量子阱FP TO-56半导体激光器在不同环境温度、相同发热量下测量出光波长的变化来分析器件波长温度变化系数; 并对器件在室温、不同发热功率下的出光波长变化进行测量, 分析计算得到器件热阻为183K/W.接着对器件进行不同高温应力试验, 结果显示：环境温度从120℃增加至220℃时, 器件峰值波长发生缓慢蓝移; 当环境温度达到225℃时, 器件波长发生明显蓝移, 从试验前1 297 nm蓝移至1 265 nm; 温度继续增加至235℃, 波长蓝移至1 258 nm, 同时光谱模式间隔从试验前0.92 nm降低至0.84nm, 即模式有效折射率从3.66增加至3.77; 温度继续增加至240℃, 器件失效无光.其主要原因可能为：高温应力下, 激光器外延材料中波导层、量子阱量子垒中的Al、Ga、In金属元素往有源区方向迁移使得量子阱有效禁带宽度以及有源区波导折射率增大.该试验结果为进一步分析器件高温下器件的失效机理以及改善器件高温性能提供试验基础.

利用LASTIP软件理论分析了有源区量子阱数目对不同组分的InGaAsSb/AlGaAsSb 2 μm半导体激光器能带、电子与空穴浓度分布以及辐射复合率等性能参数的影响。研究表明：量子阱的个数是影响激光器件性能的关键参数，需要综合分析和优化。量子阱数太少时，量子阱对电子束缚能力弱，电子在p层中泄漏明显，辐射复合率低。量子阱数过多时，载流子在阱内分配不均匀，p型层中电子浓度升高，器件内损耗加大，辐射复合率下降。结合对外延材料质量的分析，InGaAsSb/AlGaAsSb 半导体激光器有源区最优量子阱数目为2~3。该研究结果可合理地解释已有实验报道，并为2 μm半导体激光器结构设计提供理论依据。

为改善940 nm大功率InGaAs/GaAs半导体激光器输出特性，通过模拟计算了非对称波导层及限制层结构的光场分布，并参照模拟制作了非对称结构半导体激光器器件。采用低压金属有机物气相沉积（LP-MOCVD）生长技术，获得了低内吸收系数的高质量外延材料，通过实验数据计算得到激光器材料内吸收系数仅为0.44 mm-1。进而通过管芯工艺制作了条宽100 μm、腔长2000 μm的940 nm半导体激光器器件。25 ℃室温10 A直流连续（CW）测试镀膜后器件阈值电流251 mA，斜率效率1.22 W/A，最大输出功率达到9.6 W，最大光电转化效率超过70%。

Asymmetric broad-waveguide separate-confinement heterostructure (BW-SCH) quantum well (QW) laser diode emitting at 808 nm is analyzed and designed theoretically. The dependence of the optical field distribution, vertical far-field angle, and internal loss on different thicknesses of the upper waveguide layer is calculated and analyzed. Calculated results show that when the thicknesses of the lower and upper waveguide layers are 0.45 and 0.3 \mu m, respectively, for the devices with 100-\mu m-wide stripe and 1000-\mu m-long cavity, an output power of 7.6 W at 8 A, a vertical far-field angle of 37°, a slope efficiency of 1.32 W/A, and a threshold current of 189 mA can be obtained.

In order to improve the characteristics of the general broad-waveguide 808-nm semiconductor laser diode (LD), we design a new type quantum well LD with an asymmetric cladding structure. The structure is grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). For the devices with 100-\mum-wide stripe and 1000-\mum-long cavity under continuous-wave (CW) operation condition, the typical threshold current is 190 mA, the slope efficiency is 1.31 W/A, the wall-plug efficiency reaches 63%, and the maximum output power reaches higher than 7 W. And the internal absorption value decreases to 1.5 cm^{-1}.