围绕高性能GaN基垂直腔面发射激光器(VCSELs), 设计了两种具有不同光电耦合强度的InGaN/GaN量子阱(QWs)样品, 研究了它们的光学性质。样品A在腔模的两个波腹处各放置两个InGaN耦合量子阱, 而样品B在腔模的一个波腹处放置5个InGaN耦合量子阱。计算表明样品A具有较大的相对光限制因子1.79, 而样品B为1.47。光学测试发现样品A有着更高的内量子效率(IQE)和更高的辐射复合效率。使用两种样品制作了光泵VCSEL结构, 在光激发下实现激射, 其中基于样品A的VCSEL有着更低的激射阈值。结果表明有源区结构会显著影响量子阱与光场的耦合作用、外延片的内量子效率、辐射复合寿命和VCSEL激射阈值, 同时也说明样品A的有源区结构更有利于制作低阈值的VCSEL器件。

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。

设计了一种纤芯区域由中心椭圆缺陷孔和其横排的上下两侧椭圆孔组成的高双折射率光子晶体光纤, 并在其纤芯中心椭圆缺陷孔中填充高折射率液体物质二硫化碳.利用有限元法分析了该光子晶体光纤的双折射率、功率限制因子、模场分布及色散系数特性.研究结果表明: 液芯光纤具有较高的纤芯功率限制因子, 在波长0.6~1.6 μm范围内实现了宽带大负色散系数, 在波长1.55 μm处光纤双折射率达到了6.8×10－2, 即该结构液芯光子晶体光纤同时实现了宽带大负色散和高双折射率特性.通过结构参量容差性分析得到该光纤具有较好的偏振稳定性.

基于等离子体表面波的物理机理，提出一种具有高限制因子的二维亚波长槽形结构.该结构能在二维上都限制在亚波长尺寸，其能量主要限制在芯区中，当芯区横截面尺寸为200 nm×800 nm，能量限制因子高达98.5%，横向模式尺寸近似于芯区宽度；当金属墙厚度大于截止厚度，横向模式尺寸能够达到深亚波长尺寸.该结构的基模分量Ex限制在芯区中，而分量Ey只在矩形介质芯区四个与金属接触的直角处被激励，并且关于x轴、y轴具有反对称性.

应用数值解法对包层为单轴晶体材料且其光轴平行于光纤轴的光纤功率限制因子进行了理论模拟，并从模式特性出发解释了k_cl对该类光纤Bragg光栅的反射率的影响。计算结果表明：对于HE₁₁模，各向同性材料包层光纤中的能量比单轴晶体材料包层光纤中的能量更容易集中在纤芯中传输，而且集中程度与k_cl的取值有关；各向异性材料包层比各向同性材料包层的光纤Bragg光栅的反射率要高；此类光纤Bragg光栅的反射率主要是由光纤纤芯和包层中能量分布决定的。

根据电场在激光器腔镜反射的相位特性,研究了在不同腔镜组合情况下垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)几种可能的驻波图样.结果表明,驻波图样与两端反射镜顶层折射率的选择密切相关,有源层中心与驻波波腹的相对位置对VCSEL的限制因子以及阈值特性等有很大的影响.

利用周期谐振增益结构设计了以InGaAs/GaAsP/AlGaAs为有源区的980 nm二极管泵浦垂直外腔面发射半导体激光器.根据理论模型计算了纵模限制因子、阈值增益、光增益、输出功率等特征参数,优化了激光器特征参数并设计了OPS-VECSEL2结构.理论计算表明,LD泵浦的垂直外腔面发射激光器的输出功率可大于1.0 W.

从基空间填充模出发,将光子晶体光纤的包层等效成均匀介质,从而将光子晶体光纤等效为阶跃折射率光纤。利用等效折射率模型,对光子晶体光纤的模式特征进行了详尽的研究,主要包括模式特性、传输常量、模场分布、功率限制特性、瑞利散射损耗特性、色散特性,等等。并通过功率限制因子这一参量将它与单模光纤进行比较。结果表明,光子晶体光纤单模工作波长范围比较宽,功率限制因子比较高,可用于制作更高抽运效率的光纤放大器。

通过对描述半导体激光器基本光波导方程的数值求解，分析了AlGaAs/GaAs分别限制量子阱激光器的光学限制特性，比较了不同缓变结构及多量子阱结构的光学限制因子。

采用折射率台阶近似法将梯度折射率分别限制异质结单量子阱(GRINSCH—SQW)激光器波导结构中的缓变折射率层离散成折射率近似为常数的亚层,从而推导出此波导的近似本征方程,并用数值计算求解出波导对于基模的等效折射率。在此基础上,通过计算波导中垂直于激光器结平面方向上的光强近场分布,计算出与激光器的阈值电流有密切关系的光学常数——激光器有源层的光限制因子P以及各种波导结构参数对P的影响,同时计算了激光器的远场图形。计算结果可用于GRINSCH-SQW激光器波导结构参数的优化设计。