为了提高1060 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）的性能，本文对大功率1060 nm VCSEL进行了理论模拟和实验研究。计算得到红移速度为0.40 nm/K，据此确定增益和腔模失配量为-20 nm。对比分析了6种不同InGaAs组分和厚度的量子阱，以及3种不同势垒材料的增益特性和输出特性，模拟结果表明，应变补偿的InGaAs/GaAsP量子阱有源区在温度稳定性、阈值电流以及功率方面更有优势。对P型分布式布拉格反射镜（DBR）进行优化设计，优化DBR渐变层厚度和对数，有助于获得更好的输出特性。采用金属有机化学气相沉积生长了InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱结构的VCSEL外延片，并制备了单管和阵列VCSEL，实验数据和理论分析基本吻合。实验测得，288单元VCSEL阵列在4.5 A电流下，连续输出功率为2.62 W，最高电光转换效率为36.8%，5 mm×5 mm VCSEL阵列准连续条件下（脉宽为100 μs，占空比为1%），且在100 A电流下，获得峰值功率为53.4 W。

设计了中心波长为520 nm的AlGaInN/InGaN 应变补偿分布布拉格反射镜(DBR)结构, 通过调节组分参数实现应变补偿, 使DBR整体应变为0, 采用传输矩阵法, 计算了Al0.7Ga0.3-xInxN/InGaN DBR、Al0.8Ga0.2-xInxN/InGaN DBR、Al0.9Ga0.1-xInxN/InGaN DBR的反射光谱。通过对DBR结构参数进行对比, 优化了其结构和反射性能。首先对比高低折射率层生长顺序, 发现对于Al0.8Ga0.14In0.06N/In0.123Ga0.877N DBR, 先生长高折射率层时, 反射率高达99.61%, 而先生长低折射率层时, 反射率仅为97.73%; 然后对比奇数层DBR和偶数层DBR, 发现两者的反射谱几乎重合, 没有显著区别; 通过研究DBR对数对反射率的影响, 发现对数在20~30对时, 反射率随着对数的增加明显上升, 30~40对时反射率增长缓慢; 最后研究了材料组分对反射谱的影响, 发现Al组分高的DBR折射率差大, 反射性能更优, 而相同Al组分的AlGaInN中In含量越低反射率越高。考虑到DBR制备过程中可能出现的厚度和组分偏差, 模拟了厚度和组分出现偏差时反射谱的变化, 发现高低折射率层厚度每增加或减少1 nm, 反射谱红移或蓝移4~5 nm; 而组分的偏差使高反射带带宽和中心波长处反射率发生明显变化。本文的研究为AlGaInN/InGaN DBR的设计和制备提供了一定的理论参考。

利用金属有机化学气相沉积技术在GaAs衬底上开展了大失配InGaAs多量子阱的外延生长研究。针对InGaAs与GaAs之间较大晶格失配的问题, 设计了GaAsP应变补偿层结构; 通过理论模拟与实验相结合的方式, 调控了GaAsP材料体系中的P组分, 设计了P组分分别为0, 0.128, 0.184, 0.257的三周期InxGa1-xAs/GaAs1-yPy多量子阱结构; 通过PL、XRD、AFM测试对比发现, 高势垒GaAsP材料的张应变补偿可以改善晶体质量。综合比较, 在P组分为0.184时, PL波长1 043.6 nm, 半峰宽29.9 nm, XRD有多级卫星峰且半峰宽较小, AFM粗糙度为0.130 nm, 表面形貌显示为台阶流生长模式。

为研制符合高线性大功率的应变多量子阱激光器，文章在理论上计算了应变补偿，实验选用了金属有机物化学气相沉淀(MOCVD)工艺来研制生长AlGaInAs应变补偿多量子阱结构，最终有源区采用了7组张压应变交替的势垒和势阱层。激光器样本芯片采用共面电极结构，使得激光器的工作电流无需通过衬底，从而降低了激光器工作电容，其电容与传统激光器相比得到相应地减小，提高了激光器的光电特性。实验室制作出了应变多量子阱激光器样本芯片，光荧光分析得出光致发光谱，激射波长为1 304 nm；阈值电流为Ith≤9 mA；单面斜率效率为0.44 W/A。测试结果表明该器件有良好的性能参数。

为了优化在长距离光纤通讯系统中采用的1.31μm波长的量子阱激光器, 对AlGaInAs/InP材料的有源区应变补偿的量子阱激光器进行了设计研究。采用应变补偿的方法, 根据克龙尼克-潘纳模型理论计算出量子阱的能带结构, 设计出有源区由1.12%的压应变AlGaInAs阱层和0.4%的张应变AlGaInAs垒层构成。使用ALDS软件对所设计出的器件进行了建模仿真, 对其进行了阈值分析和稳态分析。结果表明, 在室温25℃下, 该激光器具有9mA的低阈值电流和0.4W/A较高的单面斜率效率; 在势垒层采用与势阱层应变相反的适当应变, 可以降低生长过程中的平均应变量, 保证有源区良好的生长, 改善量子阱结构的能带结构, 提高对载流子的限制能力, 降低阈值电流, 提高饱和功率, 改善器件的性能。

本文提出一种多阱能量表象方法用来分析应变补偿多量子阱的价带结构。这一方法是把应变补偿多量子阱的价带Γ点z方向重轻空穴的能量本征函数作为基矢量建立能量表象，把非Γ点的重轻空穴的能量本征函数按这些基矢量进行傅里叶级数展开，带入Kohn-LuttingerHamiltonian(KLM)方程中得到相应的能量特征矩阵，进而得到其非Γ点的重轻空穴的能量本征值和相应的本征矢。与k.p方法相比，这一方法的优点在于能够有效地分析出阱数和阱间距离对应变补偿多量子阱的能带结构产生的影响，并且所得的能量特征矩阵的阶数要小得多，很容易在微机上进行运算。

从理论上分析了应变补偿多量子阱激光器的阈值特性,并以InGaAs(P)体系为例,分别对应变补偿结构和普通应变多量子阱激光器进行了数值计算。结果表明,具有应变补偿结构的激光器可以获得较大的增益和较小的阈值电流密度。其中,阱材料能带结构的变化是使得应变补偿结构激光器具有上述优良特性的决定性因素。