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。

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。

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。

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。

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。

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。

基于半导体量子阱激光器的基本理论,设计了合理的1.3μm无致冷AlGaInAs/InP应变补偿量子阱激光器结构,通过低压金属有机化学气相外延(LP-MOVPE)工艺在国内首次生长出了高质量的AlGaInAs/InP应变补偿量子阱结构材料,用此材料制作的器件指标为激射波长:1280nm≤λ≤1320nm,阈值电流:Ith(25℃)≤15mA,Ith(85℃)≤30mA,量子效率变化:Δηex(25℃～85℃)≤1.0dB,线性功率:P0≥10mW

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.