短毫米波及太赫兹行波管具有宽频宽、大功率、高效率等优点, 在高分辨成像、高速通信、电子对抗等领域有着广泛的应用前景。分析和评述了国内外研究单位的研制水平, 以及作者近年来研发的行波管, 频率覆盖 E波段、W波段、G波段和 Y波段等多个频段。为进一步提升毫米波及太赫兹行波管输出功率, 在新型折叠波导慢波结构、相速再同步技术、周期聚焦磁场 (PCM)聚焦带状电子注、多注集成等方向开展了分析与实验研究, 为器件的性能提升和应用推进提供技术支持。

为了降低微盘腔半导体激光器工作时有源区的温度, 提升封装的可靠性, 基于Ansys Workbench有限元分析分别对AlN, WCu10, SiC, 石墨烯, 以及CVD金刚石过渡热沉封装的蜗线型微盘腔半导体激光器进行了热特性分析, 得到了器件工作时的温度分布以及热应力、热应变分布。结果显示, SiC封装器件的有源区温度较AlN和WCu10封装器件分别降低了2.18, 3.078℃, 并在五种过渡热沉封装器件中表现出最低的热应力, 器件热应变最小。SiC过渡热沉封装可以有效降低微盘腔半导体激光器工作时的有源区温度, 同时减少封装应力与器件应变, 从而提高器件的散热能力和可靠性。计算结果对半导体激光器单管散热及阵列集成散热均有指导意义。

湿法氧化工艺是垂直腔面发射激光器(VCSEL) 制备过程中极为关键的技术,但目前氧化工艺的稳定性和可控性仍有待完善。针对氧化过程中的核心因素——氧化温度进行深入研究,通过设置对照实验,探究了氧化温度对氧化速率及氧化孔形状的作用规律,这对精确控制氧化孔的尺寸和形貌并改善器件的电光特性具有重要意义。同时根据AlGaAs氧化反应机理,优化设计了氧化温控曲线,实验结果表明,通过该氧化温控氧化的样品具有非常良好的热稳定性,整体结构可靠性高。

在氧化物限制型垂直腔面发射激光器制备中,刻蚀GaAs/AlGaAs时因异质型材料常出现选择性内蚀现象,这会直接影响后续的氧化工艺及电极钝化的效果。针对因选择性内蚀而出现的“镂空”现象,对湿法刻蚀工艺和干法刻蚀工艺进行详细研究,研究结果表明通过调整刻蚀液体积配比和感应耦合等离子体(ICP)刻蚀下电极射频功率可有效消除“镂空”现象。湿法刻蚀中,当刻蚀液H3PO4-H2O2-H2O各物质体积配比为1∶1∶10时,得到了陡直度较好且光滑的侧壁。ICP干法刻蚀时,通过改变下电极RF功率可调整腔室内的化学刻蚀和物理刻蚀的动态平衡,在下电极射频功率为100 W时,“镂空”现象基本消失,且侧壁陡直度大于80°。

根据分布布拉格反射镜(DBR)的工作原理，优化量子阱(QW)和DBR结构，采用Crosslight 计算机模拟软件模拟了垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)的反射谱和QW增益谱，确定QW组分、厚度以及DBR的对数。采用分子束外延技术外延生长并制备了850 nm顶发射VCSEL。测试结果表明，阱宽为5 nm的In0.075Ga0.925As/Al0.35Ga0.65As QW，在室温下激射波长在840 nm左右，设计的顶发射VCSEL结构通过Ocean Optics Spectra Suite软件验证，得到室温下的光谱中心波长在850 nm附近，证实了结构设计的正确性。

根据固态器件的发展和返波振荡抑制的特点,针对kW级mm波螺旋线行波管设计了低增益高频结构,通过切断、螺距渐变和添加衰减器的方式对返波振荡进行了抑制。通过微波仿真软件对其色散特性、耦合阻抗特性进行了模拟计算；通过三维大信号注波互作用计算软件进行了注波互作用计算与优化,并使用粒子模拟（PIC）软件进行了计算。结果显示,在频带29~31 GHz范围内,输出功率达到1002 W,增益大于21 dB,电子效率大于16.8%,返波振荡得到抑制。

垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有低阈值电流、圆形光斑、高调制带宽、易于单纵模激射以及高密度二维光集成等优势。在实际应用中,单横模VCSEL是光通信、高速局域网、光互连等许多应用领域的理想光源。在分析VCSEL的结构特性和模式特性的基础上,详述了单横模VCSEL近年来取得的重要进展,分析了各种单横模技术的优势与不足,概述了器件广阔的应用前景及仍待解决的问题。

为改善高功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)电流注入均匀性，提高光束输出质量和器件的输出功率，设计并研制出808nm高功率网状电极VCSEL。将VCSEL P面的注入电极由传统的环形结构改为网状结构并且热沉位于N面电极。实验制备了出光孔径同为500μm的传统环形电极和网状电极两种高功率VCSEL，并对器件的性能进行了对比测试。测试结果表明，网状电极结构高功率VCSEL相对传统环形电极结构高功率VCSEL器件具有良好的光电特性，室温下新结构高功率VCSEL的阈值电流为430mA，斜率效率为0.44mW/mA，电光转换效率可达21.7%，最大输出功率可达420mW，是传统结构高功率VCSEL输出功率的2.27倍。

为提高高功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)光电性能，对氧化限制型高功率VCSEL湿法腐蚀工艺进行了实验研究。实验中采用H3PO4系溶液替代以往制备此类器件常用的H2SO4系溶液作为高功率VCSEL外延片的腐蚀液，利用扫描电镜(SEM)研究了腐蚀后外延片氧化窗口的腐蚀形貌变化与腐蚀液浓度的关系，消除了以往采用H2SO4系溶液腐蚀时，高功率VCSEL氧化层侧壁出现的“燕尾”结构; 通过改变湿法腐蚀工艺的外部温度条件和腐蚀液的浓度配比，实验研究了高功率VCSEL湿法腐蚀速率规律，最后得出了制备高功率VCSEL时湿法腐蚀工艺的最佳外部温度条件与腐蚀液的最佳浓度配比。