1160 nm波段垂直外腔面发射半导体激光器(VECSEL)是医用橙黄激光的基频光源,但是其发光区的高应变InGaAs量子阱会引起严重的应变积累效应,限制高功率输出。提出一种在单个发光区内采用GaAsP材料对高应变InGaAs量子阱进行二次补偿的方法,保证发光区内的光学吸收层具有高的材料生长质量。提出含Al吸收层的结构,以降低GaAsP势垒引起的能带阻挡效应,提高了发光区光生载流子的注入效率。所制备的VECSEL器件激光波长为1160 nm,输出功率达1.02 W,并获得圆形对称的输出光斑形貌,光斑在正交方向上的发散角分别为10.5°和11.9°。

利用LP-MOCVD技术,采用两步生长法在GaAs(100)单晶衬底上外延生长InxGa1-xAs材料.通过扫描电子显微镜(SEM)与原子力显微镜(AFM)观察了缓冲层厚度对外延层表面形貌、表面粗糙度的影响;利用X射线衍射(XRD)分析了缓冲层厚度对外延层结晶质量的影响;利用拉曼光谱分析了缓冲层厚度对外延层材料合金有序度的影响;通过透射电子显微镜(TEM)观察了外延层材料位错的分布状态,计算了外延层的位错密度.实验结果表明,两步生长法生长的InxGa1-xAs/GaAs异质结材料的缓冲层厚度存在一个最优值.

设计并模拟计算了延伸波长至2.6 μm的复合盖层材料PIN结构In0.82Ga0.18As红外探测器, 即PNN型盖层、PIN结构的In0.82Ga0.18As红外探测器。研究了不同厚度及载流子浓度的PNN盖层对探测器性能的影响。研究结果表明: 在In0.82Al0.18As厚度为200 nm且载流子浓度为2E18、InAs0.6P0.4 厚度为50 nm且载流子浓度为2E17、In0.82Ga0.18As厚度为50 nm且载流子浓度为2E16时, 探测器表现出最佳的性能。与传统PIN结构探测器相比, 其相对光谱响应度仅降低10%, 暗电流降低了1个数量级。计算分析了不同工作温度下的暗电流, 结果显示: 在120～250 K时, 暗电流主要为缺陷隧穿电流; 在250～300 K时, 暗电流主要为带间隧穿电流; 当温度大于300 K时, 暗电流主要为产生-复合电流和扩散电流。

针对铷(87Rb)原子钟激励光源微型化和高温工作的特殊需求，设计并制备了对应铷原子能级跃迁的795 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)。首先，根据k·p理论计算了InAlGaAs/AlGaAs量子阱的价带能级和材料增益，得到最优的量子阱组分和厚度; 然后，采用一维传输矩阵方法设计了795 nm波段的布拉格反射器(DBR)，根据完整结构VCSEL器件的驻波场分布设计了掺杂分布; 最后，采用金属有机气相外延(MOVPE)技术生长了优化的795 nm VCSEL外延结构，并制备了氧化限制型非闭合台面结构的795 nm顶发射器件。实验显示: 封装后的75 μm口径器件可在室温至85 ℃范围内连续工作，最高功率为17 mW，激光光束呈圆形，发散角为15°，激射波长的温漂系数为0.064 nm/℃; 在温度为52 ℃、注入电流为100 mA时，激射波长位于794.7 nm(对应铷原子钟需要的波长)，基本满足铷原子钟激励光源对波长稳定和高温工作的要求。

设计并制备了基于双边非1/4波长布拉格反射波导的边发射半导体激光器, 中心腔采用低折射率材料, 在垂直方向利用布拉格反射进行光限制, 实现了超大光斑尺寸且稳定单横模工作。10 μm条宽、未镀膜的脊型激光器在准连续和连续工作方式下的总的输出功率分别超过了170 mW和80 mW, 且最高功率受热扰动限制。激光器远场图案在垂直方向为双瓣状, 单瓣垂直方向和水平方向发散角分别低至7.85° 和6.7°。激射谱半高全宽仅为0.052 nm, 光谱包络存在周期性调制现象, 模式间隔约为3.3 nm。电流增加到300 mA以上时, 激光器出现模式跳变。

报道了一种采用非对称布拉格反射波导结构的边发射半导体激光器，激光器n型波导采用分布布拉格反射镜，光场通过光子带隙效应限制在低折射率中心腔内，这可有效扩展光模式尺寸并保持稳定的模式特性。激光器p面则利用全反射原理进行光限制，减小了光场与p型区的交叠，从而使器件电阻和内部损耗降低。制备的3 μm条宽、未镀膜及未封装的器件在室温条件下，连续和脉冲工作总输出功率分别可超过160 mW和400 mW，最高功率受热扰动限制。激光器激射波长为995 nm，阈值电流特征温度为121 K。计算和测量的垂直方向远场光斑证明了器件工作于光子晶体缺陷模式。

设计并制备了808 nm波长布拉格反射波导激光器, 在垂直方向采用光子带隙效应进行光场限制, 实现了超大光模式体积和单横模激射。所制备的10 μm条宽、未镀腔面膜的器件在室温、准连续条件下的总输出功率可超过650 mW, 最高功率受热扰动限制。激光器垂直方向和水平方向的远场发散角半高全宽分别为8.3° 和8.1°, 这种近圆形的光束输出可以有效地提高激光器的耦合效率。

理论分析了温度对垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)工作性能的影响，利用VCSEL的增益腔模失配理论设计了适用于高温环境下工作的VCSEL外延结构并对该结构进行了外延生长及工艺制备。理论分析表明，采用势垒高度大于0.25 eV的量子阱有源区结构可以缓解高温工作时器件的载流子泄漏问题。设计了室温下增益腔模偏离为11 nm的器件结构。理论分析表明，在320 K时与器件腔模对应的增益谱波长具有最大的光增益，此时器件具有最小的阈值电流。对分布式布拉格反射镜（DBR）的反射率进行了优化以进一步减小器件阈值电流。采用了一种自平坦化的台面工艺结构制作了7、9、13 μm三种不同氧化口径的器件，器件在室温下的阈值电流分别为1.95、2.53、2.9 mA，最大出光功率分别为0.31、1.11、1.04 mW，并且输出功率的高温稳定性较好。随工作温度的升高，器件阈值电流先减小后变大，在320～330 K时器件阈值达到最小值，与理论分析一致。