设计并制作了一种新型含有组合光栅结构的分布式布拉格反射（CDBR）半导体激光器。通过引入组合光栅结构，对分布式布拉格反射（DBR）激光器的高阶侧向模式进行调控，提升了高阶侧向模式的损耗，最终优化了远场光斑图案。实验制得的器件腔长为2 mm，脊波导宽度为40 μm，高阶光栅周期为7 μm，占空比为0.6。当注入电流为1.0 A时，组合光栅起到明显作用，远场光斑图案从DBR-激光二极管（LD）的多瓣优化到CDBR-LD的单瓣。CDBR-LD在电流为1.25 A时的饱和输出功率约为433 mW，斜率效率为0.337 W·A^-1，注入电流为0.95 A时的光谱半峰全宽（FWHM）约为0.61 nm。

通过设计基于金刚石微槽结构的复合热沉,利用不同材料的热导率差异改变热流传导方向,以优化垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）面阵由于温度分布不均匀导致的中心热量堆积的问题,从而改善激光器面阵整体的输出功率,提高可靠性。基于有限元分析法建立三维热电耦合模型,研究了VCSEL面阵单元排布方式对激光器热串扰效应的影响,同时还研究分析了金刚石复合热沉中微槽形状和位置的变化对半导体激光器内部温度的影响,设计最优结构对激光器的出光性能做进一步优化。采用金刚石复合热沉后的垂直腔面发射激光器面阵,与传统金刚石热沉的封装结构相比,激光器发光单元的温度差值降低了29%,为大面积半导体激光器面阵的输出功率优化提供了新思路。

为了改善宽脊波导半导体激光器侧模特性和光谱特性, 提出了一种具有侧向微结构脊波导和高阶脊表面光栅的分布反馈半导体激光器。该激光器在宽脊波导的两侧刻蚀微结构区, 基于各阶侧模光场分布不同的特性, 增大了谐振腔内基侧模与高阶侧模的损耗差, 消除了远场光斑“多瓣”现象并且输出功率有所提升; 同时, 借助高阶脊表面光栅, 器件的线宽得到了进一步压窄。在脊波导宽度50 μm、腔长1 mm的情况下, 与宽脊波导半导体激光器相比, 制备的激光器件在0.6 A驱动电流下实现了对高阶侧模的抑制, 输出功率、斜率效率、电光转换效率分别提升了16.4%、17.9%、15%, 并且光谱特性得到了有效的改善, 光谱线宽约为39 pm。

在硅(Si)上外延生长高质量的砷化镓(GaAs)薄膜是实现硅基光源单片集成的关键因素。但是, Si材料与GaAs材料之间较大的晶格失配、热失配等问题对获得高质量的GaAs薄膜造成了严重影响。本文利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术开展Si基GaAs生长研究。通过采用三步生长法, 运用低温成核层、高温GaAs层与循环热退火等结合的方式, 进一步降低Si基GaAs材料的表面粗糙度和穿透位错密度。并利用X射线衍射(XRD)ω-2θ扫描追踪采用不同方法生长的样品中残余应力的变化。最终, 在GaAs低温成核层生长时间62 min(生长厚度约25 nm)时, 采用三步生长、循环热退火等结合的方式获得GaAs(004) XRD摇摆曲线峰值半高宽(FWHM)为401″、缺陷密度为6.8×107 cm-2、5 μm×5 μm区域表面粗糙度为6.71 nm的GaAs外延材料, 在材料中表现出张应力。

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。

受光栅制作工艺的影响,光栅参数的轻微偏移极易导致耦合系数偏离设计值从而影响分布式反馈(DFB)半导体激光器性能。通过微扰下的耦合模理论与数值仿真相结合的方式,对侧向非对称光栅的耦合系数特性进行了深入分析。当光栅宽度与脊型区宽度之比在一定范围内时,两个亚光栅之间非对称距离的引入使波导内的光场产生轻微偏移,光场的耦合状态发生改变。这有利于光栅的耦合系数稳定在一个合理的范围内,有效地缓解了占空比等参数对光栅耦合系数的影响,降低光栅工艺误差对DFB半导体激光器性能的影响;此时谐振腔内光子密度均匀分布,避免了常规光栅结构易引发的空间烧孔效应,有助于半导体激光器窄线宽激光的输出。本文工作将为侧向非同步耦合光栅的设计与应用提供理论参考。