为了打破均匀光栅对称结构的限制，进一步提高硅基光电集成片上光源的耦合效率。本研究提出基于绝缘衬底上硅结构的高效递进式光栅耦合器的设计，适用于垂直腔面发射激光器（VCSEL）键合到硅光子集成电路，降低了VCSEL光电集成对键合角度的工艺难度要求。该方法通过同时改变光栅的周期和占空比，并优化光栅的刻蚀深度，实现了对布拉格条件的调整，使衍射场分布与高斯场分布更为匹配。此外，还优化设计周期与占空比为定值的均匀光栅耦合器和周期固定、占空比改变的前端渐进式光栅耦合器两种结构。作为对比验证了递进式光栅耦合器设计的有效性，在提升耦合效率的同时，增加了VCSEL入射角倾角的耦合方向性，使VCSEL器件耦合方向更为灵活。数值仿真结果显示，设计的均匀光栅、前端渐进式光栅、递进式光栅的最高耦合效率分别达到54.62%（-2.63 dB）、60.18%（-2.21 dB）、64.55%（-1.90 dB）。得益于设计的优化，该结构对光源入射倾角具有6°~21°的容差范围，大幅降低了实验工艺的难度。通过数值计算结果证明了该方法的可靠性，同时也展现了在不使用背反射镜的情况下，基于硅基异质集成结构能实现高达64.55%（-1.90 dB）耦合效率和大入射角度容差的潜力。实验结果表明，在1 500~1 600 nm波段范围内设计的光栅耦合器在光纤不同入射角度测试中，对不同的入射角均具有较高的耦合效率，具有更好的耦合方向性。

窄线宽、基横模半导体激光器件的应用范围非常广泛。为获得窄线宽、基横模输出的半导体激光器，在边发射半导体激光器脊波导两侧分区制作高阶侧向耦合光栅和侧向损耗结构，用以压窄线宽和抑制高阶横模。该器件在50 μm宽脊波导前端的两侧刻蚀损耗结构区，长度为150 μm，横向刻蚀深度为10 μm。侧向耦合光栅的长度为700 μm，周期为6.3 μm，占空比为0.4。实验结果表明，在注入电流为0.6 A时，该激光器件的输出光斑仍能保持“单瓣”状态，发散角为5.92°，光谱线宽为46 pm，波长为1058.7 nm，相比于宽脊波导激光器（WR-LD）分别降低了16.5%和59.6%。该激光器获得了259.19 mW的输出功率和0.52 W/A的斜率效率，相比于WR-LD分别提升了25.6%和33.3%。

设计了一台紧凑型高温激光二极管阵列侧面泵浦Nd：YAG脉冲激光器。通过半导体制冷器控制泵浦源工作温度在60℃，其发射中心波长为808 nm，谱线宽度为4 nm。模拟了泵浦源在40℃、50℃和60℃条件下60 s内的温度场分布。实验所用激光增益介质为Nd：YAG晶体，尺寸为φ 5 mm×50 mm，掺Nd³⁺摩尔浓度为1.0at.%。采用磷酸二氘钾晶体作为电光调Q开关，在泵浦源电脉宽250 μs，重复频率20 Hz、1 Hz条件下，获得最大能量为230 mJ、246 mJ的单脉冲输出，对应的脉冲宽度分别为8.4 ns、7.8 ns。光束发散角约为1.6 mrad。设计的Nd：YAG脉冲激光器总的电-光转换效率大于4.6%。

基于二维材料的非线性光开关是调Q光纤激光器的核心器件，二维材料光开关的浓度会直接影响其非线性光学吸收特性，从而改变脉冲的时域特性。因此，针对二维材料浓度对调Q光脉冲的影响进行了研究，并通过实验制作了基于不同浓度Ti: Bi₂Te₃可饱和吸收光开关，分析了Ti: Bi₂Te₃浓度对非线性光学吸收特性的影响，获得了调Q光脉冲的调制深度、脉冲宽度、重复频率和单脉冲能量随不同浓度Bi₂Te₃的变化关系。最终，针对谐振腔参数对Ti:Bi₂Te₃浓度进行优化，在泵浦功率为71 mW时，获得了中心波长为1 560 nm、脉冲宽度为8 μs，重复频率为14.2 kHz、平均输出功率2.15 mW、对应单脉冲能量为151.4 nJ的脉冲输出。