采用新型多环形腔结构优化垂直腔面发射激光器（VCSEL）的光场分布，解决了大孔径器件严重的载流子聚集效应导致的输出功率低、光束质量差的问题。研究结果表明：新型结构VCSEL较孔径相同的传统结构器件呈现更低的阈值电流，特别是输出功率较传统结构提高了近56%，且远场呈高斯分布。研究工作为实现高光束质量大功率垂直腔面发射激光器提供了新的技术途径。

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。

半导体激光器发射光谱中的边模存在恶化了其光束质量，严重限制了其在通信领域中的应用。基于分布布拉格反射器（DBR）半导体激光器中光栅的占空比、耦合系数、材料折射率三者之间的关系，研究了光栅占空比分布对边模抑制的影响，同时对矩形均匀光栅和矩形渐变占空比光栅结构的边模进行了分析与比较。优化了DBR光栅结构，分析了矩形均匀光栅与锥形渐变占空比光栅结构的旁瓣强度大小。利用时域有限差分（FDTD）法对器件结构进行仿真模拟，在不同光栅占空比分布下，分析了光栅的占空比和反射率的关系，并讨论了渐变占空比光栅反射峰值与光栅长度的关系。结果表明，渐变占空比光栅相比于矩形均匀光栅，边模得到有效抑制。当注入电流为63 mA时，在温度300 K下，矩形渐变占空比光栅结构的器件边模抑制比达到48 dB，并且渐变占空比光栅的反射峰值达到96%。通过分析矩形均匀光栅和锥形渐变占空比光栅结构在远场侧向切面上的光场分布，发现利用锥形渐变占空比光栅制作DBR有助于降低DBR半导体激光器的旁瓣强度。

GaAs基垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)自1977年问世以来, 凭借阈值电流较低、光束质量很高、可集成到二维阵列、易单模激射等优势被广泛应用于各个领域, 但是其尺寸过小而在制造中难以精确控制精度、等离子体刻蚀时易对掩膜和侧壁造成形貌损伤、刻蚀过程中生成副产物过多等问题, 影响了应用范围和提高了制造难度。如何保持高刻蚀速率并尽可能地减小刻蚀损伤成为了目前的研究热点问题。分析了GaAs基VCSEL干法刻蚀技术的研究现状与技术难点, 并展望了未来的发展趋势。

基于严格耦合波理论，分析GaAs/AlO_x高折射率对比度亚波长光栅（HCG）反射镜的偏振和反射特性，设计了横电（TE）偏振的HCG。当入射光由衬底垂直入射时，HCG在940 nm附近的最高反射率接近1。分析了光栅形貌误差和入射角偏差对其反射特性的影响。采用金属有机化合物气相沉积技术进行外延生长，通过电子束曝光、干法刻蚀、湿法刻蚀以及湿法氧化等方法制备出HCG，并进行理论与实验结果的对比分析。实验测试了入射光由光栅表面垂直入射的反射率，其中TE偏振光的最高反射率达到84.9%，与86.5%的理论值比较接近，且横磁（TM）偏振光的反射率低于40%，反射谱的变化规律也与理论结果基本一致，这验证了理论结果的合理性。该反射镜可以作为垂直腔面发射激光器的超薄反射器，具有低损耗、偏振稳定和单模工作的特性。

利用严格耦合波理论和时域有限差分方法设计了一种应用于940 nm垂直腔面发射激光器的Si基零折射率对比度光栅反射镜。对零对比度亚波长光栅(Zero-index-Contrast subwavelength Grating, ZCG)的高反射特性进行了研究，分析了ZCG实现宽带高反射的条件。此外，讨论了光栅结构参数对反射性能的影响并计算了制作公差，模拟分析了ZCG尺寸与垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)氧化孔径尺寸对镜面损耗的影响。所设计的ZCG带宽可达280 nm, Δλ/λ0=29.8%。该反射镜可以替代VCSEL中传统的分布式布拉格反射镜，降低了工艺难度和生长成本，同时有利于VCSEL与其他Si基光电子器件的集成。

采用等离子体辅助电子束镀膜法制备了钛酸镧（H4）薄膜，研究了基底温度和离子束流密度等工艺条件及高温退火和等离子体后处理技术对H4薄膜的光学特性和表面形貌的影响。实验发现，适当地提高基底温度和离子束流密度可以提高薄膜折射率和薄膜质量。在基底温度为175 ℃，离子束流密度为120 μA/cm²时，薄膜折射率最高为2.70，且退火和等离子体后处理技术可进一步使薄膜质量得到改善。将优化的工艺参数用于980 nm高反射膜的镀制，并与采用Ta₂O₅、TiO₂作为高反射率材料的高反膜进行了比较，在600 MW/cm²的激光作用下，H4高反膜系的抗激光损伤特性最优。

研究了金属Cr作为扩散阻挡层的GaAs欧姆接触技术，设计了Au/Cr/AuGe/Ni和Ti/Cr/Au两种欧姆接触合金系统，并对Cr阻挡层厚度与退火条件进行了优化。研究结果表明：两种合金系统均可在380～480 ℃退火条件下形成欧姆接触，且Au/Cr/AuGe/Ni系统在420 ℃/60 s退火条件下的比接触电阻率为2.63×10^－6 Ω·cm²，相较于在相同基底上镀制的Au/Ni/AuGe/Ni合金系统比接触电阻率的最低值1.54×10^－5 Ω·cm²降低了近一个数量级，且具有更好的表面形貌；Ti/Cr/Au系统在440 ℃/60 s退火条件下的比接触电阻率为6.99×10^－7 Ω·cm²，且在420～460 ℃相对较宽的温度范围内均可获得低的比接触电阻率。