976 nm高功率半导体激光芯片是光纤激光器的核心部件，具有极为重要的产业价值。报道了课题组在高效率高功率半导体激光芯片的设计、制作与测试方面的研究成果。为了最大限度地提高器件的功率转换效率，同时满足苛刻的寿命要求，在设计上采用双非对称大光腔波导结构，同时对量子阱结构、波导结构、掺杂以及器件结构进行了优化；在外延生长方面，系统地优化了生长工艺参数，确保了外延材料具有极高的内量子效率及低内损耗。大量测试表明：所制作的器件（腔长为5 mm、发光条宽为200 μm的芯片）在室温、连续波（CW）测试条件下，阈值电流约为1 A，斜率效率为1.14 W/A；当电流为9 A时，最高功率转换效率高达72.4%；当电流为30 A时，输出功率达到29.4 W，功率转换效率为61.3%；对应于95%光场能量的水平远场发散角低至8.7°。上述参数性能已经达到了国际同类产品的先进水平。

为探究不同铟(In)组分InxGa1-xN势垒对绿光激光二极管光电性能的影响，本文采用SiLENSe(simulator of light emitters based on nitride semiconductors)仿真软件对一系列具有不同In组分InxGa1-xN势垒的激光二极管进行研究，结果发现InxGa1-xN势垒中In组分最佳值为3%，此时结构的斜率效率最高，内部光学损耗最低，光学限制因子最大，性能最优。在具有In0.03Ga0.97N势垒的多量子阱结构基础上，设计了一种组分阶梯(composition step-graded， CSG)InGaN势垒多量子阱结构，提高了激光二极管的斜率效率和电光转换效率，增加了光场限制能力。仿真结果表明，当注入电流为120 mA时，具有CSG InGaN势垒的多量子阱结构，电光转换效率从17.7%提高至19.9%，斜率效率从1.09 mW/mA增加到1.14 mW/mA，光学限制因子从1.58%增加到1.62%。本文的研究为制备高功率GaN基绿光激光二极管提供了理论指导和数据支撑。

本文设计了GaAs基1 060 nm高性能激光二极管的有源区结构, 通过在有源区中引入锑化物的应变补偿结构GaAsP/InGaAs/GaAsSb/InGaAsSb/GaAsP, 改变了有源区的能带结构, 解决了禁带宽度对发光波长的限制, 将弱Ⅱ型的量子阱能带结构变为Ⅰ型, 增大了电子空穴的波函数重叠, 提高了激光二极管跃迁概率和辐射复合概率及内量子效率, 降低了非辐射复合, 有效增强了器件输出功率和电光转换效率。同时, 设计了非对称异质双窄波导结构, p侧采用导带差大、价带差小的AlGaAs作为内、外波导层, 有利于价带空穴注入有源区且对导带中的电子形成良好的限制。n侧采用导带差小、价带差大的GaInAsP作为内、外波导层, 有利于导带电子的注入且对价带中的空穴形成更高的势垒。电子注入势垒和空穴注入势垒分别由原先的218、172 meV降低到148、155 meV, 提高了激光二极管的载流子注入效率; 电子泄漏势垒和空穴泄漏势垒分别由252、287 meV上升到289、310 meV, 增强了载流子限制能力。最后获得的激光二极管的输出功率和电光转换效率分别达到了6.27 W和85.39%, 为制备高性能GaAs基1 060 nm激光二极管提供了理论指导和数据支撑。

提高半导体激光器的输出功率及电光转换效率一直是国内外的研究热点。本文针对应用在低温环境下的半导体激光器，优化其外延结构中波导层的材料组分，有效降低了器件的串联电阻，使其在低温环境中有更好的性能表现。制备了腔长为2.5 mm的940 nm半导体激光阵列(巴条)，并在－65～5 ℃的温度范围内对其进行性能表征。对比波导层优化前后两种结构的低温特性，结果显示，优化后的外延结构在低温下的性能大幅提升。由于低电阻特性，优化后的外延结构在－65 ℃、占空比为8%(200 μs，400 Hz)的准连续条件下的最大电光转换效率高达82.3%，远高于结构优化前的78.5%，而且其在1000 W输出功率下的电光转换效率为71.3%。

在现有的微波光子系统中, 低成本、高性能和阵列化的电/光转换组件成为了限制微波光子应用的技术瓶颈之一。设计了一种基于光电混合封装技术的四通道直调电/光转换组件, 该组件集成了多种功能芯片, 实现了将四通道2~18 GHz的射频信号转换为光信号的功能。测试结果表明: 该组件实现了18 GHz的电光调制带宽、9 dB的插入损耗、小于30 dB的噪声系数以及大于10 dBm的输入三阶截交点(IIP3); 在保证高性能电/光转换的同时, 有效缩减封装尺寸、降低系统重量和提高系统集成度, 有利于微波光子技术的阵列化应用。

本文设计并制作了一种高效率、高可靠性的915 nm半导体激光器。半导体激光器是光纤激光器的关键部件，为了最大限度地提高器件的电光转换效率，在设计上采用双非对称大光腔波导结构，同时对量子阱结构、波导结构、掺杂以及器件结构进行了系统优化。器件模拟表明，在25 ℃环境温度下，器件的最高电光转换效率达到67%。采用金属有机气相沉积(MOCVD)法进行材料生长，随后制备了发光区域宽度为95 μm、腔长为48 mm的激光芯片。测试表明，封装后器件的效率以及其它参数指标达到国际先进水平，在室温下阈值电流为1 A，斜率效率为118 W/A，最高电光转换效率达665%，输出功率12 W时，电光转换效率达到643%，测试结果与器件理论模拟高度吻合。经过约6 000 h的寿命加速测试，器件功率没有出现衰减，表明制作的高功率915 nm激光芯片具有很高的可靠性。

LED灯的色温受到注入电流和结温变化的同步影响。通过分析实验系统采集到的HL001WY 型GaN 基白光LED在不同管脚温度和注入电流作用下色温变化的实验数据, 利用曲线拟合与趋势回归方法建立色温、注入电流以及管脚温度三者之间动态变化的非线性预测模型, 并对非线性模型的系数采用二次回归来补偿模型系数引起的预测值波动, 提高模型计算精度。抽样测验和模型计算对比表明, 利用该方法建立的动态非线性色温控制模型得到的计算数值与实验测量值的相对误差小于1.5%。

LED灯的光通量不仅受电流的影响,还受到结温变化的影响。针对传统LED调光存在只改变电流大小而忽略结温变化对光通量影响所存在的不足,结合LED结温和管脚温度存在特定的关系,利用实验装置采集HL001WY型GaN基白光LED在不同管脚温度和正向电流下的光通量实验数据并进行二次项趋势回归,利用定标和归一化方法建立光通量、电流以及管脚温度三者变化关系的数学模型。计算结果表明,利用该方法建立的模型得到的计算数值与实验实际测量值的相对误差小于4.5%。

采用高电流注入条件下的载流子扩散方程和复折射率波导模型情况下的亥姆霍兹方程, 对980 nm高功率激光二极管外延材料的非对称和对称波导结构的光吸收损耗进行了理论计算。采用低压金属有机化学气相外延技术制备了两种波导结构的外延材料, 并制作了激光器件, 进行了光电特性测试和对比分析。理论计算和实验结果表明：与对称波导结构相比, 非对称波导结构外延材料并未减小光吸收损耗, 而是减小了串联电阻, 因而降低了器件的焦耳热损耗, 从而提高器件的电光效率。