采用非对称大光腔外延结构设计制备出976 nm InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱脊形半导体激光器，通过对外延结构的设计优化，以实现器件低远场发散角、低功耗的基横模稳定输出。所制备基横模脊形半导体激光器的脊宽为5 μm、腔长为1500 μm，在25 ℃测试温度下，可获得422 mW最大连续输出功率，峰值波长为973.3 nm，光谱线宽（FWHM）为1.4 nm。当注入电流为500 mA时，垂直和水平远场发散角（FWHM）分别为24.15°和3.90°。在15~35 ℃测试温度范围内对脊形半导体激光器的水平远场发散角进行测试分析，发现随着测试温度的升高，器件远场分布变化较小，水平远场发散角基本维持在3.9°左右。

对硅基周期极化铌酸锂（PPLN）薄膜脊形波导进行了理论分析，并使用有限元软件模拟了25 ℃下泵浦波长为1560 nm的PPLN脊形波导的准相位匹配（QPM）周期与波导脊高和脊宽的关系。仿真结果表明，在相同脊宽（10 μm）或脊高（10 μm）下，PPLN脊形波导的QPM周期随着脊高或脊宽的增加而增大，最后趋于常数（即块状PPLN的QPM周期）。进一步模拟了在脊高和脊宽维持不变的情况下，PPLN脊形波导的QPM周期与温度之间的关系。结果表明，随着温度的增加，PPLN脊形波导的QPM周期逐渐减小，并且温度每升高1 ℃，QPM周期减小约3 nm。根据仿真结果制作了硅基片上集成PPLN脊形波导器件，将其封装成小体积的光纤入光纤出的波导，并测试了性能。当温度为24.8 ℃、1560 nm基频光输入功率为1.2 W时，最大输出653 mW的倍频光，光光转换效率达54.4%，归一化转换效率为20.2 %?W^-1?cm^-2。

铌酸锂薄膜因其优异光学性能及容易与结构紧凑的光波导等器件相集成等诸多优势, 目前已经成为可调谐Fabry-Perot滤波器、电光调制器等器件领域向集成化和微小型化趋势发展的首选光学材料。由于光波导和光纤的尺寸差异而引起了严重的模场失配使得光纤与光波导耦合时存在着较大的插入损耗问题。 仿真分析了超高数值孔径光纤和脊形波导直接耦合时, 其光场模式分布、折射率、耦合效率和耦合损耗等关键性能的相互影响。结果表明当刻蚀深度和宽度分别为300 nm和0.8 μm时, 铌酸锂脊型波导与单模光纤(UHNA7)的耦合效率可达33.8%, 而耦合损耗为4.71 dB。仿真比较了上包层材料替换为二氧化硅和氮化硅材料时, 脊型波导和单模光纤的耦合效率显著增加到63.4%而耦合损耗被降低到 1.98 dB。

为提高1060 nm锥形激光器的输出性能,对1060 nm锥形激光器的脊形波导区和锥形增益区长度进行了优化。当保持总腔长3 mm不变时,设置脊形波导区长度为500,750,1000 μm。在输出功率为2 W时,对三种情况所需的输入电流、功率-电流曲线斜率效率、电光转换效率、输出光谱及远场特性进行了对比。研究结果表明,当脊形波导区长度为750 μm,锥形增益区长度为2250 μm时,1060 nm锥形激光器的输出性能最优。当输出功率为2 W时,所需输入电流为3.95 A,斜率效率为0.61 W/A,转换效率为33.9%,光谱宽度(半峰全宽)为0.3 nm,远场近似高斯分布且95%能量处的水平发散角约为14°。

利用COMSOL软件设计了一种基于S型Y分支SOI脊波导的石墨烯M-Z电光调制器, 并对Y分支波导曲率半径、相位臂长度、芯层间距和输入输出直波导长度等结构参数对调制器的影响进行了分析。在此基础上对电光调制器的性能指标进行了计算和优化, 最终设计出了3dB带宽为143GHz、消光比为15.05dB的硅基石墨烯M-Z电光调制器。

首次提出了采用Er-Ta共溅、高温退火的方法, 在硅基二氧化硅表面制备高掺铒氧化钽(Er:Ta2O5)薄膜。利用棱镜耦合仪分析了铒掺杂浓度对Er:Ta2O5薄膜的折射率的影响, 结果表明: Er:Ta2O5薄膜的折射率随着Er掺杂浓度的增加而略微降低, 且所制备的薄膜没有明显的各向异性。在此基础上, 成功制备出Er掺杂浓度分别为0、2.5、5、7.5 mol%的硅基Er:Ta2O5脊形波导, 波导在1 550 nm波段可实现单模传输, 通过截断法得到波导在1 600 nm波长处的传输损耗分别为0.6、1.1、2.5、5.0 dB/cm。在所制备的Er:Ta2O5薄膜中, 尽管没有发现Er2O3结晶析出, 但薄膜中的Er3+会影响Ta2O5晶体的结晶程度, 进而增加波导的传输损耗。最终文中制备的掺杂浓度为2.5 mol%的硅基Er:Ta2O5脊形波导通过980 nm激光泵浦, 在1 531 nm信号波长下达到了3.1 dB/cm的净增益。

为了进一步探索用绝缘体上晶体硅制作的浅刻蚀脊形波导侧向泄漏损耗的规律, 提出并研究了一种非矩形截面浅刻蚀绝缘体上晶体硅脊形波导.用光的干涉理论建立该波导的周期性损耗模型并推导出损耗周期公式, 然后通过完美匹配层边界条件下的频域有限元法仿真观察该特殊波导类TM0模的侧向泄漏损耗周期的变化与最大损耗点的偏移现象.周期大小的仿真结果与理论计算符合度较高, 其平均相对误差仅0.56％.此外, 发现该类波导在某些沟槽宽度下可以通过改变截面来实现对类TM0模损耗从最大到最小的调节, 而在另外一些沟槽宽度下, 类TM0模损耗对截面变化不敏感.研究结果可以简化波导加工并提高制作容差, 为该类型波导的设计与制作提供参考.

针对锥形半导体激光器中的脊形波导区宽度较小的问题, 对半导体激光芯片制造中的刻蚀标记及刻蚀方法进行了研究。提出对于锥形半导体刻蚀中的脊型区域和锥形区域, 采用不同精度的双标记刻蚀方法, 细化对脊形波导和锥形波导的刻蚀中的对准问题, 并使光刻标在不同的光刻版上相错位排列, 在相应光刻版中相互遮挡, 反复刻蚀中保证相应的光刻标清晰、完整。刻蚀后的芯片在电流为7 A时获得了中心波长963 nm、连续功率4.026 W、慢轴方向和快轴方向激光光束参数乘积分别为1.593 mm·mrad和0.668 mm·mrad的激光输出。

介绍了由双量子阱非对称波导结构外延片刻蚀成的带有脊形波导结构的锥形半导体激光器。该激光器有效抑制了p型区域对激光的影响, 减小了半导体激光快轴方向的发散角, 同时采用脊形结构和锥形结构的组合获得了高亮度激光。实验中, 在电流7 A时获得了中心波长963 nm、连续功率4.026 W的激光输出。测得慢轴方向和快轴方向激光光束参数乘积分别为1.593 mm·mrad 和0.668 mm·mrad。