【摘 要】
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半导体激光器具有体积小、转换效率高、功耗低和寿命长等优点,被广泛应用于通信、国防、医疗和工业加工等多个领域。Ga As基的半导体激光器作为铷（Rb）和铯（Cs）原子钟的核心部件得到了广泛应用,它的性能直接影响到原子钟的准确性和稳定性。随着芯片级原子钟技术的发展,迫切需要一种低阈值、低功耗、稳定单模、单偏振和窄线宽的Ga As基半导体激光器。针对这一重大需求,本文开展了基于表面光栅的分布式反馈（DF
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半导体激光器具有体积小、转换效率高、功耗低和寿命长等优点,被广泛应用于通信、国防、医疗和工业加工等多个领域。Ga As基的半导体激光器作为铷（Rb）和铯（Cs）原子钟的核心部件得到了广泛应用,它的性能直接影响到原子钟的准确性和稳定性。随着芯片级原子钟技术的发展,迫切需要一种低阈值、低功耗、稳定单模、单偏振和窄线宽的Ga As基半导体激光器。针对这一重大需求,本文开展了基于表面光栅的分布式反馈（DFB）半导体激光器的研究。该激光器不需要材料的二次外延工艺,具有成本低和可靠性高的优势,并能结合DFB激光器与垂直腔面发射激光器（VCSEL）的优点,具有应用于芯片级原子钟的潜在价值。论文主要的研究工作和创新点如下:（1）提出了一种新型的表面光栅DFB半导体激光器结构,该激光器是一种单模、单偏振、窄线宽和低功耗的脊波导型激光器。使用k·p微扰法对激光器有源区的应变量子阱进行了设计;研究了波导上盖层的厚度、折射率以及光栅的刻蚀深度对光栅耦合系数和量子阱的光限制因子的影响;分析了掺杂对电阻以及自由载流子吸收损耗的影响;在此基础上设计了激光器的材料结构。（2）建立了一种基于改进分步法的时域行波模型,并通过该模型对表面光栅DFB激光器的性能进行了仿真。研究了光栅耦合系数、电流注入效率、损耗、λ/4相移的位置以及反射区长度等参数对器件性能的影响,在此基础上设计了表面光栅DFB半导体激光器的结构参数。（3）开发了表面光栅DFB激光器的制备工艺,包括Ga As/Al Ga As材料的干法刻蚀和选择性湿法腐蚀、光栅的制作、Al Ga As材料的选择性湿法氧化、离子注入和电极蒸镀等工艺;实验上制备并测试了基于氢离子（H+）注入技术的表面光栅DFB激光器,该激光器的阈值约为19.5 m A,注入电流为25 m A时的边模抑制比（SMSR）达到45 d B,验证了这种新型表面光栅DFB激光器的可行性;并将实验测量的器件性能与理论设计进行对比分析,进一步优化表面光栅DFB激光器的结构和制备工艺。（4）根据优化后的器件结构和工艺条件,制备并测试了基于选择性湿法氧化技术的表面光栅DFB激光器。该DFB激光器的光栅耦合系数约为200 cm-1,阈值电流约为8 m A,在4倍阈值电流下的SMSR达到50 d B,在15 m A至45 m A的注入电流（约为阈值电流的2倍至6倍）和10°C至50°C的工作温度下,激光器能够稳定单模工作且SMSR大于43 d B,激射波长随注入电流和温度的漂移速率分别为0.07nm/m A和0.06 nm/°C,全特征温度和阈值以上的电流增量的特征温度分别为130°C和200°C。同时,制作了具有更大光栅耦合系数的表面光栅DFB激光器,进一步将阈值电流降到6.5 m A左右。（5）研制了耦合系数为144 cm-1和腔长为200μm的λ/4相移表面光栅DFB激光器,器件的阈值电流约为10 m A,SMSR大于42 d B,全特征温度和阈值以上的电流增量的特征温度分别为159°C和280°C。同时,还研制了带有周期性调制（Corrugation Pich Modulated,CPM）结构的表面光栅DFB激光器,该CPM-DFB激光器能够稳定单模工作,SMSR大于40 d B,阈值约为12.5 m A,该激光器的谐振腔内具有更加平坦的光场分布。
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