半导体激光器具有体积小、易于调谐、结构紧凑以及价格低廉等优势,在高速光通讯、激光传感、激光医疗、激光加工等领域具有重要的应用前景。其中,增益开关半导体激光器可通过电注入或光泵浦的方式直接进行调制,其激光脉冲具有灵活性强、可重复频率高等优点,是产生超短脉冲最简单的方法。由于非对称耦合量子阱（Asymmetric coupled quantum wells,ACQWs）具有增益谱宽、微分增益高、光约束增强以及载流子输运效率高的特点,在改善和提升光电器件性能方面有着广泛的应用,是作为半导体激光器有源区结构良好的选择。本文围绕ACQWs结构以及不同谐振腔类型的ACQWs半导体激光器,基于光致发光谱和时间分辨光谱开展了一系列瞬态光学性质的实验研究,并基于载流子的隧穿机制,构建了ACQWs速率方程模型,对实验结果进行了仿真拟合,深入研究了ACQWs激光器脉冲特性的物理机制,为优化ACQWs半导体激光器的结构设计,进一步提升输出激光脉冲性能,提供有价值的参考。本论文主要研究内容如下:1、设计制备了Al Ga As、Ga N材料体系的非对称非耦合量子阱、非对称耦合量子阱结构,通过测试不同温度和不同激发功率下的时间分辨光谱,深入研究Al Ga As/Al As以及In Ga N/Ga N ACQWs的光学性质以及载流子的动态输运过程。采用有限差分法求解Schr?dinger方程,计算ACQWs的量子化能级与波函数分布,用以确定ACQWs发光峰位相对应的跃迁能级,从而对不同量子阱中的载流子弛豫、输运以及复合过程进行讨论。根据载流子的速率方程模型提取了量子阱间载流子的隧穿时间,讨论了声子散射辅助载流子隧穿的物理机制。2、研究了光泵Ga N基In Ga N/Ga N ACQWs垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL）的脉冲激光特性。通过测试不同激发功率下的激光光谱,研究了ACQWs VCSEL的双波长激光发射特性,并通过调节泵浦功率的大小,实现可控的输出双波长的切换。基于传输矩阵法计算VCSEL谐振腔中纵模分布、光场分布以及增益增强因子,结合时间分辨光谱分析了VCSEL激光动力学,揭示了不仅是有源层与光场的耦合会影响VCSEL的激光特性,ACQWs结构中载流子复合和隧穿过程对于激光器双波长激射和切换有着重要的决定作用。3、研究了电注入Ga N基ACQWs脊形波导法布里-珀罗（Fabry-Pérot,FP）边发射激光器的脉冲特性。通过测试输出激光的时间分辨光谱,研究了电注入参数对不同波长分量激光脉冲的特性影响。通过改变偏置直流的大小,实现了双波长切换的激光发射。基于ACQWs结构中隧穿效应引起的载流子非均匀分布,揭示了激光脉冲波长分离以及双波长切换激射的物理机制。4、结合ACQWs中载流子的隧穿效应构建了速率方程模型,详细分析了ACQWs间载流子的输运过程对激光脉冲特性的影响。模型仿真结果与实验数据相一致,证明了该模型的可行性,同时揭示了ACQWs中载流子的弛豫与复合过程影响激光脉冲瞬态特性的微观机制。通过将电子和空穴的费米分布引入上述速率方程模型,构建了含能量变化的ACQWs速率方程模型,有望为深入研究ACQWs半导体激光器的输出特性提供理论支持。本文的研究增强了对ACQWs结构中载流子的输运与复合机制的理解,深入探讨了不同谐振腔类型的ACQWs激光器的瞬态脉冲特性,所构建的速率方程模型为揭示ACQWs激光器脉冲特性的物理机制提供了可靠的理论支撑,在优化激光器结构设计方面具有一定的参考价值,对提升半导体激光器性能并进一步拓展实际应用领域具有重要的意义。