半导体超辐射发光管是一种介于半导体激光二极管和半导体发光二极管之间的一种半导体光源，它的出现和发展是受到光纤陀螺的驱动，并成为一种重要的光源。半导体超辐射光源由于具有输出功率大、光谱宽、发散角较小等特点，因此现在在很多领域得到了广泛的应用，如光纤陀螺、光时域反射仪、局域网、光学相干层析成像、光波分复用系统以及光处理技术等。从超辐射发光管的应用角度来看，希望器件有更高的输出光功率和更宽的输出光谱。然后这两个参数是相互矛盾的。因此兼顾二者的器件设计是该项研究的中心课题。我们在采用超辐射发光管和半导体光放大器单片集成来提高器件输出功率的同时，采用了多种方法来拓宽器件的光谱宽度。 本论文首先介绍了超辐射器件的发展历程，并专门对单片集成的超辐射发光器件的提出及设计作了介绍。针对超辐器件的特点，并专门对我们器件结构做了一定的处理后，我们通过速率方程对器件作了摸拟。计算结果表明我们采用的这种集成器件结构可以使器件的输出效率有明显提高，这种集成的结构可以使器件内的的受激辐射以正向传播的受激发射为主，这样就抑制了器件内反向传播的光子数，使器件内光子主要是向正向传播，这就可以有效的提高器件的输出光功率。 由于超辐射器件的最重要的两个参数光谱宽度和输出功率是相互矛盾的，在增加器件的工作电流或增益腔长度等来提高输出器件输出功率时，器件的输出光谱也会随之变窄。因此要获得较宽的输出光谱需要从器件材料方面考虑。为此我们设计并制作了两种不同阱数的非均匀阱宽多量子阱InGaAsP 材料来提高器件的光谱宽度。采用这种非均匀阱宽的多量子阱器件，输出光谱宽度最宽可达 98nm。但是在实验中我们发现，非均匀阱宽量子阱材料在有效增加器件的输出光谱宽度的同时，器件的输出功率也明显下降了。这是由于在这种材料的器件中，每种阱宽的量子阱数减少，而每种阱宽的量子阱对应一定波长的增益，因此器件工作时，会使对应波长的增益下降，导致器件的输出功率有所下降。 在集成超辐射器件中，在通过提高光放大器区域注入电流来提高光放大器增益时，器件的输出功率明显上升，但器件的输出光谱的谱宽也随之<WP=111>下降。这是由于超辐射区和光放大器区是集成在同种材料上的，它们的发射谱波长有着相同的中心波长。因此器件在工作时，光放大器对由超辐输入的光信号放大时，对于功率较大中心波长的光有着较高的光增益，而功率较小的远离中心波长的部分有着较小的光增益。而且器件的输出功率和光放大器的增益成 e 指数关系。因此就使得器件在增加注入电流的提高器件输出功率的同时使器件的光谱宽度变窄。为此我们提出了使集成器件两个区域具有不同的中心波长的结构。这样就可以使超辐射区的输出光谱和光放大器的增益谱有着不同的中心波长，在两个中心波长之间的波长范围内，超辐射的输出光谱和光放大器的增益谱可以相互补偿，超辐射的输出功率随波长下降时，光放大器的增益谱却随波长增加。这样就可以使器件在增大功率的同时，使光谱宽度不减少，甚至使光谱宽度增加。 一般可以采用选择性腐蚀和选择性再生长或量子阱互混等方法来实现器件的不同区域有不同的带隙结构。前者是在一次外延生长完有源层和限制层后，把一定区域的有源层和限制层选择性腐蚀掉，然后在该区域选择性生长与原有源层不同带隙的有源层以及限制层，然后再生长盖层。此方法概念十分简单，但需要多次外延，另外在材料生长时就需要决定器件的结构参数。而后者是指采用一定的工艺，促使特定区域的量子阱的阱和垒组分相互混合，使材料的的性质发生变化，从而实现不同区域具有不同的带隙。采用这种方法不需要二次外延，且器件结构控制相对方便。这里我们采用量子阱互混的方法来实现同一外延片中的不同带隙结构。目前已有多种方法来实现量子阱混合，主要有：杂质诱导混合、离子注入、激光照射以及无杂质扩散。结合我们的设备条件，我们采用选择区域的无杂质空穴扩散来实现选择区域的量子阱混合。在外延片淀积一层二氧化硅后，我们通过光刻和化学腐蚀把部分二氧化硅刻蚀掉，然后进行快速热退火。有二氧化硅覆盖的部分为量子阱混合增强区，它会促进量子阱混合。退火后，两区域的中心波长相差 31nm。然后再采用普通集成超辐射器件的制作工艺制成量子阱混合的集成超辐器件。实验结果表明，在相近的输出功率条件下，器件的输出光谱谱宽由普通器件的 18nm 增加到量子阱混合器件的37nm。但量子阱混合器件在相同的电流下，输出功率略有下降。 光放大器在光纤通信中是十分重要的元件，它可以代替传统光纤通信中的光-电-光中继器，实现全光通信。半导体光放大器由于体积小、价格便宜、宜于和其它器件集成、可以实现各波段的光放大并且可用于全光波长变换器和光信号全光再生等光信号处理，而成为人们研究的热点。我们采<WP=112>用张应变 InGaAs 体材料作有源区，制作了倾斜的掩埋条形波导结构的半导体光放大器。器件的偏振灵敏度在 2dB 左右。