半导体激光器在生产与科研中占据重要地位,其具有诸多优点包括元件尺寸小、生产成本低、转换效率高和工作寿命长等等,现在已经被大量应用于工业、医疗和军事等多个领域。在某些对激光器的光束质量与出光功率有着严苛性能要求的应用情境下,传统的半导体激光器要通过阵列耦合输出以及复杂工艺进行光束整形才能同时实现高功率、高光束质量的目标,增加了激光器的生产成本。面发射DFB半导体激光器的问世,为解决这一问题提供了新的方案,加速了半导体激光器在降低功耗、模式稳定与提升功率等方向的性能优化,并提升了相关产业的发展速度。本研究对如何实现窄脊型面发射DFB激光器的单模低阈值输出展开工作。研究工作将按照以下思路展开:掌握面发射DFB激光器的工作原理,明确影响面发射DFB激光器输出特性的各个因素。以增强输出光的空间相干性与时间相干性为设计目标,分别对脊波导结构与二阶光栅对器件出光特性的调控作用展开研究,通过软件模拟指导参数优化,完成实验器件结构设计工作。探索优化半导体激光器制备工艺,开展二阶光栅面发射DFB激光器的制备试验,并对不同选模机理的器件进行拓展性研究以及制备与测试分析工作。本文的主要内容如下:1.系统介绍了半导体激光器的工作原理,阐述了衡量激光器出光特性的各项参数,包括阈值振荡条件、增益表达、输出功率以及转换效率。对面发射DFB半导体激光器的结构特点进行了介绍,对面发射DFB激光器的重要结构二阶光栅的工作机理进行了理论分析,为器件的设计工作提供理论依据;2.对影响窄脊面发射DFB激光器出光特性的结构参数进行了研究。通过模拟计算明确了脊型波导的脊深与脊宽对横模分布与电学特性的影响,确定了脊型波导的设计参数;研究了二阶光栅各项参数对表面出射率与耦合系数的综合影响,结果表明可以通过调整光栅周期来控制出射波段,通过改变光栅的占空比、刻蚀深度与倾角来调整反馈耦合效率,改善表面出射率,保持纵模稳定;同时提出了一种在衬底部位引入布拉格反射镜的结构,分析了布拉格反射镜对光栅的协同调控作用。结论显示可以通过调整反射镜的占空比与材料折射率来获得较高的表面出射率,增强单模工作特性。另外证实了增加反射镜周期介质层数可以增强表面出射效果。根据模拟仿真的结果与理论计算,提出了器件的整体结构设计方案;3.对面发射DFB半导体激光器的制备工艺进行了研究,主要包括紫外光刻、ICP刻蚀与湿法刻蚀、PECVD蒸镀等工艺,对影响器件形貌与出光效能的工艺参数进行了优化,设计并改进了整体工艺流程,对窄脊型二阶光栅面发射DFB激光器开展了制备试验。通过对外延结构的生长得到了实验所需的外延片,光致发光波长在960.4nm附近,半高峰宽约24.7nm,通过Mapping检测PL谱均匀性良好。完成了器件重要结构二阶光栅的制作,得到的光栅整体形貌良好。二阶光栅的实际周期302.3nm,占空比为0.59,相对误差为0.77%;一阶光栅的实际周期146.1nm,占空比为0.61,相对误差为2.60%。基本符合设计要求,满足实验需要。4.对曲线光栅DFB激光器的输出特性进行了研究。对比了曲线光栅与传统直列光栅在选模机理上的不同,结合曲线光栅制备工艺,完成了曲线光栅DFB激光器的制备。经过测试分析得到,器件的中心波长为1067.62nm,线宽为0.12nm,边模抑制比约为32d B,远场发散角为4.76°×36.4°。阈值电流为0.23A,峰值脉冲输出功率达到3.66W,平均斜率效率为2.10W/A,最大光电转换效率达到61.23%。曲线光栅DFB激光器相较于传统边发射半导体激光器在光束质量与电学性能上均有明显提升,具有波长稳定性好、输出功率大与转换效率高的输出特性。