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本论文的资助来源为：国家“863”高技术研究发展计划项目“量子点光电子器件微观结构设计与性能预测研究”（批准号：2003AA311070）和集成光电子学国家重点联合实验室开放课题“半导体量子点激光器中应力场分布对结构与性能的影响”。垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）已经成为以半导体激光器为核心的半导体光电子技术的关键支柱之一。它具有阈值低、远场发散角小、调制频率高、易实现单纵模工作和二维集成等突出优点，在光纤通信、光互联、并行光信号处理及光集成元件等方面有着广泛的应用前景。近年来对这种激光器的研究和应用有了很大进展。本文在充分研究VCSEL内各种物理过程相互作用的基础上，对高速光纤通信系统中VCSEL的相对强度噪声（Relative Intensity Noise，RIN）特性、温度特性、调制特性、空间烧孔效应（Spatial Hole Burning,SHB）、横模竞争特性等进行了详细研究和分析，最后还对半导体激光器超短脉冲的激光倍频问题进行了研究。具体内容如下：1、对VCSEL中各个物理过程之间的相互作用进行了详尽分析。分析了载流子扩散、有源区漏电流、载流子与模式的空间分布以及温度变化等对VCSEL有重要影响的现象，以此为基础建立了VCSEL的仿真模型。分析了VCSEL的结构参数、工作条件、温度等因素对激光器性能的影响。2、建立了空间相关的VCSEL速率方程温度模型，分析了VCSEL热效应的内在机制，使用温度经验关系式，建立了作为载流子数和温度函数的热泄漏电流和温度相关增益的表达式，给出了温度和电特性的表达式。以此为基础，分析了VCSEL的瞬态特性、光电特性、调制特性以及温度变化对VCSEL运行机制的影响，研究了阈值对温度的依赖关系、输出光功率的热饱和下降现象以及温度对调制响应的影响。3、考虑VCSEL中载流子的空间分布和横向扩散，采用四阶龙格-库塔算法建立了二维VCSEL速率方程模型。应用模型重点分析了电极的形状、位置以及注入电流强度对激光器横模竞争特性的影响。考虑了光波模式角向分布的不均匀性，讨论了注入电流的角向分布对激光器模式选择的影响并分别对VCSEL的热特性、调制特性以及与空间效应有关的SHB、横模特性等进行了研究。4、采用基于格林函数法的解析计算方法和数值模拟方法对VCSEL的多横模静态特性进行了研究。考虑电场和载流子密度分布的空间依赖性，解析计算得到了横模的稳态解，通过解包含空间模式和注入电流密度分布的线性方程组，得到了横模功率和阈值电流的解析表达式。基于速率方程对VCSEL的横模进行了数值模拟，并与解析结果进行了对比分析。5、对弱折射率导引结构多模VCSEL的RIN特性进行了解析计算和数值模拟。推导得到与电场和载流子密度空间分布相对应的解析式。结果表明，噪声谱依赖于空间模式分布，RIN谱中谐振峰的位置对应于激光器的弛豫振荡频率。采用有限差分方法，从速率方程出发对RIN进行了数值模拟并与解析计算以及实验结果进行了对比和讨论。6、对光纤通信1550nm波段双轴晶体KNbO3（KN）的激光倍频特性进行了研究，首次计算了KN晶体在1550nm波长倍频的相位匹配角和有效二阶非线性系数，得出了二次谐波产生的最佳相位匹配参量，计算和讨论了倍频效率。计算并分析了离散角对有效二阶非线性系数和倍频效率的影响。