随着芯片产业的快速发展,对集成化的要求越来越高,电互连技术已经越来越接近其瓶颈——随着器件尺寸的不断减小,电子器件尺寸已经接近其物理极限,研发尺寸更小的器件需要的成本飞速升高,导致半导体技术的更新增长速度已经放缓。光互连技术具有传输速度快、带宽宽和抗干扰能力强等特点,为硅基集成芯片的发展提供了新的方向。用光电子器件取代电子器件和用光互连取代电互连有望解决片上电互连的瓶颈问题。1.3μm波长正好是光纤的一个低损耗窗口,并且在该波长处,单模光纤的总色散为零。这样,1.3 μm波长区就成了光纤通信的一个理想工作窗口,也是目前光纤通信系统的主要工作波段。硅基半导体技术在硅基电互连的发展过程中已经非常成熟,它被认为是硅基光互连领域最有前景的技术。直接外延硅基III-V族半导体材料的发光性、导电性和掺杂浓度等性能可调,方便我们对器件的各种功能进行调整和优化。除此之外,直接外延的材料生长方式使半导体材料更适合于硅基光电集成和大尺寸生长,有利于批量生产。硅基III-V族量子点微盘激光器具有高品质因数、易集成、低功耗和低成本等优点,作为硅基集成芯片光源具有非常大的优势。迄今为止,硅基微腔激光器的研究领域已经取得了许多重要进展。然而,这些研究主要集中在材料结构、生长过程和器件制备上,缺少从理论上对硅基微腔激光器结构的系统性研究。本论文主要研究了具有波导输出结构的电泵浦1.3 μm硅基InAs/InGaAs量子点微盘激光器光电性能与结构参数的关系。采用时域有限差分方法,分别探究了微盘腔直径、激光器材料包层厚度、刻蚀深度和波导宽度对微盘激光器品质因数和光学模式特性的影响。在此基础上,我们提出了两种新的输出结构,并分别对这两种结构的性能进行研究。最后通过理论分析,得到不同输出结构下微盘激光器的阈值电流。具体工作及研究成果如下:(1)研究了硅基激光器的微盘腔直径与品质因数的关系。对于直径为4 μm-12 μm的微盘腔来说,随着微盘腔直径的增大,品质因数先增后减。当直径为7 μm时,微盘腔的品质因数达到最大值。(2)研究了硅基激光器材料包层厚度对光学模式和品质因数的影响。由于有源区中的TE模可以耦合到上下包层中,并沿z和-z方向传播,这两个模式相互干扰,形成加强或减弱,从而减少或增加包层引起的垂直辐射损失。因此,微盘腔的品质因数随着包层厚度的增大而呈现周期性变化。当激光器材料包层厚度为1.75 μm时,微盘腔的品质因数达到第一个极大值。考虑到实用性与经济性,包层的优化厚度为1.75 μm。(3)研究了刻蚀深度对硅基激光器微盘腔特性的影响。当刻蚀深度为4.53 μm时,品质因数达到最大值,随着刻蚀深度增加,品质因数不再增大。这个现象表明,当刻蚀界面低于下包层与位错阻挡层的界面之后,包层对有源区中光学模式的约束能力不再随着刻蚀深度的增大而改变。因此,微盘腔的优化刻蚀深度为4.53 μm。(4)研究了输出波导宽度对硅基微盘激光器光学模式性质的影响。对于波导直接与微盘腔相连的微盘激光器,随着波导宽度的增加,微盘腔的品质因数迅速降低。由于微盘腔连接波导时,腔内的回音壁模式发生改变,模式分布发生显著变化,导致品质因数突然下降。我们分析得到波导宽度的最优值为0.5μm。(5)提出了两种新的硅基微盘激光器的输出结构。基于传统的总线输出波导结构,我们分别设计了波导与微盘腔重合的总线波导以及单端输出总线波导这两种输出结构,并通过仿真计算分别研究了这两种输出结构的性能。在微盘腔尺寸、激光器材料包层厚度和刻蚀深度一定相同的情况下,这两种结构的激光器的品质因数均在波导宽度为0.5 μm时取得最大值。对于波导与微盘腔重合的激光器结构,当切口宽度为3.5 μm,波导宽度为1.5 μm时,输出波导中的模式具有向上泄露的趋势,这种特性使得该结构适用于垂直耦合输出的结构。(6)从理论上证明上述设计的硅基微盘激光器满足激射要求。根据速率方程和激射条件,分别得到不同输出结构的硅基微盘激光器的阈值电流:对于输出波导直接与微盘腔相连的激光器,其阈值电流约为0.9 mA;对于波导与微盘腔重合的激光器,其阈值电流约为1.05 mA;对于具有单端输出波导结构的微盘激光器,其阈值电流约为1.2 mA。与其他硅基微腔激光器相比,这些阈值电流的值均在可以接受的范围内,表明我们优化设计的硅基微盘激光器可以实现激射。