Si基光互连的高效光源一般为III-V族激光器,但其工艺与Si-CMOS的工艺兼容性差,这一难题一直阻碍着其发展。同为IV族的Ge材料可以解决这一问题,因此Ge基激光器成为半导体激光器近年来研究的热点。其中GeSn激光器在Ge基激光器中极具应用潜力,这是由于GeSn材料能够通过高Sn组分转变为直接带隙材料,从而极大地提高其激光器发光效率。GeSn激光器的有源区材料（GeSn、SiGeSn）与结构是影响其性能的主要因素,也是本文的研究重点。研究分析GeSn、SiGeSn材料的能带、晶格常数与其各元素组分的关系,设计了Si_0.17Ge_0.66Sn_0.17/Ge_0.9Sn_0.1的量子阱结构。根据半导体激光器工作机制分析了量子阱激光器有源区的特点,揭示了其结构对激光器光电性能的影响规律。在此基础上,分别设计了PiN激光器(i区为Ge_0.9Sn_0.1)、单量子阱激光器(阱层为Si_0.17Ge_0.66Sn_0.17/Ge_0.9Sn_0.1)、多量子阱激光器(阱层为Si_0.17Ge_0.66Sn_0.17/Ge_0.9Sn_0.1),并分析了这三种激光器几何结构参数与物理参数对其光电特性的影响,获得了优化的结构与物理参数:对于PiN激光器,其i区厚度100nm、P区掺杂浓度为1×10¹⁹/cm³时器件性能最优;对于单量子阱激光器,其阱层厚度100 nm、P区掺杂浓度为1×10¹⁹/cm³时器件性能最优;对于多量子阱激光器,阱层厚度为10 nm、垒层厚度为10 nm、量子阱个数为3、P区掺杂浓度为1×10¹⁹/cm³时器件性能最优。对上述三种激光器进行模拟仿真,结果表明:优化后的PiN激光器、单量子阱激光器、多量子阱激光器的阈值电流密度为3.42 kA/cm²、2.21 kA/cm²、1.9 kA/cm²,在300 mA的外加电流下输出功率为4.8 mW、6.3 mW、8.5 mW,发光斜率效率分别为16 mW/A、21 mW/A、28.3 mW/A,发光波长范围在2410²470 nm。在此基础上,建立了PiN激光器、单量子阱激光器、多量子阱激光器的特征温度模型,仿真结果得到三种激光器的特征温度为47.6 K、71.2 K、104 K。综上所述,多量子阱结构的激光器较于其它激光器性能最优。针对Ge_0.9Sn_0.1/Si_0.17Ge_0.66Sn_0.17多量子阱激光器,分析了腔面膜材料特征参数对其光电性能的影响,研究了增透膜与高反膜的反射率与输出功率的关系,获得了优化的增透膜与高反膜参数。其中增透膜材料选为SiO₂,膜厚度设计为414 nm,表面反射率为10.3%,高反膜选用Si/SiO₂组合膜,其厚度分别为178 nm与414 nm,并在组合膜前加入了378 nm的Al₂O₃薄膜增加其粘合性,当组合膜为3对时,其反射率超过95%。综上所述,获得了Ge_0.9Sn_0.1/Si_0.17Ge_0.66Sn_0.17多量子阱激光器优化的制备工艺。以上研究均为GeSn/SiGeSn量子阱激光器的研制提供理论基础,这为Si基光子学的发展提供了重要参考。