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量子级联激光器以其丰富的物理内涵、独特的性能成为中远红外乃至太赫兹波段最具应用潜能的光源之一。本文以InP基应变补偿InGaAs/InAlAs材料体系和波长5.5μm有源区设计为基础，研究了大应变补偿材料体系、注入区掺杂浓度对器件性能的影响，并通过工艺的改进，从大功率、低阈值和高工作温度三个方面来提高量子级联激光器的性能。取得的主要结果如下：
(1)以数值求解一维Schr(o)dinger方程为基础研究了量子级联激光器的有源区和注入区设计的相关理论；以数值求解平板波导Helmholtz方程为基础研究了量子级联激光器的波导设计理论；利用线性速率方程讨论了量子级联激光器的增益和阈值的相关理论。这些理论构成了量子级联激光器设计的基本框架。
(2)成功制备了大应变补偿In0.64Ga0.36As/In0.38Al0.62As材料体系量子级联激光器，讨论了大应变补偿材料体系对器件性能的影响，并从理论与实验上证实了大应变补偿材料体系量子级联激光器波长将会蓝移的结论。
(3)研究了注入区的掺杂浓度对器件性能的影响，发现减小注入区掺杂浓度，不仅能减小阈值电流密度，同时也减小了饱和电流密度，且发现增大阈值电流密度和饱和电流密度的差值是决定量子级联激光器能高温工作的关键。
(4)在优化基本工艺的基础上，通过三个手段(减小脊宽、正面电极电镀金层和后腔面镀高反膜)来提高量子级联激光器的性能；实现了大功率(液氮温度脉冲条件1656mW、连续波工作517mW；室温脉冲228mW)和低阈值电流密度(液氮温度0.158kA/cm2)工作，且这是目前世界上量子级联激光器的最低阈值电流密度；同时将器件连续波工作温度提高到265K，脉冲工作温度可达333K。
(5)成功研制了一维光子晶体调制的量子级联激光器，从理论和工艺上为深入研究量子级联激光器光子晶体器件打下了基础。