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自组织量子点激光器具有非常独特和优越的性能，因而成为目前国际上的前沿研究课题之一。本论文工作针对量子点激光器研究中对器件性能提高和实际应用比较重要的GaAs基长波长工作、激射模式及其调控、瞬态调制特性等问题，从材料生长技术、器件结构设计和制备工艺、器件性能的数值模拟与预测、器件的稳态和瞬态特性分析等方面开展了研究，取得的主要创新性结果包括：
1、研究了InGaAs三元合金生长、不同周期的InAs、GaAs层交替循环生长等材料淀积方式对GaAs基长波长量子点的结构特性和光学特性的影响。发现不同生长方式会造成2D-3D转变临界点的差异，是由于生长初期淀积材料组分差异造成的。采用亚单层InAs、GaAs层交替循环生长的量子点尺寸最大、均匀性最好、光谱半高宽最窄、发光强度最大、超常红移现象不明显，具有很好的应用前景；分析认为频繁的生长停顿有利于淀积原子的充分迁移，因此提高了量子点的均匀性和光学质量。
2、系统分析了量子点激光器性能的主要影响因素(包括光学限制因子、材料与模式增益等)和相应的工艺优化措施，设计并研制出GaAs基1μm和1.3μm波段量子点激光器。发现量子点的光电流谱与光致发光谱相比峰位有明显蓝移，是由于量子点尺寸分布不均匀引起的。1μm波段器件质量较高，室温连续激射阈值电流密度95A/cm2；1.3μm波段器件也实现了近室温(269K)连续激射。
3、采用速率方程模型，对自组织量子点激光器中经常出现的双态激射现象进行了研究。发现随着子带间驰豫时间的增加，基态激射阈值电流密度近似线性地增大，激发态和基态激射阈值电流密度之比近似指数形式地减小；较长的腔长可以得到较低的基态激射阈值电流密度和较高的激发态与基态激射阈值电流密度比。因此较短的子带间驰豫时间和较长的器件腔长有利于器件的基态单态激射；还提供了一种通过测量不同腔长器件双态激射阈值比来粗略估算子带间驰豫时间的方法。
4、分析了利用自组织量子点独特的增益和吸收特性实现超短激光脉冲输出的技术途径；对多种结构的锁模量子点激光器进行了结构设计和理论分析。通过解决器件制备工艺难题，制备出双区共腔锁模量子点激光器原型器件；在吸收区悬空、仅增益区注入电流条件下实现了室温连续激射，且与双区同时注入相比阈值电流变化明显；为下一步实现量子点激光器超短脉冲输出打下了良好基础。结合已报道的实验数据，分析了量子点激光超短脉冲性能的优化措施。还对基于量子点可饱和吸收镜的固态或光纤锁模激光器，以及量子点激光器的自脉动现象和增益开关特性进行了分析。