随着信息技术日新月异的的发展以及“大数据”、“万物互联”等概念的提出,当今社会的信息量正呈现爆炸式的增长态势。海量信息的产生,对信息的处理、传输和存储都提出了前所未有的要求。过去的几十年里,信息产业的兴盛得益于集成电路技术的不断进步。然而,随着半导体工艺逐渐接近极限,集成电路的性能提升速度日趋缓慢。另一方面,微电子器件中传统的电互连方式也在高速、高集成密度的情况下表现出性能瓶颈。为了寻求高速、低能耗的信息处理和传输方案,人们开始将目光投向光子学技术。硅基光子学是一个被寄予厚望的技术方向。首先,利用光子技术的高速性、并行性以及低损耗性等优势,电学领域中信息处理和传输的瓶颈问题将迎刃而解。其次,硅光子技术延续了微电子产业长期研发投入的硅材料工艺,即互补金属氧化物半导体（Complementary metal oxide semiconductor,CMOS）工艺,因而能较好地与现有的微电子技术兼容并且具有很低的制造成本。此外,由于其高度集成化的特点,硅光子技术还能在光谱学、传感等领域颠覆传统的光学技术。虽然硅基光子学在过去二十年里取得了令人瞩目的成就,但最为核心的单片集成硅基光源却仍然没有理想的解决方案,这极大限制了硅光子技术的应用与进一步发展。在国家自然科学基金重点项目的资助下,本论文围绕着硅基张应变锗光源,开展了一系列理论分析、器件设计以及实验验证研究,取得的创新性研究成果如下:（1）建立了一套分析应变体材料锗以及应变锗硅量子阱光增益特性的理论模型。该模型包括Γ点和L点附近的能带结构计算、直接带隙光增益计算以及自由载流子吸收计算。基于此模型,能够分析应变以及n型掺杂对材料净光增益谱的影响。因此其可以作为设计应变体材料锗和锗硅量子阱光源的理论框架。（2）计算了单轴张应变、n型掺杂Ge/SiGe量子阱的净光增益谱,并分析讨论了应变量和n掺杂浓度对净增益峰值和透明载流子浓度的影响。理论计算结果表明,单轴张应变将使Ge/SiGe量子阱TE偏振光的增益大于TM偏振光。同时,单轴张应变对材料净光增益有显著的增强作用,对透明载流子浓度有明显的降低作用。在合理的应变量（4%）以及n掺杂浓度下(1×1019 cm-3)下,Ge/Si0.15Ge0.85量子阱的净光增益可达到2061 cm-1。（3）提出了一种基于单轴张应变体材料锗的电驱动分布式布拉格反射器激光器,该激光器利用微桥结构引入张应变,利用水平纵向pn结注入载流子,利用脊形波导和波导侧壁布拉格光栅构成光学谐振腔。结合力学、光学以及半导体电输运仿真,分析了应变量和n掺杂浓度对激光器阈值电流密度以及内量子效率的影响。仿真结果显示,在当前的材料晶体质量下,阈值电流密度为80 kA/cm~2,通过优化材料质量可以将阈值电流密度降低到29 kA/cm~2。为了与传统垂直注入激光器比较,对电流密度进行了等效校正,等效后的阈值电流密度为4.8 kA/cm~2,与双异质结Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器在同一量级。（4）对比了单轴张应变体材料锗和锗硅量子阱激光器的阈值特性。提出了基于大反射带宽弧形光栅的DBR谐振腔结构,使器件的制作容差得到较大改善。仿真结果表明,在同等张应变下,锗硅量子阱激光器的阈值电流密度要远高于体材料锗激光器。通过理论计算和仿真分析,解释了锗硅量子阱激光器具有较高的阈值电流密度是因为其Γ点和L点之间的能态数目更大,并且载流子的电注入效率较低。（5）利用悬空微桥结构实现了单轴张应变锗硅量子阱。观察到应变导致的拉曼峰漂移以及光致发光峰红移。光致发光峰从1450 nm移动到1800 nm,据此推测出阱区张应变达到2.1%。同时,还观察到张应变对锗硅量子阱的光致发光有显著增强作用。（6）提出并实现了一种基于水平纵向p-i-n结的单轴张应变锗发光二极管。拉曼映射测试显示,器件的有源区中引入了1.76%的单轴张应变,且应变分布较为均匀。器件表现出良好的电学性能:电流开关比为10~5,理想因子为1.92。电致发光测试中,观察到直接带隙发光峰从1580 nm移动到1840 nm,与理论计算吻合较好。此外,证实了单轴张应变对锗的电致发光具有增强效应,电致发光积分强度的增强因子为16。该方案为实现低阈值电驱动应变锗激光器提供了一种途径。