目前光子集成技术中主要通过在芯片上键合或外延生长III-V族材料激光光源实现光的激射,但这些方法由于衬底与光源之间存在高热阻的粘结层导致光源散热差,同时不能够与CMOS工艺兼容,这严重制约了光子集成技术的发展。垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity surface Emitting Laser,VCSEL）具有阈值电流低,腔长短、单纵模工作和易于大规模阵列集成等优势,在光通信领域有着非常广阔的应用前景,本文对Si_xGe_1-x量子活性材料的设计和长波长硅基锗片上光源进行了研究,主要工作如下:本文首先基于PICS3D光学仿真软件设计和优化了Si_xGe_1-x量子活性材料作为增益材料,采用形变势理论计算和分析Si_xGe_1-x合金晶格常数和禁带宽度,计算Si_xGe_1-x合金材料临界厚度和带隙变化,定义Si_xGe_1-x材料底层、迁移模型、通用属性、外部函数和合金能隙进而设计出材料增益显著的Si_0.13Ge_0.87量子活性材料,为长波长硅基锗VCSEL有源区的设计和建立奠定基础。在此基础上设计了一种1550nm波长硅基锗VCSEL,对VCSEL器件的DBR、有源区和谐振腔进行了理论计算和结构设计。DBR采用四分之一波长厚度的Si/Si O₂作为高低折射率材料组成上下DBR,确定上下DBR层数分别为5对和4对时,在中心波长1550nm时最佳反射率达到99.9%和99.6%;有源区量子阱（Quantum wells）采用张应变的Si_xGe_1-x作为阱层,Si作为垒层计算量子阱的带隙、组分,通过对比不同阱数、阱宽和掺杂的VCSEL器件性能,确定所设计1550nm硅基锗VCSEL有源区为10层Si/Si_0.13Ge_0.87量子阱,垒层厚度为15nm,阱层厚度为12nm;确定氧化限制层的厚度和位置,对谐振腔模式进行分析,最终确定了VCSEL整体器件结构参数。论文对VCSEL进行整体仿真分析,结果表明所设计的长波长硅基锗VCSEL在室温下工作的器件温度为304K,阈值电流为0.75m A,器件增益为1630/cm,,对应带隙为0.799e V,输出光谱中心波长为1551.9nm,光功率为3.14m W,光场集中在有源区量子阱区域且器件损耗偏低,整体具有良好的光电特性,相比传统III-V族VCSEL具有着良好的性能和兼容CMOS工艺等优点。