垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，缩写为VCSEL)具有成本低、功耗低、易于二维集成、光束质量高、调制速率高等优点，在光通信、光存储、光互连等领域有重要应用。近些年，VCSEL也应用于一些新兴领域中，如原子钟、光谱分析、气体检测、光学鼠标等，而这些应用需要VCSEL具有很高的相干度。然而，传统的VCSEL器件为圆柱型波导结构，缺少有效的偏振控制机制，存在偏振不稳定的问题。通常，器件发出的光沿[011]、[01-1]两晶向偏振，且偏振态随注入电流、温度等外部条件的变化而改变。同时，VCSEL横向尺寸较大，使得腔中可存在多个横模，器件工作时通常为多模工作。多模工作和偏振不稳定都将降低器件的相干度，并增加噪声。因此，在原子钟等领域中，要求VCSEL保持单模且偏振稳定工作。本文以实现单模偏振稳定为目标，围绕VCSEL的模式特性和偏振特性展开深入研究，建立模型分析VCSEL动态模式变化规律和各向异性氧化孔径的偏振抑制原理，提出了小尺寸菱形氧化孔径结构。在实验上成功制备出了在测试电流范围内保持单模偏振稳定工作的VCSEL器件，偏振抑制比达到11dB。通过测试，发现了孔径形状与器件偏振抑制能力的关系，与理论相符。本文主要工作内容概括如下：1.根据VCSEL折射率等效模型和光波导理论，分析谐振腔中的横模功率分布，计算出每种模式对应的截止临界氧化孔径尺寸，得到实现单模所需的氧化孔径尺寸。基于光子载流子速率方程，建立VCSEL动态分析模型，模拟谐振腔中各横模的功率分配，以及随电流注入各模式的功率变化规律和载流子的孔径烧孔现象。利用电磁场理论分析菱形氧化孔径的偏振控制原理并预测大的菱形孔径长短轴比值具有更好的偏振控制能力。2.深入研究湿法腐蚀和湿氮氧化工艺，总结腐蚀速率和氧化速率与晶向的关系，分析湿法腐蚀和湿氮氧化速率各向异性与形成菱形氧化孔径之间的关系。提出了结合湿法腐蚀和湿氮氧化两种传统工艺制备菱形小尺寸氧化孔径的方法，利用菱形的各向异性损耗，增加器件的偏振控制能力。3.制备出3μm菱形氧化孔径VCSEL并测试了器件的P-I-V特性和光谱特性。测试发现，室温下，在功率饱和前，器件保持单模工作，阈值电流0.15mA，最高功率0.45mW。使用偏振分光棱镜分离两种偏振光并分别测试功率，结果表明[01-1]方向偏振光被抑制，器件有良好的偏振控制能力，而且器件在15℃-55℃的测试范围内一直保持偏振稳定，偏振抑制比达到11dB。对不同形状菱形孔径的偏振分离P-I-V特性测试表明，长短轴比值越大，器件的偏振抑制比越高。