垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)于1977年由日本东京工业大学的Kenichi Iga教授首次提出，至今只有30多年的历史，是一种新型的半导体激光器，由于具有出光方向垂直于衬底，可在片测试，阈值电流小，调制速率高，单纵模工作，圆形光斑易于光纤耦合等优点，被广泛应用于数据传输，光互联，气体探测等领域。上世纪90年代，波长可调谐垂直腔面发射激光器（可调谐VCSEL）被广泛研究，可调谐VCSEL不仅具有普通VCSEL的优点，而且能够实现单纵模条件下，大范围的波长调谐，因此在密集波分复用（DWDM）中存在巨大的应用潜力，可实现单一器件取代多频半导体激光器阵列，有效降低应用成本，增加网络的灵活性及可靠性。本文基于已取得的研究基础，开展可调谐VCSEL结构设计和实验研究的基础工作，并采用基于有限元法的多物理场耦合软件COMSOL和严格耦合波理论，模拟计算基于内腔光栅微结构的可调谐VCSEL调谐光谱偏振输出特性，优化亚波长光栅的参数设计，从偏振增益各向异性、中心波长及调谐偏振态等方面有效分离和控制TE和TM偏振模式。此外，利用半导体激光器热特性的经验模型对VCSEL的耗散功率的各种物理机制进行的分析。研究发现VCSEL功率热滚降的主要原因为量子阱内载流子泄漏导致的耗散功率随注入电流的急剧增大。在器件工艺制备中，详细研究了干法刻蚀通孔GaAs衬底技术，成功制备了VCSEL及可调谐VCSEL，并对器件进行了测试。本文的主要研究内容如下：1.采用了一种新型嵌入式亚波长相位光栅可调谐VCSEL结构来实现可调谐VCSEL输出偏振稳定。本新结构器件由两部分组成：一部分为具有分布布拉格反射镜（DBR）光功能的微纳光机电系统（NEMS）；另一部分为“半结构”的VCSEL结构，由内腔亚波长光栅、量子阱有源区光纵向耦合结构和底部DBR组成。利用亚波长光栅的等效折射率各向异性，有效实现偏振模式的腔模分离，采用严格耦合波法计算得到当光栅周期为200nm，占空比为0.35，深度为130nm时，两偏振模式分离最大值达到20.9nm，从而实现了可调谐VCSEL的偏振控制。2.采用基于有限元法的多物理场耦合软件对GaAs材料微机械薄膜的机械特性进行研究，得到空气隙为2μm时，不同悬臂长度和薄膜直径与调谐电压的变化关系，进而得到当微机械薄膜半径为50μm，悬臂长度为300μm，宽度为35μm时，下拉电压为13.6V，可实现最大位移量689nm。3.结合VCSEL的耗散功率分析经验模型与实验测试数据，计算了VCSEL在不同注入电流下，谐振腔内的实际温度。同时采用间接方式测量了VCSEL的热阻，分析了激光器内部各种耗散功率随电流的变化以及造成VCSEL发生功率热滚降的因素。4.工艺制备了不同氧化孔径的VCSEL器件，并进行了变温的电流-电压-光功率特性测试，分析了VCSEL激射波长和阈值电流随温度的变化关系；采用双片集成工艺，成功制备了可调谐VCSEL，并对器件进行了测试，室温下，14μm氧化孔径，最大输出功率为4.56mW，阈值电流0.6mA，当外加电压从0V变化至3V时，器件激射波长从976.8nm蓝移至970.0nm，实现了6.8nm的连续调谐。