随着智慧城市、5G网络、人工智能、云计算和大数据中心等新一代信息技术的快速发展,网络数据流量在近年来呈现出指数增长趋势,促使光互连技术向更高速率、更大容量和更低功耗的方向发展。高速面发射激光器作为该领域关键核心器件,具有重要的研究价值和广阔的应用前景。垂直腔面发射激光器（VCSELs）由于长波长DBR难以外延生长且具有较大的损耗和串联电阻,因而还难以满足应用需求。而光子晶体面发射激光器（PCSELs）具有大面积单模激射、任意光束整形与偏振调控、片上二维光束控制及波长易于拓展等多种突出功能,因此在实现光纤的两个低损耗传输窗口（1.31μm,1.55μm）更具优势。近年来,受凝聚态中拓扑相和拓扑相变概念的启发,基于拓扑能带论的拓扑光子学正在兴起,其中具有鲁棒性的拓扑腔面发射激光器（TCSELs）不仅拥有高光束质量的优点,而且可以产生携带轨道角动量（OAM）的涡旋光束。OAM复用技术可极大提高光通信系统的信道容量,是未来通信技术的重要发展方向。本论文基于光子晶体对光子态的调控,结合光子晶体微腔与光子晶体带边激射原理设计出了具有异质光子晶体腔结构,为实现高速PCSELs提供了可行性方案,同时将具有拓扑性质的光子晶体引入面发射激光器中并通过合理的优化设计,以达到高速、大功率、低阈值、窄线宽和提高边模抑制比的目的,具有潜在替代现有VCSELs的优势。主要研究内容和创新成果如下:1.对PCSELs的带边激射原理和阈值增益进行了理论分析,并结合半导体激光器速率方程推导出了PCSELs的光功率公式,同时分析了二维光子拓扑绝缘体的边界态与拓扑相变机理,为研制高速PCSELs与TCSELs提供了理论基础。2.开展了高速双晶格PCSELs的理论研究。设计了增强面内光反馈的PCSELs,其谐振腔是由两种具有不同光子带隙的光子晶体组成的面内异质结构,除了利用光子晶体带边的光反馈外,还利用了两种光子晶体边界的反射,并通过调控其中双晶格光子晶体的两个空气孔间距来提高反向传播光之间的一维耦合系数,从而实现对激射模式的强面内限制。通过三维时域有限差分法（3D-FDTD）证实了我们所提出的异质PCSELs可以在较小的正方形区域内实现1.3μm单模激射,并可能实现大于30 GHz的3d B调制带宽。3.开展了基于Dirac点高速PCSELs的理论研究。通过调控光子晶体参数得到双Dirac锥形色散,设计了增强Dirac点面内反馈的PCSELs,并且由于在Dirac点态密度可以降为零,而自发辐射耦合系数?与态密度成反比,因此利用Dirac点作为带边激射,可有效提高PCSELs调制速率,通过3D-FDTD证实其是以四极模激射,在基于少模的空分复用系统中可能具有潜在的应用。4.开展了基于能带反转光场限制效应的高速拓扑体态面发射激光器的理论研究。拓扑谐振腔是由拓扑态光子晶体（R₂=1.05R₀）外围完整拼接与其带隙相当的拓扑平庸态光子晶体（R₁=0.94R₀）构成,在拼接的边界处会产生光场的反射和限制效应,通过3D-FDTD证实其可在较小的正六边形区域内实现1.3μm低发散角单模激射。此外,该拓扑体态面发射激光器由于能带反转引起的反射只发生在靠近布里渊区中心附近的一个很小的波矢范围,因此限制了能够获得有效反馈的模式数目,这种模式选择机制与带边模式PCSELs完全不同,更有利于实现单模面发射,在高速光通信领域中的应用将更具有优势。5.开展了高速Dirac涡旋腔面发射激光器的理论研究。通过对正常蜂窝光子晶体超胞应用广义的Kekulé调制和收缩操作,然后将它们完整拼接得到异质Dirac涡旋腔（具有鲁棒的中间带隙模）,同时适当调控腔中子晶格的尺寸,使得带间模收敛于Dirac点频率并处于外围光子晶体的禁带中,以达到增强带间模面内光反馈的目的,从而有利于实现高速调制。研究结果表明,以该异质Dirac涡旋腔的带间模作为带边激射,可在较小的区域内实现1.3μm单模矢量光束输出,这为发展具有优异性能的新型高速拓扑PCSELs提供了可能。