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垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity surface-emitting lasers, VCSELs)以其低成本，低功耗，易于封装，光束发散角小，低电流状态下优异的高速调制特性等性能优势，在短距离数据传输、光互联、光存储等方面有很好的应用。然而普通VCSEL由于其多横模激射和偏振方向不固定等缺点限制了其在传感和原子钟等领域中的应用。因此改善VCSELs横向模式，实现激光器基横模工作，获得稳定的偏振态，成为VCSELs领域研究的关键。本论文中，我们研究将光子晶体等微纳光学结构引入到VCSELs中，并与氧化孔结构相结合，达到对器件的横向模式及偏振方向的有效控制，克服常规光子晶体器件阈值电流过大，效率低等问题，制备出低阈值、高功率、基横模、偏振可控VCSELs。主要做了以下工作：1.器件模型、数值模拟及结构优化我们发现常用的光子晶体光纤模型虽可以分析光子晶体结构对器件模式特性的影响，对于氧化孔径直径大于15μm的光子晶体垂直腔面发射激光器（Photonic crystal vertical-cavity surface-emitting lasers，PhC-VCSELs）足够精确。但低阈值电流基横模器件的氧化孔直径一般在10μm以下，器件的模式特性由氧化孔结构和光子晶体共同决定。我们提出了包含光子晶体和氧化孔双重限制作用的光学微腔模型，可准确地对器件特性进行分析，克服采用光子晶体光纤模型带来的误差及局限。同时该光学微腔模型还可以给出器件激射光谱、近场光斑、远场发散角、谐振腔光强分布等一系列与激光器性能相关的参数，对于器件优化有着重要的意义。另一方面，利用三维时域有限差分方法（Finite-differencetime-domain, FDTD）计算光学微腔模型得到的光学微腔品质因子（Q值）还可以很好的用以分析器件的横向模式损耗，增加器件的基横模输出功率（IEEEPhotonics Technology Letters vol.24, no.6, pp.464-466）。2.低阈值电流VCSELs研制通过采用光学微腔模型，系统分析了PhC-VCSELs中光子晶体和氧化孔结构对基横模器件阈值电流和输出光强的影响，得到了氧化孔径与光子晶体匹配的最优值，有效地降低器件阈值电流。通过对湿法氧化、电子束曝光（electron beamlithography, EBL）、感应耦合离子刻蚀（Inductively Coupled Plasma, ICP）等工艺优化，成功制备出阈值电流0.9mA，基横模出光功率3.1mW，边模抑制比大于35dB，最大光谱半线宽小于0.1nm的低阈值电流PhC-VCSELs。（在第37届美国光通信年会（OFC/NFOEC）上做口头报告，作为laser&sources版块最新突破性进展被SPIE Newsroom报道）。并且，我们还利用光学微腔模型对分布孔结构VCSELs进行了结构优化，制备出基横模功率2.6mW，阈值电流0.7mA的低阈值电流分布孔结构VCSELs。3.偏振控制基横模VCSELs研制我们发现菱形氧化孔与光子晶体结构组合不仅可以用来控制器件模式特性，还可以控制偏振特性。由此设计制备出沿菱形长轴偏振的基横模PhC-VCSELs。采用光学微腔模型对该结构优化，进一步降低了阈值电流、增加基横模出光功率，得到基横模输出功率1.3mW，阈值电流0.6mA，偏振抑制比大于14dB的器件。并将该种方法移植到分布孔结构VCSELs中。我们还利用椭圆空气孔光子晶体结构的双折射效应和偏振相关的模式损耗特性，设计制备出基横模出光功率1.6mW，阈值电流小于1mA，偏振抑制比大于10dB偏振方向稳定的椭圆空气孔PhC-VCSELs。4.正方晶格和三角晶格PhC-VCSELs研制为了分析不同结构光子晶体对VCSELs特性的影响，我们设计制备了多种不同光子晶体结构的VCSELs。其中，三角晶格单孔缺陷PhC-VCSELs的基横模输出功率1.7mW，边模抑制比大于35dB (Chinese Physics Letter vol.27, no.2,pp.0242061-3)；正方晶格单孔缺陷PhC-VCSELs的基横模输出功率3.7mW，边模抑制比大于40dB；三角晶格七孔缺陷PhC-VCSELs的基横模输出功率2.3mW，阈值电流1.2mA，远场发散角小于6°，边模抑制比大于35dB (Optic&laserTechnology vol.50,pp.130-133)。