垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有阈值低、稳定性好、寿命长、调制速率高等优点,并且具有光束沿垂直于基片向上发射,便于片上测试,光束发散角小,易于与光纤或其它光学器件耦合等特点,因此非常适合应用在并行光传输和互联领域。但是,常规氧化限制型VCSEL要实现单模工作,氧化孔径要求3-5微米,这不仅制作工艺困难,也限制了出光功率,而且串联电阻也比较大,所以要获得高功率单模激射是比较困难的。而光子晶体的引入为VCSEL提供了一个实现高功率单横模光输出很好的途径,光子晶体是一种介电常数呈周期性或者准周期性分布的材料,其物理特性主要有:光子晶体缺陷微腔的高品质因子,光子禁带对自发辐射的调制作用,光子禁带的极高反射率,光子晶体内光传播的异常色散特性,光子能带带边低群速度特性,光子晶体波导对横向光场的调制作用等。由于半导体材料光子晶体的加工兼容微电子平面微纳加工技术,因此光子晶体在光电集成方面具有广泛的科学意义和应用价值。大功率基横模光子晶体垂直腔面发射激光器具有单横模、高功率激射的优点,可应用于光互连、光存贮、精确定位等领域光子晶体垂直腔面发射激光器是在VCSEL上DBR区刻蚀带有缺陷的周期性分布的空气孔,其结构类似于光子晶体光纤。光子晶体能控制激光器的光学模式,使得VCSEL在较大的氧化孔径下依然保持单模工作,而大的氧化孔径相应的出光孔径大、出光功率高,既可实现VCSEL高功率单横模输出,又提高了其与单模光纤的耦合效率,同时器件的氧化工艺难度也会降低。因此光子晶体VCSEL成为科技工作者研究的热点。　　 本论文基于光子晶体的基本理论,系统的对光子晶体进行了理论分析:(1)模拟了光子晶体的波导特性——利用FDTD方法模拟光子晶体的线缺陷,得到场的分布和传输特性;(2)计算了二维光子晶体的能带图以及Out-of-Plane能带图,从理论上分析了光子晶体模式选择的特性;(3)研究VCSEL模式的理论分析方法,结合光子晶体光纤有效折射率模型,利用刻蚀因子γ对归一化参数进行修正,总结出了光子晶体垂直腔面发射激光器的理论设计方法。另外,本论文对氧化限制型外腔式光子晶体垂直腔面发射激光器注入到有源区的电流密度分布进行分析研究,提出三维电流分布计算模型,利用ANSYS软件研究了光子晶体结构对电流密度分布和器件串联电阻的影响。本模型对于研究、设计氧化限制型外腔式光子晶体垂直腔面发射激光器提供了一个有用的分析方法。最后,根据上述理论方法,设计出能实现光子晶体VCSEL单横模激射的器件结构参数,并将理论计算的结果应用到实验中,成功制作了单横模、低阈值、高功率光子晶体垂直腔面发射激光器。结果表明,理论与实验相一致。　　 在本实验室的工艺条件下,探索出制备光子晶体VCSEL的关键工艺参数,分析了湿法氧化中温度、氮气流量等参数对氧化速率、质量的影响,实现了高铝组分层的精密氧化控制:同时,用常规光学曝光成功制作了孔径2μm的高质量光子品体结构,掌握了制作孔直径2μm光子晶体结构的光刻工艺和感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀工艺;最后,通过实验探索,研制出孔直径2μm和周期4μm-7μm等不同结构的光子晶体垂直腔面发射激光器,成功实现了光子晶体VCSEL的单横模激射,单模激射器件结构为:光子晶体孔直径2μm,晶格常数5μm,VCSEL氧化孔径20μm。在注入电流15mA下,输出功率达1.7mW,主模半线宽小于0.1nm,阈值电流2.5mA,串联电阻68.18Ω,边模抑制比大于35.2dB。