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垂直腔表面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)在现代光通讯系统中具有广泛的应用。VCSEL具有成本低、功耗小、易耦合以及单纵模等优势。一般650 nm～980 nm波长VCSEL适合用于短距离光互连的应用中，而1300nm～1500nm波长VCSEL更适合用于长距离光纤传输。在光传输中，长波长VCSEL存在一些劣势，比如:输出的光能量比较低，寄生效应强，偏振模式稳定性差，等等。为了让VCSEL克服以上这些劣势，光注入锁定(Optical InjectionLocking，OIL) VCSEL的技术孕育而生。OIL技术对VCSEL性能有很大的改进:提高光的输出能量，增强直调速率，输出稳定的单模激光，等等。这些优势都使得OIL-VCSEL的技术具有广泛的应用前景，从而也说明了对该技术进行深入研究的重要性以及迫切性。 本论文从理论和应用两个方面对OIL-VCSEL做了详尽的研究，主要创新工作如下。 在OIL-VCSEL理论研究方面:1、提出了全新的OIL-VCSEL椭圆模型，该模型为分析OIL-VCSEL的波长失谐、注入比率、线性增强因子、多模以及滞回效应对注入行为的影响提供了直观、优美、简洁的图形化分析方法，实验结果与理论仿真完全一致。2、提出了OIL-VCSEL反射模型，该模型通过考虑从激光器上表面分布布拉格反射面的反射光，第一次在理论上成功解释了OIL-VCSEL大信号调制的输出信号反转特性以及小信号频响的DC凹陷特性，为OIL-VCSEL的应用提供了重要理论依据。3、对OIL-VCSEL的滞回效应做了深入的理论和实验分析，实验上首次实现了473.3 GHz的超宽滞回，此宽度是前人最宽记录的12倍。在理论上第一次给出了滞回曲线形状的理论解释，为其在光转换、光逻辑和光存储方面的应用提供了重要的理论基础。4、提出了OIL-VCSEL外调制器模型，通过外调制器模型，首次可以同时分析OIL-VCSEL的三大特性:长距离传输特性、相位调制特性以及变频信号增强特性，为OIL-VCSEL的应用研究提供了重要方向。 在OIL-VCSEL应用研究方面:1、首次论证了OIL-VCSEL对直调高进制信号的长距离传输性能的改进，实验上通过直调OIL-VCSEL成功实现了2×2.5 Gb/s的SC-FDMA-QPSK信号的50 km长距离传输。2、首次提出并实验验证了通过直调OIL-VCSEL能够实现光的相位调制功能。3、实验上利用OIL-VCSEL实现了全光NOT光逻辑门。4、首次提出并实验验证了基于OIL-VCSEL的射频上/下变频功能，理论和实验结果表明OIL可以增强二阶信号的转换效率，使得变频转换效率有18dB的改进，SFDR有15dB的改进。5、利用OIL-VCSEL的高频响特性，通过60 GHz的RoF信号直调OIL-VCSEL，成功实现了光载毫米波传输系统。 本文的最后，对OIL-VCSEL的理论及应用研究进行了总结，并对将来OIL-VCSEL的研究和发展方向进行了讨论。