垂直腔表面发射激光器(Vertical-cavity surface-emitting lasers, VCSEL)于1977年被提出,经过30多年的研究,其性能已经得到了很大的提高。具有众多优点的器件就应该得到尽可能多的研究和应用,因此垂直腔面发射激光器的应用领域还在不断地扩大,对其性能的要求也是越来越高。然而,在研制新用途器件的过程中遇到了传统方法不易解决的问题,需要寻找新的途径。1987年,光子晶体的概念被提出。光子晶体是由不同介电常数(或张量)的材料在空间周期(或准周期)分布而形成,对光的传播具有很强的控制能力。光子晶体具有很多光学性质,其中最基本的是能够产生光子带隙。当光在光子晶体中传播时,会被周期性分布的介电材料强散射而发生干涉,就有可能会形成光子带隙,这是一电磁波频段,处于其中的光便无法在该光子晶体中传播。光子晶体更实际的应用是在完整的光子晶体结构中引入缺陷,在光子带隙中形成缺陷模,通过合理地设计光子晶体及其缺陷的结构,能够对光子进行更有效的控制。将带有缺陷的光子晶体引入垂直腔面发射激光器中,为垂直腔面发射激光器的设计提供了新的途径。本文首先利用时域有限差分方法,对引入垂直腔面发射激光器中的二维空气孔型的三角结构光子晶体的带隙进行了计算和分析,确定了光子晶体的基本结构。对于光子晶体垂直腔面发射激光器的研究,本文是从两个方面进行的：一是光子晶体结构对激光模式的控制；另外一个方面是光子晶体的引入对激光阈值的影响。文中采用光子晶体光纤单横模理论,分析了光子晶体垂直腔面发射激光器单横模激发的晶体结构参数要求。然后根据完全带隙的计算结果,优化了光子晶体结构参数,实现了单横模激射。在激光阈值方面,本文首先分析了影响激光阈值的各个因素,然后在传统垂直腔面发射激光器中引入光子晶体,从载流子数面密度和光子数面密度的速率方程出发,分析了光子晶体结构的不同参数对各个因素的影响,建立了微腔Q值与激光阈值的关系。论文在垂直腔面发射激光器中引入的光子晶体实现了器件的单横模激射,同时分析得出光子晶体结构的引入也使激光阈值从根本上得到了降低。从制备工艺的角度,光子晶体垂直腔面发射激光器比传统垂直腔面发射激光器更容易实现二维并列集成化。