如今，人们对研究耦合腔面发射激光器结构的兴趣逐渐增加。这种结构通过向主腔施加调制电的同时向每个反馈腔施加直流电来实现带宽提升。然而，单独驱动主腔对器件性能的影响尚未得到深入研究。为了更全面地了解耦合腔激光器，我们设计并制备了边长为30 μm×30 μm的方形横向耦合腔VCSEL，并研究了在方形横向耦合腔中单独驱动主腔时器件性能的变化。室温下，-3 dB带宽达30.1 GHz，在非归零调制下，在背对背传输速率40 Gbit/s时获得清晰的眼图，相对强度噪声值为-160 dB/Hz。证明了反馈腔在不加驱动的条件下仍会对主腔的性能提供正向作用。设计的TCC-VCSEL器件只需要一个电源驱动，使其适用于高密度集成，为封装集成应用提供了新的思路。

850 nm的垂直腔面发射激光器（VCSEL）是短距离光互连的核心光源。随着对数据中心流量的需求增加，实现不归零（NRZ）调制高速无误码传输是目前的研究热点。本文设计制备了基于λ/2短腔和六层氧化限制层的高速850 nm VCSEL，室温下最高-3 dB带宽达到23.8 GHz。NRZ调制50 Gbit/s（1 m）和40 Gbit/s（100 m）速率下获得清晰的眼图。在未使用预加重、均衡和前向纠错的条件下，通过NRZ调制在1 m和100 m下无误码传输速率分别为40 Gbit/s和30 Gbit/s。

近年来，在物理随机数生成速率的提高方面取得了很大的研究进展，但仍存在产生过程复杂和体积庞大等缺陷。针对该问题，文章从理论上提出了利用光反馈下垂直腔面发射激光器（VCSEL）模式跳变产生随机数的方案。通过光反馈扰动使VCSEL产生模式跳变，再由方波信号对注入电流进行调制，周期性重启VCSEL使其由非激射状态切换到模式跳变状态，最终输出随机脉冲序列实现随机数的产生。研究结果表明，具有通过随机性验证的无偏随机数能够以Gbit/s量级的速率连续产生。文章所提方案消除了对光/电转换和后处理操作的需求，简化了当前随机数的产生结构，且具有实现低成本光子集成随机数发生器的潜力。

质子注入参数对注入型垂直腔面发射激光器（Vertical cavity surface emitting laser, VCSEL）的电流限制孔径位置及电流限制效果具有较大影响。文中从质子注入的能量和剂量及其相互作用对VCSEL电流限制孔径的影响规律及机制出发，通过理论模拟分析了注入参数对质子分布及注入区电阻值的影响。在此基础上，采用VCSEL外延片进行了质子注入实验研究。实验结果和理论分析均表明：注入区电流隔离效果及质子分布受注入能量和剂量共同调控。当注入参数为320 keV、8×10¹⁴ cm⁻²时，经430 ℃、30 s退火后可得到结深约0.7 μm，平均射程距有源区约1.3 μm，电阻值达4.6×10⁷ Ω∙cm²的质子注入区。使用该参数制备的VCSEL器件实现了较好的激光激射，证明该质子分布不仅可避免VCSEL有源区损伤，而且能实现较好的电流隔离效果，满足VCSEL电流限制孔径的制备要求。研究结果对质子注入型VCSEL的芯片结构及工艺优化具有重要指导意义。

为解决现有点阵结构光投影装置中准直透镜会导致较强的零级衍射而造成投影点阵光强分布不均匀的问题，提出了一种基于底发射垂直腔面发射激光器的片上点阵光投影装置结构，并给出了衍射光学元件设计思路。首先对目标光场进行光强调整和坐标变换，在无准直透镜情况下利用基于瑞利-索末菲衍射积分的Gerchberg-Saxton改进算法获得片上衍射光学元件的相位分布，并最终对该点阵投影装置的投影效果进行评估。结果表明：在衍射光学元件设计过程中采用高斯光束作为光源时，该结构能更好地抑制零级衍射，获得光强分布更加均匀的投影点阵。此外，该结构不仅可省去透镜的安装，减小投影装置尺寸，还可通过流片工艺实现光源和衍射光学元件一体化集成。

基于电流调制和光注入共同作用下的带有饱和吸收体的垂直腔面发射激光器（VCSEL-SA），提出了一种可重构的光电逻辑门（NOT，NAND，NOR，XOR），数值研究了电流调制下VCSEL-SA的spiking动力学特性，及电流调制下光注入VCSEL-SA的逻辑运算性能。研究结果表明，对于电流调制下的光注入VCSEL-SA，光电逻辑门可以在一定的偏置电流范围内实现。通过选取合适的调制电流，可以实现重构的逻辑运算（NAND，NOR），且两个调制信号之间的时延对逻辑运算性能影响较小。通过改变电流调制信号的输入方式并移除光注入信号，VCSEL-SA可以实现XOR逻辑运算。此外，基于电流调制下光注入VCSEL-SA的可重构逻辑运算对噪声有较好的容忍性。研究结果可为未来光子神经网络解决复杂的信号处理任务提供一定的理论基础。

为了探究850 nm垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）在空间辐射环境中的退化规律与机理，开展了3 MeV和10 MeV质子辐照实验，获得了光输出功率和阈值电流等参数随质子注量的退化规律，同时发现光输出功率和阈值电流在相同位移损伤剂量（Displacement Damage Dose，DDD）下的退化程度基本一致。在实验的基础上使用Silvaco软件进行建模与仿真计算，结果与实验结果具有较高一致性，在仿真模型中提取了陷阱密度、施主与受主电离密度、镜面损失、辐射复合速率和光子数等微观参数，在实验规律基础上深入探究了参数退化规律与辐射损伤机制。仿真结果发现这些微观参数随质子注量增加均有不同程度的变化。该结果对于进一步深入理解VCSEL退化机制具有重要意义的参考价值。

为了研制出表面微透镜集成外腔的垂直腔面发射激光器（VCSEL），实现窄线宽无磁激光输出，满足原子磁强计等量子传感器应用要求，本文设计并生长了适合于表面集成微透镜的VCSEL外延结构，完成了表面微透镜集成外腔VCSEL器件制备，在电极材料方面选取无磁材料以满足应用要求。实验结果表明：研制的VCSEL器件工作温度达到90 °C，激光波长为896.3 nm，功率为1.52 mW，边模抑制比为36.3 dB，激光线宽为38 MHz，封装为模组后的磁场强度低于0.03 nT。结果表明本文研制的窄线宽无磁VCSEL满足量子传感的应用需求。

制备了不同氧化孔径的940 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL），选取氧化孔径为3，6，9 μm的VCSEL进行了测试表征分析。氧化孔径为3，6，9 μm的VCSEL的最高输出功率分别为2.92，6.79，10.49 mW，调制带宽分别为27.65，23.34，20.56 GHz。此外，氧化孔径为3 μm的VCSEL在整个工作电流下都可实现单模工作，氧化孔径为6 μm和9 μm的VCSEL在较大电流下呈现少模和多模特性。最后，选取3 μm氧化孔径的VCSEL进行数据传输测试，在非归零（NRZ）码下实现了传输速率53 Gbit/s。