垂直腔表面发射激光器（VCSEL）由于具有诸如低功耗、低成本、单模特性优异等优点而被广泛应用于光通信系统中。经过多年的研究和开发,VCSEL技术也逐步进入到了其他的应用领域。近年来,随着苹果公司将VCSEL引入到手机的面部识别模块中,基于VCSEL的3D感测技术引起了越来越多的来自企业和研究机构兴趣。然而,新的应用场景也对传统的VCSEL技术提出了几大挑战。首先,随着互联网技术发展的日新月异,接入用户对于网络带宽的需求每年同比增长70%以上,同时,企业数据中心的传输速率正在向400 Gb/s以太网迈进,而传统商用VCSEL（普通量子阱结构）的直接调制速率则受限于弛豫振荡频率（20Gb/s）,无法满足上述需求。另一方面,一些可能出现的中等距离（10 km级）应用场景,例如第六代移动通信技术（6G）中的光传输模块,对如何延长VCSEL的传输距离提出了挑战。最后,3D感测技术对激光源的精度、功率和扫描速率具有较高的要求（以激光雷达技术为例,为实现100-200 m的感测范围,其需求光源提供100 W的脉冲峰值功率）,而传统的单模VCSEL由于其孔径小,输出功率通常被限制在几mW左右,因此,如何增加VCSEL的输出功率成为另一个亟待解决的难题。为了应对上述挑战,本文针对了垂直腔面发射激光器（VCSEL）易于集成、单模特性优异、制造成本低的特点,围绕垂直腔激光器的横向集成、单模控制、光反馈和光放大的若干关键技术,完成了基于耦合腔垂直腔面发射激光器的高速率直接调制、外调制、高功率光放大以及高速高精度光扫描的研究。论文的主要研究内容及成果如下:1、基于VCSEL慢光特性的单模选择以及横向耦合机制研究针对单体VCSEL功率低、横向耦合不稳定的难题,本部分对基于VCSEL慢光特性的横向耦合以及单模选择机制进行了研究。（1.1）提出了两种横向耦合机制。一种是基于锥形瓶结构的耦合腔VCSEL。在该结构中,种子VCSEL腔的宽度窄于与集成外腔的宽度。根据耦合模式理论,种子VCSEL腔的有效折射率小于集成外腔的有效折射率,从而实现了激光从种子VCSEL到外腔的横向耦合。另一种机制是基于种子VCSEL与集成外腔间的谐振波长失谐设计。当来自种子VCSEL的激光波长小于集成外腔的谐振波长,就可以在外腔中形成稳定的慢光传输。仿真与实验结果表明,这种设计可以提供超过10 nm的波长失谐,从而产生稳定（40%耦合效率）的单向光耦合。（1.2）提出了一种在长腔VCSEL表面加载布拉格光栅以实现VCSEL单模高功率慢光发振的机制。通过在长腔VCSEL的表面进行周期性的刻蚀,从而形成横向布拉格光栅。由于光栅的光反馈功能,类似于分布反馈激光器（DFB）的选模机制,一个接近布拉格波长的单模慢光可以被选择并发振。实验结果表明,本论文提出的机制可以有效的提升单体VCSEL的输出功率（连续电流注入条件下大于80 mW单模功率）。2、基于耦合腔VCSEL横向光耦合与光反馈的直接调制器与外调制器研究。在研究中,为了解决数据流量日益增长的需求与VCSEL调制速率受限、应用场景中的传输距离增长与VCSEL调制啁啾偏大之间的两大矛盾,提出了基于耦合腔VCSEL横向光耦合与光反馈的直接调制器与外调制器结构。（2.1）为了突破使得传统的直接调制VCSEL的带宽受限的弛豫频率,本论文在传统的VCSEL结构中,引入了一个横向的耦合外腔,以实现光耦合与光反馈。通过光反馈引入的光子共振（photon photon resonance）效应,突破VCSEL弛豫频率的限制,以实现调制带宽的大幅提升。本论文使用两种模型（基于Lang-Kobayashi方程模型和耦合模式理论模型）对提出的结构进行了仿真,并对仿真结果进行了解释和讨论,理论结果表明,与传统的直接调制VCSEL相比,本论文提出的耦合腔VCSEL可以做到调制带宽的增倍。同时,由于有效差分增益的增加,模型中也清楚地表明了调制啁啾的减小。本人实验制造了所提出的耦合腔VCSEL并进行了测量。测量得出的关于调制带宽增大（23 GHz小信号带宽）和调制啁啾受抑制的结果与本论文的仿真结果吻合。（2.2）作为另一种提升VCSEL调制带宽的方法,本论文讨论了基于耦合腔VCSEL进行高速外调制可行性。由于耦合光在外腔波导中形成了慢光传输,使得调制器长度能够被减小至30 μm,这有利于提升外调制的速率。通过实验,本论文实现了 15 GHz的小信号调制带宽。实验测量发现,当光纤放在种子VCSEL上方时,小信号响应中会出现较高的峰值。该高峰值是从种子VCSEL一侧发出的调制噪声引起的。该小信号响应中的高峰值可用于产生短脉冲,本论文通过增益开关方法成功获得了 50 ps的超短光脉冲。3.基于光放大与光波长扫引与耦合腔VCSEL相结合的集成固态激光扫描器研究在研究中,为了解决现有3D扫描技术存在的成本高、速率与精度受限的难题,本论文提出并系统研究了基于光放大与光波长扫引与耦合腔VCSEL相结合的集成固态激光扫描器结构。在本论文提出的结构中,与外腔波导谐振波长失谐的种子光横向耦合进外腔中并形成慢光传输,当波导被泵浦到阈值以上时,可以实现沿着波导的耦合光的光放大。并且随着器件长度的增加,放大光的输出功率将越来越大,同时放大光的发散角将越来越小。另一方面,因为慢光波导可以在截止波长附近提供较大的色散,可以通过对种子光的波长进行调制以实现大角度的光扫描。在实验中,通过在种子VCSEL上施加正弦调制电流,能够测量光束转向的动态响应。实验结果表明,本论文提出的结构可实现扫描频率超过10 kHz,光发散角小于0.1°,脉冲电流注入条件下单模功率超过1瓦特的高速率,高精度,高功率的光扫描功能。