VCSEL具有高的调制速率,易于高速通信、圆形光斑易与光纤耦合、在光纤中传输时损耗低、高温度稳定性,减少在一定温度下正常工作需要调节器件所需合适参数带来的成本、低阈值电流和高效率,利于低功耗、易于二维集成、工艺成熟可靠、易于与其它光电器件集成等优势,一直得到了深入研究。随着大数据时代对建立高带宽、低功耗的绿色数据通信需求的日益增强,使高速VCSEL越来越成为最主流的高速光源之一,因此需要深入研究VCSEL的高速调制机理及限制高速调制特性的主要影响因素,解决传输速率和功耗的矛盾,使高速VCSEL成为高速光通信、光互联等光网络中的光源之一。本论文面向高速光通信,以研制-3d B带宽大于10GHz的VCSEL为目标,理论上深入研究850nm VCSEL的高速调制特性机理及限制因素,主要包括弛豫振荡频率、热、寄生RC参数及电极结构的微波反射特性等,并在实验上制备出-3d B带宽大于10GHz的VCSEL,最后对制备的VCSEL进行了分析静态特性和动态特性的研究和优化,实验结果与理论分析、软件仿真一致。本论文主要研究内容及结论概括如下:1.理论研究发现限制氧化限制VCSEL高速调制特性的主要因素主要包括:弛豫振荡频率、阻尼和寄生RC电路。弛豫振荡频率是VCSEL高速调制特性的最主要因素;通过对弛豫震荡频率的推导,理论研究发现限制弛豫震荡频率的主要限制因素是量子阱微分增益和光子寿命;研究VCSEL器件的寄生RC并建立器件的寄生电路模型,并利用二端口网络理论研究寄生电路的高频响应特性和电极结构的微波反射特性。2.研究制备高速VCSEL的关键工艺:湿法腐蚀、Al Ga As的湿氮氧化及BCB的刻蚀。Al Ga As材料在湿法腐蚀和湿氮氧化过程中的各向异性是导致氧化孔径呈现眼型的原因,但是对本实验制备的VCSEL中寄生RC参数的影响不大。研究了BCB在刻蚀过程中出现难以刻蚀并绝缘的玻璃状残留物的原因。3.制备了四种台面尺寸的单台面异面电极结构的VCSEL,对器件进行静态特性的研究,并重点研究VCSEL的动态特性。制备的VCSEL的-3d B带宽大于10GHz,约等于12GHz,并且带宽的测试受到了实验仪器测试带宽的限制;研究发现VCSEL的-3d B带宽随着驱动电流的增大呈现先增大后减小的趋势,主要是由于量子阱中载流子的泄露随着热的增大而增大,使微分增益减小导致的。实验结果与理论分析和软件模拟一致。4.利用二端口网络研究异面电极结构的反射特性及其对VCSEL高速调制特性测试的影响。研究异面电极结构的特征阻抗与电极结构参数的关系。实验制备的VCSEL的异面电极结构的反射系数为22%,并发现增大信号线的宽度同时减小片子厚度,可实现阻抗匹配。在片子厚度为100μm,信号线宽度为70μm时,特征阻抗为~50Ω。并进一步设计了易于工艺实现的特征阻抗匹配的同面电极结构,并研究了特征阻抗与同面电极结构相关参数的关系,发现对该电极结构的特征阻抗影响最大的是BCB的厚度、电极的宽度,且要求正负电极线之间的宽度大于30μm;5.对VCSEL进行RC参数的提取,并建立了器件的等效电路:其-3d B带宽大于10GHz。