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本论文围绕长波长垂直腔面发射激光器进行器件设计、单元材料生长、器件结构材料生长及其表征。 从麦克斯韦方程得到了光的波动方程，通过电磁波在界面的连续性条件推导了多层介质膜的传输矩阵，得到了计算多层膜反射率谱的方法。研究了DBR不同角度入射光的反射率谱线及其截止带宽的变化。当入射角增大，TE模、TM模的反射光谱都向短波方向移动，TE模反射谱的截止带宽增加，而TM模反射谱的截止带宽减小。 研究了VCSEL的反射率谱线位置随光线入射角度、谐振腔的光学厚度以及DBR光学厚度的变化。VCSEL谐振腔的光学厚度变化时，反射谱的位置变化较小，腔模位置随谐振腔光学厚度变化而有较小线性变化；当DBR的光学厚度发生改变时，腔模位置随DBR光学厚度的变化有较大的线性变化，变化速率为1.75。DBR光学厚度变化比谐振腔光学厚度变化对VCSEL的性能有更大影响。结合传输矩阵和光的波动方程计算了DBR及VCSEL器件中的光场分布，研究了不同出射介质对VCSEL光场分布的影响，确定了出射面DBR和反射面DBR高低折射率材料的排列顺序。 考虑了光线入射到金属膜上时存在的相位变化，理论上计算了金膜的相位变化，并提出了相位匹配层(PML)。研究了反射率随不同相位匹配层厚度的变化，设计了一种具有高反射率的DBR+PML+Au复合腔镜，提高了反射谱截止带内的反射率。 通过气态源分子束外延(GSMBE)生长了压应变的InAsP单层材料和张应变的InGaAsP单层材料，采用XRD三轴两维Mapping表征了两种材料(004)面对称衍射和(224)面非对称衍射。通过分析得到InAsP体失配度为1.446％，[110]方向的弛豫度为93.84％，接近完全弛豫。InGaAsP的体失配度为-0.5849％，[110]方向的弛豫度为13.6％，[1-10]方向的弛豫度为42.8％。分析表明处于部分弛豫状态的材料，材料应变分布不均匀，并且沿不同方向有不同的弛豫度。采用GSMBE生长了1阱、2阱、3阱、5阱和8阱的InAsP／InGaAsP应变补偿量子阱(SC-MQWs)，XRD摇摆曲线和光致发光谱(PL)表明应变补偿技术有效提高了量子阱的晶体质量，减少了位错密度，提高了发光特性。 生长了10对GaAs／AlGaAs DBR，通过模拟其XRD摇摆曲线和反射谱，得到了GaAs和AlGaAs的生长速率以及波长1310nm下的折射率，对设计值进行了修正。通过得到的参数生长了35对GaAs／AlGaAs DBR，并将其与PIN谐振腔进行键合，形成