面发射半导体激光器这一概念是由日本东京工业大学的伊贺健一教授1977年首次提出，并于1979年第一次通过电流注入实现了GaInAsP系列面发射半导体激光器的激光振荡。此后，面发射半导体激光器在世界范围内被广泛研究并应用，应用研究的热点在光通讯，光互联，传感器等方面。

基本的面发射半导体激光器结构包括高反射率（大于99%）的上下分布布拉格反射镜（ DBR）、量子阱有源区和金属电极组成。量子阱有源区位于n型掺杂的DBR和p型掺杂的DBR之间。DBR反射镜由高折射率层材料和低折射率材料交替生长而成，每层材料的光学厚度为激光波长的1/4。有源区器件的光学厚度为1/2激光波长的整数倍，以满足谐振条件。

面发射半导体激光器具有如下的优点：

①极低的阈值电流和工作电流。采用质子注入方法和湿法侧氧化技术可以将光场和电场限制在直径为微米量级的微腔内，从而使有源区的体积被压缩的很小。面发射半导体激光器的阈值电流可以低到微安量级，比普通的边发射半导体激光器低三个数量级。

②稳定的单纵模工作。传统边发射半导体激光器的谐振腔长度相对激光波长较长，因此通常为多纵模工作，而且还很容易产生模式跳跃，而面发射半导体激光器的谐振腔光学厚度可与激光波长接近，纵模间距能够保证稳定单纵模工作。

③高频率调制。由于面发射半导体激光器谐振腔很短，因此可以得到很高的弛豫振荡频率和较宽的调制带宽（数十GHz），这一优点已在光通信应用中得到体现。

④与光纤耦合效率高。面发射半导体激光器输出的是对称的圆形光束而且发散角小，容易与光纤耦合，从单模光纤到芯径1mm的塑料光纤都可以使用，耦合效率已证实高达90%以上。

⑤批量生产成本低、可靠性高。面发射半导体激光器的反射镜为外延生长过程中形成，已经掩埋在晶体材料中，因此批量生产成本低。

⑥容易集成二维阵列。面发射半导体激光器垂直于外延片表面发射激光，因此容易制备二维列阵，其制备工艺能够和标准集成电路工艺进行同步和兼容，实现光电器件集成和三维光子回路等。

经过发展，面发射半导体激光器取得了很好的成果，各种波长、各种功率水平的面发射半导体激光器已经广泛应用于光通信、泵浦源、照明显示、存储、材料加工、医疗以及军事等领域。850nm、780nm及980nm等波段的面发射半导体激光器已经实现了商品化，长波长的1300～1550nm、红光、蓝光及紫外波段的面发射半导体激光器等仍是研究热点。

为了实现激光激射，在谐振腔内部的振荡光场得到的光增益应该大于损耗，而光增益等于损耗的时候成为面发射半导体激光器的阈值条件。器件的内部损耗主要包括激光器腔内的衍射损耗，吸收损耗，散射损耗以及从DBR反射镜一侧出射到外部的光输出损耗。设面发射半导体激光器面发射半导体激光器两侧的DBR反射镜反射率分别为，，而器件内部总增益为，内部总损耗为，腔长为，可以推导到出面发射半导体激光器的阈值条件为：

式中为从左侧镜面出发射向右侧镜面的初始光强。

将上式的内部总损耗具体化，即考虑谐振腔内部的光学损失中和，前后反射镜的光学损失以及纵向光场限制因子，可得有效阈值增益：

一般的面发射半导体激光器的LIV特性曲线，包括功率曲线和电压曲线。其中基本参数有开启电压，阈值电流()，斜率效率，热翻转电流等。电流大于阈值电流后，功率曲线呈线性增长趋势，其斜率称为斜率效率，可以反映激光器的工作效率。在电流增加到一定值后，功率趋于饱和并会下降，此现象为热翻转。在这个状态下，电能转化为热能多于光能。

面发射半导体激光器实现激射时器件的温度会随着注入电流的增加而升高，器件的输出功率出现热饱和，器件的性能如模式位置和增益谱会随着温度的变化而发生偏移。而这种温度变化主要由两方面引起，一是组成高反射率的分布布拉格反射镜（DBR）的Al_xGa_1-xAs材料存在着大的势垒差，从而形成了DBR的高阻值特性，导致了面发射半导体激光器工作时温升较大。二是当电流注入有源区时，载流子不能完全产生辐射复合，部分载流子会溢出量子阱产生非辐射复合，且有源区还会存在光学再吸收现象，这些都会使器件工作时温度升高，进而影响器件的工作性能。

比较明显的温度对阈值电流的影响，可用下式描述：

式中表示室温下的阈值电流；为器件温度；为特征温度（表示激光器对温度的敏感程度）。实际的阈值变化比该公式稍微复杂，由于增益曲线、腔模会随着温度的改变而改变，而且增益曲线的变化与腔模的变化速度不一样，所以会导致腔模增益在某个温度达到最大值，因此器件的阈值会在该温度达到最小值。

温度不仅影响阈值电流，还会影响激光器功率大小。另外，随着温度的升高，半导体的禁带宽度变小，加上增益曲线以及腔模的改变，将导致整个光谱向长波长方向移动。

面发射半导体激光器的模式包括纵模和横模。纵模为沿着谐振腔轴向的稳定的光场分布模式。每个纵模都为谐振腔的本征模式，满足谐振条件或，式中为激光波长；为激光频率；为光速；为正整数；有谐振腔的有效折射率；为谐振腔有效长度。

由于面发射半导体激光器的谐振腔非常短，长度只相当于一个或几个波长，根据纵模间隔公式，可以算得其纵模间距为百纳米量级。再根据完整面发射激光器结构中DBR的反射率曲线以及增益曲线，可以得出面发射激光器具有单纵模输出的特性。

面发射激光器的横模是指垂直于谐振腔轴向的平面上的光场分布模式，可以从激光器的近场出射光斑判断一个激光器的横模样式。一个面发射激光器所能够激发的横模与谐振腔的横向限制有关。在一般的面发射激光器中，用形成氧化孔径或者离子注入等手段对激光器的谐振腔进行横向限制，不同大小的孔径能够允许激射不同数目的横模。

在实际应用中，绝大多数需求面发射激光器工作在单模状态中，然而，如果单纯靠控制氧化孔径大小，会导致输出功率过小或者在大电流下多模激射。各种手段被实施来实现高功率单模输出或稳定单模输出，比如通过在表面刻蚀浮雕，制备光子晶体等。

激光光束质量是激光器的一个重要技术指标，其中最重要的两个评价参数为远场发散角（一般是指半角）和因子。对高斯型激光光束，这两个参数涉及束腰半宽，传播距离处的光斑半宽：

式中，位束腰位置坐标；为瑞利长度，距离束腰位置大于的区域，定义为远场区域。高斯光的远场发散角的定义为：

因子的定义为：

式中，称为实际激光光束的光束参量积；和分别为基模高斯光得束腰半宽和发散角。理想的基模高斯光束质量的是1，这个数值越大说明激光器的光束与基模高斯光相差越大。

在多数应用中，具有小发散角，小因子的激光器是被需要的。面发射激光器的远场发散角和其氧化孔径尺寸有关，一般氧化孔径越小，发散角越小。面发射激光器的远场发散角一般在10°至20º之间，因子一般在5到10之间或者更大的值。为了得到更高光束质量的激光，可以采取刻蚀微透镜的方法，如中国长春光机所大功率激光研究组于2010年成功制备出集成微透镜的底面发射激光器阵列，实现了远场发散角的压缩，从而提高光束质量。远场发散角被压缩至没有集成微透镜的器件的二分之一或更小。