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随着光子集成技术的发展，对光学器件体积、功耗性能的要求也随之提高。基于回音壁模式的微腔激光器具有体积小、功耗低、高速率等特点，是光电子集成芯片内光源的理想选择。本论文主要研究定向输出正方形微腔激光的模式特性，以及其在高速直接调制、双波长激光器等领域的应用，还基于三维FDTD方法研究了圆柱形金属限制纳腔的模式特性。主要取得以下成果: 我们首先基于二维FDTD仿真和实验测试结果，对不同结构的定向输出正方形微腔进行了模式分析和比较。通过在顶点处、边中点处连接输出波导，边长20μm的正方形微腔激光器分别实现了双模、单模激射，激射模式特性与FDTD仿真结果吻合。FDTD仿真和实验结果还表明，在较大切角的破坏下正方形微腔依然能够保持较高的品质因子并实现单模激射。 我们制备了不同尺寸、不同输出波导结构的单模正方形激光器，对其静态特性、小信号调制响应及眼图进行了测试分析。测试结果表明，顶点波导输出的单模正方形微腔激光器可以实现更好的静态、动态调制性能，输出光功率高于其它相似尺寸的微腔激光器。在边长16μm、顶点处连接宽2μm输出波导的正方形激光器中，多模、单模光纤耦合功率分别高达0.53、0.18 mW，边模抑制比达到41 dB，并实现了3-dB带宽为16.2 GHz的小信号调制响应。 通过设计方环形的电注入窗口，我们实现了模式间距可调的双横模正方形微腔激光器。在边长30μm、注入窗口宽4μm的正方形激光器中，通过调节注入电流实现了模式间距在0.25 nm到0.39 nm范围内连续可调的双横模激射。基于该双横模正方形激光器，获得了从30.5 GHz到48 GHz的可调谐微波信号，3-dB线宽约50 MHz。 我们还利用三维FDTD方法研究了圆柱形金属限制纳腔的模式特性。通过优化上限制层厚度来提高TE模式的输出效率，而通过增加上限制层厚度或者缩小电注入窗口则可以降低TM模式的金属损耗。为了实现金属限制纳腔激光器的定向输出，我们提出了一种薄层波导输出结构来获得较高的耦合输出效率。