امروزه لیزرهای نیمه هادی گسیل کننده عمود بر سطح کاواک بدلیل مزایای ذاتیشان نسبت به لیزرهای لبه ای بسیار مورد توجه می باشند. قابلیت آرایه پذیری دوبعدی، قابلیت تست بر روی تراشه، اندازه ی کوچک، سرعت بالا و هزینه ی کم آن را برای کاربرد در سیستم های مخابرات نوری دوربرد و نزدیک برد جذاب کرده است. اما متاسفانه مشکل وابستگی شدید به دما، توان نوری خروجی پایین، تحریک مدهای عرضی مرتبه ی بالاتر و غیره از مشکلات استفاده از وکسل می باشد. به دلیل اینکه در کاربردهای مخابرات نوری دور برد به لیزر های تک مد توان بالا نیاز است، در این تحقیق یک ساختار جدید با استفاده از دو روزنه ی اکسید با اندازه ها و موقعیت های متفاوت پیشنهاد می گردد که با انتخاب مناسب پارامترها و محل لایه های اکسید می توان توان خروجی را برای حالت تک مود بیشینه نموده و افزایش داد. در این ساختار همچنین از لایه ی کاشت یونی نیز استفاده شده که نشان داده می شود که با بهینه کردن قطر روزنه ی آن می توان عناصر پارازیتی وکسل را کمینه کرده و در نتیجه سرعت مدولاسیون را افزایش داد. در این پایان نامه نحوه ی طراحی و آنالیز انواع ساختار های وکسل بررسی می شود و مزایا و معایب ساختارهای مختلف ارائه می گردد. یکی دیگر از مشکلات استفاده از وکسل ها عدم وجود یک مدل جامع، کارآمد و دقیق و در عین حال در سطح مدار می باشد. مدل های موجود یا دقت لازم را ندارند و یا آنقدر پیچیده و زمانبر هستند که برای شبیه سازی در سطح مدار مناسب نمی باشند. در این راستا مدلی کاملتر ارائه می گردد تا علاوه بر پدیده هایی مانند خودگرم شدگی، سوزش حفره ی فضایی و غیره که توسط نویسندگان مختلف مدل شده اند اثرات انتقال حامل، لنزینگ گرمایی، خود کانونی و غیره را در نظر بگیرد و راه حل هایی برای از بین بردن آثار نامطلوب پیشنهاد می گردد. لنزینگ گرمایی و خودکانونی باعث تغییر پروفایل مدهای عرضی و عملکرد مولتی مود عرضی می شود و همچنین در کوپلینگ بین فیبر نوری و لیزر از اهمیت بالایی برخوردار است. تا آنجا که ما اطلاع داریم، در مدل هایی که قبلاً ارائه شده است این پدیده تابحال در مدل مداری وکسل در نظر گرفته نشده است. در این تحقیق این پدیده ها نیز به مدل اضافه شده و اثر آن مورد بررسی قرار گرفته است. مدل بر اساس معادلات نرخ می باشد که برای شبیه سازی در سطح مدار بسیار مناسب می باشد. رفتار استاتیک و دینامیک وکسل بررسی شده و پدیده های مرتبط بحث می گردد. پاسخ مدولاسیون مدهای عرضی وکسل بررسی شده و راه حلی برای کمینه کردن اثرات نامطلوب مانند سوزش حفره ی فضایی ارائه می گردد. سپس مدل پیشنهادی همراه با یک مدل پارازیتی کامل به صورت یک قطعه در شبیه ساز hspice پیاده سازی می گردد تا بتواند بصورت کاربردی در طراحی مدارها مورد استفاده قرار گیرد. با استفاده از مدل سطح مدار اثر شکل جریان درایو بر عملکرد وکسل بررسی شده و با بهینه کردن شکل جریان، راه حلی برای بهینه کردن دیاگرام چشمی خروجی پیشنهاد می گردد. در پایان اثر انواع فیلترهای پایین گذر بر جریان درایو و توان خروجی نوری وکسل بررسی شده و نشان داده می شود که با بهینه کردن پهنای باند هر فیلتر می توان عملکرد وکسل را بهبود داد.