基于MEMS技術波長可調諧VCSEL模式模型建立及器件制備.pdf

1、垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）是一種新型的半導體激光器，其器件具有出光方向垂直于襯底，能夠實現在片測試、易與其他光電子器件集成；閾值電流低；效率高；發(fā)散角小等優(yōu)點?，F代通信容量的急劇增大，迫切需要能夠適應于密集波分復用（DWDM）技術的波長可調諧激光器器件。通信系統(tǒng)的需求和垂直腔面發(fā)射激光器的優(yōu)點相結合，誕生了可調諧垂直腔面發(fā)射激光器，這種新型的器件必然會在光通信網絡、計算機光互連、光譜學儀器、光學陀螺儀、原子鐘等領域中具有廣泛的應用

2、前景。本論文圍繞中心波長980nm單片集成微機械系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）可調諧VCSEL展開，在器件結構的優(yōu)化設計方法、模式模型的建立、工藝制備和器件特性分析方面進行了深入的研究。器件制備后實現了波長從968.7nm到950nm連續(xù)調諧，調諧范圍達18.7nm，在MEMS單片集成可調諧VCSEL器件制備上，這是目前國內可見報道的最大調諧范圍。本論文主要的研究內容如下：
　　

3、 1.單片集成MEMS可調諧VCSEL調諧特性研究和器件結構優(yōu)化設計利用求解普通VCSEL縱向駐波場分布和反射譜的方法，模擬計算了可調諧VCSEL器件的調諧特性，即調諧波長和空氣層厚度的變化關系，兩種方法計算結果一致。根據器件結構和模擬計算的調諧特性，給出了優(yōu)化設計方案：調諧過程中縱向限制因子比原來器件結構大、調諧范圍31.8nm。
　　 2.可調諧VCSEL模式模型的建立
　　 在求解縱向駐波場的基礎上，利用有效折射

4、率模型以及改進的有效折射率模型理論，建立了可調諧VCSEL的有效折射率模型，求解出了空氣層厚度和有效芯層折射率、有效包層折射率的關系。通過在圓柱坐標中對麥克斯韋方程的詳細求解，經過一系列計算近似，得到了模式理論表達式，并在求解出有效芯層、有效包層折射率的基礎上得到了可調諧VCSEL的LP模式隨空氣層厚度的變化關系，建立了可調諧VCSEL的模式模型。
　　 3.可調諧VCSEL器件的制備
　　 分析了器件制備過程中的關鍵工

5、藝步驟：懸臂DBR臺階的刻蝕和腐蝕、氧化工藝以及器件制備最關鍵工藝：犧牲層Al0.8Ga0.2As濕法腐蝕工藝。通過關鍵工藝步驟的單項實驗探索工藝條件參數，盡量減小單步工藝對器件成品的影響。詳細研究了SiCl4/Cl2的混合氣體刻蝕GaAs材料的速率，分析了影響GaAs刻蝕的工藝參數，利用GaAs的最優(yōu)刻蝕速率條件，確定了懸臂DBR刻蝕工藝參數，器件制備過程中發(fā)現，懸臂DBR的刻蝕速率在1.6μm-1.7μm之間；高溫氧化過程中利用Si

6、O2保護懸臂DBR和犧牲層，保護了懸臂DBR表面，減小了高溫氧化對懸臂DBR的氧化深度。最后確定了單片集成MEMS可調諧VCSEL器件制備工藝流程。
　　 4.器件制備成功后，通過測試表明，調諧偏壓從0V-7V，器件的波長從968.7nm藍移到950nm，調諧范圍為18.7nm，調諧過程中，最大光譜半寬為4nm，器件呈現出了比較好的激光特性。將結合分布力模型應用到具體懸臂結構中，簡化了懸臂偏移量和電壓關系表達式，計算結果和實驗結