基于MEMS技術(shù)波長可調(diào)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(dǎo)體激光器，其器件具有出光方向垂直于襯底，能夠?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)代通信容量的急劇增大，迫切需要能夠適應(yīng)于密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)的波長可調(diào)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(jié)合，誕生了可調(diào)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(wǎng)絡(luò)、計算機光互連、光譜學(xué)儀器、光學(xué)陀螺儀、原子鐘等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)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(diào)諧VCSEL展開，在器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法、模式模型的建立、工藝制備和器件特性分析方面進(jìn)行了深入的研究。器件制備后實現(xiàn)了波長從968.7nm到950nm連續(xù)調(diào)諧，調(diào)諧范圍達(dá)18.7nm，在MEMS單片集成可調(diào)諧VCSEL器件制備上，這是目前國內(nèi)可見報道的最大調(diào)諧范圍。本論文主要的研究內(nèi)容如下：
　　

3、 1.單片集成MEMS可調(diào)諧VCSEL調(diào)諧特性研究和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(diào)諧VCSEL器件的調(diào)諧特性，即調(diào)諧波長和空氣層厚度的變化關(guān)系，兩種方法計算結(jié)果一致。根據(jù)器件結(jié)構(gòu)和模擬計算的調(diào)諧特性，給出了優(yōu)化設(shè)計方案：調(diào)諧過程中縱向限制因子比原來器件結(jié)構(gòu)大、調(diào)諧范圍31.8nm。
　　 2.可調(diào)諧VCSEL模式模型的建立
　　 在求解縱向駐波場的基礎(chǔ)上，利用有效折射

4、率模型以及改進(jìn)的有效折射率模型理論，建立了可調(diào)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(guān)系。通過在圓柱坐標(biāo)中對麥克斯韋方程的詳細(xì)求解，經(jīng)過一系列計算近似，得到了模式理論表達(dá)式，并在求解出有效芯層、有效包層折射率的基礎(chǔ)上得到了可調(diào)諧VCSEL的LP模式隨空氣層厚度的變化關(guān)系，建立了可調(diào)諧VCSEL的模式模型。
　　 3.可調(diào)諧VCSEL器件的制備
　　 分析了器件制備過程中的關(guān)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(guān)鍵工藝：犧牲層Al0.8Ga0.2As濕法腐蝕工藝。通過關(guān)鍵工藝步驟的單項實驗探索工藝條件參數(shù)，盡量減小單步工藝對器件成品的影響。詳細(xì)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(shù)，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(shù)，器件制備過程中發(fā)現(xiàn)，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(hù)懸臂DBR和犧牲層，保護(hù)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(diào)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(diào)諧偏壓從0V-7V，器件的波長從968.7nm藍(lán)移到950nm，調(diào)諧范圍為18.7nm，調(diào)諧過程中，最大光譜半寬為4nm，器件呈現(xiàn)出了比較好的激光特性。將結(jié)合分布力模型應(yīng)用到具體懸臂結(jié)構(gòu)中，簡化了懸臂偏移量和電壓關(guān)系表達(dá)式，計算結(jié)果和實驗結(jié)