基于可调谐垂直腔面发射激光器的微机电系统调谐特性研究

发布时间：2020-04-18 01:20

【摘要】：垂直腔面发射激光器(VCSEL)是由日本东京工业大学的Iga、Soda等教授于1977年初次提出。其出光方向与衬底垂直,具有可在片测试、阈值电流低、易于集成、发散角小、调制速率高等优点。VCSEL当前主要的研究方向有:波长集成、波长扩展、波长调谐、大规模二维阵列、控制模式等。波长连续可调谐VCSEL因其调谐范围较大,光谱纯度较高在光通信网络、计算机光互连、气体探测、原子钟等领域中有广泛的应用前景。本论文围绕可调谐VCSEL微机电系统(MEMS)调谐特性开展研究,探索提高器件可靠性、结构的优化设计的设计思路,并在此基础上进行了器件工艺制备和器件特性分析。以下为本论文主要研究内容:1.针对等截面MEMS悬臂梁结构端部受力集中易导致结构疲劳断裂的问题,设计了一种低应力蝴蝶结状MEMS悬臂梁结构。该结构在固定端采用等腰梯形设计,可有效改善悬臂梁结构固定端受力分布,降低端部米塞斯应力。GaAs基材料固定端的最大米塞斯应力相比于等截面状结构降低了37%~64%;InP基材料固定端的最大米塞斯应力相比于等截面状结构降低了33%~50%。实现了可调波长范围覆盖自由光谱范围的具有更低应力、更高可靠性的MEMS悬臂梁结构。2.采用多物理场耦合分析软件,突破原有的静电致动方式的束缚,研究了热电致动和压电致动两种方式实现悬臂梁偏转的方法,探索提高器件调谐特性的可行性。热电致动方式可以同时实现连续波长调谐和小的波长热漂移;压电致动方式可以消除由静电致动拉入效应引起的灾难性损坏,提供了潜在的可调谐方案。3.低应力MEMS制备和器件特性分析。MEMS制备悬臂梁采用了蝴蝶结状,使用设计的掩膜板进行了双面对准套刻工艺。对GaAS背孔深刻蚀工艺研究了不同刻蚀条件对刻蚀速率、刻蚀形貌、刻蚀选择比的影响。通过优化气压、功率、Cl_2/BCl_3/Ar混合气体组成配比得出了最佳刻蚀条件,得到理想的刻蚀深度和侧壁形貌,最大刻蚀速率达到6.5μm/min。ICP干法刻蚀过程中采取二氧化硅和光刻胶双层掩膜,保护了表面完整性。制备器件后,调谐偏压从0V-3V,器件的波长从865.5nm蓝移到854.2nm,调谐范围为11.3nm。
【图文】：

谐振腔结构,可调谐

腔激光器 1980 年初次在半导体激光器上采取外腔反馈技术，，调谐的输出波长[5]。原理是通过外腔把一些输出光束增益区多次振荡，大幅度压窄谱线宽度，增大调谐范L 中通常使用光栅供应外部反馈。依据不同的光栅结构。图 1.1 是Littman结构的谐振腔[7]。激光二极管光经过透镜准直到一固定反射型衍射光栅表面，利用，使不同波长的 1 级衍射光线按原路反馈回有源区，作为 0 级衍射光（即反射光）输出。外腔镜可以实现现连续波长调谐[3]。

示意图,基本组成结构

图 1.2 DFB-LD 基本组成结构的光栅是完全对称的，会产生两个主模同时振荡的现象。为了主模上，并使各个振荡模式间阈值增益差变大，可以采用如下方一个 λ 4相移；2）在有源区靠近腔面侧小区域内形成无 DFB 的之一增透或者增反，形成非对称的腔面反射率。若是将 DFB-L调谐范围，图 1.3 为平面结构示意图。形成阵列后大幅度提升了单个 DFB-LD 的波长稳定特性和优良光谱特性，并且控制相对然基于温度可调，调谐速率不高。图 1.3 DFB 阵列激光器平面结构示意图
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248

【参考文献】