宽调谐范围的可调谐MEMS-VCSEL的制作方法

本发明涉及激光器，具体提供一种宽调谐范围的可调谐mems-vcsel。

背景技术：

1、垂直腔面发射激光器，简称(vcsel)，它具有低阈值电流、圆形光斑、高调制带宽、单纵模激射、易于实现高密度二维阵列、制作成本较低等诸多优点，在许多领域中都具有广泛得应用。通过将微机-电系统(mems)技术与vcsel激光器集成，mems结构与vcsel间有空气隙，通过外部电极控制mems结构产生位移，使空气隙的厚度发生改变，空气隙厚度的改变导致vcsel的谐振腔的共振长发生了变化。因此，通过连续的改变mems的外部控制电压可实现对vcsel输出波长的连续调谐。mems-vcsel相比于其它结构的可调谐激光器(例如，外腔可调谐激光器、可调谐dfb激光器等)可以实现大于10％相对波长的调谐范围、基横模的输出光斑模式以及最高达mhz量级的波长调谐速率。现已成为医疗领域光谱学和光学相干断层扫描(oct)技术中的核心激光光源。对于oct技术中的激光光源来说，其核心的参数指标主要为激光器芯片的最大波长调谐范围和波长调谐的速率，前者直接影响对人体组织的成像深度和精度，后者影响系统成像速度。因此，如何进一步拓展mems-vcsel器件的最大波长调谐范围，是oct领域应用端对其核心光源的性能参数提出的更大技术挑战。

2、目前，针对oct应用的mems-vcsel实现的最大调谐范围为150nm。理论研究表明，限制可调谐激光器最大波长调谐范围的主要因素是器件结构的自由光谱范围(fsr)，它决定了可调谐激光器的理论调谐范围上限。根据公式，fsr＝λ2/2nl，其中n为光学腔的等效折射率，l为光学腔物理长度，λ为波长。对于mems-vcsel来说，提高结构的fsr，主要通过减小l来实现，其中最有效的方式就是最大程度地降低空气隙的厚度。当采用小气隙结构使器件的fsr提高后，需要同步实现的是使mems部分可以产生足够的形变量来满足fsr所需的空气隙变化量，使二者之间达到匹配，才能使器件突破更大的波长调谐范围。理论上对于mems结构来说，微纳结构产生的形变量满足三分之一定则，即mems结构形变的最大位移量理论上不超过总体空气隙厚度的三分之一。当mems微结构达到最大位移达到三分之一附近时，继续增大调谐电压，悬臂的形变将不再是线性变化，随机出现“灾难性”吸合现象，使整个微镜结构塌陷变形。因此，对于实现超过150nm调谐的mems-vcsel器件来说，限制其调谐范围进一步增大的因素，不单单是vcsel器件本身结构的参数优化(例如，损耗、增益、电阻等)，如何进一步提高mems结构的最大位移量也成为一项关键的技术挑战。同时，对于可以覆盖大范围波长调谐的mems结构需要几十伏特的驱动电压(例如，满足150nm调谐范围所需的驱动电压约为60v)，这一定程度上增大了系统的功耗，并且需配备更高性能的外部驱动电源。现有对于提高mems部分最大位移量的技术方案，主要为在静电力调谐的基础上增加压电调谐和热电调谐两种方式。前者通过在原有的mems悬臂结构基础上增加压电材料，利用压电材料表面的电势差产生的机械应应力迫使悬臂向移动方向产生更大位移，突破三分之一定则限制，由于压电材料产生的应力有限，使得增大调谐范围有限。后者是通过静电调谐结合热调谐方式扩大调谐范围，传统的mems部分负责将vcsel的输出波长向短波长方向调谐，当切换到热调谐时，通过mems悬臂膜的受热膨胀，使vcsel的输出波长向长波方向调谐，二者组合后，整体增大了vcsel的波长调谐范围，但由于热调谐的响应速度很慢，导致整体调谐速度不高，无法满足oct领域的应用需求。

3、对于大于100nm调谐范围的mems-vcsel器件，现有的增大调谐范围的技术还主要针对vcsel的结构部分进行优化改进，例如vcsel的量子阱的增益带宽、器件损耗、半导体/空气腔耦合效率等方面。而mems的空气隙厚度一般都被设计为1.5～3个波长(λ)厚度，使mems可以产生足够位移量去满足调谐范围的需求。随着外延技术、工艺制备技术以及可调谐器件理论的逐步完善提高，mems-vcsel达到的最大调谐范围基本与该结构的理论fsr值相符，这说明调谐范围已受器件自身结构限制达到了瓶颈。在此基础上，减小空气隙厚度是提高fsr的另一有效途径。

4、但当mems-vcsel采用小气隙结构时，将面临以下几个问题：

5、(1)mems的最大位移量是否可以覆盖大范围的波长调谐所需，又或是理论上的mems形变量在实际应用时由于材料、工艺等因素导致被人为的缩小。

6、(2)mems-vcsel结构的初始激射波长一般被设计在长波长处，此时mems部分并未加载调谐电压。通过控制调谐电极，将输出波长从长波长调谐至短波长，覆盖完整的fsr调谐范围。因此，初始空气系厚度决定了实际的波长调谐范围与理论值的吻合程度。但由于工艺生长误差、mems悬臂释放等工艺引入的不确定因素，往往实际的波长调谐范围都小于设计值。在小气隙结构中，工艺误差的影响程度也将被放大。

7、(3)在大范围调谐的mems-vcsel结构中，需要非常高的驱动电压(例如，满足150nm调谐范围所需的驱动电压约为60v)，来实现mems悬臂产生大范围位移。并且，由于空气隙减小，为了满足oct应用时调谐波长的连续性，需要调谐电源具备高电压、高分辨率的输出要求，这增大了调谐电源的要去。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供了一种宽调谐范围的可调谐mems-vcsel，主要扩大了mems悬臂可实现的最大位移范围，并采用了分段式mems位移调谐的方式。

2、本发明提供的宽调谐范围的可调谐mems-vcsel，包括vcsel单元和mems单元；

3、mems单元包括：

4、第一厚度控制层，其设置在vcsel单元的电极上，并在内部形成第一空气层，第一厚度控制层用于控制第一空气层的厚度；

5、mems悬臂，其设置在第一厚度控制层上，可通过施加电压使mems悬臂产生形变，改变谐振腔长，进而实现对输出波长的调谐；

6、第一mems电极，其设置在出光口外侧的mems悬臂的上表面上，mems悬臂的上表面中央位置上设置有第二dbr，第二dbr为不同折射率半导体材料交替生长的周期结构，第二dbr的周期数小于第一dbr的周期数，第一dbr和第二dbr构成谐振腔；

7、第二厚度控制层，其设置在第一mems电极的上表面边缘位置上，并在内部形成第二空气层，第二厚度控制层用于控制第二空气层的厚度；

8、第二mems电极，其设置在出光口外侧的第二厚度控制层上。

9、优选的，vcsel单元包括：

10、第一vcsel电极；

11、衬底，其设置在第一vcsel电极上；

12、第一dbr，其设置在衬底上，为不同折射率材料交替生长的周期结构；

13、有源区，为多量子阱结构，用于提供光增益，其向下与第一dbr连接，向上与绝缘层连接；

14、电流限制层，其设置在绝缘层中间位置的上方，用于对非注入的电流区形成电隔离；

15、第二vcsel电极，其铺设在出光口外侧，第一厚度控制层设置在第二vcsel电极的上表面边缘位置上。

16、优选的，有源区的上下两侧设置有用于调节vcsel腔长的间隔层。

17、优选的，第一dbr和第二dbr均采用高低两种折射率的介质膜材料交替生长，每层介质膜的厚度为波长的光学厚度的四分之一。

18、优选的，电流限制层上还设置有间隔层。

19、优选的，第二vcsel电极的下表面还设置有vcsel电极接触层，形成欧姆连接，减小电阻。

20、优选的，第二mems电极的下表面还设置有mems电极接触层，形成欧姆连接，减小电阻。

21、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

22、本发明针对mems调谐部分进行了创新的设计，扩大了mems悬臂部分可实现的最大位移范围，解决了在小气隙厚度下mems结构调谐范围受限的问题。同时，采用分段式mems位移调谐的方式，避免了由于生长误差导致的mems-vcsel调谐范围降低的问题，减小了mems总位移所需的最大调谐电压，降低了mems驱动电源的复杂性。