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

论文摘要

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、Cl2/BCl3/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。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 裴丽娜

导师: 邹永刚

关键词: 微机电系统,调谐特性,可调谐垂直腔面发射激光器,米塞斯应力,器件制备

来源: 长春理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 长春理工大学

分类号: TN248

总页数: 68

文件大小: 4161K

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标签：微机电系统论文;  调谐特性论文;  可调谐垂直腔面发射激光器论文;  米塞斯应力论文;  器件制备论文;