1、0114003-1研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报可调谐垂直腔面发射激光器支撑结构优化设计吕家纲1，2，李伟1*，戚宇轩1，2，潘智鹏1，2，仲莉1，刘素平1，马骁宇11中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程研究中心，北京 100083；2中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049摘要 基于微机电系统（MEMS）的 850 nm 可调谐垂直腔面发射激光器（VCSEL），设计了一种双曲线梁结构，以提升器件机械和调谐特性。通过分析传统等截面梁结构的受力情况，提出了双曲线结构优化设计，将梁结构端面的面积增大从而降低最大应力。理论仿真结果表明：优化后器件
2、上反射镜的最大偏移量基本保持不变，支撑梁上下表面的最大应力分别降低了 23.4%和 17.0%，谐振频率增大了 7.9%；当 MEMS-VCSEL 分别为半导体腔主导（SCD）结构和空气腔主导（ACD）结构时，波长调谐范围分别为 16.6 nm 和 42 nm。该优化方式的优势在于不需要改变激光器的结构，同时可与其他优化方式兼容，具有一定的应用前景。关键词 激光器；垂直腔面发射激光器；可调谐激光器；微机电系统；机械特性；调谐特性中图分类号 TN365 文献标志码 A DOI：10.3788/AOS2212711引 言垂直腔面发射激光器（VCSEL）具有低阈值电流、低功耗、小发散角、动态单纵模、
3、圆形光斑和易于二维集成等优点1-3，在工业加工、数据通信、光互连和固体激光泵浦等领域中得到了广泛的应用4-6。VCSEL 常与微机电系统（MEMS）技术相结合，以实现波长可调谐的激光输出，具有宽连续波长调谐范围、快调谐速率和低功耗等优势。光通信7-9、光学相干层析成像10-12和激光雷达13等领域对光源的波长覆盖范围和扫频速率都有一定的要求，故 MEMS-VCSEL 在其中具有良好的应用前景。1995 年，MEMS-VCSEL 在美国斯坦福大学被第一次提出并制备，在 930 nm 波段附近波长调谐范围达到 15 nm14。2008 年，Huang 等15提出利用高对比度光栅替代传统 VCSEL
4、 的分布式布拉格（DBR）反射镜，在 850 nm 波段实现了 18 nm 的波长调谐。随后各个研究小组在不同的波段采用不同的结构和调谐方式均取得了一定的突破，其研究目标是拓宽器件的调谐范围和提升器件的调谐速率16-20。在上述可调谐应用中，MEMS-VCSEL 器件的悬浮反射镜均由等截面梁结构支撑，调谐过程中等截面梁结构会受到交变载荷，由此导致的结构断裂是限制 MEMS 结构寿命的主要因素之一21-22。由于不同材料的力学性能存在一定的差异，故MEMS 结构的可靠性很大程度上取决于使用的材料体系23。除了材料，器件的封装方式对其性能和可靠性也起着至关重要的作用，但引入额外的封装工艺会增加器件
5、的工艺成本，这会限制其在商业应用上的发展24。除了材料体系和封装工艺，MEMS 的结构也直接影响着器件的性能和可靠性25，对结构进行一定的优化设计可以在低成本条件下提高器件的可靠性，是一种可行性较高的优化方式。本文对 MEMS中支撑梁结构对可调谐 VCSEL性能和可靠性的影响进行了研究。对传统等截面结构进行了力学分析，并提出了双曲线结构优化设计，以降低支撑梁结构上的最大应力，进而改善整体应力分布。在反射镜最大偏移量基本不变的情况下，所提结构中支撑梁上下表面应力分别降低了 23.4%和 17.0%，谐振频率提升了 7.9%。该设计无需引入额外的工艺步骤即可提升器件的机械与调谐特性，且与其他材料、
6、结构优化方式具有良好的兼容性。2优化设计MEMS-VCSEL 的整体结构如图 1 所示，器件包括半 VCSEL 部分、耦合层、空气隙和一个可偏移的上反射镜，其中：半 VCSEL 部分包含底部电极、衬底、下部 DBR 反射镜、有源区和氧化层；耦合层主要为中部DBR 和电流注入层；器件中的空气隙是通过选择性湿法腐蚀制备的；上反射镜一般为 DBR 反射镜或亚波长收稿日期：2022-06-07；修回日期：2022-07-02；录用日期：2022-07-11；网络首发日期：2022-07-21基金项目：国家自然科学基金（62174154）通信作者：*0114003-2研究论文第 43 卷 第 1 期/2
7、023 年 1 月/光学学报高对比度光栅反射镜。MEMS 结构一般是通过材料的压阻、压电、静电、热敏或者电磁特性来驱动和传感的，其中静电驱动是MEMS-VCSEL 中最常用的驱动方式。此时，MEMS部分在器件中相当于一个可变气隙电容，在顶部调谐电极和中部电流注入电极之间施加反向偏压，上反射镜就会受静电力的牵引向下偏移，空气隙厚度发生变化，从而器件的输出波长会发生改变26。当上反射镜受到静电力驱动时，上反射镜的支撑结构可以简化为受到一维均匀载荷的梁结构，此时其受到的剪切力和弯矩分布如图 2 所示，其中 l为梁的长度，V 为梁结构的剪切力分布，Mmax为梁结构的最大弯矩。可以看到，受到均匀载荷时剪
8、切力和弯矩均在端面达到最大值，此时梁上的应力27可以表示为=MS，（1）式中：M 为弯矩；S为梁的截面模量，是与梁结构的截面几何尺寸相关联的参数。对于矩形截面，S27可表示为S=w h26，（2）式中：w和h分别为梁结构截面的宽和高。在 MEMS 中，支撑梁多为矩形等截面结构，故在梁的端面处容易出现应力集中现象。已有研究通过显微拉曼光谱测量得出，在静电驱动的可调谐 VCSEL中，MEMS 的端点处残余应力最大28。在工程力学中，可以通过改变梁结构的截面形貌（如采用“工”字梁）来降低应力，但微纳尺度下难以通过这种方式来优化梁结构的应力分布。然而，梁结构的截面尺寸是可以通过设计来改变的，由之前的分
9、析可知，端面处弯矩最大，而截面模量不变，因此应力最大。本研究将传统等截面支撑梁优化为双曲线结构，优化前后梁的体积不变，通过增大两端面的截面尺寸，增大端面截面模量，从而降低端面位置的应力，使得支撑梁上最大应力降低，应力分布更均匀，图 3 为优化前后的结构示意图。在图 3 所示的示意图中，中间的正方形结构为上反射镜，边长为C，两种梁的长度均为L。对于等截面结构，梁宽为W。对于双曲线结构，梁中部腰位置处的梁宽为2a，端面处的梁宽为a4b2+L2/b，确定梁宽的双曲线方程为x2a2-y2b2=1，（3）式中：（x，y）为双曲线梁结构上不同点的位置；a 和 b为双曲线的实半轴和虚半轴长。两种结构的材料参
10、数图 2三维梁结构和受力分析。（a）简化梁结构受力分析；（b）梁结构的三维示意图Fig.2 Three-dimensional beam structure and stress analysis.(a)Stress analysis of simplified beam structure;(b)three-dimensional diagram of beam structure图 1MEMS-VCSEL结构示意图Fig.1Structural diagram of MEMS-VCSEL0114003-3研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报和几何参数如表 1所示
11、。3分析与讨论3.1机械特性对于两种结构，在相同的偏移量下，对比了两种结构的力学特性。图 4 为两种结构在偏移量为 390 nm时，支撑梁上下表面的应力分布。可以看到，优化前后的应力分布相似，在两个端面应力值较大，而在梁的中间位置应力较小，表面应力最大值出现在固定端面附近，对于传统的等截面结构，上下表面的最大应力分别为3.25 107 N/m2和3.06 107 N/m2，优化后双曲线结构上下表面的最大应力分别为2.49 107 N/m2和2.54 107 N/m2，分别下降了 23.4%和 17.0%。图 5 为两种结构端面位置的应力分布，图 5（a）为传统等截面结构上下表面在端面位置的应力
12、分布，图5（b）为优化后双曲线结构上下表面在端面位置的应力分布。可以看出，两种结构端面位置应力分布类似，对于固定端面位置，在支撑梁的中部出现了应力集中现象，而对于连接端面位置，在支撑梁的两端点处出现了应力集中现象。在优化之后，由于双曲线结构端面宽度更大，截面模量更大，因此应力相较于传统等截面有所降低。在已知双曲线结构能降低支撑梁上的最大应力后，对双曲线结构中梁的弯曲程度对结构机械特性的影响进行了分析，在参数a分别取值 1、2、3、4，且支撑梁体积不变时，计算了支撑梁的固定端面、连接端面和腰部截面位置的最大应力，结果如图 6 所示。随着参数a的增大，腰部截面的面积在增大，两端面的面积在减小，腰部
13、截面的最大应力在降低，固定端面和连接端面的最大应力在增大。当参数a由 3增大到 4时，两端面的最大应力迅速增大，而腰部截面的最大应力下降图 3悬浮反射镜结构示意图。（a）等截面结构；（b）双曲线结构Fig.3Structural diagram of suspended mirror.(a)Constant section structure;(b)hyperbolic structure表 1两种结构的材料参数和几何参数29Table 1Material and geometric parameters of two structures29Parametera in Eq.（3）b in
14、Eq.（3）Width W/mLength L/mThickness of mirror H/mSide length C/mPoisson radioYoungs modulus E/GPaDensity/（kg m-3）Relative permittivityAir gap thickness/mValue320.18101002.8400.3784.22438411.201.0625图 4梁结构的应力分布。（a）等截面结构的上表面；（b）等截面结构的下表面；（c）双曲线结构的上表面；（d）双曲线结构的下表面Fig.4 Stress distribution for beam struc
15、ture.(a)Upper surface of constant section structure;(b)lower surface of constant section structure;(c)upper surface of hyperbolic structure;(d)lower surface of hyperbolic structure0114003-4研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报不明显，故当参数a为 3 时，整体结构的应力结果比较合适。在静电驱动 MEMS-VCSEL 中，顶部反射镜的偏移量主要由静电力和材料的弹性恢复力共同决定。当两
16、者达到平衡状态时，反射镜会达到偏移的临界状态，继续增大上反射镜上的反向偏压会导致静电力与弹性恢复力失衡，从而使得上反射镜迅速向下偏移直至与下方结构贴合，该现象被称为“吸合现象”30。“吸合现象”发生时的反向偏压被称为“吸合偏压”，对应的偏移量为上反射镜的最大偏移量（被称为“吸合位移”），静电驱动 MEMS-VCSEL 的“吸合位移”一般约为空气隙大小的 1/3。表 2 为传统等截面结构和参数a不同时双曲线结构的“吸合位移”与“吸合偏压”。可以看到：传 统 等 截 面 结 构 上 反 射 镜 的 最 大 偏 移 量 约 为402.5 nm，对应的反向偏压约为 28.79 V；对于双曲线结构，随着参数a的增大，结构上反射镜的最大偏移量有所增大，对应的反向偏压略有降低，这是由结构的弹性系数略微降低导致的；当参数a取值为 3 或 4 时，双曲线结构上反射镜的最大偏移量与传统等截面结构相差不大，对应的“吸合偏压”略有增加。3.2调谐特性对于 MEMS-VCSEL，波长调谐范围是衡量器件的重要指标之一，一般由器件上反射镜的最大偏移量、器件的最小自由光谱范围（FSR），以及反射镜的高反射带宽和增益谱
