我們演示了寬可調(diào)諧微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的直接調(diào)制架忌。波長(zhǎng)調(diào)諧是通過電熱驅(qū)動(dòng)基于SiOx/SiNy的MEMS分布式布拉格反射器（DBR）實(shí)現(xiàn)的吞彤。采用表面微加工的方法，在低溫等離子體增強(qiáng)的半VCSEL化學(xué)氣相沉積室中沉積DBR叹放。實(shí)現(xiàn)了超過60nm的無(wú)模跳連續(xù)調(diào)諧饰恕，中心波長(zhǎng)為1554nm。Max 3dB小信號(hào)調(diào)制響應(yīng)（S21）帶寬為7.05GHz井仰。在10Gb/s的調(diào)諧范圍內(nèi)埋嵌，展示了背對(duì)背鏈路的準(zhǔn)無(wú)誤差操作，創(chuàng)紀(jì)錄的47nm調(diào)諧范圍俱恶，顯示了MEMS可調(diào)諧VCSEL作為接入網(wǎng)絡(luò)和互連中具有成本效益的光源的兼容性雹嗦。
寬可調(diào)諧1550納米MEMSvcsel的10gb/s直接調(diào)制（2）-Mems容器結(jié)構(gòu)與加工
1.半VCSEL結(jié)構(gòu)
BCB MEMS可調(diào)諧VCSEL的示意圖如圖1所示聪全。它主要由兩部分組成：半VCSEL和MEMS DBR泊藕。半VCSEL主要由一個(gè)基于AlInGaAs的有源區(qū)、兩個(gè)InP熱和電流擴(kuò)散層难礼、一個(gè)埋地隧道結(jié)（BTJ）和一個(gè)固定底部DBR反射鏡組成娃圆。由兩個(gè)重?fù)诫sp-AlGaInAs和n-GaInAs層組成的圓形BTJ限制了結(jié)構(gòu)中心的電流玫锋，以保證有源區(qū)域具有足夠高的電流密度。為了實(shí)現(xiàn)高斯基模的高放大踊餐，增益曲線和光模之間的重疊必須是z佳的景醇。
這只能在束腰符合BTJ半徑的情況下實(shí)現(xiàn)。
因此吝岭，由于其不同的橫向強(qiáng)度分布三痰，高階模式與增益曲線的重疊較小。這導(dǎo)致較低的側(cè)模放大窜管，從而導(dǎo)致較高的側(cè)模抑制比（SMSR）散劫。MEMS的BTJ直徑和相應(yīng)的曲率半徑（RoC）的適當(dāng)組合，即使與標(biāo)準(zhǔn)的不可調(diào)諧VCSELs相比幕帆，孔徑尺寸更大获搏，也可以保證基本的橫向模式發(fā)射。底部DBR由3.5對(duì)氟化物和硫化物相間的介電層組成失乾，折射率對(duì)比度為Δn≈1常熙。半VCSEL經(jīng)過處理并嵌入鍍金基板中。金和上述介質(zhì)DBR的組合使整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)的反射率幾乎達(dá)到100%碱茁。
圖1 MEMS-VCSEL的示意圖裸卫。采用表面微加工的方法，在BCB半VCSEL上沉積了11.5對(duì)SiNx/SiOy對(duì)組成的MEMS-DBR纽竣。微機(jī)電系統(tǒng)可以通過電熱驅(qū)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)射波長(zhǎng)
為了提高高速運(yùn)行墓贿，必須降低器件的寄生電阻和電容。
由于隧道結(jié)結(jié)構(gòu)蜓氨，大部分低導(dǎo)電性的半導(dǎo)體p材料被高導(dǎo)電性的n材料所取代聋袋，半vVCSEL的歐姆電阻相對(duì)較低。為了降低寄生電容穴吹，平臺(tái)周圍的半導(dǎo)體被低k聚合物BCB取代幽勒。Al-GaInAs/InGaAs量子阱設(shè)計(jì)用于高壓縮應(yīng)變操作，以獲得更高的差分增益刀荒。半VCSEL的光腔長(zhǎng)度非常短代嗤，這也確保了更高的差分增益和弛豫共振頻率，這兩者對(duì)于實(shí)現(xiàn)更高的調(diào)制帶寬至關(guān)重要缠借。另一方面干毅，為了獲得更大的FSR，需要較短的腔長(zhǎng)泼返，F(xiàn)SR被定義為兩個(gè)相鄰縱向模式之間的光譜分離硝逢。對(duì)于設(shè)計(jì)合理的MEMS VCSEL，F(xiàn)SR是無(wú)模跳連續(xù)調(diào)諧的極限。
2.MEMS設(shè)計(jì)與加工
由于VCSELs的短腔固有低增益和在有源區(qū)域內(nèi)適度的約束因子渠鸽，因此必須在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)提供足夠高的反射率叫乌，以實(shí)現(xiàn)低閾值電流和高輸出功率。MEMS DBR由11.5層對(duì)的介電材料SiNx/SiOy組成徽缚，采用電感耦合等離子體（ICP）在低溫（<100℃）PECVD中沉積憨奸。該MEMS反射鏡的折射率在SiNx和SiOy之間的差值為0.5，在1550nm中心波長(zhǎng)周圍的120nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率為>99.5%凿试。每層的光學(xué)厚度為λ0/4（中心波長(zhǎng)λ0=1550nm）排宰。由于DBR提供了寬阻帶，因此強(qiáng)烈鼓勵(lì)選擇介電材料那婉。值得一提的是板甘，MEMS的熱膨脹對(duì)反射率阻帶的影響可以忽略不計(jì)。
圖2 低溫PECVD沉積表面微機(jī)械MEMSDBR的工藝流程
制造步驟在圖2中簡(jiǎn)要說(shuō)明详炬。首先沉積一層λ0/4厚盐类、折射率n=1.7的介質(zhì)增透涂層（ARC）。
對(duì)于沒有電弧的MEMS VCSEL呛谜，隨著氣隙的增加在跳，反射相移發(fā)生得更快，因此隐岛，與帶有電弧的MEMS VCSEL相比硬毕，F(xiàn)SR更小。由于FSR是連續(xù)調(diào)諧的zui終限制因素礼仗，因此，對(duì)于需要非常寬的調(diào)諧范圍的應(yīng)用來(lái)說(shuō)逻悠，實(shí)現(xiàn)ARC是可取的元践。為了實(shí)現(xiàn)柔性MEMS，DBR層沉積在鎳（Ni）犧牲層上童谒。介電層的上半部分和下半部分分別具有壓應(yīng)力和拉應(yīng)力单旁。通過改變沉積參數(shù)，如壓力饥伊、溫度象浑、ICP功率、射頻功率和PECVD腔內(nèi)氣體的質(zhì)量流量琅豆，可以精確地控制應(yīng)力愉豺。對(duì)于微機(jī)電系統(tǒng)的電熱驅(qū)動(dòng)，Au/Cr電極是熱蒸發(fā)的茫因。
VCSEL光通過Au/Cr電極中心的圓形開口（由光刻和濕化學(xué)蝕刻構(gòu)造）耦合出來(lái)蚪拦。
MEMS DBR的特征幾何形狀（懸掛在四個(gè)柔性梁上的圓形圓盤）使用Ni蝕刻掩膜層進(jìn)行干蝕刻。在這種情況下，Ni犧牲層作為蝕刻停止層工作驰贷。干蝕刻DBR后盛嘿，使用標(biāo)準(zhǔn)的Ni蝕刻劑同時(shí)濕蝕刻N(yùn)i蝕刻掩膜和Ni犧牲層。
由于介電層內(nèi)的應(yīng)力梯度括袒，DBR在釋放后立即凹陷彎曲次兆。頂部DBR和初始?xì)庀兜腞oC由介質(zhì)層的幾何形狀和應(yīng)力梯度決定。zui后锹锰，該裝置在臨界點(diǎn)干燥器中干燥芥炭，以確保鏡像膜不會(huì)因毛細(xì)力而粘附在半VCSEL表面。完整制造的MEMSVCSEL的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像如圖3所示城须。
圖3 完全制造的MEMS VCSEL的SEM圖像蚤认。單個(gè)器件的占地面積為420×420μm2
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