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850nm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16.6nm和42nm。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ADOI：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、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930nm波段附近波长调谐范围达到15nm［14］。2008年，Huang等［15］提出利用高对比度光栅替代传统VCSEL的分布式布拉格（DBR）反射镜，在850nm波段实现了18nm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...
