亚波长光栅反射镜的制备及应用
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由于制 作 技术 上 的限制 因 素将 使其 反射 特 性 劣化 。如 光刻 技 术 的分辨 率将 直接影响 填充 因子，小 的偏差也 会引起 反射率 和反射带 的 平坦度 和覆盖 率的变 化 。刻 蚀的光栅 槽深过 大或过 小都使 高反射带 变 窄 。因此在基 于严格 耦合波 理论优化 设计 中必须考 虑制作技 术上 的限 制 因素 ，尽可 能的增 大制作 容差 。ＨＣＧ结构 示意 图如 图ｌ所示 ，设 计 中选 用Ｓｉ￣ＩＳｉＯ，作为 高低折 射率 材料 ，大的折 射率 差 （Ａ ｎ＝２．０１）可
１ 引言
衍 射光 栅的 工作 状 态主 要取 决 于光 栅周 期和 入 射光 波长 之 间 的 关 系， 当入 射光 的波 长 大于 光栅 周 期时 ，衍 射场 中 仅存 在零 级衍 射 波 ，所 有 高阶 衍 射波 都 不存 在 。这 种 光栅 被称 为 亚波 长 光 栅…。亚 波 长 光栅 能 够适 用 于多 种光 学系 统 ，克 服 了传统 光 学介 质薄 膜 因材 料 品种 有限而 使 折射 率 受限 的缺 点 ，从 而使 亚波 长 光栅 在光 学系 统 中得 到 广泛 的应 用 。特 别是 在集 成 光学 领域 中 ，衍 射光 学元 件正 在 发挥 着 日益 重 要 的作 用…。正 是 由于 亚 波长 光 栅所 表现 出的 巨大 潜 力 ，吸 引 了越 来 越 多的科 研 工作 者致 力 于开 展亚 波 长光栅 的 分析 、 设计 和制 作等 方 面的工 作 。
（Ａｎ＝２．０１）可 以保 证ＨＣＧ具 有满 足ＶＣＳＥＬ要 求 的高反 射 率和 宽 的 反射 带 。第 二 ，低 折射 率亚 层选 择ｓｉ０２对 刻蚀 工艺 而 言 ，这种 高选 择 比 的 异质 界 面 将 大 大提 高 刻蚀 精 度 。第 三 ，选 择ＧａＳｂ衬 底 上 的 设 计方 案 有利 于 ＨＣＧ与ＧａＳｂ基ＶＣＳＥＬ的集 成 ， 降低 后期 制 作 中因 异质 材 料界 面产 生 的ＨＣＧ衍射 特性 变化 。 ２．２ ＨＣＧ的 结构 设计
以保ｉ￣ＥＨＣＧ具有 满足ＶＣＳＥＬ宽 带宽 高反射 的要求 。采 用这 种 高选 择 比的 异质 界面将 大大提 高 刻蚀 精度 。低 折射 率 亚层 下方 设计 厚度 为
２ 亚ຫໍສະໝຸດ Baidu 长光棚结 构的优化设计
２．１ ＨＣＧ的材料 选 择 ＨＣＧ材 料 的选 择 要 充 分考 虑 ＨＣＧ与ＧａＳｂ基 ＶＣＳＥＬ集成 中 的
重 要 物 理 问题 和 关 键 技 术 ：第 一 ， Ｓｉ和 Ｓｉ０，作 为 高 低 折 射 率 材 料 ，ｓｉ的 折 射率 约 为３．４８，ｓｉＯ２的 折射 率 约 为 １．４７，大 的折 射 率差
ＶＣＳＥＬ中 通 常 采 用 ＤＢＲ作 为 反 射 镜 ， 一 般 所 选 用 的制 备 材 料 多为 半 导 体 材 料 或 介 电材 料 ，且 以半 导 体 反射 镜 为 主 ， 以实 现 ９９．５％以上 的反 射 率 。 由于材 料 层 之 间 的折射 率 差通 常 很 小 ，为 了 能 达 到 高 反射 效 率 ， 必须 使 用２Ｏ．４Ｏ对 的材 料 层 ，厚 度 的增 加 使 得 材 料 的吸 收损 耗 和机 械损 耗 随之增 加 ，从 而 导致激 光 器 的输 出特性 劣化 －７Ｊ。高 对 比度亚 波长 光 栅（ＨＣＧ）可 以代 替ＤＢＲ设 计 为高反 射 镜 应 用往 表 面发 射激 光 器领域 。这样 不仅 可 以减 少上 ＤＢＲ的对 数， 以 降低材 料 的吸 收损 耗 和机 械损 耗及 制 作难 度 ，而且 能够 有 效地 控制 出射 光 的波 长 和偏 振特 性 ， 以改 善激 光 器 的输 出特 性 】。但 由于 制 作 亚波 长光栅 的工 艺十 分 复杂 ， 因此有 必 要进 行 亚波长 光 栅 的制 备 技 术研 究 ，这 对于 提 高面 发射 激 光器 的质 量 ，降低 制 作难 度 ，改善 输 出特 性具 有 重要 的意 义 。
ＥＬＥＣＴＲ０ＮＩＣＳ Ｗ ＯＲＬＤ · ： ｊ【２
长春理 工 大学 高功率半导 体激 光 国家重点 实验 室 王 志伟 张 家斌 王 霞 谢检 来
【摘要 】论文主要 是围绕垂直腔面发射激光 器（ＶｃｓＥＬ）中亚波长光栅 反射镜的制备技 术开展研究，通过阅读大量的国内外文献 ，了解垂直腔 面发射 激 光 器的 基 本原理 和 结构 ，及 其优 良的性 能 和广 泛 的应 用前 景 。掌握 亚波 长 光栅 独特 的衍 射特 性及 其在 垂 直腔 面发 射激 光 器（ＶｃｓＥＬ） 中的 应 用 ，通 过 分析和 设计 亚 波 长光栅 结构 ，优 化 工艺 流程和 参数 ，实现 亚波 长光 栅的 制备 ，使 其满 足ＶｃＳＥ 的要 求。 【关键词 】光栅；垂直腔面发射激光器；应力
垂直 腔 面发 射 激光 器（ＶＣＳＥＬ）是 目前 光 电子技 术 领域 的 研 究热 点之 一 。它 具有 低 阈值 电流 、圆 形 光斑 、高 调制 带 宽、 易于 单纵 模 激 射等 优 点 。且ＶＣＳＥＬ￥￣Ｊ作成 本低 ， 易于 实现超 小 型的 高密 度二 维 封 装 ，是 光 纤通 讯 等 应用 领 域 的理 想 光 源 ｌ。ＶＣＳＥＬ作 为一 种 新 型 的半 导体 激 光器 ，主 要 结 构有Ｐ型 和ｎ型 分布 布 拉格 反射 镜（ＤＢＲ） 以及 中间 的 有源 层 ，光 从 表 面 出射 ，发 射 出 圆 形对 称 的 光 束Ｉ４ 】。 ＶＣＳＥＬ的腔 长很 短一 般可 达微 米量 级 ，因此 器件 具 有 高的微 分量 子 效率 并 能实现 低 阂值 电流 激射 ， 且 易于 实现动 态 单纵 模工 作 。 同时 短 的 谐振 腔 也有 不利 之 处 ，为 了获得 足够 的 光反馈 要 求 反射镜 的 反 射 率很 大 ， 以此来 保障 谐振 腔 中有 足够 多的 光能量 实现 连 续激 发 。
１ 引言
衍 射光 栅的 工作 状 态主 要取 决 于光 栅周 期和 入 射光 波长 之 间 的 关 系， 当入 射光 的波 长 大于 光栅 周 期时 ，衍 射场 中 仅存 在零 级衍 射 波 ，所 有 高阶 衍 射波 都 不存 在 。这 种 光栅 被称 为 亚波 长 光 栅…。亚 波 长 光栅 能 够适 用 于多 种光 学系 统 ，克 服 了传统 光 学介 质薄 膜 因材 料 品种 有限而 使 折射 率 受限 的缺 点 ，从 而使 亚波 长 光栅 在光 学系 统 中得 到 广泛 的应 用 。特 别是 在集 成 光学 领域 中 ，衍 射光 学元 件正 在 发挥 着 日益 重 要 的作 用…。正 是 由于 亚 波长 光 栅所 表现 出的 巨大 潜 力 ，吸 引 了越 来 越 多的科 研 工作 者致 力 于开 展亚 波 长光栅 的 分析 、 设计 和制 作等 方 面的工 作 。
（Ａｎ＝２．０１）可 以保 证ＨＣＧ具 有满 足ＶＣＳＥＬ要 求 的高反 射 率和 宽 的 反射 带 。第 二 ，低 折射 率亚 层选 择ｓｉ０２对 刻蚀 工艺 而 言 ，这种 高选 择 比 的 异质 界 面 将 大 大提 高 刻蚀 精 度 。第 三 ，选 择ＧａＳｂ衬 底 上 的 设 计方 案 有利 于 ＨＣＧ与ＧａＳｂ基ＶＣＳＥＬ的集 成 ， 降低 后期 制 作 中因 异质 材 料界 面产 生 的ＨＣＧ衍射 特性 变化 。 ２．２ ＨＣＧ的 结构 设计
以保ｉ￣ＥＨＣＧ具有 满足ＶＣＳＥＬ宽 带宽 高反射 的要求 。采 用这 种 高选 择 比的 异质 界面将 大大提 高 刻蚀 精度 。低 折射 率 亚层 下方 设计 厚度 为
２ 亚ຫໍສະໝຸດ Baidu 长光棚结 构的优化设计
２．１ ＨＣＧ的材料 选 择 ＨＣＧ材 料 的选 择 要 充 分考 虑 ＨＣＧ与ＧａＳｂ基 ＶＣＳＥＬ集成 中 的
重 要 物 理 问题 和 关 键 技 术 ：第 一 ， Ｓｉ和 Ｓｉ０，作 为 高 低 折 射 率 材 料 ，ｓｉ的 折 射率 约 为３．４８，ｓｉＯ２的 折射 率 约 为 １．４７，大 的折 射 率差
ＶＣＳＥＬ中 通 常 采 用 ＤＢＲ作 为 反 射 镜 ， 一 般 所 选 用 的制 备 材 料 多为 半 导 体 材 料 或 介 电材 料 ，且 以半 导 体 反射 镜 为 主 ， 以实 现 ９９．５％以上 的反 射 率 。 由于材 料 层 之 间 的折射 率 差通 常 很 小 ，为 了 能 达 到 高 反射 效 率 ， 必须 使 用２Ｏ．４Ｏ对 的材 料 层 ，厚 度 的增 加 使 得 材 料 的吸 收损 耗 和机 械损 耗 随之增 加 ，从 而 导致激 光 器 的输 出特性 劣化 －７Ｊ。高 对 比度亚 波长 光 栅（ＨＣＧ）可 以代 替ＤＢＲ设 计 为高反 射 镜 应 用往 表 面发 射激 光 器领域 。这样 不仅 可 以减 少上 ＤＢＲ的对 数， 以 降低材 料 的吸 收损 耗 和机 械损 耗及 制 作难 度 ，而且 能够 有 效地 控制 出射 光 的波 长 和偏 振特 性 ， 以改 善激 光 器 的输 出特 性 】。但 由于 制 作 亚波 长光栅 的工 艺十 分 复杂 ， 因此有 必 要进 行 亚波长 光 栅 的制 备 技 术研 究 ，这 对于 提 高面 发射 激 光器 的质 量 ，降低 制 作难 度 ，改善 输 出特 性具 有 重要 的意 义 。
ＥＬＥＣＴＲ０ＮＩＣＳ Ｗ ＯＲＬＤ · ： ｊ【２
长春理 工 大学 高功率半导 体激 光 国家重点 实验 室 王 志伟 张 家斌 王 霞 谢检 来
【摘要 】论文主要 是围绕垂直腔面发射激光 器（ＶｃｓＥＬ）中亚波长光栅 反射镜的制备技 术开展研究，通过阅读大量的国内外文献 ，了解垂直腔 面发射 激 光 器的 基 本原理 和 结构 ，及 其优 良的性 能 和广 泛 的应 用前 景 。掌握 亚波 长 光栅 独特 的衍 射特 性及 其在 垂 直腔 面发 射激 光 器（ＶｃｓＥＬ） 中的 应 用 ，通 过 分析和 设计 亚 波 长光栅 结构 ，优 化 工艺 流程和 参数 ，实现 亚波 长光 栅的 制备 ，使 其满 足ＶｃＳＥ 的要 求。 【关键词 】光栅；垂直腔面发射激光器；应力
垂直 腔 面发 射 激光 器（ＶＣＳＥＬ）是 目前 光 电子技 术 领域 的 研 究热 点之 一 。它 具有 低 阈值 电流 、圆 形 光斑 、高 调制 带 宽、 易于 单纵 模 激 射等 优 点 。且ＶＣＳＥＬ￥￣Ｊ作成 本低 ， 易于 实现超 小 型的 高密 度二 维 封 装 ，是 光 纤通 讯 等 应用 领 域 的理 想 光 源 ｌ。ＶＣＳＥＬ作 为一 种 新 型 的半 导体 激 光器 ，主 要 结 构有Ｐ型 和ｎ型 分布 布 拉格 反射 镜（ＤＢＲ） 以及 中间 的 有源 层 ，光 从 表 面 出射 ，发 射 出 圆 形对 称 的 光 束Ｉ４ 】。 ＶＣＳＥＬ的腔 长很 短一 般可 达微 米量 级 ，因此 器件 具 有 高的微 分量 子 效率 并 能实现 低 阂值 电流 激射 ， 且 易于 实现动 态 单纵 模工 作 。 同时 短 的 谐振 腔 也有 不利 之 处 ，为 了获得 足够 的 光反馈 要 求 反射镜 的 反 射 率很 大 ， 以此来 保障 谐振 腔 中有 足够 多的 光能量 实现 连 续激 发 。