引言：

90年代初，單模VCSEL已經(jīng)被認(rèn)為是科學(xué)發(fā)展的重心，單模VCSEL引入光譜或編碼器等補(bǔ)缺市場(chǎng)顯著改進(jìn)了生產(chǎn)技術(shù)。如今已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)千萬數(shù)量級(jí)單模VCSEL的批量生產(chǎn)。VCSEL技術(shù)中對(duì)基模偏振的控制將成為一個(gè)重要探索的目標(biāo)。其實(shí)在過去這幾年，控制偏振方向或至少增強(qiáng)優(yōu)選偏振方向的技術(shù)研究一直在開展，然而這些研究目前都是希望打破垂直腔激光系統(tǒng)的高對(duì)稱性。這些方案包括在高階襯底上的外延生長，高應(yīng)變量子阱，橢球臺(tái)面幾何形狀，外部機(jī)械應(yīng)力。

而Philips Photonics 提出使用光柵表面淺刻蝕的方法，這種方法不用改變傳統(tǒng)單模VCSEL制作平臺(tái)，直接將的技術(shù)移植到現(xiàn)有的工藝流程中。，偏振控制機(jī)能通過的設(shè)計(jì)足以保證偏振性。 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明工藝控制足以預(yù)測(cè)最終生產(chǎn)的激光管的偏振性能。下面主要討論基于激光性能的表面光柵在大批量生產(chǎn)中的影響。

應(yīng)用：

PC鼠標(biāo)用激光器是推廣單模VCSEL市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。幀比較和激光混合是目前采用了850nm單模 VCSEL兩大跟蹤技術(shù)。PC外圍設(shè)備可以配備基于跟蹤系統(tǒng)的VCSEL激光器。初了被運(yùn)用在這些電子設(shè)備上，的激光性能對(duì)其他系統(tǒng)也有很大的吸引力。例如在TDLAS中氧氣和水分檢測(cè)，小型化原子鐘，由此技術(shù)平臺(tái)也需要被調(diào)制來符合特定激光波長的具體應(yīng)用。760nm主要針對(duì)氧氣檢測(cè)，948nm主要針對(duì)水分檢測(cè)，780nm,795nm是銣原子躍遷線，852nm,894nm是銫原子躍遷線，主要用于小型化原子鐘。這些特定波長的光柵技術(shù)是基于InAlGaAs.

光柵設(shè)計(jì)：

表面光柵的偏振取決于有效反射率。用于器件制造的光柵設(shè)計(jì)規(guī)則來源于一整套矢量模型。在遠(yuǎn)場(chǎng)中，光柵間距要求小于發(fā)射光波長不高于衍射峰量級(jí)。表面光柵的填充系數(shù)大約是50%，即刻蝕區(qū)域面積大約等于未刻蝕區(qū)域面積。為了達(dá)到偏振選擇效果，常規(guī)刻蝕深度選擇1/4個(gè)波長相當(dāng)于55nm.光柵方向選擇沿著主晶體軸。對(duì)于大批量生產(chǎn)，由于和光柵緊密相關(guān)的激光性能的高靈敏度，設(shè)計(jì)容限窗口和加工容限窗口良好的匹配是非常重要的。

外延和加工：

外延設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)單模VCSEL相同并由1個(gè)高反射率n型DBR，3 個(gè)GaAs量子阱嵌入在GRINSCH型內(nèi)腔中，以及1個(gè)具有碳摻雜的p型DBR構(gòu)成。的臺(tái)面蝕刻和濕氧化橫向限制了電流和光場(chǎng)。在頂部的P型接觸沉積和襯底全面積陰極用于電連接。橫模光通過當(dāng)前橫向小尺寸孔徑來發(fā)射。在早期的制造過程中，表面光柵在晶片頂層被蝕刻。電子束光刻或壓印技術(shù)可以被使用來產(chǎn)生亞波長光柵掩模。然而電子束光刻是主要被用于相關(guān)幾何圖形刻畫，印記技術(shù)則是一種相當(dāng)新的技術(shù)，其用于VCSEL亞波長表面圖案化最近才被引入。光柵幾何形狀通過各向異性的RIE蝕刻轉(zhuǎn)移到GaAs，其中蝕刻速率，蝕刻深度和均勻性必須被嚴(yán)格地控制以擊中小容限窗口從而使蝕刻深度優(yōu)于+/- 10nm的公差窗口。在RIE蝕刻之后，光柵被轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體堆疊的頂層。RIE工藝被優(yōu)化以引起最小的晶體缺陷。 蝕刻需要各向異性，并且整個(gè)3英寸晶片的均勻性必須好于+/- 7％。光柵性能對(duì)于電子束和納米壓印是相同的。 然而與電子束技術(shù)相比，納米壓印主要有兩大優(yōu)點(diǎn)，每個(gè)晶片的加工成本更低，時(shí)間周期更短，因此，納米壓印是亞波長掩蔽技術(shù)的良好候選批量生產(chǎn)。

可靠性：

在激光器面中的表面光柵的蝕刻可能對(duì)激光器可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。軟加工過程被選擇通過離子蝕刻來最小化晶體效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表面加速壽命試驗(yàn)分析以及在高溫和高溫下的操作顯示與標(biāo)準(zhǔn)單模的可觀察性數(shù)據(jù)沒有偏差。

總結(jié)：

Philips photonics的光柵技術(shù)可以自主控制VCSEL標(biāo)準(zhǔn)小孔徑單模的偏振特性。目前針對(duì)兩種主流制造光柵蝕刻的掩模技術(shù)，相比于成本高的電子束光刻，成形壓印是更有前途的技術(shù)批量生產(chǎn)。然而光柵技術(shù)的缺點(diǎn)在于激光器的閾值和輸出功率性能。對(duì)于的偏振鎖定效應(yīng)，顯著增加閾值電流和降低微分效率可以帶來提高30％工作電流。雖然還有進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)的空間，但是同時(shí)也要考慮額外的衍射損耗。在可靠性方面，目前表面光柵技術(shù)沒有帶來負(fù)面影響，加速壽命測(cè)試結(jié)果以及在高濕度和高溫下的操作顯示與標(biāo)準(zhǔn)單模的可觀察性數(shù)據(jù)沒有偏差。