可调谐MEMS-VCSEL的高对比度光栅优化
2026-05-08 17:07:42   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

可调谐光源在各类医学领域具有重要作用，常被用于扫频源光学相干断层扫描（SS-OCT）系统中，以实现成像和诊断功能。微机电系统-垂直腔表面发射激光器（MEMS-VCSEL）是一种可调谐器件，能够以高速在宽波长范围扫频。其中，1060 nm中心波长因水吸收率低和散射少，可穿透眼部组织直达视网膜，因此在眼科等应用中备受青睐。研究表明，以1060 nm为中心、带宽约100 nm的范围内存在一个低吸收透射窗口。此类器件核心结构主要由固定反射镜、可动反射镜以及有源区域组成。

据麦姆斯咨询报道，近期，丹麦技术大学（Technical University of Denmark）重点研究了用于MEMS-VCSEL的高对比度光栅（HCG）设计与优化。该优化工作旨在抑制因忽略入射角影响时产生的反射率下降，从而实现更宽的反射率带宽。这项研究提出两种新设计方案：低占空比HCG（LDC）和聚焦型HCG（FCS）。通过时域有限差分法（FDTD）三维（3D）模拟完成设计验证，并进行器件制备与性能评估。相关研究成果以“High Contrast Grating Optimization for a Tunable 1060 nm MEMS-VCSEL”为题发表于IEEE Photonics Journal期刊。

优化型HCG的设计方案

本次重新设计HCG的主要目标是优化HCG，以消除在二维（2D）模拟无法表征的由入射角效应引起的反射率下降。设计以标准HCG（STD）设计为基准，即周期460 nm、占空比（DC）72%、厚度280 nm的均匀光栅。虽然2D模拟（CAMFR，如图2）的结果显示反射率带宽较宽，但3D FDTD模拟显示出带宽明显下降（如图1）。为突破这一局限，研究团队提出了两种新设计：LDC设计和FCS设计。

图1 厚度280 nm的HCG反射率FDTD模拟结果

图2 厚度280 nm的HCG反射率99.5%带宽等值线图

拓宽反射率带宽的第一种方法是采用比STD设计更低的占空比。结合图2与已有研究结论，在保证反射率带宽仍大于60 nm，选定等值线图中低值区域的占空比和周期。新LDC参数为周期430 nm、占空比63%。

MEMS可调谐VCSEL需在可动反射镜与半腔VCSEL之间需要留有空气间隙（air-gap）。本研究设计了一种聚焦型反射镜（FCS），其周期和占空比会根据半径进行调整。设计目标是使该镜面能匹配入射高斯光束在HCG的相位变化，且光束腰位于半腔VCSEL与空气间隙的界面处。通过这种方式，可将衍射损耗降至最低。HCG是基于优化多项式，通过局部调整占空比和周期构建而成。图3展示了所获得的FCS 12 μm的设计结果。

图3 直径12 μm的聚焦型HCG（FCS）设计结果

除了将占空比调整至低于平面波最优值外，上述设计均未考虑反射率的角度依赖性。虽然可以利用这些工具进行更精确的计算，但光栅的四分之一区域内的每个点角度各不相同，因此计算负荷（尤其是优化过程的计算负荷）将非常巨大。利用Lumerical中的3D FDTD模型进行模拟，以验证新型HCG的性能。图4展示了STD、LDC和FCS制造设计的掩模。

图4 不同MEMS-VCSEL制造设计的掩模

图1展示了LDC和FCS四种新设计与STD设计的FDTD模拟结果。结果表明，新设计的反射率带宽相近，且均不存在STD设计中出现的反射率下降问题。

MEMS-VCSEL制造工艺

在通过模拟评估新设计的性能后，研究人员制造了采用新型HCG的MEMS-VCSEL。该制造工艺基于半导体分布式布拉格反射镜（DBR）结构，但将AlAs/GaAs替换为AlGaAs/GaAs，以拓展其反射率带宽。第一步是通过电子束光刻定义HCG，然后采用BCl₃和Cl₂混合气体对其进行干法蚀刻；接着通过湿法蚀刻制备MEMS台面。随后在台面上覆盖Al₂O₃和SiO₂作为绝缘层，并对这些介电质层进行图案化处理，以形成金属电极通孔。然后沉积各类金属电极：MEMS电极、激光器p型电极以及激光器背面n型电极。图5展示了完整的制造工艺步骤。

图5 MEMS-VCSEL器件制造工艺步骤

MEMS-VCSEL性能评估

研究人员对所制备的MEMS-VCSEL进行了表征，比较了新设计与STD设计的性能。表1中列出了不同模型的所有调谐范围，其中STD 10 μm设计（方形）采用800 kHz扫频，其余5种圆形设计采用400 kHz扫频。不同模型之间使用频率的差异源于其机械性能的差异。与方形STD设计相比，圆形HCG悬臂更长且质量更大，这降低了MEMS的弹簧常数；由于MEMS结构可等效为谐振子，也导致其谐振频率下降。

表1 MEMS-VCSEL性能表征汇总

总结

综上所述，这项研究验证了优化高对比度光栅（HCG）结构可提升MEMS-VCSEL的波长调谐范围的潜力。结果表明，新设计中表现最佳的为直径为16 μm的LDC设计，最大可调谐范围达67.8 nm，平均可调谐范围达55.8 nm，显著优于标准设计（两项指标分别为62.2 nm和50.2 nm）。此外，在电流阈值、输出功率和远场分布等方面，新设计相较于与标准设计表现出更优的性能。该研究表明，采用3D模型进行HCG设计，可显著提升HCG的性能。该优化方案有助于采用MEMS-VCSEL的SS-OCT系统实现更高质量的成像。

论文链接：https://doi.org/10.1109/JPHOT.2026.3671142

延伸阅读：

《VCSEL专利态势分析-2022版》

《VCSEL期刊文献检索与分析-2022版》

《全球激光器技术、市场及应用-2025版》

《苹果iPhone 17智能手机Face ID人脸识别模组分析》

《光学MEMS器件对比分析-2026版》

《硅光子及集成光路（PIC）技术及市场-2025版》

《硅光子技术及市场-2025版》