我们演示了宽可调谐微机电系统（MEMS）垂直腔面发射激光器（VCSEL）的直接调制。波长调谐是通过电热驱动基于SiOx/SiNy的MEMS分布式布拉格反射器（DBR）实现的。采用表面微加工的方法，在低温等离子体增强的半VCSEL化学气相沉积室中沉积DBR。实现了超过60nm的无模跳连续调谐，中心波长为1554nm。Max 3dB小信号调制响应（S21）带宽为7.05GHz。在10Gb/s的调谐范围内，展示了背对背链路的准无误差操作，创纪录的47nm调谐范围，显示了MEMS可调谐VCSEL作为接入网络和互连中具有成本效益的光源的兼容性。
宽可调谐1550纳米MEMSvcsel的10gb/s直接调制（2）-Mems容器结构与加工
1.半VCSEL结构
BCB MEMS可调谐VCSEL的示意图如图1所示。它主要由两部分组成：半VCSEL和MEMS DBR。半VCSEL主要由一个基于AlInGaAs的有源区、两个InP热和电流扩散层、一个埋地隧道结（BTJ）和一个固定底部DBR反射镜组成。由两个重掺杂p-AlGaInAs和n-GaInAs层组成的圆形BTJ限制了结构中心的电流，以保证有源区域具有足够高的电流密度。为了实现高斯基模的高放大，增益曲线和光模之间的重叠必须是z佳的。
这只能在束腰符合BTJ半径的情况下实现。
因此，由于其不同的横向强度分布，高阶模式与增益曲线的重叠较小。这导致较低的侧模放大，从而导致较高的侧模抑制比（SMSR）。MEMS的BTJ直径和相应的曲率半径（RoC）的适当组合，即使与标准的不可调谐VCSELs相比，孔径尺寸更大，也可以保证基本的横向模式发射。底部DBR由3.5对氟化物和硫化物相间的介电层组成，折射率对比度为Δn≈1。半VCSEL经过处理并嵌入镀金基板中。金和上述介质DBR的组合使整个调谐范围内的反射率几乎达到100%。
图1 MEMS-VCSEL的示意图。采用表面微加工的方法，在BCB半VCSEL上沉积了11.5对SiNx/SiOy对组成的MEMS-DBR。微机电系统可以通过电热驱动来调节发射波长
为了提高高速运行，必须降低器件的寄生电阻和电容。
由于隧道结结构，大部分低导电性的半导体p材料被高导电性的n材料所取代，半vVCSEL的欧姆电阻相对较低。为了降低寄生电容，平台周围的半导体被低k聚合物BCB取代。Al-GaInAs/InGaAs量子阱设计用于高压缩应变操作，以获得更高的差分增益。半VCSEL的光腔长度非常短，这也确保了更高的差分增益和弛豫共振频率，这两者对于实现更高的调制带宽至关重要。另一方面，为了获得更大的FSR，需要较短的腔长，FSR被定义为两个相邻纵向模式之间的光谱分离。对于设计合理的MEMS VCSEL，FSR是无模跳连续调谐的极限。
2.MEMS设计与加工
由于VCSELs的短腔固有低增益和在有源区域内适度的约束因子，因此必须在整个调谐范围内提供足够高的反射率，以实现低阈值电流和高输出功率。MEMS DBR由11.5层对的介电材料SiNx/SiOy组成，采用电感耦合等离子体（ICP）在低温（<100℃）PECVD中沉积。该MEMS反射镜的折射率在SiNx和SiOy之间的差值为0.5，在1550nm中心波长周围的120nm波长范围内的反射率为>99.5%。每层的光学厚度为λ0/4（中心波长λ0=1550nm）。由于DBR提供了宽阻带，因此强烈鼓励选择介电材料。值得一提的是，MEMS的热膨胀对反射率阻带的影响可以忽略不计。
图2 低温PECVD沉积表面微机械MEMSDBR的工艺流程
制造步骤在图2中简要说明。首先沉积一层λ0/4厚、折射率n=1.7的介质增透涂层（ARC）。
对于没有电弧的MEMS VCSEL，随着气隙的增加，反射相移发生得更快，因此，与带有电弧的MEMS VCSEL相比，FSR更小。由于FSR是连续调谐的zui终限制因素，因此，对于需要非常宽的调谐范围的应用来说，实现ARC是可取的。为了实现柔性MEMS，DBR层沉积在镍（Ni）牺牲层上。介电层的上半部分和下半部分分别具有压应力和拉应力。通过改变沉积参数，如压力、温度、ICP功率、射频功率和PECVD腔内气体的质量流量，可以精确地控制应力。对于微机电系统的电热驱动，Au/Cr电极是热蒸发的。
VCSEL光通过Au/Cr电极中心的圆形开口（由光刻和湿化学蚀刻构造）耦合出来。
MEMS DBR的特征几何形状（悬挂在四个柔性梁上的圆形圆盘）使用Ni蚀刻掩膜层进行干蚀刻。在这种情况下，Ni牺牲层作为蚀刻停止层工作。干蚀刻DBR后，使用标准的Ni蚀刻剂同时湿蚀刻Ni蚀刻掩膜和Ni牺牲层。
由于介电层内的应力梯度，DBR在释放后立即凹陷弯曲。顶部DBR和初始气隙的RoC由介质层的几何形状和应力梯度决定。zui后，该装置在临界点干燥器中干燥，以确保镜像膜不会因毛细力而粘附在半VCSEL表面。完整制造的MEMSVCSEL的扫描电子显微镜（SEM）图像如图3所示。
图3 完全制造的MEMS VCSEL的SEM图像。单个器件的占地面积为420×420μm2
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