用于扫频源光学相干层析成像系统的波长可调谐垂直腔面发射激光器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本文所描述的技术一般设及光学相干层析成像系统，更具体地设及基于垂直腔面 发射激光器器件的此类系统。
[0002] 优先权声明
[0003] 本申请基于己黎公约要求于2013年7月3日提交的序列号为61/842,389的美国临 时申请的优先权，其W全文引用的方式并入本文。
【背景技术】
[0004] 光学相干层析成像(OCT)为一种用于样品（如组织、器官、活体等生物样品，或如聚 合物、薄膜等工业样品）的高分辨率深度剖析的技术。OCT有两种类型，即时域OCT(TD-OCT)、 W及频域OCT(抑-OCT)。在TD-OCT中，宽带光源通常为同时发射多个波长的超福射发光二极 管;通过扫描参考反射镜的位置，对样品反射光中的干设分量频率进行分析。在FD-OCT中， 更加广泛使用扫频源类型的0CT，其采用波长可调谐激光器作为宽带光源。在SS-OCT中，在 任何一个时间只存在一个波长，并且激光波长扫描代替参考反射镜的机械扫描。从根本上 讲，SS-OCT的信噪比好于TD-OCT的信噪比。
[000引对于用在SS-OCT中的可调谐激光器，要求包括:单模操作、宽调谐范围、高波长扫 描速率、W及是调谐控制信号的简单单调函数的波长调谐。
[0006] 已经报导具有MEMS的可调谐VCSEL，其使用两个分布的布拉格反射镜(DBR)。此类 器件采用底部反射镜和MEMS可调谐上部DBR，其中，底部反射镜由底部D服和有源层组成，底 部DBR由多个AlGaInAs和InP交替层组成，有源层由InP基多量子阱(MQWs)和垒组成，底部 DBR和有源层都在InP衬底上生长。该器件具有在中屯、波长1550nm附近55nm的调谐范围。对 于多数应用来说，运个调谐范围是不够的。
[0007] 图1说明了作为本领域已知的此类具有MEMS的可调谐VCSEL。在InP衬底1上，外延 生长着n渗杂的分布布拉格反射镜(DBR)2，该反射镜由超过40对的AlGaInAs 2a(与InP晶格 匹配)和InP化交替层组成，紧接着生长n型AlGaInAs包覆层3。在包覆层3的顶部，生长有源 层4,该有源层4由多个(6个)AlGaInAs量子阱TQWs" )4a和多个(7个)AlGaInAs垒4b组成，紧 接着生长P型AlGaInAs包覆层5。由于隧道结能将电子转换为空穴，因此在P型包覆层5的上 方生长P++渗杂的AlGalnAs/n++渗杂的AlGaInAs隧道结层6W允许n渗杂的InP取代P型InP, 紧接着生长n渗杂的InP层7和n++渗杂的GaInAs接触层SdVCSEL的P电极9形成于接触层8的 顶部9，而n电极则形成于衬底1上，W完成"半VCSEL"结构。在半VCSHi吉构的顶部，将独立制 造的上部反射镜键合至半VCSKi吉构。独立制造的上部反射镜形成于将运两层键合在一起 的"柄状"Si衬底11上。Si〇2层12形成为绝缘层，接着是横梁支撑层娃13。通过刻蚀作为牺牲 层的Si化层12形成薄膜14。上部介电DBR 15沉积在膜14的一侧，而抗反射(AR)涂层16则沉 积在膜14的另一侧。MEMS电极17和Au凸块18形成用于供应MEMS电压，该电压能够改变接触 层8和上部DBR 15之间的气隙。电压源19与MEMS电极17W及P电极9连接。因此，由电压源19 感应产生的静电力能够移动膜14,从而改变形成于上部D服反射镜和下部DBR反射镜之间的 腔体长度，进而改变激光波长。连接电流源20 W用于半VCS化部分的电流注入。
[000引如图1中的器件细节在如下参考文献中描述：T . Yano，H. Sai tou，N. Kanbara， R.Noda,S.Tezuka,N.Fujimura,M.Ooyama,T.Watanabe,T.Hirata,and Nishiyama, "Wavelength modulation over 500kHz of micromechanicalIy tunable InP-based VCSELs with Si-MEMS technology", IEEE J., Selected Topics in Quantum 616(3付0111。3，￥01.15，口口.528-534，]\&17/化116 2009。该参考文献内容通过引用并入本文。在 现有技术中使用的、具有固定激光波长1310nm和1550nm的VCSEL，在如下参考文献中描述： N.Nishiyama,C.Caneau,B.Hal1,G.Guryanov,M.H.Hu,X.S.Liu,M.-J.Li,R.Bhat,and C.E.Zah, ('Long-wavelength vertical-cavity surface-emitting lasers on InP with lattice matched AlGaInAs-InP DBR grown by MOCVD", IEEE J., Selected Topics in 如antum Electronics ,vol. 11,卵.990-998,Sept ./Oct. 2005。该参考文献内容通过引用并 入本文。
[0009]在图1的现有技术的结构中，已经被证明在中屯、波长1550附近具有55nm的调谐范 围。调谐范围的最大值受限于底部DBR的反射率带宽，该反射率带宽由高折射率材料和低折 射率材料的比值所确定。对于131 Onm和1550nm的中屯、波长，由AlGa InAs (高折射率材料)和 InP(低折射率材料)交替层组成的DBR的反射率带宽分别约为50nm和70nm。但是，SS-OCT要 求超过IOOnm的调谐范围。因此，对于OCT应用来说，采用由AlGaInAsJnP W及包括量子阱的 有源层组成的D服的VC沈L并不适合。
[0010]为了克服此调谐范围限制，人们提出了具有MEMS的可调谐VCS化，其采用由DBR组 成的底部反射镜，该DBR由AlGaAs (高折射率材料)和AlxOy (低折射率材料)交替层组成，具 有在中屯、波长1300皿附近超过200nm的反射率带宽。通过光累浦，运种类型的可调谐VCSEL 已经实现了超过IOOnm的调谐范围。运些细节在W下参考文献中描述：V. Jayaraman， J. Jiang ,H. Li ,P. J. S.Heim,G. D. Cole ,B. Potsaid, J.G.Fu jimoto ,and A. Cable , ''OCT imaging up to 760kHz axial scan rate using single-mode ISlOnm MEMS-tunable VCSEL with〉100nm tuning range",CLEO:2011-Laser Science to Photonic Applications，PDPB2,2011。该参考文献的内容通过引用并入本文。在运种方法中，有源区 包括在InP衬底上生长的InP基多量子阱(MQWs)。在GaAs衬底上外延生长底部DBR。因此，有 源区中的材料W及DBR部分不能在单一类型的衬底上生长。必须将运两种晶圆一起键合，然 后为了形成半VCSEL部分，需要移除InP衬底。GaAs和InP晶圆的键合W及InP晶圆的移除需 要非常复杂的工艺并且引入潜在的可靠性问题。
[0011]人们已经研究了量子点（孤)激光器W便取代传统的量子阱激光器。由于S维量子 尺寸效应，量子点激光器具有独特的特性，如超低的阔值电流和低溫敏感性。通过在大GaAs 衬底上InAs量子点的自组装生长技术，已使量子点技术取得显著进展。通过使用量子点替 代有源层的量子阱，已经完成了将量子点应用到传统的边缘发射激光器(与VCSK^系统相反 的）。最近报导了 1.3WI1的量子点分布式反馈(DFB)激光器的高性能。运些激光器通过分子束 外延(MBE)，在P型GaAs衬底上制作8个高密度量子点层与P渗杂的GaAs层的叠层。已测量该 器件的增益谱