集成亚波长光栅的新型垂直腔面发射激光器的研究

垂直腔面发射激光器(VCSEL)以其独特优异的性能有望成为新一代的半导体激光光源。传统的VCSEL基本都采用DBR作为反射镜。为了达到所要求的极高反射率(>99%)，有时需要生长多达25-40对DBR。然而，理论分析表明，单层亚波长光栅(厚度0.2um-0.4um)的反射率就可以达到99%以上，若采用亚波长光栅取代传统的DBR，则有望能够大大的改善VCSEL的性能。集成亚波长光栅的VCSEL在国际上还属于新兴研究领域，特别是亚波长光栅对VCSEL的相位特性的影响还缺少理论分析。本课题拟建立一套模拟亚波长光栅的CAD程序，使之不但能够计算光栅的反射率，而且能够准确的计算光栅的反射相移；实验上探索各种方法制备亚波长光栅，并不断地改进器件制备工艺，制作出高性能的器件。该课题的研究不但能使我们在VCSEL领域与世界领先水平保持同步，而且对于研发含亚波长光栅的新型光电子器件也有着重大意义。

系统研究了严格耦合波理论(RCWA)和FDTD算法,搭建了亚波长光栅的仿真平台,能对反射率、透射率及相位进行模拟；深入研究制备亚波长光栅掩膜的双光束干涉曝光技术，提出了将光刻胶的非线性曝光响应与胶厚调制效应相结合的方法来控制线形光栅的侧壁形貌，在高反射GaAs 衬底上成功制备了周期为250nm的矩形光刻胶光栅，并进一步将此技术推广至多种衬底。开发了制备周期小于400nm 的纳米孔阵和点阵型光刻胶交叉掩膜的双光束干涉曝光技术；采用了对光刻胶掩膜的特殊后处理技术，成功实现了对所制备亚波长周期图形占空比的控制，提高了制备掩模的自由度；研究了与干涉曝光所得光刻胶掩膜相配套的干法和湿法图形转移技术，构建了一套基本完备的亚波长光栅制备工艺体系。根据亚波长光栅制备的特点，我们优化了传统的制备工艺流程，通过实验研究确定了湿法氧化工艺和光栅结构加工条件。. 在GaAs对AlxGa1-xAs材料的湿法选择性腐蚀方面，对柠檬酸/双氧水腐蚀液的腐蚀特性进行了详细研究，经过优化配比的腐蚀液可以同时满足高的腐蚀选择比及良好的截止层表面形貌。利用此腐蚀液，实现了牺牲层的选择性腐蚀，并成功解决了应力释放和光栅保护等关键问题。. 制备了集成亚波长光栅的垂直腔面发射激光器，实现了室温连续激射，输出功率超过1mW，对应的正交偏振方向输出比为10:1。. 利用仿真平台，我们模拟了光栅参数对出射光相位的影响，人工构建了合适的波前相位分布，理论设计了基于亚波长光栅的聚焦反射器和透镜，这种聚焦透镜可方便的与垂直腔面发射激光器等有源器件集成。. 基于圆柱矢量光束当前的研究进展和应用需求，通过集成环形金属光栅，我们实现了高集成度的径向偏振垂直腔面发射激光器。进一步，通过集成径向分布的纳米空气隙结构，我们获得了结构紧凑的角向偏振垂直腔面发射激光器。在高集成度圆柱矢量激光束的基础上，我们开展了矢量光束调控的研究。基于环形金属光栅，我们研究了同轴金属圆环对光束的聚焦和扩散效应。为了获得亚波长自聚焦光斑的径向偏振激光束，我们成功制备了金属同轴圆环。通过金属同轴圆环结构设计，成功实现了具有亚波长自聚焦特点的径向偏振垂直腔面发射激光器。