引言：

90年代初，單模VCSEL已經被認為是科學發展的重心，單模VCSEL引入光譜或編碼器等補缺市場顯著改進了生產技術。如今已經可以實現千萬數量級單模VCSEL的批量生產。VCSEL技術中對基模偏振的控制將成為一個重要探索的目標。其實在過去這幾年，控制偏振方向或至少增強優選偏振方向的技術研究一直在開展，然而這些研究目前都是希望打破垂直腔激光系統的高對稱性。這些方案包括在高階襯底上的外延生長，高應變量子阱，橢球臺面幾何形狀，外部機械應力。

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單模VCSEL制作平臺，直接將*的技術移植到現有的工藝流程中。，偏振控制機能通過*的設計足以保證偏振性。 統計數據表明工藝控制足以預測最終生產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中的影響。

應用：

PC鼠標用激光器是推廣單模VCSEL市場的主要驅動力。幀比較和激光混合是目前采用了850nm單模 VCSEL兩大跟蹤技術。PC外圍設備可以配備基于跟蹤系統的VCSEL激光器。初了被運用在這些電子設備上，*的激光*性能對其他系統也有很大的吸引力。例如在TDLAS中氧氣和水分檢測，小型化原子鐘，由此技術平臺也需要被調制來符合特定激光波長的具體應用。760nm主要針對氧氣檢測，948nm主要針對水分檢測，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是基于InAlGaAs.

光柵設計：

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計規則來源于一整套矢量模型。在遠場中，光柵間距要求小于發射光波長不高于衍射峰量級。表面光柵的填充系數大約是50%，即刻蝕區域面積大約等于未刻蝕區域面積。為了達到偏振選擇效果，常規刻蝕深度選擇1/4個波長相當于55nm.光柵方向選擇沿著主晶體軸。對于大批量生產，由于和光柵緊密相關的激光性能的高靈敏度，設計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：

外延設計與標準單模VCSEL相同并由1個高反射率n型DBR，3 個GaAs量子阱嵌入在GRINSCH型內腔中，以及1個具有碳摻雜的p型DBR構成。*的臺面蝕刻和濕氧化橫向限制了電流和光場。在頂部的P型接觸沉積和襯底全面積陰極用于電連接。橫模光通過當前橫向小尺寸孔徑來發射。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可以被使用來產生亞波長光柵掩模。然而電子束光刻是主要被用于相關幾何圖形刻畫，印記技術則是一種相當新的技術，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蝕刻轉移到GaAs，其中蝕刻速率，蝕刻深度和均勻性必須被嚴格地控制以擊中小容限窗口從而使蝕刻深度優于+/- 10nm的公差窗口。在RIE蝕刻之后，光柵被轉移到半導體堆疊的頂層。RIE工藝被優化以引起最小的晶體缺陷。 蝕刻需要各向異性，并且整個3英寸晶片的均勻性必須好于+/- 7％。光柵性能對于電子束和納米壓印是相同的。 然而與電子束技術相比，納米壓印主要有兩大優點，每個晶片的加工成本更低，時間周期更短，因此，納米壓印是亞波長掩蔽技術的良好候選批量生產。

可靠性：

在激光器面中的表面光柵的蝕刻可能對激光器可靠性產生負面影響。軟加工過程被選擇通過離子蝕刻來最小化晶體效應。實驗數據表面加速壽命試驗分析以及在高溫和高溫下的操作顯示與標準單模的可觀察性數據沒有偏差。

總結：

Philips photonics的光柵技術可以自主控制VCSEL標準小孔徑單模的偏振特性。目前針對兩種主流制造光柵蝕刻的掩模技術，相比于成本高的電子束光刻，成形壓印是更有前途的技術批量生產。然而光柵技術的缺點在于激光器的閾值和輸出功率性能。對于的偏振鎖定效應，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。雖然還有進一步優化設計參數的空間，但是同時也要考慮額外的衍射損耗。在可靠性方面，目前表面光柵技術沒有帶來負面影響，加速壽命測試結果以及在高濕度和高溫下的操作顯示與標準單模的可觀察性數據沒有偏差。