引言：

90年代初，单模VCSEL已经被认为是科学发展的重心，单模VCSEL引入光谱或编码器等补缺市场显著改进了生产技术。如今已经可以实现千万数量级单模VCSEL的批量生产。VCSEL技术中对基模偏振的控制将成为一个重要探索的目标。其实在过去这几年，控制偏振方向或至少增强优选偏振方向的技术研究一直在开展，然而这些研究目前都是希望打破垂直腔激光系统的高对称性。这些方案包括在高阶衬底上的外延生长，高应变量子阱，椭球台面几何形状，外部机械应力。

而Philips Photonics 提出使用光栅表面浅刻蚀的方法，这种方法不用改变传统单模VCSEL制作平台，直接将特有的技术移植到现有的工艺流程中。，偏振控制机能通过特有的设计足以保证偏振性。 统计数据表明工艺控制足以预测最终生产的激光管的偏振性能。下面主要讨论基于激光性能的表面光栅在大批量生产中的影响。

应用：

PC鼠标用激光器是推广单模VCSEL市场的主要驱动力。帧比较和激光混合是目前采用了850nm单模 VCSEL两大跟踪技术。PC外围设备可以配备基于跟踪系统的VCSEL激光器。初了被运用在这些电子设备上，先进的激光特有性能对其他系统也有很大的吸引力。例如在TDLAS中氧气和水分检测，小型化原子钟，由此技术平台也需要被调制来符合特定激光波长的具体应用。760nm主要针对氧气检测，948nm主要针对水分检测，780nm,795nm是铷原子跃迁线，852nm,894nm是铯原子跃迁线，主要用于小型化原子钟。这些特定波长的光栅技术是基于InAlGaAs.

光栅设计：

表面光栅的偏振取决于有效反射率。用于器件制造的光栅设计规则来源于一整套矢量模型。在远场中，光栅间距要求小于发射光波长不高于衍射峰量级。表面光栅的填充系数大约是50%，即刻蚀区域面积大约等于未刻蚀区域面积。为了达到最大偏振选择效果，常规刻蚀深度选择1/4个波长相当于55nm.光栅方向选择沿着主晶体轴。对于大批量生产，由于和光栅紧密相关的激光性能的高灵敏度，设计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：

外延设计与标准单模VCSEL相同并由1个高反射率n型DBR，3 个GaAs量子阱嵌入在GRINSCH型内腔中，以及1个具有碳掺杂的p型DBR构成。先进的台面蚀刻和湿氧化横向限制了电流和光场。在顶部的P型接触沉积和衬底全面积阴极用于电连接。横模光通过当前横向小尺寸孔径来发射。在早期的制造过程中，表面光栅在晶片顶层被蚀刻。电子束光刻或压印技术可以被使用来产生亚波长光栅掩模。然而电子束光刻是主要被用于相关几何图形刻画，印记技术则是一种相当新的技术，其用于VCSEL亚波长表面图案化最近才被引入。光栅几何形状通过各向异性的RIE蚀刻转移到GaAs，其中蚀刻速率，蚀刻深度和均匀性必须被严格地控制以击中小容限窗口从而使蚀刻深度优于+/- 10nm的公差窗口。在RIE蚀刻之后，光栅被转移到半导体堆叠的顶层。RIE工艺被优化以引起最小的晶体缺陷。 蚀刻需要各向异性，并且整个3英寸晶片的均匀性必须好于+/- 7％。光栅性能对于电子束和纳米压印是相同的。 然而与电子束技术相比，纳米压印主要有两大优点，每个晶片的加工成本更低，时间周期更短，因此，纳米压印是亚波长掩蔽技术的良好候选批量生产。

可靠性：

在激光器面中的表面光栅的蚀刻可能对激光器可靠性产生负面影响。软加工过程被选择通过离子蚀刻来最小化晶体效应。实验数据表面加速寿命试验分析以及在高温和高温下的操作显示与标准单模的可观察性数据没有偏差。

总结：

Philips photonics的光栅技术可以自主控制VCSEL标准小孔径单模的偏振特性。目前针对两种主流制造光栅蚀刻的掩模技术，相比于成本高的电子束光刻，成形压印是更有前途的技术批量生产。然而光栅技术的缺点在于激光器的阈值和输出功率性能。对于最强的偏振锁定效应，显著增加阈值电流和降低微分效率可以带来提高30％工作电流。虽然还有进一步优化设计参数的空间，但是同时也要考虑额外的衍射损耗。在可靠性方面，目前表面光栅技术没有带来负面影响，加速寿命测试结果以及在高湿度和高温下的操作显示与标准单模的可观察性数据没有偏差。