可调谐VCSEL的低应力MEMS悬臂结构设计

裴丽娜; 邹永刚; 石琳琳; 王小龙; 范杰; 王海珠

doi:10.3788/IRLA201948.0420002

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可调谐VCSEL的低应力MEMS悬臂结构设计

裴丽娜, 邹永刚, 石琳琳, 王小龙, 范杰, 王海珠

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裴丽娜, 邹永刚, 石琳琳, 王小龙, 范杰, 王海珠. 可调谐VCSEL的低应力MEMS悬臂结构设计[J]. 红外与激光工程, 2019, 48(4): 420002-0420002(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0420002

引用本文:

Pei Lina, Zou Yonggang, Shi Linlin, Wang Xiaolong, Fan Jie, Wang Haizhu. Design of low stress MEMS cantilever structure with tunable VCSEL[J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(4): 420002-0420002(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0420002

Citation:

Pei Lina, Zou Yonggang, Shi Linlin, Wang Xiaolong, Fan Jie, Wang Haizhu. Design of low stress MEMS cantilever structure with tunable VCSEL[J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(4): 420002-0420002(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0420002

可调谐VCSEL的低应力MEMS悬臂结构设计

doi: 10.3788/IRLA201948.0420002

1.
长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室,吉林长春 130022

基金项目:

吉林省科技发展计划项目（20180519018JH）

详细信息

作者简介:
裴丽娜(1993-),女,硕士生,主要从事光电子技术及其应用方面的研究。Email:753316970@qq.com

中图分类号: TN248.4

Design of low stress MEMS cantilever structure with tunable VCSEL

1.
National Key Laboratory of High-power Semiconductor Lasers,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China

摘要: 针对GaAs基和InP基材料的波长可调谐垂直腔面发射激光器（VCSEL）中微机电系统（MEMS）应力集中引起结构损坏的问题开展研究。设计了蝴蝶结状MEMS悬臂结构，在保证最大位移不变的情况下，降低了悬臂固定端所受的米塞斯应力，提高了器件的可靠性。采用COMSOL软件对蝴蝶结状悬臂结构的各项参数对力学特性的影响进行了优化与分析。结果表明：优化后的蝴蝶结状MEMS悬臂结构固定端的最大米塞斯应力相比于等截面状悬臂结构最大降低了64%，对于GaAs基材料的蝴蝶结状MEMS波长可调谐VCSEL自由光谱范围可达45 nm。
- MEMS /
- 米塞斯应力 /
- 蝴蝶结 /
- 可调谐VCSEL
Abstract: The structural damage caused by micro-electro-mechanical system(MEMS) stress concentration in tunable vertical cavity surface emitting lasers(VCSEL) of GaAs-based and InP-based materials was studied. A bowknot MEMS cantilever structure was designed to reduce the von Mises stress at the fixed end of the cantilever and ensure the reliability of the device while ensuring the maximum displacement was invariable. The COMSOL software was used to optimize and analyze the influence of various parameters of the bowknot cantilever structure on the mechanical properties. The results show that the maximum von Mises stress at the fixed end of the optimized bowknot MEMS cantilever structure is reduced by 64% compared to the equal-section cantilever structure. The free spectral range of a bowknot MEMS wavelength-tunable VCSEL for GaAs-based materials is up to 45 nm.
- MEMS /
- von Mises stress /
- bowknot /
- tunable VCSEL

[1]	Levallois C, Verbrugge V, Dupont L, et al. 1.55m optically pumped tunable VCSEL based on a nano-polymer dispersive liquid crystal phase modulator[C]//Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 2006, 6185:61850W.
[2]	Maute M, Kgel B, Bhm G, et al. MEMS-tunable 1.55-/splmu/m VCSEL with extended tuning range incorporating a buried tunnel junction[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2006, 18(5):688-690.
[3]	Suzuki H, Fujiwara M, Iwatsuki K. Application of super-DWDM technologies to terrestrial terabit transmission systems[J]. Journal of Lightwave Technology, 2006, 24(5):1998-2005.
[4]	Sun D C, Fan W J, Kner P, et al. Long wavelength-tunable VCSELs with optimized MEMS bridge tuning structure[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2004, 16(3):714-716.
[5]	Chang-Hasnain C J. Tunable VCSEL[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2000, 6(6):978-987.
[6]	Jiang Guoqing, Xu Chen, Xie Yiyang, et al. Fabrication of proton-implanted photonic crystalvertical cavity surface emitting laser[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(12):1205001. (in Chinese)
[7]	Michael C Y Huang, Kan Bun Cheng, Ye Zhou, et al. Monolithic Integrated Piezoelectric MEMS-TunableVCSEL[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2007, 13(2):374-380.
[8]	Jimyung Kim, Akihiko Shinya, Kengo Nozaki, et al. Narrow linewidth operation of buried -heterostructure photonic crystal nanolaser[J]. Optics Express, 2012, 20(11):11643-11651.
[9]	Guan Baolu, Zhang Jinglan, Ren Xiuguan, et al. Micro-nano-optical machine system tunable wavelength vertical cavity surface emitting lasers with wide tunable range[J]. Acta Physica Sinica, 2011, 60(3):034206. (in Chinese)
[10]	ERIN E F, PAUL E L. MEMS fatigue testing to study nanoscale material response[C]//Proceedings of SEM Annual Conference Exposition on Experimental and Applied Mechanics, 2002:233-235.
[11]	Zhang Wenming, Meng Guang. Reliability of MEMS and its failure analysis[J] Journal of Mechanical Strength, 2005, 27(6):855-859. (in Chinese)
[12]	Pan J T. Mes and reliability[D]. US:Carnegie Mellon University, 1999.
[13]	Chen Huifa. Elasticity and Plasticity[M]. Beijing:China Architecture Building Press, 2005. (in Chinese)
[14]	Tian Kun, Zou Yonggang, Jiang Xiaowei, et al. Wavelength tuning range of inter cavity subwavelength grating MEMS VCSELs[J]. Chinese Journal of Lasers, 2016, 43(7):0701009. (in Chinese)
[15]	Bu Chao, Nie Weirong, Xu Anda, et al. Shock reliability enhancement by flexible stop for MEMS inertial switch[J].Optics and Precision Engineering, 2017, 25(1):123-121.(in Chinese)
[16]	Lin Xiezhao, Ying Ji, Chen Zichen. Macro modeling method for electrostatical drive silicon diaphragm[J]. Optics and Precision Engineering, 2008, 16(5):839-846. (in Chinese)
[17]	Gupta R K. Electrostatic pull-in structure design for in-situ mechanical property measurements of microelectromechanical systems (MEMS)[D]. US:MIT, 1997.

[1]	朱伟鸿, 汪洋, 王栎皓, 刘艺晨, 武震宇. 卫星激光通信MEMS快速反射镜可靠性研究进展 . 红外与激光工程, 2023, 52(9): 20230179-1-20230179-13. doi: 10.3788/IRLA20230179
[2]	刘伟, 何兵, 马特, 刘刚. 微测辐射热计器件工艺开发和特性评估 . 红外与激光工程, 2023, 52(1): 20220279-1-20220279-7. doi: 10.3788/IRLA20220279
[3]	李洁, 田喜敏, 许军伟, 武婷, 陈霆枫, 旷金芝. 自旋依赖强度可调谐的相变超构透镜 . 红外与激光工程, 2022, 51(11): 20220398-1-20220398-8. doi: 10.3788/IRLA20220398
[4]	缪新, 李航锋, 张运海, 王发民, 施辛. MEMS振镜扫描共聚焦图像畸变机理分析及校正 . 红外与激光工程, 2021, 50(2): 20200206-1-20200206-10. doi: 10.3788/IRLA20200206
[5]	马阎星, 吴坚, 粟荣涛, 马鹏飞, 周朴, 许晓军, 赵伊君. 光学相控阵技术发展概述 . 红外与激光工程, 2020, 49(10): 20201042-1-20201042-14. doi: 10.3788/IRLA20201042
[6]	张祖银, 朱海军, 宋国峰. 交叉蝴蝶结纳米结构的Fano共振效应用于表面增强相干反斯托克斯拉曼散射的理论研究 . 红外与激光工程, 2017, 46(10): 1006005-1006005(6). doi: 10.3788/IRLA201763.1006005
[7]	孙玉洁, 段俊萍, 王雄师, 张斌珍. 多孔耦合型太赫兹波导定向耦合器的设计 . 红外与激光工程, 2017, 46(1): 125002-0125002(7). doi: 10.3788/IRLA201746.0125002
[8]	南雪莉, 张斌珍, 杨昕, 崔建利, 葛少雷. MEMS开关宽频程控步进衰减器设计与实现 . 红外与激光工程, 2016, 45(10): 1020002-1020002(5). doi: 10.3788/IRLA201645.1020002
[9]	施蕊, 徐畅, 徐锐, 石诺, 杨扬, 钱丽勋, 王欣, 李卓. 基于MEMS的红外动态图像生成技术 . 红外与激光工程, 2016, 45(2): 204002-0204002(5). doi: 10.3788/IRLA201645.0204002
[10]	米仁杰, 万助军, 汪涵. MEMS可调谐平顶窄带光学滤波器 . 红外与激光工程, 2016, 45(7): 720001-0720001(5). doi: 10.3788/IRLA201645.0720001
[11]	陈颖, 王文跃, 范卉青, 卢波. 异质结构光子晶体微腔实现多通道可调谐滤波 . 红外与激光工程, 2014, 43(10): 3399-3403.
[12]	朱晓军, 许小梅. 可调谐全正色散掺镱光纤激光器 . 红外与激光工程, 2014, 43(11): 3516-3520.
[13]	张勇刚, 孙娜, 李宁, 梁宏. 基于MEMS 陀螺辅助增大闭环光纤陀螺动态范围的方法 . 红外与激光工程, 2014, 43(9): 3070-3074.
[14]	张磊, 李璟文, 周望, 王守岩. 基于MEMS技术的柔性多触点深部脑刺激电极研制 . 红外与激光工程, 2014, 43(5): 1517-1521.
[15]	江小峰, 林春, 谢海鹤, 黄元庆, 颜黄苹. MEMS F-P 干涉型压力传感器 . 红外与激光工程, 2014, 43(7): 2257-2262.
[16]	王云祥, 邱琪, 梁旭, 邓珠峰. 窄线宽低噪声可调谐非平面环形激光器 . 红外与激光工程, 2013, 42(3): 595-598.
[17]	王广宇, 洪延姬, 潘虎, 宋俊玲. 可调谐半导体激光吸收传感器的温度测量验证 . 红外与激光工程, 2013, 42(9): 2358-2363.
[18]	李晓龙, 王江安, 吴亚明. MEMS双光纤位移声传感器设计与分析 . 红外与激光工程, 2013, 42(9): 2505-2509.
[19]	杨秀峰, 董凤娟, 童峥嵘, 曹晔. 利用非线性偏振旋转效应的可调谐多波长光纤激光器 . 红外与激光工程, 2012, 41(1): 53-57.
[20]	曹家强, 吴传贵, 彭强祥, 罗文博, 张万里, 王书安. 硅基PZT 热释电厚膜红外探测器的研制 . 红外与激光工程, 2011, 40(12): 2323-2327.

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可调谐VCSEL的低应力MEMS悬臂结构设计

doi: 10.3788/IRLA201948.0420002

1. 长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室,吉林长春 130022

作者简介:
裴丽娜(1993-),女,硕士生,主要从事光电子技术及其应用方面的研究。Email:753316970@qq.com

收稿日期: 2018-12-10
修回日期: 2018-12-31
刊出日期: 2019-04-25

基金项目:

吉林省科技发展计划项目（20180519018JH）

中图分类号: TN248.4

关键词:

摘要: 针对GaAs基和InP基材料的波长可调谐垂直腔面发射激光器（VCSEL）中微机电系统（MEMS）应力集中引起结构损坏的问题开展研究。设计了蝴蝶结状MEMS悬臂结构，在保证最大位移不变的情况下，降低了悬臂固定端所受的米塞斯应力，提高了器件的可靠性。采用COMSOL软件对蝴蝶结状悬臂结构的各项参数对力学特性的影响进行了优化与分析。结果表明：优化后的蝴蝶结状MEMS悬臂结构固定端的最大米塞斯应力相比于等截面状悬臂结构最大降低了64%，对于GaAs基材料的蝴蝶结状MEMS波长可调谐VCSEL自由光谱范围可达45 nm。