大范围 MEMS 波长可调谐面发射激光器的动态扫频特性研究

20251129

科学研究和技术服务业

当前团队已具备激光器研发与测试所需的基础实验条件，包括洁净实验室、外延器件基础加工平台、光谱测试系统、电光调制测试平台以及光学成像实验环境，能够承担原型样机研发、调试与小批量验证。但成果进一步转化为可工程化、可量产的产品，需要合作方在经费、工艺能力及生产环境方面给予支持。 在资金方面，成果工程化需要投入一定规模的研发经费，用于 MEMS-VCSEL 工艺中试验证、DBR 结构量产工艺稳定性评估、封装工艺开发、高频驱动控制模块研制以及长期可靠性测试，包括晶圆代工费用、器件批量试制费用、封装验证费用，以及面向应用场景（如 OCT、气体检测）的示范系统搭建。资金需求预计在数百万元规模，具体可按阶段划分为样机优化、中试验证和产品化三个阶段。 在场地与设备需求方面，团队现阶段具备科研实验室条件，可充分支撑样机研发。但是若要实现批量化生产，需要合作方提供或协调使用具备 MEMS 与光电子器件量产能力的生产环境，如更高等级的晶圆制造洁净室、工艺质量控制平台、批量封装与老化测试设备等。同时，量产阶段需要具备高精度光谱测试平台、大功率老化验证系统、扫频性能自动测试线等工程化测量手段，以保障器件批次一致性和可靠性指标满足产业应用需求。综合而言，团队在研发阶段具有独立完成能力，而向产业化过渡需要合作方在生产平台、工艺资源和工程化资金等方面提供支持。

该成果在可调谐激光器、医疗成像、环境监测和光通信等领域具有广阔的应用前景，其转化预计将带来显著经济和社会效益。在经济效益方面，MEMS-VCSEL 具有结构简单、低功耗、高调谐效率、可批量制造等优势，契合当前光医疗设备国产化、激光雷达轻量化、光通信高速化的发展趋势。可调谐 VCSEL 属于价值量高的核心光源，目前长期依赖进口，因此该成果具备国产替代潜力，可形成系列化产品，包括高速扫频光源、可调谐窄线宽激光器、气体传感激光模块、光谱检测组件等，有望进入 OCT 医疗影像、智能驾驶、环境监测、精密测量等亿元级细分市场。随着量产推进，器件成本将明显低于进口方案，可提升国内产业链竞争力，并带来可观的专利授权和产品销售收入。 在社会效益方面，该成果突破了可调谐 VCSEL 长期被国外垄断的核心技术瓶颈，将有望推动光电子器件自主可控体系建设，提升相关行业的核心装备国产化水平。其在医疗成像中的应用可降低 OCT 设备成本，提高基层医疗可及性；在环境监测与气体探测领域，可提升监测灵敏度与可靠性，有助于工业安全、公共健康及碳排监测；在智能制造与精密测量中，可提升装备智能化与精确控制能力。此外，成果转化还能带动光电子、MEMS、医疗设备等产业链上下游联动发展，促进高端制造业升级与创新人才培养，对区域科技创新和产业竞争力提升具有积极推动作用。

可国（境）内外转让

北京市自然科学基金本科生“启研”计划

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本项目基于 MEMS-VCSEL核心技术，已完成从理论模型、仿真分析到实验室样机的完整研发流程，技术成熟度处于实验室验证阶段，具备进一步工程化的坚实基础。研究已明确了 MEMS 微腔机械调谐与光腔模式耦合的内在机理，建立了电压—位移—波长的非线性关系模型，并验证了调谐腔体中光场分布、相位变化和模式跳变行为。器件结构方面，GaAs/AlGaAs Half-VCSEL 外延结构、中 DBR 与氧化限制层均已实现稳定加工，顶层 TiO??/SiO?? 多层 DBR 悬臂梁结构成功制备，反射率超过 99.5%，整体工艺流程从外延、台面加工、氧化、绝缘层沉积、电极制作、PI 牺牲层构筑到 MEMS 悬臂梁释放均已打通，可重复性良好。 实验室样机测试表明，该器件在 8 mA 驱动下实现高纯度单模输出，边模抑制比超 45 dB，连续调谐范围达 31.8 nm，扫频速率达到 100 kHz，具有向 MHz 扫频提升的潜力；阈值电流仅 1 mA，功率输出稳定。在气体检测应用中，基于微腔折射率变化实现对气体无选择性高灵敏检测，灵敏度超过 35 nm/RIU，分辨率优于 0.00057 RIU，已在乙醇、丙醇、异丙醇等环境条件中验证有效。同时，该可调谐光源已在 OCT 系统中实现组织成像验证。总体而言，该成果已具备典型的科研样机成熟度，关键性能稳定且可量化，可作为工程样机和中试验证的技术基础。