CN104685735A - 量子阱可调谐短腔激光器 - Google Patents

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V·贾亚拉曼
B·M·波特赛义德
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Thorlabs Inc
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Prey Wei Wumu Research Co
Thorlabs Inc
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Abstract

一种可调谐源，包括具有支持宽调谐范围的量子阱增益区域的短腔激光器。本发明公开了具有量子阱增益区域、大自由光谱范围的光腔、快速调谐响应以及单横、纵模操作的短腔激光器。本发明还呈现了所述短腔激光器的电泵浦和光学泵浦。

Description

量子阱可调谐短腔激光器
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年7月27日提交的目前未决的美国临时专利申请No.61/676712的权益。美国临时专利申请61/676712通过引用并入到本文中。
技术领域
本发明涉及可调谐激光器、宽范围可调谐激光器、波长扫频源、可调谐放大激光器，快速调谐激光器以及通过这些装置实现的光学系统。
背景技术
宽范围和快速的可调谐激光器对于各种检测、通信、测量、治疗、样品改性和成像系统具有重要意义。例如，扫频源光学相干断层成像技术(SSOCT)系统采用重复扫描可调谐激光器来产生宽范围的材料表面下的显微图像。在SS-OCT中，宽调谐范围意味着更高的轴向测量分辨率和更高的调谐速度实现大量数据集的实时采集。此外，可变调谐速度使得对于不同应用的要求，能够折衷成像范围和分辨率。最后，长的相干长度，这相当于窄线宽，使长成像范围成为可能。另一个需要快速且宽范围可调谐激光器系统的例子是瞬态气体光谱，例如，在(Stein,B.A.,Jayaraman,V.Jiang,J.J,等“通过使用单模MEMS的可调谐的VCSEL以55KHZ的重复率扫描1321至1354nm范围的多普勒受限H20和HF吸收光谱”，应用物理B辑：激光和光学108(4)，721-5(2012))中所描述的。在气体光谱学中，调谐速度使时变过程的描述成为可能，例如在发动机测温表征。窄光谱宽度实现窄的吸收特征解决，如那些发生在低的气体温度下的。其他瞬态光谱应用包括爆炸监测或其他非重复性过程。
超越宽调谐性和长的相干长度，对于可调谐激光器的各种应用的其他重要参数包括调谐速度和调谐速度的可变性。在SS-OCT中，增加调谐速度使能时变生理过程的成像，以及更大的数据集的实时体积成像。也对于SS-OCT，调谐速度的变化使单个器件能够在高速，高清晰度的短程和低速，低分辨率的长范围之间成像，这具有很大的实用性，例如，眼科成像，如((Grulkowski,I.,Liu,J.J.,Potsaid,B.等，“视网膜，使用超高速具有垂直腔表面发射激光器的扫频源OCT的眼前节及全眼成像”，生物医学光学快递，3(11)，2733-2751(2012))中描述的。光谱或其它检测应用中从高速和变速类似的方式中受益。
宽范围可调谐激光器更加理想的性能，包括高输出功率，中心波长的灵活性，频谱成形的输出，单片和低成本制造，以及与阵列技术的兼容性。几乎对于每一项应用，高功率增大了信噪比。中心波长的灵活性意味着更广泛应用中的更大的用途。频谱成形的输出也增大了信噪比并改善了热管理。单片式，低成本在制造方面具有明显优势，而阵列技术简化了应用，其中可以多源复用。
现有技术的可调谐激光器的相对于上述理想性能的限制可以通过审查三个具有代表性的例子来理解。这些例子包括傅里叶域锁模(FDML)激光器，外腔可调谐激光器(ECTL)，和取样光栅分布布拉格反射镜(SGDBR)激光器。FDML激光器在(Huber,R.,Adler,D.C和Fujimoto,J.G.，“缓冲傅里叶域模式锁定：用于以37万行/秒的光学相干断层成像技术的单向扫描激光源”，光学快报，31(20)，2975-2977(2006))中描述。在SSOCT系统中使用的商用ECTL在(George,B.,Potsaid,B.,Baumann,B.,Huang,D.等，"超高速1050nm扫描源/傅立叶域OCT视网膜和前眼段成像以每秒100000-400000的轴向扫描”，光学快报，18(19)，20029-20048(2010))中描述。SGDBR激光器的操作在(Derickson，D.，“高速频率斜坡使用的级联取样光栅分布布拉格反射激光二极管光源的OCT分辨率增强”，SPIE论文集-国际光学工程学会，7554，(2010))中描述。FDML和ECTL器件本质上是多纵模的器件，其扫描模式集群，而不是在整个调谐范围内扫描单模。这导致SSOCT的成像范围受限并使光谱应用的光谱分辨率受限。FDML和ECTL也并非单片源，其由分立元件组装而成，因此就阵列制造而言是非低成本的器件或兼容性的。由于在外腔中长时间的延迟，所述ECTL进一步受到约100kHz的重复率或更小的基本速度的限制，如在(Huber,R.,Wojtkowski,M.,Taira,K.等，“放大，扫频激光器的频域反射和OCT成像：设计和扩展的原则”，光学快报，13(9)，3513-3528(2005))中描述的。在ECTL器件进一步的速度限制产生于大质量的光栅调谐元件，例如在市售的Thorlabs型SL1325-P16光栅调谐激光器。FDML也受制于中心波长和调整速度的不灵活性。由于FDML采用长纤维为基础的腔，它只能在低损耗光纤容易获得的波长处操作。其次，在FDML扫描速率是由光在光纤外腔的往返时间固定的，因此可变的扫描速率在单个器件中无法获得。
所述SGDBR是一种单横纵模(single transverse and longitudinal mode)器件，并具有长的成像范围和窄的光谱宽度的潜力。然而，调谐是在各种模式之间不连续的跳跃完成，这往往会引入测量痕迹。跳模(mode-hopping)也需要多个调谐电极，复杂的驱动电路和相关的速度限制。相对于外腔和FDML激光器(FDML激光器因为采用无损调谐方式)，SGDBR还受到调谐范围的限制，SGDBR是通过自由载流子注入调谐的，它引入了自由载流子损失并限制了调谐范围。该SGDBR还受制于中心波长不灵活性，由于需要复杂的再生长制造技术，而这只有在磷化铟材料体系中是成熟的。
以上相对于FDML，ECTL和SGDBR讨论的问题，是在本领域中已知的大多数可调谐激光器所遇到的问题的代表。
MEMS可调谐垂直腔激光器(MEMS-VCSEL)提供了上述的问题的一种可能的解决方案。MEMS-VCSEL的短腔导致大纵模间距和跳模的相对免疫。MEMS-VCSEL只需要一个调谐电极在整个调谐范围扫描单模(single mode)，因此实现了以最小测量痕迹提供长SS-OCT成像范围和快速调谐的承诺。短腔和MEMS镜的短块(short mass)提供甚高速的潜力。MEMS-VCSEL技术也可扩展到许多其他类型的源难以访问的大的波长范围，这使得它们适合于其他类型的光谱，诊断和检测系统。MEMS-VCSEL至SS-OCT成像的应用在美国专利7468997中首次描述。MEMS-VCSEL具有宽调谐范围的可能性，如在美国专利7468997中讨论的。但是，直到2011年，MEMS-VCSEL的最宽的调谐范围在1550纳米附近才达到了65纳米，如在(Matsui,Y.,Vakhshoori,D.,Peidong,W.等，“完整的偏振模式控制可调谐垂直腔面发射激光器超过65纳米调谐，高达14毫瓦的输出功率”，IEEE量子电子学杂志，39(9)，1037-10481048(2003)中描述的。这表示大约4.2％的部分调谐范围，或小于SS-OCT成像所需的大约因子为2的调谐范围。在2011年，111纳米的调谐范围被证明在1310纳米的MEMS-VCSEL中实现了，随后将其应用于SSOCT成像系统，如(Jayaraman,V.,Jiang,J.,Li,H.等，“OCT成像高达760kHz的轴向扫描速度采用单模1310nm的MEMS可调的VCSEL具有>100nm的调谐范围”，CLEO：2011-激光科学光子应用，2页-2pp.2页(2011))中描述的。
由Jayaraman等人在2011年所述的MEMS-VCSEL，代表了宽范围可调短腔激光器的主要创新。实现的性能和可靠度适于光学商业系统，但需要优化调谐速度、调谐的频率响应、调谐范围、调谐曲线的频谱形状、输出功率对波长、后放大性能、增益和反射镜的设计以及整体腔体设计。针对现有技术还需要进行许多设计创新的，以实现这些商业系统所必要的性能和可靠性。
综上所述，可清楚了解，在SSOCT成像系统、光谱检测系统和其它类型的光学系统中，所需要的是具有三维腔和已对性能和可靠性进行优化的材料设计的宽范围可调谐短腔激光器。
发明内容
本文提供了若干可调谐源的优选实施例，所述可调谐源包括用于SSOCT成像系统、光谱检测系统以及其他类型的检测和感应系统的性能和可靠性优化的短腔激光器。本文提供了具有大自由光谱范围的光腔、快速调谐响应和单横向、纵向和偏振模式操作的短腔激光器。本文包括用于快速和宽范围调谐以及优化频谱成形的实施例。优选的实施例包括在MEMS-VCSEL几何结构中的电泵浦和光泵浦，其中所述MEMS-VCSEL几何结构具有反射镜和用于宽范围调谐、高输出电源和各种优选波长范围优化的增益区域。其它优选实施例包括半导体光学放大器，其连同所述短腔激光器以产生高功率频谱成形的操作。若干优选的成像和检测系统的实施例利用了这种的可调谐源以获得优化的操作。
本发明的一个实施例提供了一种可调谐激光器，可操作地在具有中心波长的发射波长范围上发射可调辐射，其具有在所述波长范围上的输出功率谱和平均发射功率，所述可调谐激光器包括：包括第一和第二反射镜的光腔；插入在所述第一和第二反射镜之间并且包括至少一个量子阱的量子阱增益区域；空隙调谐区域；以及用于调整所述调谐区域的光程长度的装置；其中所述光腔的自由频谱范围(FSR)超过所述中心波长的5％；所述可调谐激光器横跨所述波长范围大体上以单纵横模进行操作；以及用于调整光程长度的所述装置具有6-dB带宽大于大约1kHz的波长调谐频率响应，每一个所述的至少一个量子阱与所述光腔的驻波图案的波峰基本上对准。
附图说明
图1示出了根据一个实施例的宽范围可调谐短腔激光器的实施例；
图2示出了一种宽范围可调谐短腔激光器的输出功率谱；
图3示出了自由光谱范围的定义；
图4示出了在1330-1365nm范围内的水蒸汽吸收光谱；
图5示出了由OCT点扩散函数-成像深度的滚降所获得的测量动态相干长度；
图6示出了闭环控制的宽范围可调谐短腔激光器的实施例；
图7示出了在1310nm附近运作的可调谐短腔激光器的MEMS-VCSEL具体实施例；
图8示出了在腔的2个反射镜之间具有4个驻波最大值的短腔激光器的轴向折射率分布图；
图9示出了图7中所示MEMS-VCSEL的静态和动态调谐响应；
图10示出了多种MEMS-VCSEL致动器的频率响应；
图11示出了具有压电调谐的宽范围可调谐短腔激光器；
图12示出了各种致动器的几何结构；
图13示出了用于完全氧化反射镜的从2个蚀刻孔开始的氧化；
图14示出了配置为在1050nm上支撑泵浦的1310nm反射率频谱；
图15示出了耦合到光学放大器的宽范围可调谐短腔激光器的实施例；
图16示出了来自双量子态半导体光学放大器的ASE频谱；
图17示出了耦合到光学放大器的宽范围可调谐短腔激光器，其输出被耦合到一同步调谐的滤光片；
图18示出了具有在激光器和放大器之间的可调谐滤光片的放大的宽范围可调谐短腔激光器；
图19示出了具有2个放大级的宽范围可调谐短腔激光器的实施例；
图20示出了具有2个放大级和位于级之间的可调谐滤光片的宽范围可调谐短腔激光器的实施例；
图21示出了宽范围可调谐短腔激光器的放大的和预放大的频谱；
图22示出了在1310nm附近运作的宽范围可调谐短腔激光器的不同输出功率频谱；
图23示出了在1060nm附近运作的宽范围可调谐短腔激光器的MEMS-VCSEL具体实施例；
图24示出了图23所述MEMS-VCSEL的静态和动态调谐频谱；
图25示出了作为MEMS-VCSEL实现的宽范围可调谐短腔激光器的制造步骤1-4；
图26示出了作为MEMS-VCSEL实现的宽范围可调谐短腔激光器的制造步骤5-6；
图27示出了宽范围可调谐短腔激光器的电泵浦MEMS-VCSEL的具体实施例；
图28示出了来自2个交织的短腔激光器的波长扫描以产生倍增的扫描速率。
具体实施方式
根据本发明原理的说明性实施例的描述旨在参考附图进行阅读，这是整个书面说明将要考虑的部分。在本文所公开的发明实施例的描述中，任何参考方向或定向仅仅是为了描述的方便，而不是旨在以任何方式限制本发明的范围。相对术语如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“以上”、“以下”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及其变型(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应被解释为表示定向，正如下面讨论所描述的或如下面讨论的附图中所示出的。这些相对的术语只是为了描述，而不要求在一个特定的定向构造或操作所述装置，除非明确指明。术语如“附着”、“粘附”、“连接”、“耦合”、“相互连接”以及类似的指代关系，其中结构穿过插入结构和可移动的或刚性的附件或关系，直接地或间接地固定或附着于彼此，除非另有明确描述。此外，本发明的特征和益处通过参照示例性实施例示出。因此，本发明明确地不应该限于这样的示例性实施例，所述实施例示出了一些可能的非限制性的特征的结合，所述特征的结合可单独存在或与其他特征结合；本发明的范围由所附的权利要求限定。
本文描述了目前预期实践本发明的最佳一种或多种模式。这种描述并不应被理解为限制，而是提供通过参考所述附图仅仅为了说明性目的而呈现的本发明的示例，以对本领域普通技术人员说明本发明的优点和构造。在各个附图中，类似的参考符号表示相同的或相似的部分。
图1-3示出了根据本发明的短腔可调谐激光器的优选实施例的特性。如图1所示，激光器100包括插入在第一反射镜130和第二反射镜140之间的增益区110和调谐区120。支持激射操作的能量可以光泵浦或电泵浦的形式供给到所述增益区，这正如本激光器领域中的技术人员公知的。还可以采用一种热传导性的热扩散层150来增加所述可调谐短腔激光器的平均输出功率，所述热扩散层150优选为金属，例如金、金锡合金、铟，或邻近一个反射镜的含铟焊接剂。对于在砷化镓(GaAs)衬底上的垂直腔激光器，例如，蚀刻衬底通孔，并令所述衬底通孔在所述第二反射镜上停止，在其上可以通过所述衬底通孔沉积热扩散层。
参考图1，调整调谐区域的有效光程长度带来激光器的波长调谐。所述激光器发射波长可调谐的辐射，这是通过第一反射镜发射的。图2示出了典型的发射功率谱200，其为基于波长的发射功率。所述光谱代表了可调谐发射的波长范围和在每个波长处的强度。波长可调谐发射跨越中心波长为220的波长发射范围210。在图1的优选实施例中，所述调谐区域为可调整的空气隙，但是在其他实施方案中，其也可以是，例如，光程可以通过调整折射率而改变的液晶或半导体。
图1中优选实施例的短腔可调谐激光器为垂直腔激光器(VCL)，但是其他实施方案中，也可以采用包括但不限于短腔边缘发射激光器。如本领域中的技术人员公知的垂直腔激光器，所述VCL可被制成为整体式的一维和二维阵列，这有利于需要多个光源的光学系统。现代晶片级光学制造技术将提供这种阵列式的激光发射器以及保证光学部件的精确位置，并支持采用这些阵列制造光学仪器。
在一个实施例中采用的短腔带来大自由光谱范围(FSR)，其与腔长度成反比。本实施例公开了一种FSR，在本发明中具有如图2所示的>5％的中心波长。如图3所示，自由光谱范围被定义为由图1中的层所定义的光学腔的传输峰值间的，或在激光振荡方向上纵模间的距离。所述可调谐激光器的最大连续无跳模的单模调谐范围受FSR限制。因此，可以预期具有FSR为5％的中心波长的激光器具有5％的中心波长的最大调谐范围。其他方面的考虑，例如调谐区光程长度的最大可实现变化或增益区的可用增益带宽可以将连续单模调谐范围限制为小于FSR，但FSR代表上限。
在优选的实施例中，抗反射涂层布置在增益区和调谐区之间以抑制器件中的反射，并扩展调谐范围。优选当所述调谐区为空气，并且所述增益区为半导体的情况下，该抗反射涂层可以是具有四分之一波长的材料，例如氮化硅或氮氧化硅。
图1还示出了弯曲形成半对称腔的顶部反射镜130，如在(Tayebati，P.、Wang，P.和Vakhshoori，D.等人发表在“IEEE光子技术快报”，10(12)，1679-1681(1998)中的“具有单空间模式的半对称腔可调谐微机电VCSEL”)中，其包括一个曲面镜和一个平面镜。这是重要的，因为虽然短腔和大FSR促进了单纵向操作，但曲面镜进一步促进了单横向模式操作，这在成像和光谱学的应用中是重要的。曲面镜的功能也可通过腔内的微透镜160来实现，如图1所示。通常可以使用微透镜160或曲面镜130，但也可以使用两者的组合。所述微透镜可以由抗蚀剂或聚合物材料的回流，以及随后的形状图案至底层材料的转移来形成，正如在(Strzelecka，E.M.，Robinson，G.D.和Coldren,L.A等人的“在半导体中通过在反应离子蚀刻掩模形状转移的折射微透镜的制造”，微电子工程，35(1-4)，385-388(1997))中描述的和本领域技术人员已知的那样。类似地，所述曲面镜可以通过回流和图案转移技术结构化牺牲层，沉积顶部反射镜并去除所述牺牲层来形成。这种工艺的牺牲层优选为硅或锗，以及回流的抗蚀剂层的图案转移可以通过使用CF4/氧气气体混合物的感应耦合等离子体蚀刻来完成。牺牲层中产生的表面曲率基于这些气体的比率，并且可以通过简单地优化这个比率来调整。
实现图1中所述可调谐短腔激光器的单横模操作需要严格控制所述曲面镜的曲率半径以及在所述两个反射镜之间的增益区和调谐区的组合厚度。对于利用由InP基材料组成的半导体增益区，空隙调谐区和在1310nm附近操作的情况下，增益区厚度的典型尺寸约为1微米，空隙厚度约为1.6μm，以及反射镜的曲率半径约为1mm。激光器制造和设计的本领域中的技术人员可以在本范围内调整数字，以为特定波长状况的特定图案获得更具体的数字。使用接近这些的参数将引起40-50dB的单纵横模抑制。
根据一个实施例，通过短腔激光器获得的单纵向和单横向模式操作使具有非常长的动态相干长度的光源称为可能。此相干长度在动态操作情况下超过100mm。相干长度与激光线宽度负相关。长的相干长度在需要测量窄的光谱特征的光谱应用中很重要。类似扫频源光学相干断层成像技术(SS-OCT)的成像应用中，长的相干长度与长的成像范围相对应。图5示出了SS-OCT系统中相干长度的检测极限测量，其通过使用根据图1的60kHz的可调谐激光器重复扫描获得，其中FSR约为中心波长的8-9％，并且使用OCT点扩散函数作为相干长度的测量。在50mm时不存在实质的幅度下降表示相干长度大于100mm。这种测量方法对于SS-OCT的本领域中的技术人员来说是公知的。
对于一些应用，减小相干长度是有利的，可消除来自光学系统不需要的反射中的干扰。可通过将噪声波形添加到调谐区，或以其他方式幅度或相位调制源来调整相干长度。外部装置可包括例如时间扩散器(temporal diffuser)。
在一个实施例中，调谐区光程长度对于施加的调制信号的频率响应具有超过大1kHz的6-dB带宽。通常情况下，6-dB带宽从直流(DC)开始，但也可以从一些非零频率开始。所述1kHz带宽区别于本发明其他类型的采用现有技术的调谐机制，例如在(Gierl，C.、Gruendl，T.和Debernardi，P.等人的“具有102nm连续单模调谐的表面微机械可调谐1.55mu m-VCSEL”，光学快报，19(18)，17336-17343(2011))中的电热调谐。在调谐区为空气隙的优选情况下，可通过基于MEMS的致动器对空气隙进行调谐，所述致动器通过静电力来缩短所述空气隙。基于MEMS的调谐机制已证明具有超过500kHz的6-dB带宽，如(Jayaraman，V.，Cole，G.D.和Robertson，M.等人的“具有150nm连续调谐范围的高扫描速度1310nm的MEMS-VCSEL”，电子快报，48(14),867-9(2012))中所示。如下所述，MEMS-致动器的带宽可以扩展到>1MHz。这样宽带宽的存在使得在从DC到>1MHz的频率范围上进行重复地扫描操作成为可能。这也使在各种扫描速度上的非重复的波长调谐成为可能。改变一个激光源中激光的基本调谐频率的能力使得所述仪器适于广泛的应用，其中每一应用都具有优选的调谐速率。例如，弱光谱信号的测量可能需要慢的扫描速度，而强光谱信号可能被监测，使得可以捕获动态时间效应。许多在SSOCT中的应用也可以受益于可变的扫描频率，使得成像分辨率和成像速度与成像范围之间进行权衡。
尽管MEMS调谐的空气隙是本发明的优选实施例，可替代的实施例可以通过压电致动器来调谐所述空气隙，例如(美国专利6263002)中所描述的。图11还示出了这种配置，其中顶部反射镜1110布置在压电致动器之上，并且与所述增益区1130和底部反射镜1140通过空气隙1120分隔。第一反射镜1110通过压电控制改变空气隙1120的调谐区来相对于增益区1130移动，因此产生激光波长。在这种结构中，第一反射镜附着到可以提供泵浦辐射且收集激光辐射的光纤上。压电调谐也可以提供若干kHz的带宽，这通常小于MEMS调谐的带宽，但压电调谐能产生较大的空气隙变化，并且可以是双向的。也有可能通过3端器件获得MEMS器件的双向调谐。然而在另一个实施例中，压电和MEMS调谐都可以用于提供较慢的大行程调谐机制和较快的小行程调谐机制的组合。这些调谐机制可以进一步与其他调谐机制相结合，例如半导体中的载流子注入调谐。
还可以用多种波形驱动调谐区，生成短腔激光器输出的不同波长时间轨迹，适用于多种应用。例如，可以用具有基频的重复波形驱动所述调谐区，以生成周期性的波长-时间变化，适用于多种应用，例如扫频源光学相干断层成像技术(SSOCT)。所述周期性波形可以为正弦形状，或任意波形，其被构造以生成线性波长扫描-时间或随时间的任何波长轨迹。所述调谐区域的响应相对于所施加的波形可以为非线性的。典型的例子是MEMS，其中静电制动膜的运动随着施加电压的平方而变化。在这种情况下，建立线性运动需要对所施加的波形进行预变形，以应对MEMS致动器的非线性响应。线性化MEMS响应的任意波形的生成对于驱动MEMS器件的本领域中的技术人员来说是众所周知的，但是线性化原理也可以应用到其他的调谐机制。
根据所述调谐区和调谐机制的确切特性，无论是否改变半导体或液晶的物理路径长度或改变折射率，施加于调谐区的波形通常为施加的电压或电流随着时间的变量，正如一些有代表性的例子中所示。举例来说，使用非常小质量的基于MEMS的调谐元件减小了在连续的扫描和非连续扫描两者中扫描激光波长所需的功率。使用MEMS调谐元件仅需要非常小电流的驱动电压。
除了重复的波长扫描之外，所述调谐区响应于外部触发器，可以由非重复波形来驱动，或通过任何重复或非重复的任意波形来驱动。这方面的例子在瞬态光谱中得以体现，其中其有益于例如在爆炸，化学反应，或生物事件的事件发生之后不久，测量材料的透射、吸收或反射光谱。非重复扫描也将有助于新的操作模式，因此由无用的较大区域分隔的许多有用的窄区域可以优化的方式利用所述激光器来查询。一个例子是一系列横跨窄光谱特征的慢扫描，其由大区域分隔，其中对所述大区域以高速进行扫描。在使用MEMS调谐的优选情况下，许多新的操作模式通过使用允许激光器调谐速度快速加速和减速的、极其小质量的调谐元件成为可能。
对于响应于外部触发器的扫描，MEMS实现的本发明的优点通过与市售的Thorlabs型SL1325-P16的扫描源激光器(它不是短腔激光器)的比较来说明。这种现有技术的激光器利用测量超过10mm2的谐振扫描光学光栅作为调谐元件，相对于在本发明中使用的小质量MEMS元件而言，响应时间较慢。在根据本发明的一个实施例中，非常低质量的调谐元件允许更大灵活性的操作参数，例如，激光器如何快速地响应于外部事件以及波长区域，其中在所述波长区域上激光器作为外部事件结果得以调谐。当期望将激光器的操作与外部事件同步时，这种灵活性提供了新的操作模式。
具有广泛适应性调谐配置的激光器调谐允许调整激光器的性能以满足众多应用的要求。举例来说，在一种应用中，如果激光器用于测量依赖于光学元件的波长，则其被期望于及时线性地扫描激光的波长，在其它应用中，当激光器用于进行最好与样本间隔相同的频率的测量时，例如在光学相干断层成像技术的情况下，其被期望于线性地扫描激光器的光学频率。
光谱提供了实用的高度灵活的调谐配置的另一个例子。在许多光谱应用中，有必要测量整个波长范围内的多个不等间隔和可变的线宽线。整体信噪比的最大化需要所述频谱的信息丰富(例如许多窄线)区域中较慢的扫描速度和较少或没有信息的频谱区域中较快的扫描速度。图4示出了在1330-1365nm范围内水蒸汽吸收光谱的例子。
对于许多应用，如上述的那些，根据当前区域的可调谐短腔激光器的调谐区域可被开环驱动--即没有位置或波长反馈。然而在其他波长的稳定性更为重要的应用中，可以采用反馈控制。当波长被锁定到特定原子吸收线或其它参考基准，这有利于静态操作。替代地，所述波长可被首先锁定到参考基准，然后使用另一元件从所述参考偏置来测量所述偏置距离，例如具有已知边缘间隔的法布里-珀罗或马赫-曾德耳干涉仪。闭环控制还有利于动态操作。
图6示出了根据本发明的闭环控制的一个优选实施例。如图所示，从可调谐短腔激光器发射的光的一部分被分割到波长感应元件610，其可包括如棱镜、光栅、滤光片或光干涉仪的元件。在类似棱镜或光栅的色散元件的情况下，类似检测器阵列的位置感应元件将与色散元件结合来检测衍射角或折射角，并且推断波长从所期望位置的偏移以及将这个误差信号反馈给调谐驱动波形620。如果所述应用不需要特定的波长，而仅仅需要传送一固定波长或一系列固定波长，则可以使用波长分散元件和位置感应元件，而不用校准所述分散元件。在滤光片的情况下，如由光学检测器测量的所述滤光器的透射或反射将用于确定波长从期望的锁定位置的偏移，并且将误差信号反馈给所述调谐区域的驱动波形。动态闭环操作可通过扫描所述误差信号来获得，正如现有技术中的激光器，例如图1中的(Roos，P.A.、Reibel，R.R.和Berg，T.等人在《光学快报》34(23)，3692-3694(2009)中的“精密计量应用中超宽带光调频线性化”)。当驱动调谐区域的速度正好低于固有谐振时，其可产生变量，闭环控制特别地有用。例如，具有500kHz谐振的MEMS致动器在100kHz被驱动，这可能易于变性并且用闭环控制具有表现更良好的调谐。
图7示出了根据本发明被构造为以1310nm进行操作的短腔激光器的一个优选实施例的若干细节，而图9和10则展示了图7中实施例的若干附加的性能特征。图7示出了构造为垂直腔面发射激光器(VCSEL)的半导体激光器，VCSEL为垂直腔激光器(VCL)的子集。VCL可以向上或向下发射，VCSEL向上发射，意思是说以与衬底相反的方向。图7的VCSEL采用了包括交替的四分之一波长层的低和高折射率材料的2个分布式布拉格反射器(DBR)反射镜710，720。所述DBR优选为两个反射镜，虽然还可以采用作为现有技术激光器所使用的高对比度光栅，例如在(Chase，C.，Rao，Y.和Hofmann，W.等人在《光学快报》，18(15)，15461-15466(2010)中的“1550nm高对比度光栅VCSEL”)中所描述的。
与图1中第二反射镜140对应的图7中的底部反射镜710由交替的四分之一波长层的GaAs和氧化铝(AlxOy)构成。这种类型的反射镜是通过GaAs/AlAs外延生长叠层的横向氧化形成，如在(MacDougal，M.H.，Dapkus，P.D.和Bond，A.E等人在《量子电子学选题IEEE期刊》3(3)，905-915915(1997)中的“具有AlxOy-GaAs DBR的VCSEL的设计和制造”)中所描述的。所述GaAs/AlxOy反射镜具有大的反射率和宽的带宽，而反射镜周期较少。当光如图7所示从所述顶部反射镜耦合输出时，用于所述后反射镜的优选反射镜周期数量为6或7个周期，创建了理论上>99.9％的无损反射率。这种反射镜的其他实施方式可以使用AlGaAs/AlxOy，其中AlGaAs中铝含量小于约92％，因此在AlAs的横向氧化期间没有使AlGaAs氧化形成为AlxOy。对于低折射率材料，使用AlGaAs代替GaAs有利于增加所述低折射率材料的带隙，使其在产生激光波长或如果激光被光学泵浦则在泵浦波长时不吸收。
与图1中第一反射镜130对应的图7中顶部悬挂反射镜720由交替的低和高折射率沉积材料，例如SiO2和Ta2O5构成。还可以使用其它沉积材料，包括但不限于由Ti02,Hf02,Si,Ag,Al,Au,ZnS,ZnSe,CdF2,A12F3,和CdS组成的列表。这些材料可通过电子束蒸发、离子束溅射、等离子体辅助沉积或其它本领域中的技术人员众所周知的方式来沉积。例如，在分别具有1.46/2.07的折射率的10个周期SiO2/Ta2O5周期性反射镜，居中在约700nm到约1600nm的范围内的情况下，在超过至少中心波长10％的范围内，理论上无损反射率超过99.5％，如可通过本领域反射镜设计的技术人员计算出来。
图7的实施方式使用MEMS致动器来控制空气隙调谐区域的厚度，以将器件的输出波长控制在1310nm的范围内。施加示出的致动器的接触件730、740之间的电压缩短空气隙并且将激光调谐到较短波长。示出的MEMS结构包含刚性的支撑结构750和悬挂的可变形的电介质薄膜760，在所述电介质薄膜上悬挂有顶部反射镜720。将电介质薄膜760的顶部金属化，以通过致动器接触件730、740使施加静电力成为可能。薄膜本身是透明的，运行在悬挂的反射镜下面并且与悬挂的反射镜集成，以及对悬挂的反射镜的反射率有积极贡献。理想的薄膜厚度为在所发射的调谐辐射的中心波长的四分之一波长的奇数倍。对于许多感兴趣的波长，例如在600-2500nm范围内，理想的厚度为约3/4波长。
在优选实施例中，电介质薄膜为氮化硅，氮化硅是强健的材料，其可以是应力结构设计的，以产生期望的频率响应。理想的氮化硅具有范围内或约100至约1000MPa的拉伸应力。这个范围的应力导致MEMS致动器的最低阶的谐振频率，如下面所述，即可由应力大幅增加。虽然优选拉伸应力，但也可以施加压缩应力，虽然它不及优选的，因为压缩应力在释放MEMS后，导致所述薄膜的弯曲。其他作者已经有效利用这种弯曲以构成半对称腔，例如在(Matsui，Y.、Vakhshoori，D.和Peidong，W等人在《量子电子学选题IEEE期刊》39(9),1037-10481048(2003)中的“超过65-nm调谐，高达14-mW输出功率的长波长可调谐垂直腔表面发射激光器的全极化模式控制”)中所描述的。
具有代表性的优选实施例如图7中所示，其被配置为在1310nm上进行操作。因此，此配置使用在增益区中包括至少一个量子阱的基于InP的多量子阱(MQW)区域。由于底部完全氧化的GaAs/AlxOy的反射镜生长，而不是在InP的GaAs上，基于InP的MQW区域通过晶片键合工艺必须接合到基于GaAs完全氧化的反射镜中，如在固定波长1310nm VCSEL中描述的，例如在(Jayaraman，V.、Mehta，M.和Jackson，A.W等人在《IEEE光子学技术通讯》，15(11)，1495-14971497(2003)中的“具有隧道结的高功率1320-nm的晶片键合的VCSEL”)中所描述的。多量子阱区域优选由多个压缩应变的AlInGaAs量子阱组成，其中应变在1-1.5％的范围内。在另一个实施例中，有可能使用能够发射大约1310nm且在GaAs上生长的GalnNAs量子阱，省去了晶片键合。然而AlInGaAs量子阱具有更高的增益和更灵活的波长，因此是优选的。
图25和26示出了用于图7中优选实施的1310nm可调谐短腔激光器的制造序列的主要步骤。除了基于GaAs的器件不需要图25中所示的第一晶片键合之外，在650-2300nm波长范围内的器件的处理可以类似的方式进行，因为可在一个步骤中外延生长反射镜和增益区。如图25中所示，在1310nm或采用生长在InP上的有源区域的任何波长，第一步骤2510包括在InP衬底上外延生长的MQW区域和在GaAs衬底上生长的GaAs/AlAs反射镜结构的晶片键合。这个工艺可以通过施加应力和大约570℃的温度约15分钟来完成，正如已经在(Black，A.，Hawkins，A.R.和Margalit，N.M.等人在《量子电子学选题IEEE期刊》(3)，943-951(1997)中的“晶片融合：材料问题和器件约束”)中由本领域技术人员详细描述的。在晶片键合界面接合MQW和反射镜结构。键合之后，通过使用在InGaAs蚀刻停止层上停止基于HCL的蚀刻，在第二步骤2520中去除所述InP衬底。然后基于硫酸的蚀刻去除蚀刻停止层。
在步骤序列的第三步骤2530中，沉积和图案化底部MEMS接触件和抗反射涂层，并且蚀刻用于所述GaAs/AlAs反射镜结构的氧化的孔，其中使用钛终止底部MEMS接触件以促进随后步骤中锗的粘合。将AlAs氧化转化为AlxOy以通过6或7个周期建立高度反射镜。反射镜氧化之后，在第四步骤2540中沉积锗牺牲层，并且将锗构造为在光振荡的区域中具有曲面。通过光刻胶回流和图案转移工艺、采用富含氧的CF4/O2感应耦合等离子体蚀刻工艺创建所述曲面。图26示出了在第五步骤2550中，如何在锗牺牲层上沉积和图案化氮化硅薄膜层、顶部致动器接触件和顶部悬挂反射镜。顶部接触层优选采用铝。
在第六步骤2560中，使用二氟化氙(XeF2)气体来释放锗牺牲层，以在边缘创建具有刚性的锗支撑结构的悬挂结构。在锗释放之前，沉积如图7所示与顶部和底部的金属致动器连接的引线键合焊盘，以完成释放之前的处理。释放后的处理通常是不可取的，因为这可能导致致动器的毁坏。在许多情况下，优选的是在释放锗薄膜之前，将器件切分并且引线键合到用于封装的子基板。
图7优选实施例中的增益区域的设计对器件的性能非常重要。在结构被光学泵浦的情况下，量子阱可以与光学驻波的波峰对准，以通过公知的周期性增益效应提高增益，如通过(Corzine，S.W.，Geels，R.S.和Scott，J.W.等人在量子电子学选题IEEE期刊25(6)，1513-1524(1989)中“具有周期性增益结构的法布里-珀罗表面发射激光的设计”)在现有技术中描述的。周期性增益的进一步优点在于，量子阱之间的宽间距可以防止应力的积聚并且降低了对应力补偿的需求。示出的用于1310nm的VCSEL的理想泵浦波长在约850-1050nm的范围内。在光学泵浦结构中，在3个分隔的驻波峰处，布置3个量子阱，并且它们之间的区域由基本上与InP晶格匹配的AlInGaAs和吸收传入泵浦辐射的组合物构成。因此，增益区与吸收区域分隔，在吸收区域中的光生载流子扩散到增益区。可选地，此结构的FSR可以通过将3个量子阱布置在单个驻波波峰处而增加。在这种情况下，可能需要使用拉伸应力的AlInGaAs对压缩应力的AlInGaAs进行应力补偿。由于可能只在量子阱中发生吸收，这产生了较薄的吸收区域。在光学泵浦的器件中，这样的结构将需要更多的泵浦功率，但是将提供更宽的调谐范围。图7的一个实施例中，在单个驻波波峰使用3个量子阱使能接近1310处具有161nmFSR的结构，代表12.3％的中心波长，正如图9中的调谐结果所示。对于此器件，连续单模调谐范围为150nm，也如图9所示并在下文进一步讨论。图9示出超宽范围可调谐MEMS的VCSEL的静态和动态的调谐响应。1372nm处的长波长频谱910在1211nm处显示了完成模式，示出了腔的161nmFSR。所述曲线920代表在500kHz进行正弦扫描的时间平均光谱。静态和动态响应两者都说明了在超过150nm径距时连续单横模和纵模发射激光操作。用于1310nm器件的在140-170nm范围内的FSR提供了器件调谐，即非常适合于扫频源光学相干断层成像技术。大FSR是理想的，不仅作为增述激光器的调谐范围的方式，也可作为降低激光器的占空因子的方式，因此正如稍后所述，可从其他可调谐短腔激光器增加附加的调谐配置。例如，如果激光器的增益带宽被限制为小于50％的FSR，则扫描所述整个FSR，然后在超过一半扫描时激光器自动地关闭，留出空间来交织来自另一个激光器的扫描、或所述扫描的延时副本，正如在例如(Klein，T.，Wieser，W.和Eigenwillig，CM.等人在《光学快报》，19(4)，3044-30623062(2011)中的“具有1050nm傅立叶域模式锁定激光器的用于超广角视网膜成像的兆赫OCT”)中所描述的。
当期望在在非常宽的调谐范围(>10％的中心波长)上维持激光发射时，通过使用如在(美国专利7671997)中描述的较宽的量子阱，由包括在所述阱中的第二受限量子态扩宽量子阱的增益是有利的。值得注意的是采用产生图9的结果的宽FSR结构时，其特征在于在发射激光的操作期间，在反射镜之间形成的光学驻波的最大值的数目。图9的结果由在底部反射镜和悬挂反射镜之间的腔室中具有5个驻波最大值的结构产生。腔厚度进一步减小到低于5个驻波最大值是可能会导致1310nm器件在接近200nm时更大的FSR。图8显示了在2个所述反射镜之间具有4个驻波最大值的1310nm的设计例子中，沿着激光振荡轴折射率-深度的变化。图8左侧的周期性结构表示被完全氧化的反射镜，图8右侧的周期性结构表示包括氮化硅薄膜的较厚的第一层的悬挂的电介质反射镜。图8也示出了在反射镜之间的MQW增益区域和空气隙调谐区域。
前文描述的特征不仅适用于在1310nm范围内的VCSEL，而且类似的原理也可应用于1150-2500nm的波长范围，其可以使用基于InP的增益区域连同基于GaAs的反射镜区域。1200-1400nm范围对于许多扫频源光学相干断层成像技术应用，例如内窥镜应用、血管成像和癌症成像尤为重要。1800-2500n范围对于气体光谱学非常重要。后者的范围优选使用在磷化铟衬底上的压缩应变的InGaAs量子阱。
图23描述了类似图7的MEMS可调谐VCSEL，但是替代地，其被配置为在大约1060nm的波长范围内进行操作。类似1310nm的VCSEL，所述器件采用完全氧化的AlGaAs/AlxOy的反射镜2310作为底部反射镜。在底部反射镜的AlGaAs层中的铝含量优选为大于10％，以防止光学泵浦结构中的泵浦光束的吸收，其理想是具有约850nm的泵浦波长。在这种情况下，不需要晶片键合，由于在增益区域中的压缩应变的InGaAs量子阱可外延生长在相同的GaAs衬底上，作为完全氧化的反射镜。可以用其它量子阱组合物配置类似图23中的非晶圆键合的结构，以访问在大约600nm到大约1150nm范围内的一系列波长。除了InGaAs之外，这些包括但不限于的AlInGaP、AlInGaAs、InGaAsP、InGaP、AlGaAs和GaAs。GaAs量子阱将被用在800-870nm范围内，AlGaAs阱将被用在730-800nm的范围内，AlInGaP和InGaP被用在大约600-730nm的范围，以及作为可替代材料的InGaAsP或AlInGaAs被用在大约800-900nm的范围内。700-1100nm的波长范围是SSOCT眼科成像和氧气感应特别感兴趣的，大约990-1110nm的范围是眼科学最感兴趣的。
如在1310nm结构的情况下，周期性增益可用在图23的结构中。在990-1110nm的范围内，有利的是使用在腔中的3个驻波波峰处、由GaAs势垒分隔的具有3个InGaAs量子阱的周期性增益结构，其中GaAs势垒吸收泵浦辐射并生成电子和扩散到量子阱内的孔中。典型的量子阱宽度为6-12nm，典型的铟百分比大约为20％。大于大约8nm的量子阱宽度导致第二受限量子态和扩宽的增益。使用这种方法的结构产生的调谐结果在图24中示出，其示出了1060nm附近的100nm的调谐范围。这种结构的FSR接近100nm或大约9.4％的中心波长。当在1310nm结构中通过将所有的量子阱布置在单个驻波波峰上或将4个量子阱布置在2个驻波波峰上，FSR可以提高到>10％。在后一种情况下，可以采用拉伸应变GaAsP应变补偿所述InGaAs，如在固定波长的VCSEL(Hatakeyama，H.，Anan，T.和Akagawa，T.等人在《量子电子学选题IEEE期刊》46(6)，890-897(2010)中“具有InGaAs/GaAsP-MQW的高可靠性高速1.1-mu、m范围VCSEL”)的现有技术中所描述的。
图7和图24所述结构实现了所述器件的FSR大于90％的调谐范围。在图9和24中还示出了横模的抑制，表明其作为远离主峰1-3nm的肩部，其通常位于主峰之下>40dB。在采用单横模泵浦光束的光学泵浦结构中，如果泵浦光束正好沿着图1的半对称腔的光轴对准，横模抑制在调谐范围可被提高到大于45dB。
在图7、9、23和24中所示出的实施例的具体实现采用与GaAs和InP衬底相关的材料和波长范围。其它材料可用于实现本发明的一些实施例。例如，利用GaSb衬底上的材料可以获得大约2000-2500nm红外范围内可调谐辐射，正如现有技术研究人员使用在(Kashani-Shirazi，K.，Bachmann，A.和Boehm，G等人在《晶体生长杂志》311(7)，1908-1911(2009)中“用于电泵浦的、连续操作基于GaSb的VCSEL的有源区域的分子束外延生长”)中的固定波长VCSEL。可替换地，利用生长在GaN衬底上的材料可以实现在400-550nm范围内进行操作的根据本发明实施例的可调谐短腔激光器，正如研究人员制造的固定波长VCSEL(Higuchi，Y.，Omae，K.和Matsumura，H.等人在《应用物理学快报》1(12),(2008)中“通过电流注入基于GaN的垂直腔表面发射激光器的室温连续激光发射”)中所描述的。在400-700nm范围内的可见光范围内的本发明的实施例的实现应用于光学计量工具和生物医学光谱学中。
上面指出的所有波长范围的一个优选实施例为光泵浦实施例，其中光泵浦为激光发射提供能量，正如在许多例子中已经讨论的那样。对于在550-700nm范围内的操作，光泵浦波长优选在大约400nm到大约600nm的范围内。对于在700-1100nm范围内的操作，优选的泵浦波长是在约600-1000nm的范围内。对于在1200-1400nm范围内的操作，优选的泵浦波长是在约700-1200nm的范围内。对于在1800-2500nm范围内的操作，优选的泵浦波长是在约1000-2000nm的范围内。值得注意的是通过顶部反射镜进行泵浦通常是有利的，正如在图24的1050nmMEMSVCSEL中所表示的。还可能围绕反射镜侧面泵浦，但是通过顶部反射镜的泵浦导致更紧凑的封装。在这种情况下，顶部反射镜在泵波长处需要有最小的反射率。图14示出一个例子用于配置为在1200-1400nm范围内发射的可调谐短腔激光器的顶部反射镜设计反射率，其中在1050nm处具有光学泵浦。如图14所示，可以使得所述顶部反射镜在1050nm的泵浦波长处具有最小反射率1410，同时在期望的1200-1400nm辐射波长范围具有高反射率1420。
尽管上面已经基本上描述了关于光学泵浦的器件，从光泵浦到电泵浦的转换可使用公知的垂直腔激光器的处理方法。根据本发明实施例的电泵浦的结构例子由图27示出，其为具有GaAs基于MQW增益区域2710和完全氧化的反射镜的MEMS可调谐VCSEL，如图24中的在1060nm的例子。如图27中所示，底部MEMS接触件2740还用作顶部激光二极管接触件。在由光学泵浦的结构，光载流子的限制是由光泵浦光束的有限横向范围造成的，而在由电泵浦的结构中必须提供电流光圈(current aperture)2720。这个光圈2720通常由在完全氧化反射镜之上的其他一部分氧化层提供，如图27中所示。电流光圈也可以通过图案化和掩埋隧道结来提供，正如已经由其他研究人员采用的。在这两种情况下，工程师必须小心扩展电阻以避免电流拥塞，正如现有技术研究人员在固定波长VCSEL(Scott，J.W.，Geels，R.S.和Corzine，S.W.等人在《量子电子学IEEE期刊》29(5)，1295-1308(1993)中的“优化垂直腔面发射激光器性能的模型化温度效应和空间烧孔效应”)中已经描述的。
如图27所示，植入钝化层和氧化物电流光圈2720的结合使的此结构的电泵浦成为可能。通过电流光圈2720从中间的MEMS接触件2740到围绕底部反射镜的完全氧化区域到背部衬底接触件2750，开始电流传导。在MQW区域中的载流子复合优选由3个应变补偿的InGaAs/GaAsP的量子阱组成，产生用于激光发射的增益。
对于许多利益相关的应用，理想的是控制由可调谐短腔激光器显现的输出功率谱的频谱形状。这个输出功率成形可以多种方式实现。一种方法是通过控制顶部反射镜的反射率频谱的形状。通常，反射率较低的区域允许更多的光从光腔中发出，而较高反射率的区域允许更少的光从光腔中发出。因此，人们可以在波长范围内限定目标频谱形状或功率变化，并调整获得频谱的反射镜反射率的形状。目标功率变化可为高斯形状。图22示出了通过调整悬挂顶部反射镜的反射率频谱，已经在图7中MEMS-VCSEL实施中获得的若干频谱形状的例子。这些光谱范围来自在波峰在两个边缘的功率、波峰在蓝色边缘的功率和波峰在红色边缘的功率。其他的频谱形状可以通过相同的方法来获得。
改变频谱形状的另一种方式是在波长调谐期间，动态地控制进入增益区域中的泵浦能量。在采用光学泵浦器件的情况下，这可控制进入器件的泵浦能量，以及在由电泵浦器件的情况下，将控制驱动电流。泵浦能量的成形还可以改善所述器件的热管理。
对于使用MEMS致动器的特定实施例，可实施MEMS致动器设计的进一步细节，以提高器件的性能。如上所述，可变形的电介质薄膜优选由氮化硅制成，优选100-1000MPa的拉伸应力以相对于没有-应力设计给出基本上增加的谐振频率并且一旦释放，最小化薄膜的弯曲。通过谐振频率，我们指的是所述器件的最低阶机械模式，其对应于致动器的期望的“活塞”运动。这是器件性能的重要参数。一个优选的致动器的几何形状是具有支撑臂的中心板，如图7、12和23所示。这个特定几何形状的重要参数是致动器的直径、中心板直径、臂宽和悬挂的反射镜的直径，如图23所示。使用致动器的直径大约为220μm，4-8个支撑臂、致动器臂宽度为大约16um、悬挂反射镜直径约为34μm、由聚集在1310nm的大约11个周期的SiO2/Ta2O5组成的悬挂反射镜、中心板直径在大约50μm到大约110μm之间变化以及具有范围在大约200MPa到大约450MPa范围内应力的3/4波长的氮化硅薄膜，这可能获得由图10所述的采样表示的多种频率响应。图12示出了导致图10中的频率响应的致动器几何结构采样的图片。在图12中示出了具有4或8个支撑支柱1210的若干MEMS可调谐VCSEL结构的顶视图。图10示出了基于应用于MEMS致动空气隙调谐机制的驱动频率的MEMS-VCSEL波长的调谐。如图所示，谐振频率是在约200kHz到大约500kHz的范围内，以及最快器件的6dB带宽接近1MHz。
本文还示出了致动器阻尼的变化，由谐振时波峰的不同数量表现。阻尼主要由挤压膜阻尼引起的，其代表与粘滞的空气相互作用。随着致动器面积增大或空气隙减少，挤压膜阻尼上升，展平了频率响应。平坦宽频率响应对于变速驱动和通过多重谐波的线性化驱动是理想的。虽然在MEMS器件中通过挤压薄膜的阻尼效应在图10中示出，类似的效应可以在其他空气隙调整器件，例如压电驱动器件中得知。通常，可能通过各种方法，包括改变致动器的面积或形状以改变与粘滞空气的相互作用，改变背景气体的成分或气体压力(进一步改变挤压膜阻尼的贡献)，改变空气隙厚度，和改变在致动器中孔或孔眼的大小以改变穿过所述孔的液体流动的状态，从湍流到非湍流状态。另外，对致动器进行退火可以改变致动器中各种材料的应力，这将对阻尼产生影响。
用图10表示的频率响应具有代表性而不是限制性的。所述谐振频率可通过增加的拉伸应力、增加的厚度(例如5/4波长)、减小的悬挂反射镜直径和厚度或缩短的臂来加强薄膜而增加，以获得超过2MHz的6-dB带宽，正如由本领域的有限元建模领域技术人员所计算的那样。同样地，通过在相反的方向上改变相同的参数，谐振频率可以远远低于100kHz。值得注意的其他几何结构也是可能的，例如螺旋臂几何结构(其降低了谐振频率)，或没有明确界定的支撑支柱的穿孔薄膜。参照图12，如果中心板1220的直径扩大到外环1230致动器的直径并增加了穿孔，就可获得了没有明确界定的支撑支柱的穿孔薄膜。
如上所讨论的氮化硅薄膜是高度绝缘的，因此可易于充电和静电漂移。在薄膜中引入少量的导电性可以降低充电的倾向。对于氮化硅，可以通过使用非化学计量的富硅膜或通过掺杂含有硅的氮化硅膜来引入这种导电性。
显示在图9和24中的调谐结果表明调谐器件所需要的电压，突出表示在光谱旁边。对于横跨FSR的全调谐，这些电压范围高达约65V，对应于大约一半中心波长的或对于1310器件的大约650mm以及对于1050器件的大约525mm的薄膜偏转。参考图10和12，这些电压与上面指出的MEMS致动器的尺寸、氮化硅的应力水平连同在约1.6μm的范围内的标称零电压空气隙相关。
还值得注意的是，可使用比空气隙的机械压缩或膨胀更快的调谐机制，例如半导体中载流子注入调谐，其可以是在GHz范围内。然而，这种机制典型地受限于大约1％的光程长度的变化，所以不适合于大范围的调谐。
本发明一个实施例的许多附加结构和性能特征可以进一步参考图1和2来理解。对于许多应用，如图2所示，理想的是强度-波长曲线与周期变化无关。本文描述了一种具有小于大约平均功率的1％的脉动的短腔可调谐激光器。术语“脉动”通常用来描述这些变化。根据这个脉动的频谱，并且根据不同的应用，这可以具有不同程度的不利影响。例如，在扫频源OCT(SSOCT)系统中，具有相对于平均功率1％或以上的振幅的特定光谱周期脉动可以本身表现为在SSOCT图像中位于表观距离的虚拟反射镜。脉动通常是由激光腔外虚拟的反射引起的。这些反射可以来自光学系统中的耦合透镜或其它光学元件，或者它们可以来自垂直腔激光器中的衬底反射。例如，在图7的激光器中，来自第二反射镜下方的反射，例如来自在其上设置器件的GaAs衬底770的底部，可引起脉动。可以通过各种方式抑制衬底反射振幅，包括但不限于增加第二反射镜的反射率，通过在衬底的掺杂剂引入损耗，增加衬底厚度，或粗糙化衬底的背面以增加散射。用于衬底粗糙化以增加散射的最佳粗砂是在900-1400nm可调谐辐射的范围内尺寸>30μm的粗砂。此外，使用理论上无损反射率>99.9％的具有7个或更多个周期的完全氧化的底部反射镜可以将脉动抑制到<1％的等级。
本发明一个实施例的另一个重要的性能特征是在整个波长扫描辐射的调谐范围上以固定的偏振状态进行操作。在其中垂直于应变量子阱的平面发生激光发射辐射的半导体激光器，例如垂直腔激光器，没有优选的固有偏振，除非将一些非对称引入到腔中。如果在光学系统中与任何偏振感应部件，如偏振选择光放大器协作，在单个偏振状态上的操作是重要的。这样的系统也可以使用根据本发明实施例的偏振稳定器件，并结合偏振保持光纤。横跨辐射波长范围的偏振切换可导致SSOCT系统中的功率衰退和图像伪影，并且危及动态相干长度。具有阱定义的偏振状态也将允许将激光器系统构造成需要交替的偏振状态。
在器件的整个调谐范围上的单个偏振状态的操作可以通过多种方式实现。一种方式是引入一个或多个与所述器件的光腔集成的纳米线。参见图7，纳米线可在光程的中心，被设置在邻近可调谐空隙的MQW增益区780的顶部。可替代地，它可以被布置在悬挂反射镜的顶部。纳米线是可带来基于偏振的光散射或吸收的元件。典型的尺寸可以是50nm宽，若干微米长和10nm厚。所述纳米线可能由金属构成或者可以简单地是折射率扰动。典型地沿着纳米线的长度方向偏振的光与沿垂直于纳米线方向偏振的光与不同的强度相互作用。因为激光腔对于模式选择仅需要少量的各向异性损耗，单个腔内纳米线足以抑制一种偏振，同时以另外的偏振保持低损耗。对于纳米线在不同偏振中的损耗可以由本领域技术人员通过已知的方式进行计算，例如在(Wang，J.J.，Zhang，W.和Deng，X.G.等人在《光学快报》中“高性能的纳米线栅偏振器”)中所描述的。使用纳米线栅产生了更大的各向异性损耗，但同时也增加了优选偏振的损耗。所以在例如VCSEL腔中，优选的偏振中引入的额外损耗应该<0.1％。这建议一个或极少数目的纳米线。在VCSEL或VCL的情况下，理想地，纳米线应与在其上设置有VCSEL的半导体的晶轴对准。这通常意味着在(100)或接近(100)的取向用于晶片生长的[110]方向或垂直于[110]的方向。这样做的原因是，存在弱偏振选择效应以沿着晶轴之一对准VCL偏振，以及任何进一步的偏振控制方法应努力增加，而不是与此效应竞争。
偏振控制的其他方式包括引入各向异性的应力，如在(Matsui，Y.，Vakhshoori，D.和Peidong，W。等人在IEEE量子电子学报39(9)，1037-10481048(2003)中“在超过65-nm调谐、高达14-mW输出电源的长波长可调谐垂直腔表面发射激光器的全偏振模式控制”)，横向电流注入，如在固定波长的VCSEL(Zheng，Y.，Lin，C.-H.，和Coldren，L.A.在《IEEE光子学技术快报》23(5),305-307(2011)中“低阈值偏振切换VCSEL中的偏振相位偏移量的控制”)中所描述的，或使用非圆对称的氧化工艺以创建图7的完全氧化的反射镜，正如结合图13所描述的。如图13所示，从2个蚀刻孔1320向外开始氧化1310，以及在此附图中氧化前沿沿着由虚线1330所示的线路接触。沿着这条虚线是5nm的沉浸(dip)，其形成折射率纳米线，其可以选择VCSEL的偏振。只要孔与所述晶轴对准，图13的折射率纳米线将与晶轴对准。
偏振控制的进一步增强可以在晶片键合器件中，通过在键合工艺期间，确保键合晶片的对准来获得。由于一个晶轴可能稍微优于另一个，在引线键合期间对准晶轴以倍增效应，而不是通过横断所述对准而取消所述效应。
此处所描述的可调谐短腔激光器可以以阵列形式组合，以产生具有增强的光学性能的聚合可调谐激光源。在激光器为MEMS可调谐垂直腔激光器的特定实施例中，可以整体单片的形式制造所述阵列。在SS-OCT中具体应用这种组合的一个例子由图28进行辅助说明。如在图28A中所示，第一可调谐短腔激光器TCSL1和第二可调谐短腔激光器TCSL2使用光束分离器、光纤耦合器或其他已知的结合元件2810多路复用到通用的光程上。将每个TCSL驱动为具有横跨它们调谐范围的双向调谐，如在图28C中TCSL1的实线波长轨迹2820和在图28C中TCSL2的虚线波长轨迹2830所示。在重复周期T重复地扫描每个激光器，但是相对于TCSL1的扫描，TCSL2的扫描延时了半个重复周期。另外，在落后的波长期间，关闭用于2个TCSL中的每个TCSL的泵浦能量2840、2850(无论是电泵浦或光泵浦),如此只有往前或前部的一半波长扫描，当泵浦能量为非零时，发射激光辐射。在某些情况下，如果FSR比支撑材料的增益带宽大得多，扫描横跨所述材料增益带宽的调谐材料将自动切断激光，而不必关闭泵浦能量。
多路输出的波长轨迹在图28D中示出，包含来自TCSL1(实线)2860和TCSL2(虚线)2870两者的成份并且示出了以新的重复周期T/2的单向扫描，所述重复周期T/2为每个TCSL的初始周期T的一半。通过这种方式，扫描速率已经乘以系数2。同样的原理可以应用于N个激光器和扫描速率与系数N的乘积。交织TCSL的原理也可用于更大的倍增扫描速率，而且还用于倍增调谐范围、交织不同的调谐范围、调谐速度、或调谐轨迹，或对于SSOCT、光谱学、通信或光学检测的本领域技术人员而言显而易见的一个或多个目标。
因此，于此描述的可调谐短腔激光器可以与光放大器进一步结合以创建具有增加的输出功率和其它用于成像的有利性能的放大的可调谐源。所述放大器可以是半导体放大器，光纤放大器，例如用于在1300nm周围窗口进行操作的镨掺杂光纤放大器，用于在1050nm周围窗口进行操作的镱掺杂放大器，在接近1050nm的氟化物掺杂的延伸带宽的光纤放大器或任何类型的光学放大器。放大器的使用还可以使能上述的交织方案，其中高消光比的光学放大器可以用来在适当的时间打开一个光源，替代关闭到光源的泵浦能量。
图15示出了一个基本配置，其中根据本发明的一个实施例的可调谐短腔激光器1510发射送往光学放大器1530的输入侧的输入可调谐辐射1520。此输入可调谐辐射具有输入平均功率、输入功率谱、输入波长范围和输入中心波长。放大器放大了输入可调谐辐射以产生具有输出平均功率、输出中心波长，输出波长范围和输出功率谱的输出可调辐射。
在优选的实施例中，放大器在饱和状态工作，正如本光学放大器领域中的技术人员所公知的。饱和状态能抑制存在于输入可调谐辐射中的噪声波动，并且还可以提供有利的频谱成形，在频谱成形中输出可调谐辐射的半峰全宽(FWHM)可超过输出可调谐辐射的FWHM。图21示出了一个例子，其中放大的可调谐光谱2110具有比来自可调谐短腔激光器的输入可调谐辐射2120更宽的FWHM。
在优选的实施例中，所述光学放大器是半导体量子阱放大器，其可提供低噪声、宽增益带宽和高增益。半导体量子阱放大器也可以提供非常高的消光比(extinction ratio)>40dB，这可作为器件门通(gate on)和门闭(gate off)的开关，如上所述。所述量子阱优选被配置为具有2个受限的量子状态以支持更宽的增益带宽。图16示出了在1310nm处来自双量子态半导体光学放大器的放大式自发射，包括3个AlInGaAs压缩应变的量子阱，示出了在对应于所述光谱的第二量子状态扩展的光谱的较短端部的隆起1610。此放大式自发射(ASE)的3-dB的频谱宽度为110nm，暗示了类似值的3dB小信号增益带宽。
通过使用所有压缩应变或拉伸应变的量子阱，所述半导体光学放大器可以被配置为偏振感应的，或在单个结构中通过使用两种类型的应力，所述半导体光学放大器可被配置为非偏振感应的，以在提供所有偏振增益。
在优选的配置中，输入可调谐辐射的中心波长比由放大器发射的放大式自发射(ASE)的中心波长长。放大器ASE相对于所述放大器增益光谱通常被蓝移(blue-shifted)，所以此配置将输入可调谐辐射的光谱引入了与所述放大器增益光谱更佳的对准。通常，改变放大器ASE相对于输入功率谱的对准可提供有益的频谱成形。
图15的基本配置可通过多种形式的滤波得以增强，进而创建低噪声放大的扫频源。在计量学、光谱学、生物光子学的许多扫频源激光器的应用将受益于宽带ASE的抑制和边模抑制的改善。无论是激光器和放大器之间的内部激光腔，或在所述系统的输出，附加到所述系统的附加可调谐频谱滤波器是在这方面提供改进的性能的一种方式。在一个优选的实施例中，图15所示的放大器可以是可调谐的谐振放大器，例如由(Cole,G.D.、Bjorlin,E.S.和Chen,Q等人在《IEEE量子电子学杂志》41(3),390-407(2005)中发表的“MEMS可调谐垂直腔的SOA”)中描述的垂直腔放大器，其仅在波长的窄带上进行放大，并且与可调谐短腔激光器的输入可调谐辐射同步调谐，使得所述放大器的通带总是与输入可调谐辐射波长相匹配。
图17-20示出了许多其他优选的配置。在图17中，同步调谐的滤光片1710布置在宽带光学放大器1720之后，以减少剩余的ASE噪声并且改善放大可调谐辐射的信噪比，其中所述滤光片的通带一直与输入可调谐辐射的波长对准。在图18中，相同的同步调谐的滤光片1810被布置在可调谐短腔激光器1830和光学放大器1820之间，以改善放大之前输入可调谐辐射的边模抑制。
另一种配置在图19中示出，其中使用了2个放大级1910和1920。这些可以实现为2个独立的放大器，或者具有分离放大器接触的单个波导放大器。两个放大级1910、1920的使用提供了频谱成形中的进一步灵活性。例如，通过有区别地偏置相同的外延结构，或通过使用在所述2个放大器中的不同的外延结构，2个放大器的增益谱可以相对于彼此移位。2个放大级的使用还可以产生更高的增益和更大的输出功率。
图20示出了另外的2级放大器结构，其中同步调谐的光学放大器2030被布置在2个放大级2010和2020之间。这将有助于提供一种输出可调谐辐射的改善的信噪比。
在大多数具有实用利益的情况下，在例如SSOCT和光谱学的光学系统中，输入平均功率的优选范围大约为0.05-2mW，导致优选的输出平均功率范围为大约10-120mW。确切的数量取决于所述放大器的增益和饱和功率，但是这个范围通常为光学系统产生具有良好信噪比的放大可调谐辐射。
与放大器结合的可调谐短腔激光器的基本配置可使用适用于多种波长范围的多种材料由半导体光学放大器来实现。例如，所述放大器可以在适合于SSOCT和水蒸气光谱的1200-1400nm范围内操作。在此范围内，在InP上AlInGaAs或InGaAsP量子阱的使用产生了所需的增益。可替换地，所述放大器可以在适用于眼科SSOCT，使用至少一个压缩应变的InGaAs量子阱在大约800-1100nm范围内进行操作。
本文中描述的可调谐短腔激光器均可用在多数光学系统中，其中一些在前述说明中已被简要地提及。现在此处描述这些系统的几个有代表性的例子。用于SSOCT的系统可以使用可调谐激光器，所述可调谐激光器包括上述的可调谐短腔激光器，与用于将可调谐辐射从所述可调谐激光器分解为参考路径和样本路径的方式相结合，以及配置为检测在从所述采样反射的光和通过所述参考路径的光之间的干扰信号的光学检测器。然后，这种干扰信号的信号处理可用来重建关于所述样本结构或组成信息，正如SSOCT领域中技术人员所熟知的那样。
光学光谱系统可以使用上述的所述可调谐短腔激光器，与光学检测器相结合，以测量样本的吸收、透射、散射、或反射光谱，所述样本可以为固体、液体、气体、等离子体，或任何物质状态的任何物质。此外，所述可调谐短腔激光器的可变调谐速度可用于以可变的速度横跨光谱进行扫描，在信息丰富区域减速，在信息匮乏区域加速，以获得期望的信噪比并同时最小化测量时间。
所描述的可调谐短腔激光器与色散光学元件相结合可用于光束控制系统。例如，众所周知的是光栅的衍射角是输入可调谐辐射的波长的函数。因此，调谐所述辐射将扫描所述衍射角并实现光束控制。也可以使用其它色散元件，例如棱镜。
使用根据本发明的实施例的短腔激光器的其他光学系统包括距离干涉仪，其中2个或多个波长之间的切换可以用于推算距离。
本发明的一个实施例还可以通过有节奏地搏动(beating)所述具有固定波长参考激光器的短腔激光器的可调谐输出，用于创建可调谐的振荡器。例如，此搏动可以通过响应于入射的光功率的光学检测器来实现。如果在此检测器上2个共线的激光束紧密接触，所述检测器输出将在所述2个激光束的光学频率差上振动，其前提是所述频率差位于所述检测器的带宽之内。由于一个激光器被调谐，那么次频率差也将被调谐，创建了从光学频率到较低频率向下-移位的可调谐振荡器。
虽然本发明已经描述了在一些长度和相对于若干已描述的实施例具有一些特殊性的示例，但是并不意味着应限制于任何这样的细节或实施例或任何特定实施例，它是为了参考所附的权利要求进行解释，以鉴于现有技术提供对这些权利要求的最宽的可能的解释，因此有效地涵盖本发明的预期范围。另外，前面通过发明人以可预见的实施例的形式描述了本发明，其用于使得说明书有效，纵使本发明的非实质性的修改，不是目前预见的，但是仍然可以代表其等同物。

Claims (26)

1.一种可调谐激光器，用于在具有中心波长(220)的发射波长范围(210)上发射可调辐射，并具有在所述波长范围上的输出功率谱(200)以及一平均发射功率，所述可调谐激光器包括：
光腔，含有第一和第二反射镜(130,140)；
量子阱增益区域(110)，插入在所述第一和第二反射镜(130,140)之间并且包括至少一个量子阱；
调谐区域(120)；以及
用于调整所述调谐区域的光程长度的装置；
其中：
所述光腔的自由频谱范围(FSR)超过所述中心波长的5％；
所述可调谐激光器在所述波长范围上基本上以单纵向和横向模式进行操作；
用于调整光程长度的所述装置具有6-dB带宽大于大约1kHz的波长调谐频率响应；以及
所述至少一个量子阱的每一个均基本上与所述光腔的光学驻波图形的波峰对准。
2.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述量子阱增益区域包括压缩应变材料的至少一个量子阱。
3.根据权利要求2所述的可调谐激光器，其中所述至少一个量子阱由AlInGaAs组成。
4.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述量子阱增益区域确切地包括压缩应变AlInGaAs的3个量子阱。
5.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述量子阱增益区域包括至少一个GaInNAs量子阱。
6.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述可调谐激光器为光学泵浦的并且所述至少一个量子阱被定位在单独的腔内光学驻波波峰上。
7.根据权利要求4所述的可调谐激光器，其中所述可调谐激光器为光学泵浦的并且所述3个量子阱基本上均对准单个的光学驻波波峰。
8.根据权利要求7所述的可调谐激光器，其中所述可调谐激光器具有140-170nm范围的FSR。
9.根据权利要求7所述的可调谐激光器，其中所述量子阱包括2个量子限态。
10.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述中心波长位于700-1100nm范围内。
11.根据权利要求10所述的可调谐激光器，其中所述至少一个量子阱由压缩应变InGaAs组成。
12.根据权利要求10所述的可调谐激光器，其中所述至少一个量子阱由包括InGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaP、AiInGaAs和InGaAsP的化合物列表中的至少一个形成。
13.根据权利要求11所述的可调谐激光器，其中所述量子阱增益区域包括确切的3个量子阱。
14.根据权利要求13所述的可调谐激光器，其中所述确切的3个量子阱包括2个量子限态。
15.根据权利要求11所述的可调谐激光器，其中所述InGaAs量子阱具有拉伸应变GaAsP的至少一个势垒。
16.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述中心波长位于400-550nm的范围内。
17.根据权利要求16所述的可调谐激光器，其中所述量子阱增益区域包括包括镓和氮的量子阱。
18.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述中心波长在550-700nm的范围内。
19.根据权利要求18所述的可调谐激光器，其中所述量子阱增益区域包括包括铟、镓和磷的量子阱。
20.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述中心波长位于1800-2500nm的范围内。
21.根据权利要求20所述的可调谐激光器，其中所述量子阱增益区域包括至少一个生长在InP衬底上的InGaAs量子阱。
22.根据权利要求20所述的可调谐激光器，其中所述量子阱增益区域包括至少一个生长在GaSb衬底上的量子阱。
23.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述可调谐激光器为电泵浦的。
24.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其中所述可调谐激光器由具有泵浦波长的泵浦激光器光学泵浦。
25.根据权利要求24所述的可调谐激光器，其中所述可调谐激光器包括与所述量子阱增益区域分隔开的吸收区域。
26.根据权利要求25所述的可调谐激光器，其中所述泵浦波长仅在量子阱区域被吸收。
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