CN104641517B - 波长可扫掠激光源 - Google Patents

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Abstract

公开了波长可扫掠激光源，其中所述激光源为适于产生在激射波长处的激光的半导体激光源。所述激光源包括衬底、第一反射器以及第二反射器。所述第一反射器与所述第二反射器一起限定出光学腔，并且被布置为支持在光学腔中在垂直于衬底的方向上沿着光学路径的光振荡。所述光学腔包括在光学路径上的空隙。所述第二反射器通过悬挂装置被弹性地悬挂在距所述第一反射器一定的距离处并且具有静止位置，所述第二反射器和所述悬挂装置一起限定微机电MEMS振荡器。所述MEMS振荡器具有谐振频率并且适于使所述第二反射器在所述静止位置的每一侧振荡。所述激光源还包括适于向MEMS振荡器施加电场的电连接。此外，还公开了激光源系统和使用激光源的方法。

Description

波长可扫掠激光源
技术领域
本公开内容涉及波长可扫掠激光源、激光源系统以及使用激光源的方法。
背景技术
在许多应用例如光谱学和光谱干涉中，需要具有宽的光学带宽和快速调谐速度的波长可调谐光源。在许多这样的应用中，光源的光谱纯度对于为了避免寄生信号例如被视为动态相干长度的减小而言是重要的。
波长可调谐激光源例如可调谐垂直腔表面发射激光器(VCSEL)吸引许多应用例如光谱学和光学相干断层扫描(OCT)。微机电系统(MEMS)可调谐垂直腔表面发射二极管(VCSEL)具有使得能够真正实现下述单模式波长调谐的潜力：具有大于10％的相对调谐范围的单模式波长调谐和/或在最高达100MHz的调谐速率下的单模式波长调谐。VCSEL源的紧凑性对于许多工业应用是另一有吸引力的特征。通过制造电注入VCSEL来制成的紧凑扫掠源还允许晶圆级的测试。
然而，为了实现MEMS可调谐VCSEL的一些上述性质，许多问题有待解决。首先，可调谐VCSEL的空气间隙平行板电容器的机电不稳定性限制了可实现的光学带宽。可调谐VCSEL激光器的操作涉及可调谐反射器坍塌至底层衬底上的风险，所谓的“拉入(pull in)”或“贴合(snap)”(吸合效应)，其涉及激光源的永久性损害的风险。因此，现有技术的激光源通常仅利用可调谐反射器的最大调谐幅度的一部分。特别地，已经发现了拉入现象限制平行板机电致动器，在该拉入现象中，当静电力增加超过机械回复力时，平行板贴合到衬底(在这种情况下为VCSEL衬底)。其次，平行板致动器的可移动部分的宽偏转是期望的。
从Cole等人,Optics Express,第16卷,(2008),第16093页处获知短波长MEMS可调谐VCSEL，该短波长MEMS可调谐VCSEL包括DBR顶反射器和底反射器以及在腔内的抗反射涂层。报道了30nm的波长调谐范围。
从Vail等人,Electronics Letters 32(1996)1888和Jayaraman等人,Electronics Letters 48(2012)处获知能够进行调谐的其他激光源。
从Vail等人，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，第3卷(1997)第691页处获知交流(AC)电压可用于使MEMS振荡器在静止位置的每一侧振荡，从而提供波长的蓝移和红移两者。空气间隙被设计为1.41μm，或为空气中的3/2λ，这得到了470nm的MEMS振荡器安全行程长度(即在将要发生拉入之前能够适应的行程长度)。Vail等人描述了可以通过用峰值电压16V的方波驱动MEMS振荡器处于谐振来降低给定波长变化需要的电压。这样，VCSEL可以跨越其12nm的全调谐范围来进行扫掠。用0.04的波长调谐效率，MEMS振荡器实现全调谐范围需要的行程为300nm。假定MEMS振荡器在静止位置的任一侧偏转，那么所需要的150nm的向下偏转在稳定区域内并且避免了拉入不稳定性。使用方波的MEMS振荡器的较大偏转将导致动态拉入。从例如Seeger等人的Solid-State Sensor,Actuator and Microsystems Workshop 6月2日-6日(2002)0-9640024-4-2中处获知动态拉入不稳定性，该文献教导：在MEMS振荡器的谐振时，在针对方波激发的静止位置中，在空气间隙的56％处，发生拉入。
Jayaraman等人在Proc.SPIE第8276卷(2012年)第82760D页、ElectronicsLetters第48卷(2012年)第867-869页中教导如何可以在重复的正弦扫掠的情况下超越1/3的间隙规则。通过重复扫掠可以超越静态贴合不稳定性，但是动态贴合不稳定性仍将限制调谐范围。
因此，改善的激光源和激光源系统将是有利的，并且特别地，具有扩展的调谐范围的激光源和激光源系统将是有利的。还期望在操作期间降低损害激光源的风险。
特别地，可将提供增大现有技术的激光源的调谐范围的激光源、激光源系统和使用激光源的方法视为本发明的一个目的。
本发明的另一目的是提供现有技术的替选方案。
发明内容
根据第一方面，本文公开了波长可扫掠激光源的实施方案。所述激光源为适于产生在激射波长处的激光的半导体激光源。所述激光源包括衬底、第一反射器以及第二反射器。第一反射器与第二反射器一起限定光学腔，并且布置为支持光学腔中的沿着垂直于衬底方向上的光学路径的光振荡。光学腔包括在光学路径上的空隙。第二反射器通过悬挂装置弹性地悬挂在距第一反射器一定的距离处并且具有静止位置。第二反射器和悬挂装置一起限定微机电MEMS振荡器，所述MEMS振荡器具有谐振频率并且适于使所述第二反射器在所述静止位置的每一侧振荡。激光源还包括适于向所述MEMS振荡器施加电场的电连接。以这种方式，电压源可以通过在衬底与第二反射器之间感生静电吸引来使MEMS振荡器振荡。因此，在与第二反射器的静止位置相比时，可以使第二反射器靠近第一反射器以及更远离第一反射器进行扫掠。因为腔的长度确定从激光器发射的光的波长，所以与当第二反射器处于静止位置时激光源的波长相比，光的波长可以因此被扫掠为较短的波长和较长的波长两者。另外，以这种方式，MEMS振荡器可以在空隙的显著部分或甚至整个空隙上进行扫掠以增大腔长度的变化，并且因此增大通过激光源能够获得的波长变化。因此，在操作期间，激光源发射激射波长处的激光，其中激射波长跨调谐带宽进行来回扫掠，所述调谐带宽通过振荡第二反射器的幅度来限定。扫掠速度通过第二反射器进行振荡的频率来确定。
根据本文公开的第一方面的激光源被封装以使得保持所述MEMS振荡器至少在操作时处于200托或更小的压力的低真空或中真空下。为此，激光源可以被设置在壳体内，该壳体可操作为保持壳体内具有200托或更小的压力的部分真空。该封装可以提供为具有用于使激光从壳体出射的窗口的金属壳体。
将激光源封装在壳体内以形成反射器周围的低真空或中真空显著地提高了MEMS振荡器的机械品质因数。另外，振荡器可以被提供为具有高谐振频率，并且因此具有快速波长扫掠周期而不需要不必要的高驱动电压。
另外，发明人已经实现了：可以通过包括短脉冲和具有低平均电压的调制电压波形来驱动具有高机械品质因数的MEMS振荡器，即不引起MEMS振荡器的振荡相对于其静止位置显著不对称并且朝向第一反射器。因此，可以显著降低振荡器的拉入风险。
激光源的实施方案因此使得能够实现可调谐VCSEL的MEMS振荡器的对称致动，这进而允许增大的波长调谐范围。MEMS振荡器的致动依赖于方波电压波形并且该致动引起在MEMS振荡器的偏转中的恒定偏移和许多叠加谐波项。当期望宽的带宽时，恒定偏移是不期望的效果。恒定偏移依赖于电压波形的幅度，并且为了实现MEMS振荡器关于静止位置的对称致动，峰值电压应该小。为了用低的峰值电压获得足够的致动，MEMS振荡器应该具有高的机械品质因数。这通过将MEMS振荡器封装在部分真空内来实现。
在激光源的一些实施方案中，半导体激光器包括垂直腔表面发射激光器VCSEL。以这种方式，可以实现特别短的腔，这对于获得长的自由光谱范围(FSR)并且因此获得扩展的波长扫掠范围是有吸引力的。
在激光源的一些实施方案中，半导体激光器是电泵浦的。
在激光源的一些实施方案中，第一反射器为分布式布拉格反射器(DBR)或包括分布式布拉格反射器(DBR)。以这种方式，简化了激光源的制造。
根据一些实施方案，DBR包括半导体材料(为了方便起见，贯穿本文将其称为“半导体DBR”)。
在一些实施方案中，DBR包括介电材料(所谓的“介电DBR”)。
在激光源的一些实施方案中，第一反射器为高折射率对比亚波长光栅(HCG)或包括高折射率对比亚波长光栅(HCG)。
在激光源的一些实施方案中，第二反射器为亚波长光栅或包括亚波长光栅。亚波长光栅可以用作偏振稳定结构，同时可以通过可替代结构来提供反射率。在一个实施方案中，可替代结构为DBR。
在激光源的一些实施方案中，第二反射器为高折射率对比亚波长光栅(HCG)或包括高折射率对比亚波长光栅(HCG)。以这种方式，可以实现具有特别短的穿透深度和低重量的高效反射器。因此，可以实现特别短的腔长度。因此，可以获得较高的谐振频率和较宽的波长扫掠范围。
在激光源的一些实施方案中，第二反射器为分布式布拉格反射器DBR或包括分布式布拉格反射器DBR。在本发明的一个实施方案中，DBR为半导体DBR。在本发明的替代方案中，DBR为介电DBR。
在激光源的一些实施方案中，激光源包括在腔中光学路径上的抗反射涂层。以这种方式，激光源可以实现扩展的波长扫掠范围。
在激光源的一些实施方案中，通过对AlxGa1-xAs层进行氧化来制造抗反射涂层，其中x大于0.7。这样，可以将抗反射涂层结合在整体形成的激光源中。
在激光源的一些实施方案中，激光源包括在腔的光学路径上的有源区，有源区包括适于使带隙对应于第一增益波长范围的至少第一量子阱QW区，第一QW区位于距第一反射器第一距离处。在特定的实施方案中，当激光器以第一增益波长范围内的波长运行时，选择第一距离使得第一QW区与第一电场的反节点基本一致。以这种方式，第一增益波长范围中的增益最大化。
在激光源的一些实施方案中，有源区还包括适于使带隙对应于第二增益波长范围的第二量子阱QW区，所述第二QW区位于距第一反射器第二距离处，其中，第二增益波长长于第一增益波长，并且第二距离大于第一距离。以这种方式，通过使两个或更多个QW材料适于向扫掠范围中的光谱分量的范围提供增益，激光源可以适于在扩展的扫掠范围上提供光学增益。通过使QW材料在空间上移位，在激光器中以驻波获得改善的交叠，从而改善了在不同波长处的光学增益。在一个实施方案中，激光源包括沿着腔的光学路径交叉的多个第一QW区和第二QW区，以便于分别在第一增益波长范围或第二波长范围下以驻波改善交叠，同时提高增益。
在激光源的一些实施方案中，激光源支持第一激光模式和第二激光模式，特别是第一纵向激光模式和第二纵向激光模式，并且其中，选择第一距离使得第一QW材料与第一激光模式之间的第一交叠大于第一QW材料与第二激光模式之间的第二交叠。以这种方式，激光源可以适于区分第二激光模式以防止或限制模式跳变(mode-hops)，在该模式跳变中，激光源将突然从对应于第一模式的发射光移位至对应于第二模式的发射光。
在激光源的一些实施方案中，MEMS振荡器的品质因数Q为约2或更高、或者约5或更高、或者约10或更高，例如约80或更高，和/或其中MEMS振荡器的品质因数为约300或更低，或者约200或更低，例如约120或更低。以这种方式，可以方便地使MEMS振荡器振荡，同时仍接受调制频率相对于谐振频率的较小的偏离。如下文中将描述的，可以通过将MEMS振荡器封装在部分真空中来增大品质因数；可替代地或另外地，可以通过振荡器的小心的机械设计来调整品质因数。通过测量谐振器的中心频率和在3-dB水平处的带宽，例如通过测量MEMS振荡器的调制幅度同时以变化的频率施加小的调制电压，可以测量品质因数Q。然后，品质因数可以被确定为通过在3-dB水平处的带宽划分的中心频率。
根据第一方面，至少在操作下的MEMS振荡器被保持在中真空或低真空下。以这种方式，通过降低空气阻力可以显著增大MEMS振荡器的品质因数Q。在激光源的一些实施方案中，压力为约150托或更小，或者甚至约100托或更小。在一些实施方案中，低压为约0.0001托或更大，例如0.001托或更大，例如0.1托或更大，例如约0.5托或更大，或者甚至约1托或更大。在特定的实施方案中，低压为中真空或低真空。在这些压力水平处，可以实现合适的机械品质因数Q。另外，例如通过晶体管外形(TO)罐可以相对简单地实现在这样的水平处的激光源的封装。例如，可以在真空室中在期望水平的受控真空下执行封装工艺。可以通过测量封装的激光源的MEMS振荡器的Q因数来验证封装的激光源的真空水平。
一般地，衬底在衬底平面中延伸，并且可以在大于衬底厚度的衬底平面内在各个方向上具有一定长度；垂直于衬底的方向可以从而被限定为垂直于衬底平面的方向。激光源可以包括包含边界层的分层结构，该边界层具有与第二反射器的表面一起限定空隙的表面。边界层可以为分层结构的衬底或另一层。空隙在垂直于衬底平面的方向上具有间隙宽度。当第二反射器在其静止位置时，静止间隙宽度可以被限定为边界层与第二反射器之间的距离。
在激光源的一些实施方案中，通过交流(AC)调制电压驱动激光MEMS振荡器。以这种方式，可以实现调制电压的特别简单的控制。在这个实施方案中，调制频率优选地选择为谐振频率的大致一半。在激光源的一些实施方案中，调制电压为脉动直流(DC)。
本公开内容涉及不同的方面，包括上述激光源和在下文中的激光源系统以及相对应的系统、装置、方法和产品，其各自产生本文中描述的一个或更多个益处和优点，并且各自具有对应于下述实施方案的一个或更多个实施方案：关于首次提到的方面描述的实施方案和/或如在独立权利要求或本说明书中公开的实施方案。
根据第二方面，本文公开了扫掠激光源系统的实施方案，其中，该系统包括激光源和电压源，其中激光源为适于产生在激射波长处的激光的半导体激光源，激光源包括衬底，第一反射器以及第二反射器，第一反射器与第二反射器一起限定光学腔，并且被布置为支持在光学腔中在垂直于衬底的方向上沿着光学路径的光振荡，光学腔包括在光学路径上的空隙，第二反射器通过悬挂装置弹性地悬挂在距第一反射器一定的距离处并且具有静止位置，第二反射器和悬挂装置一起限定微机电(MEMS)振荡器，MEMS振荡器具有谐振频率并且适于使第二反射器在所述静止位置的每一侧振荡，激光源还包括适于向MEMS振荡器施加电场的电连接。
电压源适于经由激光源的电连接向MEMS振荡器施加脉动直流(DC)调制电压。电压源可以适于将调制电压调制为脉冲序列。脉动直流电压的使用使得能够降低振荡器相对于静止位置的不对称，这是由于降低了驱动电压的有效平均DC偏移。对于给定的间隙宽度，这进而使得能够增大MEMS振荡器的行程。
特别地，在本文中描述的激光源系统的实施方案使得MEMS振荡器行程能够被增大至静止位置中空气间隙的大致200％。在一些实施方案中，这可以通过使用具有低占空比的脉冲序列波形激发MEMS振荡器处于谐振来获得，从而避免当使用正弦AC波形时呈现的动态拉入不稳定性。这使得能够设计具有四分之一波长空气间隙的MEMS可调谐VCSEL，其中该四分之一波长空气间隙能够实现以上陈述的调谐范围。
因此，在一些实施方案中，脉冲序列具有匹配谐振频率的调制频率。特别地，匹配谐振频率的调制频率旨在包括与在正常控制和测量容差内的谐振频率相等的调制频率。将调制频率与谐振频率匹配的另一实施例包括下述实施方案：其中仅在振荡周期的一些周期期间驱动振荡器，例如通过仅每隔一个周期提供驱动脉冲(即以振荡器的谐振频率的一半)来驱动振荡器。因此，在一些实施方案中，调制频率可以等于或至少大致等于谐振频率，或者调制频率可以为谐振频率的整数分之一(integer fraction)。本文中术语大致等于指的是调制频率与谐振频率偏离不大于f/2Q，其中f指谐振频率并且Q为振荡器的品质因数。
为此，在一些实施方案中，激光源系统包括适于使脉动直流的频率与MEMS振荡器的谐振频率匹配的频率控制电路。例如，频率控制电路可以实现锁相环。
现有技术激光器系统的动态拉入不稳定性特别地限制针对电注入VCSEL的调谐范围，在电注入VCSEL中，半导体腔还包括电流注入层和电流限制层。为了在添加电流注入层和电流限制层的情况下保持光学腔长度恒定，可以减小空气间隙。在一些实施方案中，空气间隙的宽度小于激光源的中心波长的一半，例如为中心波长的约四分之一。与具有通常一个λ的空气间隙的现有技术激光器系统相比，通过使用具有1/4λ的空气间隙的设计，自由光谱范围(FSR)可以被增大多于70％。这可以被完成，因为利用具有小于10％的占空比的脉冲致动能够调谐全间隙，并因此能够调谐全光谱范围。
在激光源系统的一些实施方案中，至少在操作中的MEMS振荡器被保持在中真空或低真空下。以这种方式，可以通过降低空气阻力来显著增大MEMS振荡器的品质因数Q。在一些实施方案中，真空具有约200托或更小的压力，例如约150托或更小，或者甚至约100托或更小，和/或压力为约0.0001托或更大，例如0.001托或更大，例如0.1托或更大，例如约0.5托或更大，或者甚至约1托或更大。在这些压力水平处，可以实现合适的机械品质因数Q。另外，例如借助TO罐可以相对简单地实现在这样的水平处的激光源的封装。
在一些实施方案中，电压源被配置成：当第二反射器在朝着第一反射器的方向上经过静止位置时仅施加非零调制电压，例如通过当第二反射器在朝着衬底的方向上经过静止位置时提供脉冲。因此，可以使第二反射器在没有拉入发生的风险下对空隙的基本上整个范围进行扫掠。实现这一点是因为当第二反射器处于不稳定区域中，即具有大于空隙的1/3的偏转时，调制电压被移除。在一些实施方案中，脉冲序列具有小于15％的占空比，例如小于12％，例如小于11％，例如小于10％，例如小于5％，例如小于1％。占空比可以被测量为脉冲持续时间与脉冲周期的比。脉冲持续时间可以被确定为脉冲的半峰全宽(FWHM)。应该理解的是，脉冲序列的脉冲具有不同的脉冲形式，例如矩形、高斯型等。在一些实施方案中，每个脉冲可以在第二反射器经过其静止位置之前开始并且在第二反射器经过其静止位置之后结束。例如，脉冲可以是围绕第二反射器穿过其静止位置的交叉点对称。应该理解的是，脉冲可以相对于经过其静止位置的反射器不对称，并且甚至可以被定时，使得脉冲发生在反射器朝着衬底经过静止位置之前或之后。不管怎样，脉冲序列的相位和占空比优选受控，使得当第二反射器在不稳定区中例如具有大于空隙的1/3的偏移时移除调制电压。
在激光源系统的一些实施方案中，激光源为根据上述实施方案中的任一实施方案的激光源。
在激光源系统的一些实施方案中，通过维持机械振荡的波形来对调制电压进行调制。因此，在一些实施方案中，激光系统包括配置成控制脉冲的宽度和/或幅度的脉冲控制电路使得维持预定幅度的机械振荡。为此，脉冲控制电路可以响应于MEMS振荡器的品质因数和激光源的扫掠带宽至少之一(或指示这些量的一者或更多者的测量参数)来控制脉冲的幅度和/或持续时间。一般地，MEMS振荡器的振荡幅度小于静止间隙宽度。在一些实施方案中，电压源受控使得保持MEMS振荡器以幅度大于静止间隙宽度的50％进行振荡，该幅度例如大于静止间隙宽度的75％、例如大于静止间隙宽度的80％、例如大于静止间隙宽度的90％。
频率控制电路和脉冲控制电路可以作为分立控制电路实现或者可以作为组合控制电路实现。可以通过硬线电路和/或可编程微处理器例如数字信号处理器实现各个控制电路。控制电路可以接收一个或更多个测量的传感器信号并且可以被配置成响应于传感器信号来控制脉冲的频率和/或占空比和/或幅度。传感器信号可以例如指示发射的激光的调谐带宽和/或发射的激光的调谐频率和/或调谐相位。为此，激光源系统可以包括分束器，所述分束器适于将产生的激光的一部分经由色散元件、带通滤波器、或另一合适的光学元件导向光敏传感器或光敏传感器阵列。可替代地或另外地，传感器可以包括变形传感器，例如测量MEMS振荡器的实际变形的光学变形传感器。变形传感器的另一实施例包括可以使用AlGaAs方便地结合入MEMS中的压阻传感器或压电传感器。
根据第三方面，本文公开了使用激光源的方法的实施方案，其中激光源包括垂直腔表面发射激光器VCSEL，所述VCSEL包括第一反射器和微机电系统MEMS第二反射器，所述第二反射器为VCSEL腔的一部分，并且所述第二反射器通过向MEMS施加电压来致动，所述MEMS具有谐振频率，所述方法包括向激光源的MEMS施加来自电压源的调制脉动直流电压以用于致动所述第二反射器的位置，调制电压具有匹配谐振频率的调制频率。
在一些实施方案中，激光源为根据上述实施方案中任一实施方案的激光源，并且电压源为根据上述实施方案中任一实施方案的电压源。
特别地而非排他地，本发明有利于获得扩展的波长调谐范围。特别地而非排他地，本文公开的各个方面的实施方案适于超高分辨率光学相干断层扫描和其中需要关于中心波长的超过10％的相对调谐范围的其他应用。对于具有方形强度谱的扫掠光源，匹配谱域OCT的组织5μm当前轴向分辨率而需要的调谐范围是在850nm中心波长处100nm、在1060nm中心波长处160nm、在1310nm中心波长处240nm。
本文公开的第一方面、第二方面和第三方面的实施方案可以与其他方面的任一方面结合。从下文描述的实施方案中本发明的这些方面和其他方面将是明显的，并且参照下文描述的实施方案来阐述本发明的这些方面和其他方面。
附图说明
现在将参照附图更加详细地描述本文中公开的激光源、激光源系统及使用方法的实施方案。附图和所附说明示出并描述了实现本文公开的各个方面的一种方式并且不被解释为限制落在所附权利要求的范围内的其他可能的实施方案。
图1为激光源的示意性截面图，
图2为VCSEL的第二反射器和MEMS的实施方案的顶视图，
图3示出了作为机械响应的结果的波长变化，其中波长变化为激光源的实施方案的调制频率的函数，
图4示出了激光源的发射光谱，
图5示出了对应于本文公开的激光源的实施方案的计算的反射光谱，
图6示出了针对本文公开的激光源的实施方案计算的折射率和电场曲线，
图7示出了激光装置的实例的示意性框图，以及
图8示出了激光源系统的实例的示意性框图。
具体实施方式
图1中示出了根据本文公开的激光源的实施方案的激光源100的示意性截面图。本文示出的实施方案为垂直腔表面发射型激光器(VCSEL)并且包括以分布式布拉格反射器(DBR)102形式的底(第一)反射器和被空气包围的顶(第二)高折射率对比亚波长光栅(HCG)104。第二反射器通过包括微机电系统(MEMS)的悬挂装置120被弹性地安装到该结构上。通过在兼用作内腔激光器阳极的第一MEMS接触体106与接近第二反射器的第二MEMS接触体108之间施加电压，可以引入用于朝着第一反射器102吸引第二反射器104的静电力。因为静电力可以仅吸引第一反射器并且因而不排斥第一反射器，所以由这两个反射器限定的腔可以通过静态调谐仅被缩短。众所周知，通过静态静电调谐，第二反射器不可以被偏转超过约空气间隙112的距离的约1/3，不会使系统变得不稳定。如果跨过这个限制，可能发生“拉入”，其中第二反射器可能撞进空气间隙的相对表面。这是由于下述事实：在这个1/3位置处，吸引力增加至超过来自悬挂装置的回复力。然而，发明人已经意识到，通过动态地操作激光源可以改善这种限制。第二反射器和悬挂装置一起形成了具有机械谐振频率的MEMS振荡器。通过调整MEMS振荡器以具有适当高的机械品质因数(Q)，第二反射器可以启动绕MEMS的静止位置的基本对称的振荡。这需要在MEMS接触体上以等于谐振频率或者以其他方式匹配谐振频率的调制频率施加调制电压。因此，第二反射器的运动可以用于在振荡期间缩短腔或拉长腔，这进而改变了腔以分别支持较短波长和较长波长两者。
激光器阳极106与激光器阴极109一起使得载流子注入有源区110中，这里有源区为多量子阱(MQW)结构的形式。换句话说，在这个实施方案中，激光器是电泵浦的。然而，在其他的实施方案中，激光源可以是光泵浦的。
图2示出了根据本文公开的激光源的实施方案的VCSEL的顶视图。该实施方案对应于图1中示出的实施方案。可以清楚的看到以HCG 104的形式的第二反射器。另外，悬挂装置120也被显示为四个偏转梁，在HCG的每个侧面一个偏转梁。激光源100被选择为扩展腔设计类型，这是因为该构造在阈值材料增益与调谐效率之间具有最好的权衡。底部n掺杂DBR反射器102具有Al0.9Ga0.1As/GaAs的35个镜对。使DBR反射系数大于顶HCG反射系数以实现顶发射结构。有源区110包括位于1060nm波长的电场的反节点处的ln0.3Ga0.7As MQW。ln0.3Ga0.7As层是高度应变的，并且为了补偿GaAs0.8P0.2被用作势垒层。通过引入氧化物孔114通过氧化55nm Al0.98Ga0.02As层来实现电流限制。发现8μm的氧化物孔114确保单模式操作。适度的p掺杂GaAs电流扩展层116构成pin结二极管的阳极。为了降低高折射率对比半导体向空气界面的寄生反射，使用Al2O3抗反射涂层(ARC)118。通过在处理期间被去除的牺牲层119来限定最终空气间隙112高度。n掺杂的GaAs的最终层构造成HCG反射器，这里，厚度为280nm，周期为460nm并且占空比为0.72。
图3示出了图1和图2的VCSEL的小信号调制响应。用6V的DC偏移叠加3Vpp AC分量来调制MEMS振荡器。看到，对于高达约105Hz的频率，响应基本恒定，其后开始表现出谐振峰130。发现谐振频率为850kHz，并且发现针对这里在大气中操作的振荡器的Q因数为4。相比之下，在部分真空中Q被确定为2490。
图4示出了图1的VCSEL的时间平均的发射光谱。如果使用静态调谐，那么获得了显示与在1069nm处的激光线相对应的单峰140的光谱。然而，如果施加频率为850kHz的7Vpp的调制电压，那么看到这里具有约12nm的光谱宽度的加宽光谱142。如果调制电压增加至10Vpp，那么观测到其中激光源以约24nm扫掠的甚至更宽的光谱144。
图5示出了分别关于30对Al0.9Ga0.1As/GaAs DBR 150和HCG反射器152的计算的反射光谱。两个反射器均与上面关于VCSEL描述的反射器相似。然而，与上面提到的反射器相比，DBR具有较少的对。看到，在40nm的带宽之外，HCG光谱152示出了比DBR更高的反射率。对于沿顶部方向发射光的激光源，第二反射器的反射率必须小于第一反射器的反射率。
图6示出了整个激光源结构的折射率和电场曲线。电场对应于1060nm的波长。看到，为了最大化交叠和因此最大化放大，QW定位成与电场的反节点相对应。当调谐激光源时，电场将改变结构内部的曲线。因此，反节点的位置也将移动，使得对于较短的波长，反节点更靠近第一反射器，而对于较长的波长，反节点更远离第一反射器。在本发明的一个实施方案中，提供不同的波长处的增益的QW被包括在该结构中。在另一实施方案中，对应短波长的QW被放置为最靠近第一反射器，而对应较长波长的QW被放置为更远离第一反射器。
图7示出了激光装置的实施例的示意性框图。总体上表示为700的激光装置包括如本文中描述的激光源100，例如上面结合图1和图2描述的激光源。激光源100被配置成发射激光束704。激光源100被封装在通过基板702形成的壳体内，激光源100被附着在基板702上，具有开口端的屋顶状或杯状盖701被基板702覆盖。盖701包括使得激光束704能够离开壳体的窗口703。基板102和盖(除了窗口)可以由使得在壳体内部保持中真空或低真空并且使得能够消散激光源所生成的热的金属或另一合适的材料制成。窗口703可以由玻璃制成，例如硼玻璃。在一些实施方案中，窗口可以形成为透镜，和/或该装置可以包括一个或更多个附加的光学元件例如透镜。到激光源100的电接触体705可以被引导穿过基板。一般，壳体可以形成为晶体管外形(TO)罐。
组装期间，壳体内部可以被至少部分排空使得提供壳体内部的低真空或中真空。例如，可以保持壳体的内部在约200托或更小的低压下，例如约150托或更小，或者甚至约100托或更小。在一些实施方案中，低压为约0.0001托或更大，例如约0.001托或更大，例如0.1托或更大，例如约0.5托或更大，或者甚至约1托或更大。一般应该理解的是，可以为其他形式的封装，例如晶圆级真空封装。
图8示出了激光源系统的实施例的示意性框图。该激光源系统包括激光装置700，例如结合图7描述的激光装置。该系统还包括脉冲生成电压源810，脉冲生成电压源810连接到激光装置并且可操作为以脉冲序列的形式向激光源装置提供调制电压，以用于以MEMS振荡器的谐振频率驱动激光源的MEMS振荡器。该系统还包括电压控制单元819，电压控制单元819连接到脉冲生成器810并且可操作为控制通过脉冲生成器810生成的脉冲的幅度。该系统还包括频率控制单元818，频率控制单元818连接到脉冲生成器810并且可操作为控制通过脉冲生成器810生成的脉冲的频率。该系统还分别地包括光电二极管815和光电二极管817，分别地包括光学带通滤波器812和光学带通滤波器816，以及分别地包括分束器813和分束器814。分束器813被配置成将来自激光装置的输出光束704的一部分作为诊断光束导向另一分束器814，同时输出光束的其余部分作为激光器系统的输出光束被发射。分束器814将诊断光束分成两个部分诊断光束，其中一个部分诊断光束通过带通滤波器812被导向光电二极管815，而另一部分诊断光束通过带通滤波器816被导向光电二极管817。
带通滤波器812被配置成使仅中心波长λ0周围的小波长范围的光通过。因此，每当MEMS振荡器经过其静止位置时，光电二极管815生成脉冲。来自光电二极管815的脉冲从而反映MEMS振荡器的振荡的频率和相位。脉冲被馈送至频率控制电路818，频率控制电路818基于来自光电二极管815的信号生成触发信号以触发脉冲生成器的脉冲。例如，频率控制电路818可以实现锁相环以控制脉冲序列的频率和相位。
带通滤波器816被配置成仅使从中心波长λ0移位的波长周围的小波长范围通过。因此，每当MEMS振荡器通过给定移位位置时，光电二极管817生成脉冲。通过光电二极管815和光电二极管817生成的脉冲之间的相位差因此为MEMS振荡器在通过其静止位置时的速度的测量。来自光电二极管815和光电二极管817的信号被馈入电压控制电路，该电压控制电路控制通过脉冲生成器810生成的脉冲的脉冲幅度，以保持来自各个光电二极管的脉冲之间的恒定相位差，并且从而使得保持MEMS振荡器以期望幅度的振荡。
因此，通常，激光源系统包括控制电路，该控制电路控制MEMS反射器的振荡频率和/或幅度以及可选地甚至振荡的相位。响应于接收到的检测器信号，控制电路可以控制电压源的操作参数，使得以振荡器的谐振频率驱动振荡器并且使得保持振荡器的期望幅度，即期望扫掠范围。
在一些实施方案中，电压脉冲的幅度被控制为占空比、MEMS振荡器的品质因数Q、和在拉入发生时的临界静态电压VPI的函数。占空比可以被定义为脉冲持续时间τ与脉冲周期T的比。
特别地，当以振荡器的谐振频率来驱动时，电压脉冲的幅度V0可以被确定为：
其中临界静电拉入电压为：
并且其中k为振荡器的弹簧常数，g0为静止间隙宽度，ε为保持在空气间隙中的气体的介电常数，以及A是电容器的电容器面积。优选地，占空比被选择为小于11％。
将理解的是，激光源系统的一些实施方案可以包括附加的或可替代的电路，例如附加的控制电路和/或信号采集和处理电路。例如，激光源系统的实施方案可以包括用于在数据收集过程中对来自自由操作的MEMS振荡器的随时间对波长的非线性扫掠进行补偿的电路。这可以例如通过相对于时间预测量波长来完成，或者通过实现所谓的“k-时钟”即通过法布里伯罗腔或具有小的自由光谱范围的非平衡干涉仪激光器向光电二极管发送激光输出光，并且可以使用这个信号作为用于采集的触发，例如如在R.Huber、M.Wojtkowski、K.Taira、J.Fujimoto和K.Hsu的“Amplified,frequency swept lasers for frequencydomain reflectometry and OCT imaging:design and scaling principles,”Opt.Express第13期，第3513-3528页(2005)中描述的。
总结了本文公开的某些方面：根据一个方面，本文公开了波长可扫掠激光源的实施方案，其中激光源为适于产生在激射波长处的激光的半导体激光源，所述激光源包括：
衬底，
第一反射器，以及
第二反射器，第一反射器与第二反射器一起限定出光学腔，并且被布置为支持在光学腔中在垂直于衬底的方向上沿着光学路径的光振荡，光学腔包括在光学路径上的空隙，
第二反射器通过悬挂装置弹性地悬挂在距第一反射器一定的距离处并且具有静止位置，第二反射器和悬挂装置一起限定微机电MEMS振荡器，MEMS振荡器具有谐振频率并且适于使所述第二反射器在所述静止位置的每一侧振荡，所述激光源还包括：
适于向MEMS振荡器施加电场的电连接。
在激光源的一些实施方案中，第二反射器为亚波长光栅或包括亚波长光栅。
在激光源的一些实施方案中，第二反射器为高折射率对比亚波长光栅HCG或包括高折射率对比亚波长光栅HCG。
在激光源的一些实施方案中，第二反射器为分布式布拉格反射器DBR或包括分布式布拉格反射器DBR。
在激光源的一些实施方案中，激光源包括在腔中光学路径上的抗反射涂层。在一些实施方案中，通过对AlxGa1-xAs层进行氧化来制造抗反射涂层，其中x大于0.7。
在激光源的一些实施方案中，激光源包括在腔的光学路径上的有源区，有源区包括适于具有对应于第一增益波长范围的带隙的至少第一量子阱QW区，第一QW区位于距第一反射器第一距离处。在一些实施方案中，有源区还包括适于具有对应于第二增益波长范围的带隙的第二量子阱QW区，第二QW区位于距第一反射器第二距离处，其中，第二增益波长长于第一增益波长，并且第二距离大于第一距离。在一些实施方案中，激光源支持第一激光模式和第二激光模式，并且其中，第一距离被选择为使得第一QW材料与第一激光模式之间的第一交叠大于第一QW材料与第二激光模式之间的第二交叠。
在激光源的一些实施方案中，MEMS振荡器具有约2或更高、或者约10或更高例如约80或更高的品质因数，和/或其中MEMS振荡器具有约300或更低、或者约200或更低例如约120或更低的品质因数。
在激光源的一些实施方案中，MEMS振荡器至少在操作时保持在中真空或低真空下。
根据另一方面，本文公开了扫掠激光源系统的实施方案，其中该系统包括：
根据前述权利要求中任一项的激光源，以及
适于经由激光源的电连接向MEMS振荡器施加调制电压的电压源，该电压源适于用调制频率来调制所述调制电压，其中调制频率为大致等于谐振频率或基本为谐振频率的谐波。
在激光源系统的一些实施方案中，调制电压为脉动直流DC。
在激光源系统的一些实施方案中，通过维持机械振荡的波形来调制调制电压，并且其中波形为脉冲序列或包括脉冲序列，例如狄拉克δ函数脉冲的序列。
根据又一方面，本文公开了使用激光源的方法的实施方案，其中激光源包括垂直腔表面发射激光器VCSEL，VCSEL包括第一反射器和微机电系统MEMS第二反射器，第二反射器为VCSEL腔的一部分，并且所述第二反射器能够通过施加到MEMS的电压时来致动，MEMS具有谐振频率，该方法包括向激光源的MEMS施加来自电压源的调制电压以用于致动第二反射器的位置，该电压具有基本上等于谐振频率或者为谐振频率的谐波的调制频率。
本文描述的各个方面的实施方案可以被用于许多应用，例如光谱学和光学相干断层扫描(OCT)。特别地，所述实施方案在OCT应用中是有吸引力的，这是因为所述实施方案允许宽调谐范围、单模式操作、以及跨调谐带宽的快速扫掠。另外，所述实施方案允许紧凑设计。
尽管已经与具体的实施方案结合描述了本发明，但是不应该理解为以任何方式限于提出的实施例。通过所附权利要求集合阐述了本发明的范围。在权利要求的上下文中，术语“包括”或“包含”不排除其他可能的元件或步骤。此外，提及的参考例如“一”或“一个”等不应该被理解为排除多个。权利要求中使用的关于在附图中示出的元件的附图标记不应该被理解为限制本发明的范围。另外，在不同的权利要求中提到的单个特征可以有利地结合，以及在不同的权利要求中对这些特征的提及不排除：特征的组合是不可能的并且是有利的。

Claims (22)

1.一种波长可扫掠激光源，其中所述激光源为适于产生在激射波长处的激光的半导体激光源，所述激光源包括：
衬底，
第一反射器，以及
第二反射器，所述第一反射器与所述第二反射器一起限定出光学腔，并且被布置为支持在所述光学腔中在垂直于所述衬底的方向上沿着光学路径的光振荡，所述光学腔包括在所述光学路径上的空隙，
所述第二反射器通过悬挂装置被弹性地悬挂在距所述第一反射器一定的距离处并且具有静止位置，所述第二反射器和所述悬挂装置一起限定微机电MEMS振荡器，所述MEMS振荡器具有谐振频率并且适于使所述第二反射器在所述静止位置的每一侧振荡，所述激光源还包括：
适于向所述MEMS振荡器施加电场的电连接；
其中，所述激光源被封装以保持所述MEMS振荡器至少在操作时处于200托或更小的压力的真空下；
以及其中，所封装的MEMS振荡器的机械品质因数为至少10。
2.根据权利要求1所述的波长可扫掠激光源，还包括电压源，所述电压源连接至电连接，并且被配置成使所述MEMS振荡器与所述第二反射器的所述静止位置相比更靠近所述第一反射器以及更远离所述第一反射器进行扫掠。
3.根据前述权利要求中任一项所述的波长可扫掠激光源，其中，所述MEMS振荡器通过交流(AC)调制电压来驱动。
4.根据权利要求1或2所述的激光源，其中，所述第二反射器为亚波长光栅或包括亚波长光栅。
5.根据权利要求1或2所述的激光源，其中，所述第二反射器为高折射率对比亚波长光栅HCG或包括高折射率对比亚波长光栅HCG。
6.根据权利要求1所述的激光源，其中，所述第二反射器为分布式布拉格反射器DBR或包括分布式布拉格反射器DBR。
7.根据权利要求1或2所述的激光源，其中，所述激光源包括在所述腔中所述光学路径上的抗反射涂层。
8.根据权利要求7所述的激光源，其中，通过对AlxGa1-xAs层进行氧化来制造所述抗反射涂层，其中x大于0.7。
9.根据权利要求1所述的激光源，其中，所述激光源包括在所述腔的所述光学路径上的有源区，所述有源区包括适于具有对应于第一增益波长范围的带隙的至少第一量子阱区，所述第一量子阱区位于距所述第一反射器第一距离处。
10.根据权利要求9所述的激光源，其中，所述有源区还包括适于具有对应于第二增益波长范围的带隙的第二量子阱区，所述第二量子阱区位于距所述第一反射器第二距离处，其中，所述第二增益波长长于所述第一增益波长，并且所述第二距离大于所述第一距离。
11.根据权利要求9至10中任一项所述的激光源，其中，所述激光源支持第一激光模式和第二激光模式，并且其中，所述第一距离选择为使得所述第一量子阱材料与所述第一激光模式之间的第一交叠大于所述第一量子阱材料与所述第二激光模式之间的第二交叠。
12.一种使用根据前述权利要求中任一项所述的激光源的方法，其中，所述激光源包括垂直腔表面发射激光器VCSEL，所述VCSEL包括第一反射器和微机电系统MEMS第二反射器，所述第二反射器为所述VCSEL腔的一部分，并且所述第二反射器能够通过向所述MEMS施加电压来致动，所述MEMS具有谐振频率，所述方法包括向所述激光源的所述MEMS施加来自电压源的调制电压以用于致动所述第二反射器的位置，所述电压具有与所述谐振频率或所述谐振频率的谐波大致相等的调制频率。
13.一种扫掠激光源系统，其中，所述系统包括激光源和电压源，其中，所述激光源为适于产生在激射波长处的激光的半导体激光源，所述激光源包括：
衬底，
第一反射器，以及
第二反射器，所述第一反射器与所述第二反射器一起限定出光学腔，并且被布置为支持在光学腔中在垂直于所述衬底的方向上沿着光学路径的光振荡，所述光学腔包括在光学路径上的空隙，
所述第二反射器通过悬挂装置被弹性地悬挂在距所述第一反射器一定的距离处并且具有静止位置，所述第二反射器和所述悬挂装置一起限定微机电MEMS振荡器，所述MEMS振荡器具有谐振频率并且适于使所述第二反射器在所述静止位置的每一侧振荡，所述激光源还包括：
适于向所述MEMS振荡器施加电场的电连接；
以及其中，所述电压源适于经由所述激光源的所述电连接向所述MEMS振荡器施加脉动直流调制电压。
14.根据权利要求13所述的激光源系统，其中，所述电压源适于以匹配所述谐振频率的调制频率来调制所述调制电压。
15.根据权利要求13或14所述的激光源系统，其中，通过作为脉冲序列的波形或包括脉冲序列的波形来调制所述调制电压。
16.根据权利要求15所述的激光源系统，其中，所述脉冲序列具有小于15％的占空比。
17.根据权利要求13至14中任一项所述的激光源系统，其中，通过维持所述MEMS振荡器的机械振荡的波形来调制所述调制电压。
18.根据权利要求13至14中任一项所述的激光源系统，包括壳体；其中，所述激光源设置在所述壳体内，并且其中，所述壳体能够操作以保持所述壳体内具有200托或更小的压力的真空。
19.根据权利要求13至14中任一项所述的激光源系统，其中，所述脉动直流调制电压被配置为当第二反射器跨过其静止位置并且朝向第一振荡器移动时施予电压脉冲。
20.根据权利要求17所述的激光源系统，包括电压控制电路，所述电压控制电路被配置为控制脉冲的幅度和/或持续时间以维持所述机械振荡。
21.一种使用激光源的方法，其中，所述激光源包括垂直腔表面发射激光器VCSEL，所述VCSEL包括第一反射器和微机电系统MEMS第二反射器，所述第二反射器为所述VCSEL腔的一部分，并且所述第二反射器能够通过向所述MEMS的施加电压来致动，所述MEMS具有谐振频率，
所述方法包括向所述激光源的所述MEMS施加来自电压源的调制脉动直流电压以用于致动所述第二反射器的位置，所述调制电压具有匹配所述谐振频率的调制频率。
22.根据权利要求21所述的方法，包括保持所述MEMS第二反射器至少在操作时处于中真空或低真空下。
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