CN104718673A - 可调谐短腔激光器传感器 - Google Patents

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Abstract

一种采用可调谐源的光学系统，其中该可调谐源包括具有大自由光谱范围的腔体、快速调谐响应以及单横和单纵模操作的短腔激光器。一种具有优化扫描的用于光谱学的系统，一种用于光束控制的系统以及用于可调谐本地振荡器的系统。

Description

可调谐短腔激光器传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年7月27日提交的未决的美国临时专利申请N0.61/676712的权益。美国临时专利申请61/676712的公开内容以引用形式并入本文。
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、放大可调谐激光器、快速调谐激光器以及由这些装置使能的光学系统。
背景技术
广泛而快速的可调谐激光器对于很多探测、通信、测量、医疗、样本改进以及成像系统是重要的。例如，扫频光学相干层析(SSOCT)采用重复扫频可调谐激光器，以产生宽范围的材料的下层面微结构图像。在SS-OCT中，宽调谐范围转化为更高的轴向测量分辨率，而更高的调谐速度可实现实时采集大数据集合。此外，可变的调谐速度可根据不同应用的需要权衡成像距离和分辨率。最后，等同于窄线宽的长相干长度可实现长成像距离。需要迅速并宽范围可调谐激光器的系统的另一例子为瞬态气体光谱，例如(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))所描述。在气体光谱中，调谐速度可表征时变过程，如在发动机测温应用中。窄光谱宽度可解析窄吸收特征，如发生在低气体温度的吸收特征。其它瞬态光谱的应用包括爆炸物监测或其它非重复的处理过程。
除宽频调谐和长相干长度以外，用于多种应用的可调谐激光器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，增加调谐速度能够对时变的生理过程进行成像，以及对更大的数据集进行实时体积成像。同样对于SS-OCT，调谐速度的可变性使得单个设备中能够实现高速高分辨率短程成像和低速低分辨率的长距离成像之间切换，这例如在眼科成像中具有明显的实用性，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))所描述。以类似的方式，光谱学及其他检测应用受益于高速和可变速度。
宽范围可调谐激光器的进一步的理想属性包括高输出功率、中心波长灵活性、光谱成型输出、单片且低成本制作以及与阵列技术兼容。几乎对于每个应用而言，高功率增加了信噪比。在更多范围的应用中，中心波长灵活性转化为更显著的实用性。光谱形状输出也增加了信噪比，并且改进热量管理。整体式、制作低成本具有明显的优势，而阵列技术简化了多资源复用的应用。
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检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/秒的光学相干断层技术成像的单向扫描激光源”，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/以每秒100000-400000的轴向扫描的傅立叶域OCT视网膜和前眼段成像”，光学快报，18(19)，20029-20048(2010))中描述。SGDBR激光器的操作在(Derickson，D.，“用于OCT分辨率增强的使用了取样光栅分布布拉格反射激光二极管光源的频率斜坡高速级联”，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，因此是非低成本的器件或不兼容阵列制造。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，“用于频域反射和OCT成像的放大、扫频激光器：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可用的波长处操作。其次，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。因为FDML激光器采用无损调谐方式，相对于外腔和FDML激光器，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。
上述与上文中FDML、ECTL以及SGDBR有关的问题，都是现有技术中公知的绝大多数的可调谐激光器会遇到的代表性问题。
MEMS-可调谐垂直腔体激光器(MEMS-VCSELs)为上述问题提供了潜在的技术方案。MEMS-VCSELs的短腔导致了较大的纵向模间隔，并且相对不受跳模的影响。MEMS-VCSELs只需要一个调谐电极在整个调谐范围内扫频单个模，从而为具有最小测量伪像的长SS-OCT成像距离以及快速调谐提供了保证。该短腔及小质量的MEMS反射镜为超高速提供了可能。MEMS-VCSEL技术还可以扩展到很多其他资源难以访问的各种各样的波长范围，使它们适用于其他类型的光谱、诊断以及检测系统。将MEMS-VCSEL应用到SS-OCT成像首先由美国专利7468997首次描述。如美国专利7468997所讨论，MEMS-VCSEL为宽调谐范围提供了可能。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，“长波长可调谐垂直腔面发射激光器的超过65纳米调谐的完整偏振模式控制，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，“采用单模1310nm的具有>100nm调谐范围的MEMS可调VCSEL，高达760kHz轴向扫描速度的OCT成像”，CLEO：2011-激光科学光子应用，2pp.-2pp.2pp.(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。
通过上述描述可以清楚地得出，需要一种具有3维腔体和材料设计的宽范围可调谐短腔激光器(tunable short cavity laser，或TSCL)，用于优化在SSOCT成像系统、光谱检测系统以及其他类型的光学系统中的性能和可靠性。
发明内容
本文提供了包括短腔激光器的可调谐源的多个优选实施例，用于优化在SSOCT成像系统、光谱检测系统以及其他类型的光学系统中的性能和可靠性。本文提供了一种具有大自由光谱范围的腔体、快速调谐响应以及单横、纵和偏振模操作的短腔激光器。本发明的技术包括快速宽频调谐，以及优化的光谱成形的实施例。在带有用于优化宽频调谐、高输出功率以及多种优选波长范围的反射镜和增益区的MEMS-VCSEL几何结构中，优选的实施例都包含电力和光学的泵浦(pumping)。其他优选实施例包括半导体光放大器，与短腔激光器结合，产生高能量的光谱形状操作。多个优选成像和检测系统实施例利用可调谐资源，用于优化操作。
在一实施例中，提供了一种用于光谱探测样本的光学系统，所述系统包括可调谐激光器以及检测装置；其中所述可调谐激光器可在一具有中心波长的发射波长范围发射可调谐辐射，具有波长范围内的输出功率谱以及平均发射功率，所述可调谐激光器包括：包括第一和第二反射镜的光学腔体、插入到第一和第二反射镜的增益区、调谐区，以及用于调节所述调谐区的光学路径长度的装置；其中，所述光学腔体的自由光谱长度(FSR)超出所述中心波长的5％；所述可调谐激光器在其波长范围内基本在单纵和单横模操作；所述调节光学路径长度的装置具有6-dB带宽的波长调谐频率响应，大于约1kHz。
在另一实施例中，提供了一种用于光束控制的系统，所述系统包括可调谐激光器以及将波长变化转换为射束偏转的装置；其中所述可调谐激光器可在一具有中心波长的发射波长范围发射可调谐辐射，所述波长范围内输出功率谱以及平均发射功率，所述可调谐激光器包括：包括第一和第二反射镜的光学腔体、插入到第一和第二反射镜的增益区、调谐区，以及用于调节所述调谐区的光学路径长度的装置；其中，所述光学腔体的自由光谱长度(FSR)超出所述中心波长的5％；所述可调谐激光器在其波长范围内基本在单纵和单横模操作；所述调节光学路径长度的装置具有6-dB带宽的波长调谐频率响应，大于约1kHz。
在另一实施例中，提供了一种快速调谐的振荡器，包括可调谐激光器；第二激光器；以及在从可调谐激光器产生的辐射和从所述第二激光器产生的辐射之间产生差拍信号的装置；其中所述可调谐激光器可在一具有中心波长的发射波长范围发射可调谐辐射，具有所述波长范围内的输出功率谱以及平均发射功率，所述可调谐激光器包括：包括第一和第二反射镜的光学腔体、插入到第一和第二反射镜的增益区、调谐区，以及用于调节所述调谐区的光学路径长度的装置；其中，所述光学腔体的自由光谱长度(FSR)超出所述中心波长的5％；所述可调谐激光器在其波长范围内基本在单纵和单横模操作；所述装置具有6-dB带宽的波长调谐频率响应，大于约1kHz。
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(rolloff)所获得的测量的动态相干长度；
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附近进行操作的可调谐短腔激光器的MEMS-VCSEL具体实现；
图8示出了在所述腔的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曲线图；
图9示出了图7中所示的所述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形状；
图13示出了为获得完全氧化反射镜而从2个蚀刻孔开始的氧化；
图14示出了配置为在1050nm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，其输出被耦合到同步调谐的滤光片；
图18示出了在激光器和放大器之间具有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个放大级和在所述级之间具有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附近进行操作的宽范围可调谐短腔激光器的各种输出功率频谱；
图23示出了在1060nm附近进行操作的宽范围可调谐短腔激光器的MEMS-VCSEL具体实现；
图24示出了图23中所述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具体实现；
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
根据本发明思想的示例性实施例的说明意在结合附图进行理解，其中附图作为整个书面说明书的一部分。在本文中公开的对本发明的实施例的说明中，任何对方向或方位的引用都仅是为了方便描述，而绝不是意在以任何方式限制本发明的保护范围。相对术语，如“较低”、“较高”、“水平的”、“垂直的”、上方的”、“下方的”、“上升的”、“下降的”、“顶部”和“底部”及其衍生词(如“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应该理解为相对于当时描述，或者正在讨论的附图所示的方位。这些相对术语仅是为了方便描述，并不要求该装置以特定方位构造或者操作，除非有明确说明。术语，如“附加”、“贴附”、“连接”、“结合”、“互连”及类似术语表示一种关系，其中结构直接或间接地通过干涉装置彼此固定或连接，以及两者移动或固定连接或关系，除非另有明确说明。此外，本发明的特征和有益效果是通过引用示例性实施例进行描述的。因此非常明显，本发明不受示例性实施例的限制，其描述一些可能的非限制性的特征组合，这些特征组合可单独存在或者与其他特征组合；本发明的保护范围由权利要求限定。
本发明描述了执行本发明的可以预想到的最好的一种或多种模式。该描述不应从限制的意义上去理解，而是提供本发明的示例，结合附图仅作描述目的，使本领域技术人员理解本发明的益处和结构。在不同的视图中，相同的附图标记表示相同或者类似的部分。
图1-3所示为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包括增益区110和调谐区120，两者置于第一镜130和第二镜140之间。对于激光领域技术人员众所周知，支持激光操作的能量可以通过光或电泵浦的方式供给到增益区。还可以使用临近一个镜的导热散热层150，优选为金属，如金、金锡、铟或者含有焊料的铟，从而增加该可调谐短腔激光器的平均输出功率。例如对于在GaAs基质上的垂直腔体激光器，可以蚀刻基质通孔直至到第二反射镜上，使得在该反射镜上，热传导层可以通过基质通孔进行沉积。
参考图1，对调谐区域的有效光路径长度的调节可以调整激光器的波长。激光器穿过第一反射镜发射可调谐波长的辐射。图2所示为典型的发射功率谱200，它是作为波长函数发射的功率。该光谱表示可调谐发射的波长范围以及每个波长的强度。该波长可调谐发射覆盖的波长发射范围210具有中心波长220。在图1所示的优选实施例中，调谐区具有可调的气隙，但是其他的实施例，如可以通过调节折射率改变光路径的液晶或半导体，也是可行的。
图1所示的短腔可调谐激光器的优选实施例为垂直腔体激光器(VCL)，但是可以应用其他实施例，包括但并不限于短腔边缘发射激光器。垂直腔体激光器领域技术人员众所周知，VCL可以整体的一维和二维阵列制造，这对于需要多重光源的光学系统而言是有益的。现代晶圆级光学制造技术将提供这种激光发射器以及光学部件的阵列的精确定位，其将支持由这些阵列制造光学仪器。
应用于本实施例的短腔造成了大的自由光谱区(FSR)，自由光谱区与腔体长度成反比。本实施例公开了一种FSR，在本发明中，如图2所示，该FSR大于中心波长的5％。如图3所示，自由光谱范围被定义为由图1中的层限定的光学腔的，在激光振荡方向上的，传输峰值间的、或纵模间的距离。可调谐激光的最大连续无跳模单模调谐范围由FSR限制。因此，可以预期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所述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所述FSR，但FSR代表上限。
在一优选实施例中，在增益区和调谐区之间置有抗反射涂层，从而抑制设备上的反射并扩展调谐范围。在优选情况下，当调谐区域是空气，而增益区为半导体时，该抗反射涂层可以是四分之一波长材料，如氮化硅或氧氮化硅。
图1还示出了可以弯曲以形成半对称腔的顶部反射镜130，如在(Tayebati，P.、Wang,P.和Vakhshoori，D.等的“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，所述曲面镜进一步促进单横向模式操作，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，随后将所述形状图案转移到底层材料来形成，正如在(Strzelecka，E.M.，Robinson，G.D.和Coldren,L.A等，“在半导体中，通过在反应离子蚀刻中进行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。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，沉积所述顶部反射镜并且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的曲率为这些气体的比值的函数，并且可以通过简单最优化这个比值来调整。
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。对于气隙调谐区，利用由InP基材料组成的半导体增益区在1310nm附近操作的情况下，增益区厚度的典型尺寸约为1微米，气隙厚度约为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。
根据实施例的由短腔激光器获得的单纵向和单横向模式操作使能具有非常长的动态相干长度的光源。本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，其中所述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所述相干长度大于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，有利的是减小相干长度，以消除来自光学系统不需要的反射中的干扰。相干长度可以通过将噪声波形添加到所述调谐区，或通过幅度或相位调制所述源来调整。外部装置可以包括例如临时扩散器(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大约超过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带宽使本发明区别于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，“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。在所述调谐区为气隙的优选情况下，所述气隙可通过基于MEMS的致动器进行调谐，所述致动器通过静电力来缩短所述气隙。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，“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能够以从DC到>1MHz的频率范围进行重复地扫描操作。这也使能了在各种扫描速度的非重复的波长调谐。改变一个激光源中所述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，其中每个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，使得在成像分辨率和成像范围，与成像速度之间进行权衡。
尽管MEMS调谐的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，并且与增益区1130和底部反射镜1140通过气隙1120分隔。第一反射镜1110通过压电控制改变气隙1120的调谐区来相对于增益区1130移动，由此改变激光波长。在这种结构中，所述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。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冲程调谐机制和较快的小冲程调谐机制的组合。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。
可以用多种波形驱动所述调谐区，以生成多种随时间的波长轨迹，其从用于多种应用的短腔激光器输出。例如，可以用具有基频的重复波形驱动所述调谐区，以生成波长-时间的周期性变化，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-时间曲线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，以应对所述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，其是否改变半导体或液晶的物理路径长度或改变折射率，施加于所述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。以举例的方式，使用非常小质量的基于MEMS的调谐元件减小了在连续扫描和非连续扫描两者中扫描所述激光波长所需的功率。使用MEMS调谐元件将需要非常小电流消耗的驱动电压。
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，其中有益的是在例如爆炸，化学反应，或生物事件的事件之后不久，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，因此由不感兴趣的较大区域分隔的许多感兴趣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，其中所述大区域以高速进行扫描。在MEMS调谐的优选情况下，许多新的操作模式通过使用允许所述激光器调谐速度迅速加速和减速的、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所述调谐元件，导致相对于本发明的小质量的MEMS元件，响应时间慢。在根据本发明的一个实施例中，所述非常低质量的调谐元件允许更大灵活性的操作参数，例如，所述激光器如何快速地响应于外部事件，以及激光器在所述波长区域内调谐，作为外部事件结果。当期望将所述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。
具有跨越广泛适应性调谐配置的所述激光器调谐允许调整激光器的性能以满足许多应用的要求。以举例的方式，在一种应用中，如果所述激光器被用于测量依赖于光学元件的波长，理想地按时间线性地扫描所述激光的波长，在其它应用中，当所述激光器被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，理想地按光学频率线性地扫描所述激光器。
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，根据当前区域的所述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原子参考基准，这有利于静态操作。替代地，所述波长可被首先锁定到原子参考基准，然后使用另一元件从所述参考基准偏置来测量所述偏置距离，例如具有已知干涉条纹间距的法布里-珀罗或马赫-曾德耳干涉仪。闭环控制还有利于动态操作的。
图6示出了根据本发明的闭环控制的优选实施例。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所述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，则可以使用所述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(啁啾)线性化”)。当驱动调谐区域的速度正好低于固有谐振时，其可能会产生可变性，闭环控制特别地有用。例如，具有500kHz谐振的MEMS致动器在100kHz处被驱动，这可能容易变化，而用闭环控制具有表现更良好的调谐。
图7示出了根据本发明的实施例构造为以1310nm进行操作的短腔激光器的优选实施例的若干细节，以及图9和10展示了图7中实现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，意思是说以与所述衬底相反的方向。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。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)”的“1550nm高对比度光栅VCSEL,”)中所描述的，所述DBR优选同时用于两个反射镜。
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来形成，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明显地使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时不吸收，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Cd S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，在至少中心波长10％的范围内，如可通过反射镜设计的本领域技术人员计算出来，理论上无损反射率超过99.5％。
图7的实施方式使用MEMS致动器来控制气隙调谐区域的厚度，以将所述器件的输出波长控制在1310nm的范围内。施加在致动器的触点730、740之间的电压缩短所述气隙并且将所述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是悬挂的顶部反射镜720。将电介质薄膜760的顶部金属化，以允许通过所述致动器触点730、740施加静电力。所述薄膜本身是透明的，运行在所述悬挂的反射镜下面并且与所述悬挂的反射镜集成，以及对所述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，所述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。理想的氮化硅具有约100至约1000MPa的或其范围内的拉伸应力。这个范围的应力导致所述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的调谐，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，配置为在1310nm进行操作。因此，本配置使用在所述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。由于所述底部完全氧化的GaAs/AlxOy的反射镜生长在GaAs上，而不是在InP上，所述基于InP的MQW区域必须通过晶片键合工艺接合到基于GaAs的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。所述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。然而所述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顺序的主要步骤。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衬底上外延生长的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所述MQW和反射镜结构。键合之后，通过使用停止于InGaAs蚀刻停止层上的基于HCL的蚀刻，在第二步骤2520中去除所述InP衬底。然后通过基于硫酸的蚀刻来去除所述蚀刻停止层。
在第三系列的步骤2530中，沉积和图案化所述底部MEMS触点和抗反射涂层，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触点以促进随后步骤中锗的粘合。将AlAs氧化转化为AlxOy以建立具有6或7个周期的高度反射镜。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示出了在第五系列步骤2550中，如何在所述锗牺牲层上沉积和图案化所述氮化硅薄膜层、顶部致动器触点和顶部悬挂反射镜。所述顶部接触层优选铝。
在第六步骤2560中，使用二氟化氙(XeF2)气体来释放所述锗牺牲层，以在所述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所示与所述顶部和底部的致动器金属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，优选的是在释放所述锗薄膜之前，将器件切分并且引线键合到子基板，用于封装。
图7优选实施例中的所述增益区域的设计对器件的性能非常重要。在所述结构被光学泵浦的情况下，所述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，量子阱之间的宽的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 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，并且它们之间的所述区域由基本上与InP晶格匹配的AlInGaAs和吸收传入泵浦辐射的组合物构成。因此，所述增益区与所述吸收区域分隔，在所述吸收区域中的光生载流子扩散到增益区。可选地，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。由于可能只在所述量子阱中发生吸收，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泵浦功率，但是将提供更宽的调谐范围。图7的一个实现，在单个驻波波峰使用3个量子阱使能接近1310处具有161nm FSR的结构，代表12.3％的中心波长，正如图9中的所述调谐结果。对于本器件，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的。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。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跨越150nm的径距的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。大的FSR是理想的，不仅作为增加所述激光器的调谐范围的方式，也可作为降低所述激光器的占空因数的方式，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，如果所述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所述激光器自动地关闭，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。
当需要在非常宽的调谐范围内(>10％的中心波长)维持发射激光时，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所述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，其特征在于在发射激光操作期间，在所述反射镜之间形成的光学驻波的最大值的数目。图9的结果由在所述底部反射镜和所述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。所述腔厚度进一步减小到低于5个驻波最大值可能会导致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设计的例子中，沿着所述激光振荡轴折射率-深度的变化。图8左侧的周期性结构表示所述被完全氧化的反射镜，以及图8右侧的周期性结构表示包括所述氮化硅薄膜的较厚的第一层的悬挂的电介质反射镜。图8也示出了在所述反射镜之间的MQW增益区域和气隙调谐区域。
在前文中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横跨所述1150-2500nm波长范围内，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示出了类似图7的MEMS的可调谐的VCSEL，但是替代配置为在大约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。在所述底部反射镜的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，由于在所述增益区域中的压缩应变的InGaAs量子阱可外延生长在所述相同的GaAs衬底上，作为所述完全氧化的反射镜。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，以达到在大约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，周期性增益可以被用在图23的所述结构中。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，其中所述GaAs势垒吸收所述泵浦辐射并生成电子和扩散到所述量子阱内的孔。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所述调谐结果在图24中示出，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中的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，表明其作为远离所述主峰1-3nm的肩部，其通常位于所述主峰之下>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的半对称腔的所述光轴对准，横模抑制在所述调谐范围可被提高到大于45dB。
在图7、9、23和24中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、连续波操作的基于GaSb的VCSEL的有源区域的分子束外延生长”)中的固定波长VCSEL已经完成的。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。
用于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，在其中光泵浦为激光发射提供能量，正如许多例子中已经讨论的。对于在550-700nm范围内的操作，所述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。值得注意的是通过所述顶部反射镜进行泵浦通常是有利的，正如在图24的所述1050nm MEMSVCSEL中所表示的。还可能围绕所述反射镜侧面泵浦，但是通过所述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，所述底部MEMS触点2740还用作所述顶部激光二极管接触件。在光学泵浦的结构中，光载流子的限制是由所述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通常由在所述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的结合使能了所述结构的电泵浦。电流传导始于所述中间的MEMS触点2740，经由电流光圈2720，然后围绕所述底部反射镜的完全氧化区域，至背部衬底触点2750。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。
对于许多感兴趣的应用，理想的是控制由所述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所述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，人们可以在所述波长范围内限定目标频谱形状或功率变化，并调整获得所述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示出了通过调整所述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、波峰在所述蓝色边缘的功率和波峰在所述红色边缘的功率。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，动态地控制进入所述增益区域中的所述泵浦能量。在由光学泵浦的器件的情况下，这可控制进入所述器件的泵浦能量，以及在由电泵浦器件的情况下，将控制所述驱动电流。所述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，可实施所述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，优选为100-1000MPa的拉伸应力，以相对于无应力设计提供明显增加的谐振频率，以及在释放时最小化所述薄膜的弯曲。通过谐振频率，我们指的是所述器件的最低阶机械模式，其对应于所述致动器的期望的“活塞”运动。这是所述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的所述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形状采样的图片。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示出了应用于所述MEMS致动气隙调谐机制的作为驱动频率函数的MEMS-VCSEL波长的调谐。如图所示，所述谐振频率是在约200kHz到大约500kHz的范围内，以及最快器件的6dB带宽接近1MHz。
图中还示出了通过在谐振时改变波峰的数量表现的所述致动器阻尼的变化。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。随着所述致动器面积增大或所述气隙减少时，所述挤压膜阻尼上升，展平了所述频率响应。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气隙调整器件，例如压电驱动器件中查看。通常，可以通过各种方法来控制MEMS致动器的阻尼，包括改变所述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来进一步改变挤压膜阻尼的贡献、改变所述气隙厚度，以及改变在所述致动器中孔或穿孔的大小从而改变穿过该孔的液体流动状态(从湍流状态改变到非湍流状态)。另外，对所述致动器进行退火可以改变所述致动器中各种材料的应力，这将对阻尼产生影响。
图10表示的频率响应具有代表性而不是限制。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，或缩短的臂来加强所述薄膜，从而增加所述谐振频率，使得可获得超过2MHz的6-dB带宽，正如由有限元建模领域的本领域技术人员所计算的。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。值得注意的也可能是其他几何形状，例如可降低谐振频率的螺旋臂几何形状，或不具有明确轮廓界定的(delineated)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，我们获得了没有明确轮廓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。在所述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中的所述调谐结果表明调谐所述器件所需要的电压，突出表示在所述光谱旁边。对于在FSR内的全调谐,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。这些电压与上面指出的MEMS致动器的尺寸、氮化硅的应力水平相关，以及参考图10和12，与在约1.6μm的范围内的标称零电压气隙相关。
还值得注意的是可使用比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。
本发明的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，图2中示出，理想的是所述强度-波长曲线与周期变化无关。本发明描述了一种具有小于大约1％的平均功率的纹波(ripple)的短腔可调谐激光器。术语“纹波”通常用来描述这些变化。根据这个纹波的频谱，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纹波可以本身表现为在SSOCT图像中位于表观距离的虚拟反射镜。纹波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，来自下面所述第二反射镜的反射，例如来自在其上设置器件的所述GaAs衬底770的底部，可引起纹波。所述衬底反射振幅可以通过各种方式抑制，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纹波抑制到<1％的等级。
本发明的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所述腔中。如果在所述光学系统中与任何偏振感应部件协作，如与偏振选择光放大器协作，则以单个偏振状态的操作是重要的。这样的系统也可以使用与偏振保持光纤结合的根据本发明实施例的偏振稳定器件。所述辐射波长范围内的偏振切换(polarizations switching)可导致SSOCT系统中的功率衰落(power dropouts)和图像伪影，并且危及动态相干长度。具有良好限定的偏振状态，也将允许构造需要交替的偏振状态的激光器系统。
所述器件的整个调谐范围的单个偏振状态的操作可以多种方式实现。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。对于图7，纳米线可在所述光程的中心，被设置在邻近所述可调谐气隙的MQW增益区780的顶部。可替代地，它可以被布置在所述悬挂反射镜的顶部。纳米线是可能导致光的偏振相关的散射或吸收的元件。典型的尺寸可以是50nm宽，若干微米长和10nm厚。所述纳米线可由金属构成或者可以简单地是折射率扰动。典型地沿着所述纳米线的长度方向偏振的光，对比沿垂直于所述纳米线偏振的光，与不同的强度进行相互作用。由于对应模式选择，激光腔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。使用网格的纳米线产生更大的各向异性损耗，但同时也增加了所述优选偏振的损耗。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的所述半导体的晶轴对准。这通常意指[110]方向或垂直于[110]方向，对应在(100)朝向或接近(100)朝向上生长的晶片。这样做的原因是，存在弱偏振选择效应以沿着所述晶轴之一对准所述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“在跨越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的所述完全氧化的反射镜，正如相对于图13所描述的。如图13所示，从2个蚀刻孔1320向外开始氧化1310，以及在所述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，其可以选择所述VCSEL的偏振。只要所述孔与所述晶轴对准，图13的所述折射率纳米线将与所述晶轴对准。
偏振控制的进一步增强可以在晶片键合器件中，通过在所述键合工艺期间，确保所述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所述效应，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的可调谐激光源。在所述激光器为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驱动为具有在它们调谐范围内的双向调谐，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，在所述落后的波长期间，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),如此只有半波长扫描的往前或前部在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所述激光，而不必关闭所述泵浦能量。
所述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。以这种方式，所述扫描速率已经乘以系数2。同样的原理可以应用于N个激光器和所述扫描速率与系数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中的技术人员显而易见的一个或多个目的。
因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附近窗口进行操作的镨掺杂光纤放大器；用于在1050nm附近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，替代关闭到所述光源的所述泵浦能量。
图15中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。本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。所述放大器放大了所述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，所述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。所述饱和状态能抑制存在于所述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，在所述频谱成形中的输出可调谐辐射的半峰全宽(FWHM)可超过所述输出可调谐辐射的FWHM。图21示出了一个例子，其中放大的可调谐光谱2110具有比来自所述可调谐短腔激光器的所述输入可调谐辐射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，这可作为如上所述的门通(gate on)和门闭(gate off)的门器件的开关。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所述光谱的较短端部的隆起1610。本放大式自发射(ASE)的3-dB的频谱宽度为110nm，这表明类似值的3dB小信号增益带宽。
所述半导体光学放大器可以通过使用所有压缩应变或拉伸应变的量子阱，配置为偏振感应的，或在单个结构中通过同时使用两种类型的应力，配置为非偏振感应的，以在所有偏振提供增益。
在优选的配置中，所述输入可调谐辐射的中心波长比由所述放大器发射的放大式自发射(ASE)的中心波长长。所述放大器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所述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相对于所述输入功率谱的对准可提供有利的频谱成形。
图15的基本配置可增强多种形式的滤波，以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的抑制和在边模抑制的改善。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“MEMS可调谐垂直腔的SOA”)所描述的垂直腔放大器，其仅在波长的窄带进行放大，并且与所述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所述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噪声并且改善所述放大可调谐辐射的信噪比，其中所述滤光片的通带一直与所述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，以改善放大之前所述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、1920。这些可以实现为2个独立的放大器或者具有分离的放大器触点的单个波导放大器。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被移位。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被布置在所述2个放大级2010和2020之间。这将有助于提供输出可调谐辐射的改善的信噪比。
在大多数实用感兴趣的情况中，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。
与放大器结合的所述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量子阱的大约800-1100nm范围内进行操作。
在本发明中描述的可调谐短腔激光器在多数光学系统中有效用，其中一些在前述的说明书中已被简要地提及。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。
用于光学光谱的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的系统。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。
可以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(impinge)，所述检测器输出将在所述2个激光束的光学频率差处振动，其前提是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定程度上的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 (9)

1.一种用于样本光谱探测的光学系统，所述系统包括：
可调谐激光器(100)；以及
检测装置；
其中所述可调谐激光器用于在一发射波长范围(210)内发射可调谐辐射，该发射波长范围(210)具有中心波长(220)，以及在所述发射波长范围内的输出功率谱(200)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(130、140)的光学腔体；
插入在所述第一和第二反射镜(130、140)之间的增益区(110)；
调谐区(120)；以及
用于调节所述调谐区的光学路径长度的装置；
其中：
所述光学腔体的自由光谱范围(FSR)超出所述中心波长的5％；
所述可调谐激光器在所述波长范围内基本以单纵或单横模的方式操作；并且
所述调节光学路径长度的装置的波长调谐频率响应为6-dB带宽，大于约1kHz。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述波长范围由驱动波形的应用扫描，响应非重复性外部事件。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述波长范围由驱动波形的应用扫描，响应外部触发器。
4.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述外部事件为爆炸、化学反应以及生物事件中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述波长范围由任意波形扫描，其中该任意波形优化为最大化在光谱特征的任意间隔序列中的信噪比。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其中利用可调谐激光器的调谐灵敏性来扫描所述波长范围的信息丰富的区域，从而在最小化测量时间的同时提高信噪比。
7.一种光束控制系统，所述系统包括：
可调谐激光器(100)；以及
将波长变化转化为射束偏转的装置；
其中所述可调谐激光器用于在一发射波长范围(210)内发射可调谐辐射，该发射波长范围(210)具有中心波长(220)，以及在所述发射波长范围内的输出功率谱(200)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学腔体；
插入在所述第一和第二反射镜(130、140)之间的增益区(110)；
调谐区(120)；以及
用于调节所述调谐区的光学路径长度的装置；
其中：
所述光学腔体的自由光谱范围(FSR)超出所述中心波长的5％；
所述可调谐激光器在所述波长范围内基本以单纵和单横模的方式操作；并且
所述调节光学路径长度的装置的波长调谐频率响应为6-dB带宽，大于约1kHz。
8.根据权利要求7所述的系统，其中将波长变化转化为射束偏转的装置包括色散元件中的至少一种，该色散元件包括光栅和棱镜。
9.一种快速调谐振荡器，包括：
可调谐激光器(100)；
第二激光器；以及
在所述可调谐激光器产生的辐射和所述第二激光器产生的辐射之间产生差拍信号的装置；
其中所述可调谐激光器用于在一发射波长范围(210)内发射可调谐辐射，该发射波长范围(210)具有中心波长(220)，以及在所述发射波长范围内的输出功率谱(200)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学腔体；
插入在所述第一和第二反射镜(130、140)之间的增益区(110)；
调谐区(120)；以及
用于调节所述调谐区的光学路径长度的装置；
其中：
所述光学腔体的自由光谱范围(FSR)超出所述中心波长的5％；
所述可调谐激光器在所述波长范围内基本以单纵和单横模的方式操作；并且
所述装置的波长调谐频率响应为6-dB带宽，大于约1kHz。
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