CN105188540B - 宽范围可调谐扫频源 - Google Patents

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Abstract

一种高速、单模、高功率、可靠且可制造的波长可调谐光源，该波长可调谐光源可操作地发射波长可调谐辐射，所述波长可调谐辐射包含在约950nm与约1150nm之间的波长跨度内的波长范围中，该波长可调谐光源包括竖直腔激光器(VCL)，VCL具有增益区域，所述增益区域包括包含铟、镓和砷的至少一个压缩应变的量子阱。

Description

宽范围可调谐扫频源
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年3月15日提交的当前未决的美国临时专利申请No.61/793,730的优先权，美国临时专利申请No.61/793,730的全部公开内容通过参引并入本文。
联邦政府资助的研究或开发的声明
本发明是在NIH资助R44CA101067和R44EY022864下做出的。美国政府在该发明中享有一定权利。
技术领域
本发明总体上涉及光学相干断层扫描技术和可调谐激光器。
背景技术
光学相干断层扫描技术(OCT)是用于样本的在样本表面下方的高分辨率深度显像的技术。近年来，扫频源光学相干断层扫描技术(SSOCT)具有经证实的优异的成像速度、成像范围和图像质量。SSOCT系统的关键技术元件是波长扫频激光源。已经证实了MEMS可调谐竖直腔激光器(MEMS-VCL)对于在1300nm和1050nm下进行SSOCT是重要关键的波长扫频源，正如例如在(I.Grulkowski,J Liu,B.Potsaid,V.Jayaraman,CD.Lu,J.Jiang,A.E.Cable,J.S.Duker,and J.G.Fujimoto,“Retinal,anterior segment,and full-eye imagingusing ultra-high speed swept source OCT with vertical cavity surface-emittinglasers(使用带竖直腔表面发射激光器的超高速扫频源OCT的视网膜、眼睛前部和全眼成像)”Biomedical Optics Express(生物医学光学快报)，第3卷,第11期,2733-2751页)中描述的。对于商业上可行的SS-OCT系统，基于1050nm VCL的扫频源必须提供基本上在宽的调谐范围内的单一纵向模式、单一横向模式以及单一偏振模式的操作，该扫频源在数百kHz频率内扫频数千亿个循环，为SSOCT成像提供足够的输出功率，并且是可制造的和长期可靠的。
根据前述内容，显然需要的是这样一种MEMS-VCL，该MEMS-VCL在1050nm时满足SS-OCT系统的调谐范围、速度、相干长度、以及输出功率需求，并且是可制造的和长期可靠的。
发明内容
本发明提供了基于可调谐的1050nm的VCL的高速、单模、高功率、可靠且可制造的扫描激光光源的多个优选的、备用可制造的并且可靠的实施方式。
一个实施方式提供了一种波长可调谐光源，所述波长可调谐光源可操作地发射波长可调谐辐射，所述波长可调谐辐射包含在约950nm与约1150nm之间的波长跨度内的波长范围中，所述波长可调谐光源包括竖直腔激光器(VCL)，所述VCL具有增益区域，所述增益区域包括包含铟、镓和砷的至少一个压缩应变的量子阱，所述竖直腔激光器还包括包含第一镜面的第一部分，包含第二镜面的第二部分，所述第二镜面由支撑结构贴附至包含柔性膜的机械结构，在所述第二部分与所述第一部分之间的可调节空气隙，用于将电子和空穴注入所述增益区域的第一装置，用于调节所述空气隙的第二装置，以及用于获得基本上在所述波长可调范围中单纵向模式操作和单横向模式操作的第三装置，其中，所述增益区域的室温光致发光峰值波长大于约20nm并且小于所述波长可调激光器的最大工作波长。
另一个实施方式提供了一种波长可调谐光源，所述波长可调谐光源可操作地发射波长可调谐辐射，所述波长可调谐辐射包含在约950nm与约1150nm之间的波长跨度内的波长范围中，所述波长可调谐光源包括竖直腔激光器(VCL)，所述VCL具有增益区域，所述增益区域包括包含铟、镓和砷的至少一个压缩应变的量子阱，所述竖直腔激光器还包括包含第一镜面的第一部分，包含第二镜面的第二部分，所述第二镜面由支撑结构贴附至包含柔性膜的机械结构，在所述第二部分与所述第一部分之间的可调节空气隙，用于将电子和空穴注入所述增益区域的第一装置，用于调节所述空气隙的第二装置，以及包围所述竖直腔激光器的真空环境。
又一个实施方式提供了一种波长可调谐光源，所述波长可调谐光源可操作地发射波长可调谐辐射，所述波长可调谐辐射包含在约950nm与约1150nm之间的波长跨度内的波长范围中，所述波长可调谐光源包括竖直腔激光器(VCL)，所述VCL具有增益区域，所述增益区域包括包含铟、镓和砷的至少一个压缩应变的量子阱，所述竖直腔激光器还包括包含第一镜面的第一部分，包含第二镜面的第二部分，所述第二镜面由支撑结构贴附至包含柔性膜的机械结构，在所述第二部分与所述第一部分之间的可调节空气隙，用于将电子和空穴注入所述增益区域的第一装置，用于调节所述空气隙的第二装置，以及用于获得基本上在所述波长可调范围中单纵向模式操作和单横向模式操作的第三装置。
再一个实施方式提供了一种波长可调谐光源，所述波长可调谐光源可操作地发射波长可调谐辐射，所述波长可调谐辐射包含在约950nm与约1150nm之间的波长跨度内的波长范围中，所述波长可调谐光源包括竖直腔激光器(VCL)，所述VCL具有增益区域，所述增益区域包括包含铟、镓和砷的至少一个压缩应变的量子阱，所述竖直腔激光器还包括包含第一镜面的第一部分，包含第二镜面的第二部分，所述第二镜面由支撑结构贴附至包含柔性膜的机械结构，在所述第二部分与所述第一部分之间的可调节空气隙，用于将电子和空穴注入所述增益区域的第一装置，用于调节所述空气隙的第二装置，以及用于获得基本上在所述波长可调范围中单纵向模式操作和单横向模式操作的第三装置；所述波长可调谐光源还包括半导体光放大器。
附图说明
图1是根据实施方式的光泵浦MEMS-VCL设备。
图2示出了根据实施方式的MEMS-VCL的顶部镜面光谱。
图3示出了根据实施方式的具有WDM分波的设备。
图4示出了根据实施方式的底部发射设备。
图5示出了根据实施方式的具有偏轴泵浦的设备。
图6示出了根据实施方式的设备的传导带和VCL驻波曲线。
图7示出了根据另一实施方式的设备的传导带和VCL驻波曲线。
图8示出了根据又一实施方式的设备的传导带和VCL驻波曲线。
图9图示了对FSR和理想的零偏置波长的定义。
图10示出了根据实施方式的设备的静态调谐范围和动态调谐范围。
图11是根据实施方式的电泵浦的MEMS-VCL设备的示意图。
图12是根据实施方式的带埋入式隧道结的设备的电泵浦的MEMS-VCL的示意图。
图13是根据另一实施方式的带蒸镀的底部镜面的电泵浦的MEMS-VCL的示意图。
图14示出了根据实施方式的设备的放大前的VCL光谱和放大后的VCL光谱。
图15示出了根据实施方式的脊形波导管式半导体光学放大器设备。
图16示出了根据实施方式的设备的构型、驱动电流、波长轨迹以及多路复用输出与时间。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的高性能、可制造的且可靠的波长扫频源的优选实施方式的示意图。调谐机构和增益介质的设计使得量子阱故障的平均时间在1000小时以上，其中，故障被限定为可实现的调谐范围或输出功率下降10％或更多的时候。对于一些应用，更短的故障的平均时间比如100小时可能是足够的。该扫频源发射包含在约950nm至1150nm范围内的具有平均输出功率和峰值功率波长的波长调谐范围中的波长扫频辐射。光泵浦可调谐MEMS-VCL包括固定的第一部110和可移动的第二部100。尽管所示出的优选调谐机构是MEMS调谐机构，但是其他调谐机构如依赖于使用电阻加热的可膨胀膜的电热致动是可行的。第一部包括InGaAs MQW增益区域120，该InGaAs MQW增益区域120包括至少一个并且理想的为三个压缩应变的铟砷化镓(InGaAs)量子肼并且具有GaAs层，GaAs层吸收来自光泵浦激光源125的泵浦辐射。InGaAs量子肼可以包括用于增强增益带宽的两个量子状态。光泵浦激光源125的波长在约750nm至870nm波长范围内，优选在约850nm，并且用于将空穴和电子注入增益区域120以使得能够发射激光。第一部110还包括底部镜面130，底部镜面130是通过对GaAs/AlAs交替叠层的横向氧化形成的完全氧化的GaAs/AlxOy镜面。该镜面的低折射率部也可以通过对Al(x)Ga(l-x)As的氧化而形成，其中，x优选地大于0.9。该镜面的高折射率部也不需要是GaAs而可以是AlGaAs。可移动的第二部100包括顶部悬挂的介质镜面140，该介质镜面140通过空气隙150从第一部110分开。在第一部110与空气隙150之间的界面处的抗反射(AR)涂层160抑制了不想要的反射并且展宽了激光调谐范围。介质镜面140理想地由四分之一波长叠层的二氧化硅(SiO2)和五氧化二钽(Ta2O5)形成，然而Ta2O5可以被钛、铌、铪的氧化物，硅或VCSEL设计和制造领域的普通技术人员公知的许多其他高折射率的材料所取代。介质镜面还被弯曲成提供利于高功率单模操作的半对称腔。介质镜面坐置在优选为氮化硅的膜170上，并且通过优选为锗的支承结构185支承在其端部上。该支承结构理想上为用作牺牲层的相同材料以底切膜170。用于支承结构的其他备选材料包括硅、聚酰亚胺、感光树脂或SU-8。氮化硅薄膜的使用提供了可以承受超过一兆次的弯曲的非常可靠的膜，这正是许多高速SS-OCT系统中所需求的。理想的支承结构可以通过干气如二氟化氙或氧气而不是湿式化学蚀刻进行底切(undercut)。底切气体基本上不应该蚀刻VCL结构的其他元件。湿式化学蚀刻的牺牲层的使用必须进行临界点干燥，这使加工、切片、封装的设备复杂化。例如，优选的是在对牺牲层进行底切之前将VCL的处理过的晶片切片成单个VCL，由此使得该结构在处理时保持结实。在需要临界点干燥的情况下对牺牲层进行晶片级切割是非常困难的。
氮化硅膜170理想上与介质镜面构成整体，并且实际上形成介质镜面的第一层。另外，悬挂的介质镜面140的横向长度165小于膜170的横向长度155。这减少了MEMS致动器的质量，并且增加了谐振频率。氮化硅厚度理想上为在波长范围的中心处的奇数个四分之一波长，优选地为3/4波长厚。可调谐VCL输出180(1060nm可调谐的发射)由半导体光放大器190放大，以生成可以用于多种应用如光学相干断层扫描技术和光学相干光谱分析技术的高功率波长可调谐辐射195。对波长的调谐通过调节空气隙150而实现，理想的是通过在图1中的MEMS结构中的电极之间施加电压而实现。如图1中所示的精心设计的结构需要小于约100V的最大调谐电压。
由于宽的镜面带宽，图1中的VCL的镜面选择利于宽的调谐。其他镜面组合也是可行的，如使用更标准的Al(xl)Ga(l-xl)As/Al(x2)Ga(l-x2)作为半导体镜面，其中，x1和x2在0与1之间，代替完全氧化镜面。理想的是产出的悬挂的镜面被设计成具有对于调谐范围的99.0％至99.9％之间的反射率，并且固定的镜面具有大于99.9％的反射率。另一种较优选的镜面实现方式是对于悬挂的镜面的高对比度光栅(HCG)。
光泵浦源125对图1中的VCL的高效光耦合需要顶部介质镜面140具有在泵浦波长处的清楚明显的光谱。图2中示出了示例光谱。镜面设计由10.25个周期的Si02/Ta205的四分之一波长叠层在3/4波长的SiN膜上组成，其中，顶层为Si02的1/8波长层。该1/8波长层使850nm泵浦波长的光谱平坦化。
对图1中的激光源的一个必要的需求是分离来自在950nm至1150nm范围内的想要的发射的泵浦光。这可以由如图3中的WDM耦合器实现，其中，输入光纤200为WDM耦合器220引入850nm的泵浦光，而输出光纤210从可调谐VCL 240带出可调谐的1050nm的发射。光纤230将入射850nm的泵浦光引导至可调谐VCL 240，并且从可调谐VCL 240引导向外的1050nm的VCL发射，该可调谐VCL 240坐置在GaAs基板250上。在图4中的替选分离方法中，VCL 240被配置成底部发射，并且GaAs基板250吸收850nm的泵浦辐射同时使仅可调谐的1050nm VCL发射通过。在图5中的另一个实施方式中，可调谐VCL 240沿着与可调谐VCL的光学轴260不同的轴被泵浦。
图1中的结构的许多特征利于低噪声单模操作。首先，使用单个横向和纵向模式泵浦激光利于单个横向模式操作和相对低强度噪声二者。将泵浦束仔细对齐至VCL的最低的次序的横向模式位置也是至关重要的，以确保很好地抑制理想上为大于45dB的较高横向模式。这种抑制对于维持SSOCT成像的长相干长度并且避免假的图像扫描线是重要的。合适地控制半对称腔弯曲程度在约0.5mm至3mm范围内并且控制空气隙在约0.7um至1.8um的范围内也利于单横向模式操作。通过从靠近腔的自由光谱范围(FSR)的边缘的包裹式的点的边缘离开来保证单纵向操作。下面在图9的辅助下进一步讨论和描述了FSR。理想的激光的调谐范围应当小于FSR的约95％，以利于单纵向模式操作。
图1还示出了GaAs基板175的背面上的金属层198。如果金属是钛、铬或铂，那么金属层不需要电触点，但是利于低的背面反射。需要低的背面反射以使得能够对输出的功率谱在具有至少约1％的周期性纹波的调谐范围内进行调谐。该纹波是随着激光被调谐由对于底部镜面130进入和射出周期的基板反射引起的。还通过利用具有在约30um至约120um范围内的粒度尺寸的盖面纸或溶液覆盖基板175的背面来减少纹波。另外，通过增加GaAs-AlxOy镜面的反射率来实现减少纹波。如果理论上无损的镜面反射率被增加至约99.95％以上，则基板发射变得较不严重，然而背面覆盖通常仍然是必需的。理论上无损的反射率指的是在假定镜面层中零损耗的情况下所计算的反射率。该反射率通过使用GaAs-AlxOy镜面的六个或更多个周期而获得。由于各向异性应变的引入，完全氧化的镜面还利于以不变的偏振态进行操作。
图1中的优选实施方式的许多附加特征提升高性能、可靠性及可制造性。首先，增益区域被设计成量子阱具有基本上小于激光的最大工作波长的室温光致发光(RTPL)峰值波长。例如，如果图1中的激光的波长调谐范围在1000nm至1100nm内，则RTPL峰值可以被缩短成1020nm。这降低了量子阱中所需的应变并且提升可靠性。量子阱应变应当在约1％至1.8％的范围内。通常，使RTPL峰值比激光的最大工作波长小至少20nm会提高设备的可靠性，并且RTPL峰值波长越小，设备越可靠。
图1中所示的波长扫频源的调谐范围以及在图11至图13中的后续的电泵浦实施方式中的波长扫频源的调谐范围在很大程度上视VCL的调谐范围而定。VCL的调谐范围由具有大的自由光谱范围(FSR)的细腔被最大化，因为最大调谐范围是FSR。FSR被计算如下：△λ＝λ2/2Leff，其中，Leff是空气中的有效腔长度，说明了设备中的镜面的反射率以及穿透能力。如图9中所示，这是纵向腔模式之间的波长间距。关于在眼科SSOCT中的用途，对于具有约100nm的调谐范围的高分辨率成像，FSR理想上是大于100nm，但是超过70nm或40nm的FSR也可以提供用于在例如较大成像范围内的低分辨率成像的有用的设备。
图9还示出了由虚线所示的优选的零偏置波长370。在MEMS结构中，零偏置波长的理想位置是到达一个FSR的左边缘360，因为施加较小的偏置会使模式调谐更短并且包裹到FSR的较长的边缘380。这使得能够在调谐中获取完全的FSR。如果零偏置位置370更靠近右边缘380，则完全调谐将难以实现，因为在MEMS结构中施加电压通常只会缩短空气隙。如果零偏压波长靠近右边缘380，则需要过高的高电压以包裹至下一个FSR。这样的电压很可能会超过设备的骤停电压。请注意，在动态重复扫频操作的过程中可以通过惯性弹回设备的之前的零偏置波长，并且以这种方式获取比零偏置波长更长的波长。然而，这对于SS-OCT成像不是优选的。
获取完全调谐范围还需要适当地设计初始空气隙。由于覆盖一个FSR需要等于波长的一半或者靠近1060nm约0.53um的膜挠度，并且因为通过在MEMS结构中的骤停来禁止大于总空气隙的三分之一的静态挠度，所以理想的空气隙应当超过三个半波长或者约1.6um。在SSOCT系统的实际应用中，在动态操作过程中完成调谐，其中，可以越过骤停。因此，在两个或三个半波长范围内的空气隙足够保证以数百千赫兹的频率在动态操作过程中完全调谐，而没有骤停问题。图10示出了在1050nm的VCL中静态调谐和动态调谐的示例，其中，100nm的动态调谐范围超过90nm的动态调谐范围。
针对激光器腔中的光驻波在腔内布置量子阱也提升性能和可靠性。图6至图8示出了对图1的结构中的量子阱布置的三个优选设计。在这些图中水平轴是沿着VCL腔的光传播轴的距离。每个图的顶部表明了在示出量子阱和吸收器位置的结构中的材料的传导带。每个图的底部表明了在每个结构中内腔辐射的驻波。在图6中，多量子阱区域300中的三个量子阱与光学腔中的驻波图案310中的三个单独的最大值对齐。在该周期性增益结构中，不仅增益针对远离驻波峰值的量子阱布置被增强，而且量子阱被充分分离使得量子阱关于应变积累被减弱。这指的是量子阱的总应变厚度结果会超过受限于200埃百分比的正常应变厚度结果。还示出了具有约0.45微米的厚度的吸收区域315，这导致对850nm泵浦功率的大于40％的吸收。大量的吸收发生在量子阱的GaAs屏障305中，并且仅少量的吸收发生在量子阱中。所有光致电子和空穴扩散到量子阱300中，因此吸收的泵浦光被有效地转变成可调谐VCL光。
图7示出了另一个优选的MQW实施方式。本文中，MQW区域320中的三个量子阱都与VCL光学腔内部的驻波图案330的单个驻波峰值对齐。在此情况下，提供了拉伸应变的GaAsP应变补偿的屏障，以对压缩应变的InGaAs量子阱进行补偿。图7中的实施方式的优点是可以减小腔厚度，产生较大的腔自由光谱范围和较宽的调谐。缺点是厚度减小的吸收区域335具有约0.1um的厚度，使得所需要的泵浦功率增加。这里，显著的吸收发生在该结构的量子阱和屏障中。
图8示出了第三个优选布置，其中，MQW区域340中的两组两个量子阱与光驻波图案350的两个驻波峰值对齐。这里，使用了具有约0.3um的厚度的吸收器355，产生泵浦吸收与宽的自由光谱范围之间的折中方法。该结构还使用了拉伸应变GaAsP屏障。
通过限制对VCL所存在的泵浦功率也可以提升图1中示出的VCL的可靠操作。0.3mW至30mW范围的吸收功率对于维持可靠操作是优选的，并且小于约15mW的吸收泵浦功率是理想的。
图11示出了根据本发明的波长扫频源的另一个优选实施方式。在该图中，通过电泵浦电流而不是光泵浦将电子和空穴提供给增益区域。底部MEM触点400还用作将电流注入量子阱的顶部触点。触点400将电子注入到n型区域410中，n型区域410通过n+/p+隧道结420将电子转换成p型区域430中的空穴，n+/p+隧道结420优选为n+GaAs/p+GaAs。与n层410的接触使得电流能够有效地侧向扩散并且提升单模操作。p型区域430包含由AlGaAs的侧向氧化形成的电流压缩氧化孔径(oxide aperture)440。载流子从区域430通过电流孔径440注入由GaAsP屏障460和InGaAs多量子阱(MQW)450组成的增益区域中。在包括绝缘AlxOy层的完全氧化镜面500周围，带相反电荷的载流子从基板触点470通过GaAs基板480和GaAs覆盖层490注入MQW中。在该结构中，隧道结420优选地被布置在腔内部的光驻波图案中的节点处，以降低在高度掺杂区域中自由载流子损耗的敏感度。另外，将氧化孔径440靠近节点布置提升单模操作，因为这降低氧化物的波导限制。
部分地由完全氧化镜面的各向异性应变提供对该结构的极化控制，但是进一步地可以通过在悬挂的DBR的顶部或底部引入一个或更多个纳米线485或次波长光栅475来提供极化选择。这些方式也可以在光泵浦结构如图1中的结构中使用。在电泵浦结构中，先前的工作者使用了在固定的波长结构中非对称的电流注入，这也可以在本文中的电泵浦可调谐VCL中使用。
图12在示出了备用的优选泵浦实施方式，其中，由受限的侧向延伸的埋入式隧道结510代替图11中的氧化孔径440来提供压缩。埋入式隧道结具有下述优点：埋入式隧道结被光刻限定并且因此比氧化孔径440更可控制，氧化孔径440由氧化时间和温度限定，但是具有需要再生长步骤以埋置隧道结的缺点。理想的是，埋入式隧道结510与驻波节点对齐，以使自由载流子损耗最小化。
图13示出了电泵浦VCL的第三优选实施方式，其中，由通过基板通孔530被蒸镀的蒸镀镜面520代替完全氧化镜面500。蒸镀镜面的优选实施方式是氟化铝和硫化锌的四分之一波长叠层，由金属层如金终结。其他高指数对比度宽带宽蒸镀的叠层包括其他氟化物如氟化镁作为低指数层。
图1、图11至图13中所示出的电泵浦实施方式和光泵浦实施方式都包括半导体光放大器(SOA)，以放大由VCL发射的可调谐辐射。不是对于所有应用对需要SOA，但是在需要一定波长范围内的高平均功率的大部分扫频源OCT应用中需要SOA。该SOA的设计对于性能、可靠性以及可制造性是至关重要的。图14示出了SOA增益饱和如何针对放大前的VCL发射的半高全宽(FWHM)610提供放大后的VCL辐射的改进的半高全宽(FWHM)600。该光谱的峰值波长也从放大前的峰值波长620移位到放大后的峰值波长630。该移位对于许多应用也是有利的。
优选的SOA使用具有在约1％至1.8％范围内的应变水平的压缩应变的InGaAs量子阱。优选的SOA也是极性敏感的，仅对一个极性进行放大。备用的较优选实现方式使用InGaAs量子点放大器。一个优选的设计使用具有两个InGaAs量子阱的脊形波导管设计，在具有小于25度的FWHM垂直光束散射角的波导管中InGaAs量子阱带有拉伸应变的GaAsP屏障，如图15中的示例散射角。散射角被限定为由放大器在作为超辐射发光二极管工作时所发射的放大自发发射的角度。低散射角提高了SOA的光纤耦合效率和芯片间增益。通过使用两个量子阱也有助于提高增益。对于一些应用，可以使用单个量子阱以提供较小的增益，并且具有一个量子阱应变补偿是不必要的。在使用InGaAs的所有应变QW SOA中，优选的量子阱宽度在5nm至10nm范围内。由较细的量子阱提高可靠性，但是在约8nm至10nm的宽度范围内的量子阱中出现的第二量子状态提高了增益带宽。也可以通过使量子阱的室温光致发光(RTPL)波长最小化来提高可靠性，其中，室温光致发光波长在约1050nm至1085nm的波长范围内可以提供高可靠性，室温光致发光波长在约980nm至约1120nm的波长范围内可以提供高增益。
在InGaAs量子阱SOA设计中的另一个因素是在不牺牲可靠性的情况下提供高增益。这需要以合适范围的设备长度和工作电流进行工作。理想的是，设备长度应当在约1.2mm至约2.0mm之间，并且驱动电流应当在约200mA至约700mA之间。这使得输出功率为10mW至30mW以及输入功率为0.3mW至3mW。
在上述图1、图11至图13中的波长扫频源的设计中另一个考虑是调谐的速度。许多设计选择提高了MEMS可调谐结构中的调谐速度。一种设计选择是使用SiN膜170中的应变。拉伸应变大于100MPa是优选的，并且提供了相对于零应变膜显著增加的机械谐振。拉伸应变大于400MPa产生非常高的谐振，谐振接近500kHz并且在几何状况下更高。还可以使用压缩应变，但是拉伸应变能够进行更好的波长控制。应变的膜还能够通过牺牲层底切的量来控制零偏置波长。零偏置波长是牺牲底切的量的函数，这使得能够在制造时进行零偏置波长调节。将增加的应变与小的几何形状结合可以增加MEMS机械谐振超过1MHz。重要的谐振范围是10kHz、100kHz、200kHz、400kHz及l MHz。这些都可以通过控制几何形状和应变而实现。图1中的结构示出了三个支撑臂，但是，对于各种应用，两个、四个或八个支撑臂也是可取的。具有多个支撑臂的中心板的基本几何形状可以被改变成穿孔横板，其中限制臂长度为零并且在中心板中引入穿孔。
除了机械谐振，可以通过使用由粘性空气引入的挤压薄膜阻尼使MEMS结构的频率响应平坦化。这可以通过调节背景气体或压力并且通过控制中心板面积和臂面积来进行控制。通常，增加的压力、更重的气体以及更宽的臂/板会增加阻尼和平坦化的频率响应。使用这些参数，可以实现及其接近的阻尼操作。在一些应用中，真空中的非常欠阻尼的谐振操作是可取的，因为这将所需的电压降低至通常小于10V用于完全调谐。可以由蝶型封装件或者晶体管外形(TO)封装件提供真空环境。
还可以通过引入一根或更多根延时线和复用时间延时的输出来增大图1、图11至图13中的电泵浦扫频源和光泵浦扫频源的速度。图16中示出了使扫频速率加倍的关于一根延时线的扫频源的示例。图16C中所示出的具有第一波长重复周期700的电泵浦VCL输出被分离成第一光路径710和第二时间延时的光路径720。如图16A中所示，路径720延时了半个重复周期。如图16C中所示，对波长进行双向扫描，但是在向后扫频期间如图16B中所示通过关断驱动电流730来关断VCSEL。图16D中示出了包含VCL输出和延时的输出二者的多路复用输出。在空置的向后扫频期间插入复制件，从而导致具有重复周期740并且具有近乎100％占空因数的最后的单向扫描，其中，重复周期740是重复周期700的一半(重复频率的两倍)。图16中的技术可以被扩展成N条延时线，具有最后的多路复用扫描，该多路复用扫描具有为初始的VCL扫频的重复频率的N倍的重复频率。
本文所描述的波长扫频光源应用于对人眼的扫频源OCT(SSOCT)成像。单模式操作保证超过100mm的长相干长度，使整个眼睛成像能够包括眼睛前部层和视网膜层二者。
虽然本文所描述的发明着重于950nm至1150nm窗,但是所讨论的多种设计原理能够应用于其他波长范围。另外，针对电泵浦的设备所描述的许多设计原理能够应用于光泵浦的设备，反之，针对光泵浦的设备所描述的许多设计原理也能够应用于电泵浦的设备。虽然参考本发明的优选的和备用的实施方式具体示出并且描述了本发明，但是本领域普通技术人员应当理解的是，在不背离由所附权利要求所限定的本发明的精神与范围的情况下，可以对本发明做出形式及细节上的各种改变。

Claims (46)

1.一种波长可调谐光源，所述波长可调谐光源可操作地发射波长可调谐辐射，所述波长可调谐辐射包含在950nm与1150nm之间的波长跨度内的波长范围中，所述波长可调谐光源包括竖直腔激光器VCL，所述VCL具有增益区域(120)，所述增益区域(120)包括含有铟、镓和砷的至少一个压缩应变的量子阱，所述竖直腔激光器还包括包含第一镜面(130)的第一部分(110)，包含第二镜面(140)的第二部分(100)，所述第二镜面(140)由支撑结构(185)贴附至包含柔性膜(170)的机械结构，在所述第二部分(100)与所述第一部分(110)之间的可调节空气隙(150)，用于将电子和空穴注入所述增益区域的第一装置，用于调节所述空气隙的第二装置，以及用于获得基本上在所述波长范围中单纵向模式操作和单横向模式操作的第三装置，其中，所述增益区域的室温光致发光峰值波长比所述可调激光器的最大工作波长小50nm以上。
2.根据权利要求1所述的波长可调谐光源，其中，所述增益区域的室温光致发光峰值波长比所述可调激光器的最大工作波长小70nm以上。
3.根据权利要求1所述的波长可调谐光源，其中，所述第一镜面包括包含第一Al(xl)Ga(l-xl)As层和第二Al(x2)Ga(l-x2)As层的交替叠层，其中xl和x2在0至1的范围内。
4.根据权利要求1所述的波长可调谐光源，其中，所述第一镜面包括包含第一材料和第二材料的交替叠层，所述第一材料包含铝和氧并且所述第二材料为Al(x)Ga(l-x)As，其中x在0至1的范围内。
5.一种波长可调谐光源，所述波长可调谐光源可操作地发射波长可调谐辐射，所述波长可调谐辐射包含在950nm与1150nm之间的波长跨度内的波长范围中，所述波长可调谐光源包括竖直腔激光器VCL，所述VCL具有VCL增益区域(120)，所述VCL增益区域(120)包括包含铟、镓和砷的至少一个压缩应变的量子阱，所述竖直腔激光器还包括包含第一镜面(130)的第一部分(110)，包含第二镜面(140)的第二部分(100)，所述第二镜面(140)由支撑结构(185)贴附至包含柔性膜(170)的机械结构，在所述第二部分(100)与所述第一部分(110)之间的可调节空气隙(150)，用于将电子和空穴注入所述增益区域的第一装置，用于调节所述空气隙的第二装置，以及用于获得基本上在所述波长范围中单纵向模式操作和单横向模式操作的第三装置，所述波长可调谐光源还包括半导体光放大器SOA，所述半导体光放大器包括包含铟、镓和砷的至少一个SOA量子阱，所述至少一个SOA量子阱具有在1050nm至1085nm范围内的室温光致发光波长，其中，所述增益区域的室温光致发光峰值波长比所述可调激光器的最大工作波长小50nm以上。
6.根据权利要求5所述的波长可调谐光源，其中，所述半导体光放大器包括包含铟、镓和砷的仅一个压缩应变的SOA量子阱。
7.根据权利要求5所述的波长可调谐光源，其中，所述至少一个SOA量子阱的厚度在5nm至10nm的范围内。
8.根据权利要求5所述的波长可调谐光源，其中，所述半导体光放大器包括具有至少一个拉伸应变的屏障的仅两个SOA量子阱。
9.根据权利要求5所述的波长可调谐光源，其中，所述至少一个SOA量子阱包括两个受限量子态。
10.根据权利要求5所述的波长可调谐光源，其中，所述半导体光放大器的垂直光束散射角小于25度半高全宽。
11.根据权利要求5所述的波长可调谐光源，其中，所述第一镜面包括包含第一Al(xl)Ga(l-xl)As层和第二Al(x2)Ga(l-x2)As层的交替叠层，其中xl和x2在0至1的范围内。
12.根据权利要求5所述的波长可调谐光源，其中，所述第一镜面包括包含第一材料和第二材料的交替叠层，所述第一材料包含铝和氧并且所述第二材料为Al(x)Ga(l-x)As，其中x在0至1的范围内。
13.一种波长可调谐光源，所述波长可调谐光源可操作地发射波长可调谐辐射，所述波长可调谐辐射包含在950nm与1150nm之间的波长跨度内的波长范围中，所述波长可调谐光源包括竖直腔激光器VCL，所述VCL具有增益区域(120)，所述增益区域(120)包括包含铟、镓和砷的至少一个压缩应变的量子阱，所述竖直腔激光器还包括包含第一镜面(130)的第一部分(110)，包含第二镜面(140)的第二部分(100)，所述第二镜面(140)由支撑结构(185)贴附至包含柔性膜(170)的机械结构，在所述第二部分(100)与所述第一部分(110)之间的可调节空气隙(150)，用于将电子和空穴注入所述增益区域的第一装置，用于调节所述空气隙的第二装置，以及包围所述竖直腔激光器的真空环境，其中，所述增益区域的室温光致发光峰值波长比所述可调激光器的最大工作波长小50nm以上。
14.根据权利要求13所述的波长可调谐光源，其中，所述真空环境由真空蝶型封装件提供。
15.根据权利要求13所述的波长可调谐光源，其中，所述真空环境由真空晶体管外形(TO)封装件提供。
16.根据权利要求13所述的波长可调谐光源，其中，所述波长范围按所述机械结构的机械谐振频率被重复扫描。
17.根据权利要求13所述的波长可调谐光源，其中，所述波长范围被小于10V的最大电压覆盖。
18.一种波长可调谐光源，所述波长可调谐光源可操作地发射波长可调谐辐射，所述波长可调谐辐射包含在950nm与1150nm之间的波长跨度内的波长范围中，所述波长可调谐光源包括竖直腔激光器VCL，所述VCL具有增益区域(120)，所述增益区域(120)包括包含铟、镓和砷的至少一个压缩应变的量子阱，所述竖直腔激光器还包括包含第一镜面(130)的第一部分(110)，包含第二镜面(140)的第二部分(100)，所述第二镜面(140)由支撑结构(185)贴附至包含柔性膜(170)的机械结构，在所述第二部分(100)与所述第一部分(110)之间的可调节空气隙(150)，用于将电子和空穴电注入至所述增益区域的第一装置，用于调节所述空气隙的第二装置，以及用于获得基本上在所述波长范围中单纵向模式操作和单横向模式操作的第三装置，其中，所述增益区域的室温光致发光峰值波长比所述可调激光器的最大工作波长小50nm以上。
19.根据权利要求18所述的波长可调谐光源，还包括用于限制电流注入至孔径的第四装置。
20.根据权利要求19所述的波长可调谐光源，其中，所述第四装置包括氧化孔径。
21.根据权利要求19所述的波长可调谐光源，其中，所述第四装置包括埋入式隧道结。
22.根据权利要求19所述的波长可调谐光源，还包括在所述孔径之上的n型电流扩散层。
23.根据权利要求21所述的波长可调谐光源，其中，所述隧道结基本上与所述VCL腔中的驻波曲线中的最小值对齐。
24.根据权利要求20所述的波长可调谐光源，其中，所述氧化孔径基本上与所述VCL中的驻波曲线中的最小值对齐。
25.根据权利要求18所述的波长可调谐光源，其中，所述第一镜面包括包含第一Al(xl)Ga(l-xl)As层和第二Al(x2)Ga(l-x2)As层的交替叠层，其中xl和x2在0至1的范围内。
26.根据权利要求18所述的波长可调谐光源，其中，所述第一镜面包括包含第一材料和第二材料的交替叠层，所述第一材料包含铝和氧并且所述第二材料为Al(x)Ga(l-x)As，其中x在0至1的范围内。
27.根据权利要求18所述的波长可调谐光源，其中，电荷围绕包括铝和氧的至少一个绝缘层行进至基板触点。
28.根据权利要求18所述的波长可调谐光源，还包括包含铟、镓、砷的仅三个压缩应变的量子阱以及包括镓、砷和磷的至少一个拉伸应变的屏障。
29.根据权利要求1所述的波长可调谐光源，其中，所述VCL由周期性地调节所述空气隙的周期性可调谐波形驱动，以使得所述波长可调谐辐射具有按第一波长重复频率和第一波长重复周期随时间变化的周期性波长变化量，所述波长可调谐光源还包括用于产生所述波长可调谐辐射的至少一个延时复制的至少一个光延时线，用于将所有所述延时复制组合至共用光学路径中以创建多路复用波长扫频辐射的组合器，以及用于在所述第一波长重复周期的时窗期间关闭所述VCL的第五装置，其中，所述多路复用波长扫频辐射具有为所述第一波长重复频率整数倍的第二波长重复频率。
30.根据权利要求29所述的波长可调谐光源，其中，所述第五装置包括在电泵浦的VCL中改变驱动电流。
31.一种用于光学相干断层扫描技术的系统，所述系统包括至少一个权利要求1所述的波长可调谐光源，其中，所述VCL由周期性地调节所述空气隙的周期性可调谐波形驱动，以使得所述波长可调谐辐射在所述波长范围内被重复调谐，所述系统还包括用于将所述波长可调谐辐射分离成样本和参考路径的分离器，用于检测来自所述样本的映像与通过所述参考路径的光之间的干扰信号的光辐射检测器，以及用于根据所述干扰信号构建图像的信号处理系统。
32.根据权利要求31所述的系统，其中，所述样本是活体人眼。
33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述图像包括眼睛前部和视网膜二者的一部分。
34.根据权利要求31所述的系统，其中，波长扫频辐射的动态相干长度超过100mm。
35.一种用于光学相干断层扫描技术的系统，所述系统包括至少一个权利要求5所述的波长可调谐光源，其中，所述VCL由周期性地调节所述空气隙的周期性可调谐波形驱动，以使得所述波长可调谐辐射在所述波长范围内被重复调谐，所述系统还包括用于将所述波长可调谐辐射分离成样本和参考路径的分离器，用于检测来自所述样本的映像与通过所述参考路径的光之间的干扰信号的光辐射检测器，以及用于根据所述干扰信号构建图像的信号处理系统。
36.根据权利要求35所述的系统，其中，所述样本是活体人眼。
37.根据权利要求36所述的系统，其中，所述图像包括眼睛前部和视网膜二者的一部分。
38.根据权利要求35所述的系统，其中，波长扫频辐射的动态相干长度超过100mm。
39.一种用于光学相干断层扫描技术的系统，所述系统包括至少一个权利要求13所述的波长可调谐光源，其中，所述VCL由周期性地调节所述空气隙的周期性可调谐波形驱动，以使得所述波长可调谐辐射在所述波长范围内被重复调谐，所述系统还包括用于将所述波长可调谐辐射分离成样本和参考路径的分离器，用于检测来自所述样本的映像与通过所述参考路径的光之间的干扰信号的光辐射检测器，以及用于根据所述干扰信号构建图像的信号处理系统。
40.根据权利要求39所述的系统，其中，所述样本是活体人眼。
41.根据权利要求40所述的系统，其中，所述图像包括眼睛前部和视网膜二者的一部分。
42.根据权利要求39所述的系统，其中，波长扫频辐射的动态相干长度超过100mm。
43.一种用于光学相干断层扫描技术的系统，所述系统包括至少一个权利要求18所述的波长可调谐光源，其中，所述VCL由周期性地调节所述空气隙的周期性可调谐波形驱动，以使得所述波长可调谐辐射在所述波长范围内被重复调谐，所述系统还包括用于将所述波长可调谐辐射分离成样本和参考路径的分离器，用于检测来自所述样本的映像与通过所述参考路径的光之间的干扰信号的光辐射检测器，以及用于根据所述干扰信号构建图像的信号处理系统。
44.根据权利要求43所述的系统，其中，所述样本是活体人眼。
45.根据权利要求44所述的系统，其中，所述图像包括眼睛前部和视网膜二者的一部分。
46.根据权利要求43所述的系统，其中，波长扫频辐射的动态相干长度超过100mm。
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