CN112075000B - 广泛可调谐激光器及其激光器系统的波长确定 - Google Patents

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Abstract

可以用基于光子集成电路技术的基于固态激光器的光子系统以及诸如广泛可调谐外腔激光器和系统之类的分立台式系统，来实现用于广泛可调谐激光器及其系统的波长确定的方法。该方法允许集成的波长控制，无需外部波长监测仪器即可立即进行系统波长校准。使用用作波长标准具的具有良好定义的透射或反射功能的基于单片固态的光腔，实现波长确定。固态标准具可与波长移位跟踪组件(例如，非平衡干涉仪)一起使用，以在一个波长掠扫内校准整个激光发射调谐曲线。该方法对于基于游标滤波器机制的集成光子系统特别有用，其中起始波长不是预先知道的，或者对于紧凑的广泛可调谐外腔激光器，无需经由外部仪器校准波长。

Description

广泛可调谐激光器及其激光器系统的波长确定
相关申请
本申请要求2018年2月2日提交的美国临时申请序列No.62/625,696的优先权权益，该申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明的实施例涉及基于半导体的广泛可调谐激光器及其激光器系统的波长确定和自动校准，所述激光器及其激光器系统诸如是基于分立的光学元件和半导体增益介质的外腔激光器或者基于光子集成电路技术的外腔激光器。通过组合使用具有良好定义的透射或反射功能的集成固态源标准具(etalon)结合相对波长调谐方向监测来执行精确的波长确定，从而允许在一个波长掠扫(sweep)期间自动校准系统发射波长。本发明的实施例对于光谱感测、光学相干断层扫描、LIDAR、安全面部识别等中的应用特别有用。
背景技术
可以通过许多方式实现基于半导体激光器的广泛可调谐激光器，诸如将基于半导体的增益芯片嵌入到外腔配置中(参见美国专利公开No.2007/0047599A1、US2006/0193354A1和US2003/0016707A1，以及美国专利No.6,327,036和6,714,309)、在一个芯片中以单片方式实现腔体和调谐部分(参见美国专利No.6,728,279)、或基于芯片的组合实现广泛可调谐激光器，诸如将III-V半导体增益芯片与可基于绝缘体上硅、氮化硅或绝缘体上锗和其它材料平台的硅光子集成电路(Si PIC)相结合(参见R.Wang等人，Sensors 17，1788，2017；R.Wang等人；Optics Express 24(25)，28977-28986，2016；以及H.Lin等人；Nanophotonics，第7卷，第2期，(2017)第393-420页；以及WO2018/215388。这些出版物中的每一个均通过引用整体并入本文。
在非单片广泛可调谐激光器概念(诸如基于梅特卡夫-利特曼(Metcalf-Littman)或利特罗(Littrow)配置的外腔激光二极管)的情况下，绝对波长控制通常是在参考用外部仪器(诸如光谱仪或光谱分析仪)测量的输出波长后通过校准机械的马达位置来实现的。这种方法的缺点是波长校准的执行需要外部仪器。其它方法包括使用复杂的和/或笨重的标准具，诸如滤波器、气室或电子可调光栅，以及锁定到法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔。
发明内容
根据本发明的实施例，全固态设备使得能够进行绝对波长参考和波长跟踪。该设备可以包括广泛可调谐激光器、诸如干涉仪之类的波长移位跟踪设备，以及诸如偏移分布式布拉格(Bragg)反射器或任何光腔之类的标准具。光束的一部分被分开并穿过波长移位跟踪设备和固态标准具。各个探测器用于记录在波长移位跟踪设备和固态标准具的输出处的信号。由于标准具的独特、特定于波长的透射/反射功能，因此一旦激光波长被调谐到标准具的特定波长，标准具处的输出信号便会提供独特的信号(或者高或者低)。同时，以非平衡干涉仪形式的波长移位跟踪设备的输出记录作为时间的函数的振荡周期信号。信号的周期与干涉仪臂之间的光束路径差直接相关，因此提供了关于波长随时间移位的信息。结合从标准具输出的读数，可以重建整个激光调谐曲线，从而在掠扫期间的任何时刻提供绝对波长信息。
这种配置允许在任何外腔激光器的波长掠扫期间进行简单、低成本且几乎无需维护的波长校准。独特且明确的调制曲线可以用作绝对波长参考。相同的原理可以转移到单片和混合III-V/IV广泛可调谐激光器以及使用此类激光器的集成光子电路中。在两种情况下，波长标准具都是无源的、基于相同的半导体技术、成本低廉，并且易于操作。
在一个方面，本发明的实施例涉及一种基于固态激光器的设备，包括：用于发射光的基于固态增益介质的广泛可调谐激光器，用于跟踪发射光的波长移位的波长移位跟踪设备，以及基于固态的标准具。基于固态的标准具包括具有明确的透射光谱或明确的反射光谱中的至少一个的光学元件。在广泛可调谐激光器的波长掠扫期间，基于固态的标准具和波长移位跟踪设备被配置为协作以提供对广泛可调谐激光器的绝对波长确定和控制。
可以包含以下特征中的一个或多个特征。在波长掠扫期间，波长移位跟踪设备可以提供作为时间的函数的波长移位输出，并且固态标准具在掠扫期间提供具有关于一个时刻的绝对波长的信息的信号的输出。波长移位跟踪设备和基于固态的标准具的输出的组合可以允许在掠扫期间重建整个激光调谐曲线。当波长掠扫对于诸如光谱感测、OCT或调频连续波(FMCW)LIDAR之类的应用而言是非线性时，这是特别有利的。在这些应用中，需要跨大带宽进行线性波长掠扫。但是，在大多数实际情况下，相位变化是非线性的。本发明所描述的实施例允许跟踪相位(波长)变化的函数，并因此将其考虑用于信号处理。
广泛可调谐激光器可以包括外腔二极管激光器，外腔二极管激光器包括半导体增益芯片以及以Littrow或Metcalf-Littman配置中的至少一个配置的多个自由空间光学元件。
广泛可调谐激光器、波长移位跟踪设备和固态波长参考标准具可以在单个半导体芯片内以单片方式实现。
广泛可调谐激光器可以包括外腔激光器配置，外腔激光器配置包括将III-V半导体增益芯片混合地或异构地集成到基于IV族半导体的光子集成电路芯片上。IV族光子集成电路芯片可以包括绝缘体上硅、氮化硅或绝缘体上锗材料平台中的至少一种。
标准具可以包括谐振光腔，诸如分布式Bragg反射镜、分布式反馈光栅、耦合环谐振器、跑道谐振器和/或Fabry-Perot腔。
基于激光器的设备可以包括至少一个光电探测器，其中至少一个光电探测器和谐振光腔被配置和布置为协作以使得能够确定绝对波长。至少一个光电探测器可以被配置和布置为使得能够在波长掠扫期间校准激光器的发射波长。
波长移位跟踪设备可以包括非平衡干涉仪，诸如，例如，马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪、多模干涉设备和迈克尔森(Michelson)干涉仪，以及至少一个光电探测器。
固态增益介质可以包括基于III-V半导体的增益芯片。III-V半导体可以包括Al、Ga、In、As、Sb、P、N、Bi和/或其合金组合。
激光器可以是模跳变的。
在另一方面，本发明的实施例涉及一种用于广泛可调谐激光器的波长确定和控制的方法，该方法包括提供基于激光器的设备，该基于激光器的设备包括基于固态增益介质的广泛可调谐激光器、波长移位跟踪设备以及固态标准具。用广泛可调谐激光器发出的光进行波长掠扫。并行地，(i)用波长移位跟踪设备跟踪并记录发射光的波长移位，以及(ii)用固态标准具记录发射光的绝对波长值。通过组合使用记录的波长移位的值与利用固态标准具记录的绝对波长值来校准激光调谐曲线。
可以包含以下特征中的一个或多个特征。波长移位跟踪设备可以包括非平衡干涉仪，并且跟踪波长移位包括使用至少一个光电探测器来监测非平衡干涉仪的输出端口。至少一个光电探测器可以用于监测固态标准具的输出以确定绝对波长值。
可以在一个波长掠扫内结合使用记录的波长移位和记录的绝对波长值来校准整个激光波长调谐曲线。
在又一方面，本发明的实施例涉及一种用于执行物质的光谱感测的方法。该方法包括提供基于固态激光器的设备，该设备包括用于发射光的基于固态增益介质的广泛可调谐激光器；用于跟踪发射光的波长移位的波长移位跟踪设备；以及包括具有明确的透射光谱或明确的反射光谱中的至少一个的光学元件的基于固态的标准具。在广泛可调谐激光器的波长掠扫期间，基于固态的标准具和波长移位跟踪设备被配置为协作以提供对广泛可调谐激光器的绝对波长确定和控制。基于固态激光器的设备被部署为与包括物质的目标物体光连通。从广泛可调谐激光器发出的光被传输到目标物体，传输的光与物质中的分子相互作用，并且光-分子相互作用改变了传输的光的光谱特性。用由广泛可调谐激光器发出的光进行波长掠扫，其中发射光跨如下光谱带宽掠扫，该光谱带宽与以下中的至少一个一致：(i)C-H分子键伸缩振动的基本或第一泛音，或(ii)C-H、N-H和O-H分子键的伸缩和弯曲振动的组合，分子键伸缩和弯曲振动的吸收光谱是特定于分子的且独特的。并行地，(i)用波长移位跟踪设备跟踪并记录发射光的波长移位，并且(ii)用固态标准具来记录发射光的绝对波长值。通过组合使用记录的波长移位的值与利用固态标准具记录的绝对波长值来校准激光调谐曲线。通过透射或漫反射中的至少一种来收集来自目标物体的光信号。处理收集到的光信号以表征物质。
可以包含以下特征中的一个或多个特征。表征物质可以包括计算物质中分子的浓度水平。浓度水平可以以校准单位表示，诸如mg/dL、mmol/l或g/l。
表征物质可以包括确定部署在物质中的至少一个分子的种类。表征物质可以包括确定分子种类是否存在于所述物质中。
目标物体可以包括人体的至少一部分。目标物体可以包括隔离的生理物质，诸如全血、血清、血浆、组织液、呼出的气体和/或其组合。
处理光信号可以包括统计回归。统计回归可以基于使用已知目标分子吸光度和物质内的相应浓度数据构建的多元偏最小二乘算法。
激光器可以是模跳变的。
可以在一个波长掠扫内结合使用记录的波长移位和记录的绝对波长值来校准整个激光波长调谐曲线。
波长掠扫的波长调谐函数可以是不连续的，并且可以是阶梯函数，倾斜阶梯函数，线性函数和/或阶梯函数、倾斜阶梯函数和线性函数的任意叠加。
在又一方面，本发明的实施例涉及一种用于使用基于固态激光器的设备来测量远程物体的关键指标的方法。该方法包括提供基于固态激光器的设备，该基于固态激光器的设备包括：用于发射光的基于固态增益介质的广泛可调谐激光器；用于跟踪发射光的波长移位的波长移位跟踪设备；光电探测器；以及包括具有明确的透射光谱或明确的反射光谱中的至少一个的光学元件的基于固态的标准具。在广泛可调谐激光器的波长掠扫期间，基于固态的标准具和波长移位跟踪设备被配置为协作以提供对广泛可调谐激光器的绝对波长确定和控制。用广泛可调谐激光器发出的光进行波长掠扫。并行地，(i)用波长移位跟踪设备跟踪和记录发射光的波长移位，以及(ii)用固态标准具记录发射光的绝对波长值。通过组合使用记录的波长移位的值和用固态标准具记录的绝对波长值的来校准激光调谐曲线。用激光器发射光，其中(i)激光器是模跳变的，并且模跳变之间的差异是已知的；(ii)波长掠扫的波长调谐函数是不连续的，并且(iii)用激光器发射的光被分到两条路径中，第一路径的长度包括到参考物体的已知距离，并且第二路径的长度包括到远程物体的距离。在发射光照射到在远程物体和参考物体上并从其反射之后，利用光电探测器收集从远程物体和从参考物体反射的反射光束，并且在光电探测器处混合反射光束。光电探测器提供振荡响应信号。计算远程物体的关键指标。
可以包含以下特征中的一个或多个特征。远程物体的关键指标可以是距离、速度、形貌、组成和/或其组合。
波长调谐函数可以是阶梯函数，倾斜阶梯函数，线性函数以及阶梯函数、倾斜阶梯函数和线性函数的任意叠加。
振荡响应信号的振荡频率可以是时间的周期函数，其由以下各项定义：(i)作为激光器的两个模跳变之间的时间的周期；以及(ii)由振荡响应信号的傅里叶变换的相对幅值(amplitude)和振荡响应信号的傅里叶变换中存在的两个拍频定义的占空比。
振荡频率的周期函数、波长调谐函数以及与参考物体的距离可以用于计算以下至少一个的关键指标：(i)从基于激光的系统到远程物体的至少一个点的距离，以及(ii)远程物体的至少一个点相对于基于激光的系统的速度。
可以通过使用计算出的远程物体相对于基于激光的系统的距离和速度值计算远程物体通过介质的总光路来分析部署在激光器和远程物体之间的介质的化学组成。反射的返回光束的光谱分析可以通过介质的可调激光吸收光谱来执行。可以确定由于特定于分子的振转分子吸收(ro-vibrational molecular absorption)而导致的多个分子的元素贡献。
至少一个关键指标可以用于形成特定于物体的安全密钥。计算至少一个关键指标可以包括使用2D光栅扫描。
可以计算多个关键指标，关键指标包括从基于激光的系统到远程物体的至少一个点的距离、远程物体的至少一个点相对于基于激光的系统的速度、远程物体的分子组成、部署在远程物体和基于激光的系统之间的介质的分子组成和/或其组合中的至少一个。
可以形成远程物体的特定于物体的多维图像，其中(i)图像的维度包括远程物体的空间外观、远程物体的速度、远程物体的化学组成或其组合中的至少一个，以及(ii)特定于物体的安全密钥包括远程物体的特定于物体的多维图像。
附图说明
图1是图示根据现有技术的Metcalf-Littman配置的外腔二极管激光器的示意图。
图2a和图2b是具有不同折射率对比度的所选择的固态谐振腔标准具的2100nm-2300nm光谱范围内的代表性的明确反射和透射光谱。特别地，图2a是GaAs/AlGaAs分布的Bragg反射器的反射光谱，并且图2b是具有腔缺陷的Si/SiO2分布式Bragg反射器的反射光谱。
图3a是根据本发明的实施例的具有处于反射配置的固态波长参考标准具的改进的外腔二极管激光器(ECDL)的示意图。
图3b图示了根据本发明的实施例的时域信号到波长域的转换。
图3c是根据本发明的实施例的优化的外腔二极管激光器的示意图，该激光器包括固态波长参考标准具和非平衡干涉仪形式的波长移位跟踪设备。
图4a和图4b是根据本发明的实施例的基于耦合微环谐振器和宽带反射器的的基于游标(Vernier)滤波器调谐机制的集成混合III-V/IV广泛可调谐激光器(图4a)以及包含以非平衡干涉仪形式的波长移位跟踪设备的改进的WTL(图4b)的示意图。
图5a是根据本发明的实施例的以耦合微环谐振器形式的谐振光腔的示意图。
图5b是根据本发明的实施例的图示了可能作为固态标准具的功能的图5a的耦合微环谐振器的对应传输光谱。
图6是根据本发明的实施例的优化的混合III-V/IV广泛可调谐激光器的示意图，该激光器包括波长移位跟踪设备和以谐振光腔形式的波长参考标准具，使得能够在一次掠扫中完成自动校准。
图7a是根据本发明的实施例的在非平衡干涉仪的输出端口处由光电探测器监测的实验时域信号的曲线图。
图7b是根据本发明的实施例的在固态标准具的输出端口处用光电探测器测量的时域信号的曲线图。
图8a是根据本发明的实施例的使用作为偏移DBR的固态标准具的已知功能将时域信号转换到波长域的曲线图。
图8b是根据本发明的实施例的在具有腔缺陷的另一个固态标准具的端口处的实验性透射测量的曲线图。
图8c和图8d是示出根据本发明的实施例用于两个不同的实验性广泛可调谐激光器的使用图8a的信息来校准在不同端口处的非平衡干涉仪光电探测器的时域信号的曲线图。
图9a和图9b是根据本发明的实施例的掠扫波长激光调谐曲线的校准的实验性演示的曲线图。
图10是图示根据本发明的实施例的用于不同葡萄糖浓度的透射光谱的实验性二阶导数的曲线图。
图11a和图11b是根据本发明的实施例的用于生物分子浓度感测的光谱传感器的示意图。
图12是根据本发明的实施例的芯片上光谱系统的示意性透视图。
图13是从28个不同个体的全血获得的实验性葡萄糖传感器校准曲线。
图14a是示意图，并且图14b-14e是图示常规FMCW的操作原理的曲线图。
图15a是示意图，并且图15b-15e是图示根据本发明的实施例的模跳变FMCW LIDAR的曲线图。
图16a是示意图，并且图16b-16e是图示根据本发明的实施例的具有倾斜波长调谐函数的模跳变FMCW LIDAR的曲线图。
图17a是示意图，并且图17b-17e是图示根据本发明的实施例的用于确定远程物体相对于基于激光的系统的速度的模跳变FMCW LIDAR的曲线图。
图18a和图18b是根据本发明的实施例的基于广泛可调谐激光器的LIDAR的示意性框图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及在操作期间对广泛可调谐激光器的波长控制，并且使得能够在不需要外部光学元件的情况下校准激光器系统。所描述的方法使用周期性光学结构，诸如分布式Bragg反射器(DBR)、分布式反馈光栅(DFB)或任何谐振光腔(ROC)，这些周期性光学结构可以通过使用带有周期性腔镜(诸如DBR或DFB)的谐振器来形成，或者使用耦合谐振器(诸如微环谐振器(MRR)、跑道谐振器等)。在固态标准具提供窄带输出的实施例中，广泛可调谐激光器的绝对波长校准与波长移位跟踪设备(诸如非平衡干涉仪)结合使用。合适的非平衡干涉仪的示例包括例如Mach-Zehnder干涉仪、多模干涉设备、Michelson干涉仪等。
所描述的方法适用于单片和非单片广泛可调谐激光器体系架构两者。为了清楚起见，分别讨论这两种体系架构。两种体系架构都需要知道绝对波长，以确保在诸如光谱学、波分复用等应用中使用，而不使用外部仪器并且无需重新校准。
非单片广泛可调谐激光器通常包括嵌入在外腔配置中的半导体光学元件-增益芯片，并且被称为外腔二极管激光器(ECDL)。ECDL可以通过不同的方式来实现，最典型地涉及以Littrow配置或Metcalf-Littman配置来配置的半导体增益芯片和多个自由空间光学元件。
图1示出了现有技术的Metcalf-Littman配置的简单示意图。这里，半导体增益芯片1发射被准直并遵循光路10的光，并以掠入射角射到衍射光栅2。0阶光束被引导到输出端，并且1阶光束被反射到可移动/旋转镜3上，可移动/旋转镜3将光反射回光栅上并反射回半导体增益芯片中，该半导体增益芯片放大滤波后的信号并将其发送到输出端。在这种配置中，通过围绕虚拟枢轴点轴进行反射镜旋转来实现波长控制。旋转角度定义了腔体中的波长，该波长通过光栅和半导体增益芯片的增益带宽来选择。在实际系统中，使用机械马达、压电元件或电磁MEMS反射镜来旋转反射镜。在所有情况下，不用外部仪器进行测量以及将旋转电动机位置或电-磁电流值校准到特定波长，都不先验地知道发射波长。这样的系统往往由于机械不稳定性和振动而容易产生漂移、偏差，并且通常需要不时地重新校准。已经证明了不同的波长控制方法，诸如气室、用于频率梳的滤波器、Fabry-Perot腔等。
本发明的实施例包括经由光束分离器嵌入在光束路径中并聚焦到监测光电探测器的周期性光学结构，诸如分布式Bragg镜(DBR)。DBR可以被设计为具有相对于可调谐激光发射带偏移的反射带(图2a)，或者设计为具有腔缺陷(图2b)，从而为激光波长提供独特且明确的透射或反射特性。通过沉积或生长具有不同折射率的材料的外延周期性对形成周期性Bragg反射器来执行这种结构的设计。改变周期和各个层的厚度会导致Bragg波长的改变，从而导致透射和反射光谱的改变。如图2a所示，典型的DBR在Bragg波长附近具有宽的反射率带，该图描绘了实验性的GaAs/AlGaAs DBR反射光谱，其被设计为在Bragg波长附近，对应于～2000nm。图2b中示出了在高折射率对比度材料对(诸如Si/SiO2)中设计的类似DBR结构。这里，DBR结构还包含嵌入式光腔，其导致DBR的反射光谱内的明显的陡谷(sharp dip)。仅当折射率对比度高时，这种由于嵌入腔而引起的特定光谱调制才强，因此，当使用Si/SiO2时，具有光腔的DBR是固态波长标准具的良好选择。在折射率对比度如在GaAs/AlGaAs材料系统中那样低的实施例中，DBR可以被设计为使其Bragg波长相对于广泛可调谐激光发射偏移，使得该发射光谱与DBR反射阻带侧的透射/反射的周期性调制重叠，如图2a中所示。
图3a中描绘了包含这种类型的周期性标准具的ECDL配置。这里，光束分离器4将光束的一部分分离到标准具镜5上，该标准具镜5是具有明确反射光谱的周期性光学结构。因此，从标准具镜5反射的光用反射镜的特定于波长的反射/透射功能进行调制，并且利用单个标准具光电探测器6被记录为时间函数。标准具光电探测器6可以是例如双极二极管设备或单极设备，诸如势垒光电二极管或量子阱红外光电探测器(QWIP)。由于标准具镜5是通过堆叠具有不同折射率的两种材料的周期性结构而形成的，因此重要的是补偿温度漂移。这可以通过在标准具镜5上包括热电堆(未显示)来容易地实现，这允许评估随温度移位的反射/透射函数(这是已知函数)，或者经由使用热电冷却器/加热器的单独的温度稳定将标准具维持在恒定温度。
图3b描绘了使用固态标准具(诸如图3b中描绘的偏移DBR)将由光电探测器6记录的时域信号变换到光谱域。为了提供明确的光谱调制，DBR中心波长可以相对于半导体增益芯片的增益曲线的中心偏移。可以看到用标准具光电探测器6记录的清晰的调制。
再次参考图2a，可以看到相同的调制函数，它是单独的参考DBR反射镜的测量反射光谱。这些曲线允许通过在标准具光电探测器6处监测时间信号来对ECDL进行绝对波长校准，而无需使用附加的外部仪器，前提是固态标准具的清晰反射或透射模式对于与激光调谐光谱匹配的光谱区域是已知的，并且光栅旋转或MEMS反射镜移动的速度恒定。后一种情况难以实现，因为掠扫光栅旋转或MEMS镜偏转会在掠扫启动时产生加速周期，并且在掠扫结束时产生减速周期。这导致作为时间的函数的波长的非线性失真，从而无法进行自动校准。这可以通过使用波长移位跟踪设备来克服，该设备提供了波长移位值作为时间的函数，从而允许记录由于过渡效应引起的非线性并将其考虑在内。
在固态标准具具有窄带输出(诸如谐振光腔或滤波器)或明确输出(诸如偏移DBR)的实施例中，可以通过组合使用固态标准具与波长移位跟踪设备(诸如非平衡干涉仪)来完成跨整个掠扫的波长校准，如图3c中所示。这里，来自ECDL激光器的输出光束被光束分离器4分为两个部分。一个部分是广泛可调谐激光器系统的输出，光束的另一部分进一步被第二光束分离器7分开，其中光束的一部分进入非平衡干涉仪，该非平衡干涉仪包括两个光束分离器8、11和两个反射镜9、10。光束分离器7是非平衡的，因为通过穿过两个光束分离器8、11的上臂的光路长度短于其中光穿过两个反射镜9、10的下臂。这在干涉仪的输出端处提供了干涉光信号，在该干涉仪的输出端处，来自两个臂的光信号再次被组合。可以在光束分离器11的任何输出端处用第二光电探测器12监测振荡信号。由第二光电探测器12记录的振荡功能具有由干涉仪臂之间的光路差定义的振荡周期，其是已知的并且由设计定义。因此，可以实时跟踪绝对波长移位。一旦与固态标准具5相关联的标准具光电探测器6记录并确定来自标准具的特定于绝对波长的输出，该值与第二光电探测器12记录的绝对波长移位值的组合就允许校准整个调谐曲线。这种标准具和波长移位跟踪设备可以应用于单片以及混合或异构集成的广泛可调谐激光器。
如本领域技术人员已知的，图3c仅描绘了如何可以实现非平衡干涉仪的许多方式中的一种。虽然增加波长移位跟踪设备和固态标准具在基于ECDL技术的台式分立广泛可调谐激光器的组件方面会增加复杂性，但所描述的实施例对于通过III-V增益芯片和同一芯片内的光子集成电路的混合组合实现的集成广泛可调谐激光器特别有用。
在半导体芯片中设计广泛可调谐激光器(WTL)的最常见方法是使用游标滤波器效应，其利用具有稍微不同的自由光谱范围的两个耦合的谐振器。每个谐振器提供频率梳，其中激射频率是其中两个频率梳重叠的频率。可以通过改变谐振器之一的有效折射率来快速改变(调谐)激射频率。可以使用采样的Bragg光栅、超结构光栅或耦合的微环谐振器(MRR)来实现游标滤波器。
图4a是具有两个耦合的MRR的混合III-V/硅广泛可调谐激光器(WTL)的示意图。可以使用耦合到光子集成电路的半导体增益芯片1来实现用于发光的基于固态增益介质的WTL，其中光通过波导结构20被引导。固态增益介质可以包括基于III-V半导体的增益芯片，其中III-V半导体包括例如Al、Ga、In、As、Sb、P、N、Bi及其合金组合。光子集成电路可以基于绝缘体上硅、氮化硅或绝缘体上锗和其它材料平台。
光耦合到基于双MRR的游标滤波器30、31和宽带反射器40。通过用加热器50、55热改变MRR的折射率来实现波长调谐。以这种方式，可以跨III-V增益芯片的整个可用增益带宽快速掠扫波长。但是，在这种配置中，虽然在一定程度上已知半导体增益芯片的增益带宽，但是如果没有外部仪器就无法确定确切的波长移位和绝对发射波长。
可以将非平衡干涉仪(诸如，非平衡1x2 Mach-Zehnder干涉仪)添加到WTL，以在充当波长移位跟踪设备的两个输出臂处提供作为波长的函数的振荡输出。如图4b所示，这种结构允许精确跟踪波长调谐幅度，其中分辨率取决于两个干涉仪臂之间的光路差。这里，WTL的输出信号被路由到充当光束分离器的1x2 MZI 60，并将光束的一部分分离到系统的输出端62。光束的另一部分是被发送通过非平衡MZI 70的参考信号，该非平衡MZI 70提供特定于波长的传输功能，从而允许通过两个输出端71、72进行波长移位跟踪。原则上，监测两个输出端之一足以访问波长移位信息。监测两个输出端在更好的准确性和更高的信噪比方面是有益的。
虽然允许跟踪波长移位，但单独这种结构不提供关于实际发射波长值的信息。在某些情况下，诸如一些具有不同先验已知光谱形状的样本的光谱，具有1x2非平衡MZI的基于游标滤波器的激光器也可以提供绝对波长值，代价为附加的信号处理和控制算法。
通过以与基于分立ECDL的广泛可调谐激光器类似的方式添加固态标准具，可以解决该缺点，该广泛可调谐激光器包括与WTL结合的具有缺陷的谐振光腔(ROC)和波长跟踪设备。ROC可以是DBR、DFB、MRR或其它类型的具有清晰定义的特定于波长的透射/反射光谱的谐振光腔。图2b中示出了基于DBR的ROC反射光谱的示例，其中在阻带的中心可以看到清晰的腔谷(cavity dip)。该腔谷可以用于波长校准WTL。如果对于分立的广泛可调谐激光器，DBR被设计为分立的组件，那么它还可以通过使用光子集成电路技术、通过周期性蚀刻Si、SiN或Ge波导来实现。周期和折射率对比度定义透射和反射特性，如图2b所示。由于周期性是根据折射率变化定义的，因此这可以按照本领域技术人员已知的许多不同方式来实现，例如，完全蚀刻的光栅、部分蚀刻的(浅)光栅、波纹侧壁光栅、光子晶体光栅、侧栅等。
参考图5a和图5b，由于耦合到总线波导的谐振环腔，通过基于ROC的MRR 30的传输具有特征性谐振谷。
在光子集成电路系统中实现这种ROC的方法在图6中示出。这里，使用耦合到光子集成电路的半导体增益芯片1实现WTL，其中光通过波导结构20引导。光耦合到基于两个MRR30、31和宽带反射器40的游标滤波器。通过由加热器50和55热改变MRR的折射率来实现波长调谐。然后将输出信号路由到充当光束分离器的1x2MZI 60。1x2 MZI 60将光信号分成输出光束和参考信号。参考信号被路由到附加的1x2 MZI光束分离器80，其输出端口连接到用于波长移位跟踪的非平衡MZI波长跟踪设备70，以及连接到ROC标准具90，ROC标准具90通过输出端口91用于绝对波长校准。
基于固态的标准具90的输出端口91处的光电探测器与MZI波长跟踪设备70的输出端71、72处的至少一个光电探测器协作，以提供对广泛可调谐激光器的绝对波长确定和控制，从而使得能够在掠扫期间进行绝对波长掠扫校准。取决于固态标准具配置，当激光器调谐到标准具的参考波长时，输出端91处的光电探测器读取到高或低。在波长移位跟踪设备70的输出端处与时间功能记录器组合的该信号允许重建整个波长调谐函数。波长调谐函数是指由于外部驱动信号(诸如调谐电流、反射镜偏转、光栅旋转角度等)而导致波长作为时间的函数改变的方式。掠扫期间激光器的波长调谐函数取决于激光系统设计，并且可以是线性的，或者在大多数情况下可以是非线性的并且遵循任何任意的数学函数。诸如波长移位不是恒定时间函数之类的过渡效应导致波长移位跟踪设备70的输出端处的周期发生变化。因此，一旦记录了绝对波长参考信号，就可以重建掠扫内的所有非线性，从而可以重建整个波长调谐函数，包括系统外的所有非线性。
图7a描绘了由光电探测器在非平衡干涉仪的输出端口71、72处记录的时域信号，并且图7b描绘了由与固态标准具的输出端口91相关联的光电探测器测量的时域信号。在输出端口91处记录的时域信号是已知的，因此对于两种不同的固态标准具，可以将其转换成如图8a或图8b所示的波长或频域。然后，该信息可以用于校准在非平衡干涉仪输出端口71、72处用光电探测器记录的时域信号，并且被转换到波长或频域，分别如图8c和8d所示。该信息携带关于掠扫内任何时刻的绝对波长值和波长移位幅度的校准波长域信息，并且因此允许完全重建如图9a和9b中所示的掠扫的任意非线性波长调谐函数，并校准激光器的波长调谐函数。
在操作中，由WTL发射的光用于通过例如对形成游标滤波器的耦合谐振器30、31中的至少一个进行电热调谐来执行波长掠扫。波长移位跟踪设备70的输出端71、72之一处的至少一个光电探测器在波长掠扫时跟踪并记录时域中的振荡信号，即，发射光的波长移位。并行地，在固态标准具90的输出处的至少一个光电探测器91记录发射光的绝对波长值。在掠扫的某一时刻，WTL波长跨固态标准具90的参考波长进行掠扫，从而为固态标准具90的输出端91处的至少一个光电探测器提供不同的信号读数、记录并确定绝对波长值。然后可以将此记录的波长移位值与用固态标准具记录的绝对波长值的参考组合使用，以校准WTL的整个波长调谐函数，如图9a和图9b中所演示的。
上述方法和体系架构允许能够在一个波长掠扫期间实现的精确的绝对波长确定和跟踪，从而允许在不使用外部仪器的情况下自动校准激光器及其系统的波长调谐函数。此外，所描述的实施例可以是热稳定的，因为可以通过例如集成的热电堆来监测系统温度，并且借助于热电温度控制为固态标准具提供恒定的温度。
本文所描述的体系架构和方法使得能够实现非常广泛的应用，包括光谱生物感测-即，血液成分(葡萄糖、尿素、乳酸盐、血清白蛋白等)浓度确定、用于自主车辆的相干LIDAR、安全性、工业在线检测和遥感、面部识别等。
在光谱生物感测应用中，广泛可调谐激光源是传感器芯片的关键组件，因为光吸收是光-分子相互作用的结果并且是特定于分子的。取决于光谱区域，可以识别由于例如C-H伸缩或C-H、O-H和N-H伸缩和弯曲振动的组合而导致的特定于分子的泛音和基本吸收带，并且允许识别关注的分子及其浓度。而在气相中，吸收带非常窄(通常为百兆赫兹)，广泛可调谐激光器对于多分子感测尤为关注，因为它们可以覆盖多个分子的吸收带。在液相中，分子吸收带由于碰撞而在光谱上宽，并且通常跨度为100nm或更大。因此，需要在非常宽的波长范围内调谐激光，以便掌握特定于分子的光谱。图10示出了针对不同葡萄糖浓度的透射光谱的实验性二阶导数，其是通过使用根据本发明的实施例的基于激光器的设备获得的。可以看到，特定于分子的光谱从2150nm到2350nm及以上跨度超过200nm。
在图11a中描绘了基于广泛可调谐基于激光的光谱传感器1100的可能构造。光谱传感器1100包括广泛可调谐激光器阵列100、101、102、…1XX、光束组合器200(其可以是单波导、多波导阵列、多模干涉设备等)、输出部分600(其可以用自由空间光学器件和/或可以是例如光栅耦合器、多个光栅耦合器、相控阵、输出镜或端射波导的光纤接口形成)，以及信号检测接口700(其可以是至少一个光电探测器)。为了执行光谱感测，可调谐激光辐射由广泛可调谐激光器阵列100、101、…1XX发射，并且被引导到光束组合器200。然后，组合光束被引导到输出部分600。然后，可调谐激光经由自由空间光束或光纤输送800耦合到样本或目标1000上。样本或目标1000可以是隔离的一滴血或者人的表皮层中的血液和间质液。然后，光与目标分子相互作用，并且光的一部分被样本中的目标分子吸收，从而修改光的光谱。该光通过返回光束900被漫反射回传感器，并通过信号光电探测器700被收集，并且光电压或光电流被转换成样本组分的浓度。
在图11b中，光谱传感器1100还包括相互作用框1300。不是将光耦合出传感器，而是仅将光与要感测的环境紧密接近。该相互作用框1300可以是其中刚好在波导外部的消逝场感测周围环境的螺旋波导、其中特定于分子的受体可以引起折射率移位的功能化接口、其中可以测试周围环境的声音的光声组件等。如果使用相互作用框1300，那么不需要输出部分600，因为光不会离开传感器。
图12描绘了如本文所述的用于血液分析的光谱传感器1100的实验性实现的示例。该传感器基于可在200mm和300mm晶圆尺寸的商用CMOS工厂中使用的光子集成电路技术。物理传感器管芯(die)的尺寸由III-V组件(即增益芯片和光电探测器)的尺寸确定。传感器1100的紧凑型版本可以包括4个III-V增益芯片1、1×4参考光电探测器阵列1210和单信号光电探测器1220。可以通过减少III-V组件的数量来减小传感器尺寸。在仅关注单个分子的特定实施例中，单个III-V增益芯片的带宽可能足够，从而导致总体传感器尺寸只有几平方毫米。紧凑的尺寸允许使用常规的封装技术将这种传感器1100轻松集成到手持式和可穿戴消费电子设备中，诸如智能手表、智能电话或智能腕带。可以经由例如在封装5000的顶表面上实现的光学窗口3000来执行与对象(subject)的光学通信。描绘了自由空间输送800和返回光束900。为了最终的紧凑性，可以在光子电路下面的同一硅晶体中实现驱动器电子电路4000，从而形成完整的3D混合电光子集成电路。
除了尺寸之外，使用IV族半导体技术平台(例如，CMOS)实现所描述的传感器的能力提供了规模化制造的能力，从而以低成本每年制造数百万个单元。例如，如图12所示，考虑相对大的传感器，该传感器具有4个III-V增益芯片和1x4参考光电探测器阵列。在单个200mm Si晶圆上可以形成超过4000个这样的传感器芯片，其中25个晶圆的标准生产批次产生10万个传感器芯片，因此单个传感器芯片的成本不到10美元。所描述的实施例及其与大规模技术的兼容性使得可以24/7实时地廉价地监测关键代谢物，而无需额外工作。
图13示出了来自全血的实验性葡萄糖传感器校准曲线的示例。例如，可以通过使用基于多元偏最小二乘算法的统计回归方法来找到浓度的校准值，该多元偏最小二乘算法是通过使用已知目标分子吸光度和生理物质中的相应浓度数据构建的。在图13中，生理物质是全血，但也可以是例如组织、间质液、血浆、血清等。这里，使用根据本发明的实施例的激光设备，使用了来自28个不同个体的500多个数据集。在3-20mmol/l的浓度范围内，实现了具有1.15mmol/l的均方根误差的95％的实验性测定系数。85％的数据点位于Clarke网格区域中，从而指示临床上正确的决定。可以修改根据本发明的实施例的传感器，以检测多个分子的浓度，诸如乳酸盐、尿素、血清白蛋白、肌酐等。在其它仅需要目标分子种类存在或不存在的事实的实际情况中，可能不需要使用统计回归的校准程序，并且可以应用阈值条件。在这种情况下，仅如测量的激光强度信号修改就可以足够了。
在FMCW LIDAR应用中，广泛可调谐激光源用于对环境成像，并记录远程物体的关键指标。关键指标包括到远程物体的至少一个点的距离、物体速度、物体形貌、基于激光的系统与物体之间的介质的元素组成、物体的元素组成及其组合。参见例如Quack、Niels等人“Development of a FMCW LADAR Source Chip Using MEMS-Electronic-PhotonicHeterogeneous Integration”，GOMACTech Conference，2014年，p.13-4；Amman等人，“Laser ranging:a critical review of usual techniques for distancemeasurement,Opt.Eng.40(1)10-19(2001年1月)；以及Dilazaro等人，“Large-volume,low-cost,high-precision FMCW tomography using stitched DFBs”，Optics Express，第26卷，No.3(2018年2月5日)2891-2904，其中每一个都被整体并入本文。
图14a图示了典型的FMCW LIDAR系统的工作原理。波长可调谐激光器100的输出800被例如光束分离器200分成目标臂810和参考臂820。到参考物体1200和目标物体1000(在本文中也称为远程物体)的距离是不同的，分别由R和R+L表示。反射光束900和910被引导到光电探测器700，该光电探测器700记录作为时间的函数的测得功率，本文称为振荡响应信号。参考图14b，激光源100的波长(或等效频率)被连续地调谐。由于路径长度的差异，目标臂的频率与参考臂的频率不同。调谐曲线在时间上移位：
Δt＝2L/C
其中c是光速，由f(t-Δt)示出。由于频率不同，拍(beat)节点出现在光电探测器处测得的振荡响应信号中，由参考臂和目标臂之间的频率差给定。参考图14c，对于线性变化的激光频率，拍频在时间上是恒定的，由每单位时间γ的频率差和臂的时间差Δt定义。因为拍频是恒定的，因此在探测器700处测得的振荡响应信号是如图14e所示的简单正弦函数，其傅里叶变换在图14d中示出。因此，人可以测量拍频fBeat，并且可以从激光器得知频率变化γ，这意味着可以容易地提取Δt和距离L。
如以上所讨论的，典型的FMCW LIDAR系统需要激光源的线性频率调谐。当激光器表现出模跳变时，这是不可能的。例如，参考图15a至图15e，根据本发明的实施例的激光设备基于耦合的微谐振器(例如，微环或采样光栅)的游标滤波器配置，当谐振器之一通过外部控制信号(机械变化、热、电或其它控制信号)进行调谐时，从一个波长跳变到另一个波长，如图15b中所示。当适当分析时，仍可以提取关键指标。
距离和/或形貌可以如下确定。图15a中的基本配置与图14a中的相同，其中激光源100的输出800被光束分离器200分成两个臂810和820，并且反射信号900和910的干扰由探测器700跟踪。但是现在，波长(或频率)从一个值跳变到另一个值。这种行为可以通过阶梯函数来表示，如图15b中所示。从数学上讲，这表示为：
f(t)＝fS∑nH(t-ntS)
其中fS是频跳并且tS是两次跳变之间的时间。H(t)是赫维赛德(Heaviside)函数。来自目标臂的延迟信号也通过f(t-Δt)示出。在探测器700处测量的振荡响应信号随着两个臂之间的频率差而波动(图15e)，但是与典型的LIDAR相反，不再是恒定的。图15c示出了作为结果的频率差。它是方波函数，其中存在两个频率，是频跳fS的整数量。该整数m目前未知。探测器700处的光电压的傅里叶变换(图15d)示出了这两个频率。这些可以被测量，并且频跳fS是系统的函数。因此可以提取整数m。注意的是，频率之间的间隔为fS并且可以用作验证。根据傅里叶频谱中谱线的相对幅值，人可以推导出方波的占空比，因此可以明确地提取Δt和距离L。
在实践中，游标型或其它模跳变的广泛可调谐激光器演示了理想的无模跳变激光器和楼梯激光器的叠加，从而产生倾斜的阶梯激光器(图16a-e)。工作原理与阶梯激光器相同，作为结果的傅里叶变换导致通过拍频项γt移位的频率。
虽然上面的讨论集中在距离L或形貌作为要提取的特性，但也可以测量其它关键指标。例如，可以计算远程物体的速度。如果目标1000(远程物体)正在以速度v移动，如图17所示，那么众所周知的多普勒效应会导致目标臂的频移。目标臂900中反射信号的频率通过多普勒移位被移位，在数学上表示为：
其中，vT是目标物体的速度、c是光速并且f是到达目标之前的光的频率(图17a中的810)。该多普勒移位在作为结果的频率差中找回(图17c)，其中额外的项被添加到当前的拍频，以及探测器700的光电压的傅里叶变换(图17d)。在简单的分析中，额外的多普勒项导致预测距离的偏移，因为额外的距离也会转换成频移。换句话说，找到了一组针对距离-速度的解。第二测量使得可以区分这两者，因为新的一组解仅在一个距离-速度对处与前一组解重叠。注意的是，该关系允许人进一步完善它。
在图18a和图18b中描绘了用于构造模跳变FMCW LIDAR系统的可能体系架构。广泛可调谐激光器阵列100、101、…1XX经由光束组合器200组合，该光束组合器可以是单波导、多波导阵列或多模干涉设备。组合的光束被引导到输出部分600，该输出部分600可以用自由空间光学器件和/或光纤接口形成，所述光纤接口可以是光栅耦合器、多个光栅耦合器、相控阵列、输出镜或端射波导。然后，可调谐激光经由自由空间光束或光纤输送800耦合到目标1000上，该光纤输送800可以是要监测的环境中的任何物体，例如远程物体。光的一部分经由返回光束900反射回LIDAR系统，并经由信号光电探测器700收集。第二输出光束810被传送到与LIDAR具有已知距离的参考物体1200。这可以是例如预先校准的参考镜。反射光束910也被信号光电探测器700收集。该探测器700的光电压或光电流被转换成到目标物体的距离。图16b示出了用于构造该模跳变FMCW LIDAR系统1100的第二种可能的体系架构，其中参考臂不退出LIDAR系统。该参考臂1200可以是例如螺旋形波导或慢光波导，并且在例如光子集成电路内以单片方式实现。
本文描述的基于激光的系统的实际应用是借助于光谱感测来远程测量基于激光的系统与远程物体之间的介质的元素组成。已经针对生物传感器应用实施例讨论了测量远程物体的元素组成的示例。在其它实际情况下，基于激光的系统与某个远程物体之间的介质的元素组成可能是所关注的。例如在环境感测应用、安全应用、工业应用等中，介质可以是气相、液相或固态的，并且可以包含具有特定于分子的吸收特性的分子，如在气体感测或液体感测的情况下。确定介质的元素组成的简单方案是，首先确定基于激光的系统与物体之间的光路，并且确定光在被检测到之前经过此距离的次数。基于激光的系统提供了宽波长掠扫，其然后可以在第一掠扫内被校准到绝对波长域中，从而允许人知道通过介质发送到物体的光束的确切光谱特性。然后可以将来自物体的反射光束与发送的光束进行比较，从而揭示由于光介质、光物体或两种相互作用的组合而导致的光谱的修改部分。然后，可以使用比尔-兰伯特(Beer-Lambert)定律使用到物体的距离和光在被基于激光的系统检测到之前行进的次数来定量评估该信息。该能力对于遥感应用非常重要，诸如搜索气体泄漏、污染、危险迹象或与应用领域(工业处理、取证、环境监测、安全性等)相关的特定于处理的指标。
在另一个应用中，根据本发明的实施例的基于激光的系统可以用于安全识别，例如安全面部识别。基于激光的系统可以被组织以执行2D光栅扫描，或者可以被组织在2D阵列中，具体取决于系统配置要求。从基于激光的系统到远程物体(例如，要用作唯一身份标记的面部或另一个身体部位)的距离的测量提供了具有非常高分辨率的物体的独特3维图像。另外，可以将拓扑信息与特定于物体的元素组成和光谱信息组合为第四维，从而形成多维(拓扑+元素组成)的特定于物体的安全密钥。
示例
测量生理物质中分子的组成和/或存在
在实际应用中，本发明的实施例可以用于通过可调谐激光吸收光谱技术来获得诸如全血、血清、血浆、皮肤、组织等生理物质内的目标代谢物的校准浓度水平数据。最相关的生物分子-诸如葡萄糖、尿素、乳酸、血清白蛋白、肌酐等包含C-H、O-H、N-H或其中的任意组合。这些键移动-即，以特征方式伸缩、旋转和弯曲-这是特定于分子的。如果激光光子能量被调谐为匹配特定于分子的振动的能量，那么由于光子-声子的相互作用，光在分子中被吸收，从而导致光的特性(诸如，强度和光谱)的修改。强度的变化与在特定波长下物质内的目标分子的浓度成正比，因此可以转换成浓度水平。可以设计一种广泛可调谐激光器，以通过几个分子的特定吸收特征跨整个光谱带执行波长掠扫。由于吸收特性是特定于分子的并且是独特的-可以解耦各个贡献，因此可以推断出生理物质内不同分子的浓度水平。
在反射测量几何形状的情况下，来自基于激光器的设备的光可以被发送到物体(在这种情况下为生理物质)，其中它被漫散射并与物质内的分子相互作用。漫反射的信号由光电探测器收集并进行分析。
使用根据本发明的实施例的基于激光器的设备的漫反射测量可以用于收集漫反射谱R(λ)，其又可以通过以下关系式转换成吸光度A(λ)：
收集到的吸光度谱由贡献分子种类的各个吸光度谱组分的总和组成：
使用提出的广泛可调谐的基于激光器的设备，可以将传感器设计为使其发射可调谐辐射，该辐射借助于单个广泛可调谐激光发射或根据图11a的阵列来覆盖集合体内分子的特征吸收。
因此，可以将非常复杂的散射矩阵-诸如人类组织-中非常复杂的吸光度谱分解成各个分子吸光度组分，并且该吸光度又可以通过应用Lambert-Beer定律被转换成校准浓度水平：
A(λ)＝ε1(λ)c1+ε2(λ)c2+…
其中εi是校准摩尔衰减系数，并且ci是浓度。
每个单独分子的校准衰减系数是预先确定的，并且其值被存储在CPU中用于校准算法执行，以处理通过实验获得的漫反射光谱-即，将光谱分解成各个吸光度谱组分并计算校准浓度水平。
特别地，在实施例中，传感器可以包括单元格(cell)阵列，其中至少一个阵列单元格以与至少一个吸水峰对应的光谱区域为目标，即～1460nm、～1900-2000nm，或～3000nm。阵列中的另一个单元格可以以与血液组成目标分子的至少一个吸收峰对应的光谱区域为目标。该传感器可以包括CPU，该CPU被编程为基于利用至少一个阵列单元格测量的至少一个吸水峰来确定水浓度水平和吸水谱。CPU还可以被编程为去除基线并分解由与至少一个阵列单元格相邻的阵列单元格覆盖的光谱区域中的复合吸光度谱，以揭示潜在的目标分子吸收特征。此外，CPU可以被编程为将漫反射光谱转换成吸光度。吸光度可以包括收集到的吸光度谱，其包括通过使用来自在不同光谱区域中操作的相邻阵列单元格的信息解耦的多个单独的吸光度谱组分，其中所述不同光谱区域中不存在与其它分子吸收的重叠。
所描述的算法与本文描述的传感器体系架构相结合允许人将任意复杂度的吸收光谱分解成各个组分，从而评估每个单独成分的浓度。通过具有在给定波长下的每个单独的干扰种类的各个衰减系数的先验知识可以促进这一点。在一些干扰种类的衰减系数未知的情况下，减去任何已知的或可能的光谱贡献的能力极大地提高了用于获得目标分子的校准浓度水平的信号处理算法(诸如多元偏最小二乘或主组分回归方法)的准确性。在图13中呈现了根据本发明的实施例的实验性传感器校准曲线，其中测量了全血中经校准的葡萄糖浓度水平。
到远程物体的距离的测量
根据本发明的实施例的基于激光器的设备可以用于测量到远程物体(例如，到远程物体的表面上的点)的距离。以下说明性示例解释了如何提取相关信息。
给定中心波长为2100nm(或等效的fcenter＝142.86THz)的激光器，波长调谐函数的模跳变为0.4nm，其对应于10nm的跨度上的频率跳跃fS＝27.212GHz。每tS＝500ns跳一次。要计算的到远程物体的距离是L+R＝100m，而参考物体非常近在R＝0m处。
由于路径长度的差异，反射光束900、910之间的延迟时间(图15)为注意的是，该时间延迟覆盖多余一个跳变：Δt＝666ns＝(m+DC)tS，其中整数m＝1并且占空比DC＝0.33。频率差fREF-fTAR是方波函数，其中较低的频率为mfS＝27.212GHz并且较高的频率为(m+1)fS＝54.424GHz，占空比为33％，并且周期为500ns。
光电探测器700的测得的振荡响应信号为V(t)＝cos[2π(fREF-fTAR)t]。在进行傅里叶变换之后，可以识别出两个峰，第一峰在27.212GHz处，并且第二峰在54.424GHz处，其中33％的功率位于后者中。由此，可以容易地从峰的频率位置提取整数m，而方波函数的占空比必定为33％。延迟时间可以计算为Δt＝(m+DC)tS＝666ns，因为tS已知为500ns。根据该延迟时间，寻找的后距离L为100m。
远程物体的速度的测量
根据本发明的实施例的基于激光器的设备也可以用于测量远程物体的速度以及距离。
给定与上述相同的激光器，远程物体可以在距离L+R＝100m处，以速度v＝200km/h移动。参考物体靠近激光雷达R＝0m并保持静止。
由于路径长度差异，时间延迟为与上面类似，频率差是方波，其中周期为500ns，并且占空比为33％。现在，频率通过多普勒频率被移位，但是，
在探测器700处测得的振荡响应信号的傅里叶频谱在27.265GHz和54.477GHz处展现出这些频率，后者保持33％的功率。已知频率的位置分别为mfS+fDopp和(m+1)fS+fDopp，可以进行整数m和多普勒移位频率fDopp的组合。在这种情况下：如果m＝0，那么多普勒移位必定为27.265GHz；如果m＝1，那么多普勒移位必定为53MHz等等。根据33％的占空比和整数m，可以重建时间延迟Δt＝(m+DC)tS，从而也重建距离根据多普勒移位，提取速度利用所使用的数字，可以存在以下解：对于m＝0，距离为L＝25m并且速度为v＝103000km/h；对于m＝1，距离为L＝100m并且速度为v＝200km/h；等等。
为了区分这些解，可以简单地选择期望范围内的速度，因为解差异很大。替代地，在稍后的时间t′进行第二测量，得到解L′和v′。由于L′＝L+vt′，可以选择正确的解。
远程物体的形貌的测量
根据本发明的实施例的基于激光器的设备也可以用于测量远程物体的形貌。在这种情况下，执行2D扫描，从而测量到远程物体的每个点的距离。
每个点由激光光斑的大小定义，受低至波长的大小的Abbe衍射极限和扫描光学器件的分辨率限制。作为示例，人可以考虑具有1m深的洞的部署在100m远的平坦远程物体。给定上面的参数，100m的距离产生33.3％的占空比。位于比1m更远的洞产生34.7％的占空比。对于2D扫描中的所有点进行与上述类似的计算。扫描维度可以覆盖整个角度空间(取决于物体大小和系统配置，高达360度)。
基于激光的系统和远程物体之间的介质的元素组成的远程测量
在实际场景中，当按照先前的示例已知或测量了从基于激光的系统到物体的距离时，可以使用介质的吸光度的光谱测量来测量介质的元素组成。就像用于测量生理物质的元素组成的光谱生物传感器的情况一样，基于激光器的设备和物体之间的介质可以看作是成分(例如分子)的集合体，它们各自为介质的吸收光谱提供特定的贡献。
A(λ)＝∑iA(λ)1＝A(λ)2+A(λ)3+A(λ)4+…
这里，A(λ)1,2,3,...是来自介质的不同元素成分的单独吸光度贡献。
单个吸光度可以被进一步表示为：
A(λ)＝ε1(λ)c1+ε2(λ)c2+…
其中εi是经校准的摩尔衰减系数，并且ci是浓度。
在介质的厚度为l的情况下，每种元素成分的吸光度为：
基于激光器的设备提供跨带宽的掠扫，其中存在由于C-H伸缩或C-H、O-H、N-H伸缩的组合而引起的泛音(第一、第二)或基本吸收。光穿过介质传播到物体，其中已知或测量到物体的距离，光通过介质被反射并传播回基于激光的系统，从而经过介质两次。然后，基于激光的系统检测反射的信号，并在特定于元素的波长处对每个单独的贡献进行吸光度测量，以这种方式将集合体分解成各个贡献。在光路已知、从数据库或参考测量中已知各个元素的摩尔衰减系数的情况下，测得的吸光度变化可以用于计算各个元素浓度，从而计算介质的组成。
出于安全目的的面部识别
根据本发明的实施例的基于激光器的设备可以用于提供基于面部识别的安全密钥。可以通过将用户放置在某距离处来形成远程物体(例如，用户的面部)的特定于物体(例如，特定于面部)的多维图像，该距离可以是距离基于激光的系统几厘米至几米或几十或几百米并且从基于激光器的设备朝用户的面部发射光。2D扫描优选地具有足够的点来重建适合充当独特且特定于人的图像的整个面部或面部的一部分的形貌；例如，3D扫描的范围可以从几平方厘米到几十平方厘米。面部图像可以被记录为形貌图像(参见上面的示例)，并且信息可以被存储为特定于人的安全密钥。除形貌外，人的面部特有的光谱特征(诸如纹身或生理数据)也可以与形貌组合使用。
所描述的本发明的实施例仅意欲为示例性的，并且许多变化和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。所有这些变型和修改都旨在落入所附权利要求书所限定的本发明的范围内。

Claims (37)

1.一种基于固态激光器的设备，包括：
基于固态增益介质的广泛可调谐激光器，用于发射光，所述固态增益介质包括混合地或异构地集成到IV族半导体光子集成电路芯片上的基于III-V半导体的增益芯片；
波长移位跟踪设备，用于跟踪发射光的波长移位，其中所述波长移位跟踪设备包括非平衡干涉仪和至少一个光电探测器；以及
基于固态的标准具，所述基于固态的标准具包括具有明确的透射光谱或明确的反射光谱中的至少一个的光学元件，
其中，(i)所述基于固态的标准具和所述波长移位跟踪设备被配置为使得：在所述广泛可调谐激光器的波长掠扫期间，所述基于固态的标准具和所述波长移位跟踪设备协作以提供对所述广泛可调谐激光器的绝对波长确定和控制，并且(ii)所述基于固态增益介质的广泛可调谐激光器、波长移位跟踪设备和基于固态的标准具是在单个半导体芯片内以单片方式实现的。
2.如权利要求1所述的基于固态激光器的设备，其中在波长掠扫期间，所述波长移位跟踪设备提供作为时间的函数的波长移位输出，并且固态标准具提供具有关于在掠扫期间的一个时刻的绝对波长的信息的信号的输出。
3.如权利要求2所述的基于固态激光器的设备，其中所述波长移位跟踪设备和所述基于固态的标准具的输出的组合允许在掠扫期间重建整个激光调谐曲线。
4.如权利要求1所述的基于固态激光器的设备，其中所述广泛可调谐激光器包括外腔二极管激光器，所述外腔二极管激光器包含半导体增益芯片以及以Littrow或Metcalf-Littman配置中的至少一个配置的多个自由空间光学元件。
5.如权利要求1所述的基于固态激光器的设备，其中所述广泛可调谐激光器包括外腔激光器配置，所述外腔激光器配置包括将III-V半导体增益芯片混合地或异构地集成到IV族半导体光子集成电路芯片上。
6.如权利要求5所述的基于固态激光器的设备，其中所述IV族半导体光子集成电路芯片包括绝缘体上硅、氮化硅或绝缘体上锗材料平台中的至少一种。
7.如权利要求1所述的基于固态激光器的设备，其中所述标准具包括谐振光腔，所述谐振光腔选自由分布式Bragg反射镜、分布式反馈光栅、耦合环谐振器、跑道谐振器和Fabry-Perot腔组成的组。
8.如权利要求7所述的基于固态激光器的设备，还包括：
至少一个光电探测器，
其中所述至少一个光电探测器和所述谐振光腔被配置和布置为协作以使得能够确定绝对波长。
9.如权利要求8所述的基于固态激光器的设备，其中所述至少一个光电探测器被配置和布置为使得能够在波长掠扫期间校准所述激光器的发射波长。
10.如权利要求1所述的基于固态激光器的设备，其中所述非平衡干涉仪选自由Mach-Zehnder干涉仪、多模干涉设备和Michelson干涉仪组成的组。
11.如权利要求1所述的基于固态激光器的设备，其中所述III-V半导体包括Al、Ga、In、As、Sb、P、N、Bi及其合金组合中的至少一个。
12.一种用于广泛可调谐激光器的波长确定和控制的方法，所述方法包括以下步骤：
提供基于激光器的设备，所述基于激光器的设备包括基于固态增益介质的广泛可调谐激光器、波长移位跟踪设备和固态标准具，其中(i)所述固态增益介质包括混合地或异构地集成到IV族半导体光子集成电路芯片上的基于III-V半导体的增益芯片，并且(ii)所述波长移位跟踪设备包括非平衡干涉仪和至少一个光电探测器；
用所述广泛可调谐激光器发射的光执行波长掠扫；
并行地，(i)用所述波长移位跟踪设备跟踪并记录发射光的波长移位，以及(ii)用所述固态标准具记录发射光的绝对波长值；以及
通过组合使用记录的波长移位的值与用所述固态标准具记录的绝对波长值来校准激光调谐曲线，
其中，所述基于固态增益介质的广泛可调谐激光器、波长移位跟踪设备和基于固态的标准具是在单个半导体芯片内以单片方式实现的。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述波长移位跟踪设备包括非平衡干涉仪，并且，跟踪波长移位包括使用至少一个光电探测器来监测所述非平衡干涉仪的输出端口。
14.如权利要求12所述的方法，其中至少一个光电探测器用于监测所述固态标准具的输出以确定绝对波长值。
15.如权利要求12所述的方法，还包括：
在一个波长掠扫内，结合使用记录的波长移位和记录的绝对波长值来校准整个激光波长调谐曲线。
16.一种用于对物质进行光谱感测的方法，所述方法包括：
提供如权利要求1所述的基于固态激光器的设备；
将所述基于固态激光器的设备部署成与包括所述物质的目标物体光连通；
将从所述广泛可调谐激光器发射的光传输到目标物体，其中传输的光与所述物质内的分子相互作用，并且光-分子相互作用修改传输的光的光谱特性；
用所述广泛可调谐激光器发射的光执行波长掠扫，其中发射光跨如下光谱带宽掠扫，该光谱带宽与以下中的至少一个一致：(i)C-H分子键伸缩振动的基本或第一泛音，或(ii)C-H、N-H和O-H分子键的伸缩和弯曲振动的组合，分子键伸缩和弯曲振动的吸收光谱是特定于分子的且独特的；
并行地，(i)用所述波长移位跟踪设备跟踪并记录发射光的波长移位，并且(ii)用固态标准具来记录发射光的绝对波长值；
通过组合使用记录的波长移位的值与利用所述固态标准具记录的绝对波长值来校准激光调谐曲线；
通过透射或漫反射中的至少一种收集来自目标物体的光信号；以及
处理收集到的光信号以表征所述物质。
17.如权利要求16所述的方法，其中表征所述物质包括计算所述物质中分子的浓度水平。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述浓度水平以选自由mg/dl、mmol/l和g/l组成的组的校准单位表示。
19.如权利要求16所述的方法，其中表征所述物质包括确定部署在所述物质中的至少一个分子的种类。
20.如权利要求16所述的方法，其中表征所述物质包括确定分子种类是否存在于所述物质中。
21.如权利要求16所述的方法，其中目标物体包括人体的至少一部分。
22.如权利要求21所述的方法，其中目标物体包括隔离的生理物质。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述隔离的生理物质选自由全血、血清、血浆、间质液、呼出的气体及其组合组成的组。
24.如权利要求16所述的方法，其中处理光信号包括统计回归。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述统计回归基于通过使用已知目标分子吸光度和所述物质内的相应浓度数据构建的多元偏最小二乘算法。
26.如权利要求16所述的方法，其中所述激光器是模跳变的。
27.如权利要求16所述的方法，还包括：
在一个波长掠扫内，结合使用记录的波长移位和记录的绝对波长值来校准整个激光波长调谐曲线。
28.如权利要求27所述的方法，其中波长掠扫的波长调谐函数是不连续的，并且选自如下组，该组由阶梯函数，倾斜阶梯函数，线性函数，以及阶梯函数、倾斜楼梯函数和线性函数的任意叠加组成。
29.一种用于使用基于固态激光器的设备来测量远程物体的关键指标的方法，其中所述关键指标选自由距离、速度、形貌、组成及其组合组成的组，所述方法包括：
提供如权利要求1所述的基于固态激光器的设备；
用所述广泛可调谐激光器发射的光执行波长掠扫；
并行地，(i)用所述波长移位跟踪设备跟踪并记录发射光的波长移位，以及(ii)用固态标准具和标准具光电探测器来记录发射光的绝对波长值；
通过组合使用记录的波长移位的值与用所述固态标准具记录的绝对波长值来校准激光调谐曲线；
用所述激光器发射光，其中(i)所述激光器是模跳变的并且模跳变之间的差是已知的；(ii)波长掠扫的波长调谐函数是不连续的，并且(iii)用所述激光器发射的光被分到两条路径中，第一路径的长度包括到参考物体的已知距离，并且第二路径的长度包括到远端物体的距离；
在发射的光照射到远程物体和参考物体上并从其反射之后，用所述光电探测器收集从远程物体和参考物体反射的反射光束，并且在所述光电探测器处混合反射光束，其中所述光电探测器提供振荡响应信号；以及
计算远程物体的关键指标。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述波长调谐函数选自如下组，该组由阶梯函数，倾斜阶梯函数，线性函数，以及阶梯函数、倾斜阶梯函数和线性函数的任意叠加组成。
31.如权利要求29所述的方法，其中所述振荡响应信号的振荡频率是通过以下各项定义的时间的周期函数：(i)作为所述激光器的两次模跳变之间的时间的周期；以及(ii)由所述振荡响应信号的傅里叶变换的相对幅值和所述振荡响应信号的傅里叶变换中存在的两个拍频定义的占空比。
32.如权利要求31所述的方法，还包括使用所述振荡频率的周期函数、所述波长调谐函数以及到参考物体的距离来计算以下各项中的至少一个的关键指标：(i)从基于激光的系统到远程物体的距离，以及(ii)远程物体相对于基于激光的系统的速度。
33.如权利要求32所述的方法，还包括通过以下步骤分析部署在所述激光器和所述远程物体之间的介质的化学组成：
通过使用计算出的远程物体相对于基于激光的系统的距离和速度值来计算远程物体通过介质的总光路；
通过介质的可调谐激光吸收光谱对反射的返回光束执行光谱分析；以及
确定由于特定于分子的振转分子吸收而导致的多个分子的元素贡献。
34.如权利要求29所述的方法，还包括使用至少一个关键指标来形成特定于物体的安全密钥。
35.如权利要求34所述的方法，其中计算所述至少一个关键指标包括使用2D光栅扫描。
36.如权利要求34所述的方法，还包括计算多个关键指标，所述关键指标包括从所述基于激光的系统到所述远程物体的至少一个点的距离、所述远程物体的至少一个点相对于所述基于激光的系统的速度、所述远程物体的分子组成、部署在所述远程物体和所述基于激光的系统之间的介质的分子组成、或者其组合中的至少一个。
37.如权利要求36所述的方法，还包括形成所述远程物体的特定于物体的多维图像，其中(i)图像的维度包括所述远程物体的空间外观、所述远程物体的速度、所述远程物体的化学组成、或者其组合中的至少一个，以及(ii)特定于物体的安全密钥包括所述远程物体的特定于物体的多维图像。
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