CN113206445A - 可调谐激光器组件 - Google Patents

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A·唐纳森
J·梅尔茨
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Abstract

描述了置于单个外壳中的可调谐激光器组件和控制方法，该方法提供了利用光学配置对宽可调谐激光器(例如MEMS可调谐VCSEL)的光谱特性进行高速监测和控制，该光学配置不会将干扰引入扫频源激光器输出光谱，干扰引入会在成像应用(例如光学相干断层扫描(OCT))中引起伪影。

Description

可调谐激光器组件
相关申请的交叉引用
本公开要求于2020年1月30日提交的、申请号为62/967,926的美国临时专利申请的权益。该美国临时专利申请62/967,926的公开内容通过引用结合于此。
技术领域
本公开总体上涉及可调谐半导体激光器，并且更具体地涉及可调谐半导体激光器的波长监测和控制。
背景技术
可调谐激光器是许多光学成像和光学感测系统中的关键组件。高性能系统需要高输出功率、宽调谐范围以及极其纯净和稳定的光谱特性。垂直腔半导体激光器(VCSEL)已被证明是这些应用的良好来源，因为它们具有单频、无模跳(mode-hop-free)的调谐特性，可提供长相干长度的激光输出。VCSEL与其他类型的可调谐半导体激光器的不同之处在于VCSEL的腔体长度足够短，以至于增益曲线下只有一个纵向模式可用于发射激光。这与平面内边缘发射可调谐激光器比较，在平面内边缘发射可调谐激光器中，在增益曲线下存在多个纵向模式，要求波长选择元件仅选择一个纵向模式发射激光。轻型微机电系统(MEMS)调谐元件的使用可在例如10nm至大于100nm的宽调谐范围内实现高扫描速率，例如10kHz至大于1MHz。VCSEL还具有吸引力，因为它们可扩展到晶圆级制造，因此成本更低。仅基于半导体增益元件和光学布拉格光栅反射器的可用性，工作波长可以包括非常宽的范围，范围从例如250nm的紫外线(UV)到例如大于5微米的许多微米。
光学成像或光学感测系统的实现需要在可调谐激光器波长扫过其调谐范围时对其的准确了解。已经使用了许多方法来表征可调谐激光器的波长，包括多点校准[1]、内置波长计[2]、带通滤波器阵列[3]、波长鉴别器阵列[4]、波长至功率校准[5]、校准器[6，7]、位置敏感检测器[8]、阵列波导光栅[9]和一系列光纤布拉格光栅[10]。这些方法确认可调谐激光器的波长调谐特性将响应于环境(例如温度、压力)和老化效应而随时间变化。由于调谐元件的固有机电特性，也可能会有短期的扫频变化(sweep-to-sweep variations)。此外，随着扫描速率的增加，波长的瞬时表征变得更加困难。现代光学成像系统，例如光学相干断层扫描(OCT)中使用的光学成像系统，采用干涉仪来测量瞬时激光波长。干涉仪的输出与高速数据采集系统相连接，可以补偿激光光谱扫描特性的任何短期变化。然而，重要的是，激光器输出的总光谱特性(例如中心波长、光带宽和光谱形状)在激光器的工作环境和寿命中保持恒定。监测和控制中心波长的典型方法是使用在中心波长附近具有单个反射峰的光纤布拉格光栅(FBG)[11]。这提供了一个用作“λ触发”的参考波长，与电子“扫频触发”(图1)相比，该参考波长通常更稳定地触发数据采集。除了尺寸和成本外，FBG的一个缺点在于FBG在温度范围内不稳定，它以～10pm/C的速率漂移，这对于波长参考来说是不期望的。
来自单空间模式可调谐VCSEL的光输出功率受到半导体外延层结构的小腔体尺寸和热特性的限制。要求输出功率在50mW或更高的范围内，以便尤其是当扫描速率增加到超过100kHz的速度时实现所需的信噪比灵敏度。可调谐激光器的高输出功率还通过使得可调谐激光器下游的低成本部件和组装技术成为可能，而降低了总系统成本。由于这些原因，有必要使用光放大器来增加VCSEL的输出功率。
低成本也是在更多数量的消费市场中实现光学成像和感测应用的必要要素，光学成像和感测应用例如为机器人机器视觉、自动驾驶和家庭健康护理OCT应用。
根据本公开实施例的以下新颖概念提供了基于VCSEL、半导体光学放大器和包括光学滤波器和校准器的大光学部件的、高稳定性、低成本、可调谐的激光器组件。这些概念适用于光泵(optically-pumped)和电泵(electrically-pumped)VCSEL。
发明内容
为了在诸如家庭健康护理OCT、自动驾驶和机器人机器视觉的领域中使扫频源激光成像(swept-source laser imaging)、激光雷达和计量学应用得到广泛采用，扫频源激光器(swept-source laser)的成本必须显著减少。降低光电部件成本的主要方法是在公共封装平台上将尽可能多的子部件进行光电集成。光电部件的大部分成本不在于半导体芯片本身，而是在于将光对准、附着并最终耦合到终端用户光纤中的制造过程以及子部件。昂贵的密封、温度可控的镀金封装必须包含尽可能多的部件和功能，才能分摊镀金封装和热电冷却器(TEC)的成本。
各种光电部件的集成在性能折衷以实现减小的尺寸和成本方面也提出了独一无二的挑战。对于扫频源激光器，必须完成集成的波长监测控制功能，而不会对扫频源激光器输出光谱引入干扰，引入干扰会在最终的系统测量和/或图像中造成伪影。例如，OCT成像系统对光路中的反射敏感，该反射引起寄生校准器，从而导致低于主信号50dB或更多dB的伪影。
本公开的一个实施例提供了一种容纳在单个外壳中的可调谐激光器组件，其中利用光学配置来监测可调谐VCSEL的中心波长和调谐带宽，该光学配置不会将干扰引入扫频源激光器输出光谱，干扰引入会在OCT图像中造成伪影。
各种光电部件的集成受到尺寸要求的约束。本公开的另一个实施例提供了容纳在单个外壳中的可调谐激光器组件，其中可调谐VCSEL的中心波长和调谐带宽被监测，并且VCSEL芯片、监测器光电二极管和温度传感器都被安装在公共基板上。
小尺寸的各种光电部件的集成还提出了在某些部件之间进行光隔离的需要，以避免可能降低性能或潜在损坏激光器的反射。本公开的另一个实施例提供了一种容纳在单个外壳中的可调谐激光器组件，其中在不采用不可逆的法拉第效应材料的情况下实现了光隔离。
本公开的一个实施例提供一种可调谐激光器组件，包括：可调谐半导体激光器芯片，用于发射可调谐激光辐射；分束器；至少一个波长监测光学元件；至少一个光检测器；半导体光放大器；以及至少一个光隔离器；其中所述可调谐半导体激光器芯片、所述分束器、所述至少一个波长监测光学元件、所述至少一个光检测器、所述半导体光放大器、以及所述至少一个光隔离器安装在公共底板(baseplate)上；以及其中所述至少一个波长监测光学元件产生被用于监测和控制可调谐激光辐射的绝对波长和光带宽中的至少一者的信号。
本公开的一个实施例提供一种用于控制扫频源可调谐激光器的中心波长和光带宽的方法，该方法使用来自由参考光学波长滤波器和光学元件产生的信号的时序信息，该光学元件产生与几乎等间隔的波数相对应的信号脉冲。
本公开的一个实施例提供一种稳定的激光器，包括：可调谐半导体激光器芯片，用于发射可调谐激光辐射；分束器；至少一个波长监测光学元件；至少一个光检测器；半导体光放大器；至少一个光隔离器；以及闭环控制器；其中，可调谐半导体激光器芯片、分束器、至少一个波长监测光学元件、至少一个光检测器、半导体光放大器和至少一个光隔离器安装在公共底板上；以及其中，至少一个波长监测光学元件产生被输入给闭环控制器的信号，并且该闭环控制器对可调谐激光辐射的绝对波长和光带宽进行稳定。
本发明的一个实施例提供一种扫频源光学相干断层扫描系统，包括稳定的激光器、光学相干断层(OCT)干涉仪和OCT检测器，其中，稳定的激光器包括：可调谐半导体激光器芯片，用于发射可调谐激光辐射；分束器；至少一个波长监测光学元件；至少一个光检测器；半导体光放大器；至少一个光隔离器；以及闭环控制器；其中，可调谐半导体激光器芯片、分束器、至少一个波长监测光学元件、至少一个光检测器、半导体光放大器和至少一个光隔离器安装在公共底板上；以及其中，至少一个波长监测光学元件产生被输入给闭环控制器的信号，并且该闭环控制器对可调谐激光辐射的绝对波长和光带宽进行稳定；其中，可调谐激光辐射的至少一部分被引导到OCT干涉仪，并且OCT干涉仪的输出被引导到用于产生OCT干涉图的OCT检测器。
附图说明
图1是根据现有技术的具有基于光纤布拉格光栅的中心波长监测的可调谐激光器组件的框图。
图2是根据本公开实施例的高度稳定、低成本、可调谐激光器组件设计的示意图。
图3示出了用于确定分束器元件的尺寸的考虑因素和光学配置。
图4示出了根据本公开另一实施例的可调谐激光器组件设计。
图5示出了根据本公开另一实施例的可调谐激光器组件设计。
图6示出了根据本公开另一实施例的可调谐激光器组件设计。
图7示出了根据本公开另一实施例的可调谐激光器组件设计。
图8示出了根据本公开另一实施例的可调谐激光器组件设计。
图9示出了根据本公开另一实施例的可调谐激光器组件设计。
图10示出了根据一个实施例的扫描轨迹的曲线图。
图11示出了根据一个实施例的设备从开始波数移动到结束波数所需时间的度量。
图12A和12B分别示出了具有和不具有光带宽控制的MEMS-VCSEL的操作。
图13是根据本公开实施例的具有闭环控制器的高度稳定的可调谐激光器的示意框图。
图14A和14B是示例性扫频源OCT系统的示意框图。
具体实施方式
旨在结合附图阅读根据本公开原理的说明性实施例的描述，这些附图被认为是整个书面描述的一部分。在本文公开的本公开的实施例的描述中，对方向或方位的任何引用仅是为了描述的方便，而不是以任何方式限制本公开的范围。相关术语，例如“下方”、“上方”、“水平的”、“垂直的”、“在……之上”、“在……之下”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及它们的派生词(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应解释为指的是当时所描述的方位或在所讨论的附图中所示的方位。这些相关术语仅是为了便于描述，并不需要以特定的方位来构造或操作该装置，除非如此明确指出。诸如“附着的”、“粘着的”、“连接的”、“耦合的”、“互连的”等类似的术语是指一种关系，其中结构通过中间结构直接或间接彼此固定或附着，以及两者可活动或刚性附着或关系，除非另有明确说明。此外，本公开的特征和优点通过参考示例性实施例进行说明。因此，本公开明确地不应该限于这些示例性实施例，这些示例性实施例示出了可以单独存在或以特征的其他组合形式存在的特征的组合；本公开的范围由所附的权利要求书限定。
本公开描述了目前设想的实施本公开的一个或多个最佳模式。该描述并非旨在以限制性的意义来理解，而是提供了本公开的示例，其通过参考附图仅出于说明性目的而提出，以向本领域的普通技术人员建议本公开的优点和构造。在附图的各种视图中，相似的参考字符表示相似或类似的部件。
图2是将可调谐VCSEL芯片、半导体放大器芯片和波长监测部件均安装到公共底板220上的可调谐激光器组件的示意图。底板的温度通过包括热电冷却器(TEC)210和温度传感器105的反馈回路保持，温度传感器105附着在底板上并通过与外部封装管脚253的电连接155连接到外部控制电路。如图2所示，根据本公开实施例的可调谐激光器组件包括包含可调谐VCSEL芯片100和半导体光放大器(SOA)芯片170的外壳200。来自可调谐VCSEL的激光辐射通过准直透镜110和聚焦透镜165耦合到SOA输入波导中。光隔离器160插在VCSEL和SOA之间，以防止来自SOA的向后传播的激光辐射(例如，放大的自发发射(ASE)和/或放大的反射信号)在可调谐VCSEL芯片上的SOA与顶部镜(top mirror)之间建立潜在的激光腔。来自SOA输出波导的放大的激光辐射通过光学透镜180、通过外壳壁240中的窗口传播，并耦合到光输出光纤230中。输出光隔离器190插入在SOA输出和光纤之间，以防止反射从光纤和光纤下游的部件传播回SOA。
为了同时监测可调谐光谱的绝对波长和带宽，提供了两条光学监测路径，其包括波长监测光学元件，该波长监测光学元件包括陷波滤波器130和校准器195。分束器120引导来自可调谐VCSEL的激光辐射的一部分，使得其以一定角度入射在陷波滤波器(NF)130上。除了被反射并入射到光检测器151上的窄带以外，大部分可调谐光谱通过陷波滤波器传输。来自光检测器151的信号通过与外部封装管脚251的电连接153连接到外部绝对波长监测器电路。绝对波长是参考窄带陷波反射剖面确定的，该剖面可以针对外部源进行校准。通过保持光检测到的窄带陷波反射剖面相对于已知定时参考(例如电子扫描触发器)的相对定时，可调谐光谱的特定部分的绝对波长(例如中心波长)可以是相对于触发器保持随时间恒定。窄带陷波反射剖面的温度依赖性通过底板温度的TEC控制得以最小化。本领域技术人员将理解，对中心波长的控制并不意味着必须监测准确的中心波长，可调谐激光光谱的任何部分都可以用作参考，但靠近中心的那些波长因为存在较大的控制信号而是优选的。本领域技术人员还将认识到，存在几种用于创建陷波滤波器的方法，陷波滤波器指的是传输其指定波长光谱的大部分并且高度反射光谱的窄带部分的滤波器。布拉格光栅是陷波滤波器最流行的设计，可以使用常规的介电薄膜沉积或全息技术(例如在体全息光栅(VHG)中也称为体布拉格光栅(VBG))来实现。陷波滤波器的光纤版本，即布拉格光纤光栅(FBG)，经常用于可调谐激光器中以提供用于对扫描进行触发/控制的绝对波长参考。与FBG相比，本实施例中的自由空间陷波滤波器的优点是尺寸更小、与自由空间集成兼容，并且事实上只需与其他光学部件一起安装在公共底板上即可对其进行温度控制。对FBG进行温度稳定是更加困难、笨重且昂贵的。
为了监测可调谐光谱的带宽(“光带宽”或“带宽”)，使通过陷波滤波器130传输的光信号以一定角度入射在部分反射镜(M)140上。来自该镜的反射信号通过物理长度为L的校准器195传播并入射到光检测器152上。来自光检测器152的信号通过与外部封装管脚250的电连接154连接到外部光带宽监测器电路。当可调谐VCSEL扫过光谱时，来自光检测器152的输出信号由一系列脉冲组成，这些脉冲中相邻最大值之间的光学频率间隔(Δf)由校准器的自由光谱范围(FSR)确定：Δf＝c/2nL，其中c是真空中的光速，而n是校准器的折射率。相应的波长间隔(Δλ)由Δλ＝λ2/2nL给出，它不是恒定的，而是随激光调谐变化的。对于以1300nm的中心波长操作的可调谐激光器，由BK-7玻璃(n＝1.5)和L＝2.0mm制成的校准器的近似波长间隔为0.28nm。因此，由校准器产生的一系列脉冲提供了一种以由校准器的FSR确定的分辨率来测量光信号的带宽的方法。通过控制相对于已知参考(例如内部扫描触发器或来自窄带陷波滤波器反射剖面的绝对波长参考)发生的定义数量的脉冲的时序，外部电路可以控制并保持可调谐激光器的光带宽恒定。具有比玻璃更高的折射率的其他材料(例如LiNbO3，GaAs，Si或InP)可以用于校准器，并具有尺寸更紧凑和条纹对比度更高的优点。
除了监测可调谐光谱的绝对波长和带宽之外，还期望监测来自可调谐VCSEL的输出功率。可以从来自光检测器152的由校准器产生的信号获得与光输出功率成比例的信号。然而，为了获得没有因校准器失真的信号，如图2所示，部分反射镜140将减去窄带陷波反射剖面的全部光谱传输到光检测器158。来自光检测器158的信号通过与外部封装管脚252的电连接155连接到外部光带宽监测器电路。在一个实施例中，单个光检测器151和152被示出安装在公共基板(substrate)150上，而光检测器158被示出独立地安装在基板156上。本领域技术人员认识到，这些附图仅是说明性的，并且存在许多光检测器的配置，例如151和152可以是安装在基板上的2元件单片光检测器阵列，或者所有三个光检测器151、152和158可以是安装在基板上的3元件阵列，或者所有三个光检测器151、152和158可以是安装在单个基板上的单个光检测器。
波长监测光学元件必须被设计为防止在光路中引入反射，该反射在波长调谐光谱中产生扰动。光束中进入激光输出信号的任何多个传播路径在任何OCT成像系统中都将显示为伪影。分束器120是特别敏感的部件，因为它直接放置在主激光束光路中。为了防止来自分束器的多径反射，分束器的厚度必须足够大，以防止分束器内的二次反射耦合到激光输出信号中。在图3所示的实施例中，分束器120的厚度d被选择，使得与主光束121平行的次反射光束122具有足够大的偏移O，以致于由于其以一定角度到达SOA输入处而不能有效地耦合到SOA 170中。例如，以分束器为BK7玻璃(n＝1.5)，并假设传播的准直高斯光束具有大约170μm的模场半径(mode field radius)，则d＝0.75mm或更大的厚度将提供超过50dB的二次反射光束耦合到SOA放大器芯片中。分束器的二次反射也可以传播到波长监测电路中，并使波长监测信号失真。必须选择分束器的厚度，以使二次光束偏移p和q足够大，以便无论是在前向传输中还是在通过波长监测光检测器151和152的检测中，二次光束都不会对主光束增加不必要的干扰。需要使用大于或等于0.75mm的分束器厚度，以利用容易获得的光学部件来构建实用的设计；这样的厚度在BK7玻璃中可以创建大约570μm的波束偏移，通过对准直透镜110的合适选择，该偏移可容易地将初级和二次光束之间的交叉耦合抑制到低于-50dB。
在本公开的另一个实施例中，如图4所示，将四分之一波偏振波片300和偏振器310插入VCSEL 100和SOA 170之间，以防止来自SOA的向后传播的激光辐射(例如，放大的自发发射(ASE)和/或放大的反射信号)在可调谐VCSEL芯片上的SOA和顶部镜之间建立潜在的激光腔。偏振器和四分之一波偏振波片的这种组合将VCSEL的线性偏振输出光转换为圆偏振，从而使输出功率损失了3dB。然而，其无需使用法拉第旋转器材料就可以在SOA和VCSEL之间提供光学隔离，而法拉第旋转器材料通常很昂贵并且可能具有很高的光学损耗。
在本公开的另一个实施例中，如图5所示，将光隔离器160插入VCSEL100和分束器120之间。这种配置的优点在于，除了在VCSEL和SOA之间提供光学隔离之外，隔离器还减少了波长监测部件(滤波器、校准器和光检测器)的背向反射的影响，从而防止干扰VCSEL和产生伪影。
在本公开的另一个实施例中，如图6所示，将四分之一波偏振波片300和偏振器310插入VCSEL 100和分束器120之间。这种配置的优点在于，除了在SOA和VCSEL之间提供光学隔离之外，该四分之一波偏振波片/偏振器的组合减少了波长监测部件(滤波器、校准器和光检测器)的背向反射的影响，从而防止干扰VCSEL和产生伪影。偏振器和四分之一波偏振波片的这种组合将VCSEL的线性偏振输出光转换为圆偏振，从而使输出功率损失了3-dB。然而，其无需使用法拉第旋转器材料就可提供光学隔离，而法拉第旋转器材料通常很昂贵并且可能具有很高点光损耗。
在本公开的另一个实施例中，如图7所示，陷波滤波器130被带通滤波器430代替。与通常在反射模式下操作的陷波滤波器相比，带通滤波器在传输模式下操作以产生用于中心波长控制的光脉冲。分束器120引导来自可调谐VCSEL的激光辐射的一部分，使其以一定角度入射在部分反射镜(M)440上。镜440反射激光辐射的一部分通过校准器195，并入射到光检测器452上。来自光检测器452的信号通过与外部封装管脚460的电连接454连接到外部光带宽监测器电路。该镜将其余的激光辐射传输通过带通滤波器430。可调谐光谱的大部分被带通滤波器吸收或被反射，但窄带除外，该窄带被传输并入射到光检测器451上。来自光检测器451的信号是通过与外部封装管脚461的电连接453将其连接到外部绝对波长监测器电路。绝对波长是通过参考窄带通传输剖面确定的，该窄带通传输剖面可以针对外部源被校准。通过保持光检测到的带通传输剖面相对于诸如扫描触发发生器之类的已知定时参考的相对定时，可调谐光谱的特定部分的绝对波长(例如，中心波长)可以保持随时间恒定。通过底板220温度的TEC控制，使带通滤波器传输剖面的温度依赖性最小。本领域技术人员将认识到，存在几种用于创建窄光学带通滤波器的方法，窄光学带通滤波器指的是反射或吸收其指定波长光谱的大部分并且仅传输该光谱的窄带部分的滤波器。设计有耦合Fabry-Perot腔的多层介电滤波器是一种常见设计，其带通滤波器的形状可以通过选择Fabry-Perot腔的数量进行定制。带通滤波器的确切形状取决于许多因素，例如激光扫描速率、检测电子设备的带宽以及针对所生成的触发信号的允许的电抖动要求。当激光调谐信号扫过带通滤波器或陷波滤波器的边缘时，通过检测激光调谐信号所产生的电信号的跃迁率(transition rate)越快，则关于触发信号的抖动就越低。对于以100kHz重复频率和70％占空比在100nm光带宽上以恒定速率扫描的激光，带宽为1nm@FWHM和10nm@-20dB的带通滤波器将产生中心波长脉冲，跃迁时间(transition time)为4.5nm*(7us/100nm)＝315ns。为了使触发抖动保持低于20pm峰峰值，光学滤波器的滤波器边缘必须具有陡峭的滚降，这可以通过带宽为0.5nm(FWHM)和1nm全宽度@-20dB的滤波器实现。对于带通滤波器，带宽是传输带宽，对于陷波滤波器，带宽是反射带宽。
在本公开的另一个实施例中，如图8所示，来自带通滤波器630的带外反射提供入射在校准器195上并用于带宽监测的信号。分束器120引导来自可调谐VCSEL的激光辐射点一部分，使其入射到带通滤波器630上。激光辐射的窄带光谱传输通过带通滤波器，并入射到光检测器151上。来自光检测器151的信号通过与外部封装管脚654的电连接653连接到外部绝对波长监测器电路。绝对波长是通过参考窄带通传输剖面确定的，该窄带通传输剖面可以针对外部源被校准。带通滤波器的设计使得可调谐激光辐射光谱的大部分都从带通滤波器反射。该反射信号通过分束器120返回并通过校准器195，并入射到光检测器152上。来自光检测器152的信号通过与外部封装引脚253的电连接154连接到外部光带宽监测器电路。在这个紧凑的实施例中，转向镜640和645使得光检测器151和152、VCSEL芯片和温度传感器340能够被附着到公共基板330。本领域技术人员将认识到，其他光学配置也可以可能不使用转向镜，并且光检测器、VCSEL芯片和温度传感器也可能不共享公共基板。
在本公开的另一个实施例中，如图9所示，可调谐VCSEL芯片700被泵激光器(bumplaser)710光学泵浦。泵浦辐射(bump radiation)通过分色镜(DM)720被引导到VCSEL芯片，该分色镜基本上以泵浦波长(例如780nm、850nm、980nm、1300nm)反射，但传输宽带VCSEL信号波长(例如1000-1100m、1250-1350nm、1450-1600nm)。分色镜位于VCSEL芯片700和分束器120之间，分束器120分出可调谐激光辐射的一部分，以实现光学波长监测功能。本领域技术人员将认识到，其他光学配置也是可能的，例如，分束器可以位于VCSEL芯片和分色镜之间。可替换地，VCSEL芯片可以从芯片的背面进行光学泵浦，从而消除了对分色镜的需求。众所周知，可调谐激光器发射的质量取决于泵激光器的质量。对于诸如OCT等要求苛刻的应用，泵激光器必须是单频激光器，例如分布式反馈(DFB)、分布式布拉格反射器(DBR)、Y分支或其他外腔激光器，例如体全息光栅(VHG)稳定的激光器。
存在几种可能的方法来使用陷波/带通滤波器和校准器产生的信号以分别控制绝对波长(中心波长)和调谐光带宽。MEMS-VCSEL扫频激光源的开环操作在长工作时间帧和/或不断变化的环境条件下保持稳定输出方面存在许多挑战。MEMS结构中的长期充电效应会导致施加到设备的有效电压改变。由于MEMS结构是静电控制的移动膜，因此电极上的电压与反射镜位置之间的关系是高度非线性的。在工作DC电平中的轻微变化会导致扫描剖面发生较大变化，并最终导致给定时间窗范围内包含的总带宽发生较大变化。另外，设备的机械阻尼对周围环境高度敏感。可以应用开环校准/校正，但是这些都要求大量的生产表征程序和长期测试。
为了实现鲁棒和长期工作，期望使用光参考信号来监测并随后控制至可调谐MEMS元件的高压驱动信号，从而在所有工作条件和时间范围内保持扫描带宽。该光信号用于生成时序信息，该时序信息与光带宽和整个扫描轨迹直接相关。如图10所示，带宽损失或增益的典型机制主要是扫描速度改变。由于定义的活动扫描周期通常由其他系统参数固定，因此扫描速度的任何变化都会直接导致给定时间窗内整个扫描带宽的变化。在此假设下，可以表明控制对定义的带宽(图10中的lambda2-lambda1)进行扫描所需的时间差(图10中的t2-t1)足以维持可调谐扫频源MEMS-VCSEL的总带宽。
光学校准器可以用于(通过零交叉检测)产生电脉冲，每个电脉冲对应于几乎等间隔的波数。然后电子计数器电路可用于生成设备从起始波数移动到结束波数所需的时间(deltaT)的量度，如图11所示。计数器电子设备与校准器结合使用允许通过选择可编程的“第N个”脉冲作为控制标记，来将非常精细的分辨率和可调整的定时“标记”放置在扫描轨迹内的理想位置处。与使用固定波长参考(陷波滤波器、带通滤波器)相比，这种用于标记扫描终点的实现方式具有很高的优势，其中固定波长参考由于绝对扫描波长的变化、扫描速率差异和/或不同的带宽要求而不够灵活，无法为所有MEMS-VCSEL器件选择合适的终点。为了确保绝对的波长精度，计时器起始点(t1，lambda1)由参考λ滤波器(即陷波或带通滤波器)生成，而第二个计时标记(t2)由校准器生成，从而选择适当的“第N个”脉冲用于带宽控制。由计数器电子器件1320生成的deltaT可以用作比例积分微分控制算法(PID)中的反馈，以实现闭环控制器1300，如图13所示。PID1310测量deltaT与对应于期望带宽的参考时间(refT)之间的差异。将调谐系数应用于该差异，以生成PID输出，该PID输出调整驱动可调谐激光器组件1350中的MEMS-VCSEL 1360的高压信号1330的增益1340。这将deltaT和refT之间的差异最小化，从而保持了期望的光带宽。可以将这种相同方法应用于任何类型的可调谐扫频源激光器中，并且不限于本公开中的集成光学组件实施例。例如，FBG可以用作参考λ滤波器，而具有多个反射峰的马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪(MZI)或FBG可以以与校准器类似的方式使用，以获取相同的时序信息用于后续控制算法。
在前面部分中描述的光带宽控制方法的应用在图12A和图12B中进行了说明，图12A和图12B分别示出了不具有带宽控制和具有带宽控制的MEMS_VCSEL的操作。在没有带宽控制的情况下，随着DC偏置工作点缓慢漂移，带宽在20个小时内将发生约-5％的变化(图12A)。通过采用带宽控制方法可以消除带宽的这种变化(图12B)。
光学相干断层扫描(OCT)是一种非侵入性的干涉光学成像技术，其可以生成组织和其他散射或反射材料的微米分辨率2D和3D图像。在医学、生物学研究、工业检查、计量学和质量保证等领域的应用中，OCT可用于地下成像、表面轮廓分析、运动表征、流体流动表征、折射率测量、双折射表征、散射表征、距离测量以及动态过程的度量。OCT的最常见实现是光谱/傅立叶域OCT(SD-OCT)，它使用宽带光源、干涉仪和光谱仪。OCT的另一种实现是扫频源OCT(SS-OCT)。SS-OCT使用可调谐激光器(有时称为波长扫描激光器)、干涉仪、OCT检测器和高速模数(A/D)转换器。可调谐激光器适时地扫描发射波长，该发射波长被用作OCT干涉仪的输入。OCT干涉图是通过将来自样品臂的光与来自OCT干涉仪中的参考臂的光进行干涉和检测而形成的，OCT干涉图通过OCT检测器对其进行检测，并通过A/D转换器将其数字化。处理数字化的干涉图会产生样品的反射率与深度的关系曲线，称为A扫描。可以获得多个A扫描以生成二维OCT图像或三维OCT体积。
图14A和14B示出了示例性扫频源OCT系统的示意图。取决于操作的波长，基于耦合器或基于组合的耦合器和环行器的干涉仪可能是首选的。图14A示出了扫频源OCT系统1400，其中来自可调谐激光器1405的光被引导到耦合器1410，该耦合器对样本路径1415和参考路径1420之间的光进行分离。来自样本路径1415的光和来自参考路径1420的光在路径干扰元件1425处被组合并被引导到OCT检测器1430。来自OCT检测器1430的电信号被A/D转换器1435数字化。图14B示出了扫频源OCT系统1450，其中来自可调谐激光器1455的光被引导到耦合器1460，该耦合器在包括光环行器1467的样本路径1465与包括光环行器1472的参考路径1470之间分离光。来自样本路径1465的光和来自参考路径1470的光在路径干涉元件1475处被组合并被引导到OCT检测器1480。来自OCT检测器1480的电信号被A/D转换器1485数字化。虽然图14示出了普通的OCT系统拓扑，但是其他OCT系统拓扑也是可能的，包括使用未在图14中示出的耦合器和光环行器的各种组合。SS-OCT系统中的组件可以是光纤组件、自由空间组件、光子集成电路(PIC)和平面光波电路(PLC)中的任何一种或任意组合。
已经相对于几个所描述的实施例以某种长度和某些特殊性描述了本公开，但并非意图将本公开限制于任何这样的细节或实施例或任何特定的实施例，而应解释为本公开参照所附权利要求，以便鉴于现有技术提供对此类权利要求的最广泛可能的解释，并因此有效地涵盖本公开的预期范围。此外，前述内容根据发明人所预见的实施例描述了本公开，尽管对于本公开的非实质性修改(目前尚未预见)仍然可以与其等同，但是使能描述是可行的。
引用文献：
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[11]SL10 and SL13 Series MEMS-VCSEL Swept Sources–User Manual,www.thorlabs.com。

Claims (44)

1.一种可调谐激光器组件，包括：
可调谐半导体激光器，用于发射可调谐激光辐射；
分束器；
至少一个波长监测光学元件；以及
至少一个光检测器；
半导体光放大器；以及
至少一个光隔离器；
其中，所述可调谐半导体激光器、所述分束器、所述至少一个波长监测光学元件、所述至少一个光检测器、所述半导体光放大器、以及所述至少一个光隔离器均安装在公共底板上；以及其中，所述至少一个波长监测光学元件产生被用于监测所述可调谐激光辐射的绝对波长和光带宽中的至少一者的信号。
2.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述可调谐半导体激光器是可调谐微机电系统-垂直腔半导体激光器(MEMS-VCSEL)。
3.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述分束器被配置为将所述可调谐激光辐射的一部分引导至所述至少一个波长监测光学元件，但不会在激光器输出中引入反射伪影。
4.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述分束器的厚度大于0.75mm。
5.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个波长监测光学元件包括陷波滤波器。
6.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个波长监测光学元件包括陷波滤波器和校准器。
7.根据权利要求5所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个光检测器包括安装在公共基板上的至少两个光检测器。
8.根据权利要求7所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少两个光检测器包括具有单片多元件阵列的元件。
9.根据权利要求5所述的可调谐激光器组件，其中，所述可调谐半导体激光器和所述至少一个光检测器被安装在公共基板上。
10.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个波长监测光学元件包括带通滤波器。
11.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个波长监测光学元件包括带通滤波器和校准器。
12.根据权利要求10所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个光检测器包括安装在公共基板上的至少两个光检测器。
13.根据权利要求12所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少两个光检测器包括具有单片多元件阵列的元件。
14.根据权利要求10所述的可调谐激光器组件，其中，所述可调谐半导体激光器和所述至少一个光检测器被安装在公共基板上。
15.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个光隔离器位于所述可调谐半导体激光器与所述分束器之间。
16.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个光隔离器包括四分之一波偏振波片和偏振器。
17.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个波长监测光学元件提供如下脉冲，也即所述脉冲能够通过在所述激光器扫过波长范围时观察所述脉冲的时序和数量来控制所述激光辐射的绝对波长和光带宽。
18.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述公共底板的温度通过包括热电冷却器(TEC)和附着到所述公共底板的温度传感器的反馈回路来保持。
19.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述可调谐半导体激光器被光学泵浦。
20.根据权利要求19所述的可调谐激光器组件，其中，所述可调谐半导体激光器由单频激光器进行光学泵浦。
21.根据权利要求20所述的可调谐激光器组件，其中，所述单频泵浦激光器包括分布式反馈激光器(DFB)、分布式布拉格反射器激光器(DBR)、Y分支激光器、或体全息光栅(VHG)稳定的激光器中的一者。
22.根据权利要求19所述的可调谐激光器组件，其中，所述可调谐半导体激光器是光学泵浦的MEMS-VCSEL。
23.一种用于控制扫频源可调谐激光器的绝对波长和光带宽的方法，该方法使用来自由参考光学波长滤波器和光学元件产生的信号的时序信息，该光学元件产生与几乎等间隔的波数相对应的信号脉冲。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，产生与几乎等间隔的波数相对应的信号脉冲的所述光学元件包括校准器。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，产生与几乎等间隔的波数相对应的信号脉冲的所述光学元件包括马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪。
26.根据权利要求23所述的方法，其中，产生与几乎等间隔的波数相对应的信号脉冲的所述光学元件包括具有多个透射峰的光纤布拉格光栅(FBG)。
27.一种稳定的激光器，包括：
可调谐半导体激光器，用于发射可调谐激光辐射；
分束器；
至少一个波长监测光学元件；
至少一个光检测器；
半导体光放大器；
至少一个光隔离器；以及
闭环控制器；
其中，所述可调谐半导体激光器、所述分束器、所述至少一个波长监测光学元件、所述至少一个光检测器、所述半导体光放大器、以及所述至少一个光隔离器均安装在公共底板上；以及其中，所述至少一个波长监测光学元件产生被输入给所述闭环控制器的信号，而且所述闭环控制器对所述可调谐激光辐射的绝对波长和光带宽进行稳定。
28.根据权利要求27所述的稳定的激光器，其中，所述可调谐半导体激光器是可调谐微机电系统-垂直腔半导体激光器(MEMS-VCSEL)。
29.根据权利要求27所述的稳定的激光器，其中，所述可调谐半导体激光器是光学泵浦的MEMS-VCSEL。
30.根据权利要求27所述的稳定的激光器，其中，所述闭环控制器基于来自由所述至少一个波长监测光学元件产生的所述信号的时序信息来实现比例-积分-微分(PID)算法。
31.根据权利要求30所述的稳定的激光器，其中，所述至少一个波长监测光学元件包括参考光学波长滤波器和产生与几乎等间隔的波数相对应的信号脉冲的光学元件。
32.根据权利要求31所述的稳定的激光器，其中，产生与几乎等间隔的波数相对应的信号脉冲的所述光学元件包括校准器。
33.根据权利要求31所述的稳定的激光器，其中，产生与几乎等间隔的波数相对应的信号脉冲的所述光学元件包括马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪。
34.根据权利要求27所述的稳定的激光器，其中，所述分束器被配置为将所述可调谐激光辐射的一部分引导至所述至少一个波长监测光学元件，但不会在激光器输出中引入反射伪影。
35.根据权利要求27所述的稳定的激光器，其中，所述分束器的厚度大于0.75mm。
36.一种扫频源光学相干断层扫描系统，包括：
稳定的激光器，包括：
可调谐半导体激光器，用于发射可调谐激光辐射；
分束器；
至少一个波长监测光学元件；
至少一个光检测器；
半导体光放大器；
至少一个光隔离器；以及
闭环控制器；
其中，所述可调谐半导体激光器、所述分束器、所述至少一个波长监测光学元件、所述至少一个光检测器、所述半导体光放大器、以及所述至少一个光隔离器均安装在公共底板上；以及其中，所述至少一个波长监测光学元件产生被输入给所述闭环控制器的信号，而且所述闭环控制器对所述可调谐激光辐射的绝对波长和光带宽进行稳定；
光学相干断层扫描(OCT)干涉仪；以及
OCT检测器；
其中，所述可调谐激光辐射的至少一部分被引导到所述OCT干涉仪，并且所述OCT干涉仪的输出被引导到用于产生OCT干涉图的所述OCT检测器。
37.根据权利要求36所述的扫频源光学相干断层扫描系统，其中，所述可调谐半导体激光器是可调谐微机电系统-垂直腔半导体激光器(MEMS-VCSEL)。
38.根据权利要求36所述的扫频源光学相干断层扫描系统，其中，所述可调谐半导体激光器是光学泵浦的MEMS-VCSEL。
39.根据权利要求36所述的扫频源光学相干断层扫描系统，其中，所述闭环控制器基于来自由所述至少一个波长监测光学元件产生的所述信号的时序信息来实现比例-积分-微分(PID)算法。
40.根据权利要求36所述的扫频源光学相干断层扫描系统，其中，所述至少一个波长监测光学元件包括参考光学波长滤波器和产生与几乎等间隔的波数相对应的信号脉冲的光学元件。
41.根据权利要求40所述的扫频源光学相干断层扫描系统，其中，产生与几乎等间隔的波数相对应的信号脉冲的所述光学元件包括校准器。
42.根据权利要求40所述的扫频源光学相干断层扫描系统，其中，产生与几乎等间隔的波数相对应的信号脉冲的所述光学元件包括马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪。
43.根据权利要求36所述的扫频源光学相干断层扫描系统，其中，所述分束器被配置为将所述可调谐激光辐射的一部分引导至所述至少一个波长监测光学元件，但不会在激光器输出中引入反射伪影，该反射伪影在所述OCT图像中引起伪影。
44.根据权利要求43所述的扫频源光学相干断层扫描系统，其中，所述分束器的厚度大于0.75mm，而且所述OCT图像中的所述伪影比主信号低50dB或更多。
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