[发明专利]可调谐激光器组件

说明书

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。

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。