VCSEL掃頻源

使用快速波長可調諧激光器（qì），可以在KHZ-MHZ線掃描（miáo）速（sù）率下以低至微米的精度和高達數百米（mǐ）的範（fàn）圍進行（háng）三維（wéi）光（guāng）學成像（xiàng）。這對於非侵入性醫學成像特別有用，但也擴展到（dào）其他一些（xiē）應用，如工業成（chéng）像和激光雷達。

從光通信到激光材料加工（gōng），激（jī）光在我們的日常生活中無處（chù）不在。與大（dà）多數（shù）激光器相比，波長可調諧（xié）激光器的不同之處在於波（bō）長的可調諧性是期望的和受控的效果。

OCTLIGHT專注於基於（獨有技術）波長可調諧激光技術的VCSEL掃描源[1]。

• 我們的VCSEL激光技（jì）術能夠實時實現表麵和（hé）地下的全3D成像
• 我們的產（chǎn）品用作眼科應用的OCT掃描源

光學相幹斷層掃描（OCT）是一種（zhǒng）非侵（qīn）入性成像（xiàng）技術，可提供物體和組織（zhī）內部的視圖（tú）。OCT背後（hòu）相幹檢測的基（jī）本原理（lǐ）和優勢在眼科成像（xiàng）之外的幾個應用領域都（dōu）有應用，如用於（yú）自主係統（tǒng）的計量和3D視（shì）覺。相幹檢測也是光頻域反（fǎn）射法（OFDR）和調頻連續波（FMCW）的原理，見圖1。

圖1：相幹探測示意圖：波長可調激光器被分割為參考，再次組合的樣本/場景及其與光電探測器的檢測，由數字化儀和快速傅立葉變換獲取，得出距離（lí）（+速度）

波長可調光源的類型：

掃頻源技術主（zhǔ）要可以通過四種類型的波長可（kě）調諧激光器來實（shí）現（xiàn）[2]：

• 外（wài）腔激光器（ECL）
• 傅立葉域模式鎖定激光器（FDML）
• 分段光柵分布式布拉格反（fǎn）射器（SG-DBR）
• 垂直腔麵發射（shè）激光器（VESEL）

外腔激光器（ECL）：

外腔激光器（qì）（下述簡（jiǎn）稱：ECL）是一種基於光學增益芯片和外反射鏡的成熟技術。ECLS由於腔長而對掃描速（sù）率具有固有（yǒu）的限製。激光是由波（bō）長掃描時的自發發射建（jiàn）立的，這導致成（chéng）像範圍（相幹長度）隨著（zhe）掃描速（sù）率的增加而減小，從而（ér）將掃描速率限製在400kHz左右。短腔ECL還可以表現出周期性脈衝串，該脈衝串通過相幹恢複從聚焦透鏡等表麵（miàn）生成重影圖像。

傅立葉域模式鎖定（FDML）激光器：

傅立（lì）葉域模式鎖定（FDML）技術是一種高度通用的技術（shù），其中波長可調濾（lǜ）波器與激光環形腔的往返時間同步。FDML的動（dòng）力學非（fēi）常複（fù）雜，需要先進的偏振控製、色度（dù）色散和中心波長的主動（dòng）穩定。通過（guò）這種高達3.2 MHz的SS-OCT成像（xiàng），FMDL是（shì）一（yī）種（zhǒng）非常通用和高性（xìng）能的研發設（shè）備。

分段光柵分布式布拉格反（fǎn）射激光器（SG-DBR）：

SG-DBR最初是為電信（xìn）中的靜態調諧而開發的。這種（zhǒng）半導體技術沒有移動部件，而是速（sù）度受到熱效應的限製。載波注入（rù）的精細控（kòng）製允許對波長掃描進行編程，並且可（kě）以（yǐ）縫合0.5nm的連（lián）續（xù）微掃描以實現高達400kHz的高分辨率。處理後OCT數據（jù）分析需（xū）要解決該技術固有的非連續波（bō）長掃描問題（tí）。

垂直腔麵發射激光器（VESEL）：

垂直腔麵發射激光（guāng）器（VESEL）是一種半導體技術，其獨特之處在於其短光腔導致窄線（xiàn）寬和長相幹長度。與MEMS係統（tǒng）一（yī）起，這實現了高達幾十MHz的非常快速的（de）絕熱波長（zhǎng）調諧。因（yīn）此，為了增加3D成像中的（de）成像範圍和速率，VCSEL技術在許多情況下是有（yǒu）利的選擇。

VCSEL技術（shù）的優勢：

• VCSEL技術卓越（yuè）的光學（xué）相幹長度允許突破性地增加成像範圍。
• VCSEL由於更小的束腰和更（gèng）小的機械（xiè）鏡尺寸而實（shí）現（xiàn）了快速調諧範圍（MHz）。
• 電泵浦VCSEL允許更（gèng）容易的晶圓級測試和更簡單、更小的形狀因子組件。

圖2：帶（dài）襯底反射鏡、增益區、氣隙和頂部反射鏡的MEMS-VCSEL示意圖。

圖3 : MEMS-VCSEL是使用半（bàn）導體技術製造的，該技術通過批量處理和（hé）晶圓級測試實現了非（fēi）常高（gāo）的精度和可（kě）擴展性

OCTLIGHT技術的獨特性和優勢：

OCTLIGHT VCSEL掃描源在使用單（dān）片MEMS VCSEL（如9xx nm數據通信VCSEL）和單材料MEMS係統（如經驗證的MEMS時序（xù）解決方案）方（fāng）麵是獨一（yī）無二的。Caliper VCSEL掃描源是一個完整的子係統，包（bāo）括（kuò）VCSEL的有效光學耦合（hé）和放大，以及使用低電壓對MEMS的波長掃描。

對於需要靈活掃描速率的應用，例如在幾種掃描模式之（zhī）間切換，我們提供掃描源Caliper-FLEX。

對於需要固定（dìng）掃描速率的應（yīng）用，我們提供掃描源Caliper-HERO。獲得專利的高效諧（xié）振振蕩器（HERO™)該技術（shù）通過使用簡單且低電壓的驅（qū）動（dòng）信（xìn）號在真空中操（cāo）作MEMS來（lái）實現進（jìn）入MHz範圍的快（kuài）速掃描速率。這（zhè）提供了幾個好處，包括：

• 高相位穩定性
• 長期（qī）穩定波長掃描
• 對稱雙向掃描
• 無MEMS災難性（xìng）故障，可（kě）靠性高

長期穩定性使得（dé）使用具有預校準（zhǔn）FFT線性化的單通道DAQ進行高效的高通（tōng）量數據采集成為可能。

MEMS VCSEL

什麽是MEMS VCSEL，它是如何工（gōng）作的（de）？

OCTLIGHT VCSEL掃描源基於半導體激光二極管（guǎn），具有集成的波長掃描機製（移（yí）動圖2的頂部反（fǎn）射鏡）。激光二極管是（shì）垂直腔麵發射（shè）激（jī）光器（VCSEL），具有（yǒu）單模光發射和長相幹長度。使用微（wēi）機電係統（MEMS）來實（shí）現波長掃（sǎo）描，以改（gǎi）變激光腔的長度（dù），由此（cǐ）產生（shēng）穩定和快速的波長掃描。

由（yóu）於其高可靠性和獨特的高斯光束（shù）輪廓8xx-9xx nm VCSEL已成為數據通信的基石，使用有源光纜（AOC）進行（háng）雲（yún）計算，現在（zài）也使用飛行時間（ToF）和智能手機和（hé）汽（qì）車VCSEL陣列進行3D成像。激光雷達是VCSEL同時用於ToF和調頻連續波（FMCW）的最新應用（yòng）領域。

圖4 ：VCSEL封裝在（zài）標準（zhǔn）晶體管輪廓頭（TO）上，如圖所示，或（huò）與蝴蝶（BTF）封裝（zhuāng）或光子集成電路（PIC）中的其他光學組件集成

MEMS VCSEL的可靠性是什麽？

在引入Texas Instruments Digital Micromirror Devices（DMD）MEMS之前，MEMS被視為由於微機械移動元件而具有潛在可靠性問題的技術，但從那時起，從DMD到（dào）MEMS時序（xù）解（jiě）決方案的許（xǔ）多應用中已經證明了通常優（yōu）越的可靠性，在這些應（yīng）用中，數十億個單元的故（gù）障率低於百萬分之一的缺（quē）陷部件（DPPM）。MEMS已經在汽車和消費（fèi）者應用中廣泛（fàn）商業化，特別是由壓力傳感（gǎn）器（qì）和（hé）慣性測量單元（IMU）驅動。

VCSEL和MEMS的可靠性已得到廣泛研究，商業產品的工作壽命已證明為10000至100000小時。VCSEL技術還具有晶圓級測試的優勢，這在確保高質量的同時降低了（le）封裝成本。

VCSEL技術需要什麽類型因素（sù）？

根據最終應用，可能需要不同的形（xíng）狀因子。VCSEL具有獨特的位置，可以從高度小型化的光（guāng）子集成電路（lù）（PIC）集成到複雜的光纖或自由空間（jiān）儀器。

光學係統可以用自由空間光學器件或光纖製成，用於放寬尺寸限製的中小型應用。VCSEL可以很容易地封裝在TO封裝中以獲得自由空間，並尾纖用於光纖傳（chuán）輸，這構成（chéng）了VCSEL掃描源中光學集成的基（jī）礎。具有光纖輸出的光源易於使用並集成在任何光學係統中。OCTLIGHT的VCSEL掃描源配有單模光纖和接口，可與任何光學成像係統（tǒng）接觸。

近年來，光子集成電路得到了快速（sù）發展，它提供了將光纖和自由空（kōng）間係統中已知的光學功能集成到單（dān）個芯片中的可能性。這對於尺寸（cùn）受到（dào）限製的大容量應用是有利的。250x250um的小VCSEL芯片麵積和表麵（miàn）發射使使用直接轉移技術集成到具（jù）有與表麵光柵的有效光學耦合的PICs成為可能。

圖5：光子集成電路（PIC）允許光學係統的小型化，VCSEL可（kě）以直接與PIC集成

更多信息：

在這篇（piān）關於VCSEL掃描源技術的白皮（pí）書中，介紹了（le）相幹檢測（cè）、波長可（kě）調光源和光學集成中的關鍵概念。

VCSEL是一項關鍵的使能技術，由於其可擴展性和高性能，它推動了數（shù）據通信、消費電子（zǐ）（光學鼠標/optical mice）和激光雷達等應（yīng）用的重大進步（bù）。MEMS VCSEL使得使用相幹檢測來實現高分辨率和長（zhǎng）距離成像的新應用成為可能。

參考信息:

[1] T. Ansbæk, I. Chung, E. Semenova, O. Hansen, and K. Yvind, “Resonant MEMS Tunable VCSEL,” Sel. Top. Quantum Electron. IEEE, 2013.

[2] T. Klein and R. Huber, “High-speed OCT light sources and systems [Invited],” Biomed. Opt. Express, vol. 8, no. 2, p. 828, Feb. 2017.

文章來源：

OCTLIGHT Aps

鏈接：https://octlight.com/technology/vcsel-swept-source/