VCSEL掃頻源

使用快速波長可調（diào）諧激光器（qì），可以在KHZ-MHZ線掃描速率下以低至微米的精（jīng）度和高達（dá）數百米的（de）範圍進行三維（wéi）光學成像。這對於非侵入性醫學成像特別（bié）有用，但也擴展到其他一些應用，如工業成像和激光雷達（dá）。

從光通信到激光材（cái）料加工，激光在我們的日常（cháng）生活中無處不在。與大多數激光器相比，波長可（kě）調諧（xié）激光器的不同之處在於波長的可調諧性是期（qī）望的和受控的效果。

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

• 我們的VCSEL激光技（jì）術（shù）能夠實時實現表麵和地下的全3D成像
• 我們的產品（pǐn）用作眼科應（yīng）用的（de）OCT掃描（miáo）源

光學（xué）相幹斷層（céng）掃描（OCT）是一種非侵入性成像技術（shù），可提（tí）供物體和組（zǔ）織內部的視圖。OCT背後相幹檢（jiǎn）測的基本原理和優勢在眼科成像（xiàng）之外的（de）幾個應用領域都有應（yīng）用，如用於自主係統的計量和3D視覺。相幹檢測也是光頻域反射法（OFDR）和調頻連續波（FMCW）的原理，見圖1。

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

波長可調光源的類型（xíng）：

掃頻源技術主要可以通過四種類型的波長可調諧激光器來實現[2]：

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

外腔激光器（ECL）：

外腔激（jī）光（guāng）器（下述簡稱：ECL）是一種基於光學增（zēng）益芯片和外反射鏡的成熟技術。ECLS由於腔長而對掃描速率具有固有的限製。激光（guāng）是（shì）由波長掃描時的自發發（fā）射建立的，這導（dǎo）致成像範圍（相幹長度）隨著掃描速率的增加而減小，從而（ér）將掃描速（sù）率限製在400kHz左右。短腔ECL還可以表現出周期性（xìng）脈衝串，該脈衝串通過相幹（gàn）恢複從聚焦透鏡等表麵生成重影圖像。

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（de）技術，其中波長可調濾波器與（yǔ）激光環形腔的往返時間同步。FDML的（de）動力學非（fēi）常（cháng）複雜，需要先進的偏振控製、色度色散和中心波長的主動穩定。通過（guò）這種高（gāo）達3.2 MHz的SS-OCT成像，FMDL是一種非常（cháng）通用和高性能的研發設備。

分段光柵分布式（shì）布拉格反射激光器（qì）（SG-DBR）：

SG-DBR最初是為電信中（zhōng）的（de）靜態（tài）調諧而開發的（de）。這種（zhǒng）半導體技術沒有（yǒu）移動部件，而是速度（dù）受到熱效應的限製。載波注入的精細控製允（yǔn）許對波長（zhǎng）掃描進（jìn）行編程，並且可以縫合0.5nm的連續微掃（sǎo）描以實現高達400kHz的高分辨率。處理後OCT數據分析需（xū）要解決該技術固有的非連續波長掃描問題。

垂直腔麵發（fā）射激光器（VESEL）：

垂直腔麵發射（shè）激光器（VESEL）是一（yī）種半導體技術，其獨特之處在於其短光腔導致（zhì）窄線寬和（hé）長相幹長度。與MEMS係統一起，這實現（xiàn）了高（gāo）達幾十MHz的（de）非常快速的絕（jué）熱波長調諧。因此，為了增加（jiā）3D成像（xiàng）中的成像範圍和速率，VCSEL技術在許多情況（kuàng）下是有利的選擇。

VCSEL技術的優勢：

• VCSEL技術卓越的（de）光學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小的機械鏡尺寸而實現了（le）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（zǔ）件。

圖2：帶襯底反射鏡、增益（yì）區、氣隙和頂部反射鏡（jìng）的MEMS-VCSEL示意圖。

圖3 : MEMS-VCSEL是使用半導體技術製造的，該技術通過批量處理和晶圓級測試實現了非常高的精度和可擴展性

OCTLIGHT技術的獨特性和（hé）優勢：

OCTLIGHT VCSEL掃描（miáo）源在使（shǐ）用單片MEMS VCSEL（如9xx nm數據通信VCSEL）和單材料MEMS係統（tǒng）（如經（jīng）驗證的MEMS時序解決方案）方麵是獨一無二的。Caliper VCSEL掃（sǎo）描源是一個（gè）完整的子係統，包括VCSEL的有效光學耦合和放大，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（shì）之間切換，我們提供掃描源Caliper-FLEX。

對於需要固定掃描速率的應用，我們提供掃描源Caliper-HERO。獲得專利（lì）的高效諧振振蕩器（HERO™)該技術通過使（shǐ）用簡單且低電（diàn）壓的驅動信號在真空中操（cāo）作MEMS來實現進入MHz範圍的（de）快速掃描速（sù）率。這提（tí）供了幾個好處，包括：

• 高相位穩（wěn）定性
• 長期（qī）穩定波長掃描
• 對稱雙向（xiàng）掃描
• 無MEMS災（zāi）難性故障，可（kě）靠性高

長期穩（wěn）定（dìng）性（xìng）使得使用具有（yǒu）預校（xiào）準FFT線性化的單通道DAQ進行高效的（de）高通量數（shù）據采集（jí）成為可能。

MEMS VCSEL

什麽是MEMS VCSEL，它是如何工作的？

OCTLIGHT VCSEL掃描源基於半導體（tǐ）激光二極管，具有（yǒu）集成的波（bō）長掃描（miáo）機製（移動圖2的頂部反射鏡）。激光二極管（guǎn）是垂直腔麵發射激光器（VCSEL），具有單模光發射（shè）和長相幹長度。使用微機電係統（MEMS）來實現波長掃描，以改變激光腔的長度（dù），由此（cǐ）產生穩定和快速（sù）的波長掃描（miáo）。

由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）進行雲（yún）計算，現在也（yě）使用飛（fēi）行時間（ToF）和智能手機和汽車（chē）VCSEL陣列進行3D成像。激光雷達是（shì）VCSEL同時用於ToF和調頻連（lián）續（xù）波（FMCW）的最新應用領域（yù）。

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

MEMS VCSEL的可（kě）靠性是（shì）什麽？

在引入Texas Instruments Digital Micromirror Devices（DMD）MEMS之前，MEMS被（bèi）視為由於微機械移動元件而具有潛在可（kě）靠性問題的技（jì）術，但從那時起，從DMD到MEMS時序解決方案的許多應用中已經證明了通常優越的可靠性，在這些應用中，數十億個單元的故障率低於百萬分（fèn）之一的缺陷部件（DPPM）。MEMS已經在汽車和消費（fèi）者應用中廣泛商業化，特別是由壓力（lì）傳感器和慣性測量單（dān）元（IMU）驅動。

VCSEL和MEMS的可（kě）靠性已得到廣泛研究，商業產品（pǐn）的工作壽命已證明為10000至100000小時。VCSEL技術還（hái）具有（yǒu）晶圓級測試的優（yōu）勢，這在確（què）保高質量的同時降低了封裝成（chéng）本。

VCSEL技術需要什麽類（lèi）型因素？

根據（jù）最終應用（yòng），可能需要（yào）不同的形狀因子。VCSEL具有（yǒu）獨特的位置，可以從高度小（xiǎo）型（xíng）化的光子集成電路（lù）（PIC）集成到複雜的光纖或自由空間儀器。

光學係統可（kě）以用自（zì）由空間光學（xué）器件或（huò）光纖製成，用於放寬尺寸（cùn）限製（zhì）的中小型應用。VCSEL可以很容易地封裝在TO封裝中（zhōng）以獲得自由空間，並尾纖用於光（guāng）纖傳輸（shū），這構成了VCSEL掃描源中光學集（jí）成的基（jī）礎。具有光纖輸（shū）出的光源易於使用（yòng）並集成（chéng）在任何光學係統中。OCTLIGHT的VCSEL掃（sǎo）描源配有單模光纖和接口，可與（yǔ）任何光學成像係統接觸。

近年來，光子集成電路得到了快速發展，它提供了將光纖和（hé）自（zì）由空間係統（tǒng）中已知的光學功能集成到單個芯片中的可（kě）能性。這（zhè）對於尺寸受到限製的大容量應（yīng）用是有利（lì）的（de）。250x250um的小VCSEL芯片（piàn）麵積和表麵發射使使用直接轉移技術集成到具有與表（biǎo）麵光（guāng）柵的有效光學耦合的PICs成為可能。

圖5：光子集成電（diàn）路（PIC）允許光學（xué）係統的小型化，VCSEL可（kě）以（yǐ）直接與PIC集成

更多信息：

在這篇關於VCSEL掃描源技（jì）術的白皮書中，介紹了（le）相幹檢測、波長可調光源和光（guāng）學集成中的（de）關鍵概念。

VCSEL是一項（xiàng）關鍵的使能技術，由於其可擴展性和（hé）高性能，它推動了數據通信、消費電子（光學鼠標/optical mice）和激（jī）光雷達（dá）等應用的重大進步。MEMS VCSEL使得使用相幹檢測來實現高分辨率和（hé）長（zhǎng）距離（lí）成像的新應用成為可（kě）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（jiē）：https://octlight.com/technology/vcsel-swept-source/