VCSEL掃頻源

使用快速波長可調諧激光器，可以在KHZ-MHZ線掃描（miáo）速率下以低至（zhì）微米的精度和高達數（shù）百（bǎi）米的（de）範圍（wéi）進行三維光學成像（xiàng）。這對於非侵入性醫學成像特別有用，但（dàn）也擴展到其（qí）他一些（xiē）應（yīng）用，如工業成像和（hé）激光雷達。

從光通信到激光材（cái）料加工，激光在我們的日常生活中無處不在。與（yǔ）大多數激光器相比，波長可調（diào）諧激光器的不同之（zhī）處在（zài）於波長的可調諧（xié）性是期望的和受控的效果。

OCTLIGHT專注（zhù）於基於（獨有技術）波長可調（diào）諧激光技術的VCSEL掃描（miáo）源[1]。

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

光學相幹（gàn）斷層掃描（OCT）是一種非侵入性成像技術，可提供（gòng）物體和組（zǔ）織內部的視圖。OCT背後（hòu）相幹檢測的基本原（yuán）理和優勢在眼科（kē）成像之外的幾個應用領（lǐng）域都有應用，如（rú）用於自主係（xì）統的計（jì）量和3D視覺。相幹檢測也是（shì）光頻域反射法（OFDR）和調頻連續波（FMCW）的原理，見圖1。

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

波長可調光源（yuán）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（xiàn）[2]：

• 外腔激光（guāng）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）直腔麵發射激光（guāng）器（qì）（VESEL）

外腔激光器（ECL）：

外腔激光器（下述簡（jiǎn）稱：ECL）是一種基於光（guāng）學增益芯片和外反射鏡的成熟技術。ECLS由（yóu）於腔長（zhǎng）而對掃描速率（lǜ）具有固有的限製。激光是由波長掃描時的自發發射建立的，這（zhè）導致成像範圍（相幹長度）隨著（zhe）掃描速率的增加而減小，從（cóng）而將掃描速率限製在400kHz左右（yòu）。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生成重影圖像。

傅（fù）立葉域模式鎖定（FDML）激光器：

傅立葉域模式（shì）鎖定（dìng）（FDML）技（jì）術是一（yī）種高度通用的技術，其中波長可調濾波器與（yǔ）激光環形腔的往返時間同步。FDML的動力學非常複雜，需要先進的偏振控製、色度色散和（hé）中心波長的主動穩定。通過這種高達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。

分段光柵分布式布拉格反射激光器（SG-DBR）：

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

垂直腔麵發射激光器（VESEL）：

垂直腔麵發射激光器（VESEL）是一種（zhǒng）半導體技術，其獨特之處在於其短光腔（qiāng）導致窄線寬和長相幹長度。與MEMS係（xì）統一（yī）起，這實現了高達幾十MHz的非常快速的絕熱波（bō）長調諧。因此，為了增（zēng）加3D成像中的成像範圍和速率，VCSEL技術在許多情況下（xià）是有利的選（xuǎn）擇。

VCSEL技術的優勢：

• VCSEL技術卓越的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（jī）械鏡尺寸而實現了快速調諧範圍（MHz）。
• 電泵浦VCSEL允（yǔn）許（xǔ）更容（róng）易（yì）的晶圓級測試（shì）和更簡單、更小的形狀因子組件（jiàn）。

圖2：帶襯底反射鏡、增益區、氣隙和頂部反射鏡的MEMS-VCSEL示意圖。

圖3 : MEMS-VCSEL是（shì）使用半導體技術製（zhì）造的，該技術通過批量處理和晶（jīng）圓級測試實現了非常（cháng）高的精度和可擴展性（xìng）

OCTLIGHT技術的獨特（tè）性和優勢：

OCTLIGHT VCSEL掃描源在（zài）使（shǐ）用單片MEMS VCSEL（如9xx nm數據（jù）通信VCSEL）和單材料MEMS係統（如經驗證（zhèng）的MEMS時序解決方（fāng）案）方麵是獨（dú）一無二的。Caliper VCSEL掃描源是（shì）一個完整的子（zǐ）係統，包括VCSEL的有（yǒu）效光學耦（ǒu）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（zài）幾（jǐ）種掃描模式之間切換，我們提（tí）供掃（sǎo）描源（yuán）Caliper-FLEX。

對於需要固定掃描速率的應用，我（wǒ）們提供掃描源Caliper-HERO。獲得專利的高效諧振振（zhèn）蕩（dàng）器（HERO™)該技術通過使用簡單（dān）且低電壓的驅（qū）動信號在真空中操作MEMS來實現進入MHz範圍的快速掃描速率。這提供了幾個好處，包（bāo）括（kuò）：

• 高（gāo）相位穩定性（xìng）
• 長期穩定波長掃描
• 對稱（chēng）雙向掃描
• 無MEMS災難性故障（zhàng），可靠性高

長期穩定性使得使用具有預校準FFT線性化的單（dān）通（tōng）道DAQ進行高效的高通量數據采集成為（wéi）可能。

MEMS VCSEL

什麽是MEMS VCSEL，它（tā）是如（rú）何工（gōng）作的？

OCTLIGHT VCSEL掃描（miáo）源基（jī）於（yú）半導（dǎo）體激（jī）光二極管，具有集成（chéng）的波長掃描機製（移動圖2的頂部反射鏡）。激光二極管是垂直（zhí）腔麵發射激光器（VCSEL），具有單模光發射和長相幹長度。使用微機電係（xì）統（MEMS）來（lái）實現波（bō）長掃描，以改變激光腔的長度，由此產生穩定和快速的波長掃描。

由於其（qí）高可靠性和獨特的高斯光（guāng）束輪廓8xx-9xx nm VCSEL已（yǐ）成為（wéi）數據通信的基石，使用有源光纜（AOC）進行雲計算，現在也（yě）使用飛行時間（ToF）和智能手（shǒu）機（jī）和汽車VCSEL陣列進行3D成像。激光雷達是（shì）VCSEL同時用於ToF和（hé）調頻連續波（FMCW）的最新應用領域。

圖4 ：VCSEL封裝在標準晶體（tǐ）管輪廓頭（TO）上，如圖所（suǒ）示（shì），或與蝴蝶（BTF）封裝或光子集成電路（PIC）中的其（qí）他光學組（zǔ）件集成

MEMS VCSEL的（de）可靠性是什麽？

在（zài）引入Texas Instruments Digital Micromirror Devices（DMD）MEMS之前，MEMS被（bèi）視為由於微機械移動元（yuán）件而（ér）具（jù）有潛在可（kě）靠性問題的技術，但從那時起，從DMD到MEMS時序解決方案的許（xǔ）多應用中已經證明了通常優（yōu）越的可靠性，在這些應用中（zhōng），數十億個（gè）單元的故障率低於百萬分之一（yī）的缺（quē）陷部件（DPPM）。MEMS已經在汽車和（hé）消費者應（yīng）用中（zhōng）廣泛商業化，特別是由壓力傳感器和慣性測量（liàng）單元（IMU）驅動。

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

VCSEL技術需要什麽類型因素？

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

光學係統可以用自由空間光學器（qì）件（jiàn）或光纖製成，用於放寬尺寸限（xiàn）製的中小型應用。VCSEL可以很容易地封裝在TO封裝中以（yǐ）獲得自由空間，並尾纖用於光纖傳輸，這構成了VCSEL掃描源中光學集成的基礎。具（jù）有光纖輸出的光源易於使用並集成在（zài）任（rèn）何光（guāng）學係統中。OCTLIGHT的VCSEL掃描（miáo）源配有單模光纖和接口，可與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，它提供了將光纖和自由空間係統中已知的光學（xué）功能集成到單個芯（xīn）片（piàn）中的可能性。這對於（yú）尺寸受到限製的大容量應用是有利的（de）。250x250um的小VCSEL芯片麵積和表麵發射使使（shǐ）用直接轉移技術集成到具有與表麵光柵的有效光學耦（ǒu）合的PICs成為可能。

圖5：光子集成電路（PIC）允許（xǔ）光學（xué）係統的小型化，VCSEL可以直接與PIC集成（chéng）

更多信（xìn）息：

在這篇關於VCSEL掃描源技術的白皮書中，介紹了相幹檢測（cè）、波長可調光源和光學（xué）集成中的關鍵概念。

VCSEL是一項關鍵的使能技術（shù），由於其可擴展性（xìng）和高（gāo）性能，它推動了數據（jù）通信、消費電子（光學鼠標/optical mice）和激光（guāng）雷達（dá）等應用的重大進步。MEMS VCSEL使得使用（yòng）相幹檢測來實（shí）現高分辨率（lǜ）和長距離成（chéng）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（lái）源：

OCTLIGHT Aps

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