一种使用微机电系统(MEMS)技术的波长可调谐的垂直腔面发射激光器(VCSEL)被设置为用于光学相干层析成像(OCT)的扫频源。所述波长可调谐VCSEL包括VCSEL的底部反射镜、有源区、以及通过静电偏转而可移动的MEMS可调谐上部反射镜。所述底部反射镜包括GaAs基分布的布拉格反射镜(DBR)叠层，以及所述有源区包括多个GaAs基量子点(QD)层的叠层，所述有源层在GaAs衬底上外延生长。所述MEMS可调谐上部反射镜包括由悬挂梁支撑的膜部、以及包含介电DBR叠层的上部反射镜。所述MEMS可调谐量子点VCSEL能覆盖超过100nm的操作波长范围，优选具有250nm和1950nm之间的中心波长，并且扫描速率能从几kHz到几百kHz、以及高达几MHz。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本文所描述的技术一般涉及光学相干层析成像系统，更具体地涉及基于垂直腔面发射激光器器件的此类系统。优先权声明本申请基于巴黎公约要求于2013年7月3日提交的序列号为61/842,389的美国临时申请的优先权，其以全文引用的方式并入本文。
技术介绍
光学相干层析成像(OCT)为一种用于样品(如组织、器官、活体等生物样品，或如聚合物、薄膜等工业样品)的高分辨率深度剖析的技术。OCT有两种类型，即时域OCT(TD-OCT)、以及频域OCT(FD-OCT)。在TD-OCT中，宽带光源通常为同时发射多个波长的超辐射发光二极管；通过扫描参考反射镜的位置，对样品反射光中的干涉分量频率进行分析。在FD-OCT中，更加广泛使用扫频源类型的OCT，其采用波长可调谐激光器作为宽带光源。在SS-OCT中，在任何一个时间只存在一个波长，并且激光波长扫描代替参考反射镜的机械扫描。从根本上讲，SS-OCT的信噪比好于TD-OCT的信噪比。对于用在SS-OCT中的可调谐激光器，要求包括：单模操作、宽调谐范围、高波长扫描速率、以及是调谐控制信号的简单单调函数的波长调谐。已经报导具有MEMS的可调谐VCSEL，其使用两个分布的布拉格反射镜(DBR)。此类器件采用底部反射镜和MEMS可调谐上部DBR，其中，底部反射镜由底部DBR和有源层组成，底部DBR由多个AlGaInAs和InP交替层组成，有源层由InP基多量子阱(MQWs)和垒组成，底部DBR和有源层都在InP衬底上生长。该器件具有在中心波长1550nm附近55nm的调谐范围。对于多数应用来说，这个调谐范围是不够的。图1说明了作为本领域已知的此类具有MEMS的可调谐VCSEL。在InP衬底1上，外延生长着n掺杂的分布布拉格反射镜(DBR)2，该反射镜由超过40对的AlGaInAs2a(与InP晶格匹配)和InP2b交替层组成，紧接着生长n型AlGaInAs包覆层3。在包覆层3的顶部，生长有源层4，该有源层4由多个(6个)AlGaInAs量子阱(“QWs”)4a和多个(7个)AlGaInAs垒4b组成，紧接着生长p型AlGaInAs包覆层5。由于隧道结能将电子转换为空穴，因此在p型包覆层5的上方生长p++掺杂的AlGaInAs/n++掺杂的AlGaInAs隧道结层6以允许n掺杂的InP取代p型InP，紧接着生长n掺杂的InP层7和n++掺杂的GaInAs接触层8。VCSEL的p电极9形成于接触层8的顶部9，而n电极则形成于衬底1上，以完成“半VCSEL”结构。在半VCSEL结构的顶部，将独立制造的上部反射镜键合至半VCSEL结构。独立制造的上部反射镜形成于将这两层键合在一起的“柄状”Si衬底11上。SiO2层12形成为绝缘层，接着是横梁支撑层硅13。通过刻蚀作为牺牲层的SiO2层12形成薄膜14。上部介电DBR15沉积在膜14的一侧，而抗反射(AR)涂层16则沉积在膜14的另一侧。MEMS电极17和Au凸块18形成用于供应MEMS电压，该电压能够改变接触层8和上部DBR15之间的气隙。电压源19与MEMS电极17以及p电极9连接。因此，由电压源19感应产生的静电力能够移动膜14，从而改变形成于上部DBR反射镜和下部DBR反射镜之间的腔体长度，进而改变激光波长。连接电流源20以用于半VCSEL部分的电流注入。如图1中的器件细节在如下参考文献中描述：T.Yano,H.Saitou,N.Kanbara,R.Noda,S.Tezuka,N.Fujimura,M.Ooyama,T.Watanabe,T.Hirata,andNishiyama,“Wavelengthmodulationover500kHzofmicromechanicallytunableInP-basedVCSELswithSi-MEMStechnology”,IEEEJ.,SelectedTopicsinQuantumElectronics,vol.15,pp.528-534,May/June2009。该参考文献内容通过引用并入本文。在现有技术中使用的、具有固定激光波长1310nm和1550nm的VCSEL，在如下参考文献中描述：N.Nishiyama,C.Caneau,B.Hall,G.Guryanov,M.H.Hu,X.S.Liu,M.-J.Li,R.Bhat,andC.E.Zah,“Long-wavelengthvertical-cavitysurface-emittinglasersonInPwithlatticematchedAlGaInAs-InPDBRgrownbyMOCVD”,IEEEJ.,SelectedTopicsinQuantumElectronics,vol.11,pp.990-998,Sept./Oct.2005。该参考文献内容通过引用并入本文。在图1的现有技术的结构中，已经被证明在中心波长1550附近具有55nm的调谐范围。调谐范围的最大值受限于底部DBR的反射率带宽，该反射率带宽由高折射率材料和低折射率材料的比值所确定。对于1310nm和1550nm的中心波长，由AlGaInAs(高折射率材料)和InP(低折射率材料)交替层组成的DBR的反射率带宽分别约为50nm和70nm。但是，SS-OCT要求超过100nm的调谐范围。因此，对于OCT应用来说，采用由AlGaInAs、InP以及包括量子阱的有源层组成的DBR的VCSEL并不适合。为了克服此调谐范围限制，人们提出了具有MEMS的可调谐VCSEL，其采用由DBR组成的底部反射镜，该DBR由AlGaAs(高折射率材料)和AlxOy(低折射率材料)交替层组成，具有在中心波长1300nm附近超过200nm的反射率带宽。通过光泵浦，这种类型的可调谐VCSEL已经实现了超过100nm的调谐范围。这些细节在以下参考文献中描述：V.Jayaraman,J.Jiang,H.Li,P.J.S.Heim,G.D.Cole,B.Potsaid,J.G.Fujimoto,andA.Cable,“OCTimagingupto760kHzaxialscanrateusingsingle-mode1310nmMEMS-tunableVCSELwith>100nmtuningrange”,CLEO:2011–LaserSciencetoPhotonicApplications,PDPB2,2011。该参考文献的内容通过引用并入本文。在这种方法中，有源区包括在InP衬底上生长的InP基多量子阱(MQWs)。在GaAs衬底上外延生长底部DBR。因此，有源区中的材料以本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种微机电系统(MEMS)可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)，包括一层或多层量子点。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.07.03 US 61/842,3891.一种微机电系统(MEMS)可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)，包括一层或多层量子
点。
2.根据权利要求1所述的MEMS可调谐VCSEL，其中所述一层或多层量子点包括InAs或
InGaAs量子点，并且通过InGaAs垒层来分开。
3.根据权利要求1所述的MEMS可调谐VCSEL，具有上部DBR和下部DBR，其中所述DBR为
GaAs基或AlGaAs基。
4.根据权利要求1所述的MEMS可调谐VCSEL，其中所述一层或多层量子点位于DBR上连
续生长的有源区内。
5.根据权利要求1所述的MEMS可调谐VCSEL，具有大于100nm的可调谐范围。
6.一种用于扫频源光学相干层析成像的可调谐VCSEL，包括：
MEMS可调谐VCSEL，
其中所述MEMS可调谐VCSEL包括：
底部的半VCSEL部分、以及上部的反射镜部分，其中所述底部的半VCSEL部分包括：
在GaAs衬底上外延生长的底部DBR，
和由多层量子点组成的有源层，所述有源层在所述底部DBR的顶部上外延生长，
并且所述上部的反射镜部分包括：
由横梁支撑的垂直可移动的膜；
设置在所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：T·牧野，T·李，D·尤，
申请(专利权)人：英菲尼斯有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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