可调谐激光器组件制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
可调谐激光器组件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。
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。
技术介绍
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-sweepvariations)。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。根据本公开实施例的以下新颖概念提供了基于VCSEL、半导体光学放大器和包括光学滤波器和校准器的大光学部件的、高稳定性、低成本、可调谐的激光器组件。这些概念适用于光泵(optically-pumped)和电泵(electrically-pumped)VCSEL。
技术实现思路
为了在诸如家庭健康护理OCT、自动驾驶和机器人机器视觉的领域中使扫频源激光成像(swept-sourcelaserimaging)、激光雷达和计量学应用得到广泛采用，扫频源激光器(swept-sourcelaser)的成本必须显著减少。降低光电部件成本的主要方法是在公共封装平台上将尽可能多的子部件进行光电集成。光电部件的大部分成本不在于半导体芯片本身，而是在于将光对准、附着并最终耦合到终端用户光纤中的制造过程以及子部件。昂贵的密封、温度可控的镀金封装必须包含尽可能多的部件和功能，才能分摊镀金封装和热电冷却器(TEC)的成本。各种光电部件的集成在性能折衷以实现减小的尺寸和成本方面也提出了独一无二的挑战。对于扫频源激光器，必须完成集成的波长监测控制功能，而不会对扫频源激光器输出光谱引入干扰，引入干扰会在最终的系统测量和/或图像中造成伪影。例如，OCT成像系统对光路中的反射敏感，该反射引起寄生校准器，从而导致低于主信号50dB或更多dB的伪影。本公开的一个实施例提供了一种容纳在单个外壳中的可调谐激光器组件，其中利用光学配置来监测可调谐VCSEL的中心波长和调谐带宽，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OCT图像中造成伪影。各种光电部件的集成受到尺寸要求的约束。本公开的另一个实施例提供了容纳在单个外壳中的可调谐激光器组件，其中可调谐VCSEL的中心波长和调谐带宽被监测，并且VCSEL芯片、监测器光电二极管和温度传感器都被安装在公共基板上。小尺寸的各种光电部件的集成还提出了在某些部件之间进行光隔离的需要，以避免可能降低性能或潜在损坏激光器的反射。本公开的另一个实施例提供了一种容纳在单个外壳中的可调谐激光器组件，其中在不采用不可逆的法拉第效应材料的情况下实现了光隔离。本公开的一个实施例提供一种可调谐激光器组件，包括：可调谐半导体激光器芯片，用于发射可调谐激光辐射；分束器；至少一个波长监测光学元件；至少一个光检测器；半导体光放大器；以及至少一个光隔离器；其中所述可调谐半导体激光器芯片、所述分束器、所述至少一个波长监测光学元件、所述至少一个光检测器、所述半导体光放大器、以及所述至少一个光隔离器安装在公共底板(baseplate)上；以及其中所述至少一个波长监测光学元件产生被用于监测和控制可调谐激光辐射的绝对波长和光带宽中的至少一者的信号。本公开的一个实施例提供一种用于控制扫频源可调谐激光器的中心波长和光带宽的方法，该方法使用来自由参考光学波长滤波器和光学元件产生的信号的时序信息，该光学元件产生与几乎等间隔的波数相对应的信号脉冲。本公开的一个实施例提供一种稳定的激光器，包括：可调谐半导体激光器芯片，用于发射可调谐激光辐射；分束器；至少一个波长监测光学元件；至少一个光检测器；半导体光放大器；至少一个光隔离器；以及闭环控制器；其中，可调谐半导体激光器芯片、分束器、至少一个波长监测光学元件、至少一个光检测器、半导体光放大器和至少一个光隔离器安装在公共底板上；以及其中，至少一个波长监测光学元件产生被输入给闭环控制器的信号，并且该闭环控制器对可调谐激光辐射的绝对波长和光带宽进行稳定。本专利技术的一个实施例提供一种扫频源光学相干断层扫描系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可调谐激光器组件，包括：/n可调谐半导体激光器，用于发射可调谐激光辐射；/n分束器；/n至少一个波长监测光学元件；以及/n至少一个光检测器；/n半导体光放大器；以及/n至少一个光隔离器；/n其中，所述可调谐半导体激光器、所述分束器、所述至少一个波长监测光学元件、所述至少一个光检测器、所述半导体光放大器、以及所述至少一个光隔离器均安装在公共底板上；以及其中，所述至少一个波长监测光学元件产生被用于监测所述可调谐激光辐射的绝对波长和光带宽中的至少一者的信号。/n

【技术特征摘要】
20200130 US 62/967,9261.一种可调谐激光器组件，包括：
可调谐半导体激光器，用于发射可调谐激光辐射；
分束器；
至少一个波长监测光学元件；以及
至少一个光检测器；
半导体光放大器；以及
至少一个光隔离器；
其中，所述可调谐半导体激光器、所述分束器、所述至少一个波长监测光学元件、所述至少一个光检测器、所述半导体光放大器、以及所述至少一个光隔离器均安装在公共底板上；以及其中，所述至少一个波长监测光学元件产生被用于监测所述可调谐激光辐射的绝对波长和光带宽中的至少一者的信号。


2.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述可调谐半导体激光器是可调谐微机电系统-垂直腔半导体激光器(MEMS-VCSEL)。


3.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述分束器被配置为将所述可调谐激光辐射的一部分引导至所述至少一个波长监测光学元件，但不会在激光器输出中引入反射伪影。


4.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述分束器的厚度大于0.75mm。


5.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个波长监测光学元件包括陷波滤波器。


6.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个波长监测光学元件包括陷波滤波器和校准器。


7.根据权利要求5所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个光检测器包括安装在公共基板上的至少两个光检测器。


8.根据权利要求7所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少两个光检测器包括具有单片多元件阵列的元件。


9.根据权利要求5所述的可调谐激光器组件，其中，所述可调谐半导体激光器和所述至少一个光检测器被安装在公共基板上。


10.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个波长监测光学元件包括带通滤波器。


11.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个波长监测光学元件包括带通滤波器和校准器。


12.根据权利要求10所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个光检测器包括安装在公共基板上的至少两个光检测器。


13.根据权利要求12所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少两个光检测器包括具有单片多元件阵列的元件。


14.根据权利要求10所述的可调谐激光器组件，其中，所述可调谐半导体激光器和所述至少一个光检测器被安装在公共基板上。


15.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个光隔离器位于所述可调谐半导体激光器与所述分束器之间。


16.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个光隔离器包括四分之一波偏振波片和偏振器。


17.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述至少一个波长监测光学元件提供如下脉冲，也即所述脉冲能够通过在所述激光器扫过波长范围时观察所述脉冲的时序和数量来控制所述激光辐射的绝对波长和光带宽。


18.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述公共底板的温度通过包括热电冷却器(TEC)和附着到所述公共底板的温度传感器的反馈回路来保持。


19.根据权利要求1所述的可调谐激光器组件，其中，所述可调谐半导体激光器被光学泵浦。


20.根据权利要求19所述的可调谐激光器组件，其中，所述可调谐半导体激光器由单频激光器进行光学泵浦。


21.根据权利要求20所述的可调谐激光器组件，其中，所述单频泵浦激光器包括分布式反馈激光器(DFB)、分布式布拉格反射器激光器(DBR)、Y分支激光器、或体全息光栅(VHG)稳定的激光器中的一者。


22.根据权利要求19所述的可调谐激光器组件，其中，所述可调谐半导体激光器是光学泵浦的MEMS-VCSEL。


23.一种用于控制扫频源可调谐激光器的绝对波长和光带宽的方法，该方法使用来自由参考光学波长滤波器和光学元件产生的信号的时序信息，该光学元件产生与几乎等间隔的波数相对应的信号脉冲。


24.根据权利要求23所述的方法，其中，产生与几乎等间隔的波数相对应的信号脉冲的所述光学元件包括校准器。


25.根据权利要求23所述的方法，其中，产生与几乎等间隔的波数相对应的信号脉冲的所述光学元件包括马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪。


26.根据权利要求23所述的方法，其中，产生与几乎等间隔的波数相对应的信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·J·S·海姆，A·唐纳森，J·梅尔茨，R·罗氏，
申请(专利权)人：统雷量子电子有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US