使用快速波長可調(diào)諧激光器，可以在KHZ-MHZ線掃描速率下以低至微米的精度和高達數(shù)百米的范圍進行三維光學(xué)成像。這對于非侵入性醫(yī)學(xué)成像特別有用，但也擴展到其他一些應(yīng)用，如工業(yè)成像和激光雷達。
從光通信到激光材料加工，激光在我們的日常生活中無處不在。與大多數(shù)激光器相比，波長可調(diào)諧激光器的不同之處在于波長的可調(diào)諧性是期望的和受控的效果。
OCTLIGHT專注于基于（獨有技術(shù)）波長可調(diào)諧激光技術(shù)的VCSEL掃描源[1]。
光學(xué)相干斷層掃描（OCT）是一種非侵入性成像技術(shù)，可提供物體和組織內(nèi)部的視圖。OCT背后相干檢測的基本原理和優(yōu)勢在眼科成像之外的幾個應(yīng)用領(lǐng)域都有應(yīng)用，如用于自主系統(tǒng)的計量和3D視覺。相干檢測也是光頻域反射法（OFDR）和調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）的原理，見圖1。
圖1：相干探測示意圖：波長可調(diào)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(shù)字化儀和快速傅立葉變換獲取，得出距離（+速度）
掃頻源技術(shù)主要可以通過四種類型的波長可調(diào)諧激光器來實現(xiàn)[2]：
外腔激光器（下述簡稱：ECL）是一種基于光學(xué)增益芯片和外反射鏡的成熟技術(shù)。ECLS由于腔長而對掃描速率具有固有的限制。激光是由波長掃描時的自發(fā)發(fā)射建立的，這導(dǎo)致成像范圍（相干長度）隨著掃描速率的增加而減小，從而將掃描速率限制在400kHz左右。短腔ECL還可以表現(xiàn)出周期性脈沖串，該脈沖串通過相干恢復(fù)從聚焦透鏡等表面生成重影圖像。
傅立葉域模式鎖定（FDML）技術(shù)是一種高度通用的技術(shù)，其中波長可調(diào)濾波器與激光環(huán)形腔的往返時間同步。FDML的動力學(xué)非常復(fù)雜，需要先進的偏振控制、色度色散和中心波長的主動穩(wěn)定。通過這種高達3.2 MHz的SS-OCT成像，F(xiàn)MDL是一種非常通用和高性能的研發(fā)設(shè)備。
SG-DBR最初是為電信中的靜態(tài)調(diào)諧而開發(fā)的。這種半導(dǎo)體技術(shù)沒有移動部件，而是速度受到熱效應(yīng)的限制。載波注入的精細控制允許對波長掃描進行編程，并且可以縫合0.5nm的連續(xù)微掃描以實現(xiàn)高達400kHz的高分辨率。處理后OCT數(shù)據(jù)分析需要解決該技術(shù)固有的非連續(xù)波長掃描問題。
垂直腔面發(fā)射激光器（VESEL）是一種半導(dǎo)體技術(shù)，其獨特之處在于其短光腔導(dǎo)致窄線寬和長相干長度。與MEMS系統(tǒng)一起，這實現(xiàn)了高達幾十MHz的非?？焖俚慕^熱波長調(diào)諧。因此，為了增加3D成像中的成像范圍和速率，VCSEL技術(shù)在許多情況下是有利的選擇。
圖2：帶襯底反射鏡、增益區(qū)、氣隙和頂部反射鏡的MEMS-VCSEL示意圖。
圖3 : MEMS-VCSEL是使用半導(dǎo)體技術(shù)制造的，該技術(shù)通過批量處理和晶圓級測試實現(xiàn)了非常高的精度和可擴展性
OCTLIGHT VCSEL掃描源在使用單片MEMS VCSEL（如9xx nm數(shù)據(jù)通信VCSEL）和單材料MEMS系統(tǒng)（如經(jīng)驗證的MEMS時序解決方案）方面是獨一無二的。Caliper VCSEL掃描源是一個完整的子系統(tǒng)，包括VCSEL的有效光學(xué)耦合和放大，以及使用低電壓對MEMS的波長掃描。
對于需要靈活掃描速率的應(yīng)用，例如在幾種掃描模式之間切換，我們提供掃描源Caliper-FLEX。
對于需要固定掃描速率的應(yīng)用，我們提供掃描源Caliper-HERO。獲得專利的高效諧振振蕩器（HERO?)該技術(shù)通過使用簡單且低電壓的驅(qū)動信號在真空中操作MEMS來實現(xiàn)進入MHz范圍的快速掃描速率。這提供了幾個好處，包括：
長期穩(wěn)定性使得使用具有預(yù)校準FFT線性化的單通道DAQ進行高效的高通量數(shù)據(jù)采集成為可能。
OCTLIGHT VCSEL掃描源基于半導(dǎo)體激光二極管，具有集成的波長掃描機制（移動圖2的頂部反射鏡）。激光二極管是垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），具有單模光發(fā)射和長相干長度。使用微機電系統(tǒng)（MEMS）來實現(xiàn)波長掃描，以改變激光腔的長度，由此產(chǎn)生穩(wěn)定和快速的波長掃描。
由于其高可靠性和獨特的高斯光束輪廓8xx-9xx nm VCSEL已成為數(shù)據(jù)通信的基石，使用有源光纜（AOC）進行云計算，現(xiàn)在也使用飛行時間（ToF）和智能手機和汽車VCSEL陣列進行3D成像。激光雷達是VCSEL同時用于ToF和調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）的最新應(yīng)用領(lǐng)域。
圖4 ：VCSEL封裝在標準晶體管輪廓頭（TO）上，如圖所示，或與蝴蝶（BTF）封裝或光子集成電路（PIC）中的其他光學(xué)組件集成
在引入Texas Instruments Digital Micromirror Devices（DMD）MEMS之前，MEMS被視為由于微機械移動元件而具有潛在可靠性問題的技術(shù)，但從那時起，從DMD到MEMS時序解決方案的許多應(yīng)用中已經(jīng)證明了通常優(yōu)越的可靠性，在這些應(yīng)用中，數(shù)十億個單元的故障率低于百萬分之一的缺陷部件（DPPM）。MEMS已經(jīng)在汽車和消費者應(yīng)用中廣泛商業(yè)化，特別是由壓力傳感器和慣性測量單元（IMU）驅(qū)動。
VCSEL和MEMS的可靠性已得到廣泛研究，商業(yè)產(chǎn)品的工作壽命已證明為10000至100000小時。VCSEL技術(shù)還具有晶圓級測試的優(yōu)勢，這在確保高質(zhì)量的同時降低了封裝成本。
根據(jù)最終應(yīng)用，可能需要不同的形狀因子。VCSEL具有獨特的位置，可以從高度小型化的光子集成電路（PIC）集成到復(fù)雜的光纖或自由空間儀器。
光學(xué)系統(tǒng)可以用自由空間光學(xué)器件或光纖制成，用于放寬尺寸限制的中小型應(yīng)用。VCSEL可以很容易地封裝在TO封裝中以獲得自由空間，并尾纖用于光纖傳輸，這構(gòu)成了VCSEL掃描源中光學(xué)集成的基礎(chǔ)。具有光纖輸出的光源易于使用并集成在任何光學(xué)系統(tǒng)中。OCTLIGHT的VCSEL掃描源配有單模光纖和接口，可與任何光學(xué)成像系統(tǒng)接觸。
近年來，光子集成電路得到了快速發(fā)展，它提供了將光纖和自由空間系統(tǒng)中已知的光學(xué)功能集成到單個芯片中的可能性。這對于尺寸受到限制的大容量應(yīng)用是有利的。250x250um的小VCSEL芯片面積和表面發(fā)射使使用直接轉(zhuǎn)移技術(shù)集成到具有與表面光柵的有效光學(xué)耦合的PICs成為可能。
圖5：光子集成電路（PIC）允許光學(xué)系統(tǒng)的小型化，VCSEL可以直接與PIC集成
在這篇關(guān)于VCSEL掃描源技術(shù)的白皮書中，介紹了相干檢測、波長可調(diào)光源和光學(xué)集成中的關(guān)鍵概念。
VCSEL是一項關(guān)鍵的使能技術(shù)，由于其可擴展性和高性能，它推動了數(shù)據(jù)通信、消費電子（光學(xué)鼠標/optical mice）和激光雷達等應(yīng)用的重大進步。MEMS VCSEL使得使用相干檢測來實現(xiàn)高分辨率和長距離成像的新應(yīng)用成為可能。
[1] T. Ansb?k, 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.
OCTLIGHT Aps
鏈接：https://octlight.com/technology/vcsel-swept-source/
