[发明专利]可调谐激光器组件、稳定激光器和成像系统

说明书

本公开描述了一种封装在单个外壳中的可调谐激光器组件、稳定激光器和成像系统以及一种控制方法，其中可调谐激光器、泵浦和半导体光学放大器不共享公共光轴，而是全部对准中间平面光波电路(PLC)上的光波导。PLC上包括波长监测电路，以对可调谐激光中心波长和光带宽进行监测。在光学相干层析成像(OCT)等成像应用中，PLC的设计不会对扫描源激光输出光谱引入干扰，从而导致伪影。

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年3月9日提交的美国临时专利申请No.62/987,102和 2020年3月13日提交的美国临时专利申请No.62/989,007的权益。美国临时 专利申请62/987,102和美国临时专利申请62/989,007的公开内容通过引用并 入本文。

技术领域

本公开通常涉及半导体激光器，更具体地涉及可调谐半导体激光器。

背景技术

可调谐激光器是许多光学成像和光学传感系统中的关键部件。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)已被证明是用于这些应用的良好光源，因为它们具有 单频、无模跳的调谐特性，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， 因此在增益曲线下只有一种纵向模式可用于发射激光。这与平面内、边缘发 射的可调谐激光器相比，后者的增益曲线下存在多种纵向模式，需要波长选 择元件来选择仅以一种纵向模式发射激光。轻量级微机电系统(MEMS)调 谐元件的使用可在较宽的调谐范围(例如，10nm到100nm以上)上实现 高扫描速率(例如，10kHz到1MHz)。VCSEL也很有吸引力，因为它们可 扩展到晶圆级制造，因此成本较低。工作波长可以包括非常宽的范围，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，范围就是从紫外 (UV)，例如，250nm到许多微米，例如，超过5微米。

光学成像或光学传感系统的实施需要精确了解可调谐激光波长在其调 谐范围内的传播情况。许多方法已被用于表征可调谐激光波长，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]、波长功率 校准[5]、标准具[6,7]、位置敏感探测器[8]、阵列波导光栅[9]和一系列光纤 布拉格光栅[10]。这些方法承认，可调谐激光器的波长调谐特性将随时间变 化，以响应环境(例如，温度、压力)和老化效应。由于调谐元件固有的机 电特性，也可能存在短期的扫描间变化。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，例如这种用在光学相干层析 成像(OCT)中的系统，采用干涉仪来测量瞬时激光波长。干涉仪的输出与 高速数据采集系统接口，能够补偿激光光谱扫描特性的任何短期变化。然而， 重要的是激光输出的整体光谱特性，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期内保持不变。

单空间模式可调谐VCSEL的光输出功率受到小腔体尺寸和半导体外延 层结构热特性的限制。特别是当扫描速率增加到超过200kHz的速度时，需 要50mW或更大范围内的输出功率以达到所需的信噪比灵敏度。可调谐激 光器的高输出功率还可以通过在可调谐激光器的下游使用成本更低的元件 和组装技术来降低整体系统成本。基于这些原因，有必要使用光学放大器来 增加VCSEL的输出功率。

低成本也是在更大容量的消费市场中实现光学成像和传感应用-例如机 器人机器视觉、自动驾驶和家庭保健OCT应用-的基本要素。

根据本公开实施例的以下新颖概念提供了基于VCSEL和平面光波电路 (PLC)的高度稳定、低成本、可调谐的激光器组件。这些概念适用于光泵 浦VCSEL和电泵浦VCSEL。

发明内容