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VCSEL扫频源技术(威斯尼斯人娱乐官方网站)
时间:2023-09-02 关键词:威斯尼斯人娱乐官方网站 发布者:威斯尼斯人娱乐官方网站 浏览量:1031

VCSEL扫频源

使用快速波长可调谐激光器,可以在KHZ-MHZ线扫描速率下以低至微米的精度和高达数百米的范围进行三维光学成像。这对于非侵入性医学成像特别有用,但也扩展到其他一些应用,如工业成像和激光雷达。


从光通信到激光材料加工,激光在我们的日常生活中无处不在。与大多数激光器相比,波长可调谐激光器的不同之处在于波长的可调谐性是期望的和受控的效果。

OCTLIGHT专注于基于(独有技术)波长可调谐激光技术的VCSEL扫描源[1]。



  • 我们的VCSEL激光技术能够实时实现表面和地下的全3D成像
  • 我们的产品用作眼科应用的OCT扫描源



光学相干断层扫描(OCT)是一种非侵入性成像技术,可提供物体和组织内部的视图。OCT背后相干检测的基本原理和优势在眼科成像之外的几个应用领域都有应用,如用于自主系统的计量和3D视觉。相干检测也是光频域反射法(OFDR)和调频连续波(FMCW)的原理,见图1。



 

图1:相干探测示意图:波长可调激光器被分割为参考,再次组合的样本/场景及其与光电探测器的检测,由数字化仪和快速傅立叶变换获取,得出距离(+速度)



波长可调光源的类型:


扫频源技术主要可以通过四种类型的波长可调谐激光器来实现[2]:


  • 外腔激光器(ECL)
  • 傅立叶域模式锁定激光器(FDML)
  • 分段光栅分布式布拉格反射器(SG-DBR)
  • 垂直腔面发射激光器(VESEL)



外腔激光器(ECL):

外腔激光器(下述简称:ECL)是一种基于光学增益芯片和外反射镜的成熟技术。ECLS由于腔长而对扫描速率具有固有的限制。激光是由波长扫描时的自发发射建立的,这导致成像范围(相干长度)随着扫描速率的增加而减小,从而将扫描速率限制在400kHz左右。短腔ECL还可以表现出周期性脉冲串,该脉冲串通过相干恢复从聚焦透镜等表面生成重影图像。


傅立叶域模式锁定(FDML)激光器:

傅立叶域模式锁定(FDML)技术是一种高度通用的技术,其中波长可调滤波器与激光环形腔的往返时间同步。FDML的动力学非常复杂,需要先进的偏振控制、色度色散和中心波长的主动稳定。通过这种高达3.2 MHz的SS-OCT成像,FMDL是一种非常通用和高性能的研发设备。


分段光栅分布式布拉格反射激光器(SG-DBR):

SG-DBR最初是为电信中的静态调谐而开发的。这种半导体技术没有移动部件,而是速度受到热效应的限制。载波注入的精细控制允许对波长扫描进行编程,并且可以缝合0.5nm的连续微扫描以实现高达400kHz的高分辨率。处理后OCT数据分析需要解决该技术固有的非连续波长扫描问题。


垂直腔面发射激光器(VESEL):

垂直腔面发射激光器(VESEL)是一种半导体技术,其独特之处在于其短光腔导致窄线宽和长相干长度。与MEMS系统一起,这实现了高达几十MHz的非常快速的绝热波长调谐。因此,为了增加3D成像中的成像范围和速率,VCSEL技术在许多情况下是有利的选择。



VCSEL技术的优势:


  • VCSEL技术卓越的光学相干长度允许突破性地增加成像范围。
  • VCSEL由于更小的束腰和更小的机械镜尺寸而实现了快速调谐范围(MHz)。
  • 电泵浦VCSEL允许更容易的晶圆级测试和更简单、更小的形状因子组件。



图2:带衬底反射镜、增益区、气隙和顶部反射镜的MEMS-VCSEL示意图。


 

图3 : MEMS-VCSEL是使用半导体技术制造的,该技术通过批量处理和晶圆级测试实现了非常高的精度和可扩展性



OCTLIGHT技术的独特性和优势:

OCTLIGHT VCSEL扫描源在使用单片MEMS VCSEL(如9xx nm数据通信VCSEL)和单材料MEMS系统(如经验证的MEMS时序解决方案)方面是独一无二的。Caliper VCSEL扫描源是一个完整的子系统,包括VCSEL的有效光学耦合和放大,以及使用低电压对MEMS的波长扫描。


对于需要灵活扫描速率的应用,例如在几种扫描模式之间切换,我们提供扫描源Caliper-FLEX。


对于需要固定扫描速率的应用,我们提供扫描源Caliper-HERO。获得专利的高效谐振振荡器(HERO™)该技术通过使用简单且低电压的驱动信号在真空中操作MEMS来实现进入MHz范围的快速扫描速率。这提供了几个好处,包括:



  • 高相位稳定性
  • 长期稳定波长扫描
  • 对称双向扫描
  • 无MEMS灾难性故障,可靠性高



长期稳定性使得使用具有预校准FFT线性化的单通道DAQ进行高效的高通量数据采集成为可能。



MEMS VCSEL

什么是MEMS VCSEL,它是如何工作的?

OCTLIGHT VCSEL扫描源基于半导体激光二极管,具有集成的波长扫描机制(移动图2的顶部反射镜)。激光二极管是垂直腔面发射激光器(VCSEL),具有单模光发射和长相干长度。使用微机电系统(MEMS)来实现波长扫描,以改变激光腔的长度,由此产生稳定和快速的波长扫描。

由于其高可靠性和独特的高斯光束轮廓8xx-9xx nm VCSEL已成为数据通信的基石,使用有源光缆(AOC)进行云计算,现在也使用飞行时间(ToF)和智能手机和汽车VCSEL阵列进行3D成像。激光雷达是VCSEL同时用于ToF和调频连续波(FMCW)的最新应用领域。

图4 :VCSEL封装在标准晶体管轮廓头(TO)上,如图所示,或与蝴蝶(BTF)封装或光子集成电路(PIC)中的其他光学组件集成

MEMS VCSEL的可靠性是什么?


在引入Texas Instruments Digital Micromirror Devices(DMD)MEMS之前,MEMS被视为由于微机械移动元件而具有潜在可靠性问题的技术,但从那时起,从DMD到MEMS时序解决方案的许多应用中已经证明了通常优越的可靠性,在这些应用中,数十亿个单元的故障率低于百万分之一的缺陷部件(DPPM)。MEMS已经在汽车和消费者应用中广泛商业化,特别是由压力传感器和惯性测量单元(IMU)驱动。

VCSEL和MEMS的可靠性已得到广泛研究,商业产品的工作寿命已证明为10000至100000小时。VCSEL技术还具有晶圆级测试的优势,这在确保高质量的同时降低了封装成本。


VCSEL技术需要什么类型因素?


根据最终应用,可能需要不同的形状因子。VCSEL具有独特的位置,可以从高度小型化的光子集成电路(PIC)集成到复杂的光纤或自由空间仪器。


光学系统可以用自由空间光学器件或光纤制成,用于放宽尺寸限制的中小型应用。VCSEL可以很容易地封装在TO封装中以获得自由空间,并尾纤用于光纤传输,这构成了VCSEL扫描源中光学集成的基础。具有光纤输出的光源易于使用并集成在任何光学系统中。OCTLIGHT的VCSEL扫描源配有单模光纤和接口,可与任何光学成像系统接触。


近年来,光子集成电路得到了快速发展,它提供了将光纤和自由空间系统中已知的光学功能集成到单个芯片中的可能性。这对于尺寸受到限制的大容量应用是有利的。250x250um的小VCSEL芯片面积和表面发射使使用直接转移技术集成到具有与表面光栅的有效光学耦合的PICs成为可能。

 

图5:光子集成电路(PIC)允许光学系统的小型化,VCSEL可以直接与PIC集成



更多信息:

在这篇关于VCSEL扫描源技术的白皮书中,介绍了相干检测、波长可调光源和光学集成中的关键概念。


VCSEL是一项关键的使能技术,由于其可扩展性和高性能,它推动了数据通信、消费电子(光学鼠标/optical mice)和激光雷达等应用的重大进步。MEMS VCSEL使得使用相干检测来实现高分辨率和长距离成像的新应用成为可能。


参考信息:


[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.


文章来源:


OCTLIGHT Aps

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

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