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  • VCSEL掃頻源技術(shù)(波弗光電)
    時間:2023-09-02 關(guān)鍵詞:波弗光電 發(fā)布者:波弗光電 瀏覽量:1646

    VCSEL掃頻源

    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]。



    • 我們的VCSEL激光技術(shù)能夠?qū)崟r實現(xiàn)表面和地下的全3D成像
    • 我們的產(chǎn)品用作眼科應(yīng)用的OCT掃描源



    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)



    波長可調(diào)光源的類型:


    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(ECL)
    • 傅立葉域模式鎖定激光器(FDML)
    • 分段光柵分布式布拉格反射器(SG-DBR)
    • 垂直腔面發(fā)射激光器(VESEL)



    外腔激光器(ECL):

    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)激光器:

    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。


    分段光柵分布式布拉格反射激光器(SG-DBR):

    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):

    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。



    VCSEL技術(shù)的優(yōu)勢:


    • VCSEL技術(shù)卓越的光學(xué)相干長度允許突破性地增加成像范圍。
    • VCSEL由于更小的束腰和更小的機械鏡尺寸而實現(xiàn)了快速調(diào)諧范圍(MHz)。
    • 電泵浦VCSEL允許更容易的晶圓級測試和更簡單、更小的形狀因子組件。



    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技術(shù)的獨特性和優(yōu)勢:

    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:



    • 高相位穩(wěn)定性
    • 長期穩(wěn)定波長掃描
    • 對稱雙向掃描
    • 無MEMS災(zāi)難性故障,可靠性高



    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。



    MEMS VCSEL

    什么是MEMS VCSEL,它是如何工作的?

    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

    MEMS VCSEL的可靠性是什么?


    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。


    VCSEL技術(shù)需要什么類型因素?


    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



    更多信息:

    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。


    參考信息:


    [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.


    文章來源:


    OCTLIGHT Aps

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

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