波长可扫掠激光源制造技术

公开了波长可扫掠激光源，其中所述激光源为适于产生在激射波长处的激光的半导体激光源。所述激光源包括衬底、第一反射器以及第二反射器。所述第一反射器与所述第二反射器一起限定出光学腔，并且被布置为支持在光学腔中在垂直于衬底的方向上沿着光学路径的光振荡。所述光学腔包括在光学路径上的空隙。所述第二反射器通过悬挂装置被弹性地悬挂在距所述第一反射器一定的距离处并且具有静止位置，所述第二反射器和所述悬挂装置一起限定微机电MEMS振荡器。所述MEMS振荡器具有谐振频率并且适于使所述第二反射器在所述静止位置的每一侧振荡。所述激光源还包括适于向MEMS振荡器施加电场的电连接。此外，还公开了激光源系统和使用激光源的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】波长可扫掠激光源
本公开内容涉及波长可扫掠激光源、激光源系统以及使用激光源的方法。
技术介绍
在许多应用例如光谱学和光谱干涉中，需要具有宽的光学带宽和快速调谐速度的波长可调谐光源。在许多这样的应用中，光源的光谱纯度对于为了避免寄生信号例如被视为动态相干长度的减小而言是重要的。波长可调谐激光源例如可调谐垂直腔表面发射激光器(VCSEL)吸引许多应用例如光谱学和光学相干断层扫描(OCT)。微机电系统(MEMS)可调谐垂直腔表面发射二极管(VCSEL)具有使得能够真正实现下述单模式波长调谐的潜力：具有大于10％的相对调谐范围的单模式波长调谐和/或在最高达100MHz的调谐速率下的单模式波长调谐。VCSEL源的紧凑性对于许多工业应用是另一有吸引力的特征。通过制造电注入VCSEL来制成的紧凑扫掠源还允许晶圆级的测试。然而，为了实现MEMS可调谐VCSEL的一些上述性质，许多问题有待解决。首先，可调谐VCSEL的空气间隙平行板电容器的机电不稳定性限制了可实现的光学带宽。可调谐VCSEL激光器的操作涉及可调谐反射器坍塌至底层衬底上的风险，所谓的“拉入(pullin)”或“贴合(snap)”(吸合效应)，其涉及激光源的永久性损害的风险。因此，现有技术的激光源通常仅利用可调谐反射器的最大调谐幅度的一部分。特别地，已经发现了拉入现象限制平行板机电致动器，在该拉入现象中，当静电力增加超过机械回复力时，平行板贴合到衬底(在这种情况下为VCSEL衬底)。其次，平行板致动器的可移动部分的宽偏转是期望的。从Cole等人,OpticsExpress,第16卷,(2008),第16093页处获知短波长MEMS可调谐VCSEL，该短波长MEMS可调谐VCSEL包括DBR顶反射器和底反射器以及在腔内的抗反射涂层。报道了30nm的波长调谐范围。从Vail等人,ElectronicsLetters32(1996)1888和Jayaraman等人,ElectronicsLetters48(2012)处获知能够进行调谐的其他激光源。从Vail等人，IEEEJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics，第3卷(1997)第691页处获知交流(AC)电压可用于使MEMS振荡器在静止位置的每一侧振荡，从而提供波长的蓝移和红移两者。空气间隙被设计为1.41μm，或为空气中的3/2λ，这得到了470nm的MEMS振荡器安全行程长度(即在将要发生拉入之前能够适应的行程长度)。Vail等人描述了可以通过用峰值电压16V的方波驱动MEMS振荡器处于谐振来降低给定波长变化需要的电压。这样，VCSEL可以跨越其12nm的全调谐范围来进行扫掠。用0.04的波长调谐效率，MEMS振荡器实现全调谐范围需要的行程为300nm。假定MEMS振荡器在静止位置的任一侧偏转，那么所需要的150nm的向下偏转在稳定区域内并且避免了拉入不稳定性。使用方波的MEMS振荡器的较大偏转将导致动态拉入。从例如Seeger等人的Solid-StateSensor,ActuatorandMicrosystemsWorkshop6月2日-6日(2002)0-9640024-4-2中处获知动态拉入不稳定性，该文献教导：在MEMS振荡器的谐振时，在针对方波激发的静止位置中，在空气间隙的56％处，发生拉入。Jayaraman等人在Proc.SPIE第8276卷(2012年)第82760D页、ElectronicsLetters第48卷(2012年)第867-869页中教导如何可以在重复的正弦扫掠的情况下超越1/3的间隙规则。通过重复扫掠可以超越静态贴合不稳定性，但是动态贴合不稳定性仍将限制调谐范围。因此，改善的激光源和激光源系统将是有利的，并且特别地，具有扩展的调谐范围的激光源和激光源系统将是有利的。还期望在操作期间降低损害激光源的风险。特别地，可将提供增大现有技术的激光源的调谐范围的激光源、激光源系统和使用激光源的方法视为本专利技术的一个目的。本专利技术的另一目的是提供现有技术的替选方案。
技术实现思路
根据第一方面，本文公开了波长可扫掠激光源的实施方案。所述激光源为适于产生在激射波长处的激光的半导体激光源。所述激光源包括衬底、第一反射器以及第二反射器。第一反射器与第二反射器一起限定光学腔，并且布置为支持光学腔中的沿着垂直于衬底方向上的光学路径的光振荡。光学腔包括在光学路径上的空隙。第二反射器通过悬挂装置弹性地悬挂在距第一反射器一定的距离处并且具有静止位置。第二反射器和悬挂装置一起限定微机电MEMS振荡器，所述MEMS振荡器具有谐振频率并且适于使所述第二反射器在所述静止位置的每一侧振荡。激光源还包括适于向所述MEMS振荡器施加电场的电连接。以这种方式，电压源可以通过在衬底与第二反射器之间感生静电吸引来使MEMS振荡器振荡。因此，在与第二反射器的静止位置相比时，可以使第二反射器靠近第一反射器以及更远离第一反射器进行扫掠。因为腔的长度确定从激光器发射的光的波长，所以与当第二反射器处于静止位置时激光源的波长相比，光的波长可以因此被扫掠为较短的波长和较长的波长两者。另外，以这种方式，MEMS振荡器可以在空隙的显著部分或甚至整个空隙上进行扫掠以增大腔长度的变化，并且因此增大通过激光源能够获得的波长变化。因此，在操作期间，激光源发射激射波长处的激光，其中激射波长跨调谐带宽进行来回扫掠，所述调谐带宽通过振荡第二反射器的幅度来限定。扫掠速度通过第二反射器进行振荡的频率来确定。根据本文公开的第一方面的激光源被封装以使得保持所述MEMS振荡器至少在操作时处于200托或更小的压力的低真空或中真空下。为此，激光源可以被设置在壳体内，该壳体可操作为保持壳体内具有200托或更小的压力的部分真空。该封装可以提供为具有用于使激光从壳体出射的窗口的金属壳体。将激光源封装在壳体内以形成反射器周围的低真空或中真空显著地提高了MEMS振荡器的机械品质因数。另外，振荡器可以被提供为具有高谐振频率，并且因此具有快速波长扫掠周期而不需要不必要的高驱动电压。另外，专利技术人已经实现了：可以通过包括短脉冲和具有低平均电压的调制电压波形来驱动具有高机械品质因数的MEMS振荡器，即不引起MEMS振荡器的振荡相对于其静止位置显著不对称并且朝向第一反射器。因此，可以显著降低振荡器的拉入风险。激光源的实施方案因此使得能够实现可调谐VCSEL的MEMS振荡器的对称致动，这进而允许增大的波长调谐范围。MEMS振荡器的致动依赖于方波电压波形并且该致动引起在MEMS振荡器的偏转中的恒定偏移和许多叠加谐波项。当期望宽的带宽时，恒定偏移是不期望的效果。恒定偏移依赖于电压波形的幅度，并且为了实现MEMS振荡器关于静止位置的对称致动，峰值电压应该小。为了用低的峰值电压获得足够的致动，MEMS振荡器应该具有高的机械品质因数。这通过将MEMS振荡器封装在部分真空内来实现。在激光源的一些实施方案中，半导体激光器包括垂直腔表面发射激光器VCSEL。以这种方式，可以实现特别短的腔，这对于获得长的自由光谱范围(FSR)并且因此获得扩展的波长扫掠范围是有吸引力的。在激光源的一些实施方案中，半导体激光器是电泵浦的。在激光源的一些实施方案中，第一反射器为分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波长可扫掠激光源，其中所述激光源为适于产生在激射波长处的激光的半导体激光源，所述激光源包括：衬底，第一反射器，以及第二反射器，所述第一反射器与所述第二反射器一起限定出光学腔，并且被布置为支持在所述光学腔中在垂直于所述衬底的方向上沿着光学路径的光振荡，所述光学腔包括在所述光学路径上的空隙，所述第二反射器通过悬挂装置被弹性地悬挂在距所述第一反射器一定的距离处并且具有静止位置，所述第二反射器和所述悬挂装置一起限定微机电MEMS振荡器，所述MEMS振荡器具有谐振频率并且适于使所述第二反射器在所述静止位置的每一侧振荡，所述激光源还包括：适于向所述MEMS振荡器施加电场的电连接；其中，所述激光源被封装以保持所述MEMS振荡器至少在操作时处于200托或更小的压力的真空下。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.08.08 EP 12179699.91.一种波长可扫掠激光源，其中所述激光源为适于产生在激射波长处的激光的半导体激光源，所述激光源包括：衬底，第一反射器，以及第二反射器，所述第一反射器与所述第二反射器一起限定出光学腔，并且被布置为支持在所述光学腔中在垂直于所述衬底的方向上沿着光学路径的光振荡，所述光学腔包括在所述光学路径上的空隙，所述第二反射器通过悬挂装置被弹性地悬挂在距所述第一反射器一定的距离处并且具有静止位置，所述第二反射器和所述悬挂装置一起限定微机电MEMS振荡器，所述MEMS振荡器具有谐振频率并且适于使所述第二反射器在所述静止位置的每一侧振荡，所述激光源还包括：适于向所述MEMS振荡器施加电场的电连接；其中，所述激光源被封装以保持所述MEMS振荡器至少在操作时处于200托或更小的压力的真空下；以及其中，所封装的MEMS振荡器的机械品质因数为至少10。2.根据权利要求1所述的波长可扫掠激光源，还包括电压源，所述电压源连接至电连接，并且被配置成使所述MEMS振荡器与所述第二反射器的所述静止位置相比更靠近所述第一反射器以及更远离所述第一反射器进行扫掠。3.根据前述权利要求中任一项所述的波长可扫掠激光源，其中，所述MEMS振荡器通过交流(AC)调制电压来驱动。4.根据权利要求1或2所述的激光源，其中，所述第二反射器为亚波长光栅或包括亚波长光栅。5.根据权利要求1或2所述的激光源，其中，所述第二反射器为高折射率对比亚波长光栅HCG或包括高折射率对比亚波长光栅HCG。6.根据权利要求1所述的激光源，其中，所述第二反射器为分布式布拉格反射器DBR或包括分布式布拉格反射器DBR。7.根据权利要求1或2所述的激光源，其中，所述激光源包括在所述腔中所述光学路径上的抗反射涂层。8.根据权利要求7所述的激光源，其中，通过对AlxGa1-xAs层进行氧化来制造所述抗反射涂层，其中x大于0.7。9.根据权利要求1所述的激光源，其中，所述激光源包括在所述腔的所述光学路径上的有源区，所述有源区包括适于具有对应于第一增益波长范围的带隙的至少第一量子阱区，所述第一量子阱区位于距所述第一反射器第一距离处。10.根据权利要求9所述的激光源，其中，所述有源区还包括适于具有对应于第二增益波长范围的带隙的第二量子阱区，所述第二量子阱区位于距所述第一反射器第二距离处，其中，所述第二增益波长长于所述第一增益波长，并且所述第二距离大于所述第一距离。11.根据权利要求9至10中任一项所述的激光源，其中，所述激光源支持第一激光模式和第二激光模式，并且其中，所述第一距离选择为使得所述第一量子阱材料与所述第一激光模式之间的第一交叠大于所述第一量子阱材料与所述第二激光模式之间的第二交叠。12.一种使用根据前述权利要求中任一项所述的激光源的方法，其中，所述激光源包括垂直腔表面发射激光器VCSE...

【专利技术属性】
技术研发人员：克雷斯滕·温德，托尔·安斯贝克，郑一硕，奥勒·汉森，
申请(专利权)人：丹麦科技大学，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK