宽范围可调谐扫频源的制作方法
【专利说明】 宽范围可调谐扫频源
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年3月15日提交的当前未决的美国临时专利申请N0.61/793，730的优先权，美国临时专利申请N0.61/793，730的全部公开内容通过参引并入本文。
[0003]联邦政府资助的研究或开发的声明
[0004]本发明是在NIH资助R44CA101067和R44EY022864下做出的。美国政府在该发明中享有一定权利。
技术领域
[0005]本发明总体上涉及光学相干断层扫描技术和可调谐激光器。
【背景技术】
[0006]光学相干断层扫描技术(OCT)是用于样本的在样本表面下方的高分辨率深度显像的技术。近年来，扫频源光学相干断层扫描技术(SSOCT)具有经证实的优异的成像速度、成像范围和图像质量。SSOCT系统的关键技术元件是波长扫频激光源。已经证实了MEMS可调谐竖直腔激光器(MEMS-VCL)对于在1300nm和1050nm下进行SSOCT是重要关键的波长扫频源，正如例如在(1.Grulkowski, J Liu, B.Potsaid, V.Jayaraman, CD.Lu, J.Jiang, A.E.Cable, J.S.Duker, and J.G.Fujimoto, “Retinal, anter1r segment, andfull-eye imaging using ultra-high speed swept source OCT with vertical cavitysurface-emitting lasers (使用带竖直腔表面发射激光器的超高速扫频源OCT的视网膜、眼睛前部和全眼成像)’B1medical Optics Express (生物医学光学快报)，第3卷，第11期，2733-2751页)中描述的。对于商业上可行的SS-OCT系统，基于1050nm VCL的扫频源必须提供基本上在宽的调谐范围内的单一纵向模式、单一横向模式以及单一偏振模式的操作，该扫频源在数百kHz频率内扫频数千亿个循环，为SSOCT成像提供足够的输出功率，并且是可制造的和长期可靠的。
[0007]根据前述内容，显然需要的是这样一种MEMS-VCL，该MEMS-VCL在1050nm时满足SS-OCT系统的调谐范围、速度、相干长度、以及输出功率需求，并且是可制造的和长期可靠的。
【发明内容】
[0008]本发明提供了基于可调谐的1050nm的VCL的高速、单模、高功率、可靠且可制造的扫描激光光源的多个优选的、备用可制造的并且可靠的实施方式。
[0009]一个实施方式提供了一种波长可调谐光源，所述波长可调谐光源可操作地发射波长可调谐辐射，所述波长可调谐辐射包含在约950nm与约1150nm之间的波长跨度内的波长范围中，所述波长可调谐光源包括竖直腔激光器(VCL)，所述VCL具有增益区域，所述增益区域包括包含铟、镓和砷的至少一个压缩应变的量子阱，所述竖直腔激光器还包括包含第一镜面的第一部分，包含第二镜面的第二部分，所述第二镜面由支撑结构贴附至包含柔性膜的机械结构，在所述第二部分与所述第一部分之间的可调节空气隙，用于将电子和空穴注入所述增益区域的第一装置，用于调节所述空气隙的第二装置，以及用于获得基本上在所述波长可调范围中单纵向模式操作和单横向模式操作的第三装置，其中，所述增益区域的室温光致发光峰值波长大于约20nm并且小于所述波长可调激光器的最大工作波长。
[0010]另一个实施方式提供了一种波长可调谐光源，所述波长可调谐光源可操作地发射波长可调谐辐射，所述波长可调谐辐射包含在约950nm与约1150nm之间的波长跨度内的波长范围中，所述波长可调谐光源包括竖直腔激光器(VCL)，所述VCL具有增益区域，所述增益区域包括包含铟、镓和砷的至少一个压缩应变的量子阱，所述竖直腔激光器还包括包含第一镜面的第一部分，包含第二镜面的第二部分，所述第二镜面由支撑结构贴附至包含柔性膜的机械结构，在所述第二部分与所述第一部分之间的可调节空气隙，用于将电子和空穴注入所述增益区域的第一装置，用于调节所述空气隙的第二装置，以及包围所述竖直腔激光器的真空环境。
[0011]又一个实施方式提供了一种波长可调谐光源，所述波长可调谐光源可操作地发射波长可调谐辐射，所述波长可调谐辐射包含在约950nm与约1150nm之间的波长跨度内的波长范围中，所述波长可调谐光源包括竖直腔激光器(VCL)，所述VCL具有增益区域，所述增益区域包括包含铟、镓和砷的至少一个压缩应变的量子阱，所述竖直腔激光器还包括包含第一镜面的第一部分，包含第二镜面的第二部分，所述第二镜面由支撑结构贴附至包含柔性膜的机械结构，在所述第二部分与所述第一部分之间的可调节空气隙，用于将电子和空穴注入所述增益区域的第一装置，用于调节所述空气隙的第二装置，以及用于获得基本上在所述波长可调范围中单纵向模式操作和单横向模式操作的第三装置。
[0012]再一个实施方式提供了一种波长可调谐光源，所述波长可调谐光源可操作地发射波长可调谐辐射，所述波长可调谐辐射包含在约950nm与约1150nm之间的波长跨度内的波长范围中，所述波长可调谐光源包括竖直腔激光器(VCL)，所述VCL具有增益区域，所述增益区域包括包含铟、镓和砷的至少一个压缩应变的量子阱，所述竖直腔激光器还包括包含第一镜面的第一部分，包含第二镜面的第二部分，所述第二镜面由支撑结构贴附至包含柔性膜的机械结构，在所述第二部分与所述第一部分之间的可调节空气隙，用于将电子和空穴注入所述增益区域的第一装置，用于调节所述空气隙的第二装置，以及用于获得基本上在所述波长可调范围中单纵向模式操作和单横向模式操作的第三装置；所述波长可调谐光源还包括半导体光放大器。
【附图说明】
[0013]图1是根据实施方式的光栗浦MEMS-VCL设备。
[0014]图2示出了根据实施方式的MEMS-VCL的顶部镜面光谱。
[0015]图3示出了根据实施方式的具有WDM分波的设备。
[0016]图4示出了根据实施方式的底部发射设备。
[0017]图5示出了根据实施方式的具有偏轴栗浦的设备。
[0018]图6示出了根据实施方式的设备的传导带和VCL驻波曲线。
[0019]图7示出了根据另一实施方式的设备的传导带和VCL驻波曲线。
[0020]图8示出了根据又一实施方式的设备的传导带和VCL驻波曲线。
[0021]图9图示了对FSR和理想的零偏置波长的定义。
[0022]图10示出了根据实施方式的设备的静态调谐范围和动态调谐范围。
[0023]图11是根据实施方式的电栗浦的MEMS-VCL设备的示意图。
[0024]图12是根据实施方式的带埋入式隧道结的设备的电栗浦的MEMS-VCL的示意图。
[0025]图13是根据另一实施方式的带蒸镀的底部镜面的电栗浦的MEMS-VCL的示意图。
[0026]图14示出了根据实施方式的设备的放大前的VCL光谱和放大后的VCL光谱。
[0027]图15示出了根据实施方式的脊形波导管式半导体光学放大器设备。
[0028]图16示出了根据实施方式的设备的构型、驱动电流、波长轨迹以及多路复用输出与时间。
【具体实施方式】
[0029]图1示出了根据本发明的高性能、可制造的且可靠的波长扫频源的优选实施方式的示意图。调谐机构和增益介质的设计使得量子阱故障的平均时间在1000小时以上，其中，故障被限定为可实现的调谐范围或输出功率下降10%或更多的时候。对于一些应用，更短的故障的平均时间比如100小时可能是足够的。该扫频源发射包含在约950nm至1150nm范围内的具有平均输出功率和峰值功率波长的波长调谐范围中的波长扫频辐射。光栗浦可调谐MEMS-VCL包括固定的第一部110和可移动的第二部100。尽管所示出的优选调谐机构是MEMS调谐机构，但是其他调谐机构如依赖于使用电阻加热的可膨胀膜的电热致动是可行的。第一部包括InGaAs MQW增益区域120，该InGaAs MQW增益区域120包括至少一个并且理想的为三个压缩应变的铟砷化镓(InGaAs)量子肼并且具有GaAs层，GaAs层吸收来自光栗浦激光源125的栗浦辐射。InGaAs量子肼可以包括用于增强增益带宽的两个量子状态。光栗浦激光源125的波长在约750nm至870nm波长范围内，优选在约850nm，并且用于将空穴和电子注入增益区域120以使得能够发射激光。第一部110还包括底部镜面130，底部镜面130是通过对GaAs/AlAs交替叠层的横向氧化形成的完全氧化的GaAs/AlxOy镜面。该镜面的低折射率部也可以通过对Al (X)Ga(1-X)As的氧化而形成，其中，x优选地大于0.9。该镜面的高折射率部也不需要是GaAs而可以是AlGaAs。可移动的第二部100包括顶部悬挂的介质镜面140，该介质镜面140通过空气隙150从第一部110分开。在第一部110与空气隙150之间的界面处的抗反射(AR)涂层160抑制了不想要的反射并且展宽了激光调谐范围。介质镜面140理想地由四分之一波长叠层的二氧化硅(S12)和五氧化二钽(Ta2O5)形成，然而Ta2O5可以被钛、银、铪的氧化物，硅或VCSEL设计和制造领域的普通技术人员公知的许多其他高折射率的材料所取代。介质镜面还被弯曲成提供利于高功率单模操作的半对称腔。介质镜面坐置在优选为氮化硅的膜170上，并且通过优选为锗的支承结构185支承在其端部上。该支承结构理想上为用作牺牲层的相同材料以底切膜170。用于支承结构的其他备选材料包括硅、聚酰亚胺、感光树脂或SU-8。氮化硅薄膜的使用提供了可以承受超过一兆次的弯曲的非常可靠的膜，这正是许多高速SS-OC