可调谐激光器组件、稳定激光器和成像系统的制作方法

文档序号:26589577发布日期:2021-09-10 20:28阅读:66来源:国知局
可调谐激光器组件、稳定激光器和成像系统1.相关申请的交叉引用2.本技术要求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
:3.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
::4.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。5.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。[0006]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。[0007]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。[0008]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。技术实现要素:[0009]为了创建高度稳定、低成本、可调谐的vcsel激光器组件,用于组合构成激光器组件的各种光学元件的方法,即“封装平台”应利用光刻定义的、晶圆级的平面光学电路,而不是传统的“光学台架”封装平台。众多体积大块的光学元件(如反射镜、透镜、分光器/合路器)的功能可以在晶圆级平面光学电路上以较低的成本实施,并具有以下两方面的优势:(1)通过实施更复杂的监测和控制电路实现更高的光谱稳定性;(2)通过简化光学对准降低组装成本。因此,根据一个实施例,这种高稳定、低成本、可调谐的vcsel激光器组件的基本设计中使用的第一个概念是使用晶圆级平面光学电路封装平台。[0010]存在许多技术用于制造平面光学电路,也称为平面光波电路(plc),包括硅基二氧化硅、绝缘体上硅(soi)和lpcvd氮化硅。plc技术的选择在很大程度上取决于应用的技术要求(工作波长、光损耗、光学非线性)以及经济要求(尺寸、成本、产量)。由于与cmos硅片制造工艺的兼容性,soi吸引了大量的关注,并使硅光子学领域迅速商业化。然而,硅波导中的传播仅限于大于约1.1μm的波长。因此,soi不适用于可见光到近红外波长范围(0.4–1.1μm)的典型生物科学或生命科学应用。[0011]任何plc技术的一个显著特点是可以实现的横向波导限制量,这与纤芯和包层之间的折射率差有关。所谓“δn”或折射率对比度定义为:δn=(n纤芯–n包层)/n包层,其中n纤芯和n包层分别是波导芯材和包层材料的折射率[11]。折射率对比度越高,可能的波导弯曲的曲率半径越小,这就可以实现更小的芯片或更高的光功能密度。较高的折射率对比度的缺点是波导的双折射率会增加。低双折射率plc可以在低折射率对比度技术上设计,如硅基二氧化硅或离子交换玻璃波导,其te模式和tm模式的正交传播特性基本没有差异,类似于单模光纤。然而,高折射率对比度技术,如soi和lpcvd氮化硅,在te模式和tm模式之间的传播特性会有极大的不同,因此plc基本上是单偏振组件。所选plc技术的折射率对比度必须与应用的偏振要求相匹配。[0012]应该注意的是,大多数plc技术都包含了主动调整各种电路元件特性的方法,以补偿制造公差,并在某些情况下实施宽的波长调谐。这种调整通常是通过片上微加热器来实现的,片上微加热器对波导进行局部加热,从而改变波导的折射率。微加热器的使用并不是本公开的根本,但既假定plc上存在微加热器,又假定能够调整/调节电路组件。[0013]本公开的一个实施例提供了一种封装在单个外壳中的可调谐激光器组件,其中mems‑vcsel(微机电系统‑垂直腔半导体激光器)芯片、泵浦芯片和半导体光学放大器芯片彼此不对齐(不共享共同的自由空间光轴),但全部与中间的平面光波电路(plc)芯片上的光波导对齐。[0014]本公开的一个实施例提供了一种可调谐激光器组件,其包括:发射可调谐激光辐射的可调谐半导体激光器;半导体光学放大器(soa);至少一个光电探测器;以及平面光波电路(plc);其中,所述可调谐半导体激光器、soa以及至少一个光电探测器与所述plc上的光波导对齐。[0015]本公开的一个实施例提供了一种可调谐激光器组件,包括:发射可调谐激光辐射的可调谐半导体激光器;泵浦激光器;半导体光学放大器(soa);至少一个光电探测器;以及平面光波电路(plc);其中,所述可调谐半导体激光器、泵浦激光器、soa以及至少一个光电探测器与所述plc上的光波导对齐。[0016]本公开的一个实施例提供了一种稳定激光器,包括:发射可调谐激光辐射的可调谐半导体激光器;至少一个光电探测器;具有集成波长监测电路的平面光波电路;以及闭环控制器;其中,所述可调谐半导体激光器、所述至少一个光电探测器和所述平面光波电路安装在公共基板上;并且其中,所述波长监测电路生成输入到所述闭环控制器的信号,所述闭环控制器稳定所述可调谐激光辐射的绝对波长和光带宽。[0017]本公开的一个实施例提供了一种扫描源光学相干层析成像系统,包括:发射可调谐激光辐射的可调谐半导体激光器;至少一个光电探测器;具有集成波长监测电路的平面光波电路(plc);以及闭环控制器;其中,所述可调谐半导体激光器、所述至少一个光电探测器和具有集成波长监控电路的plc安装在波长监测电路上,所述波长监测电路生成输入到所述闭环控制器的信号,所述闭环控制器稳定所述可调谐激光辐射的绝对波长和光带宽;oct干涉仪;以及oct探测器;其中,所述可调谐激光辐射的至少一部分被引导到所述oct干涉仪,并且所述oct干涉仪的输出被引导到所述oct探测器,用于生成oct干涉图。附图说明[0018]图1是根据本公开实施例的高度稳定、低成本、可调谐激光器组件设计的示意图。[0019]图2示出了根据本公开另一实施例的可调谐激光器组件设计。[0020]图3示出了根据本公开实施例的波长监测电路设计。[0021]图4示出了根据本公开另一实施例的波长监测电路。[0022]图5示出了根据本公开另一实施例的波长监测电路。[0023]图6示出了根据本公开另一实施例的可调谐激光器组件设计。[0024]图7示出了根据本公开另一实施例的可调谐激光器组件设计。[0025]图8示出了根据本公开另一实施例的可调谐激光器组件设计。[0026]图9示出了根据本公开另一实施例的可调谐激光器组件设计。[0027]图10示出了根据本公开实施例的用于在可调谐激光器组件中集成光电探测器的组装方法。[0028]图11示出了根据本公开另一实施例的用于在可调谐激光器组件中集成光电探测器的组装方法。[0029]图12示出了根据本公开实施例的用于在可调谐激光器组件中集成mems可调谐vcsel的组装方法。[0030]图13示出了根据本公开另一实施例的用于在可调谐激光器组件中集成mems可调谐vcsel的组装方法。[0031]图14示出了根据本公开另一实施例的用于在可调谐激光器组件中异质集成泵浦激光器和半导体光学器件的组装方法。[0032]图15示出了根据本公开另一实施例的电泵浦的vcsel可调激光器组件设计。[0033]图16示出了可调谐激光扫描速度变化对光带宽的影响。[0034]图17a示出了一种方法,该方法通过监测相对于由参考波长滤波器生成的计时器起始点的光学标准具脉冲的定时来控制可调谐激光扫描带宽和调谐轨迹。[0035]图17b是根据本公开实施例的具有闭环控制器的高度稳定的可调谐激光器的示意图。[0036]图18示出了根据本公开另一实施例的plc波长监测电路的设计,该电路利用微环谐振器生成光学标准具光脉冲,并利用四级级联的mzi滤波器来生成参考波长滤波器信号。[0037]图19a和图19b示出了针对图18中所述的plc设计测得的实验数据。[0038]图20示出了根据本公开另一实施例的plc波长监测电路的设计,该电路利用单个微环谐振器生成光学标准具光脉冲,并利用三级耦合微环谐振器生成参考波长滤波器。[0039]图21a示出了来自mrr1透射端口的设计光信号,并且图21b示出了mrr3下行端口的信号。[0040]图22示出了使用多通道光纤布拉格光栅控制可调谐激光器的中心波长和光带宽的光学电路。[0041]图23示出了单个多通道光纤布拉格光栅的设计,该光栅同时生成光学标准具脉冲和参考波长滤波器。[0042]图24a和图24b分别示出了无光带宽控制和有光带宽控制的可调谐mems‑vcsel的操作。[0043]图25a和图25b是示例性扫描源oct系统的示意图。具体实施方式[0044]根据本公开原理的说明性实施例的描述旨在结合附图阅读,附图被视为整个书面描述的一部分。在本文所公开的发明实施例的描述中,任何对方向或定向的提及只是为了描述的方便,而不是以任何方式限制本公开的范围。诸如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“在。。。之上”、“在。。。之下”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”等相对术语以及它们的派生词(例如,“水平”、“向下”、“向上”等)应被解释为指当时所描述的或在所讨论的图中所示的定向。这些相关术语仅为便于描述,除非明确指出,否则不要求装置以特定定向构造或操作。诸如“附着”、“附接”、“连接”、“耦接”、“互连”等术语是指通过中间结构直接或间接地将结构固定或连接在一起的关系,以及可移动或刚性的连接或关系,除非另有明确说明。此外,本公开的特征和优点通过参考示例性实施例来说明。因此,本公开不应明确地限于这样的示例性实施例,这些示例性实施例说明了可能单独存在或以其它特征组合存在的一些可能的非限制性特征组合;本公开的范围由本文所附的权利要求定义。[0045]本公开描述了目前设想的实施本公开的最佳模式。这种描述并非旨在以限制性的意义来理解,而是提供了本公开的示例,其通过参考附图仅出于说明性目的而提出,以向本领域的普通技术人员建议本公开的优点和构造。虽然本文所公开的一些元件是在不失通用性的情况下在芯片或芯片组上实施的,但可以理解的是,这些元件中的许多元件也可以例如在一个或多个芯片和/或一个或多个光学元件上实施。在附图的各种视图中,相似的附图标记表示相似或相似的部分。[0046]图1是包含mems‑vcsel芯片、泵浦激光器芯片、半导体放大器芯片和平面光波电路(plc)芯片的可调谐激光器组件的示意图,这些芯片都安装在公共基板220上。上面设置有半导体组件的基板的下方的tec210控制温度。如图1所示,根据本公开实施例的可调谐激光器组件包括包含mems‑vcsel芯片100和plc芯片120的外壳200。来自mems‑vcsel的激光辐射被耦合到plc上的波导302。来自泵浦芯片110的激光辐射被耦合到plc上的泵浦输入波导301,并通过plc上的波分复用器(wdm)电路300传播到mems‑vcsel芯片。为了有效运行,wdm电路被设计成使得大部分泵浦激光辐射传播到mems‑vcsel芯片100,并且少量泵浦激光辐射经由波导303传播到泵浦监测器光电检测器140。来自波导302中的光泵浦mems‑vcsel芯片的激光辐射传播到wdm电路输出波导307,并进一步通过光功率分配器电路310传播到plc输出波导304。为了有效运行,wdm电路300被设计成使得波导302中的大部分mems‑vcsel芯片激光辐射传播到wdm电路输出波导307,并且少量mems‑vcsel芯片激光辐射传播到泵浦输入波导301。分光器电路310被设计成使得大部分mems‑vcsel激光辐射传播到plc输出波导304,并且少量mems‑vcsel激光辐射经由波导308传播到波长监测电路(wmc)320。来自wmc的输出激光辐射在plc输出波导305和306中传播,其中激光辐射由安装在公共基板150上的波长监测器光电探测器151和152监控。来自plc输出波导304的激光辐射耦合到半导体光学放大器芯片130,其中激光辐射被放大,然后通过光学透镜160、通过外壳壁240中的窗口传播,并且耦合到光输出光纤230。[0047]为了在像oct这样要求苛刻的成像应用中使用,泵浦激光芯片110必须是低噪声、单频激光器,例如分布式反馈(dfb)、分布式布拉格反射器(dbr)、体积全息光栅稳定(vhg)或其它外腔激光器。与多模激光器相比,单频激光器具有较低的相对强度噪声(rin)。泵浦激光rin被转移到mems‑vcsel激光输出,因此重要的是泵浦rin尽可能低,最好低于‑135db/hz,边模抑制比(smsr)为30db或更大。对于比oct要求更低的传感应用,可以使用更高的rin多纵模法布里‑珀罗(fabry‑perot)激光泵浦芯片。[0048]有许多不同的方法可用于实施wmc320。图2中所示的实施例包括单个微环谐振器(mrr)400,其输出信号在波导305和306上分别对应于mrr的“透射”端口和“下行”端口。术语环形谐振器在本应用中用于表示任何环形谐振器设计。当形状用直线段拉长时,也使用术语“赛道”ꢀ(racetrack)谐振器[17]。图2中的mrr显示为圆形环路,但它也可以实施为赛道,或采用更复杂的多环耦合mrr配置。[0049]图3所示的可替代的wmc实施例包括mrr,其后是光分配器430和mzi滤波器440,两者都在mrr的“下行”端口上。波导305上的输出信号对应于mrr的“下行”端口。波导305上的光脉冲之间的波长间隔由mrr的自由光谱范围(fsr)确定,其范围可从~1pm到~100nm,这取决于由特定plc实施技术确定的mrr的半径。对于监测/控制可调谐激光器的带宽的应用,mrr的fsr最好在0.1nm到10nm的范围之间。波导306上的输出信号对应于“下行”端口,该端口已被mzi滤波器440进一步滤波,从而减少了激光在其波长范围内扫描时生成的光输出信号脉冲的数量。例如,mzi滤波器的fsr可以设计成比mrr的fsr大四倍,以便仅每第四个脉冲才会被传输。多个mzi滤波器也可以级联产生更复杂的滤波器功能。对于监测/控制可调谐激光器的中心波长的应用,当可调谐激光器在其波长范围内扫过时,理想的光脉冲数是在1到10个脉冲的范围内。[0050]图4所示的wmc的另一实施例包括mrr400和片上布拉格光栅470。输入波导308上的wmc的输入信号被光分路器450分流,部分光功率被导向定向耦合器460,其余功率被导向mrr400的“透射”端口。定向耦合器460的输出之一连接到布拉格光栅470。由光栅反射的光信号传播到未使用的定向耦合器输入端口490并成为输出波导305中的信号。布拉格光栅可以设计成在可调谐激光器的调谐范围内只反射一个波长。对于监测/控制可调谐激光器的中心波长的应用,期望的是使单波长脉冲位于可调谐激光器的中心波长的+/‑20nm内。mrr“下行”端口波导420中的信号成为输出波导306输出的信号,并可用于监测/控制可调谐激光器的带宽。[0051]本领域技术人员将认识到,有许多方法可以将到达/来自半导体组件(即,mems‑vcsel、泵浦、soa、光电探测器)的激光辐射耦合到plc或从plc耦合。图1中所示的实施例表示在半导体组件和plc光波导之间直接对接耦合。在本公开的第二实施例中,如图5所示,光学透镜170、185和165分别将mems‑vcsel、泵浦和soa耦合到plc。本领域技术人员也将认识到,单个透镜的功能也可以用更复杂的多元件透镜配置来实施。使用透镜将mems‑vcsel耦合到plc波导的好处之一是可以将四分之一波(λ/4)偏振波片180插入mems‑vcsel100和mems‑vcsel输入波导302之间。使λ/4波片的偏振轴与plc的优选偏振轴线成45度角定向,防止从mems‑vcsel反射的泵浦光传播回泵浦激光器芯片,因为反射的泵浦光与plc的优选偏振轴线正交,并由此高度地衰减。类似地,与plc的优选偏振轴线相结合的λ/4波片的这种配置,防止来自soa的(例如,放大的自发发射(ase)和/或放大的反射信号)从mems‑vcsel反射的向后传播的激光辐射在plc中向前传播,并在soa和mems‑vcsel之间建立潜在的激光腔。[0052]在图6所示的本公开的另一实施例中,在plc上实施外腔反射器(ecr)电路330以与泵浦芯片110组合形成外腔激光器。在这种情况下,泵浦芯片通常会在面向plc的面上有一层防反射涂层。ecr电路的窄带反射产生窄线宽单频激光器,用于mems‑vcsel的低噪声泵浦。本领域技术人员将认识到,有许多ecr电路,例如布拉格光栅[12]或微环谐振器[13],可以在plc上实施以创建外腔激光器。[0053]在本公开的另一个实施例中,如图7所示,在泵浦激光器芯片110和泵浦输入波导301之间设置光隔离器190。该隔离器防止从mems‑vcsel反射的泵浦光传播回泵浦激光芯片。还在soa130和光纤230之间设置输出隔离器195,以防止反射传播回soa。[0054]在本公开的另一个实施例中,如图8所示,plc输出波导304和soa之间设置有光隔离器196。该隔离器防止来自soa的从mems‑vcsel反射的向后传播的激光辐射在soa和mems‑vcsel之间形成潜在的激光腔。[0055]本领域技术人员将认识到,为了减少光学元件之间的反射,经常使用成角度的接口。在本公开的另一个实施例中,如图9所示,输入和输出plc波导(301、302、303、304、305、306)以一定角度与芯片面相交,正如soa131上的波导一样。[0056]在本公开的另一个实施例中,如图10所示,光电探测器直接连接于plc。泵浦监测器光电二极管140安装在基板141上,该基板141使用胶水700或类似的连接材料连接到plc的侧面。类似地,波长监测器光电检测器151和152安装在公共基板150上,该基板150使用胶水700或类似的连接材料连接到plc的侧面。[0057]在本公开的另一个实施例中,光电探测器通过倒装芯片集成直接连接于plc。如图11中的俯视图所示,光电二极管基板141和150安装在plc的顶面,并使用焊料701或其它附着材料连接,如图8中的侧视图所示。光波导306中的光通过转向镜450或其它将光束大约垂直于plc顶面向上反射的方法被引导到光电检测器152。例如,表面光栅是将光束从波导向上反射到光电探测器上的另一种方法。[0058]在本公开的另一个实施例中,mems‑vcsel通过倒装芯片集成直接连接到plc上。如图12中的俯视图所示,mems‑vscel100安装在plc的顶面,并使用焊料701或其它附着材料连接,如图12中的侧视图所示。来自mems‑vcsel的光通过转向镜450或其它耦合到波导中的方法被引导到光波导302中。例如,表面光栅是将来自mems‑vcsel的光束耦合到波导中的另一种方法。[0059]在本公开的另一个实施例中,来自mems‑vcsel的光信号通过外部转向镜耦合到plc,通过转向镜的横向调整,使光信号垂直对准plc波导。如图13中的俯视图所示,mems‑vcsel100安装在与plc芯片120的公共基板470上。mems‑vcsel的垂直(即与plc波导传播平面垂直)表面发射通过转向镜460转换为水平(即与plc波导传播平面平行)方向。mems‑vcsel光束到plc输入波导320的精确垂直对准(z轴方向)可以通过沿x轴方向调整转向镜来实现。本领域技术人员将认识到,转向镜460的反射面可被设计成用作透镜,以将光聚焦到plc输入波导320中,或者可以将体积型透镜放置在mems‑vcsel和plc输入波导之间以提高耦合效率。[0060]在本公开的另一个实施例中,泵浦激光器和soa在plc上混合或异质集成。泵浦激光器110和soa130如图13的俯视图所示安装在plc的顶面上,并且如图14的侧视图所示键合到plc。有多种技术可用于将包括泵浦和soa有源区域的iii‑v材料与plc集成。近年来,“异质”更多地用于描述iii‑v芯片在晶圆上的键合,并在晶圆级进行后续加工,“混合”更多地用于将单个功能裸片焊接或键合在公共基底上[14]。异质集成通过将泵浦激光器110的有源区域与ecr电路330耦合(在图14中,ecr电路330显示为布拉格光栅),从而实现高性能、窄线宽的扩展腔dfb、dbr[15]或微环谐振器激光器。[0061]鉴于前面所有的实施例都考虑了光学泵浦mems‑vcsel,本公开也适用于电泵浦mems‑vcsel。图15中示出了根据本公开的电泵浦可调谐mems‑vcsel的一个实施例。在电泵浦mems‑vcsel的情况下,用光分路器500代替wdm组件。来自波导502中的电泵浦mems‑vcsel芯片600的激光辐射传播到光分路器500,并进一步通过光功率分配器电路510传播到plc输出波导504。激光辐射的小样经波导503传播到输出功率监测器光电探测器140。分光器电路510被设计成使得大部分mems‑vcsel激光辐射传播到plc输出波导504,并且少量mems‑vcsel激光辐射经由波导508传播到波长监测电路(wmc)520。来自wmc的输出激光辐射在plc输出波导505和506中传播,其中激光辐射由安装在公共基板150上的波长监测器光电探测器151和152监控。来自plc输出波导504的激光辐射耦合于半导体光学放大器芯片130,其中激光辐射被放大,然后通过光学透镜160、通过外壳壁240中的窗口传播,并且耦合到光输出光纤230。[0062]针对光泵浦mems‑vcsel描述的所有先前实施例都适用于电泵浦mems‑vcsel。也就是说,wmc520具有针对wmc320(图2至图4)描述的实施例。使用对接耦合(图1)、透镜耦合(图5)、四分之一波偏振片为mem‑vcsel提供光学隔离(图5)、成角度波导(图9)、混合和异质集成(图10至图14)都是可以用电泵浦mems‑vcsel实施的实施例。[0063]有几种可能的方法分别使用wmc320生成的信号来控制绝对波长(中心波长)和调谐带宽。mems‑vcsel扫描激光源的开环操作在长时间工作和/或不断变化的环境条件下保持稳定输出方面面临许多挑战。mems结构中的长期充电效应导致施加在器件上的有效电压发生变化。由于mems结构是一种静电控制的运动薄膜,电极上的电压与反射镜位置之间的关系是高度非线性的。工作直流电位的轻微变化会导致扫描曲线的巨大变化,并最终导致在给定时间窗口内所包含的整体带宽发生变化。此外,器件的机械阻尼对周围环境高度敏感。可以应用开环校准/校正,但这些都需要大量的生产特性程序和长期测试。[0064]为了实现稳健和长期运行,期望使用光参考信号来监测并随后控制可调谐mems元件的高压驱动信号,使得扫描带宽(“光带宽”或“带宽”)在所有操作条件和时间范围下保持。该光信号用于生成与带宽和整体扫描轨迹直接相关的定时信息。带宽损失或增益的典型机制主要是扫描速度发生变化,如图16所示。由于定义的有效扫描周期通常是由其他系统参数固定的,扫描速度的任何变化都会直接导致特定时间窗口内整体扫描带宽的变化。在这种假设下,可以看出,控制扫描限定带宽(图16中的lambda2‑lambda1)所需的时间差(图16中的t2‑t1)就足以维持可调谐扫描源mems‑vcsel的整体带宽。[0065]可以使用光学标准具来产生电脉冲(通过零交叉检测),每个电脉冲对应于几乎相等间距的波数。然后可以使用电子计数器电路来生成器件从起始波数移动到结束波数所需的时间度量(deltat),如图17a所示。计数器电子元件与标准具相结合,通过选择一个可编程的“第n个”脉冲作为控制标记,可以将非常精细的分辨率和可调的定时“标记”放置在扫描轨迹内的理想位置。与使用固定波长的参考组件(如光纤布拉格光栅(fbg)、陷波器或带通滤波器)相比,这种用于标记扫描端点的实施具有很大的优势,由于绝对扫描波长的变化、扫频速率的差异和/或对带宽的不同要求,使用固定波长的参考组件这些组件不够灵活,无法为所有mems‑vcsel器件选择合适的端点。为了保证绝对波长的准确性,定时器起点(t1,lambda1)由参考λ‑滤波器生成,而第二定时标记(t2)由标准具生成,选择合适的“第n个”脉冲用于带宽控制。如图17b所示,由计数器电子器件1320产生的deltat可用作比例‑积分‑微分控制算法(pid)中的反馈,以实施闭环控制器1300。pid1310测量deltat与对应于所需带宽(reft)的参考时间之间的差值。将调谐系数应用于该差值,生成pid输出,该pid输出调整驱动可调谐激光器组件1350中的mems‑vcsel1360的高压信号1330的增益1340。这使deltat和reft之间的差值最小化,保持所需的光带宽。[0066]实施前部分所述的中心波长和光带宽控制方法的一个实施例是图4所示的集成wmc电路。在该示例中,定时器起点(t1,lambda1)由集成布拉格光栅参考λ‑滤波器470生成,而第二定时标记(t2)由来自mrr400的标准具脉冲生成,选择合适的“第n个”脉冲用于带宽控制。mrr用作光学标准具,在mrr“下行”端口波导420中提供与通过体积型光学标准具传送的信号类似的光脉冲。当环的周长l是波长的整数(对于半径为r的圆环,l=2πr)时,mrr的透射光谱中会出现共振。共振间隔为fsrmrr=c/ngl,其中ng是波导的分组指数,ng=neff+fo(dneff/df),fo=光频率=c/λo,其中λo是真空波长[16]。[0067]实施前述中心波长和光带宽控制方法的另一个实施例是图18所示的集成电路plc芯片。来自可调谐激光器的光信号在输入波导810上进入plc。激光输入信号的大部分由光定向耦合器830引导通过一系列螺旋波导850,并通过输出波导820离开芯片。螺旋波导的曲率半径设计为对基本传播波导模式(即te模式)具有低损耗,对以与基本传播偏振模式正交(即tm模式)传播的辐射具有高损耗。螺旋波导的目的是剥离在与基本偏振模式正交的偏振中传播的任何不需要的辐射,并防止两个偏振模式之间的交叉耦合,交叉耦合将导致oct图像中的伪影。激光输入信号的较小部分由定向耦合器830和840引导到集成mrr860。mrr用作光学标准具,在mrr“透射”ꢀ端口波导870中提供与通过体积型光学标准具发送的信号类似的光脉冲。来自mrr透射端口的测量光信号如图19a所示。本特定实施例中的mrr被设计为具有大约0.6nm的fsr。mrr“下行”端口波导880中的交互光脉冲通过四级mzi滤波器890传输,该mzi滤波器890被设计成阻挡mrr光脉冲的传输,除了那些间隔约10nm的光脉冲。四级mzi滤波器输出处的测量光功率如图19b所示。在该实施例中,定时器起点(t1,lambda1)是通过选择来自四级mzi滤波器输出的脉冲之一生成的,而第二定时标记(t2)则是由来自mrr透射端口的标准具脉冲生成的,选择合适的“第n个”脉冲用于带宽控制。来自四级mzi滤波器、用作定时器起点的的脉冲也可用于中心波长控制。[0068]实施前述中心波长和光带宽控制方法的另一个实施例是图20所示的三级mrr集成光路。来自可调谐激光器的光信号在输入波导900上进入电路,并入射到第一mrrr(mrr1)上。mrr1用作光学标准具,在mrr1透射端口波导910中提供与通过体积型光学标准具发送的信号类似的光脉冲。设计的来自mrr透射端口的光信号如图21a所示,其fsr约为0.55nm。mrr1下行端口的信号耦合于第二mrr(mrr2),而mrr2下行端口中的信号又耦合于第三mrr(mrr3)。mrr2和mrr3以游标方式设计,因此只传输来自mrr1的一个脉冲。mrr3下行端口波导920中的信号提供参考波长滤波器(λ‑滤波器),如图21b所示,在1000nm‑1120nm的波长范围内只有一个传输脉冲。在该实施例中,定时器起点(t1,lambda1)由mrr3下行端口波导中的信号生成,而第二定时标记(t2)则由来自mrr1透射端口的标准具脉冲生成,选择合适的“第n个”脉冲用于带宽控制。来自mrr3下行端口、用作定时器起点的脉冲也可用于中心波长控制。本实施例与前述采用四级mzi滤波器的实施例相比,其优点是在整个调谐范围内只有一个信号脉冲从参考λ‑滤波器出来,这比有多个信号时更容易建立控制回路。[0069]这种方法可以应用于任何类型的可调谐扫频源激光器中,并不限于本公开的集成光学组件实施例。例如,fbg可以用作参考λ‑滤波器,并且马赫‑ꢀ泽德干涉仪(mzi)或具有多个反射峰的fbg可以以类似于标准具的方式使用,以获得用于后续控制算法的相同定时信息。图22示出了使用具有多个反射峰的特别设计的fbg的实施例。来自可调谐激光器的输出入射到fbg上,fbg被设计成具有一个振幅高于所有其他反射峰的主反射峰,如图23所示。没有反射峰的波长比主反射峰(在本示例中为1300nm)长,在主反射峰的短波长侧有一个约10nm的保护带,这里也没有反射峰。对于低于主峰约10nm的波长,在频域中存在一系列等间距的反射峰。图23中显示了两种不同的设计,一种设计的侧峰间距约为1nm,另一种设计的侧峰间距约为0.5nm。主峰的反射率大于90%,而侧峰的反射率约为40%。这种反射幅度上的差异使得主峰和侧峰之间更容易区分,并且与检测作为标准具信号的侧峰相比,更容易设置适当的阈值来检测作为参考λ‑滤波器的主峰。在该示例中,定时器起点(t1,lambda1)由主反射率峰产生生成,而第二定时标记(t2)则由侧峰的标准具脉冲生成,选择合适的“第n个”脉冲用于带宽控制。[0070]前面各节描述的光带宽控制方法的应用在图24a和图24b中进行了演示,它们显示了mems_vcsel在无带宽控制和有带宽控制情况下的操作。在无带宽控制的情况下,随着dc偏置工作点的缓慢漂移,在20小时内带宽有大约‑5%的变化(图24a)。通过使用带宽控制方法消除带宽中的这种变化(图24b)。no.1,2005,pp.157‑164.[0081][7]us6,498,800b1,watterson,“doubleetalonopticalwavelengthreferencedevice”.[0082][8]us6,594,022b1,watterson,“wavelengthreferencedevice”.[0083][9]r.yu,“rapidhigh‑precisioninsituwavelengthcalibrationfortunablelasersusinganathermalawgandapdarray”,ieeephoton.technol.lett.,vol.24,no.1,2012,pp.70‑72.[0084][10]us5,982,791,sorin,“wavelengthtrackinginadjustableopticalsystems”.[0085][11]g.keiser,“opticalfibercommunications”,1sted,mcgraw‑hill,1983,p.23.[0086][12]r.kim,“highlylinear‑polarizedexternalcavitylasershybridintegratedonplanarlightwavecircuitplatform”,ieeephoton.technol.lett.,vol.18,no.4,2006,pp.580‑582.[0087][13]y.fan,“opticallyintegratedinp‑si3n4hybridlaser”,ieeephotonicsjournal,vol.8,no.6,2016,articlesequencenumber:1505111[0088][14]t.komljenovic“heterogeneoussiliconphotonicintegratedcircuits”,j.lightwavetechnol.,vol.34,no.1,2016,pp.20–35[0089][15]d.huang,“sub‑khzlinewidthextended‑dbrlasersheterogeneouslyintegratedonsilicon”,2019opticalfibercommunicationsconferenceandexhibition(ofc),pp.1‑3[0090][16]o.schwelb,“transmission,groupdelay,anddispersioninsingle‑ringopticalresonatorsandadd/dropfilters‑atutorialoverview”,j.lightwavetechnol.,vol.23,no.11,2005,pp.1380‑1394.[0091][17]w.bogaerts,“siliconmicroringresonators”,laserphotonicsrev.6,no.1,2012,pp.47–73.当前第1页12当前第1页12
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