偏振稳定的宽可调谐短腔激光器

摘要

本发明公开了一种可调谐源包括短腔激光器，该短腔激光器被优化在SSOCT成像系统、光谱检测系统以及其它类型的光学系统中的性能和可靠性上。本发明公开了一种具有大的自由光谱范围腔体、快速调谐响应以及单横、纵和极化模式操作的短腔激光器。描述了用以获得调谐源的偏振稳定性操作的方法。

权利要求

1.一种调谐激光器，运作在一发射波长范围(210)内发射调谐辐射，该发射波长范围(210)具有中心波长(220)，以及在所述波长范围内的输出功率谱(200)和平均发射功率，所述调谐激光器包括：包含有第一和第二镜片(130、140)的光学腔体；

插入在所述第一和第二镜片(130、140)之间的增益区域(110)；

调谐区域(120)；

用于调节所述调谐区域的光学路径长度的机构；以及用于在所述波长范围内实现单偏振状态的机构；

其中：

所述光学腔体的自由光谱范围(FSR)超出所述中心波长的5％；

所述调谐激光器在所述波长范围内运作于单纵和单横的模式中；并且所述用于调节光学路径长度的机构具有的波长调谐频率响应为超出1kHz的6-dB带宽；

其中所述单偏振状态是由依赖偏振的散射或者光吸收来实现，所述散射或者光吸收是仅由一个整合所述光学腔体的纳米线来导致的。

2.根据权利要求1所述的调谐激光器，其中所述纳米线与所述增益区域的[110]方向和垂直于[110]的方向中的其中一个方向对齐。

说明书

偏振稳定的宽可调谐短腔激光器

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求2012年7月27日提交的当前仍待定的美国临时专利申请N0.61/676712的权益。美国临时专利申请61/676712的公开内容通过引用的方式并入本文。

技术领域

[0003] 本发明涉及可调谐激光器、宽可调谐激光器、波长扫频源、放大的可调谐激光器、快速调谐激光器以及通过这些装置启用的光学系统。

背景技术

[0004] 宽范围和快速可调谐激光器对各种检测、通信、测量、医疗、样品修正和成像系统是重要的。例如，扫频源光学相干层析(SSOCT)系统采用重复扫频可调谐激光器来产生广泛材料范围的处于表面下的显微结构图像。在SS-OCT中，宽调谐范围转化为更高的轴向测量分辨率，并且更高的调谐速度能够实现实时采集大量数据集。此外，可变的调谐速度可根据不同应用的需要权衡成像距离和分辨率。最后，相当于窄线宽的长相干长度能够实现长成像范围。需要快速且宽可调谐激光器的系统的另一个例子为瞬态气体光谱技术，例如其描述于(Stein,B.A.,Jayaraman,V.Jiang,J.J,et al.,“Doppler-limited H20and HF absorption spectroscopy by sweeping the 1321-1354nm range at 55kHz repetition rate using a single-mode MEMS-tunable VCSEL,”Applied Physics B:Lasers and Optics 108(4),721-5(2012))中。在气体光谱学中，例如在发动机测温时，调谐速度能够表征时变过程。窄光谱宽度能够解析窄的吸收特性，比如那些在低气体温度中出现的特性。其它瞬态光谱的应用包括爆炸物监测或其它非重复的处理过程。

[0005] 除了宽可调谐性和长相干长度，可调谐激光器用于各种应用的其它重要参数包括调谐速度和调谐速度的可变性。在SS-OCT中，增加调谐速度能够对时变的生理过程进行成像，以及对更大的数据集进行实时体积成像。还对于SS-OCT，调谐速度的可变性使得在单个装置中能够实现高速高清分辨率的短程成像和低速低分辨率长范围成像之间的切换，其具有很大的实用性，例如用于眼科成像，比如在(Grulkowski,I.,Liu,J.J.,Potsaid,B.et al.“, Retinal,anterior segment and full eye imaging using ultrahigh speed swept  source OCTwith  vertical-cavity surface emitting  lasers,”Biomed.Opt.Express,3(11),2733-2751(2012))中所描述的那样。以类似的方式，光谱学及其它检测应用受益于高速和可变速度。

[0006] 此外，宽可调谐激光器的期望特性还包括高输出功率、中心波长灵活性、光谱成形输出、整体且低成本制造以及对阵列技术的兼容性。几乎对于每个应用，高功率会增大信噪比。在更多种多样的应用中，中心波长的灵活性转化出更多的实用性。频谱成形输出也增大信噪比，并且改善热量管理。整体的、低成本的制造具有明显的优势，而阵列技术简化了多源复用过程中的应用。

[0007] 可以通过三个代表性的例子来理解现有技术中与上述期望特性有关的可调谐激光器的局限性。这些例子包括傅立叶域锁模(FDML)、外腔体可调谐激光器(ECTL)以及取样光栅分布式布拉格反射(SGDBR)激光器。FDML激光器描述于(Huber,R.,Adler,D.C.,and Fujimoto,J.G.,“Buffered Fourier domain mode locking:unidirectional swept laser sources for optical coherence tomography imaging at 370,000lines/s,”Optics Letters,31(20),2975-2977(2006))。在SSOCT系统中对ECTL的使用，描述于(George,B.,Potsaid,B.,Baumann,B.,Huang,D.et al.“, Ultrahigh speed 1050nm swept source/Fourier domain OCT retinal and anterior segment imaging at 100,000to 400,000axial scans per second,”Optics Express,18(19),20029-20048(2010))。SGDBR激光器的操作，描述于(Derickson,D.,“High-Speed Concatenation of Frequency Ramps Using Sampled Grating Distributed Bragg Reflector Laser Diode Sources for OCT Resolution Enhancement,”Proceedings of the SPIE-The International Society for Optical Engineering,7554,(2010))。FDML和ECTL装置本质上为多纵模装置，其在整个调谐范围内对一组模式而非单个模式进行扫频。这导致了SSOCT成像距离受限，并且导致光谱应用的光谱分辨率受限。FDML和ECTL都是非整体式资源，它们都是用分立的元件组装而成，因而不是低成本装置，并且与阵列制造不兼容。由于在外腔体中的时间延迟较长，使ECTL遭受大约100kHz或更小的重复率的基本速度限制，如(Huber,R.,Wojtkowski,M.,Taira,K.et al.“,Amplified,frequency swept lasers for frequency domain reflectometry and OCT imaging:design and scaling principles,”Optics Express,13(9),3513-3528(2005).)所述。大质量的光栅调谐元件，例如可从市面上获得的Thorlabs品牌的SL1325-P16型光栅调谐激光器，造成ECTL中进一步的速度限制。此外，FDML的中心波长和调谐速度不灵活。既然FDML采用基于长光纤的腔体，其只能在容易使用低损耗光纤的波长上操作。其次，在光纤外腔体中的光的往返时间决定了FDML扫频率，因此，不可能在单个装置上实现可变的扫频率。

[0008] SGDBR为单纵和单横模式(single transverse and longitudinal mode)装置，并且可能具有长成像范围和窄光谱宽度。然而，通过多个模式之间的不连续的跳跃来完成调谐，其倾向于引入测量伪像(measurement artifacts)。模式跳跃还需要多个调谐电极、复杂的驱动电路以及相关的速度限制。由于外腔体和FDML激光器采用无损耗的调谐机制，而通过自由载流子注入对SGDBR进行调谐，因此相对于外腔体和FDML激光器，SGDBR的调谐范围受限，这导致自由载体的损失并限制了调谐范围。由于需要复杂的只成熟于磷化铟材料体系的再生长制造技术，SGDBR的中心波长也不具灵活性。

[0009] 上述与FDML、ECTL有关的问题以及上述的SGDBR，都是现有技术中公知的绝大多数的可调谐激光器会遇到的代表性问题。

[0010] 多个MEMS-可调谐垂直腔体激光器(MEMS-VCSEL)为上述问题提供了潜在的技术方案。MEMS-VCSEL的短腔体引起较大的纵向模式间隔，以及相对地避免模式跳跃。MEMS-VCSEL只需要一个调谐电极，从而在整个调谐范围内对单个模式进行扫频，因此，为伴随着最小测量伪像的长SS-OCT成像范围以及快速调谐提供了保证。短腔体且小质量的MEMS镜片提供了非常高速度的潜力。MEMS-VCSEL技术还可以扩展到大量的各种各样的、其它类型的资源难以访问的波长范围，使它们适用于其它类型的光谱、诊断和检测系统。将多个MEMS-VCSEL至SS-OCT成像的应用，首次在美国专利7468997中描述。如美国专利7468997所讨论，多个MEMS-VCSEL为宽调谐范围提供了可能。然而，直到2011年实现的最宽的MEMS-VCSEL调谐范围是65nm，该范围在1550nm附近，比如描述于(Matsui,Y.,Vakhshoori,D.,Peidong,W.et al.“,Complete polarization mode control of long-wavelength tunable vertical-cavity surface-emitting lasers over 65-nm tuning,up to 14-mW output power,”IEEE Journal of Quantum Electronics,39(9),1037-10481048(2003)中的那样。这表示约4.2％的部分调谐范围，或者表示少于在SS-OCT成像中所需的调谐范围的一半。)在2011年，在1310nm的MEMS-VCSEL中表现出的111nm的调谐范围，随后应用到SSOCT成像系统中，如(Jayaraman,V.,Jiang,J.,Li,H.et al.,“OCT Imaging up to 760kHz Axial Scan Rate Using Single-Mode 1310nm MEMS-Tunable VCSELs with>100nm Tuning Range,”CLEO:2011-Laser Science to Photonic Applications,2pp.-2pp.2pp.(2011).)所述。

[0011] 由Jayaraman等人在2011年描述的MEMS-VCSEL，表现了宽频可调谐短腔激光器的卓越创新性。然而，实现适用于商用光学系统的性能和可靠性需要优化调谐速度、调谐的频率响应、调谐范围、调谐曲线的光谱形状、输出能量-波长、后置放大性能、增益及镜片设计以及整体的腔体设计。需要在现有技术的基础上，对多个设计创新进行改进，从而获得这些商用系统所需要的性能和可靠性。

[0012] 通过上述描述可以清楚地得出，需要一种具有3维腔体和材料设计的宽频可调谐短腔激光器，用于优化SSOCT成像系统、光谱检测系统以及其它类型的光学系统中的性能和可靠性。

发明内容

[0013] 本文提供了包括短腔激光器的可调谐源的多个优选实施例，用于优化SSOCT成像系统、光谱检测系统以及其它类型的光学系统中的性能和可靠性。本文提供了一种短腔激光器，具有大自由光谱范围腔体、快速调谐响应以及单横向，纵向且偏振的模式操作。本公开技术包括快速宽频调谐，以及优化的光谱成形的实施例。在带有用于优化宽频调谐、高输出功率以及多种优选波长范围的镜片和增益区的MEMS-VCSEL几何结构中，优选的实施例都包含电力和光学的泵浦(pumping)。其它优选实施例包含半导体光学放大器，其与短腔激光器结合以产生高能量的光谱形状操作。为了优化操作，多个优选成像和检测系统的实施例利用可调谐源。

[0014] 一个实施例提供了一种在一具有中心波长的发射波长范围发射可调谐辐射的可调谐激光器，具有在波长范围内的输出功率光谱以及平均发射功率，所述可调谐激光器包括：包含有第一和第二镜片的光学腔体；插入到所述第一和第二镜片之间的增益区；调谐区；用于调节所述调谐区的光学路径长度的机构；以及用于在所述波长范围内实现基本单偏振状态的机构；其中：所述光学腔体的自由光谱长度(FSR)超出所述中心波长的5％；所述可调谐激光器在其波长范围内基本在单纵和单横的模式中操作；并且所述用于调节光学路径长度的机构，具有约大于1kHz的6-dB带宽的波长调谐频率响应。

附图说明

[0015] 图1描述了根据一实施例的宽频可调谐短腔激光器；

[0016] 图2描述了宽频可调谐短腔激光器的输出功率光谱；

[0017] 图3描述了自由光谱范围的定义；

[0018] 图4所示为在1330-1365nm范围内的水蒸气吸收光谱；

[0019] 图5所示为通过OCT点分布函数-成像深度的衰减而获得的测量动态相干长度；

[0020] 图6描述了带有闭环控制的宽可调谐短腔激光器的实施例；

[0021] 图7描述了在1310nm附近操作的可调谐短腔激光器的MEMS-VCSEL实例；

[0022] 图8描述了在腔体的两个镜片之间具有4个驻波峰值的短腔激光器的轴向折射率分布；

[0023] 图9描述了图7所示的MEMS-VCSEL的静态和动态调谐响应；

[0024] 图10描述了各种MEMS-VCSEL促动器频率响应；

[0025] 图11描述了具有压电调谐的宽频可调谐短腔激光器；

[0026] 图12描述了各种促动器的几何结构；

[0027] 图13描述了为获得完全氧化的镜片而从两个蚀刻的孔来进行的氧化；

[0028] 图14描述了配置为支持在1050nm进行泵浦的1310nm反射光谱；

[0029] 图15描述了连接至光学放大器的宽可调谐短腔激光器的实施例；

[0030] 图16描述了来自双量子状态的半导体光学放大器的ASE光谱；

[0031] 图17描述了连接至光学放大器的宽可调谐短腔激光器，该光学放大器的输出端连接至同步调谐光学过滤器；

[0032] 图18描述了在激光器和放大器之间具有可调谐光学过滤器的放大宽可调谐短腔激光器；

[0033] 图19描述了具有两个放大级的宽可调谐短腔激光器的实施例；

[0034] 图20描述了具有两个放大级以及位于两个级之间的可调谐光学过滤器的宽可调谐短腔激光器的实施例；

[0035] 图21描述了宽可调谐短腔激光器的放大和预放大光谱；

[0036] 图22描述了在1310nm附近操作的宽可调谐短腔激光器的多个输出功率光谱；

[0037] 图23描述了在1060nm附近操作的宽可调谐短腔激光器的MEMS-VCSEL实例；

[0038] 图24描述了图23中的MEMS-VCSEL的静态和动态调谐光谱；

[0039] 图25描述了在依照MEMS-VCSEL实现的宽可调谐短腔激光器的制造过程中的步骤1-4；

[0040] 图26描述了在依照MEMS-VCSEL实现的宽可调谐短腔激光器的制造过程中的步骤5-6；

[0041] 图27描述了电泵浦的MEMS-VCSEL实现的宽频可调谐短腔激光器；

[0042] 图28描述了来自于两个产生成倍的扫频速率的短腔激光器的波长扫频。

具体实施方式

[0043] 根据本发明思想的示例性实施例的说明意在结合附图进行理解，其中附图作为整个书面说明书的一部分。在本文中公开的对本发明的实施例的说明中，任何对方向或方位的引用都仅是为了方便描述，而绝不是意在以任何方式限制本发明的保护范围。相对的术语，如“较低(lower)”、“较高(upper)”、“水平的(horizontal)”、“垂直的(vertical)”、上方的(above)”、“下方的(below)”、“向上(up)”、“向下(down)”、“顶部(top)”和“底部(bottom)”及其衍生词(如“水平地(horizontally)”、“向下地(downwardly)”、“向上地(upwardly)”等)应该理解为相对于当时描述，或者正在讨论的附图所示的方位。这些相对术语仅是为了方便描述，并不要求该装置以特定方位构造或者操作，除非有明确的说明。术语，如“附加(attached)”、“贴附(affixed)”、“连接(connected)”、“结合(coupled)”、“互连(interconnected)”及类似术语表示一种关系，其中结构直接或间接地通过干涉装置彼此固定或连接，以及两者移动或固定连接或关系，除非另有明确说明。此外，本发明的特征和有益效果是通过引用示例性实施例来描述的。因此非常明显，本发明不受示例性实施例的限制，其描述一些可能的非限制性的特征组合，这些特征组合可单独存在或者与其它特征组合；附加另有的权利要求限定本发明的保护范围。

[0044] 本发明描述了执行本发明时可以预想到的最好的模式或者多个模式。该描述不应从限制的意义上去理解，而是提供本发明的示例，结合附图仅作描述目的，使本领域技术人员理解本发明的益处和结构。在各个视图中，相同的附图标记表示相同或者相似的部分。

[0045] 图1-3所示为根据本发明的短腔可调谐激光器的优选实施例的特性。如图1所示，激光器100包括增益区110和调谐区120，两者置于第一镜片130和第二镜片140之间。对于激光领域技术人员众所周知，支持光激射操作的能量可以通过光或电泵浦的方式供给到增益区。可以在靠近一个镜片的地方使用导热散热层150以增加可调谐短腔激光器的平均输出功率，该导热散热层150材质优选为金属，比如金、金锡、铟或者含有焊接剂的铟。例如对于在GaAs基质上的垂直腔体激光器，可以蚀刻基质管道直至到第二镜片上，使得在该镜片上，热传导层可以通过基质管道进行沉积。

[0046] 参考图1，对调谐区域的有效光学路径长度的调节可以调整激光器的波长。激光器穿过第一镜片发射可调谐波长的辐射。图2所示为典型的发射功率光谱200，它是作为波长函数发射的功率。该光谱反映了在可调谐的发射中的波长范围以及每个波长的强度。该可调谐波长的发射所覆盖的波长发射范围210具有中心波长220。在图1所示的优选实施例中，调谐区具有可调节的气隙，但是其它实施例，比如可以通过调节折射率改变光路径的液晶或半导体，也是可行的。

[0047] 图1所示的短腔可调谐激光器的优选实施例为垂直腔激光器(VCL)，但是可以采用其它包括但并不限于短腔体边缘发射激光器的实施例。对于垂直腔激光器领域的技术人员而言，众所周知地能够以整体的一和二维阵列的方式来制造VCL，其对于需要多重光源的光学系统是有益的。现代晶圆尺度光学制造技术考虑到对这样的激光发射器阵列进行精确定位，以及考虑到从这些阵列中支持光学仪器的生产的光学组件。

[0048] 应用于本实施例的短腔体造成了大的自由光谱范围(FSR)，该自由光谱范围与腔体长度成反比。本实施例公开了一种FSR，在本发明中，如图2所示，该FSR大于中心波长的5％。如图3所示，在图1所示的层来限定的光学腔体的沿激光振荡的方向上，根据两个传输峰或者纵向模式之间的距离定义自由光谱范围。FSR限制了可调谐激光器的最大连续无跳模的单模式的调谐范围。因此，具有5％中心波长的FSR的激光器预计具有5％中心波长的最大调谐范围。其它考虑因素，比如调谐区域的光学路径长度中的可实现的最大变化，或者增益区的可用增益带宽可以将连续单模调谐区限定为小于FSR，而FSR代表上限。

[0049] 在一优选实施例中，在增益区和调谐区之间设置抗反射涂层，从而抑制装置上的反射并且扩展调谐范围。在优选情况下，当调谐区域是空气，并且增益区域为半导体时，该抗反射涂层可以是四分之一波长的材料，该材料比如是氮化硅或氧氮化硅。

[0050] 图1还描述了，顶部镜片130可以弯曲形成半对称的腔体，如(Tayebati,P.,Wang,P.,Vakhshoori,D.et al.“, Half-symmetric cavity tunable microelectromechanical VCSEL with single spatial mode,”IEEE Photonics Technology Letters,10(12),1679-1681(1998))所述，其包括一个弯曲的镜片和一个平面的镜片。这是重要的，原因在于，尽管短腔和大FSR有助于单纵操作，但弯曲的镜还有助于单横模式操作，这对于成像和光谱的应用是重要的。还可以通过内腔体显微透镜160来实现弯曲镜片的功能，如图1所示。
通常会使用显微透镜160或者弯曲镜片130，但是也可以结合两者一起使用。可通过抗蚀剂或高分子材料的回流来形成显微透镜，然后将该形状进行图形转移，并转化为基底材料，如(Strzelecka,E.M.,Robinson,G.D.,Coldren,L.A.et al.“, Fabrication of refractive microlenses in semiconductors by mask shape transfer in reactive ion 
etching,”Microelectronic Engineering,35(1-4),385-388(1997))所述，这是本领域技术人员所公知的。类似地，可以利用回流和图形转移技术来构筑牺牲层、沉积顶部镜片、然后移除牺牲层，从而形成弯曲镜。本工艺中的牺牲层优选为硅或锗，然后可以利用CF4/氧气混合物的电感耦合等离子体蚀刻来实现回流抗蚀层的图形转移。在牺牲层中产生的表面的曲率是这些气体的比率函数，并且可以通过对该比率的直接优化来调节该曲率。

[0051] 实现图1中的可调谐短腔激光器的单横模式操作，需要小心地控制曲面镜片的曲率半径以及两个镜片之间的增益区域和调谐区域的结合厚度。对于采用包括InP基材料的半导体增益区的气隙调谐区域和1310nm附近的操作，典型的尺寸为：增益区厚度约为1微米，气隙厚度约为1.6μm，而弧线的镜片半径约为1mm。激光制造和设计领域的技术人员可以在该范围内调节数值，以获得更具体的用于特定波长条件下的特定的数值。利用与这些数值接近的参数可以获得40-50dB的单纵及单横模式抑制。

[0052] 根据一实施例的由短腔激光器实现的单纵和单横模式操作能够实现具有很长的动态相干长度的光源。该相干长度在动态操作下可超过100mm。相干长度与激光器线宽成反比。长相干长度对于需要测量窄光谱特性的光谱应用是重要的。在成像应用中，比如扫频光学相干层析(SS-OCT)，长相干长度与长成像范围对应。图5所示为，通过根据图1的可调谐激光器重复地以60kHz进行扫频来获得的，并且利用OCT点分布函数作为相干长度的测量，从而获得在SS-OCT系统中的相干长度的有限检测测量，其中FSR约为中心波长的8-9％。在50mm处没有明显的振幅下降，表明相干长度大于100mm。该测量方法对于SS-OCT领域的技术人员是众所周知的。

[0053] 在一些应用中，缩短相干长度从而消除在光学系统中多余反射的干扰是有益的。通过向调谐区或者振幅或相位调制源添加噪声波形，可以调节相干长度。外部机构例如可以包括临时的漫射器。

[0054] 在一个实施例中，调谐区域的光学路径长度对应用调谐信号的频率响应具有超过约1kHz的6-dB带宽。通常，该6-dB带宽始于DC，但也可以始于非零频率。该1kHz带宽将本发明与现有技术中采用的其它类型的调谐机制区分开来，如在(Gierl,C.,Gruendl,T.,Debernardi,P.et al.,“Surface micromachined tunable 1.55mu m-VCSEL with 102nm continuous single-mode tuning,”Optics Express,19(18),17336-17343(2011))中所述的电热调谐。在调谐区为气隙的优选情况下，该气隙可被基于MEMS的促动器调谐，该促动器通过静电力接触气隙。已证明基于MEMS的调谐机制具有超过500kHz的6-dB带宽，如(Jayaraman,V.,Cole,G.D.,Robertson,M.et al.“,High-sweep-rate 1310nm MEMS-VCSEL with 150nm continuous tuning range,”Electronics Letters,48(14),867-9(2012))所述。如下文所述，MEMS促动器的带宽可以扩展至>1MHz。这种宽带宽的出现，可实现从DC到>1MHz的频率范围内的重复扫频操作。还能够以多个扫描速度来实现非重复的波长调谐。改变一个激光源内的激光基础调谐频率的能力，使得仪器的适用范围广泛，其中每一个应用都具有优选的调谐率。例如，弱光谱信号的测量需要较慢的扫描速度，然而可以监控强光谱信号，从而捕捉动态瞬时效应。很多SSOCT中的应用也可以从可变化的扫描频率中获益，该可变化的扫描频率能够以成像速度来权衡成像分辨率和成像距离。

[0055] 尽管气隙的MEMS调谐是本发明的优选实施例，但一个可选的实施例可以通过压电促动器来调节气隙，如(美国专利6263002)所述。该配置还如图11所示，其中顶部镜片1110位于压电促动器上，并且通过气隙1120与增益区域1130和底部镜1140隔离。通过压电控制使第一镜片1110相对于增益区域1130来移动，从而改变气隙1120调谐区域，进而改变光激射波长。在这种结构中，第一镜片与光纤连接，该光纤可以传递泵浦辐射和收集激光辐射。压电调谐还可以提供几kHz的带宽，其通常小于MEMS调谐的带宽，但压电调谐可以产生更大的气隙变化，并且可以是双向的。还可能在MEMES装置中通过3终端的装置获得双向调谐。还在另一实施例中，压电和MEMS调谐均可用来提供更慢的大行程调谐机制和更快的小行程调谐机制的结合。这些调谐机制可进一步与其它的比如在半导体中的载体注入调谐的调谐机制进行结合。

[0056] 可以用各种波形来驱动调谐区域，从而为各种应用生成各种波长轨迹vs.(对于)来自于短腔激光器的时间。例如，可以用重复的波形来驱动调谐区域，对于比如是扫频光学相干层析(SSOCT)的应用，该重复的波形具有基本频率、生成波长vs.时间的周期变化。周期性的波形可以是正弦曲线的形状，或者构想要生成线性波长扫频vs.时间的任意波形，或者任何随时间变化的波长轨迹。调谐区域的响应可以与应用的波形非线性相关。一个典型的例子为MEMS，其中静电促动的膜的位移依照应用的电压的平方来变化。在这种情况下，要生成线性移动，需要对应用的波形进行预变形，以应对MEMS促动器的非线性响应。生成任意波形以线性化MEMS响应，对于驱动MEMS装置领域的技术人员是众所周知的，但是线性化的想法还可以应用于其它调谐机制。

[0057] 如在一些代表性示例中，根据调谐区域和调谐机制的确切性质，无论改变物理路径长度或者改变半导体或者液晶的折射率，在应用的电压或电流vs.时间中，应用到调谐区域的波形通常是变化的。举例说明，使用非常小质量的基于MEMS的调谐元件可以降低在连续扫频以及非连续扫频中的对激光波长扫频所需的功率。使用MEMS调谐元件会以非常低的电流消耗来需要驱动电压。

[0058] 除重复的波长扫频之外，调谐区域还可由非重复的波形来驱动，以响应外部触发器，或者由其它重复的或非重复的任意波形驱动。这样的例子有瞬态光谱，其中有益地比如在爆炸、化学反应或生物学事件之后马上测量材料的传输、吸收或反射光谱。非重复的扫频还促进了新的操作模式，从而可以用优化的方式使不让人感兴趣的大区域所隔开的大量的让人感兴趣的窄区域与激光器交互。一个例子为，对大区域所隔开的窄光谱特征进行一连串的慢扫描，其中还以高速来扫描大区域。在MEMS调谐的优选情况下，很多新的操作模式通过绝对低质量的调谐元件而变得可能，该调谐元件允许加快并放缓激光调谐速度。

[0059] 关于响应外部触发的扫描，通过对比可在市面上获得的Thorlabs品牌的型号为SL1325-P16扫频源激光器(这不是短腔激光器)，阐明了本发明的MEMS实例的优势。相对于本发明的小质量MEMS元件，该现有的激光器利用测量面积超过10mm2的谐振扫描光栅作为调谐元件造成较慢的反应时间。在根据本发明的一个实施例中，操作参数比如是激光器能有多快地响应外部事件以及由于外部事件引起激光器去调谐的波长区域，对于该操作参数，非常小质量的调谐元件具有更大的灵活性。当激光器的操作需要与外部事件同步时，这种灵活性提供了新的操作模式。

[0060] 具有广泛适用性的调谐配置的激光调谐，允许待调节的激光器的性能能够满足很多应用的需求。举例说明，在一个应用中如果激光器用于测量光学元件的波长相关性，则需要随时间线性地对激光的波长进行扫描，在其它的应用中，当采用激光器最佳地对等频率间隔的样本进行测量的时候，比如光学相干层析的情况中，则期望在光学频率中线性地扫描激光。

[0061] 高灵活性调谐配置的另一个实用例子为光谱法。在很多光谱应用中，有必要在整个波长范围内测量多个等同间隔并线宽各异的谱线。最大化整体信噪比需要在光谱的信息丰富(例如很多窄线)区域降低扫频速度，并在光谱中较少或者没有信息的区域加快扫频速度。图4所示为水蒸气在1330-1365nm范围内的吸收光谱。

[0062] 对于很多应用，如上述描述的那些，根据本区域的可调谐激光器的调谐区可开环驱动——即是，没有位置和波长反馈。然而在其它更加注重波长稳定性的应用中，可以采用反馈控制。这可以在波长锁定在特定的原子吸收谱线或其它原子基准的时候，在静态操作中是有益的。可选地，首先将波长锁定到原子基准，然后从该基准偏移，使用另一个元件，比如具有已知条纹边缘的法布里-珀罗(Fabry-Perot)或马赫一曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪，来测量该偏移距离。在动态操作中，闭环控制也是有益的。

[0063] 图6所示为根据本发明的闭环控制的优选实施例。如图所示，从可调谐短腔激光器中发射的一部分光分解到波长传感元件610中，该波长传感元件610可包括元件，如棱镜、光栅、光过滤器或光干涉仪。如果是如棱镜或光栅的散光元件，则位置传感元件，如探测器阵列，会与散光元件结合，从而探测衍射或折射角并推断相对于理想位置的波长偏移，然后将误差信号提供给调谐驱动波形620。如果该应用不需要特定波长，而是固定的波长，或者一系列固定的波长，则不必校准散光元件就可以使用波长散光元件及位置传感元件。对于光过滤器，由光学探测器测量到的过滤器的传输或反射会用来确定相对于理想锁定位置的波长偏移，并将误差信号反馈给调谐区域驱动波形。可以通过扫描误差信号来获得动态闭环的操作，这已经在现有技术的激光器中披露，如(Roos,P.A.,Reibel,R.R.,Berg,T.et al.,“Ultrabroadband optical chirp linearization for  precision metrology applications,”Optics Letters,34(23),3692-3694(2009).)中的图1所示。当驱动调谐区域的速度远低于可能会发生变化的自然共振时，闭环控制尤其有用。例如，以100kHz来驱动带有500kHz共振频率的MEMS促动器，该促动器可以易于变化，并且可以用闭环控制实现更良好表现的调谐。

[0064] 图7根据本发明一实施例描述了用于在1310nm操作的短腔激光器的优选实施的几个细节，而图9和10显示了图7中实施的几个附加性能特征。图7描述了构造为垂直腔体表面发射激光器(VCSEL)的半导体激光器，其是垂直腔体激光器(VCL)的子类别。VCL可以向下或向上发射，而VCSEL向上发射，向上的方向是指与基质相反的方向。图7的VCSEL采用包括交替的低和高折射率材料的四分之一波层的两个分布式布拉格(DBR)反射镜片710、720。对于这两种镜片，DBR都是优选的，然而还可以采用现有技术的激光器所采用的高对比度光栅，例如，如描述于(Chase,C.,Rao,Y.,Hofmann,W.et al.,“1550nm high contrast grating VCSEL,”Optics Express,18(15),15461-15466(2010))中的那样。

[0065] 图7的底部镜片710与图1中第二镜片140对应，所述底部镜片710包括交替的四分之一波长的GaAs和氧化铝(AlxOy)层。这种类型的镜片是通过GaAs/AlAs的外延生长堆的横向氧化来形成，如(MacDougal,M.H.,Dapkus,P.D.,Bond,A.E.et al.,“Design and fabrication of VCSELs with Al xO y-GaAs DBRs,”IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,3(3),905-915915(1997))所述。GaAs/AlxOy镜片具有高反射率和宽带宽，以及少量的镜片周期数。如图7所示当光在顶部镜片的外面结合时，镜片周期的数量优选为六或七个，产生理论上的无损失反射率为>99.9％。在其它实施例中该镜可以使用AlGaAs/AlxOy，其中AlGaAs的铝含量约小于92％，从而在AlAs的侧向氧化以形成AlxOy的期间，AlGaAs不会明显地氧化。如果是光泵浦的激光器，为了增加低折射率材料的带隙，从而使该材料不吸收光激射波长或泵浦波长的光，因此对于低折射率材料，使用AlGaAs来代替GaAs是有益的。

[0066] 图7所示的顶部悬浮镜片720与图1中的第一镜片130对应，所述顶部悬浮镜片720包括交替的低和高折射率的沉积材料，例如SiO2和Ta2O5。还可以使用其它沉积材料，包括但不仅限于TiO2、HfO2、Si、Ag、Al、Au、ZnS、ZnSe、CdF2、Al2F3以及CdS。这些材料可以通过电子束蒸发、离子束溅射、等离子体辅助沉积或其它本领域技术人员已知的方式进行沉积。例如，对于折射率分别为1.46/2.07、中心位于大约700nm至大约1600nm的范围内的、10周期SiO2/Ta2O5的周期镜片，镜片设计领域技术人员可以计算出，在至少10％的中心波长范围内的理论无损反射率超过99.5％。

[0067] 图7的实施需要使用MEMS的促动去控制气隙调谐区域的厚度，从而控制装置在1310nm的范围内的输出波长。在图示的促动器触点730、740之间施加电压，以缩窄气隙，然后使激光的波长调谐得更短。图中所示的MEMS结构包括坚固的支撑结构750以及悬浮变形的电介质膜760，顶部镜片720位于该电介质膜760上。使电介质膜760的顶部金属化，从而能够通过促动器触点730、740施加静电力。该膜本身为透明的，在悬浮镜下方并与其融合为一体，并且有利于悬浮镜的反射率。理想地，膜的厚度为发射调谐辐射的中心波长处的四分之一波长的奇数倍。对于很多让人感兴趣的波长，比如在600-2500nm范围内的波长，理想的厚度约为波长的3/4。

[0068] 在优选实施例中，电介质膜采用氮化硅，其是一种结实的材料，可以对其进行应力工程化设计以产生期望的频率响应。理想地，氮化硅具有从大约100到大约1000MPa范围的拉伸应力。该应力范围引申出MEMS促动器最低位的谐振频率，如下所述，谐振频率基本上随应力的增加而增加。虽然优选拉伸应力，也可以采用压缩应力，尽管其为次优选的，因为在MEMS释放后压缩应力会导致膜的弯曲。其它作者已经利用这种弯曲的有点来构成半对称的腔体，例如，如描述于(Matsui,Y.,Vakhshoori,D.,Peidong,W.et al.,“Complete polarization mode control of long-wavelength tunable vertical-cavity surface-emitting lasers over 65-nm tuning,up to14-mW output power,”IEEE Journal of Quantum Electronics,39(9),1037-10481048(2003))中的那样。

[0069] 在图7中所示的代表性的优选实施例，配置操作在1310nm处。因此，该配置使用InP基的多层量子阱(MQW)区域，该量子阱区域包括至少一个在增益区中的量子阱。由于底部完全氧化GaAs/AlxOy镜生长在GaAs上而不是在InP上，则一定要通过晶片键合工艺，将InP基的MQW区与GaAs基的完全氧化镜片进行接合，比如在多个固定波长1310nm的VCSEL中有描述，例如(Jayaraman,V.,Mehta,M.,Jackson,A.W.et al.“, High-power 1320-nm wafer-bonded VCSELs with tunnel junctions,”IEEE Photonics Technology Letters,15(11),1495-14971497(2003))。多量子阱区优选包括多个压缩应变AlInGaAs量子阱，应变范围在1-1.5％。在另一实施例中，可以使用能够在1310nm附近发射的并且能够在GaAs上生长的GaInNAs量子阱，无需晶片键合。然而，由于AlInGaAs量子阱具有更高的增益和更灵活的波长，因此对其优选。

[0070] 图25和26描述了用于制造图7中的1310nm的可调谐短腔激光器的优选实施方案的制造顺序的主要步骤。因为可以在一个步骤内对镜片和增益区进行外延生长，因此除了基于GaAs的装置不需要图25中的第一次晶片键合的步骤，能够以类似的方式对波长范围为650-2300nm的装置进行处理。如图25所示，在1310nm或在任何采用在InP上生长的活动区的波长，第一步骤2510涉及到，使InP基质上外延生长的MQW区域的晶片，键合到在GaAs基质上外延生长的GaAs/AlAs镜片结构中。可在大约570℃的温度下施加压力约15分钟来实施该工艺，其已经在现有技术研究(Black,A.,Hawkins,A.R.,Margalit,N.M.et al.,“Wafer fusion:Materials issues and device results,”IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,3(3),943-951(1997))中详细描述。MQW和镜片结构在晶片键合交界面处接合。键合之后，在第二步骤2520中，利用终止在InGaAs刻蚀终止层上的HCL基刻蚀来移除InP基质。然后用基于硫酸的刻蚀来移除刻蚀终止层。

[0071] 在第三系列的步骤2530中，将优选地终止于钛的、有利于在后续步骤中与锗键合的MEMS触点以及抗反射涂层进行沉积和图形化，然后蚀刻出用于氧化GaAs/AlAs镜片结构的孔洞。通过氧化使AlAs转化为AlxOy，以产生具有六或七个周期的高反射率镜片。在镜片的氧化后，在第四步骤2540中对锗牺牲层进行沉积，然后对锗进行构造并使其在光振荡区中具有弯曲的表面。采用富氧CF4/O2电感耦合等离子刻蚀工艺，通过光阻剂回流和模式转换工艺，生成该弯曲表面。图26描述了在第五系列的步骤2550中，如何使氮化硅膜层、顶部促动器触点以及顶部悬浮镜片在锗牺牲层上沉积和图形化。顶部接触层优选采用铝。

[0072] 在第六系列的步骤2560中，利用二氟化氙(XeF2)气脱膜锗牺牲层，在边缘产生具有坚硬的锗支持结构的悬浮层。在锗的脱膜前，对图7所示的与顶部或底部促动器金属连接的引线接合焊盘进行沉积，并且在脱膜前处理完毕。通常不建议在脱膜后进行处理，因为会导致促动器的倒塌。在很多情况下，在锗膜的脱膜之前，优选地对装置进行分块并连线键合到基座，用于封装。

[0073] 图7的优选实施例的增益区的设计对于装置的性能是至关重要。当其中的结构是光泵浦的情况时，量子阱可以与光学驻波的波峰对齐，从而通过公知的周期增益效应来增强增益，该现有技术如(Corzine,S.W.,Geels,R.S.,Scott,J.W.et al.,“DESIGN OF FABRY-PEROT SURFACE-EMITTING LASERS WITH A PERIODIC GAIN STRUCTURE,”IEEE Journal of Quantum Electronics,25(6),1513-1524(1989))所述。周期增益的另一个益处在于，多个量子阱之间的宽间隔可防止应变累积，并且减少应变补偿的需求。对于图示的用于1310nm的可调谐VCSEL，理想的泵浦波长范围约为850-1050nm。在光学泵浦结构中，可在三个独立的驻波波峰上设置三个量子阱，并且它们之间的区域可以由匹配InP格晶的AlInGaAs以及吸收传入的泵辐射的成分来构成。因此，增益区与吸收区分隔开，并且在吸收区中的产生光的载体扩散到增益区。可选地，通过在单个驻波波峰上放置三个量子阱，可以增加该结构的FSR。在这种情况下，可能需要对具有拉伸应变AlInGaAs的压缩应变的AlInGaAs进行应变补偿。由于吸收仅发生在量子阱中，因此这就形成了更薄的吸收区。这种结构需要光学泵浦装置具有更多的泵浦能量，但要提供更宽的调谐范围。图7的一个实施例在单个驻波波峰上使用三个量子阱，能够实现在1310nm附近具有161nm的FSR的结构，如图9的调谐结果所示，在1310nm附近具有161nm表示12.3％的中心波长。该装置的连续单模调谐范围为150nm，也如图9所示并在下文中进行讨论。图9所示为多个超宽的可调谐MEMS-VCSEL的静态和动态调谐响应。在1372nm处的长波长光谱910表示在1211nm处的完成模式，描述了腔体的161nm的FSR。曲线920表示以500kHz的频率正弦扫频的时均(time-averaged)光谱。静态和动态响应都显示了在150nm范围内的连续单横和单纵模式的光激射操作。具有140-
170nm的FSR的1310nm装置提供了一种尤其适于扫频光学相干层析系统的装置调谐。大的FSR不仅有利于扩大激光器的调谐范围，还有利于减少激光器的占空因数，从而可以添加来自于其它可调谐短腔激光器的额外调谐曲线，这会在下文描述。例如，如果激光器的增益带宽限定在小于FSR的50％，并且对整个FSR扫频，则激光器自动关闭超过一半的扫频，保留空间对另一个激光器的扫频或者扫频的延时副本进行交错，如(Klein,T.,Wieser,W.,Eigenwillig,C.M.et al.,“Megahertz OCT for ultrawide-field retinal imaging with a 1050nm Fourier domain mode locked laser,”Optics Express,19(4),3044-
30623062(2011))所述。

[0074] 当需要在很宽的调谐范围(大于中心波长的10％)内保持光激射时，有利地通过使用描述于(美国专利7671997)的更宽的量子阱，在该阱中囊括第二限制量子态，从而加宽量子阱的增益。我们注意到，在光激射操作过程中，所采用的产生图9所示结果的宽FSR结构可以由镜片之间形成的光学驻波极值点的数量来表征。在底部镜片和悬浮镜片之间的腔体中，带有五个驻波极值点的结构产生图9所示结果。进一步减小腔体的厚度以小于五个驻波极值点，可以使1310nm的装置具有更大的FSR，且接近200nm。例如对于1310nm的在两个镜片间具有四个驻波波峰的设计，图8所示为折射率变化vs.沿激光器振荡轴的深度。图8左侧的周期结构反映了完全氧化镜片，而图8右侧的周期结构反映了悬浮介质镜片，其中该悬浮介质镜片包括氮化硅薄膜的更厚的第一层。图8还显示了镜片之间的MQW增益区和气隙调谐区域。

[0075] 以上段落所描述的特征不仅可应用于多个1310nm范围的VCSEL，类似的思想还可应用到1150-2500nm的波长范围，该1150-2500nm波长范围可以使用基于InP的增益区结合基于GaAs的镜片区域。1200-1400nm的范围对于很多扫频光学相干层析，比如内窥镜应用、体表血管成像以及肿瘤成像，是特别重要的。1800-2500nm范围对于气体波谱比较重要。后者的范围优选地使用磷化铟基质上的压缩应力InGaAs量子阱。

[0076] 图23描述了与图7所示类似的另一MEMS-可调谐VCSEL，只是配置为在1060nm附近的波长操作。同1310nm的VCSEL类似，本装置采用完全氧化的AlGaAs/AlxOy镜片2310作为底部镜片。该底部镜片的AlGaAs层的铝含量优选大于10％，从而防止光学泵浦结构中的泵浦光束的吸收，理想地，该光学泵浦结构的泵溥波长约为850nm。在这种情况下，不需要晶片键合，原因在于增益区的压缩应力InGaAs量子阱可以在与完全氧化镜片相同的GaAs基质上外延生长。如图23的非晶片键合结构可以配置其它的量子阱成分，从而可以达到大约600nm至大约1500nm的波长范围。除了InGaAs，这些成分包括但不限于AlInGaP、AlInGaAs、InGaAsP、InGaP、AlGaAs以及GaAs。GaAs量子阱用于约800-870nm的范围、AlGaAs阱用于约730-800nm的范围、AlInGaP和InGaP用于约600-730nm的范围、并且作为可选材料的InGaAsP或AlInGaAs用于约800-900nm的范围。在SSOCT眼成像和氧气感应领域，尤其让人感兴趣的波长范围为700-1100nm，对于眼科学，最让人感兴趣的范围约为990-1110nm。

[0077] 在1310nm的结构的情况下，可以在图23的结构中采用周期增益。在990-1110nm的范围中，在由GaAs栏栅分离的腔体中的三个驻波波峰上，使用具有三个量子阱2320的周期增益的结构是有益的，该栏栅吸收泵浦辐射并产生渗入量子阱的电子和空穴中。典型的量子阱宽度为6-12nm，并且通常铟的成分约为20％。大于约8nm的量子阱宽度会导致第二限制量子态，并扩大增益。使用这种方法的结构可产生图24所示的调谐结果，其中图24描述了约1060nm周围的100nm调谐范围。这种结构的FSR在100nm附近，或者约为中心波长的9.4％。通过将所有的量子阱置于单个驻波波峰上或者将四个量子阱置于两个驻波波峰上，可以在
1310nm的结构中将FSR增加到>10％的范围。在后者的这些情况中，可采用具有抗伸应变的GaAsP的InGaAs的应力补偿，比如描述于(Hatakeyama,H.,Anan,T.,Akagawa,T.et al.,“Highly Reliable High-Speed 1.1-mu m-Range VCSELs With InGaAs/GaAsP-MQWs,”IEEE Journal of Quantum Electronics,46(6),890-897(2010))中多个固定波长VCSEL的现有技术中。

[0078] 图7和图24所示的结构均实现了大于装置90％的FSR的调谐范围，如图9和图24分别所示的相关结果。图9和24还示出了横模式的抑制，显示了离开主峰1-3nm的肩部，其通常要低于主峰并且>40dB。在采用单横模式泵浦束的光学泵浦结构中，如果泵浦束可以很好地对齐图1中半对称腔体的光轴，横模式的抑制可在其调谐范围内增加到>45dB。

[0079] 图7、9、23、24中的实施例的特定方案可以采用与GaAs和InP基质相关的材料和波长。可以用其它材料实现本发明的一些实施例。例如，如(Kashani-Shirazi,K.,Bachmann,A.,Boehm,G.et al.“, MBE growth of active regions for electrically pumped,cw-operating GaSb-based VCSELs,”Journal of Crystal Growth,311(7),1908-1911(2009))关于现有技术的多个固定波长VCSEL的描述，可使用GaSb基质上的材料来获得约2000-2500nm中红外范围的可调谐发射。可选地，利用生长在GaN基质上的材料可实现根据本发明一实施例的400-550nm范围内的可调谐短腔激光器，比如制作固定波长VCSEL的研究者在(Higuchi,Y.,Omae,K.,Matsumura,H.et al.,“Room-Temperature CW Lasing of a GaN-Based Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser by Current Injection,”Applied Physics Express,1(12),(2008))中所述。在400-700nm的可视范围内实现本发明的实施例，可应用于光学计量工具和生物及医学的光谱。

[0080] 上述所有波长范围的优选实施例为光泵浦的实施例，如已经讨论的所有示例一样，其中的光泵浦为光激射提供能量。对于550-770nm范围的操作，光泵浦波长优选在约400nm至约600nm的范围。对于700-1100nm范围的操作，光泵浦波长优选在约600nm-1000nm的范围。对于1200-1400nm范围的操作，光泵浦波长优选在约700nm-1200nm的范围。对于
1800-2500nm范围的操作，光泵浦波长优选在约1000nm-2000nm的范围。需要说明的是，如图
24中1050nm的MEMS-VCSEL所示，我们注意到，通过顶部镜片来进行泵浦通常是有利的。在镜片周围侧面进行泵浦也是可行的，但通过顶部镜片来泵浦会使封装更紧凑。在这种情况下，顶部镜片需要在泵浦波长处具有最小的反射率。图14描述了示例顶部镜片设计的可调谐短腔激光器的反射率，该可调谐短腔激光器配置为发射范围在1200-1400nm，并且在1050nm处进行光泵浦。如图14所示，顶部镜片在泵浦波长1050nm处具有最小反射率1410，而在所需要的1200-1400nm发射波长范围具有高反射率1420。

[0081] 虽然上文主要描述了光泵浦装置，从光泵浦转化为电动泵浦，垂直腔体激光器可以采用众所周知的处理方法。根据本发明一实施例的电动泵浦结构如图27所描述，它是一个具有GaAs基MQW增益区2710和完全氧化镜片的MEMS-可调谐的VCSEL，如图24的1060nm的例子所示。如图27所示，底部MEMS触点2740还可以作为顶部激光器二极管触点。在光泵浦结构中，对光波的限制是通过光泵浦束有限的横向范围实现的，而在电动泵浦结构中，必须提供电流孔径2720。该孔径2720通常由位于完全氧化镜片的另一部分氧化层提供，如图27所示。该电流孔径还可由比如其他研究者所采用的图形化的和掩埋的隧道结来提供。在这两种情况下，工程师都必须小心扩展电阻，从而避免电流拥挤，如研究者在(Scott,J.W.,Geels,R.S.,Corzine,S.W.et al.,“MODELING TEMPERATURE EFFECTS AND SPATIAL HOLE-BURNING TO OPTIMIZE VERTICAL-CAVITY SURFACE-EMITTING LASER PERFORMANCE,”IEEE Journal of Quantum Electronics,29(5),1295-1308(1993))中关于现有技术中的固定波长VCSELs的描述。

[0082] 如图27所示，植入钝化层(implant passivation)2730和氧化电流孔径2720的结合能够实现电动泵浦结构。电流传导从中间MEMS触点2740开始，穿过电流孔径2720，然后绕底部镜的完全氧化域，再到背侧基质触点2750。MQW域的载流子复合为光激射产生增益，该MQW域优选包括三个应力补偿InGaAs/GaAsP量子阱。

[0083] 对于很多让人感兴趣的应用，需要控制从可调谐短腔激光器的输出能量谱的光谱形状。可以通过多种方式来实现输出能量成形。其中一种方法是通过控制顶部镜片反射率的形状来实现。通常，低反射率区域可使更多的光线离开光学腔体，而高反射率区域可使更少的光线离开光学腔体。因此，可以在波长范围内限制目标光谱形状或者能量变化，并调节镜片反射率的形状，从而实现该光谱。目标功率变化轨迹可能是高斯形状。图22描述了在图7的MEMS-VCSEL实例中已经通过调节悬浮的顶部镜片的反射率光谱来实现的多个光谱形状的例子。这些光谱涵盖了在两个边缘处具有峰值的能量，在蓝色边缘处具有峰值的能量以及在红色边缘处具有峰值的能量。利用相同的方法可以还可以实现其它光谱形状。

[0084] 另一种改变光谱形状的方式为，在波长调谐期间动态控制进入增益区的泵浦能量。对于光泵浦装置，可以通过控制进入到装置的泵浦能量，对于电动泵浦装置，可以控制驱动电流。对泵浦能量的定型还可以改进装置的热管理。

[0085] 对于使用MEMS促动器的特定实施例，可以实施更多细节的MEMS促动器设计，以加强装置性能。如上文提到的，该可变形电介质膜优选由氮化硅构成，优选具有100-1000MPa的拉伸应力，从而相对于无应力设计具有显著提高的共振频率，并且在释放膜时，可最小化膜的弯曲。所谓共振频率，是指该装置的最低次序的机械模式，与促动器的期望的“活塞”运动对应。这是装置性能的重要参数。促动器的一个优选几何结构为具有支撑臂的中心板，如图7、图12和图23所示。这种特定几何结构的重要参数为促动器直径、中心板直径、臂宽以及悬浮镜片直径，如图23所示。在四个到八个支撑臂之间采用约为220μm的促动器直径；宽约16μm的促动器臂；直径约为34μm的悬浮镜片；包括约11个周期的以1310nm为中心的SiO2/Ta2O5的悬浮镜片，直径在约50μm到110μm之间的中心板，以及应力范围在约200MPa到450MPa之间的四分之三波长氮化硅膜，就可以获得反映图10的样例的多个频率响应。图12所示为获得图10的频率响应的促动器几何结构的样例图片。在图12中，多个MEMS可调谐VCSEL结构具有四个或八个支撑肋1210。图10显示了根据应用到MEMS-驱动气隙调谐机制的驱动频率的MEMS-VCSEL波长的调谐。如图所示，共振频率在约200kHz到约500kHz之间，而最快装置的
6dB带宽接近1MHz。

[0086] 图中还示出了促动器的衰减变化，由达到共振的不同的数量表示。衰减主要是由挤压膜阻尼造成的，该挤压膜阻尼表示与粘滞空气的相互作用。随着促动器区域面积的增加或者气隙的减少，挤压膜阻尼上升，使频率响应平坦化。平而宽的频率响应对于不同速度的驱动，以及通过多谐波的设备的线性化是理想的。尽管图10表述了在MEMS设备中通过挤压膜衰减，但是在其它气隙调谐设备中，如压电驱动设备，也可以看到类似的效果。通常可以通过多种方法来控制MEMS促动器的衰减，包括改变促动器面积或者形状，从而改变与粘滞气体的相互作用，改变背景气体成分或者气体压力，这进一步改变了挤压膜阻尼的作用、改变气隙厚度以及改变促动器的孔或穿孔的尺寸，从而改变液体从活跃状态(turbulent regime)通过该孔到非活跃状态(non-turbulent regime)的流动状态。此外，对促动器进行退火处理可以改变促动器中多种材料的应力，这具有阻尼的效果。

[0087] 图10表示的频率响应是代表性的，而不是限制性的。可以通过增加拉伸应力、增加厚度(例如5/4波长)、减小悬浮镜片直径和厚度，或者缩短壁对膜进行加固，以增加共振频率，从而可以获得超出2MHz的6-dB带宽，这是有限元模型领域的技术人员可以计算得出的。类似的，可以通过相反的做法改变相同的参数，使共振频率降低到远低于100kHz。需要说明的是，也可能使用其它可以降低共振频率或者使穿孔膜无需清楚划分的支撑肋的几何结构，如螺旋状臂结构。参考图12，如果中心板1220的直径扩展到外环1230促动器直径，并且添加穿孔，就可以实现没有清晰划分的支撑肋的穿孔膜。

[0088] 上文讨论的氮化硅是高度绝缘的，因此容易产生充电和静电漂移。为该膜引入少许的导电性可以减少充电的倾向。对于氮化硅，可利用非化学计量的富含硅的膜引入导电性，或者为氮化硅膜掺杂硅。

[0089] 图9和24表示的调谐结果表明需要调谐设备的电压，标注在光谱旁边。这些电压在FSR内的所有调谐过程中可达到65V，对应于约一半中心波长的膜反射率，或者对应于1310nm装置的约650nm波长和对应于1050nm装置的约525nm波长的膜反射率。这些电压与MEMS促动器尺寸和上述的氧化硅应力水平相关，并且参考图10和12，并伴随约1.6μm范围的标称零电压气隙。

[0090] 还需要注意，可以采用比气隙机械收缩或扩张更快的调谐机制，如半导体中的载体注入调谐，其可以是GHz级的。然而，该机制的光学路径长度通常受限于约1％的变化，不适于较大的调谐范围。

[0091] 进一步参考图1和图2，可以理解本发明的一个实施例的多个附加的结构和性能特征。对于很多应用，期望没有周期变化的强度vs.波长曲线，如图2所示。本公开技术描述了具有纹波(ripple)的短腔可调谐激光器，该纹波小于平均功率的约1％。术语“纹波”通常用来描述这些变化。根据纹波的光谱周期，并且根据应用，纹波会产生不同程度的不良影响。例如，在扫频源OCT(SSOCT)系统中，特定光谱周期的纹波表现为SSOCT图像中在视距离的虚假反射，该纹波的振幅为平均功率的1％或者更多。通常由激光腔体外的虚假反射而引起纹波。这些反射可来自于耦合透镜或者光学系统中的其它光学元件，或者它们来自于垂直腔体激光器的基质反射。例如在图7所示的激光器中，来自于第二镜片下方的反射会产生纹波，如来自于GaAs基质770下方的反射，其中设备置于该基质上。可通过多种方法抑制基质反射振幅以增加散射，这些方法包括但不限于增加第二镜片的反射率、通过掺杂基质引入损耗、增加基质厚度、或者粗化基质的背侧。用于粗化基质以增加散射的最优粗砂为在900-
1400nm可调谐发射范围的尺寸>30μm的粗砂。此外，使用具有7个或者更多周期的完全氧化底部镜片可以将纹波抑制在<1％的水平，该完全氧化底部镜片的理论无损反射率为>
99.5％。

[0092] 本发明一个实施例的另一个重要性能特征为：在波长扫频发射的整个调谐范围内在固定的偏振状态中的操作。除非为腔体引入非对称元素，半导体激光器不具有自然优选的偏振，其中在该半导体激光器上的激光发射垂直于应力量子阱的平面，如垂直腔体激光器。如果与光学系统中的任意偏振化元件配合，如偏振选择光学放大器，则在单偏振状态中操作是重要的。根据本发明一实施例，该系统还可采用偏振稳定设备与保偏纤维相结合。在SS-OCT系统中，在发射波长范围内偏振反转(polarization switching)会导致能量中断(power dropouts)和图像伪影，并且影响动态相干长度。具有界限明确的偏振状态还会使将要构成的激光器系统需要交替的偏振状态。

[0093] 可以通过多种方式实现在设备的整个调谐范围内在单偏振状态中的操作。其中一种方式是引入一个或多个与设备的光学腔体整合为一体的纳米线。参考图7，纳米线可置于临近可调谐气隙的MQW增益区780的顶部，在光学路径的中心。或者，其可以位于悬浮镜片的顶部。纳米线可导致依赖偏振的散射或者光吸收。纳米线典型的尺寸可以是50nm宽、几微米长、10nm厚。纳米线可由金属构成，或者仅为折射率微扰(perturbation)。通常，沿纳米线的长度方向偏振的光和垂直于纳米线偏振的光与不同的强度相互作用。由于激光器腔体为模选择而需要少量的各向异性损耗，因此，单内腔体纳米线足以抑制一个偏振，同时使另一个偏振保持很低的损耗。本领域技术人员可利用已知手段计算纳米线不同偏振的损耗，例如描述于(Wang,J.J.,Zhang,W.,Deng,X.G.et al.,“High-performance nanowire-grid polarizers,”Optics Letters,30(2),195-197(2005))中的那样。具有一网格的纳米线构成了更大的各向异性损耗，但是也增加了优选偏振的损耗。例如在VCSEL腔体中，引入到优选偏振的过剩损耗应该<0.1％。这表示一个或者非常少量的纳米线。对于VCSEL或者VCL，在理想的情况下，纳米线应该与半导体的晶体轴对齐，其中VCSEL位于该半导体上。对于生长在(100)或者临近(100)方向的晶片，这通常表示[110]方向或者垂直于[110]方向。这是因为存在弱偏振选择效应，从而使VCL偏振沿其中一个晶体轴对齐，而任何其它偏振控制方法应该有利于该效果，而非与该效果形成竞争。

[0094] 偏振控制的其它方法包括对各向异性应力的引入，如(Matsui,Y.,Vakhshoori,D.,Peidong,W.et al.“, Complete polarization mode control of long-wavelength tunable vertical-cavity surface-emitting lasers over 65-nm tuning,up to 14-mW output power,”IEEE Journal of Quantum Electronics,39(9),1037-10481048(2003))，横向电流注入，如在固定波长VCSEL中的描述(Zheng,Y.,Lin,C.-H.,and Coldren,L.A.,“Control of Polarization Phase Offset in Low Threshold Polarization Switching VCSELs,”IEEE Photonics Technology Letters,23(5),305-307(2011))，或者如图13的描述，使用非圆形对称氧化过程形成图7所示的完全氧化镜片。如图13所述，从两个蚀刻孔1320开始向外扩展氧化1310，并且氧化前锋沿图中虚线1330所示的线来交汇。沿该虚线有
5nm的凹陷(dip)，该凹陷形成折射率纳米线，该纳米线可选择VCSEL偏振。只要孔与晶体轴对齐，图13所示的折射率纳米线就会与晶体轴对齐。

[0095] 在键合过程中，通过确保键合晶片的晶体轴对齐，可以在晶片键合设备中获得进一步加强的偏振控制。由于优选地使一个晶体轴设置在另一个晶体轴的上面，在键合过程中对齐晶体轴会增加这种效果，而不是通过交叉这种对齐而取消这种效果。

[0096] 此处描述的可调谐短腔激光器可以用阵列的形式组合，产生具有加强光学性能的聚合可调谐激光器源。在激光器为MEMS-可调谐垂直腔体激光器的特定方案中，可以用一体成型的方式制造该阵列。在图28的帮助下描述SS-OCT中的特定的实用性组合的一个例子。如图28A所示，利用分束器、光纤耦合器或者其它已知的组合元件2810，使第一可调谐短腔激光器TCSL 1以及第二可调谐短腔激光器TCSL 2在一共同的光学路径上复用。驱动每一个TCSL，使其在其调谐范围内具有双向调谐，如图28C示出的TCSL 1的实线波长轨迹2820，以及TCSL 2的虚线轨迹2830。每一个激光器以重复周期T进行重复扫描，但是TCSL 2的扫描相对于TCSL 1的扫描要延迟半个重复周期。此外，在后向波长扫描过程中，为两个TCSL中的每一个而关闭泵浦能量2840、2850(电动泵浦或者光泵浦)，从而当泵浦能量为非零时，只有半波长扫描的前向或前方发射激光器辐射。在一些例子中，如果FSR远大于支撑材料的增益带宽，则不需要关闭泵浦能量，然后扫描超出材料增益带宽的调谐元件会自动关闭激光器。

[0097] 复用输出的波长轨迹如图28D所示，包括来自于TCSL 1(实线)2860的成分以及来自于TCSL 2(虚线)2870的成分，并且描述了以重复周期为T/2的单向扫描，该周期是最初每个TCSL的周期T的一半。这样，扫频频率就增至两倍。该思想可以应用到N个激光器，并且使扫频频率扩大到原来的N倍。这种交错TCSL的思想不仅可用于增加扫频频率，还可以用来增加调谐范围、交错不同的调谐范围、调谐速度或者调谐轨迹，或者对于SSOCT、光谱学、通信或者光学探测领域技术人员可言的多种其它明显目的。

[0098] 目前为止描述的可调谐短腔激光器可与光学放大器组合，构成具有增大输出功率和其它用于成像的有益特性的放大可调谐源。该放大器可以是半导体放大器，光纤放大器比如用于在1300nm附近的窗操作的镨掺杂光纤放大器，用于在1050nm附近的窗操作的镱掺杂放大器，在1050nm周围氟化物掺杂扩展带宽光纤放大器，或者任何其它种类的光学放大器。对放大器的使用还可实现上述的交错方案，其中可使用高消光比光学放大器在合适的时间打开一个源，而不是关闭该源的泵浦能量。

[0099] 图15描述了一个基本配置，其中根据本发明实施例的可调谐短腔激光器1510朝光学放大器1530的输入侧发射输入可调谐辐射1520。输入可调谐辐射具有平均功率、输入功率谱、输入波长范围以及输入中心波长。放大器放大输入可调谐辐射，从而产生具有输出平均功率、输出中心波长、输出波长范围以及输出功率谱的输出可调谐辐射。

[0100] 在优选的实施例中，正如光学放大器领域的技术人员所公知的，放大器在饱合状态(saturated regime)下操作。该饱合状态可抵制出现在输入可调谐辐射的噪声起伏，并且还可以提供有益的光谱塑形，其中输出可调谐辐射的半最大值全宽度(FWHM)可超出输出可调谐辐射的FWHM。示例如图21所示，其中放大可调谐光谱2110具有比来自于可调谐短腔激光器的输入可调谐辐射2120更宽的FWHM。

[0101] 在优选实施例中，光学放大器为半导体量子阱放大器，它可以提供低噪声、宽增益带宽以及高增益。半导体量子阱放大器还可以提供非常高的>40dB的消光比(extinction ratio)，如上文所述，它可以作为用于使门设备打开或者关闭的开关。优选地，量子阱配置为具有两个限制量子态，以支持更宽的增益带宽。图16描述了来自于双量子态半导体光学放大器在1310nm处的放大自发发射，包括三个AlInGaAs压缩应力量子阱，描述了对应于光谱的第二量子态展宽的光谱短端的隆起1610。放大自发发射(ASE)的3-dB光谱宽度为110nm，表明3-dB小增益信号带宽的近似值。

[0102] 半导体光学放大器可以通过使用完全压缩应力或者拉伸应力量子阱配置为偏振化，或者通过在单个结构中使用两种类型的应力偏振化，从而在所有的偏振处提供增益。

[0103] 在优选配置中，相对于由放大器发射的放大自发发射(ASE)的中心波长，输入可调谐辐射的中心波长位于更长的波长上。该放大器ASE相对于放大器增益光谱通常是蓝移的(blue-shifted)，因此该配置使输入可调谐辐射的光谱可以更好地对齐放大器增益光谱。通常，相对于输入功率谱来改变放大器ASE的对齐，可以提供有益的光谱塑形(spectral shaping)。

[0104] 图15中的基本配置可以增加多种过滤形式，从而产生更低噪声的放大扫频源。许多在计量学、光谱学以及生物光子学中的扫频源激光器应用，均受益于宽带ASE的抑制和对侧模式抑制的改进。就这一点而言，在激光器和放大器之间在激光器腔体的内部或者在系统的出口处，将额外的可调谐光谱过滤器添加到系统，是提供性能改进的一种方式。在一个优选的实施例中，图15所示的放大器可以是可调谐共振放大器，如(Cole,G.D.,Bjorlin,E.S.,Chen,Q.et al.,“MEMS-tunable vertical-cavity SOAs,”IEEE Journal of Quantum Electronics,41(3),390-407(2005))所描述的垂直腔体放大器，其只在波长的窄带处放大，并且同步利用可调谐短腔激光器的输入可调谐辐射调谐，从而使放大器的通带总是与输入可调谐波长匹配。

[0105] 其它多个优选的配置如图17-20所示。在图17中，同步调谐光学过滤器1710的带宽始终与输入可调谐辐射对齐，该同步调谐光学过滤器1710位于宽带光学放大器1720之后，从而减少残留ASE噪声，并改进放大可调谐辐射的信噪比。在图18中，相同的同步调谐光过滤器1810位于可调谐短腔激光器1830和光学放大器1820之间，从而在放大之前，改进输入可调谐辐射的侧模式抑制。

[0106] 图19描述了另一配置，其中采用两个放大级1910、1920。这些放大级可以实施为两个独立的放大器，或者实施为带有分离的放大器触点的单个的波导放大器。采用两个放大级1910、1920，为光谱塑形提供了进一步的灵活性。例如，通过偏置相同的各种外延结构或者在两个放大器中使用不同的外延结构，可以将两个放大器的增益光谱互相转移。采用两个放大级，还可以提供更高和更大的输出功率。

[0107] 图20描述了另一种两级的放大器配置，其中同步调谐光放大器2030位于两级放大器2010、2020之间。这将会为输出可调谐辐射提供改进的信噪比。

[0108] 在大多数实际让人感兴趣的情况下，在比如是SSOCT和光谱学的光学系统中，优选的输入平均功率约为0.05-2mW，产生优选的输出平均功率范围约为10-120mW。确切的数字要根据放大器的增益和饱合光功率而定，不过这一范围在光学系统通常会生成具有良好信噪比的放大可调谐辐射。

[0109] 可调谐短腔激光器结合了放大器的基本配置，可以通过采用多种适用于多种波长范围的材料的半导体光学放大器来实现。例如，放大器可以在适用于SSOCT和水蒸汽光谱学的1200-1400nm范围内操作。在该范围内，在InP上使用AlInGaAs或InGaAsP量子阱可产生所需的增益。可选地，采用至少一种压缩应力InGaAs量子阱，可以使放大器操作在适用于眼科SSOCT的约800-1100nm的范围内。

[0110] 本发明描述的可调谐短腔激光器在很多光学系统中均具有实用性，其中有一些已经在上文中简单提及。现在描述那些系统的一些代表性示例。用于SSOCT的系统可以采用可调谐激光器，该可调谐激光器包括上文描述的可调谐短腔激光器，并结合用于分离从可调谐激光器到参考路径和样本路径的可调谐辐射，以及光探测器，该光探测器配置为探测从所述样本反射的光与横穿所述参考路径的光之间的干涉信号。然后，该干涉信号的信息处理可用于重构样本的结构或成分信息，这对于SSOCT领域的技术人员是公知的。

[0111] 光谱系统可采用上述的可调谐短腔激光器，并结合光学探测器，以测量样本的吸收、传输、散射或者反射光谱，该样本可以是固态、液态、气态、等离子或者任意物质形态的任何物质。此外，可调谐短腔激光器的可变调谐速度可以变化的速度扫描整个光谱，在信息丰富的区域放缓速度，而在信息不丰富的区域加快速度，从而在获得理想的信噪比的同时最小化测量时间。

[0112] 上述可调谐短腔激光器与色散光学元件组合，可应用到光束控制系统中。例如，众所周知地，光栅的衍射角度是输入的可调谐辐射波长的函数。因此，对辐射进行调谐，将会扫描衍射角度并且获得光束控制。还可以采用其它色散元件，比如棱镜。

[0113] 可以采用根据本发明实施例的短腔激光器的其它光学系统包括距离干涉仪，其在两个或多个波长间切换以推断出距离。

[0114] 还可以通过固定波长的参考激光器冲击短腔激光器的可调谐输出，将本发明的一个实施例用以产生可调谐振荡器。例如，该冲击可以通过响应入射光功率的光探测器来实施。如果两个共线激光束在该探测器上撞击，假如差频频率处在探测器带宽范围之内，探测器输出会在两个激光器束之间的光频差(difference in optical frequencies)中振荡。对一个激光器进行调谐的时候，也会对该差频进行调谐，产生了从光频到较低频率的下移可调谐振荡器。

[0115] 虽然本发明以某长度和宽度进行描述，以及针对一些所述实施例描述了某些特性，但需要注意的是，这并不意在将本发明限定在任何特性、实施例或者任意特定实施例中，而应被权利要求所解释，从而基于现有技术，对该权利要求作尽可能最宽范围的理解，因此，可有效地包括本发明欲保护的范围。此外，上文以发明人预见的实施例对本发明进行了描述，其中对该实施例的描述是有效的，然而对本发明的非实质性修改，即使当下没有预见，也视为与本发明等同。