使用快速波長可調諧激光器，可以在KHZ-MHZ線掃描速率下以低至微米的精度和高達數百米的范圍進行三維光學成像。這對于非侵入性醫(yī)學成像特別有用，但也擴展到其他一些應用，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。與大多數激光器相比，波長可調諧激光器的不同之處在于波長的可調諧性是期望的和受控的效果。
OCTLIGHT專注于基于（獨有技術）波長可調諧激光技術的VCSEL掃描源[1]。
光學相干斷層掃描（OCT）是一種非侵入性成像技術，可提供物體和組織內部的視圖。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用領域都有應用，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，由數字化儀和快速傅立葉變換獲取，得出距離（+速度）
掃頻源技術主要可以通過四種類型的波長可調諧激光器來實現[2]：
外腔激光器（下述簡稱：ECL）是一種基于光學增益芯片和外反射鏡的成熟技術。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還可以表現出周期性脈沖串，該脈沖串通過相干恢復從聚焦透鏡等表面生成重影圖像。
傅立葉域模式鎖定（FDML）技術是一種高度通用的技術，其中波長可調濾波器與激光環(huán)形腔的往返時間同步。FDML的動力學非常復雜，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，FMDL是一種非常通用和高性能的研發(fā)設備。
SG-DBR最初是為電信中的靜態(tài)調諧而開發(fā)的。這種半導體技術沒有移動部件，而是速度受到熱效應的限制。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)微掃描以實現高達400kHz的高分辨率。處理后OCT數據分析需要解決該技術固有的非連續(xù)波長掃描問題。
垂直腔面發(fā)射激光器（VESEL）是一種半導體技術，其獨特之處在于其短光腔導致窄線寬和長相干長度。與MEMS系統(tǒng)一起，這實現了高達幾十MHz的非常快速的絕熱波長調諧。因此，為了增加3D成像中的成像范圍和速率，VCSEL技術在許多情況下是有利的選擇。
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是使用半導體技術制造的，該技術通過批量處理和晶圓級測試實現了非常高的精度和可擴展性
OCTLIGHT VCSEL掃描源在使用單片MEMS VCSEL（如9xx nm數據通信VCSEL）和單材料MEMS系統(tǒng)（如經驗證的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?)該技術通過使用簡單且低電壓的驅動信號在真空中操作MEMS來實現進入MHz范圍的快速掃描速率。這提供了幾個好處，包括：
長期穩(wěn)定性使得使用具有預校準FFT線性化的單通道DAQ進行高效的高通量數據采集成為可能。
OCTLIGHT VCSEL掃描源基于半導體激光二極管，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）來實現波長掃描，以改變激光腔的長度，由此產生穩(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已成為數據通信的基石，使用有源光纜（AOC）進行云計算，現在也使用飛行時間（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和調頻連續(xù)波（FMCW）的最新應用領域。
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）中的其他光學組件集成
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，但從那時起，從DMD到MEMS時序解決方案的許多應用中已經證明了通常優(yōu)越的可靠性，在這些應用中，數十億個單元的故障率低于百萬分之一的缺陷部件（DPPM）。MEMS已經在汽車和消費者應用中廣泛商業(yè)化，特別是由壓力傳感器和慣性測量單元（IMU）驅動。
VCSEL和MEMS的可靠性已得到廣泛研究，商業(yè)產品的工作壽命已證明為10000至100000小時。VCSEL技術還具有晶圓級測試的優(yōu)勢，這在確保高質量的同時降低了封裝成本。
根據最終應用，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）集成到復雜的光纖或自由空間儀器。
光學系統(tǒng)可以用自由空間光學器件或光纖制成，用于放寬尺寸限制的中小型應用。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，這構成了VCSEL掃描源中光學集成的基礎。具有光纖輸出的光源易于使用并集成在任何光學系統(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)射使使用直接轉移技術集成到具有與表面光柵的有效光學耦合的PICs成為可能。
圖5：光子集成電路（PIC）允許光學系統(tǒng)的小型化，VCSEL可以直接與PIC集成
在這篇關于VCSEL掃描源技術的白皮書中，介紹了相干檢測、波長可調光源和光學集成中的關鍵概念。
VCSEL是一項關鍵的使能技術，由于其可擴展性和高性能，它推動了數據通信、消費電子（光學鼠標/optical mice）和激光雷達等應用的重大進步。MEMS VCSEL使得使用相干檢測來實現高分辨率和長距離成像的新應用成為可能。
[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.
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