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Performance and Innovations

可调垂直腔面发射激光器(VCSEL)

 

产品信息

什么是VCSEL?

VCSEL是Vertical Cavity Surface Emitting Laser的缩写,在与半导体基板垂直方向上构成激光谐振器,垂直发射光的激光。1977年由原东京工业大学校长伊贺健一博士发明,现在广泛应用于数据通信和传感器等领域。特别是作为手机的面部识别传感器被更广泛的了解。与端面发光型激光器相比,仅在半导体过程中就可以完成基本的最终形态,因此可以实现高密度二维阵列、极低阈值下的动作、大批量、低成本生产。波长覆盖了从蓝色和红色等可见区域到中红外区域,应用也涉及很多方面。

融合了MEMS技术的santec的可调垂直腔面发射激光器(VCSEL)

光薄膜技术
图1. Tunable VCSEL芯片的外观照片

和VCSEL一样,MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术广泛应用于光学领域,如可调光衰减器和激光扫描仪等。Santec将VCSEL谐振器一侧的反射面更换为MEMS反射镜,开发了可调谐VCSEL。MEMS设备的响应性也良好,实现了从数频率Hz的低频率到400kHz左右的高频率的波长扫描。VCSEL的短谐振腔长度使其能够在任何扫描频率下在宽波长范围内显示单模激光。图1是Santec制作的VCSEL芯片的外观照片。电流激励型VCSEL和静电驱动型MEMS组合而成的简单结构,通过向VCSEL注入电流和对MEMS施加电压,就能实现单模宽波长扫描激光器的功能。

的应用

在实现中,波长的扫描频率、扫描波长范围以及相干长度3个是重要的要素。Santec的可调谐 VCSEL是为SS-OCT而专门开发的,波长扫描频率400kHz、扫描波长范围88nm、基于VCSEL的单模性优势,相干长度超过100m。图2所示为使用Tunable VCSEL获取的眼睛的断层图像。特别是对于白内障手术所需的眼轴长度测量,即使是白浊患者也能与以往的方法相比能够获取眼睛的整体图像,进而能够正确选择眼内透镜。另外,以往光源中波长的扫描频率在组装时是固定的,之后无法变更,但在可调谐 VCSEL中,可以通过调整MEMS的控制信号来自由变更。这样也可以构建具有多个功能的高自由度系统。

图2.全眼OCT图像

可调谐VCSEL的更多应用---LiDAR

光薄膜技术
图3.在FMCW-LiDAR系统中的观察示例

作为可调谐 VCSEL的进一步应用,在调频连续波(FMCW)-激光雷达(LiDAR)中也正在进行应用。FMCW-LiDAR和SS-OCT系统在基本构成上有很多共同的部分,可以活用至今为止构筑的SS-OCT的技术诀窍。以往的SS-OCT的观察距离,因光源性能的限制距离最长约20mm左右,但是,通过使用可调谐 VCSEL实现了超过数m的观察距离,图3所示为其观察例子。激光雷达(LiDAR)被期待应用于自动驾驶和机器视觉系统等更广泛的领域,Santec将尽最大努力为使用可调谐VCSEL的FMCW激光雷达的开发做出贡献。