低噪声可调谐激光传感的制作方法

本公开涉及光纤传感（fos，fiber optic sensing）系统、光频域反射计（ofdr，optical frequency domain reflectometry）系统、激光探测与测距（lidar，lightdetection and ranging）系统、可调谐光源、可调谐竖直腔激光器和波长扫描光源。

背景技术：

1、光纤传感（fos）这一快速发展的领域始于20世纪60年代，即在光纤发明后不久。fos传感可用于对光纤本身外部进行单点测量，也可通过利用沿光纤长度方向固有光纤特性的内在变化进行分布式传感测量。fos的一种形式，也称为光频域反射计（ofdr），采用可调谐激光器，该激光器在波长上重复扫描（等效于在光频上扫描），以探测干涉仪传感光路沿途的物体或结构的特性。图1示出了ofdr系统100的简化示意图。波长扫描辐射120从外腔可调谐激光器（ectl，external cavity tunable laser）110发出，该激光器包含增益芯片70，发射腔内辐射60，该辐射从旋转光栅50反射以产生输出波长扫描辐射120。波长扫描激光辐射120被耦合器130分束至参考马赫-曾德尔干涉仪（mzi，mach-zehnderinterferometer）140和ofdr干涉仪200。参考mzi也可以配置为迈克尔逊干涉仪。术语“mzi”应理解为指马赫-曾德尔干涉仪或迈克尔逊干涉仪，或实现等效功能的另一种类型的干涉仪。mzi 140包括较短光路160和较长光路150，两者之间存在mzi光程差。穿过较短光路160的光与穿过较长光路150的光通过耦合器165合束，并在平衡探测器170上发生干涉，产生干涉条纹180。平衡探测器的操作例如在g.abbas、v.chan及t.yee发表的文献：《local-oscillator excess-noise suppression for homodyne and heterodyne detection》，《optics letters》，1983年，第8卷第8期，第419–421页中有所描述。

2、干涉条纹180可用作光学时钟185，以直接对ofdr干涉仪200中的模数转换器（a-d）280进行时钟控制。这种方法被称为光学时钟，例如b.potsaid等人在,针对扫频光源光学相干断层扫描（ss-oct）的文献中对此已有阐述：《ultrahigh speed 1050nm swept source/fourier domain oct retinal and anterior segment imaging at 100,000 to 400,000axial scans per second》，《optics express》，2010年9月，第18卷第19期，第20029–20048页。或者，条纹180可由mzi干涉仪140中的模数转换器190进行数字化，生成数字化的mzi条纹195，该条纹被发送至处理器290，用于校准波长扫描并重采样ofdr干涉仪200中的条纹图样270。这种方法被称为双通道采集，同样针对扫频光源光学相干断层扫描（ss-oct）技术，相关记载可参见j.zhang等人于2021年发表的文献：《multi-mhz mems-vcsel swept-source optical coherence tomography for endoscopic structural andangiographic imaging with miniaturized brushless motor probes》，《biomedicaloptics express》，第12卷第4期，第2384–2403页。

3、ofdr干涉仪200包括具有参考光路长度的参考光路220和具有传感光路长度的传感光路300，两者之间相差传感干涉仪光程差。传感光路300包括光路区段210、耦合器235和光路区段250，来自分布式传感元件230或外部样品240的反射沿此路径传播，然后通过耦合器255与穿过参考路径220的光合束。发明人将传感光路长度定义为沿传感路径传播的最大路径，包括该路径上最远的感兴趣反射。由耦合器255合束的光由平衡探测器260检测，产生具有最大条纹频率的传感干涉仪干涉条纹270，该条纹由传感模数转换器280数字化，生成数字化的传感干涉仪条纹285，并被发送至处理器290。

4、处理器290利用输入的信号285和195提取沿传感光路300的物体或结构的特性。

5、mzi干涉仪140中所需的mzi光程差，取决于是否采用通过光学时钟信号185对模数转换器280进行光学时钟控制，或者是否使用双通道采集，这两种方法如上所述。在光学时钟的情况下，mzi光程差应被配置为产生条纹180，其条纹频率至少是条纹270的最大条纹频率的两倍。这满足了奈奎斯特采样准则。然而，在双通道采集的情况下，条纹180的条纹频率可以高于条纹270的最大条纹频率。

6、图1所示的ofdr系统100可用于确定位于传感光路区段210端部的物体240的特性。它也可用于通过集成式无源传感元件（例如，沿传感光路区段210刻入光纤的光栅230）确定沿光纤路径的扰动。例如，光栅230处的应变幅度可以通过光栅栅线间距变化引起的光栅反射带变化进行检测。使用多个光栅或具有沿传感光路区段210周期变化的长光栅，可用于实现例如沿路径210的分布式应变传感。在大多数情况下，所示的光路150、160、220和300是在光纤中实现的，但它们也可以在自由空间或其他介质中实现。在本说明书中，术语ofdr被理解为包括基于光纤和自由空间的系统，包括lidar系统。

7、ofdr系统100使用外腔可调谐激光器（ectl）110作为系统100的关键部分。ectl110的特性会影响系统100的特性。基于ectl的系统100的优势包括ectl中小于100khz的窄线宽，这使得相干长度大于1km，并能在大于1km的距离上进行传感。系统100的缺点是光栅50的机械旋转将整个调谐范围内的波长（等效于频率）扫频时间限制在秒量级。系统100的另一个缺点是ectl 110中关键的腔内机械对准，以及较大的尺寸、重量和功耗（swap，size，weight，和power）要求，将系统100限制在地面或低振动环境中。

8、ectl所需的离散组装也限制了量产可扩展性，并阻碍了基于阵列的应用。由于这些原因，使用系统100的ofdr普及和采用程度有限。

9、ectl的上述局限性可能被新兴的微机电系统可调谐竖直腔面发射激光器（mems-vcsel，micro-electromechanical systems tunable vertical cavity surfaceemitting lasers）所克服。为明确起见，发明人所说的mems-vcsel是指任何具有悬挂镜和通过电驱动调谐的可调谐气隙的可调vcsel。气隙的变化会改变激光波长。首字母缩写词vcsel也被理解为涵盖竖直腔激光器，其可以是表面发射（等效于顶面发射）或底面发射。mems-vcsel是用于扫频源光学相干断层扫描的领先的广泛且快速可调谐波长扫描激光器，其频率扫动速率比ectl快许多数量级。ss-oct的工作原理与ofdr相似。mems-vcsel中短的微米尺度腔体仅在材料增益谱峰值附近产生一个纵模，有利于实现无模式跳变的连续调谐单模操作。已证明单纵模操作能在固定波长vcsel中产生几mhz的线宽和数米的相干长度。对于中心波长在1500-1600nm波长范围内的ofdr，通常所需的调谐范围为20nm至150nm。mems-vcsel也满足这一要求，例如v.jayaraman等人在《high sweep-rate 1310nm mems-vcsel with 150nm continuous tuning range》一文中已有佐证，该文献发表于《electronics letters》，2012年7月5日，第48卷第14期，第867–879页。发明人指出，ofdr可以在小于20nm的调谐范围内完成，例如使用偏置电流调谐vcsel，相关研究可参见m.kendrisic等人2024年发表的文献《exploring single-mode vcsel wavelength tuningfor low-cost 3d optical coherence tomography and oct angiography》，《biomedicaloptics express》，第15卷第8期，第4719–4736页。其小芯片尺寸和单片制造工艺使得在3英寸晶圆上单次制造运行可生产超过5000个器件。这种晶圆级制造，结合自动化晶圆级测试，与ectl器件相比大大降低了制造成本，并实现了量产可扩展性。这也使得阵列应用成为可能。此外，诸如加速度计、陀螺仪和压力传感器等mems器件在恶劣航空电子环境下的成功加固方面有着悠久的历史，这表明为恶劣或高振动环境中的ofdr加固mems-vcsel是可能的。最后，mems-vcsel的低尺寸、低重量和低功耗（swap）促进了其在机载应用中的使用。

10、然而，阻碍mems-vcsel用于ofdr的重大障碍是悬膜热噪声或布朗运动的存在，这会加宽mems-vcsel的固有线宽并降低ofdr条纹品质。对于在厘米距离尺度上，用于ss-oct的数十或数百khz扫描速率，布朗运动不会降低性能，因为激光波长扫描的速度远大于由布朗运动引起的频率扫动速率噪声。然而，布朗运动的负面影响在较慢的扫描速率（通常低于khz）下会加剧，这种速率对于在ofdr的数米传感距离上，维持低于ghz的条纹频率是必要的。低于ghz的条纹频率是可取的，以便能够使用采样率低于1ghz的更经济且广泛可用的模数转换器。由布朗运动引起的速度噪声或等效的频率扫动速率噪声最终限制了传感精度和传感距离。

11、图2有助于更详细地描述将mems-vcsel应用于ofdr所面临的挑战。图2a和图2b表征波长扫描mems-vcsel能够成功应用于特定应用的两种近似条件，而图2c则表征频率扫动速率和干涉仪延迟的不同范围，这些范围表示不同的应用。图2a表征条件1，并示出了mems-vcsel的频率扫动速率的概率密度函数（pdf，probability density function）350，通常在此以吉赫/微秒（ghz/μs）表示。为了满足条件1，mems-vcsel必须在超过pdf 350的单侧三西格玛值370的扫动速率360下运行。发明人将三西格玛值370称为3σ_v量。这种条件使得条纹速度不太可能跨越零值，否则会显著降低条纹品质。图2b表征条件2，并示出了mems-vcsel的悬挂镜位置的pdf 380，例如以nm表示。为了满足条件2，围绕膜片标称位置390的6西格玛双侧值（6σ_x）400，不得使vcsel线宽扩展到超过ofdr系统中使用的最长干涉仪的fsr，无论是图1中的mzi干涉仪140，还是图1中的传感干涉仪200。选择6σ_x值是为了近似在无限长时间内对布朗运动的积分。典型的mems-vcsel具有长时间积分的线宽，其量级为200-400mhz，如h.halbritter、c.sydlo、b.kogel、f.riemenschneider、h.l.hartnagel及p.meissner等人在《linewidth and chirp of mems-vcsels》文中所述（英文版），发表于《ieeephotonics technology letters》，2006年9–10月，第18卷第17–20期，第2180–2182页。

12、因此6σ线宽的量级为2ghz，对应于6σ_x值下膜片运动的数十皮米。在条件2下，vcsel不能与自由光谱范围（fsr）小于2ghz的干涉仪一起使用，或者就干涉仪光程延迟（path delay）而言，在光纤中不超过约100mm。条件2比条件1更为严格，如图2c所示。

13、图2c表征了mems-vcsel在各种潜在应用中的频率扫动速率和干涉仪光程延迟的不同状态。图2c的水平轴是频率扫动速率，单位为ghz/μs。该参数可用于比较在不同中心波长和不同调谐范围内运行的mems-vcsel。竖直轴是干涉仪光纤延迟，或图1中两个干涉仪中较长者的等效光纤光程差。更长的干涉仪延迟能够实现更长的传感距离。图2c中黑色水平虚线310下方的区域满足图2b所示的条件2。如果所用扫频光源的3σ_v值小于竖直虚线所表征的ghz/μs值，则图2c中各竖直虚线右侧的区域满足条件1。

14、该图右下方的方块表征了用于医学成像的ss-oct系统的大致工作范围，其延迟小于100mm且频率扫动速率大于26ghz/μs，对于典型的mems-vcsel而言，条件1和条件2在此范围内均得到满足。ss-oct系统的两组示例操作参数由图2c右下阴影区域中的两个黑点320和325表示。点320表征工作波长为1310nm、调谐范围为115nm、轴向扫描速率为100khz、占空比为80%、光纤延迟为10mm的ssoct系统。此类系统可能用于例如眼前节成像或心血管成像。点325表征工作中心波长为1050nm、调谐范围为30nm、轴向扫描速率为10khz、占空比为80%、干涉仪延迟为100mm的ssoct系统，此类系统可能用于光学生物测量系统。这些参数范围对于ss-oct领域的技术人员来说是众所周知的。

15、图2c中还示出了黑色对角虚线限制线330、335和340，它们表征了干涉仪长度与扫动速率的组合，在这些组合下，相应mzi干涉仪输出的条纹频率保持恒定。各条线330、335、340对应于沿虚线或在虚线左下方操作所需的模数转换器的不同速度。这些假设基于奈奎斯特采样，其中采样率必须至少是图1中所示条纹180或条纹270最大频率的两倍。因此，由虚线330表征的260mhz模数转换器对应于沿线330的130mhz条纹频率。类似地，由虚线335表征的1ghz模数转换器对应于500mhz的最大条纹频率，而由虚线340表征的2.6ghz模数转换器可以采样高达1.3ghz的最大条纹频率。虚线左下方的条纹频率低于沿虚线的频率。由黑点320和325表征的两个ss-oct系统产生的最大条纹频率均低于130mhz，因此可以使用260mhz模数转换器进行操作。类似地，位于2.6ghz模数转换器线340右上区域的条纹频率高于1.3ghz。

16、ofdr的近似工作范围由图表中上部的灰色椭圆形表示，这部分是由成本较低、工作频率低于1ghz的模数转换器，以及光程延迟在几米到超过100米范围内的长干涉仪所驱动。如图所示，ofdr系统通常需要约2.6ghz/μs或更低的扫动速率，以在通常超过10米光纤的干涉仪延迟下保持低于500mhz的条纹频率，从而使得速度低于1ghz的模数转换器能够进行采样。为了在2.6ghz或更低的速度使用扫频光源，其必须具有小于2.6ghz的单边3σ_v，其中σ_v是频率扫动速率噪声的标准差，如图2a所示。

17、用于ss-oct的mems-vcsel具有3σ_v速度噪声，该噪声通常远大于2.6ghz/μs，因此不满足ofdr的条件1和条件2。一些研究人员已经探索了现有mems-vcsel设计在如激光雷达等测距应用中的扫动速率噪声极限，相关研究例如参见：b.johnson等人发表的《linewidthconsiderations for mems tunable vcsel lidar》，《optics express》，2022年，第30卷第10期，第17230–17242页（下文简称johnson 2022）；以及b.johnson等人的《tunable 1060nmvcsel co-packaged with pump and soa for oct and lidar》，收录于《opticalcoherence tomography and coherence domain optical methods in biomedicinexxiii》，2019年，卷号10867。spie，第5–14页。就本公开而言，不对激光雷达等自由空间应用和光纤应变传感等基于光纤的应用进行区分。johnson 2022的图1描述了激光雷达系统，其具有10米光程自由空间延迟（相当于光纤中6.9米），使用中心波长为1050nm、调谐范围为70nm、重复频率为500hz、单向扫描且占空比为86%的mems-vcsel。正如本领域技术人员可以计算的那样，这些参数对应于11ghz/μs的频率扫动速率，如johnson 2022的图1所示。该值由图2c中的蓝色竖直虚线305表示，而6.9米等效光纤延迟沿蓝色虚线表示为蓝点307。正如稍后结合图10将要讨论的，对于130mhz的条纹频率，此11ghz/μs的扫动速率将光纤延迟限制在2.4米，这与260mhz带宽的较低成本模数转换器兼容。johnson 2022的研究需要使用更快的模数转换器以支持论文中报告的6.9米光纤延迟（相当于10米空气延迟）。迄今为止，文献中尚未报道使用mems-vcsel或任何可调谐vcsel用于ofdr时具有更慢的扫动速率。根据图2c，要使mems-vcsel适用于现有的ofdr系统，需要以2.6ghz/μs的速度运行，或者等效地，其3σ_v噪声值小于2.6ghz/μs。更慢的扫动速率能够在更长的长度下运行，或者使用更低速度的模数转换器。随着更高速的模数转换器变得更加普及，低于5ghz/μs的扫动速率也可能是有用的。此5ghz/μs由图2c中的紫红色竖直虚线312表示，并且是本公开如下所述的分界线，表征相较于johnson2022的相关技术实现了超过2倍的扫动速率改进。

18、降低基于mems-vcsel的ofdr系统所能采用的最小频率扫动速率，需要减少mems-vcsel上由布朗运动引起的速度噪声，或者采用具有足够ofdr调谐范围采用替代调谐机制的可调谐vcsel。低布朗运动可调谐vcsel将实现ectl无法达到的新系统参数和系统应用，例如对振动敏感的环境以及需要低尺寸、重量和功率的机载或星载应用。vcsel的阵列能力还表明，可以实现比外腔可调谐激光器更复杂、覆盖更大面积的光纤传感构型。

19、综上所述，显然所需的是一种采用可调谐vcsel光源的ofdr系统，其3σ_v速度噪声值小于5ghz/μs，支持低于5ghz/μs的扫动速率，并能实现基于阵列的ofdr系统、机载ofdr系统以及高振动环境中的ofdr系统。

20、相同的低速度噪声可调谐vcsel也可用于探测具有窄线宽特征的样品的光谱响应，如下文也将讨论的。

21、不应仅因背景技术部分提及或关联而假定背景技术部分提供的描述是现有技术。背景技术部分可包含描述主题技术的一个或多个方面的信息。

技术实现思路

1、本公开提供了ofdr系统以及采用低布朗运动可调谐vcsel的用于探测样品光谱响应的系统的优选实施例。优选的波长范围在1500nm至1600nm之间，与此范围内现有的低损耗光纤兼容。

2、ofdr系统的优选实施例采用具有大质量悬挂镜和电热调谐的mems-vcsel。与悬挂镜集成的电阻加热器在通过注入电流进行电驱动时，可使悬挂镜向上偏转，从而增大气隙并调谐至更长的波长。大质量降低了速度噪声，并实现低于1ghz/μs的扫动速率，并在使用1ghz模数扫动速率时，支持在大于50米的干涉仪延迟下的ofdr。该优选ofdr系统还包括：具有传感光路长度的传感路径、具有参考光路长度的参考路径、用于从沿传感光路传播并与穿过参考光纤的光发生干涉的反射中产生具有最大条纹频率的干涉条纹的光学探测器、用于将干涉条纹数字化的模数转换器，以及用于提取沿传感光路的物体或结构的特性的信号处理系统。

3、由低速度噪声mems-vcsel实现的低扫动速率还能够分辨样品的精细光谱响应特征，该类光谱特征的半高全宽在mhz甚至khz范围。

4、ofdr系统的另一个优选实施例采用fsr小于中心波长约5%的静电调谐或电热调谐vcsel。相对于ss-oct中使用的mems-vcsel，减小的fsr在保持足够调谐范围的同时降低了速度噪声。

5、基于vcsel的ofdr系统的另一个优选实施例采用腔内可调谐液晶进行波长调谐。

6、基于vcsel的ofdr系统的另一个优选实施例采用至少2个热调谐vcsel组成的阵列作为波长可调谐源。

7、可调谐垂直腔激光器的优选实施例采用热调谐腔内间隔层。