用于扫频源光学相干层析成像系统的波长可调谐垂直腔面发射激光器
阅读：1035发布：2020-06-30
专利汇可以提供用于扫频源光学相干层析成像系统的波长可调谐垂直腔面发射激光器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种使用微 机电系统 (MEMS)技术的 波长 可调谐的垂直腔面发射 激光器 (VCSEL)被设置为用于光学相干 层析成像 (OCT)的扫频源。所述波长可调谐VCSEL包括VCSEL的底部反射镜、有源区、以及通过静电偏转而可移动的MEMS可调谐上部反射镜。所述底部反射镜包括GaAs基分布的布拉格反射镜(DBR)叠层，以及所述有源区包括多个GaAs基 量子点 (QD)层的叠层，所述有源层在GaAs衬底上 外延 生长 。所述MEMS可调谐上部反射镜包括由悬挂梁 支撑 的膜部、以及包含介电DBR叠层的上部反射镜。所述MEMS可调谐量子点VCSEL能 覆盖 超过100nm的操作波长范围，优选具有250nm和1950nm之间的中心波长，并且扫描速率能从几kHz到几百kHz、以及高达几MHz。，下面是用于扫频源光学相干层析成像系统的波长可调谐垂直腔面发射激光器专利的具体信息内容。
1.一种用于扫频源光学相干层析成像的可调谐VCSEL，包括：
MEMS可调谐VCSEL，
其中所述MEMS可调谐VCSEL包括：
底部的半VCSEL部分和上部的反射镜部分，其中所述底部的半VCSEL部分包括：
在GaAs衬底上外延生长的底部的分布的布拉格反射镜，
和由多层量子点组成的有源层，所述有源层在所述底部分布的布拉格反射镜的顶部上外延生长，
并且所述上部的反射镜部分包括：
柄状衬底，
由横梁支撑的垂直可移动的膜，并且所述膜支撑柄状衬底；
设置在所述垂直可移动的膜上的上部分布的布拉格反射镜，作为光线的上部反射镜；
在所述垂直可移动的膜和所述柄状衬底之间供应电压的电极，以改变形成于所述上部分布的布拉格反射镜和所述底部分布的布拉格反射镜之间的腔体的腔体长度，其中VCSEL具有大于100nm的可调谐范围。
2.根据权利要求1所述的可调谐VCSEL，其中所述多层量子点包括InAs或InGaAs量子点，并且通过InGaAs垒层来分开。
3.根据权利要求1所述的可调谐VCSEL，其中底部分布的布拉格反射镜包括30-40对交替的GaAs和AlGaAs层。
4.根据权利要求1所述的可调谐VCSEL，其中所述多层量子点位于底部布拉格反射镜上连续生长的有源区内。
5.根据权利要求1所述的可调谐VCSEL，其中所述有源层包括多个包含不止一个尺寸的量子点的层。
6.根据权利要求1所述的可调谐VCSEL，其中所述有源层包括多个包含不止一种组分的量子点的层。
7.根据权利要求1所述的可调谐VCSEL，其中所述有源层包括多个由量子点组成的层，所述量子点具有第二量化能级。
8.根据权利要求1所述的可调谐VCSEL，其中所述有源层包括多个由InAs或InGaAs量子点组成的层。
9.根据权利要求1所述的可调谐VCSEL，其中所述有源层包括多个具有中心波长在
250nm至1950nm范围的量子点层。
10.根据权利要求1所述的可调谐VCSEL，其中所述有源层包括多个具有中心波长在
850nm至1700nm范围的量子点层。
11.根据权利要求1所述的可调谐VCSEL，其中所述有源层包括多个具有中心波长在
1100nm至1350nm范围的量子点层。
12.一种光学相干层析成像系统，包括如权利要求1所述的可调谐VCSEL。
用于扫频源光学相干层析成像系统的波长可调谐垂直腔面发
射激光器
技术领域
[0001] 本文所描述的技术一般涉及光学相干层析成像系统，更具体地涉及基于垂直腔面发射激光器器件的此类系统。
[0003] 本申请基于巴黎公约要求于2013年7月3日提交的序列号为61/842,389的美国临时申请的优先权，其以全文引用的方式并入本文。
背景技术
[0004] 光学相干层析成像(OCT)为一种用于样品(如组织、器官、活体等生物样品，或如聚合物、薄膜等工业样品)的高分辨率深度剖析的技术。OCT有两种类型，即时域OCT(TD-OCT)、以及频域OCT(FD-OCT)。在TD-OCT中，宽带光源通常为同时发射多个波长的超辐射发光二极管；通过扫描参考反射镜的位置，对样品反射光中的干涉分量频率进行分析。在FD-OCT中，更加广泛使用扫频源类型的OCT，其采用波长可调谐激光器作为宽带光源。在SS-OCT中，在任何一个时间只存在一个波长，并且激光波长扫描代替参考反射镜的机械扫描。从根本上讲，SS-OCT的信噪比好于TD-OCT的信噪比。
[0006] 已经报导具有MEMS的可调谐VCSEL，其使用两个分布的布拉格反射镜(DBR)。此类器件采用底部反射镜和MEMS可调谐上部DBR，其中，底部反射镜由底部DBR和有源层组成，底部DBR由多个AlGaInAs和InP交替层组成，有源层由InP基多量子阱(MQWs)和垒组成，底部DBR和有源层都在InP衬底上生长。该器件具有在中心波长1550nm附近55nm的调谐范围。对于多数应用来说，这个调谐范围是不够的。
[0007] 图1说明了作为本领域已知的此类具有MEMS的可调谐VCSEL。在InP衬底1上，外延生长着n掺杂的分布布拉格反射镜(DBR)2，该反射镜由超过40对的AlGaInAs 2a(与InP晶格匹配)和InP 2b交替层组成，紧接着生长n型AlGaInAs包覆层3。在包覆层3的顶部，生长有源层4，该有源层4由多个(6个)AlGaInAs量子阱(“QWs”)4a和多个(7个)AlGaInAs垒4b组成，紧接着生长p型AlGaInAs包覆层5。由于隧道结能将电子转换为空穴，因此在p型包覆层5的上方生长p++掺杂的AlGaInAs/n++掺杂的AlGaInAs隧道结层6以允许n掺杂的InP取代p型InP，紧接着生长n掺杂的InP层7和n++掺杂的GaInAs接触层8。VCSEL的p电极9形成于接触层8的顶部9，而n电极则形成于衬底1上，以完成“半VCSEL”结构。在半VCSEL结构的顶部，将独立制造的上部反射镜键合至半VCSEL结构。独立制造的上部反射镜形成于将这两层键合在一起的“柄状”Si衬底11上。SiO2层12形成为绝缘层，接着是横梁支撑层硅13。通过刻蚀作为牺牲层的SiO2层12形成薄膜14。上部介电DBR 15沉积在膜14的一侧，而抗反射(AR)涂层16则沉积在膜14的另一侧。MEMS电极17和Au凸块18形成用于供应MEMS电压，该电压能够改变接触层8和上部DBR 15之间的气隙。电压源19与MEMS电极17以及p电极9连接。因此，由电压源19感应产生的静电力能够移动膜14，从而改变形成于上部DBR反射镜和下部DBR反射镜之间的腔体长度，进而改变激光波长。连接电流源20以用于半VCSEL部分的电流注入。
[0008] 如图1中的器件细节在如下参考文献中描述：T.Yano,H.Saitou,N.Kanbara,R.Noda,S.Tezuka,N.Fujimura,M.Ooyama,T.Watanabe,T.Hirata,and Nishiyama,“Wavelength modulation over 500kHz of micromechanically tunable InP-based VCSELs with Si-MEMS technology”,IEEE J.,Selected Topics in Quantum Electronics,vol.15,pp.528-534,May/June 2009。该参考文献内容通过引用并入本文。在现有技术中使用的、具有固定激光波长1310nm和1550nm的VCSEL，在如下参考文献中描述：N.Nishiyama,C.Caneau,B.Hall,G.Guryanov,M.H.Hu,X.S.Liu,M.-J.Li,R.Bhat,and C.E.Zah“, Long-wavelength vertical-cavity surface-emitting lasers on InP with lattice matched AlGaInAs-InP DBR grown by MOCVD”,IEEE J.,Selected Topics in Quantum Electronics,vol.11,pp.990-998,Sept./Oct.2005。该参考文献内容通过引用并入本文。
[0009] 在图1的现有技术的结构中，已经被证明在中心波长1550附近具有55nm的调谐范围。调谐范围的最大值受限于底部DBR的反射率带宽，该反射率带宽由高折射率材料和低折射率材料的比值所确定。对于1310nm和1550nm的中心波长，由AlGaInAs(高折射率材料)和InP(低折射率材料)交替层组成的DBR的反射率带宽分别约为50nm和70nm。但是，SS-OCT要求超过100nm的调谐范围。因此，对于OCT应用来说，采用由AlGaInAs、InP以及包括量子阱的有源层组成的DBR的VCSEL并不适合。
[0010] 为了克服此调谐范围限制，人们提出了具有MEMS的可调谐VCSEL，其采用由DBR组成的底部反射镜，该DBR由AlGaAs(高折射率材料)和AlxOy(低折射率材料)交替层组成，具有在中心波长1300nm附近超过200nm的反射率带宽。通过光泵浦，这种类型的可调谐VCSEL已经实现了超过100nm的调谐范围。这些细节在以下参考文献中描述：V.Jayaraman,J.Jiang,H.Li,P.J.S.Heim,G.D.Cole,B.Potsaid,J.G.Fujimoto,and A.Cable,“OCT imaging up to 760kHz axial scan rate using single-mode 1310nm MEMS-tunable VCSEL with>100nm tuning range”,CLEO:2011–Laser Science to Photonic Applications,PDPB2,2011。该参考文献的内容通过引用并入本文。在这种方法中，有源区包括在InP衬底上生长的InP基多量子阱(MQWs)。在GaAs衬底上外延生长底部DBR。因此，有源区中的材料以及DBR部分不能在单一类型的衬底上生长。必须将这两种晶圆一起键合，然后为了形成半VCSEL部分，需要移除InP衬底。GaAs和InP晶圆的键合以及InP晶圆的移除需要非常复杂的工艺并且引入潜在的可靠性问题。
[0011] 人们已经研究了量子点(QD)激光器以便取代传统的量子阱激光器。由于三维量子尺寸效应，量子点激光器具有独特的特性，如超低的阈值电流和低温敏感性。通过在大GaAs衬底上InAs量子点的自组装生长技术，已使量子点技术取得显著进展。通过使用量子点替代有源层的量子阱，已经完成了将量子点应用到传统的边缘发射激光器(与VCSEL系统相反的)。最近报导了1.3μm的量子点分布式反馈(DFB)激光器的高性能。这些激光器通过分子束外延(MBE)，在p型GaAs衬底上制作8个高密度量子点层与p掺杂的GaAs层的叠层。已测量该器件的增益谱：获得在1280nm附近高达42cm–1的最大净模增益，以及3db增益带宽为约65nm。这些细节在以下参考文献中描述：K.Takada,Y.Tanaka,T.Matsumoto,M.Ekawa,H.Z.Song,Y.Nakata,M.Yamaguchi,K.Nishi,T.Yamamoto,M.Sugawara,and Y.Arakawa“, 10.3Gb/s operation over a wide temperature range in 1.3μm quantum-dot DFB lasers with high modal gain”,Optical Fiber Communication Conference\National Fiber Optic Engineers Conference,(2010),Technical Digest。该参考文献的内容通过引用并入本文。
[0012] 最近还报导了用于固定波长应用包括量子点的1.3μm的VCSEL：在GaAs衬底上，通过MBE生长由33.5对n+掺杂的AlGaAs层和n+掺杂的GaAs层组成的底部DBR、由InAs/InGaAs量子点组成的未掺杂有源区、p掺杂的AlGaAs氧化层、以及由22对p+掺杂的AlGaAs层和p+掺杂的GaAs层组成的上部DBR。室温下的激光波长在1279nm附近。还报导了小线宽增强因子0.48，其能提供对于OCT应用来说至关重要的窄线宽。这些细节在如下参考文献中描述：P.-C.Peng,G.Lin,H.-C.Kuo,C.E.Yeh,J.-N.Liu,C.-T.Lin,J.Chen,S.Chi,J.Y.Chi,S.-C.Wang“, Dynamic characteristics and linewidth enhancement factor of quantum-dot vertical-cavity surface-emitting lasers”,IEEE J.Selected Topics in Quantum Electronics,vol.15,pp.844-849,May/June 2009。该参考文献的内容通过引用并入本文。
[0014] 在整个申请的说明书和权利要求书中，词语“包括(comprise)”及其变形，例如“包括(comprising)”和“包括(comprises)”并不意图排除其它添加物、组分、整体或步骤。发明内容
[0015] 本发明包括微机电系统(MEMS)可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)，该VCSEL包括一层或多层量子点。
[0016] 本发明包括新颖的MEMS可调谐的基于量子点的VCSEL扫频源设计，所述设计具有窄动态线宽以及宽调谐范围，这对于具有较高轴向分辨率的较深层析成像来说是必要的。本发明提供的MEMS可调谐量子点VCSEL解决至少两个现有技术中存在的问题：(1)InP基DBR不足的DBR反射率带宽，以及(2)对于两种不同类型晶圆所需的复杂的晶圆键合，(例如在InP基有源区晶圆和GaAs基DBR晶圆中)。在本发明中，具有高反射带宽的GaAs基DBR以及光学增益峰值波长的有源区(包括以1300nm附近为中心的示例性实施例)能够在GaAs衬底上外延生长，连续而无需晶圆键合。
[0017] 所述MEMS可调谐VCSEL包括垂直可移动的上部反射镜部分和底部的半VCSEL部分。上部反射镜部分包括：由悬挂梁支撑的膜部、以及设置在膜上用于反射光线的上部DBR。底部的半VCSEL部分包括底部GaAs基DBR、由在底部DBR的顶部上外延生长的量子点组成的有源区，并且在通过一间隙面向顶部反射镜部分的顶部DBR层的位置形成。在上部DBR和底部DBR之间所形成的腔体的腔体长度能够通过改变间隙距离而被改变，而该间隙距离的改变则通过施加静电力至该膜来实现。因此，能够高速连续地改变激光波长。由于VCSEL以单一模式振荡，使得样品检测灵敏度高，使SS-OCT系统中的内部可检测的深度达到50nm深。
附图说明
附图说明
[0018] 图1为现有技术的MEMS可调谐VCSEL的示意图；
[0019] 图2为根据本发明的一个示例性实施例的MEMS可调谐量子点VCSEL的示意图；
[0020] 图3为根据本发明的第二示例性实施例的MEMS可调谐量子点VCSEL的示意图；
[0021] 图4a为根据本发明的实施例的MEMS可调谐VCSEL上部反射镜部分的顶部视图；
[0022] 图4b为在图4a的实施例中，上部反射镜部分沿线A-A的截面图；
[0023] 图5为基于本发明的MEMS可调谐量子点VCSEL的扫频源光学相干层析成像系统(SS-OCT)的示意图；
[0024] 图6a为基于光纤的MEMS可调谐量子点VCSEL扫频源的示意图；以及
[0025] 图6b为基于自由空间的MEMS可调谐量子点VCSEL扫频源的示意图。
[0026] 不同附图中的相同引用符号表示相同的要素。
具体实施方式
[0027] 通过在图2和图3中所示的两个实施例来分别举例说明本发明的技术。图2和图3中的实施例各自包括一对DBR，其中一个DBR在下半部的VCSEL内，一个在上部的MEMS内。这两个实施例的不同之处在于每个器件上半部(MEMS)的结构。两个上部具有相同的整体功能，都包括膜、气隙以及上部(介电)DBR。通过组合两个DBR以及他们之间的气隙来产生激光频率。
[0028] 图2显示了本发明的MEMS可调谐量子点VCSEL的示例性实施例的示意图。在GaAs衬底321上，外延生长n掺杂DBR 322，该DBR 322由30至40对GaAs 322a、以及和GaAs晶格匹配的AlGaAs 322b交替层组成，紧接着生长n掺杂GaAs包覆层323。然后，生长有源层324，该有源层324由多层InAs量子点(QD’s)324a(例如，横向尺寸约20nm，高度约5nm)与InGaAs垒层324b交替的叠层组成，紧接着生长p掺杂InGaAs包覆层325。也可以是其它尺寸的量子点，例如尺寸可以是10nm或高达30nm，但是具有5至8nm的平均直径。每一层324a的点密度通常在
1010–1011点/cm2范围。由于每一层通常仅支持单层的点，所以点密度表示为“表面积密度”。
有源区中的每个叠层通常有8至20层，其中每一层至多约40nm厚，优选10至30nm厚。其它层数也与本申请中的器件一致。尽管量子点可由InGaAs制成，但优选由InAs制成，与整体技术的操作一致。因此，当与先前技术中使用的量子阱相比时，量子点提供不同的有源层性质和功能。有源层中的量子点可由不同尺寸、以及不同组分的点组成。在一些实施例中，量子点具有第二量化能级(这是有益的，因为其将可用的波谱扩宽至更短的波长)。
1010–1011点/cm2范围。由于每一层通常仅支持单层的点，所以点密度表示为“表面积密度”。
有源区中的每个叠层通常有8至20层，其中每一层至多约40nm厚，优选10至30nm厚。其它层数也与本申请中的器件一致。尽管量子点可由InGaAs制成，但优选由InAs制成，与整体技术的操作一致。因此，当与先前技术中使用的量子阱相比时，量子点提供不同的有源层性质和功能。有源层中的量子点可由不同尺寸、以及不同组分的点组成。在一些实施例中，量子点具有第二量化能级(这是有益的，因为其将可用的波谱扩宽至更短的波长)。
[0029] 在包覆层325上面，生长AlGaAs氧化层326以及进一步的p掺杂AlGaAs包覆层325a。氧化层326除中心区域以外都被部分氧化，该中心区域称为孔326a，其具有3至8μm的直径，并且向其中注入的电流(从325a至325的中心区域)被限制在该区域内(326由于氧化而抑制电流流动)。在包覆层325a的顶部，生长p掺杂GaAs接触层327。VCSEL的p电极328和n电极329(通常分别由Ti、Pt或Au和Cr、Ni或Au制成)分别形成于接触层327的顶部和衬底321的底部，以完成半VCSEL结构。
[0030] 当在GaAs接触层327上沉积抗反射(AR)涂层51后，通过沉积隔离层52形成上半部MEMS，该隔离层由例如无定形的Ge组成，紧接着沉积框架结构53，该框架结构53例如由氮化硅(SiNx)组成。通过刻蚀隔离层52来形成膜54。在图2中，项53和54分别对应图4a中的框架结构332和膜333。上部介电DBR 55由沉积在膜54一侧上的交替层组成，该交替层例如是TiO2和SiO2、或Al2O3和a-Si(非晶硅)。MEMS电极56形成于框架结构53上。电压源57连接在电极56和p金属(通常是Ti、Pt或Au)电极328之间，以供应MEMS电压。因此，能够通过有电压源57感应所产生的静电力使膜54垂直地弯曲。此弯曲能改变形成于上部DBR 55和底部DBR 322之间的腔体长度，进而改变激光波长。可以理解的是，根据本领域技术人员所能理解的意见，对于，在指定特定材料被用于图2中结构的各种层和部分的地方，具有等同功能和属性的其它材料能被用于它们的位置。
[0031] 图3显示了本发明的MEMS可调谐量子点VCSEL的另一示例性实施例的示意图。在GaAs衬底321上外延生长n掺杂DBR 322，该DBR 322由30至40对GaAs 322a、以及与GaAs晶格匹配的AlGaAs 322b交替层组成，紧接着生长n掺杂GaAs包覆层323。然后，生长有源层324，该有源层324由多层InAs量子点(QD’s)324a与InGaAs垒层324b交替的叠层组成，紧接着生长p掺杂InGaAs包覆层325。在包覆层325上面，生长AlGaAs氧化层326以及p掺杂AlGaAs层325a。氧化层326除了中心区域以外被部分氧化，该中心区域称为孔326a，其具有3至8μm的直径，并且向其中注入的电流(从325a至325的中心区域)被限制在该区域内。氧化层326因为自身是不良导体而抑制电流流动。在包覆层325a的顶部，生长p掺杂接触层327，然后在GaAs接触层327上沉积抗反射涂层327。
[0032] VCSEL的p电极328和n电极329分别形成于接触层327的顶部和衬底321的底部，以完成半VCSEL结构。到目前为止所描述的，图3中的结构与图2中的结构相同。在图3的实施例中，在半VCSEL结构的顶部，使用如热压缩等方法对单独制造的顶部反射镜进行键合。因此，使得图3的实施例不同于图2的实施例：在图2中，该器件能从底部一直制造到最顶层(即基于单一衬底)。相比之下，图3中的器件则分成两段制作。下半部分VCSEL在衬底上逐层地沉积，而上部MEMS则单独制作，然后连接至下半部分。
[0033] 图4a所示为根据图3的实施例的VCSEL垂直可移动的上部反射镜部分的顶视图。图4b所示为沿着图4a的线A-A的截面图。图4b中所示的部分对应图3中器件的上部；为了说明其制作的方法(通过将各层沉积至衬底330上，而衬底330则成为器件的顶部)，其显示相对图3倒置的。可移动的上部反射镜部分形成于柄状硅衬底330上，如下所述。MEMS部分相对于半VCSEL部分独立制作，并且通过Au凸块338键合至半VCSEL部分。因此，硅衬底330的功能类似于一种使两部分彼此键合的手柄。SiO2层331形成为绝缘层，接着形成一框架结构332。通过四根悬挂梁334(图4a)的支撑，来形成圆形膜333，通过刻蚀作为牺牲层的SiO2层331来形成四根悬挂梁334。上部介电DBR 335由沉积在膜333一侧上的交替层组成，该交替层例如是TiO2和SiO2、或Al2O3和a-Si。如图3中所示，MEMS电极337形成于衬底330上，金(Au)凸块形成于膜333上。通常，在上部的MEMS内，层331、332、333以及338依次形成于Si衬底330上。
[0034] 上部的反射镜部分(如在图4a中所示)通过Au凸块338被键合至p电极328(使用如热压缩等方法)。电压源339连接在MEMS电极337和p金属(通常是Ti、Pt或Au)电极328之间，以供应MEMS电压。因此，能够通过由电压源339感应所产生的静电力使膜333垂直地弯曲。此弯曲能改变形成于上部DBR 335和底部DBR 322之间的腔体长度，从而改变激光波长。连接电流源340以提供电流注入至有源区324。可以理解的是，根据本领域技术人员所能理解的意见，对于图3、图4a以及图4b中的结构，在指定特定材料用于图3、图4a以及图4b中的结构的各种层和部分的地方，具有等同功能和属性的其它材料能被用于它们的位置。
[0035] 图5所示为基于MEMS可调谐量子点VCSEL扫频源的扫频源光学相干层析成像系统(SS-COT)的示意图，该扫频源使用如图2和3、4a和4b中所示的MEMS可调谐量子点VCSEL。在此实施例中，MEMS可调谐量子点VCSEL扫频源100具有光输出209，该光输出209通过光纤光耦合器101然后被分成两部分。波输出的一个分路直接通过环形器102到达样品臂103。光纤光耦合器101输出的另一分路直接通过环形器104到达参考臂105。通过光纤光耦合器106使来自样品臂103和参考臂105的反射波重组，通过平衡探测器107探测该重组波以提供干涉信号112。波长监控/k时钟输出210通过光纤光耦合器108被分成两部分，并且通过光纤光耦合器109来重组，通过平衡器110探测该重组波以提供k时钟信号111。使用数据采集卡(DAQ)113来收集干涉信号112和k时钟信号111，以及通过处理和显示模块114显示重构的深度剖面。如耦合器、平衡探测器、以及环形器等元件通常是现成的元件，对这些现成元件做些小的改动就能与本发明所描述的技术一起运用。
[0036] 关于图5中所示的MEMS可调谐量子点VCSEL扫频源100，有两个示例性实施例(基于光纤的和基于自由空间的)。图6a所示为示例性的基于光纤的MEMS可调谐量子点VCSEL扫频源(100a)的示意图。此实施例包括量子点可调谐VCSEL 201(如在图2、或图3、4a以及4b中所示)、隔离器202、光纤光耦合器203、半导体光放大器(SOA)206、隔离器207以及光纤光耦合器208。光输出209a以及用于波长监控/k时钟另一输出210a来自光纤光耦合器208。可以增加耦合器203的附加输出以用于后放大波长监控205，并且偏振控制204能用于将通过SOA 206放大后的功率最大化。项202、203、206、207、208、209a以及210都是现成的，无需多少改动就能使用。
[0037] 图6b所示为本发明示例性的基于自由空间的MEMS可调谐量子点VCSEL扫频源(100b)的示意图，该扫频源产生光输出209b。此实施例包括MEMS可调谐量子点VCSEL 201(如图2、或图3、4a以及4b所示)、隔离器211、SOA 212、隔离器213、以及分束器214。在此实施例中，两个输出，即光输出215b和用于波长监控/k时钟的光输出210b通过分束器214创建。项211、212、213、214、215b、以及210b都是现成的，无需多少改动就能使用。
[0038] 可调谐波长范围
[0039] 如在本文中所述的以及在图2和图3中举例说明的量子点有源区和MEMS可调谐DBR的组合，在先前还没有报导过。通过这种组合，扫频源的可调谐波长范围优选大于100nm。通常，单一扫频源的可调谐波长范围为从100至200nm，即可能高达110nm、高达120nm、高达150nm、高达180nm。通过改变例如量子点的组分、或使用不同组分的量子点的组合，来实现可调谐波长范围的变化。可调谐范围通常集中在三个或四个不同的带中的一个，包括但不限于中心波长从250至1950nm，例如在：850nm；1050nm(有时笼统地称为“1微米”)；1300nm；
1500nm；以及1700nm。不同中心波长的相关应用取决于通过器件产生的激光光线所分析的组织或其它材料。如下文说解释的，本发明能够实现上述的调谐范围。
1500nm；以及1700nm。不同中心波长的相关应用取决于通过器件产生的激光光线所分析的组织或其它材料。如下文说解释的，本发明能够实现上述的调谐范围。
[0040] QD(量子点)的光增益峰值波长由量子的尺寸和形状及其组分、以及QD周围的垒所确定。虽然真实QD的形状并非长方体，但是对于以沿着x方向、y方向以及z方向的尺寸分别为a×b×c形成的QD，能够如下相对直接地计算其增益峰值波长：对应于在具有相同量化数量的导带和价带的量化能级之间跃迁的发光波长通过方程(1)给出：
[0041]
[0042] 其中 和 分别是在QD的导带和价带中的量化能级。由于势垒相关的扩宽效应，增益峰值波长比通过方程(1)给出的发光波长略短。如果对于QD，为了简单起见假定了无限的势垒，则 以及 能被解析地表示为:
[0043]
[0044]
[0045] 其中Ec0为导带边缘能量，Ev0为价带边缘能量， 以及 分别为电子和空穴的有效质量， 为“h拔”(普朗克常数h除以2π)。整数l、m以及n为表示量化能级符号的量子数。最低能级对应l＝m＝n＝1(或l’＝m’＝n’＝1)。增益峰值出现在量化能级附近。因此，增益峰值波长由点的尺寸、和尺寸a、b以及c所确定。在这种方法中，通过改变QD的尺寸能够改变增益峰值波长。较大尺寸的QD具有第二量化能级(l、m、或n(或l’、m’、n’)中任一个大于1)，其中较高能级具有在较短波长一侧的增益峰值。这两个增益峰值构成宽的增益谱。
[0046] QD增益谱的细节在参考文献(S.L.Chuang,Physics of Photonic Devices,John Wiley&Sons 2009,pp.376–381，其内容通过引用并入本文)中描述。正如在方程(1)和(2)中所示，该能级还由载流子的有效质量 和 以及能带边缘能量Ec0和Ev0所确定，能带边缘能量与QD的组分及其各自的垒有关。通过改变晶体生长条件和组分选择，能对每一QD层中的QD的尺寸和形状进行调整：因此，增益峰值波长能具有产生较宽增益谱的分布。65nm的增益带宽已经被发表在以下刊物中：Takada,et al.,“10.3Gb/s operation over a wide temperature range in 1.3μm quantum-dot DFB lasers with high modal gain”,Optical Fiber Communication Conference\National Fiber Optic Engineers Conference,Technical Digest(2010)，该参考文献的内容通过引用并入本文。
[0047] 换句话说，通过对QD和量子阱(QW)进行组合，能进一步扩宽QD的增益带宽：选择量子阱的量化能级高于QD的第二量化能级，以设置另一增益峰值来扩宽增益带宽。通过使用这种方法，已经实现超过200nm的整体增益带宽。在此工作中，通过单独使用QD，已示出具有160nm的增益带宽。这些细节在参考文献(S.Chen,K.Zhou,Z.Zhang,J.R.Orchard,D.T.D.Childs,M.Hugues,O.Wada,and R.A.Hogg,“Hybrid quantum well/quantum dot structure for broad spectral bandwidth emitters”,IEEE J.Selected Topics of Quantum Electron.,vol.19,No.4,July/Aug.2013，其内容通过引用并入本文中)中描述。
但是在此以及前一段所引用的两个参考文献中描述的结构并不足以实现宽可调谐激光器或扫频源的激光波长调谐。
但是在此以及前一段所引用的两个参考文献中描述的结构并不足以实现宽可调谐激光器或扫频源的激光波长调谐。
[0048] 如上文所解释的，本发明提供MEMS可调谐量子点VCSEL(使用发射中心波长在1300nm附近的示例性实施例)。本发明解决了至少两个现有技术中的问题。第一，通过使用具有更宽反射率带宽的GaAs基DBR，解决了现有技术中InP基DBR的DBR反射率带宽不足的问题。第二，通过使用在GaAs基DBR(其在GaAs衬底上生长)顶部上连续生长的量子点有源区，避免了现有技术中为了将InP基有源区晶圆与GaAs基DBR晶圆键合所需的复杂晶圆键合工艺问题。
[0049] 本文引用的所有参考文献通过全文引用方式并入本文。
[0050] 以上描述旨在举例说明本技术的多个方面。而不旨在以本文记载的实施例来限制所附的权利要求。本发明现已完整公开了，本领域技术人员应当明白，在没有背离所附权利要求的精神或范围下，可以做出多种改变和修改。
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