JP2012222164A

JP2012222164A - 波長可変レーザ及びこれを備える光干渉断層計。

Info

Publication number: JP2012222164A
Application number: JP2011086808A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Hanebuchi; 昌明羽根渕
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2012-11-12

Abstract

【課題】光ファイバーを多く用いることなく、高い出力の波長可変光を高速で出力する。
【解決手段】ある波長を持つ波を増幅させるための光増幅器と、
前記波が往復時間Ｔ₁で伝搬する第１共振器と、
前記第１共振器の一部と光路を共用する共用光路と、第１共振器の光路から外れた迂回路とを有し、前記波が往復時間Ｔ₂で伝搬する第２共振器と、
第１共振器の中で、かつ、第２共振器の一端に配置され、周期時間ｔにて透過波長を可変させる波長可変光学フィルタであって、周期時間ｔと往復時間Ｔ₁，Ｔ₂は、
ｔ=（２ｎ＋１）Ｔ₁＝（ｎ＋１／２）Ｔ₂(ｎ:自然数)にて規定され、
第１共振器の中で、かつ、前記共用光路と迂回路との間に配置され、前記第１共振器と前記第２共振器との間で光路を切換える光スイッチと、
を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、出射する波長を時間的に変化させる波長可変レーザに関する。

波長可変光源として、ＦＤＭＬレーザ（Fourie domain mode-locking laser）、ｓｈＦＤＭＬレーザ（sub harmonic Fourie domain mode-locking laser）が知られている。本光源は、高速で出射波長を変化させる光源として、例えば、ＯＣＴ（光干渉断層計）の光源に用いられる。波長の可変速度について、例えば、これらのレーザは、１００ＫＨｚ以上の周波数で波長を同調できる。

第１の方式としてのＦＤＭＬレーザは、サーキットの周期とフィルタの同調周期を整数倍とする構成である（特許文献１参照）。

第２の方式としてのshＦＤＭＬレーザは、サーキットの周期とフィルタの同調周期を分数倍とする構成である（特許文献２参照）。

米国登録特許７４１４７７９号明細書国際公開第２００６／０７９０７８号パンフレット

しかしながら、第１の方式については、大量の光ファイバーを必要とする。

第２の方式については、第１共振器と第２共振器との間に波長フィルタが配置されており、微小距離を持つ第１共振器を光が伝搬する間に、伝搬光の波長とフィルタの選択波長との間にずれが生じる（propagation time effect）。したがって、増幅倍率の確保が困難であった。また、半導体光増幅器（Semiconductor optical amplifier :SOA）で発生した自然放出光が波長フィルタで反射され、光増幅器によって増幅されてしまう。このため、本来増幅すべき波長光を増幅させるためのエネルギーが奪われ、波長光の出力が低下してしまう。

本発明は、上記問題点を鑑み、光ファイバーを多く用いることなく、高い出力の波長可変光を高速で出力できる波長可変レーザを提供することを技術課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。

（１）
ある波長を持つ波を増幅させるための光増幅器と、
前記波が往復時間Ｔ₁で伝搬する第１共振器と、
前記第１共振器の一部と光路を共用する共用光路と、第１共振器の光路から外れた迂回路とを有し、前記波が往復時間Ｔ₂で伝搬する第２共振器と、
第１共振器の中で、かつ、第２共振器の一端に配置され、周期時間ｔにて透過波長を可変させる波長可変光学フィルタであって、周期時間ｔと往復時間Ｔ₁，Ｔ₂は、
ｔ=（２ｎ＋１）Ｔ₁＝（ｎ＋１／２）Ｔ₂(ｎ:自然数)にて規定され、
第１共振器の中で、かつ、前記共用光路と迂回路との間に配置され、前記第１共振器と前記第２共振器との間で光路を切換える光スイッチと、
を備えることを特徴とする。
（２）前記第１共振器は、前記第２共振器と同じ光路長に設定されている（１）の波長可変レーザ。
（３）前記光増幅器は、前記第１共振器中に配置されている（１）〜（２）のいずれかの波長可変レーザ。
（４）前記迂回路は、第２共振器の他端に配置された光反射器を備える（１）〜（３）のいずれかのの波長可変レーザ。
（５）（１）〜（４）のいずれかの波長可変レーザを光源として備える光干渉断層計。

本発明によれば、光ファイバーを多く用いることなく、高い出力の波長可変光を高速で出力できる。

本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は第１の実施形態に係る波長可変レーザの基本的構成を概略的に示す図である。

波長可変レーザ１は、光増幅器１０、第１共振器１３、アイソレータ１５、１７、波長可変光学フィルタ１９、カップラ２１、光スイッチ２３、光迂回系２５、を備えている。なお、波長可変レーザ１は、ＯＣＴ（Optical coherence tomography :OCT）、分光器、の光源として用いられる。

光増幅器（光ゲイン媒体）１０は、ある波長を持つ波を増幅させるために設けられている。これにより、発振波長の光が増幅される。光増幅器１０は、第１共振器１３の中に配置される。例えば、光増幅器１０としては、半導体光増幅器（Semiconductor optical amplifier :SOA）、ＥＤＦＡ（Erbium-doped fiber amplifier）などが用いられる。光増幅器１０は、広帯域の自然放出光を出力するように両端面がカットされ、その両端にＡＲ（反射防止）コートが施されたチップ状の構成を有する。

第１共振器１３は、例えば、光帰還系からなる。そして、第１共振器１３は、光増幅器１０の一端面と他端面とを連絡する。そして、第１共振器１３は、一端面から発せられた光を他端面から該素子に帰還させる。

概して、第１共振器１３は、リング状の光ファイバーによって形成され、光増幅器１０に結合される。第１共振器１３は、第１光路１３ａ及び第２光路１３ｂを有し、これらの光路は、光学フィルタ１９及び光スイッチ２３によって規定される。第１光路１３ａは、光学フィルタ１９から光スイッチ２３までの時計回りの光路に対応する。第２光路１３ｂは、光スイッチ２３から光学フィルタ１９までの時計周りの光路に対応する。

概して、光増幅器１０は、第１共振器１３内（例えば、第１光路１３ａ）に配置されるが、これに限定されない。例えば、光迂回系２５に光増幅器１０が配置される。この場合、光迂回系２５が透過型であるのが好ましい。また、第１共振器１３としては、リング状光帰還系に限定されず、ファブリーペロー型共振器からなる往復光帰還系が用いられる構成であってもよい。また、ファイバー光学系に限定されず、バルク光学系であってもよい。

アイソレータ１５、１７は、光の振動方向である偏光を利用し、一方向からの光のみを透過する。アイソレータ１５、１７は、光増幅器１０の前方側、後方側に配置される。アイソレータ１５、１７は、光の進行方向を一方向に制限することによって、不要な干渉をなくして光の発振を安定させるために用いられる。図１の光源では、第１共振器１３内の光の進行方向が時計回りに制限されているが、これに限定されず、進行方向が反時計回りに制限された構成であってもよい。

波長可変光学フィルタ１９は、透過する光の波長を時間的に変化させる。光学フィルタ１９は、例えば、連続的又は所定の間隔にて波長を変化させる。概して、光学フィルタ１９の波長掃引は、周期時間ｔで周期的に繰り返され、掃引スピード又は掃引レートを決定する。波長掃引の波形は、例えば、線形もしくは非線形の鋸歯、又は三角波、正弦波、他の周期的波形に設定される。そして、光学フィルタ１９の透過光の少なくとも一部がレーザ１の出力光として用いられる（例えば、波形における上昇部分）。

光学フィルタ１９としては、例えば、ファブリー・ペロー・エタロン、可変ファブリーペローフィルタ、音響光学可変フィルタ、誘電体バンドパスフィルタ、可変ファイバーブラッググレーティング、薄膜フィルタ、メカニカル駆動グレーティング／プリズムアセンブリ、等が用いられる。

一実施形態として用いられるファブリー・ペロー・エタロンは、ピエゾ素子又はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の駆動によりエアギャップ間隔を変えることにより、透過する光の波長を可変させる。

光迂回系２５は、光学フィルタ１９からの透過光の迂回路として用いられる。光迂回系２５は、光学フィルタ１９に対する光遅延路（光ディレイライン）として用いられる。光迂回系２５は、例えば、光ファイバー２６と、光反射器としてのミラー２７と、を有する。なお、光迂回系２５は、ミラー２７のような反射型に限定されず、透過型の構成であってもよい。

概して、第１光路１３ａと光迂回系２５は、第２共振器２９を形成する。第２共振器２９は、第１共振器１３の一部と光路を共用する共用光路（第１光路１３ａ）と、第１共振器１３の光路から外れた迂回路（光迂回系２５）とを有する。光学フィルタ１９は、第１共振器１３の中で、かつ、第２共振器２９の一端に配置される。また、ミラー２７は、第２共振器２９の他端に配置される。

第２共振器内の光は、光学フィルタ１９を用いて往復（循環）される。例えば、光は、光学フィルタ１９とミラー２７での間を複数回移動する。光学フィルタ１９は、透過波長との違いを利用して，第１光路１３ａからの光（反時計方向からの光）を透過せず、反射する。

概して、光スイッチ２３は、第１共振器１３の中で、かつ、共用光路（第１光路１３ａ）と迂回路（光迂回系２５）との間に配置され、第１共振器１３と第２共振器２９との間で光路を切換える。例えば、光スイッチ２３は、光学フィルタ１９の透過光の進行方向を、光学フィルタ１９側の光路（第２光路１３ｂ）又は光迂回系２５側の光路のいずれかに選択的に切換える。一般的には、光スイッチ２３は、入力された光を分割し、分割された光路のいずれかに光を出力する。

光学フィルタ１９側の光路が選択された場合、光学フィルタ１９からの透過光は、光スイッチ２３を通過した後、光学フィルタ１９側の光路に時計方向に向かう。一方、光迂回系２５側の光路が選択された場合、光学フィルタ１９からの透過光は、光スイッチ２３を通過した後、光迂回系２５側の光路に時計方向に向かう。透過光は、光ファイバー２６を進み、ミラー２７によって反射され、光ファイバー２６を逆行する。このようにして光迂回系２５を通過した光は、光スイッチ２３を通過した後、第１光路１３ａを光学フィルタ１９に向けて逆行（反時計方向）する。

光スイッチ２３としては、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スイッチ、メカニカルスイッチ、光導波路式光スイッチ、等が用いられる。一実施形態として用いられるファイバー光学系光スイッチは、光スイッチに対する印加電圧を調整することにより光路を切換える。

概して、光スイッチ２３は、使用する共振器を第１共振器１３と第２共振器２９との間で切り換える。光学フィルタ１９を時計方向に透過した光は、第２共振器２９内を往復した後、第１共振器１３を時計方向に往復する。

例えば、第１共振器１３では、往復時間（周回時間：round trip time）Ｔ₁にて光が伝搬するように構成され、第２共振器では、往復時間（周回時間）Ｔ₂にて光が伝搬するように構成されている。そして、光学フィルタ１９は、周期時間（periodic time）ｔにて透過波長を可変させる。この場合、周期時間ｔと往復時間Ｔ₁，Ｔ₂は、ｔ=（２ｎ＋１）Ｔ₁＝（ｎ＋１／２）Ｔ₂(ｎ:自然数)にて規定される。より好ましくは、第１共振器１３は、第２共振器２９と同じ光路長に設定されている。

カップラ２１は、光を二方向に分割するための光学素子であり、共振器内で発振された光の一部を出力として取り出すために用いられる。カップラ２１は、第１共振器１３、第２共振器２９の、の少なくともいずれかに設けられる。カップラ２１は、例えば、図１のように第１光路１３ａ（図１参照）に接続される。カップラ２１は、例えば、第２光路１３ｂのいずれかの光ファイバーに接続される（図２参照）。

そして、カップラ２１の出力は、例えば、波長可変レーザ１の出力としてＳＳ−ＯＣＴ（swept source OCT）の波長可変レーザとして用いられる（図５参照）。この場合、レーザ１から出射された光は、試料光と参照光とに分割され、試料光が試料（例えば、眼）に導光される。そして、試料光は、光スキャナによって試料上で走査される。そして、試料によって反射された試料光と参照光とが合成され、合成された光の干渉状態が受光素子によって検出される。そして、検出された干渉状態が解析され、試料の断層情報が得られる。

図３は、光学フィルタ１９としてファブリーペロー可変フィルタを用いた場合の駆動制御について説明する図である。所定の自由スペクトル範囲（Free spectral range）は、光学フィルタ１９に所定の電圧が印加されることによって確保される。

図３（ａ）では、自由スペクトル範囲での掃引時間は、ｔ／２である。図３（ｂ）では、光学フィルタ１９の駆動電圧が調整され、自由スペクトル範囲での掃引時間が短縮される（例えば、自由スペクトル範囲（λmin〜λmax）での掃引時間がｔ／４．３に設定される）。正弦波波長変化の上昇部分における一部が出力波として利用される（太線部分参照）。なお、光学フィルタ１９の駆動電圧が変化されても、繰り返し周期ｔは一定である。

図４は、光スイッチ２３、光増幅器１０、光学フィルタ１９の動作の一例について説明するためのタイミングチャートである。

光学フィルタ１９は、波長掃引の間、周期ｔ（例えば、Ｔ＝８．３３μｓ）で繰り返し同調される。光学フィルタ１９の透過波長は、正弦波として周期的に変化する。そして、正弦波の波長変化における上昇部分（エッジ）の間での透過光（太線参照）が、レーザ１の出力光として用いられる。そして、レーザの増幅は、正弦波波長掃引の上昇部分（エッジ）の間、光出力が取得されるように調整される。

光スイッチ２３は、光学フィルタ１９の周期ｔと同期して駆動され、２つの光路を交互に切換える。例えば、光スイッチ２３は、波長掃引の間、ｔ／２の周期にて繰り返し光路を切換える。

光スイッチ２３は、出力光に対する光学フィルタ１９のフィルタリングに合わせて、光路を第２光路１３ｂ（光増幅器１０側）に切り換える。一般的には、時計方向に関する光スイッチ２３から光学フィルタ１９までの距離は微小であるから、入力光は、実質的な時間遅延無く、光増幅器１０によって増幅され光学フィルタ１９に達する。

一方、出力光に対応する光のフィルタリングが光学フィルタ１９によって完了された後（ｔ／３後）、光スイッチ２３は、光迂回系２５（ミラー２７側）に光路を切換える。これにより、入力光は、第２共振器２９で共振される。

例えば、時計方向に関する光学フィルタ１９からミラー２７までの距離は、ｔ／３の間にファイバー内を光が進む距離に対応する。したがって、ＦＳＲにおけるλminの光は、光学フィルタ１９を通過してｔ／３後に、ミラー２７によって反射される。その後、λminの光は、光スイッチ２３を逆方向に進み、そして、第１光路１３ａを逆行する。そして、λminの光は、ミラー２７を反射してｔ／３後に、光学フィルタ１９によって反射される。

ＦＳＲにおいてλminより長い波長の光（λmin＜λ≦λmaxの光）は、順次、光学フィルタ１９を通過した後、第１光路１３ａを進み、ミラー２７にて反射された後、光スイッチ２３を逆方向に進み、そして、第１光路１３ａを逆行する。

その後、光スイッチ２３は、出力光に対応する波長帯域の光（λmin≦λ≦λmaxの光）が第２共振器（光迂回系２７）を往復した後、光スイッチ２３に到達するのに合わせて、第２光路１３ａ（光増幅器１０側）に光路を切り換える。この場合、λmaxの光が第１光路１３ａに向かった後に、光路が切換えられても良い。なお、図３では、光スイッチ２３の切換制御を簡素化すべく、Ｔ／２の周期にて、光路が切換えられる。

これらの制御を繰り返し行うことにより、自由スペクトル範囲（λmin〜λmax）での波長掃引が周期ｔにて行われる。

また、上記構成によれば、光ファイバーの長さを短縮化できる。また、光フィルタは、第１共振器１３中で、かつ、第２共振器２９の端部に配置されているため、propagation time effectの問題を回避できる。また、光増幅器で生じる自然放出光は、光フィルタ及びアイソレータによって除去されるため、増幅すべき波長光に対する増幅エネルギーの低下が回避される。

＜第１の実施形態＞図１のような第１の実施形態の構成では、時計方向の光路に関して、光スイッチ２３から光学フィルタ１９までの距離と、光スイッチ２３からミラー２７までの距離と、の両方は、同じ距離Ｌに設定されている。カップラ２１から光スイッチ２３までの距離は、光学フィルタ１９から光カップラ２１までの距離より距離Ｌ分短い。

このため、時計方向における光学フィルタ１９から光カップラ２１までの距離は、時計方向における光カップラ２１から、ミラー２７及び光学フィルタ１９までの距離に等しい。そして、この距離は、ｔ／６に対応する。この構成により、短リングディレイでの伝搬時間効果の問題が回避される。

例えば、光学フィルタ１９は、１２０ｋＨｚで繰り返し動作される。光学フィルタ１９の繰返しの周期ｔは、１／１２０ｋＨＺ＝8.33usecである。そして、光増幅器１０は、ｔ／３において同調して駆動される。

＜第２の実施形態＞図２のような第２の実施形態の構成では、時計方向の光路に関して、光スイッチ２３から光学フィルタ１９までの距離と、光スイッチ２３からミラー２７までの距離と、の両方は、同じ距離Ｌに設定されている。そして、光学フィルタ１９から光スイッチ２３までの時計方向のファイバーの長さは、ｔ／３の間にファイバー内を光が移動する長さから距離Ｌを引いた長さに設定されている。

生成された掃引レーザ光は、図２のような２つの外部共振バッファリング光学系を用いて，光学的に複製される。第２光ファイバーはｔ／４の時間遅れに対応する長さを持ち、第３光ファイバーはｔ／２の時間遅れに対応する長さを持つ。このようにすれば、掃引レーザ光が光学的に複製され、１秒間における波長掃引回数を増やすことができる。

図５は、光干渉断層計の装置構成の一例を示す図である。概して、光干渉断層計１００は、波長可変レーザ（波長可変光源）１と、波長可変レーザ１からの光を試料光路１０６と参照光路１１０とに分割するためのスプリッタ１０４と、試料光路１０６に配置され，被検物上においてＸ及びＹ方向の少なくとも一方に光を走査するための光スキャナ１０８と、被検物で反射された測定光路からの光と，参照光路からの光と，が合成された光のスペクトルを検出するための検出器１２０と、を有する。

第１の実施形態に係る波長可変レーザの基本的構成を概略的に示す図である。第２の実施形態に係る波長可変レーザの基本的構成を概略的に示す図である。光学フィルタとしてファブリーペロー可変フィルタを用いた場合の駆動制御について説明する図である。光スイッチ、光増幅器、光学フィルタの動作の一例について説明するためのタイミングチャートである。光干渉断層計の装置構成の一例を示す図である。

１波長可変レーザ
１０光増幅器
１３光帰還系
１３ａ第１光路
１３ｂ第２光路
１９波長可変光学フィルタ
２３光スイッチ
２５光迂回系
２７ミラー
１００光干渉断層計

Claims

ある波長を持つ波を増幅させるための光増幅器と、
前記波が往復時間Ｔ₁で伝搬する第１共振器と、
前記第１共振器の一部と光路を共用する共用光路と、第１共振器の光路から外れた迂回路とを有し、前記波が往復時間Ｔ₂で伝搬する第２共振器と、
第１共振器の中で、かつ、第２共振器の一端に配置され、周期時間ｔにて透過波長を可変させる波長可変光学フィルタであって、周期時間ｔと往復時間Ｔ₁，Ｔ₂は、
ｔ=（２ｎ＋１）Ｔ₁＝（ｎ＋１／２）Ｔ₂(ｎ:自然数)にて規定され、
第１共振器の中で、かつ、前記共用光路と迂回路との間に配置され、前記第１共振器と前記第２共振器との間で光路を切換える光スイッチと、
を備えることを特徴とする波長可変レーザ。
前記第１共振器は、前記第２共振器と同じ光路長に設定されている請求項１の波長可変レーザ。
前記光増幅器は、前記第１共振器中に配置されている請求項１〜２のいずれかの波長可変レーザ。
前記迂回路は、第２共振器の他端に配置された光反射器を備える請求項１〜３のいずれかのの波長可変レーザ。
請求項１〜４のいずれかの波長可変レーザを光源として備える光干渉断層計。