JP2019054223A - 波長掃引光源 - Google Patents

Abstract

【課題】共振器内を伝搬する光が光遅延ファイバを複数回伝搬することによって小型化した、または波長選択器の掃引周波数を共振器長変化に応じて制御することによって安定なＦＤＭＬ動作を実現した波長掃引光源を提供すること。【解決手段】本発明の波長掃引光源は、光を増幅する光増幅素子、特定の波長帯域の光を選択的にフィルタリングする波長選択素子、光の進行を遅延する光遅延素子、光の一部を取り出す光分岐素子、波長選択素子や光増幅素子を駆動するドライバ装置からなる。光増幅素子には、半導体光増幅器、ファイバ光増幅器、固体型レーザー媒質、色素レーザー媒質、ガスレーザー媒質などを用いることができる。光遅延素子には、自由空間に構築されたリレー光学系や光導波路などが利用できる。光分岐素子には、ファイバ光カップラなどを用いることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、瞬間的に狭いスペクトルが周期的に波長軸上で掃引される波長掃引光源に関する。

光干渉断層画像診断法（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，ＯＣＴ）の一方式に、瞬間的に狭いレーザースペクトルが周期的に波長軸上で掃引される波長掃引光源を用いたスウェプトソースＯＣＴ（ＳＳ−ＯＣＴ）がある。ＳＳ−ＯＣＴは分光器を必要としないフーリエドメインＯＣＴ（ＦＤ−ＯＣＴ）として知られる。

従来型のＦＤ−ＯＣＴでは干渉信号を分光し、空間的な光強度分布としてＯＣＴ信号が得られるが、この場合光検出には解像度の高いアレイディテクタが必要となる。ここでのＯＣＴ信号とは断層の情報を含む信号であり、干渉させる際の２光波間の遅延差に応じて強度分布の空間周波数が変化する。

一方でＳＳ−ＯＣＴでは、狭線幅光源のスペクトルを直接時間的に波長または周波数軸上で掃引するため、時間的に分光されているとみなすことができ、一般的な光検出器により時間波形としてＯＣＴ信号を取得できる。奥行き情報は、干渉信号のそのままの周波数に対応する。そのためアレイディテクタの速度でＦＤ−ＯＣＴの撮像速度が制限される１μｍ帯や１．３μｍ帯といった近赤外より長波長のＯＣＴで主に用いられる。

波長掃引光源を用いるＳＳ−ＯＣＴで重要となるのが、深さ方向の計測限界深度に関わる波長掃引光源の瞬時のレーザー線幅である。この瞬時線幅の逆数はコヒーレンス長と呼ばれ、観測対象内部の反射点の深さがコヒーレンス長の１／４にあたるときＯＣＴ信号が６ｄＢ減衰するため、奥行方向のダイナミックレンジを表す１つの指標として用いられる。

一般的にレーザーが発振し、線幅が狭窄化するまでには一定の時間を要するため、発振波長が常に変化する波長掃引光源では、レーザー線幅は掃引速度とトレードオフの関係にあることが報告されている（非特許文献１参照）。つまり掃引周波数の高い波長掃引光源では、波長の時間変化が速く、各波長に許された周回時間が短く周回数も減少するためレーザー線幅が広くなる。

このトレードオフの関係を打破する技術がフーリエドメインモードロック（ＦＤＭＬ）レーザーである（非特許文献２参照）。ＦＤＭＬレーザーの基本構成要素は光増幅器、波長選択器、光遅延器および光パワーの一部を共振器から取り出す光取り出し器である。これら構成要素間は自由空間もしくは導波路といった光伝搬によって光学的に接続されている。波長選択器により瞬間的な波長および波長の変化が決定され、波長を連続的に変化させることで波長掃引を実現する。

光遅延器では波長選択器の一掃引周期もしくはその整数倍に相当する時間だけ光を遅延させる。これにより波長選択器の掃引動作と光周回を同期させることができ、掃引帯域内の全波長のレーザー光を共振器内に蓄積することができる。そのため掃引周波数が高い場合でも光の共振器周回数を低下させることなく、波長選択器における累積フィルタリング効果によってレーザー線幅を狭窄化できる。

特許第４７５１３８９号公報

R. Huber, M. Wojtkowski, K. Taira, J. G. Fujimoto, and K. Hsu, "Amplified, frequency swept lasers for frequency domain reflectometry and OCT imaging: design and scaling principles," Opt. Express 13, 3513−3528 (2005) R. Huber, M. Wojtkowski, and J. G. Fujimoto, "Fourier Domain Mode Locking (FDML): A new laser operating regime and applications for optical coherence tomography," Opt. Express 14, 3225−3237 (2006)

このＦＤＭＬレーザーの動作条件は、波長選択器の掃引周波数が光の共振器周回時間によって決まる自由スペクトル領域（ＦＳＲ）と一致もしくはＦＳＲの整数倍に一致することである。一般的なＯＣＴ用波長掃引光源の掃引周波数は数十から数百ｋＨｚであるため、これに相当するＦＳＲを得るためには光遅延器は数ｋｍの光路長を有する必要がある。この長さの光遅延を与える場合は光ファイバが好適である。

しかしながら、このような長い光ファイバが必須であるため共振器の小型化が難しいという課題がある。また長い光ファイバを使用すると共振器長が変化し易く、それにより同期ずれが生じるという課題がある。ｋｍオーダーの長さを有する光ファイバでは微小な温度変化でもその長さ変化はＦＤＭＬ動作にとっては無視できない程の同期ずれを引き起こす。そのため、従来のＦＤＭＬレーザーでは安定した動作や狭いレーザー線幅を実現するには、長い光ファイバを含む共振器全体の温度制御を行う必要があった。

一般に温度制御は制御対象の体積に比例して大出力を必要とするが、ＦＤＭＬレーザーでは非常に狭い温度変動範囲に安定化させる必要があるため、大規模な温度制御装置も必要になる。そのため、従来のＦＤＭＬレーザーでは低コスト化やコンパクト化に課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、共振器内を伝搬する光が光遅延ファイバを複数回伝搬することによって小型化し、または波長選択器の掃引周波数を共振器長変化に応じて制御することによって安定なＦＤＭＬ動作を実現した波長掃引光源を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態は、波長掃引光源であって、所定の偏光軸を有する光を一端から出力する光増幅部と、前記所定の偏光軸を有する光を所定の方向に反射し、前記所定の偏光軸が９０度回転した光を透過する偏光分離部と、前記偏光分離部において反射又は透過した光が一端から入射される光遅延部と、前記光遅延部の他端から出射された光を反射し、反射光を前記光遅延部の他端に入射させる光反射部であって、前記光遅延部の一端から出射される前記反射光の偏光軸が前記光遅延部の一端から入射される光の偏光軸に対して９０度回転するように反射させる前記光反射部と、入射された光のうち、所定の波長掃引周波数で変化する波長の光を偏光状態を維持して前記入射された光と同軸反対方向に反射する波長選択部と、前記光増幅部の他端から出力された光を２分岐して、一方の分岐光を前記光増幅部に帰還させ、他方の分岐光を出力光として出力する第１の光分岐部と、を備え、前記第１の光分岐部と前記波長選択部とで共振器を構成し、前記光増幅部が前記共振器内に配置され、前記第１の光分岐部で反射された光が前記偏光分離部で反射されて前記光遅延部に入射し、前記光遅延部を伝搬して前記光反射部で反射された反射光が、前記光遅延部を伝搬して前記偏光分離部を透過して前記波長選択部に入射し、前記波長選択部で反射された光が前記偏光分離部を透過して前記光遅延部に入射し、前記光遅延部を伝搬して前記光反射部で反射された反射光が、前記光遅延部を伝搬して前記偏光分離部で反射されて前記第１の光分岐部に入射することを特徴する。

本発明の別の実施形態では、さらに前記光増幅部と前記第１の光分岐部とは偏波保持導波路で接続されていることを特徴とする。

本発明の別の実施形態では、さらに前記光遅延部の光路長は、光速を前記所定の掃引周波数の整数倍の値で割った値に略等しいことを特徴とする。

本発明の別の実施形態では、さらに前記波長選択部は、ＫＴＮ光偏向器および回折格子を含むことを特徴とする。

本発明の別の実施形態は、波長掃引光源であって、波長掃引周波数が可変の波長掃引光出力部からの出力光の一部を分岐する第２の光分岐部と、前記第２の光分岐部で分岐された前記出力光の一部の光強度を表す電気信号に変換する光検出部と、前記電気信号の値を特定の値に推移させる、または維持させるよう、前記波長掃引周波数を制御するフィードバック制御部と、を備えたことを特徴とする。

本発明の別の態様では、さらに前記フィードバック制御部は、前記波長掃引光出力部が短波長と長波長と間を掃引する毎に、前記電気信号の値を規格化して規格化された前記電気信号の値の平均値を算出し、前記平均値と所定の設定値との差分を算出し、前記差分から算出した前記波長掃引周波数の制御信号の値に基づき前記波長掃引周波数を制御することを特徴とする。

本発明の別の態様では、さらに前記平均値は、前記波長掃引光出力部が掃引する短波長と長波長と間の所定の波長帯の前記出力光に基づくことを特徴とする。

本発明の別の実施形態は、波長掃引光源であって、波長掃引周波数が可変の波長掃引光出力部からの出力光の一部を分岐する第２の光分岐部と、前記第２の光分岐部で分岐された前記出力光の一部を分岐する第３の光分岐部と、前記第３の光分岐部で分岐された一方の分岐光が入力される、所定の光路長差を有する光干渉計と、前記第３の光分岐部で分岐された他方の分岐光の光強度を検出する光パワー検出部と、前記光干渉計から出力される干渉信号を高速フーリエ変換して点拡がり関数し、前記点拡がり関数のピーク値を求め、前記光パワー検出部で検出された前記他方の分岐光の光強度検出値により前記点拡がり関数のピーク値を規格化した、規格化された点拡がり関数のピーク値を算出する信号処理部と、前記信号処理部で算出された前記規格化された点拡がり関数のピーク値が最大となるように、前記波長掃引周波数を制御するフィードバック制御部と、を備えたことを特徴とする。

本発明の別の実施形態では、さらに前記波長掃引光出力部は、他の実施形態の波長掃引光源であることを特徴とする。

本発明は、共振器内を伝搬する光が光遅延ファイバを複数回伝搬することによって必要な光遅延ファイバの長さを短くすることにより小型化することができる。またＦＤＭＬレーザーの同期手法として波長選択器の掃引周波数を共振器長変化に応じて制御することによって、温度制御器を使用せずに安定なＦＤＭＬ動作を実現することができる。

本発明の実施形態１に係る波長掃引光源の構成を示す図である。 （ａ）はリトロー配置の波長選択素子１０６の構成を示す図であり、（ｂ）はリットマン配置の波長選択素子１０６の構成を示す図である。 本発明の実施形態２に係るリング型の波長掃引光源の構成を示す図である。 本発明の実施形態３に係るＦＤＭＬ動作の安定化機構を備えた波長掃引光源の構成を示す図である。 本発明の実施形態４に係るＦＤＭＬ動作の安定化機構を備えた波長掃引光源の構成を示す図である。 ＰＳＦの測定値と光干渉計の光路長差との関係を示す図である。 ＦＤＭＬレーザー部５０１の出力パワーで規格化されたＰＳＦのピーク値を示す図である。 安定化の制御を行わない場合の波長掃引光源のコヒーレンス長の温度依存性を示す図である。 １０℃から５０℃まで温度を変化させたときの本実施形態４の波長掃引光源のＫＴＮスキャナの掃引周波数とコヒーレンス長を示す図である。 本発明の実施形態５に係るＦＤＭＬ動作の安定化機構を備えた波長掃引光源の構成を示す図である。 本発明の実施形態５に係るＦＤＭＬ動作の安定化機構のフィードバック制御器における信号処理についてのフローチャートである。 （ａ）は、安定化機構による制御を行わない場合の設定値ＳＰおよびモニタ値ＰＶとコヒーレンス長の推移を示す図であり、（ｂ）は、そのときの環境温度および周波数の推移を示す図である。 （ａ）は、ＰＩ制御を行った場合の設定値ＳＰおよびモニタ値ＰＶとコヒーレンス長の推移を示す図であり、（ｂ）は、そのときの環境温度および周波数の推移を示す図である。

本発明の波長掃引光源の基本要素には、光を増幅する光増幅素子、特定の波長帯域の光を選択的にフィルタリングする波長選択素子、光の進行を遅延する光遅延素子、光の一部を取り出す光分岐素子、波長選択素子や光増幅素子を駆動するドライバ装置が含まれる。光学素子は後述するように相互に光学的に接続されている。

光増幅素子には、半導体光増幅器、ファイバ光増幅器、固体型レーザー媒質、色素レーザー媒質、ガスレーザー媒質などを用いることができる。光遅延素子には、自由空間に構築されたリレー光学系や光導波路などが利用できる。光分岐素子には、ファイバ光カップラ、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）、インライン型の反射フィルタ、その他部分反射鏡などを用いることができる。

光学素子間の光接続には光ファイバなどの光導波路もしくは自由空間伝搬を用いることができる。その他には偏向ビームスプリッタなどの偏光分離素子、波長板やファラデー回転子などの偏光制御素子、誘電体多層膜鏡や金属鏡、ファラデーミラーなどの光反射素子、プリズムペア、回折格子ペア、チャープファイバブラッググレーティングなどの分散補償素子、アイソレータやサーキュレータなどの光伝搬方向指定器などの構成要素を１つ以上含む場合がある。

本発明を実現する最重要な構成要素は波長選択素子である。この波長選択素子については高速性、制御要素の独立性などの特性を有すること望ましい。本発明では、波長選択素子としてタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ）を用いた光偏向器（特許文献１参照）と回折格子を組合せた波長フィルタを用いる。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係る波長掃引光源の構成を示す。図１に示す波長掃引光源は、共振器の形状がＴ字型のＦＤＭＬレーザーである。光増幅素子１０１は偏光依存性を有しており直線偏光の光が出力される。ここでは光増幅素子１０１として半導体光増幅器を用いる。光増幅素子１０１の両出力端は偏波保持ファイバ（ＰＭファイバ）１０９に結合されている。尚、光増幅素子１０１は、光源出力側、すなわち光分岐素子１０８側の一方の出力端のみファイバ結合され、共振器内側、すなわちコリメータレンズ１０２−１側の他方の出力端は自由空間出力としても構わない。また、光増幅素子１０１または偏波保持ファイバ１０９からコリメータレンズ１０２−１側に出力される光の偏光状態は、紙面に対して垂直の軸方向と平行になるように、光増幅素子１０１または偏波保持ファイバ１０９の軸が配置されている。

光増幅素子１０１から共振器内側に出力された光は、コリメータレンズ１０２−１によりコリメートされた後、偏光分離素子１０３に入射して入射方向とは異なる方向、図１に示す構成では略９０度方向に反射される（図１の（１））。反射光はコリメータレンズ１０２−２で集光され光遅延ファイバ１０４に結合される。この光遅延ファイバ１０４は偏波保持機能をもたない単一モードファイバ（ＳＭファイバ）で構わない。

光遅延ファイバ１０４を伝搬した光は、光遅延ファイバ１０４の終端に接続されたファラデーミラー１０５で反射されて再び光遅延ファイバ１０４を逆方向に伝搬する。光遅延ファイバ１０４を往復して光遅延ファイバ１０４から出射された光は、ファラデーミラー１０５で反射されることにより偏光方向が入射時に対して９０度回転した直線偏光となる。ファラデーミラー１０５を経由して光遅延ファイバ１０４を往復することで、単一モードファイバの残留複屈折による直線偏光の消光比低下を補償することができる。

光遅延ファイバ１０４からの出射された光は、コリメータレンズ１０２−２を経て偏光分離素子１０３を反射することなく透過し、ドライバ装置１０７によって駆動される波長選択素子１０６に入射する（図１の（２））。図２（ａ）、２（ｂ）に、波長選択素子１０６の構成を示す。図２（ａ）はリトロー配置、図２（ｂ）はリットマン配置の波長選択素子の構成をそれぞれ示している。波長選択素子１０６の基本構成要素は、リトロー配置の場合はＫＴＮスキャナ２０２、および回折格子２０４のみであり、リットマン配置の場合はこれらにさらに全反射鏡２０５を含む。この波長選択素子１０６は、偏光依存性を有しておりＸＺ平面内にある偏光成分に対してのみ機能する。

図２（ａ）、（ｂ）には、これらに加えて補償レンズ２０１−１、２０１−２、三角プリズム２０３が記載されているが、これらは必須の構成要素ではない。補償レンズ２０１−１、２０１−２は、ＫＴＮスキャナにおけるビーム形状の変形を補償するためのレンズであり、前または後のどちらか一方のみでも良いし、どちらも無くても良い。また、補償レンズ２０１の形状についても凸凹のどちらも選択可能である。三角プリズム２０３はビームエキスパンダとして用いられており、波長選択素子１０６の波長選択性を向上させる。

図１の構成で波長選択素子１０６に入射した光は、ＫＴＮスキャナ２０２により偏向された角度に応じた入射角で回折格子２０４に入射することで、フィルタリング効果を受けて特定の波長の回折光のみが入射光と同軸反対方向に帰還される。波長選択素子１０６において偏光状態の変化は生じないため、波長選択素子１０６で反射された光は偏光分離素子１０３を透過し、コリメータレンズ１０２−２を経て再び光遅延ファイバ１０４に入射される（図１の（３））。

ファラデーミラー１０５で２度反射され、光遅延ファイバ１０４を２度往復した光は、光増幅素子１０１から出射された光に対して偏光方向が１８０度回転した直線偏光となるため、偏光分離素子１０３で反射されて光増幅素子１０１に帰還される。

光増幅素子１０１に入射した光は、再度光増幅効果を受け光分岐素子１０８に入射する。光分岐素子１０８では入射光の一部を共振器外に光源出力として取り出し、残りの光を共振器内に帰還させる。この光分岐素子１０８としてブラッグ周期がチャープしたチャープファイバブラッググレーティングを用いることができ、出力分岐と共振器内の群遅延分散の補償とを同時に行うことが可能である。この光分岐素子１０８までが共振器内に相当する。

本実施形態１の特徴としては、伝搬光に対し光遅延ファイバ１０４を２往復させることで光遅延ファイバ１０４の長さを短縮し、波長掃引光源を小型化することができるところにある。波長掃引光源の掃引周波数つまりは波長選択素子１０６の掃引周波数がｆ_sであるとすると、以下のＦＤＭＬ動作の条件から共振器の光路長Ｌ_cavが決まる。

ここでｃは光速を表す。ここで共振器の長さはその大部分を光遅延ファイバ１０４が占めるため、光遅延ファイバ１０４以外の部分が構成する共振器の長さは光遅延ファイバ１０４の長さの１〜２％程度である。そのため、光遅延ファイバ１０４の長さを共振器の長さと仮定することができる。光遅延ファイバを一方向に１回のみ通過するリング共振器の場合と比較して本構成では光遅延ファイバを２往復するため光遅延ファイバ１０４の物理的な長さＬは以下の式で表されるように４分の１の長さになる。

ｎは光遅延ファイバ１０４の屈折率を表し、係数４はファイバの通過回数に相当する。一例をあげると掃引周波数２００ｋＨｚ、光遅延ファイバ１０４の屈折率１．４６とすると、ファイバの物理長は２５７ｍとなる。

このように、本発明の実施形態１では、光遅延ファイバの長さを従来の数ｋｍオーダーから数百ｍオーダーまで短縮できるため、波長掃引光源の小型化が実現できる。尚、本実施形態１では、光源出力光の偏光状態は直線偏光となる。

尚、本実施形態１では光増幅素子１０１をコリメータレンズ１０２−１と光分岐素子１０８との間に配置したが、光増幅素子１０１はコリメータレンズ１０２−２と光遅延ファイバ１０４との間や、偏光分離素子１０３と波長選択素子１０６との間に配置されてもよい。

（実施形態２）
図３に、本発明の実施形態２に係るリング型の波長掃引光源の構成を示す。本実施形態２の波長掃引光源は、ファイバリングおよびサーキュレータ３０２から先の自由空間光学系および波長選択素子３０５からなる。光源の掃引帯域幅以上の波長域において光増幅効果を有する光増幅器３０１から出力された広いスペクトルを持つ自然放出光は、偏波コントローラ３１０を通過し、サーキュレータ３０２によって自由空間光学系である波長フィルタに導入される。ファイバ出射端に配置したコリメータレンズ３１１によって平行光線とした後、半波長板３０３、偏光ビームスプリッタ３０４を通過し波長選択素子３０５に導入される。波長選択素子３０５はタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ）光偏向器および回折格子を組合せた波長フィルタが好適である。この際、偏光ビームスプリッタ３０４では、波長選択素子３０５のＫＴＮ光偏向器が有する偏光依存性に適合する偏光状態の光が入射するように配置する。

波長選択素子３０５はドライバ装置３０６が出力する電圧波形に応じて選択波長が決定される。また偏波コントローラ３１０および半波長板３０３を用いて偏光ビームスプリッタ３０４を透過する光パワーが最大となるよう偏光状態の最適化を行う。波長選択素子３０５において波長選択された反射光は入射経路と同経路を辿ってサーキュレータ３０２に戻される。

サーキュレータ３０２によって光は再びファイバリングに戻され、光分岐素子３０７ではその一部がリングから取り出され、これが光源の出力ポートとなる。残りの光は再びリングを辿って、光遅延ファイバ３０８およびアイソレータ３０９を通過し、光増幅器３０１に帰還される。

波長選択素子３０５はドライバ装置３０６からの駆動電圧波形に応じた波長選択動作を行う。ここでは周波数２００ｋＨｚの正弦波を印加する。つまりフィルタ波長は周期的に掃引されており、光遅延ファイバ３０８の長さは光が共振器全体を一周するのに要する時間が波長選択素子３０５の掃引周期と同一またはその整数倍となる。これによって波長選択素子３０５によって選択された波長の光は共振器を一周したのち再び波長選択素子３０５を通過する際に波長選択素子３０５の次掃引の同一波長を選択するタイミングと一致し、最小の損失で再度フィルタリング効果を受けることができる。この現象は掃引帯域内の全波長で起こる。

（実施形態３）
図４に、本発明の実施形態３に係るＦＤＭＬ動作の安定化機構を備えた波長掃引光源の構成を示す。本実施形態３では、温度変化による光路長変化に伴うＦＤＭＬレーザーの同期ずれを補償し特性劣化を抑制することができる。ここでのＦＤＭＬレーザーは、実施形態１のレーザーと同様の構成を有するが、図３に示す実施形態２に係るリング型の波長掃引光源でも構わない。

ＦＤＭＬレーザー部４１０は、実施形態１に係る波長掃引光源と同様に、光増幅素子４０１、コリメータレンズ４０２−１、４０２−２、偏向分離素子４０３、光遅延ファイバ４０４、ファラデーミラー４０５、波長選択素子４０６、ドライバ４０７、光分岐素子４０８、偏波保持ファイバ（ＰＭファイバ）４０９からなる。

光分岐素子４０８がＦＤＭＬレーザー部４１０の出力端となっているが、光分岐素子４０８に接続した光分岐素子４１１によって出力光の一部を取り出し、波長フィルタ４１２を用いて特徴的な波長帯域を選択的に通過させる。波長フィルタ４１２を通過した光は光検出器４１３により受光してＡ／Ｄ変換器４１４でデジタル信号に変換し、フィードバック制御器４１５に入力される。この波長フィルタ４１２で切り出された出力パワー波形は波長掃引光源４１０の動作状態に紐付いた情報であり、フィードバック制御器４１５ではこの波形が含む出力パワー情報を利用し出力パワーをピーク値やある特定の値に推移、または維持させるような制御信号をドライバ４０７に対して送る。主な制御パラメータは掃引周波数である。この制御により波長選択素子４０６に対して温度等により変化した共振器長に応じて、それに同期する適切な周波数で駆動することで、光源の出力特性として出力パワー、レーザー線幅などの安定化が可能となる。

尚、波長フィルタ４１２はモニタ信号の変化を強調する目的で用いられているため、波長フィルタ４１２用いない場合でも安定化制御は可能である。また波長フィルタ４１２を用いる代わりにフィードバック制御器４１５においてデジタル信号処理的に特徴抽出を行うことも可能である。

（実施形態４）
図５に、本発明の実施形態４に係るＦＤＭＬ動作の安定化機構を備えた波長掃引光源の構成を示す。実施形態４は、実施形態３とは別のＦＤＭＬ動作の安定化機構を備えた波長掃引光源であり、本実施形態４ではコヒーレンス長モニタ装置５１０によってコヒーレンス長を測定し、最大化する制御を施すことで光源特性を安定化することを実現する。

実施形態１、２と同様のＫＴＮスキャナを用いたＦＤＭＬレーザー部５０１の出力光を光分岐素子５０４で主出力光とモニタ出力光に分岐し、モニタ出力光を更に光分岐素子５１１によって適切な分岐比で分岐する。分岐光の一方は、光干渉計５１２に入射され、光干渉計５１２のアーム間に設けた所定の光路長差により干渉信号として出力される。

光干渉計５１２から出力された干渉信号をＡ／Ｄコンバータ５１３によってサンプリングした後、信号処理器５１５で高速フーリエ変換などの処理を行い、点拡がり関数（ＰＳＦ）と呼ばれるスペクトルを算出する。このＰＳＦのピーク値は干渉縞のビジビリティに相当する。

図６に、ＰＳＦの測定値と光干渉計の光路長差との関係を示す。光干渉計５１２の光路長差を逐次変化させ、ＰＳＦのピーク（図６の白丸）を測定することで図６に示されるようなＰＳＦピーク値の光路長差依存性を求め、ＰＳＦのピーク値の最大値から６ｄＢ下がったＰＳＦピークが測定された時の光路長差の２倍がコヒーレンス長となる。このように光路長差を変化させることでコヒーレンス長は得られるが、本実施形態４では干渉計５１２の光路長差を変化させることなく、以下のような方法により変動するコヒーレンス長の相対的な増減を測定することが可能である。

ここではＦＤＭＬレーザー部５０１が最適な動作状態にあるときのコヒーレンス長が既知であるとし、光干渉計５１２の光路長差は固定でコヒーレンス長のおおよそ半分程度の距離とする。さらに光分岐素子５１１において分岐されたもう片方のポートでは光パワー検出器５１４によって光パワーを測定する。光分岐素子５１１の分岐比から光パワー検出器５１４でモニタした出力パワーから光干渉計５１２に入力する光パワーを算出することができる。

図７に、干渉計５１２の入力パワーで規格化したＰＳＦのピーク値を示す。光パワー検出器５１４で得られた光干渉計５１２への入力パワーは光干渉計５１２の光路長差がゼロの場合のＰＳＦのピーク値に比例するので、図７に示す黒丸と対応関係にある。この比例定数は光分岐素子５１１の分岐比や干渉計５１２の内部損失によって決まるため、事前に干渉計５１２で光路長差の短い場合のＰＳＦを取得しそのピーク値と光検出器５１７のモニタ値とを比較することで比例定数を求めることができる。つまり光検出器５１７で得られるモニタ値からそのときの干渉計５１２における光路長差が０の場合のＰＳＦピーク値を得ることができる。この値を用いて、信号処理器５１５において光干渉計５１２で得られる光路長差が約コヒーレンス長の半分の場合のＰＳＦピーク値を規格化する。この規格化されたＰＳＦのピーク値の増減からコヒーレンス長の増減をモニタすることが可能である。この際、測定には１点の光路長差におけるＰＳＦを算出するだけで良いため、測定時間を短縮できるメリットが有る。

尚、この規格化を行わない場合、コヒーレンス長が変化せずＦＤＭＬレーザー部５０１の出力パワーのみが低下した場合でも光干渉計５１２で得られるＰＳＦのピーク値は低下する（図６の一点鎖線）。そのため、光干渉計５１２で得られるＰＳＦのピーク値のみからではコヒーレンス長をモニタすることができない。

フィードバック制御器５０３では、信号処理器５１５において算出された、規格化されたＰＳＦのピーク値を最大化するように、すなわちコヒーレンス長を最大化するようにＦＤＭＬレーザー部５０１のＫＴＮスキャナを駆動するドライバ５０２の駆動パラメータを変化させる。主な駆動パラメータは掃引周波数である。

図８に、安定化の制御を行わない場合の波長掃引光源のコヒーレンス長の温度依存性を示す。コヒーレンス長は最大値周辺では温度変化に対して急激に変化し、コヒーレンス長が１０ｍｍ以上をとり得る温度の範囲は０．０１℃と非常に狭い。

図９に、１０℃から５０℃まで温度を変化させたときの本実施形態４の波長掃引光源のＫＴＮスキャナの掃引周波数とコヒーレンス長を示す。図９は、図８で得られたコヒーレンス長の最大値に相当するコヒーレンス長１１ｍｍが１０℃から５０℃に渡って安定的に得られていることを示している。

（実施形態５）
図１０に、本発明の実施形態５に係るＦＤＭＬ動作の安定化機構を備えた波長掃引光源の構成を示す。ＦＤＭＬレーザー部１００１は、実施形態１、２のどちらのＦＤＭＬレーザーでも構わない。またその他のＦＤＭＬレーザーについても、いかなる構成および波長帯であったとしても波長掃引に関わる波長フィルタの駆動周波数が可変である場合には本発明が適応可能である。

本実施形態ではＦＤＭＬレーザー部１００１の光源波長は１３１０ｎｍを中心に掃引されており、出力光は光ファイバに結合されている。またＦＤＭＬレーザー部１００１の波長フィルタの駆動信号はドライバ装置１００２から発せられ、ドライバ装置１００２は外部信号により出力信号を変更するための制御入力を備えている。駆動信号は周波数２００ｋＨｚ付近で可変であり、電圧はＶ_PP５８０Ｖ、Ｖ_dc−２９０Ｖに固定された交流信号である。

ＦＤＭＬレーザー部１００１の出力光は光分岐素子１００３によって分岐され、一方の分岐光はフィードバック信号として利用するためフォトダイオードを用いた光検出器１００４に入射する。他方の分岐光は、波長掃引光源の出力となる。光検出器１００４は、ＦＤＭＬレーザー部１００１の波長掃引速度よりも十分に高い応答速度を有する必要があり、ここでは光検出器１００４に遮断周波数が３８０ＭＨｚのフォトダイオードを用いた。

光検出器１００４で電気信号に変換された出力波形は、Ａ／Ｄ変換器１００５によりデジタルサンプリングされる。Ａ／Ｄ変換器１００５のサンプリングレートは５００ＭＨｚであり、ドライバ装置１００２から出力されるＴＴＬ（Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ｌｏｇｉｃ）信号でトリガされている。ここではサンプリングを行う時間はＦＤＭＬレーザー部１００１の波長掃引動作の短波長から長波長への掃引の間のみであるが、長波長から短波長への掃引の間や全掃引区間でデータをサンプリングしてもよい。サンプリングにより得られた出力波形データは、フィードバック制御器１００６へと送られる。

図１１に、本発明の実施形態５に係るＦＤＭＬ動作の安定化機構のフィードバック制御器１００６における信号処理についてのフローチャートを示す。取得された出力波形データは、波形データを表す配列である波形ＷＦ（ｎ）として取得される（Ｓ１１０１）。ｎはサンプリングされた順にデータ点に割り振られた０以上の整数であり、サンプリング周波数および掃引周波数からデータ点数は約１２５０点である。まずこれを次式のとおり平均化して平均値ＡＰを得る（Ｓ１１０２）。Ｎは全データ点数を表す値である。

次に平均値ＡＰを用いてＷＦ（ｎ）を規格化する（Ｓ１１０３）。

この規格化の処理はＦＤＭＬレーザー部１００１で共振器損失の変化などにより出力パワーが変動する場合でも制御を維持するために必要である。

規格化の次には波形のフィルタリングを行う（Ｓ１１０４）。このフィルタリングの処理は、波長分散がある共振器では同期周波数が波長毎に異なるので、波長を限定して出力パワーをモニタすることによってより感度の高いモニタ信号を得るために行っている。ここではデジタル信号処理によって行ったが、光検出器１００４の直前に光学フィルタを設置するのなど、光学的なフィルタリングを用いても良い。また用いたフィルタは矩形であるがフィルタ形状はその他の形状でも良い。矩形フィルタの形状ＢＰ（ｎ）は以下で表される。

ｎ_cはフィルタ帯域の中心位置であり、ｎ_wはフィルタ幅である。フィルタ帯域の中心位置ｎ_cは任意に決めることができ、ここではＦＤＭＬレーザー部１００１の遅延ファイバのゼロ分散波長に対応するデータ位置とした。このデータ位置は、ＦＤＭＬレーザー部１００１の干渉波形の位相変化曲線を取得するなどにより時間と波長掃引の関係を明らかにすることで求めることができる。フィルタ幅ｎ_wは２０点とした。フィルタリング後の波形から制御に入力するモニタ値ＰＶを次のように求める（Ｓ１１０５）。

ｎ_bは、ＢＦ（ｎ）＝１となるデータの数である。

次に制御ではこのモニタ値ＰＶを設定値ＳＰにロックする制御について説明する。本実施形態では、ＰＩ制御によりモニタ値ＰＶのロッキングを行った。制御の本質はＰＶ値の一定化であるため、ＰＩ制御であることは必須ではなくその他の制御法によりモニタ値ＰＶのロッキングを行っても構わない。本発明のＰＩ制御はループとなっており、停止命令が下されるまでは繰り返し実行される。ここではｋ番目の制御ループについて考える。設定値ＳＰはＦＤＭＬレーザー部１００１のコヒーレンス長が最大である最適状態にあるときのモニタ値ＰＶであるとし、最適状態から逸脱したときのエラー信号ＥＲを算出する（Ｓ１１０６）。エラー信号ＥＲは、設定値ＰＶとモニタ値ＳＰの差分とし、

で表される。

次に制御出力信号Ｕを、エラー信号ＥＲに基づき以下で与えられるｕ_P、ｕ_Iから算出する（Ｓ１１０７〜Ｓ１１０９）。

添字のＰおよびＩはＰＩ制御のＰ制御成分とＩ制御成分を表している。Ｋは比例ゲインと呼ばれエラーに対するＥＲ応答の大きさを表す係数であり、Ｔ_IはＩ制御の強さを決める係数である。ΔＴ_Sは制御ループの繰返し周期である。またダッシュが付いている変数は前回の制御ループ、つまりｋ−１番目の制御ループから引き継いだ値であることを表している。制御出力信号Ｕは無次元量であり、この制御出力信号Ｕを用いて掃引周波数ｆを下記関係式から算出する（Ｓ１１１０）。

となる。ｆ’はｋ−１回目の制御ループから引き継いだ値であることを表している。この制御ループで得られたＥＲ、ｕ_I、ｆは次の制御ループへと持ち越される（Ｓ１１１１）。フィードバック制御器１００６は式（９）のとおり周波数を変更する命令をドライバ装置１００２に伝送する。

図１２（ａ）、（ｂ）に、安定化機構による制御を行わない場合の環境温度変化およびＦＤＭＬレーザー部１００１の出力特性を示す。図１２（ａ）には設定値ＳＰおよびモニタ値ＰＶとコヒーレンス長の推移が示されており、図１２（ｂ）には環境温度および周波数が示されている。図１２（ｂ）に示すように、環境温度は１５℃から２５℃の範囲で変化させた。その結果、図１２（ａ）に示すように、モニタ値ＰＶと同時にコヒーレンス長が変動した。このとき波長掃引光源の最適化は２０℃で行ったため、そこから温度変化が±５℃あるとコヒーレンス長は最適温度における値の５０％程度まで低下した。

図１３（ａ）、（ｂ）に、本実施形態に係るＰＩ制御を行った場合の環境温度変化およびＦＤＭＬレーザー部１００１の出力特性を示す。図１３（ｂ）のグラフに示すように、本実施形態に係る安定化機構による制御をかけることで温度変化に合わせてフィードバック制御器１００６が働きドライバ装置１００２が出力する周波数を変化させる。その結果、図１２（ａ）に示すように、モニタ値ＰＶは設定値ＳＰの周りで一定化されており、それによってコヒーレンス長が最大値で維持されている。

このように本実施形態５により、ＦＤＭＬレーザー部１００１の出力光の一部を利用して、コヒーレンス長を最大値に維持する安定化機構を実現することができる。

１０１、３０１、４０１ 光増幅器
１０２−１、１０２−２、３１１、４０２−１、４０２−２ コリメータレンズ
１０３、４０３ 偏光分離素子
１０４、３０８、４０４ 光遅延ファイバ
１０５、４０５ ファラデーミラー
１０６、３０５、４０６ 波長選択素子
１０７、３０６、４０７、５０２ ドライバ装置
１０８、３０７、４０８、４１１、５０４、５１１ 光分岐素子
１０９、４０９ 偏波保持ファイバ
２０１−１、２０１−２ 補償レンズ
２０２ ＫＴＮスキャナ
２０３ 三角プリズム
２０４ 回折格子
２０５ 全反射鏡
３０２ サーキュレータ
３０３ 半波長板
３０４ 偏光ビームスプリッタ
３０９ アイソレータ
３１０ 偏波コントローラ
４１０、５０１ ＦＤＭＬレーザー部
４１２ 波長フィルタ
４１３ 光検出器
４１４、５１３ Ａ／Ｄ変換器
４１５、５０３ フィードバック制御器
５１２ 光干渉計
５１４ 光パワー検出器
５１５ 信号処理器
１００１ ＦＤＭＬレーザー部
１００２ ドライバ装置
１００３ 光分岐素子
１００４ 光検出器
１００５ Ａ／Ｄ変換器
１００６ フィードバック制御器

Claims (9)

1. 所定の偏光軸を有する偏光を一端から出力する光増幅部と、
   前記所定の偏光軸を有する偏光を所定の方向に反射し、前記所定の偏光軸が９０度回転した偏光を透過する偏光分離部と、
   前記偏光分離部において反射又は透過した偏光が一端から入射される光遅延部と、
   前記光遅延部の他端から出射された偏光を反射し、反射光を前記光遅延部の他端に入射させる光反射部であって、前記光遅延部の一端から出射される前記反射光の偏光軸が前記光遅延部の一端から入射される光の偏光軸に対して９０度回転するように反射させる前記光反射部と、
   入射された光のうち、所定の波長掃引周波数で変化する波長の光に対し偏光状態を維持して前記入射された光と同軸反対方向に反射する波長選択部と、
   前記光増幅部の他端から出力された光を２分岐して、一方の分岐光を前記光増幅部に帰還させ、他方の分岐光を出力光として出力する第１の光分岐部と、
   を備え、前記第１の光分岐部と前記波長選択部とで共振器を構成し、前記光増幅部が前記共振器内に配置され、前記第１の光分岐部で反射された光が前記偏光分離部で反射されて前記光遅延部に入射し、前記光遅延部を伝搬して前記光反射部で反射された反射光が、前記光遅延部を伝搬して前記偏光分離部を透過して前記波長選択部に入射し、前記波長選択部で反射された光が前記偏光分離部を透過して前記光遅延部に入射し、前記光遅延部を伝搬して前記光反射部で反射された反射光が、前記光遅延部を伝搬して前記偏光分離部で反射されて前記第１の光分岐部に入射することを特徴する波長掃引光源。
2. 前記光増幅部と前記第１の光分岐部とは偏波保持導波路で接続されていることを特徴とする請求項１に記載の波長掃引光源。
3. 前記光遅延部の光路長は、光速を前記所定の掃引周波数の整数倍の値で割った値に略等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の波長掃引光源。
4. 前記波長選択部は、ＫＴＮ光偏向器および回折格子を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の波長掃引光源。
5. 波長掃引周波数が可変の波長掃引光出力部からの出力光の一部を分岐する第２の光分岐部と、
   前記第２の光分岐部で分岐された前記出力光の一部の光強度を表す電気信号に変換する光検出部と、
   前記電気信号の値を特定の値に推移させる、または維持させるよう、前記波長掃引周波数を制御するフィードバック制御部と、
   を備えたことを特徴とする波長掃引光源。
6. 前記フィードバック制御部は、前記波長掃引光出力部が短波長と長波長と間を掃引する毎に、前記電気信号の値を規格化して規格化された前記電気信号の値の平均値を算出し、前記平均値と所定の設定値との差分を算出し、前記差分から算出した前記波長掃引周波数の制御信号の値に基づき前記波長掃引周波数を制御することを特徴とする請求項５に記載の波長掃引光源。
7. 前記平均値は、前記波長掃引光出力部が掃引する短波長と長波長と間の所定の波長帯の前記出力光に基づくことを特徴とする請求項６に記載の波長掃引光源。
8. 波長掃引周波数が可変の波長掃引光出力部からの出力光の一部を分岐する第２の光分岐部と、
   前記第２の光分岐部で分岐された前記出力光の一部を分岐する第３の光分岐部と、
   前記第３の光分岐部で分岐された一方の分岐光が入力される、所定の光路長差を有する光干渉計と、
   前記第３の光分岐部で分岐された他方の分岐光の光強度を検出する光パワー検出部と、
   前記光干渉計から出力される干渉信号を高速フーリエ変換して点拡がり関数を算出し、前記点拡がり関数のピーク値を求め、前記光パワー検出部で検出された前記他方の分岐光の光強度検出値により前記点拡がり関数のピーク値を規格化した、規格化された点拡がり関数のピーク値を算出する信号処理部と、
   前記信号処理部で算出された前記規格化された点拡がり関数のピーク値が最大となるように、前記波長掃引周波数を制御するフィードバック制御部と、
   を備えたことを特徴とする波長掃引光源。
9. 前記波長掃引光出力部は、請求項１乃至４のいずれかに記載の波長掃引光源であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の波長掃引光源。

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