JP6358700B2

JP6358700B2 - 波長掃引光源

Info

Publication number: JP6358700B2
Application number: JP2014194221A
Authority: JP
Inventors: 純宮津; 豊田　誠治; 誠治豊田; 小林　潤也; 潤也小林; 雅人近江
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Osaka University NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Osaka University NUC
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2018-07-18
Anticipated expiration: 2034-09-24
Also published as: JP2016066687A

Description

本発明は、発振波長の時間遷移を変化させる電気光学結晶を用いた光偏向器を備える波長掃引光源に関する。

波長掃引光源は、生体や電子デバイス等の断面を非破壊に観測する光コヒーレンストモグラフィー(ＯＣＴ)や光掃引測距などの光源として用いられる。その波長掃引速度の高速化によって観測時間が短縮する。

従来、波長掃引光源をＯＣＴに適用した場合、深さ方向の解像度を損なわずに被見物の面内の観測範囲を拡大したり、あるいは、生体内の高速な現象を観測したりすることが可能となると期待されている（非特許文献１）。

また、従来の波長掃引光源は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）からの出力光をＫＴＮ光偏向器により光の方向を変化させ、回折格子に入射される角度を変化させることにより波長選択を行っている。この場合、ＫＴＮ光偏向器の動作速度が高速であることから、高速な波長掃引が実現される（非特許文献２）。

Shogo Yagi, Tadayuki Imai, Yasuo Shibata, Shigeo Ishibashi, Masahiro Sasaura, Kazutoshi Kato, Kazunori Naganuma, Yuzo Sasaki, and Kazuo Fujiura, "A mechanical-free 150-kHz repetition swept light source incorporated a KTN electro-optic deflector," Proc. SPIE 7889, 78891J (2011) Shogo Yagi, Kazunori Naganuma, Tadayuki Imai, Yasuo Shibata, Jun Miyazu, Masahiro Ueno, Yuichi Okabe, Yuzo Sasaki, Kazuo Fujiura, Masahiro Sasaura, Kazutoshi Kato, Masato Ohmi and Masamitsu Haruna, "Improvement of Coherence Length in a 200-kHz Swept Light Source equipped with a KTN Deflector," Proc. SPIE 8213, 821333 (2012)

上記従来の波長掃引光源では、ＫＴＮ光偏向器に正弦波状の駆動電圧を印加した場合、発振波長の時間変化がおおむね正弦波状の光を出力する。このような、時間の経過に伴い発振波長が周期的に増減を繰り返す波長掃引光源をＯＣＴに適用した場合、従来は、時間の経過に対して発振波長が増加する時間帯（あるいはその逆で、発振波長が減少する時間帯）の出力光のみを、被見物の観測に用いていた。そのために、従来のＯＣＴでは、波長掃引光源の発光時間中の半分の時間しか観測を行うことができず、結果として、ＯＣＴにて被見物の観測を高速に行うためには、波長掃引光源を高速に波長掃引する必要があった。

従来の波長掃引光源では、波長掃引速度はKTN光偏向器の動作速度で決まるが、KTN光偏向器の動作速度を高速化すると、KTNチップの発熱により偏向角が減少してしまい、掃引波長域も狭まってしまうという問題があった。さらに、KTN光偏向器の動作速度を高速化することで、特定の波長の光が光源の共振器内で周回する回数が減少し、その結果、光源特性の重要なパラメータであるコヒーレンス長が短くなるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、光源のコヒーレンス長を短くすることなく、高速な波長掃引を可能とする波長掃引光源を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための発明は、発振波長を波長掃引周期で変化させる光源と、前記光源から出射された光を分波させる分波器と、前記分波器の出力を遅延させる遅延器と、前記光源から出射された光の前記発振波長の波長掃引周期よりも、短い波長掃引周期の波長掃引を得るため、前記分波器の出力または前記遅延器の出力を所定のタイミングで切り替える光スイッチ部とを含む波長掃引光源であって、前記光源に設けられた光偏向器はＫＴＮ偏向器またはＫＬＴＮ偏向器であり、前記分波器、前記遅延器および前記光スイッチ部からなる光学装置は、前記光源の出力側に多段接続され、前記発振波長の波長掃引周期をＴとしたとき、Ｎ段目（Ｎは整数）の前記光学装置による遅延量は、Ｔ／２ ^N であり、Ｎ段目の前記光学装置内の前記光スイッチ部は、Ｔ／２ ^N 秒ごとに、前記切り替えを行い、Ｎ段目の前記光学装置内の前記光スイッチ部から出力される光の変動周波数は、２ ^N ／Ｔであり、かつ、前記遅延量Ｔ/２ ^N が１００ｐｓｅｃより大きくなるような値を満たすＮである。

前記光源に設けられた光偏向器において、電圧の駆動波形は、正弦波または三角波であるようにしてもよい。

前記遅延器は、光ファイバスプールとしてもよい。

本発明によれば、光源のコヒーレンス長を維持したまま高速な波長掃引ができる。

第１実施形態における波長掃引光源の構成例を示す模式図である。光源の構成例を示す図である。第１実施形態の波長掃引光源によって実現されるスイッチングの様子を説明するための図である。第２実施形態における波長掃引光源の構成例を示す模式図である。第２実施形態の波長掃引光源によって実現されるスイッチングの様子を説明するための図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の一実施形態における波長掃引光源１０について説明する。この波長掃引光源１０は、発振波長の時間遷移を正弦波状に変化させるものである。

［波長掃引光源の全体構成］
図１は、波長掃引装置１０の構成例を示す模式図である。
図１に示すように、波長掃引光源１０は、光源１０１と、光学装置２０１とを備える。光学装置２０１は、光カプラ（分波器）１０２と、遅延器１０３と、１×２光スイッチ（光スイッチ部）１０４とを備える。この実施形態では、光源１０１は、電気光学結晶としての例えばＫＴＮ（KTa_1-xNb_xO₃：０≦ｘ≦１）偏向器またはＫＬＴＮ（K_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃：０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）偏向器を用いたものである。この光源１０１の構成は、後述する図２で詳細に説明する。

光カプラ１０２は、光源１０１から出射された光を分波させる。遅延器１０３は、光源１０１から出射された光を遅延させる。遅延器１０３は、例えば、光ファイバスプールである。後述するように、この実施形態の波長掃引光源１０では、光の波長掃引周期（発振波長）をＴとすると、遅延器１０３は、その半分のＴ／２だけ遅延させる。

光スイッチ１０４は、光カプラ１０２から出射される光と、遅延器１０３によって遅延される光とを切り替える。この切り替えの処理は、後に詳細に説明する。
なお、図１に示した光学装置２０１を光源１０１に直列に多段接続するようにしてもできる。例えば、光源１０１に、光学装置２０１をＮ（Ｎは２以上の整数）個直列に接続することができる。

［光源の構成］
図２は、光源１０１の構成例を示す図である。
図２に示すように、光源１０１は、半導体光増幅器１１と、コリメートレンズ１２と、KTNまたはKLTNを用いた偏向器１３と、制御電圧源１４とを備える。さらに、この光源１０１は、回折格子１５と、端面鏡１６と、集光レンズ１７と、出力結合鏡１８とを備える。

光源１０１では、半導体光増幅器１１からの出力光を光の方向を変化させ、回折格子１５に光が入射する角度を変化させる。そして、その入射角度に応じた特定の波長の光のみが端面鏡１６で反射され、その光が、半導体光増幅器１１で再結合され、レーザー発振して出力光１として、光学装置２０１に与えることができる。この場合、偏向器１３によって、回折格子１５へ高速に入射される角度を変化させることで、レーザー発振する波長を高速に変化させることができる。

［光源のコヒーレンス長］
次に、光源１０１のコヒーレンス長について説明する。
一般に、コヒーレンス長ｌｃは、下記式（１）で表されることが知られている（例えば、非特許文献２を参照）。

なお、式（１）において、λ：波長、Ｌ：共振器長、W_T：波長掃引幅、F：波長掃引周波数、W_C：回折格子の帯域幅、を示す。

また、回折格子の帯域幅W_Cは、式（１）から下記式（２）で表される。

なお、式（２）において、Λ：回折格子の周期、ｗ：ビーム半径、を示す。

光源１０１において、波長掃引周波数が大きくなると、上記式（１）に従ってコヒーレンス長ｌｃが短くなることがわかる。
本実施形態の波長掃引光源１０では、光源１０１における波長掃引周波数を固定したまま（変えることなく）、光学装置２０１によってその波長掃引周波数を大きくすることが可能となる。すなわち、コヒーレンス長は短くならず、波長掃引周波数だけを大きくすることができる。

光干渉断層撮影（Optical Coherence Tomography, OCT）の光源として、波長掃引光源を用いる場合、この方式はSS-OCT（Swept-Source OCT）と呼ばれるが、このSS-OCTは、コヒーレンス長によって断層の深さが決定される。
このため、本実施形態の波長掃引光源１０では、波長掃引速度の高速化に伴うコヒーレンス長の短縮が生じないため、上記SS-OCT方式のOCT光源として好適である。

［光源におけるジッター］
光源１０１において、出力波長の時間揺らぎが生じることになるが、以下の説明ではこれをジッターと称する。
本実施形態の波長掃引光源１０において、特に、付加光学系の数Ｎが大きいと、ジッターの影響で掃引波長域の端の部分が選択され、時間的な波長の変化量が小さくなることが考えられる。そのためジッターが小さい光源１０１が好ましいが、光源１０１において、ジッターは１００psec以下と非常に小さいため、付加光学系による波長掃引速度の高速化にＫＴＮ偏向器またはＫＬＴＮ偏向器を用いた光源を用いるのはより好ましい。

［偏向器の構成］
次に、偏向器１３の構成例について説明する。
偏向器１３は、直方体の電気化学結晶（ＫＴＮまたはＫＬＴＮ)と、その対向する２面に形成された電極とから構成され、電極に電圧を印加することで電気化学結晶に入射された光は偏向する。その偏向角θは、下記式（３）で表される（ただし、印加電圧が交流で高速（主に数十kHz以上）の場合）。

なお、式（３）において、n：屈折率、g₁₁：２次の電気光学係数、e：電気素量、N：電気化学結晶内にあらかじめ蓄積された電子密度、ε：誘電率、L：入射光が進行方向に進む結晶内の長さ、V：印加電圧、d：電極間の距離、を示す。

偏向器１３に十分に低周波（１ｋＨｚ以下）の電圧を印加した場合、結晶内に電子が注入され、結晶内の電子トラップに捕獲される。これにより、あらかじめ電子が蓄積された状態となる。

電子トラップの密度は、１０²⁰〜１０²¹m^-3程度で、上記低周波の電圧が印加されて結晶内に一様に電子が捕獲されると考えられる。
相転移温度付近では、非常に大きな誘電率（比誘電率数万）をもつため、偏向角（全角）はおよそ１０°にも達する。

［ＫＴＮまたはＫＬＴＮ結晶］
ＫＴＮまたはＫＬＴＮ結晶の結晶相は、高温相から立方晶、正方晶、斜方晶、菱面体晶の順に相転移する。立方晶においては常誘電性を示し、それ以外では強誘電性を示す。

Ｔａ／Ｎｂ比と、Ｌｉ添加量（ＫＬＴＮ結晶の場合のみ）とによって、上記立方晶から正方晶へ相転移する温度を変化させることができるが、立方晶で常誘電相においてＫＴＮまたはＫＬＴＮ結晶を用いることを想定している。

常誘電相における最低次の電気光学効果は２次の電気光学効果（カー効果）であるため、電界Ｅの印加に伴う、電界Ｅと平行な偏波の光の屈折率変化量Δn₁は、下記式（４）で表される。

なお、式（４）において、ｇ₁₁は電界Ｅと平行な偏波の光に対する２次の電気光学係数である。

一方、電界Ｅと垂直な偏波の光の屈折率変化量Δn₂は、下記式（５）で表される。

なお、式（５）において、ｇ₁₂は電界Ｅと垂直な偏波の光に対する２次の電気光学係数である。

ＫＴＮまたはＫＬＴＮ結晶においては、g₁₂の絶対値は、g₁₁の絶対値の１／３程度である。このため、偏向器１３としてＫＴＮまたはＫＬＴＮ結晶を用いる場合、より大きな屈折率により効率的な光偏向を実現するために、入射する光の偏波は電界に平行である方が良い。

［光スイッチの動作］
次に、光スイッチ１０４の動作について、図１および図３を参照して説明する。

図３は、光スイッチ１０４によって実現されるスイッチングの様子を説明するための図である。

図３において、光スイッチ１０４のスイッチングによって、光カプラ１０２で分波された光と、遅延器１０３でＴ／２遅延された光とが、Ｔ／２ごとに切り替えられる。例えば図３（ｃ）に示すように、光スイッチ１０４では、図３（ａ）に示すＴ／２期間ａ１，ａ２と、図３（ｂ）に示すＴ／２期間ｂ１，ｂ２とを、スイッチング期間として、その期間の波長を出力する。

換言すると、光スイッチ１０４は、光カプラ１０２の出力光のうちのいずれか一方の出力光において、最大の発振波長を得るタイミング、および、最小の発振波長を得るタイミングで、光カプラ１０２または遅延器１０３からの光路を切り替える。これにより、発振波長の周期がＴ／２、すなわち波長掃引周波数が２倍となり、高速な波長掃引が実現できる。

以上説明したように、本実施形態の波長掃引光源１０によれば、光源１０１のコヒーレント長を変えることなく、光カプラ１０２の出力または遅延器１０３の出力を所定のタイミングで切り替える。そして、発振波長の変動周期が当該変動周期よりも高速になるように、所定のタイミングが設定される。したがって、光源１０１のコヒーレンス長を短くすることなく、高速な波長掃引が実現できる。

＜第２実施形態＞
図１に示した波長掃引光源１０では、１つの光学装置２０１が光源１０１に対して接続されていたが、本実施形態では、光学装置２０１が光源１０１に対して直列に多段接続される。

図４は、本実施形態における波長掃引光源２０の構成例を示す模式図である。この波長掃引光源２０では、光学装置の数がＮ（Ｎ＝１〜ｎ）となる光学装置２０１ａ，２０１ｂ，・・・，２０１ｎが光源１０１に対して直列に接続される。光源１０１の構成は、本実施形態においても図２に示したものと同一である。

光学装置２０１ａ〜２０１ｎは、図１に示した光学装置２０１と同一である。すなわち、光学装置２０１ａ〜２０１ｎは、各々が光カプラ１０２ａ〜１０２ｎと、遅延器１０３ａ〜１０３ｎと、光スイッチ１０４ａ〜１０４とを有する。光カプラ１０２ａ〜１０２ｎと、遅延器１０３ａ〜１０３ｎと、光スイッチ１０４ａ〜１０４ｎはそれぞれ、図１に示した光カプラ１０２と、遅延器１０３と、光スイッチ１０４と同一である。このように構成しても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

なお、光源１０１の発振波長の変動周期をＴとしたとき、Ｎ段目（Ｎは整数）の光学装置による遅延量は、Ｔ／２^Nとなる。また、Ｎ段目の光学装置内の光スイッチは、Ｔ／２^N秒ごとに、光路の切り替えを行うようになる。さらに、Ｎ段目の光学装置内の光スイッチから出力される光の変動周波数は、２^N／Ｔとなる。

図５は、Ｎ＝２の場合の波長掃引光源２０によって実現されるスイッチングの様子を示している。すなわち、図４において、波長掃引光源２０において、２つの光学装置２０１ａ，２０１ｂが光源１０１に対して直列に接続される場合である。このとき、光学装置２０１ａにおいて、遅延器１０３ａは、波長掃引周期Tの半分、すなわちＴ／２だけ波長を遅延させる。そして、光学装置２０１ｂにおいて、遅延器１０３ｂは、T／２の半分、すなわちＴ／４だけ波長を遅延させる。

図５において、最終段の光スイッチ１０４ｂのスイッチングによって、光カプラ１０２ｂで分波された光と、遅延器１０３ｂでＴ／４遅延された光とが、Ｔ／４ごとに切り替えられる。例えば図５（ｃ）に示すように、光スイッチ１０４ｂでは、図５（ａ）に示す波長と、図５（ｂ）に示す波長とを、Ｔ／４ごとに、切り替えて出力する。つまり、光スイッチ１０４ｂは、光カプラ１０２ｂの出力光のうちのいずれか一方の出力光において、最大の発振波長を得るタイミング、および、最小の発振波長を得るタイミングで、光カプラ１０２ｂまたは遅延器１０３ｂからの光路を切り替える。これにより、発振波長の周期がＴ／４、すなわち波長掃引周波数が４倍となり、高速な波長掃引が実現できる。

次に、上記各実施形態の実施例について、図１、図２および図４を参照して説明する。

（実施例１）
図１に示した波長掃引装置１０において、光源１０１に用いられる偏向器１３として、KLTN光偏向器を用いた。KLTN光偏向器の結晶は、長さ方向（4.0mm）×幅方向（3.2mm）×厚さ方向（1.0mm）とし、4.0mm×3.2mmの２面に電極を形成した。そして、光入射する3.2mm×1.0mmの２面は、光学研磨を行った。

結晶は常誘電相で、比誘電率が17500となる温度に保持した。結晶内に電子を蓄えるために、+400VのDC電圧を10秒、-400VのDC電圧を10秒、それぞれ印加した。その後、±400Vの交流電圧（周波数が200kHzの正弦波）を印加し、光偏向を行った。印加する交流電圧は三角波でもよい。半導体光増幅器１１は、1.3um帯のものを用い、波長掃引は中心波長1.32μm、掃引幅100nmを実現した。

遅延器１０３として、光ファイバスプールを用いた。光ファイバの屈折率は1.467であるため、光ファイバの長さを511mとすることで、遅延器１０３では、交流電圧の周期5μsecの半分の2.5μsec遅延させた。

光スイッチ１０４は、2.5μsecごとに光路を切り替えることで、波長掃引周波数が400kHzの光を出力させることができた。出力光の波長掃引幅は100nmであった。

（実施例２）
Ｎ＝２の場合の波長掃引装置２０（図４）において、光源１０１に用いられる偏向器１３として、KLTN光偏向器を用いた。KLTN光偏向器は、実施例１のものと同様に、長さ方向（4.0mm）×幅方向（3.2mm）×厚さ方向（1.0mm）の結晶を用い、4.0mm×3.2mmの2面に電極を形成した。そして、光入射する3.2mm×1.0mmの２面は、光学研磨を行った。結晶は常誘電相で、比誘電率が17500となる温度に保持した。そして、結晶内に電子を蓄えるために、+400VのDC電圧を10秒、-400VのDC電圧を10秒、それぞれ印加し、その後、±400Vの交流電圧（周波数が200kHzの正弦波）を印加し、光偏向を行った。交流電圧は三角波でもよい。半導体光増幅器１１についても、実施例１に示したものと同様に、1.3um帯のものを用い、波長掃引は中心波長1.32μm、掃引幅100nmを実現した。

遅延器１０３ａとして光ファイバスプールを用いた。光ファイバの屈折率は1.467のため、光ファイバの長さを511mとすることで、交流電圧の周期5μsecの半分の2.5μsec遅延させた。光スイッチ１０４ａは2.5μsecごとに光路を切り替えた。
また、遅延器１０３ｂについても光ファイバスプールも用いた。光ファイバの屈折率は1.467のため、光ファイバの長さを256mとすることで、交流電圧の周期5μsecの1/4の1.25μsec遅延させた。光スイッチ１０４ｂは1.25μsecごとに光路を切り替えた。その結果、波長掃引周波数が800kHzの光を出力させることができた。出力光の波長掃引幅は70nmであった。

（実施例３）
Ｎ＝３の場合の波長掃引装置２０（図４）については、光学装置２０１ｃ以外の構成は実施例２のものと同様である。すなわち、光源１０１に用いられる偏向器１３として、KLTN光偏向器を用いた。KLTN光偏向器は、実施例２のものと同様に、長さ方向（4.0mm）×幅方向（3.2mm）×厚さ方向（1.0mm）の結晶を用い、4.0mm×3.2mmの2面に電極を形成した。そして、光入射する3.2mm×1.0mmの２面は、光学研磨を行った。結晶は常誘電相で、比誘電率が17500となる温度に保持した。そして、結晶内に電子を蓄えるために、+400VのDC電圧を10秒、-400VのDC電圧を10秒、それぞれ印加し、その後、±400Vの交流電圧（周波数が200kHzの正弦波）を印加し、光偏向を行った。交流電圧は三角波でもよい。半導体光増幅器１１についても、実施例１に示したものと同様に、1.3um帯のものを用い、波長掃引は中心波長1.32μm、掃引幅100nmを実現した。

遅延器１０３ａとして光ファイバスプールを用いた。光ファイバの屈折率は1.467のため、光ファイバの長さを511mとすることで、交流電圧の周期5μsecの半分の2.5μsec遅延させた。光スイッチ１０４ａは2.5μsecごとに光路を切り替えた。また、遅延器１０３ｂについても光ファイバスプールも用いた。光ファイバの屈折率は1.467のため、光ファイバの長さを256mとすることで、交流電圧の周期5μsecの1/4の1.25μsec遅延させた。光スイッチ１０４ｂは1.25μsecごとに光路を切り替えた。

光学装置１０３ｃの遅延器１０３ｃについても光ファイバスプールも用いた光ファイバの屈折率は1.467のため、光ファイバの長さを128mとすることで、交流電圧の周期5μsecの1/8である625nsec遅延させた。光スイッチ１０４ｃは625nsecごとに光路を切り替えた。その結果、波長掃引周波数が1.6MHzの光を出力することができた。出力光の波長掃引幅38nmであった。

１０，２０波長掃引光源
１０１光源
１０２，１０２ａ〜１０２ｎ光カプラ
１０３，１０３ａ〜１０３ｎ遅延器
１０４，１０４ａ〜１０４ｎ光スイッチ
２０１，２０１ａ〜２０１ｎ光学装置

Claims

発振波長を波長掃引周期で変化させる光源と、
前記光源から出射された光を分波させる分波器と、
前記分波器の出力を遅延させる遅延器と、
前記光源から出射された光の前記発振波長の波長掃引周期よりも、短い波長掃引周期の波長掃引を得るため、前記分波器の出力または前記遅延器の出力を所定のタイミングで切り替える光スイッチ部と
を含む波長掃引光源であって、
前記光源に設けられた光偏向器はＫＴＮ偏向器またはＫＬＴＮ偏向器であり、
前記分波器、前記遅延器および前記光スイッチ部からなる光学装置は、前記光源の出力側に多段接続され、
前記発振波長の波長掃引周期をＴとしたとき、Ｎ段目（Ｎは整数）の前記光学装置による遅延量は、Ｔ／２ ^N であり、
Ｎ段目の前記光学装置内の前記光スイッチ部は、Ｔ／２ ^N 秒ごとに、前記切り替えを行い、
Ｎ段目の前記光学装置内の前記光スイッチ部から出力される光の変動周波数は、２ ^N ／Ｔであり、かつ、
前記遅延量Ｔ/２ ^N が１００ｐｓｅｃより大きくなるような値を満たすＮであることを特徴とする波長掃引光源。
前記光源に設けられた光偏向器において、電圧の駆動波形は、正弦波または三角波であることを特徴とする請求項１に記載の波長掃引光源。
前記遅延器は、光ファイバスプールであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の波長掃引光源。