WO2013061708A1

WO2013061708A1 - モード同期レーザ光源装置及びこれを用いた光干渉断層撮影装置

Info

Publication number: WO2013061708A1
Application number: PCT/JP2012/073620
Authority: WO
Inventors: 聡高田
Original assignee: 株式会社トプコン
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2013-05-02
Also published as: DE112012004435T5; JP6025317B2; DE112012004435B4; JP2013092544A

Abstract

　発振スペクトル分布が狭いレーザ光を実現可能なモード同期レーザ光源装置を提供する。本発明のモード同期レーザ光源装置は、注入電流Iが注入されてキャリアが生成されかつキャリアの消費によりレーザ光(P)のパルスを増幅すると共にキャリアの密度変化によりレーザ光(P)のパルス強度に依存する自己位相変調と等価な位相変調を生じる半導体光増幅器(１)と、半導体光増幅器(１)から射出されるレーザ光(P)のパルスの発振波長を可変とする掃引用変調部(３)と、掃引用変調部(３)により変調されたレーザ光(P)のパルスを半導体光増幅器(１)に帰還させてレーザ発振現象を生じさせるリング共振器(６)と、異常分散領域で用いられかつリング共振器(６)を導波中のレーザ光(P)のパルスの波長に依存してレーザ光(P)のパルスの帰還時間を変化させる分散補償器(５)とを有する。

Description

モード同期レーザ光源装置及びこれを用いた光干渉断層撮影装置

　本発明は、発振スペクトル分布が狭いレーザ光（狭線幅のレーザ光）を実現可能なモード同期レーザ光源装置及びこれを用いた光干渉断層撮影装置に関する。

　従来から、光干渉断層撮影装置としてオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー（Optical Coherence Tomography;OCT）が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
　この光干渉断層撮影装置には、レーザ光源として波長掃引型のモード同期レーザ装置が用いられている。

　この光干渉断層撮影装置では、レーザ光の波長を連続的に変化させながら、測定対象物にそのレーザ光が照射される。そのレーザ光の照射による測定対象物の異なる深さの部位からの反射レーザ光と参照光とが干渉計において干渉される。この干渉計により得られた干渉信号の周波数成分を分析することによって、測定対象物の断層画像が構築される。

なお、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier;SOA）、ファイバーブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating;FBG）を用いた波長掃引モード同期レーザ光源装置も知られている（例えば、非特許文献１参照。）。

特開２０１１－１１３０４８号公報の段落番号「０００１」、「０００２」

Yuichi Nakazaki and Shinji Yamashita 11 May 2009/Vol.17,No 10/OPTICSEXPRESS 8310 "Fast and Wide tuning range wavelength-swept fiber laser based on dispersion tuning and its application to dynamic FBG sensing

　ところで、光干渉断層撮影装置では、高速の掃引時にも可干渉性（コヒーレント性）が良好で、深い箇所まで計測するために、波長掃引型のモード同期レーザ光源装置として、より一層掃引時の発振スペクトル分布の狭線幅化が要望されている。
　本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、その目的は、発振波長が可変でかつ発振スペクトル分布が狭いレーザ光を実現可能なモード同期レーザ光源装置を提供するところにある。

　本発明のモード同期レーザ光源装置は、注入電流が注入されてキャリアが生成されかつこのキャリアの消費によりレーザ光のパルスを増幅すると共にキャリアの密度変化によりレーザ光のパルス強度に依存する自己位相変調と等価な位相変調を生じる半導体光増幅器と、半導体光増幅器から射出されるレーザ光のパルスの発振波長を可変とする掃引用変調部と、掃引用変調部により変調されたレーザ光のパルスを半導体光増幅器に帰還させてレーザ発振現象を生じさせる共振器と、異常分散領域で用いられかつ共振器を導波中のレーザ光のパルスの波長に依存してそのレーザ光のパルスの帰還時間を変化させる分散補償器とを有することを特徴とする。

　本発明によれば、共振器に組み込まれた分散補償器を異常分散領域で用いて、発振波長が可変のモード同期レーザ光源装置を構成したので、掃引時の発振スペクトル分布が狭い発振波長が可変のモード同期レーザ光源装置を提供でき、光干渉断層撮影装置に用いるのに好適である。

図１は本発明の実施例１に係るモード同期レーザ光源装置の要部構成を示す光学系の模式図である。図２Aは図１に示す分散補償器の概念を説明する図であって、分散補償器としてのリニアチャープファイバーブラッググレーティングを模式的に示す斜視図である。図２Bは図２Aに示す分散補償器を異常分散領域で用いるための接続の仕方を示す説明図である。図３は図１に示す半導体光増幅器に入射するレーザ光のパルスの波形とその半導体光増幅器から射出されるレーザ光のパルスの波形とを模式的に示すグラフである。図４は半導体光増幅器から射出されるレーザ光のパルスの周波数チャープを示すグラフである。図５は正常分散領域で用いた場合にその半導体光増幅器から射出されたレーザ光のパルスの波形と異常分散領域で用いた場合にその半導体光増幅器から射出されたレーザ光のパルスの波形との一例を示すグラフである。図６は図５の正常分散領域で用いた場合にその半導体光増幅器から射出されたレーザ光のパルスの波形に対応するスペクトル分布と図５の異常分散領域で用いた場合にその半導体光増幅器から射出されたレーザ光のパルスの波形に対応するスペクトル分布とを示すグラフである。図７は本発明の実施例２に係るモード同期レーザ光源装置の要部構成を示す光学系の模式図である。図８は本発明の実施例３に係るモード同期レーザ光源装置の要部構成を示す光学系の模式図である。図９は本発明の実施例４に係るモード同期レーザ光源装置の要部構成を示す光学系の模式図である。

（実施例１）
　以下に、本発明に係るモード同期レーザ光源装置の実施例を図面を参照しつつ説明する。
　図１は本発明に係るモード同期レーザ光源装置を備えた光干渉断層撮影装置の要部構成を示す模式図である。

　その図１において、１は半導体光増幅器（SOA）、２は光アイソレータ、３は掃引用変調部、４はサーキュレータ、５は分散補償器である。その半導体光増幅器１とアイソレータ２と掃引用変調部３とサーキュレータ４と分散補償器５とはリング共振器６を構成している。

　半導体光増幅器１は導波路構造体１aを有する。その導波路構造体１aの一端面が入射端面１ｂとされ、その導波路構造体１aの他端面が射出端面１ｃとされている。
　その導波路構造体１aに注入電流Iが注入されて、導波路構造体1aにキャリアが生成される。その導波路構造体１aの入射端面１ｂに入射する光パルスによる誘導放出現象により、そのキャリアが消費される。その結果、レーザ光のパルスが増幅され、そのレーザ光のパルスが射出端面１ｃから射出される。
　ここでは、半導体光増幅器１には、利得３－dB、幅８０．６ｎｍのSOAモジュールが用いられている。

　その射出端面１ｃから射出されたレーザ光Pのパルスは、光を一方向だけ通過させ、戻り光を遮断する光学素子としての光アイソレータ２を経由して掃引用変調部３に導かれる。その光アイソレータ２には、例えば、偏光依存型アイソレータ、偏光無依存型アイソレータを用いる。

　掃引用変調部３は、この掃引用変調部３に入射するレーザ光Pのパルスの強度又は位相を変調する機能を有するものを用いることができ、ここでは、強度を変調する電気光学変調器（Electro-Optic Modulator;EOM）を用いる。

　サーキュレータ４には、ここでは、３ポートを有するものが用いられる。このサーキュレータ４の第1ポート４aには掃引用変調部３から出力されるレーザ光Pのパルスをサーキュレータ４に導光する射出用導光ファイバ７が接続されている。

　そのサーキュレータ４の第２ポート４ｂには、分散補償器５が接続されている。この分散補償器５には、図２A、図２Bに概念的に示すリニアチャープファイバーブラッググレーティング（LC－FBG）が用いられる。

　このリニアチャープファイバーブラッググレーティングは、パルス中の低周波成分と高周波成分の反射位置がリニアに異なるようにグレーティングの周期が変化しているファイバーブラッググレーティングであり、ファイバー内に回折格子を形成することによって構成されている。

　ここでは、このリニアチャープファイバーブラッググレーティングのチャープレートは、１０ｎｍ／ｃｍ、ピーク反射率は７０％、反射率の３－ｄB幅は６０ｎｍ（すなわち、１５２０ｎｍから１５８０ｎｍ）のものを用いる。

　このリニアチャープファイバーブラッググレーティングは、その向きによって正常分散、異常分散の両特性を有し、リニアチャープファイバーブラッググレーティングのサーキュレータ４の第２ポート４ｂの接続の仕方によって正常分散領域、異常分散領域での使用が変更される。

　すなわち、このリニアチャープファイバーブラッググレーティングは、長波長のパルス成分が先に反射されかつ短波長のパルス成分が後から反射される正常分散領域での使用と、短波長のパルス成分が先に反射されかつ長波長のパルス成分が後から反射される異常分散領域での使用とを行うことができる。

　この実施例１では、短波長のパルス光成分が先に反射されかつ長波長のパルス光成分が後から反射されるという異常分散領域で使用するため、リニアチャープファイバーブラッググレーティングが第２ポート４ｂに接続されており、図１、図２A、図２Bにおいて、５ｄは入射側端面、５eは透過側端面を示している。

　そのサーキュレータ４の第３ポート４ｃは、リニアチャープファイバーブラッググレーティングにより反射されたレーザパルス光を半導体光増幅器１に帰還する帰還用導光ファイバ８に接続されている。

　そのリニアチャープファイバーブラッググレーティングの透過側端面５eから出力されるレーザ光Pのパルスはアイソレータ９を介して後段の光干渉断層撮影装置の光学系１０に導かれるものであるが、この実施例１では、実験結果の評価のため、図示を略すカップラを介して図示を略す干渉計とオシロスコープとに接続される。

　なお、光干渉断層撮影装置の光学系１０に用いるレーザ光（パルス光）Pの波長帯域幅は１μｍ程度であるが、ここでは、実験のためにパルス光の波長帯域幅として異なるものが用いられている。

　ここでは、リング共振器６の共振器長Lは、高速掃引を行うため、約２．７ｍとされている。このリング共振器６は、分散特性を有するため、ｍ次の共振周波数ｆは、以下の式を用いて表される。
ｆ（λ）＝ｍ・ｃ／｛ｎ・（L＋２Lf（λ））｝

　ここで、符号ｍは正の整数であり、ｆ（λ）は波長λにおけるｍ次の共振周波数、符号ｃは真空中の光速、符号Lf（λ）はリニアチャープファイバーブラッググレーティングの長さ、符号ｎはこのリング共振器６を構成する射出用導光ファイバ７、帰還用導光ファイバ８、リニアチャープファイバーブラッググレーティングの等価屈折率であり、屈折率ｎは一定として計算した。

　ここで、波長λ0の共振周波数をLf（λ0）＝０として表すと、波長λ0の共振周波数ｆ（λ0）は、
ｆ（λ0）＝（ｍ・ｃ）／（ｎ・L）
　このとき、波長λ１における共振周波数ｆ（λ1）は、チャープレートをAとすると、
ｆ（λ1）＝ｍ・ｃ／｛ｎ・（L＋２（λ1－λ0）／A）｝

　上記式をテーラー展開して近似すると、２つの波長間の共振周波数差Δｆは、以下の式を用いて表される。
　Δλ＝（L・A）・Δｆ／２ｆ（λ0）
　ただし、Δλ＝λ1－λ0

　この式により、リング共振器６内の強度変調周波数により、発振波長を変化せることが理解できる。共振器内に分散媒質があるため、共振器内を伝搬する光が周回する時間は、波長により異なる。共振器内に強度変調が与えられると、変調周波数と一致した波長のみが共振器内で発振することになる。

　また、波長掃引幅であるフリースペクトルレンジ（Free Spectral Range;FSR）は、以下の式により表される。
FSR=（ｃ・A）／（２・ｎ・ｆ）

　半導体光増幅器１には、注入電流制御部１１から一定の電流Iが注入される。半導体光増幅器１には、電流Iが注入されるとキャリアが生成され、レーザ光Pのパルスの入射によりそのキャリアが消費されて、レーザ光Pのパルスを増幅すると共にそのキャリアの密度変化によりレーザ光のパルス強度に依存する自己位相変調と等価な位相変調が生じる。

　図３はその半導体光増幅器１の入射端面１ｂに入射するレーザ光Pのパルスの波形とその半導体光増幅器１の射出端面１ｃから射出されるレーザ光Pのパルスの波形とを示している。その図３において、符号P１は入射端面１ｂに入射するレーザ光Pのパルス波形であり、符号P２はその射出端面１ｃから射出されるレーザ光Pのパルス波形であり、横軸は時間、縦軸は規格化されたレーザ光Pのパルスの強度を示している。

　その図３においては、入射端面１ｂに入射するレーザ光（パルス光）Pの半導体光増幅器１への入射パルス幅τｐを用いて時間軸を規格化している。この図３には、半導体光増幅器１の入射端面１ｂに入射するレーザ光Pのパルス波形P１は時間軸に関して正規分布をしているものとして、半導体光増幅器１の射出端面１ｃから射出されるレーザ光Pのパルス波形P2が描画されている。

　半導体光増幅器１がレーザ光のパルス強度に依存する自己位相変調と等価な位相変調を起こすと、パルスの立ち上がりで周波数が減少し（波長が長くなり）、パルスの立ち下がりで周波数が高くなる（波長が短くなる）。なお、このようなパルスの立ち上がりから立ち下がりにかけての周波数の変化をチャープという。

　図４はその周波数のチャープを視覚的に理解しやすく描画した図であり、横軸は時間軸であり、縦軸は、周波数のチャープを示している。
　その図４から、パルス波形P2の立ち上がり部分P2’（図３参照）では、図４に示す基準値を「０」として周波数がマイナス「－」側に変化しているので、赤方にシフトし、パルス波形P2の立ち下がり部分P2"では基準値を「０」としてプラス側「＋」に変化しているので、青方にシフトしていることが見てとれる。

　このような自己位相変調（Self Phase Modulation;SPM）と等価な位相変調が生じると、正常分散領域では、波長の長い立ち上がり部分P２’の周波数成分の伝播速度は速く、波長の短い立ち下がり部分P２”の成分の伝播速度は遅いため、パルスの時間軸幅が広がる。
また、自己位相変調（SPM）と等価な位相変調は、正常分散により発生する時間軸上での位相変調と同符号であるため、パルスの波長幅は自己位相変調（SPM）と等価な位相変調の影響により広がる。

　これに対して、異常分散領域では、パルス波形P2の立ち上がり部分P２’の伝播速度が遅く、パルス波形P2の立ち下がり部分P２”の伝播速度が速く伝播する。
　すなわち、長波長側であるパルス波形P２の立ち上がり部分P２’が周回する時間は長くかかる。これに対して、短波長側であるパルス波形P２の立ち下がり部分P２”が周回する時間は短い。

　異常分散領域でも、波長分散によりパルス幅が広がるが、このとき、自己位相変調（SPM）と等価な半導体光増幅器１の位相変調は、レーザ光のパルスを圧縮する方向に機能する。

　また、自己位相変調（SPM）と等価な位相変調は、異常分散により発生する時間軸上での位相変調と符号が異なるため、自己位相変調（SPM）と等価な位相変調による波長広がりを抑制できる。そのため、異常分散と自己位相変調（SPM）と等価な位相変調の量を調整することによりスペクトル分布を任意に変えることができる。

　すなわち、異常分散領域における波長分散によるレーザ光のパルスの広がりと半導体光増幅器１の非線形効果によるレーザ光のパルス圧縮の効果が釣り合うような状態になると、レーザ光Pのパルスが波形を保持したまま伝播するという光ソリトンの発生と同様な効果が生じる。

　図５は、正常分散領域におけるレーザ光のパルス波形と異常分散領域におけるパルス波形とを描画した図であって、この図５において、横軸は時間軸であり、縦軸は、規格化したレーザ光の強度であり、符号Q１は正常分散領域における射出パルス波形を示し、符号Q2は異常分散領域における射出パルス波形を示している。

　図６は、図５に示す両射出パルス波形の波長特性を示し、符号Q１’は分散補償器５を正常分散領域で用いた場合の波長特性（スペクトル分布）を示し、符号Q２’は分散補償器５を異常分散領域で用いた場合の波長特性（スペクトル分布）を示している。

　この図６から明らかなように、分散補償器５を異常分散領域で用いた場合の波長特性Q２’は、分散補償器５を正常分散領域で用いた場合の波長特性Q１’に対してスペクトル分布の狭窄化（狭線幅化）が実現されている。

　すなわち、このモード同期レーザ光源装置では、所定の電流Iが注入されると、半導体光増幅器１の射出端面１ｃからレーザ光Pのパルスが射出される。そして、掃引用変調部３を操作してレーザ光Pのパルス強度を変更すると、この変調されたレーザ光Pのパルス強度の光が射出用導光ファイバ７、サーキュレータ４を経由して分散補償器５に導かれる。

　そのレーザ光Pは、この分散補償器５において短波長成分が先に反射されかつ長波長成分が後から反射されて、帰還用導光ファイバ８を経由して半導体光増幅器１に戻る。このレーザ光Pがリング共振器６を周回する。その結果、この分散補償器５の異常分散領域での使用による波長分散と半導体光増幅器１によるパルス圧縮効果とにより光ソリトンと同様の効果が生じ、スペクトル分布の狭線幅化が実現される。

　この狭線幅化されたレーザ光のパルスは、その分散補償器５の透過側端面５eから取り出され、アイソレータ９を介して後段の光干渉断層撮影光学系１０に導かれる。
　ところで、スペクトル分布は、上記したように異常分散とSPMと等価な位相変調の量とを調整することにより変更が可能である。

　自己位相変調（SPM）と等価な位相変調の大きさを、異常分散により発生する位相変調の大きさに等しくなるように近づけると、スペクトル分布が狭まり、自己位相変調（SPM）と等価な位相変調の大きさと異常分散により発生する位相変調の大きさとの差が大きくなるように、自己位相変調（SPM）と等価な位相変調の大きさを、異常分散により発生する位相変調の大きさから遠ざけると、スペクトル幅が広がる。

　自己位相変調（SPM）と等価な位相変調は、３つの要素によって大きさを変化させることができる。その第１の要素は、半導体光増幅器１に入射するレーザ光Pのパルス強度である。レーザ光Pのパルス強度を大きくすると、自己位相変調（SPM）と等価な位相変調が大きくなる。このパルス強度は、掃引用変調部３の変調波形や分散補償器５の反射率等によって変化させることが可能である。

　第２の要素は、半導体光増幅器１への注入電流Iである。注入電流Iを大きくすると、SPMと等価な位相変調が生じやすくなる。
　その第３の要素は、半導体光増幅器１の種類である。量子ドットの半導体光増幅器と量子井戸の半導体光増幅器とでは後者の方がSPMと等価な位相変調を生じやすくなる。
　一方、異常分散により発生する位相変調は、分散補償器５を変更することにより、その位相変調の大きさを変更できる。

　なお、この実施例１では、掃引用変調部３に強度変調器を用いたが位相変調器を用いても良い。また、掃引用変調部３を、半導体光増幅器１の射出端面１ｃとサーキュレータ４の第３ポート４ｃとの間に配置し、光アイソレータ２を省略する構成としても良い。

（実施例２）
　図７はモード同期レーザ光源装置の実施例２を示し、この実施例２では、掃引用変調部３を半導体光増幅器１への注入電流Iをパルス制御する注入電流制御部１１により構成したものであり、残余の構成要素は実施例１と同様であるので、同一構成要素に同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

　この実施例２では、半導体光増幅器１には、パルス電流が注入電流Iとして注入され、この注入電流Iのパルス波形、周期、パルス幅、パルス電流の大きさを変更することにより、変調を発生させるものである。

（実施例３）
　図８は、モード同期レーザ光源装置の実施例３を示し、この実施例３では、リング共振器６が半導体光増幅器１の反射端面１ｄに対向する入・出射端面１eから射出されたレーザ光のパルスを導光・帰還する導光ファイバ１２から構成されている。

　この導光ファイバ１２に分散補償器５が接続されている。この分散補償器５も異常分散領域で用いられ、レーザ光Pのパルスは透過側端面５eから出力される。その分散補償器５には、リニアチャープファイバーブラッググレーティングが用いられている。

（実施例４）
　図９は、モード同期レーザ光源装置の実施例４を示し、この実施例４では、実施例３の分散補償器５としてリニアチャープファイバーブラッググレーティングを用いる代わりにボリュームホログラムを用いることにしたものである。

　この実施例４では、半導体光増幅器（SOA）として、導波路構造体１aの導光路に対して入・出射端面１eが斜めになることによりその反射を０．００１％以下に抑制したものが用いられている。

　入・出射端面１eから射出されるレーザ光Pのパルスは、コリメートレンズ１３により平行光束とされて、ポラライザー（偏光子）１４に導かれ、ボリュームホログラムを通して異常分散領域による分散を受けた後、集束レンズ１５に導かれる。その後、そのレーザ光のパルスは、導光ファイバ１６に入射されて、後段の光干渉断層撮影装置の光学系１０に導かれる。なお、ポラライザー１４は省略可能である。

　以上、実施例では、分散補償器５として、リニアチャープファイバーブラッググレーティング又はボリュームホログラムを用いることにしたが、本発明は、これらに限られるものではなく、チャープミラーを用いても良い。

Claims

　注入電流が注入されてキャリアが生成されかつ前記キャリアの消費によりレーザ光のパルスを増幅すると共に前記キャリアの密度変化により前記レーザ光のパルス強度に依存する自己位相変調と等価な位相変調を生じる半導体光増幅器と、
　該半導体光増幅器から射出されるレーザ光のパルスの発振波長を可変とする掃引用変調部と、
　該掃引用変調部により変調された前記レーザ光のパルスを前記半導体光増幅器に帰還させてレーザ発振させる共振器と、
　異常分散領域で用いられかつ前記共振器を導波中の前記レーザ光のパルスの波長に依存して該レーザ光のパルスの帰還時間を変化させる分散補償器とを有することを特徴とするモード同期レーザ光源装置。
　前記共振器が前記半導体光増幅器の射出端面から射出されたレーザ光のパルスを導光する射出用導光ファイバと、該射出用導光ファイバを伝播するレーザ光のパルスを前記半導体光増幅器の入射端面に導光する帰還用導光ファイバと、前記射出用導光ファイバと前記帰還用導光ファイバとがそれぞれポートに接続されしかも両ポートの間に前記分散補償器が接続され、該分散補償器から前記レーザ光のパルスが出力されることを特徴とする請求項１に記載のモード同期レーザ光源装置。
　前記共振器が前記半導体光増幅器の反射端面に対向する入出射端面から射出されたレーザ光のパルスを導光・帰還する導光ファイバから構成され、該導光ファイバに前記分散補償器が接続され、該分散補償器から前記レーザ光のパルスが出力されることを特徴とする請求項１に記載のモード同期レーザ光源装置。
　前記掃引用変調部が前記半導体光増幅器から射出されたレーザ光のパルスの強度又は位相を変調する変調器から構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモード同期レーザ光源装置。
　前記掃引用変調部が前記半導体光増幅器への注入電流をパルス制御する注入電流制御部であることを特徴とする請求項１又は請求項３に記載のモード同期レーザ光源装置。
　前記分散補償器がリニアチャープファイバーブラッググレーティング又はチャープミラー又はボリュームホログラムであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のモード同期レーザ光源装置。
　請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載のモード同期レーザ光源装置を有する光干渉断層撮影装置。