WO2013069106A1

WO2013069106A1 - 光源装置及びこれを用いた撮像装置

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Publication number: WO2013069106A1
Application number: PCT/JP2011/075812
Authority: WO
Inventors: 山田　朋宏
Original assignee: キヤノン株式会社
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2011-11-09
Publication date: 2013-05-16
Also published as: JP5950929B2; US9130346B2; US20130114086A1; JPWO2013069106A1

Abstract

　光利得媒体自体により構成されるファブリペロー共振器により生ずるゲインの波長に依存した変動を抑制する。　光利得媒体と、光を透過させる光学部材と、を光共振器内に備えた光源装置であって、　前記光利得媒体の一方の端面と他方の端面で規定される第１のファブリペロー共振器は、前記光利得媒体の増幅周波数帯域内における周波数に対応して第１の透過率振幅を有し、　前記他方の端面と該他方の端面に対向する前記光学部材の一方の端面とで規定される第２のファブリペロー共振器は、前記増幅周波数帯域内における周波数に対応して第２の透過率振幅を有し、前記第２のファブリペロー共振器の共振器長を、前記第１の透過率振幅と前記第２の透過率振幅との合成値が前記第１の透過率振幅よりも小さな値となる、長さとしたことを特徴とする光源装置。

Description

光源装置及びこれを用いた撮像装置

　本発明は発振波長を変化させることが可能な光源装置、及びこれを用いた撮像装置に関する。

　光源、特にレーザ光源については、発振波長を可変とするものが通信ネットワーク分野や検査装置の分野で種々利用されてきている。

　通信ネットワーク分野では、高速な波長切替、また、検査装置の分野では高速で広範な波長掃引等が、要望されている。

　検査装置における波長可変（掃引）光源の用途としては、レーザ分光器、分散測定器、膜厚測定器、波長掃引型光干渉トモグラフィー（Ｓｗｅｐｔ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＳＳ－ＯＣＴ）装置等がある。

　光干渉トモグラフィーは、光干渉を用いて検体の断層像を撮像するもので、ミクロンオーダーの空間分解能が得られることや無侵襲性等の理由から医用分野における研究が近年、盛んになってきている撮像技術である。

　波長掃引型光干渉トモグラフィーでは、深さ情報を得るのにスペクトル干渉を用い、分光器を用いないことから光量のロスが少なく高ＳＮ比の像取得も期待されている。

　ここで、光干渉トモグラフィーなど光源より出射される光の干渉を用いて画像を構成する装置においては、光源より出射される光のスペクトルが構成される画像に影響を及ぼし、画像はスペクトル形状が反映されたものとなる。

　こうした中、特許文献１には、光増幅装置を用いて多中継伝送（長距離中継伝送）を行う際に、光増幅装置内の反射に起因する利得の周期的なリップルが信号帯域の減少等をもたらすのを抑制する技術が開示されている。具体的には、複数の光増幅器におけるリップルを与える周波数を制御することで、各光増幅器におけるリップルを相殺することが開示されている。

特開平３―７５６２１号公報

　特許文献１では、同じ周波数領域に複数のゲイン媒体を用い、それぞれのゲインの増幅率リップルの周波数を異ならしめることで増幅率リップルを平均化する技術が開示されている。しかしこの方法では同じ周波数帯に複数のゲイン媒体を必要とするため、一つの周波数領域に単一のゲイン媒体を用いる光源形式においては増幅率リップルを解消できない。

　今、ＳＳ－ＯＣＴ装置に適用可能な光源装置を考えると、ＳＳ－ＯＣＴ装置では、被検体である物体からの反射率スペクトルの干渉を、光源の波長を掃引させながら取得する。このため、光源の掃引中の強度変動が少ないこと、そしてスペクトル形状変化が少ないことが得られる画像におけるノイズの原因となる偽信号の発生を抑制する観点から好ましい。

　ここで、光利得媒体として、半導体光増幅器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）を考える。

　発明者の検討によると、ＳＯＡを用いて波長掃引型レーザ装置を構成すると、出射される光を増幅させるための光共振器とは別に、ＳＯＡを構成する２つの端面の間でファブリペロー共振器（光共振器）が構成され、この共振器により不都合を生ずることが明らかとなった。

　即ち、ＳＯＡ自体により構成されるファブリペロー共振器により、透過率が光周波数に対して周期的に増減、つまりゲインが波長に依存して変動することが明らかとなった。

　そして、この現象が原因となって波長掃引動作中の発振強度変化やスペクトル形状変化をもたらし、得られる画像にノイズを生ずることが判明した。

　本発明により提供される光源装置は、光利得媒体と、光を透過させる光学部材と、を光共振器内に備えた光源装置であって、前記光利得媒体の一方の端面と他方の端面で規定される第１のファブリペロー共振器は、前記光利得媒体の増幅周波数帯域内における周波数に対応して第１の透過率振幅を有し、
　前記他方の端面と該他方の端面に対向する前記光学部材の一方の端面とで規定される第２のファブリペロー共振器は、前記増幅周波数帯域内における周波数に対応して第２の透過率振幅を有し、
　前記第２のファブリペロー共振器の共振器長を、前記第１の透過率振幅と前記第２の透過率振幅との合成値が前記第１の透過率振幅よりも小さな値となる、長さとしたことを特徴とする。

　本発明の光源装置では、第２のファブリペロー共振器の共振器長を、第２のファブリペロー共振器の有する第２の透過率振幅と第１の透過率振幅との合成値が、第１の透過率振幅よりも小さな値となる、長さとすることで、第１のファブリペロー共振器の第１の透過率振幅を相殺して抑制することができる。
　これにより波長掃引動作中の発振強度変化やスペクトル形状変化が抑制される。

本発明の光源装置を説明するための模式図本発明の光源装置の一例を説明するための模式図本発明の光源装置を構成する部材の一例を説明するための模式図本発明の実施例における光増幅器の透過率を示すグラフ本発明の光源装置を適用したＯＣＴ装置の一例を示す模式図本発明の光源装置を適用したＯＣＴ装置の一例を示す模式図本発明の光源装置の一例を説明するための模式図本発明者が着目した従来の光源装置における課題を説明する模式図

　本発明は、光利得媒体の一対の端面で規定されるファブリペロー共振器（光共振器）の光利得媒体の増幅周波数帯域内における周波数に対応した透過率振幅を、光利得媒体の一つの端面と別の光学部材の端面とで構成されるファブリペロー共振器の透過率振幅により、相殺させることが可能であるという発明者が見出した知見に基づいている。

　本発明の実施の形態を、本発明者が着目した従来の光源装置における課題を踏まえて説明する。

　図８（Ａ）は、従来の一般的な外部共振器型の光源装置を示している。
　図８（Ａ）において、８３０は一方の反射部材（ミラー）であり、８５０は回転軸８５３を中心に回転し、表面にミラー８５１が選択的に設けられた他方の反射部材である。

　ここで２つの反射部材により光共振器が構成されており、光共振器内に光利得媒体として一対の端面８０２及び８０３を備えた半導体光増幅器（ＳＯＡ）８０１と、回折格子８４０とが配されている。

　半導体光増幅器８０１内で発生し、端面８０３より放出された光は回折格子８４０により波長に応じて角度分散が与えられる。

　波長に応じて角度分散が与えられた光は、反射部材８５０の表面に選択的に配されたミラー８５１により反射され、反射光が半導体光増幅器８０１に帰還すると共に、光共振器（８３０、８５１）により増幅された後、出射光８８０として出射される。

　ここで、反射部材８５０を回転させてミラー８５１の位置を移動させることで、出射光８８０の発振波長を変化（掃引）させることが可能となる。

　図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の光源装置より出射される光８８０のゲインと、半導体光増幅器８０１自体が有するゲインとの関係を示したグラフである。

　発明者の検討によると、半導体光増幅器（ＳＯＡ）８０１を構成する一対の端面８０２及び８０３によるファブリペロー共振器により生ずるゲイン８８４は、波長（λ１～λｎ）に応じて変動している。

　図８（Ａ）の光源装置より本来出射させたい光は単峰性を備えたスペクトル波形８８５を有するものである。

　しかしながら半導体光増幅器８０１自体が有するゲイン８８４が波長に応じて変動するため、この変動の影響を受けて本来の望ましいスペクトル波形８８５は、トップピーク８８１の他にリップル８８２及び８８３のピークを備えたスペクトル波形となる。本願発明では、ゲインスペクトル又は透過率スペクトル上に光周波数に対して周期的な増減が重畳されたものをリップルと呼ぶ。このゲイン変動８８４の為に、発振スペクトルの形状は波長の掃引と共に変化する。

　そして、この光源装置をＯＣＴ装置に適用した場合には、波長掃引と共にスペクトル形状が変動することが原因となって、ＯＣＴ像上に偽の像（偽信号）を発生し、ＯＣＴ装置により得られる断層画像にノイズとなって現れることが判明した。

　本発明は、発明者が見出したこうした課題に鑑みてなされたものである。
　以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

　図１は、本発明の光源装置を説明するための模式図である。
　本発明の光源装置では、光共振器の中に光利得媒体と光を透過させる光学部材とが配され、光学部材と光利得媒体との端面により構成されるファブリペロー共振器により光利得媒体自体によるファブリペロー共振器のゲイン変動をキャンセルして抑制している。

　図１（Ａ）は、本発明の光源装置の一例を示す模式図である。
　図１（Ａ）において、１３０は一方の反射部材（ミラー）であり、１５０は回転軸１５３を中心回転し、表面にミラー１５１が選択的に設けられた他方の反射部材である。

　ここで２つの反射部材（１３０及び１５１）により光共振器が構成され、この光共振器内で光が増幅される。

　光共振器内には、本発明の特徴点である光利得媒体１０１の端面１０３と対向する端面１２１を備えた光学部材１２０が配されている。光学部材１２０は、光共振器内の特定の位置に光利得媒体１０１と隣接または近接して直列に配置される。

　また、光共振器内には、光利得媒体として一対の端面１０２及び１０３を備えた半導体光増幅器（ＳＯＡ）１０１と、回折格子１４０とが配されている。半導体光増幅器１０１内で発生し、端面１０３より放出された光は光を透過させる光学部材１２０を経て、回折格子１４０により波長に応じて角度分散が与えられる。

　波長に応じて角度分散が与えられた光は、反射部材１５０の表面に選択的に配されたミラー１５１により反射され、反射光が半導体光増幅器１０１に帰還すると共に、光共振器（１３０、１５１）により増幅された後、出射光１８０として出射される。

　ここで、反射部材１５０を回転させてミラー１５１の位置を移動させることで、出射光１８０の発振波長を変化（掃引）させることが可能となる。
　光を透過させる光学部材１２０は、次の特定の条件を満足するように配置される。

　即ち、光利得媒体１０１の一方の端面１０２と他方の端面１０３で規定される第１のファブリペロー共振器（ＦＲ１）は、光利得媒体の増幅周波数帯域内における周波数に対応して第１の透過率振幅を有している。また、前記他方の端面と該他方の端面に対向する光学部材１２０の一方の端面１２１とで規定される第２のファブリペロー共振器（ＦＲ２）は、前記増幅周波数帯域内における周波数に対応して第２の透過率振幅を有している。

　そして、前記第２のファブリペロー共振器の共振器長を、前記第１の透過率振幅と前記第２の透過率振幅との合成値が前記第１の透過率振幅よりも小さな値となる、長さとしている。

　つまり、第２のファブリペロー共振器（ＦＲ２）の共振器長を適切な値とすることで、光利得媒体１０１の波長（周波数）に対するゲインの変動（透過率の変動、透過率リップル）を第２のファブリペロー共振器（ＦＲ２）の透過率の変動（透過率リップル）で相殺する。

　図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の光源装置における半導体光増幅器１０１自体により構成される第１のファブリペロー共振器が有するゲイン（又は透過率）１８４と、第２のファブリペロー共振器が有する透過率１２７との関係を示したグラフである。

　本発明の光源装置では、図１（Ｂ）に示されるように第１の透過率振幅１８４と第２の透過率振幅１２７とを用いてこれらの合成値が前記第１の透過率振幅よりも小さな値となるように第２のファブリペロー共振器の共振器長が設定される。

　本発明の光源装置は、光利得媒体の増幅周波数帯域内の増幅率が最大となる周波数領域において、第１の透過率振幅が極大値又は極小値の一方を取る周波数と、第２の透過率振幅が前記極大値又は極小値の他方を取る周波数と、が略一致するものを包含する。

　ここで略一致は、第１の透過率振幅が極大値又は極小値の一方を取る周波数の位相と、第２の透過率振幅が前記極大値又は極小値の他方を取る周波数の位相と、が１π／２～３π／２の範囲内にあることを含む。さらに好ましくは、３π／４～５π／４の範囲内にあることを含む。

　以下、別の図面を参照して詳細に説明する。尚、本願明細書では、図面が異なっても同一の部位については、原則同一の番号を付すことし、なるべく重複した説明は避けることとする。

　図２（Ａ）は本発明の光源装置の一例を示す模式図であり、光源装置を横から見た図である。

　図２（Ａ）の光源装置においては、ミラー１３０、半導体光増幅器１０１、コリメータレンズ１３５、分散素子としての回折格子１４０、集光レンズ１４５、スリット状のミラーを配した回転可能な円盤１５０を用いて光共振器が構成されている。

　制御装置１５４に接続された回転可能な円盤１５０は、反射型の波長選択素子として機能するが、円盤は反射型に限るものではなく、透過型の波長選択素子であってもよい。その場合には、反射ミラーを回転スリット円盤後段に配置する。ここで、波長選択素子は、円盤ではなくポリゴンミラーのような多面体で構成することも可能である。

　光増幅器１０１には制御装置１７５に接続されたＬＤドライバ１７０が接続されている。

　そして、回折格子１４０からの透過光は、ミラー１０８で反射され、集光レンズ１０９を通して光ファイバ１１０に結合されることで、光源装置の出力を共振器外へ取り出す構成になっている。

　本例では、光を透過させる光学部材１２０としてファブリペローエタロン（以下、単に「エタロン」ともいう。）を用い、エタロンを不図示の微動ステージ上に固定して、半導体光増幅器１０１と隣接させて配置している。半導体光増幅器１０１の端面と、エタロン１２０の端面とでファブリペロー共振器１１９が構成されている。

　半導体光増幅器１０１は自身の内面反射によるファブリペローモードによる透過率リップルを有する。また、半導体光増幅器１０１の端面とエタロン１２０の端面との間で構成されるファブリペロー共振器１１９も透過率リップルを有する。

　そして、ファブリペロー共振器１１９の共振器長を適切に設定することで、半導体光増幅器１０１自身の透過率リップルと、ファブリペロー共振器１１９の透過率リップルをある周波数帯域で相殺する。

　図２（Ｂ）は、光源装置のスリット円盤１５０の上面図であり、スリット円盤１５０の上面には円盤の円周に沿って複数配置したスリット状の反射部１５１と、遮光部１５２がある。集光スポット１１５はスリット円盤１５０の周方向に波長に対応して分散して集光している。同図において１１６は、回転原点検出スリットであり、これにより回転スリットの原点を検出する。

　図３は、図２における光利得媒体１０１とエタロン１２０とを拡大して示した図である。図３において、光利得媒体１０１とエタロン１２０が配置されることで、光利得媒体の端面１０３とエタロン１２１の端面１２１とによりファブリペロー共振器１１９が形成されている。

　ここで、光利得媒体１０１は半導体光増幅器（ＳＯＡ）として説明する。
　ここで、光利得媒体１０１の素子長に屈折率を乗じた光路長をＬ_１とする。そして上記ファブリぺロー共振器１１９が有する共振器長をＬ’と記述する。

　本発明においては、下記の条件式、式（１）

・・・式（１）
を満たしている場合に、光利得媒体１０１の透過率リップルとファブリペロー共振器１１９の透過率リップルが周波数ν_０において相殺できる。
　ここで、式（１）において光速をｃ、整数をｎとしている。

　よって、光利得媒体１０１の光路長Ｌ_１に対してファブリペロー共振器１１９の共振器長Ｌ’を、上式を満たすように設定することで、周波数ν_０において光利得媒体１０１が有する透過率リップルを抑制することが可能である。

　以下、整数ｎについての条件を述べる。
　共振器長Ｌ_１とＬ’が異なることから、両者のＦＳＲ（自由スペクトル間隔：Free Spectral Range）（＝ｃ／２Ｌ）は僅かに異なる値であるため、ν_０以外の全ての周波数帯で完全に両者の透過率リップルが逆相で重畳されるものではない。

　たとえばＬ_１とＬ’の透過率リップルのピーク周波数が、光利得媒体１０１が有する増幅周波数帯域内のある周波数ν_０付近においてＬ_１のＦＳＲの丁度半分だけシフトしている場合、周波数２×ν_０では透過率リップルは互いに同相で重畳される。また周波数０においても同相で重畳される。

　逆に上述の考察より、Ｌ_１とＬ’の透過率リップルが弱めあう周波数帯はおおよそ１／２ν_０から３／２ν_０の間の、周波数幅ν_０の範囲内の周波数帯域である。したがって波長掃引光源として使用するのはこの周波数帯域内が好適である。

　また、一般にＬ_１とＬ’のＦＳＲが周波数ν_０においてＬ_１のＦＳＲの（ｎ＋１／２）分だけ周波数がずれている場合、両者が逆相で重畳される周波数帯域幅Δは下記の式（２）で表現できる。

　光利得媒体１０１が持っている増幅周波数帯域内の全域でＬ_１とＬ’の透過率リップルが少なくとも強め合わない、あるいは逆相で重畳される条件は、上記Δの幅が増幅周波数帯域以内に収まることが必要である。この条件は以下の式（２）となる。

・・・式（２）

　また、この式（２）から、上記nが満たすべき条件は、以下の式（３）となる。

・・・式（３）

　ここで、光利得媒体の増幅周波数帯の幅をν_Ｇとする。一般的に増幅周波数帯は増幅率の最大値から３ｄＢ小さい増幅率を有する周波数帯域を以て設定する。

　つまり、エタロン１２０の端面１２１と光利得媒体１０１の端面との間隔Ｌ’を上記関係式にしたがって設定することにより、光利得媒体１０１が有する透過率リップルを抑制することが出来る。

　上記のように増幅帯域内で光利得媒体１０１の透過率リップルを少なくとも強め合わないように重畳することにより、波長掃引動作中の強度変化や瞬時スペクトル形状の変化を抑制でき、光源の安定動作も可能となるため好適である。

　さらに、上記Ｌ_１とＬ’によって透過率リップルが完全に逆相で重畳される周波数ν０が増幅帯域内に存在する状態はさらに好適である。前記周波数ν_０において透過率リップルはもっとも強く抑制されているため、ν_０近傍での波長掃引動作は好ましい。

　Ｌ’の調整方法は、例えば、光利得媒体１０１あるいは光学部材１２０の少なくとも一方をピエゾステージ等の微動ステージ上に設置し、これらの間隔を調整することで可能となる。

　別の手法としては、例えば、光利得媒体１０１がＳＯＡの場合にはその温度や電流量を調整することで半導体素子内の屈折率を微調整しＬ_１を変化させることも可能である。

　また、上記構成はエタロンを用いた系に限るものではない。光を透過させる光学素子としては、内部反射によるファブリペローモードを持たない素子も採用し得る。例えば、ウェッジが付いているＡＲ（Anti-Reflection）コート付きガラス板などがその例である。またＳＳ－ＯＣＴに適用することを鑑みれば、内部反射によるファブリペローモードが存在していても、透過率スペクトル上に重畳されるリップルの周波数が充分高周波であり、ＳＳ－ＯＣＴ撮像に必要とする周波数帯域から外れていれば好適である。

　尚、本願発明においては、光利得媒体１０１の２つの端面により構成されるファブリペロー共振器に起因する透過率振幅を、光利得媒体１０１の端面と隣接して配置された光を透過させる光学部材１２０との端面で構成される透過率振幅を用いて抑制している。

　光源装置においては、光源装置を構成する種々の光学部材の端面でファブリペロー共振器が構成される。例えば、図２（Ａ）におけるミラー１３０と光利得媒体１０１の端面との間、光利得媒体１０１の端面と回転円盤１５０との間、光学部材１２０と回転円盤１５０との間等である。

　しかしながら、これらの共振器長は、通常少なくとも０．５ｍｍ以上とすることができるため、透過率スペクトル上に重畳されるリップルの周波数を、ＳＳ－ＯＣＴ撮像に必要とされる周波数帯域から外れた充分に高い高周波とすることで無視することができる。

　一方で、光利得媒体１０１自身によるファブリペロー共振器のリップルは無視することができない。そこで、本願発明では、光を透過させる光学部材１２０を光利得媒体１０１の端面と、近接または隣接して配置することにより、無視できないリップルを抑制しているのである。

　また、光を透過させる光学素子１２０は、光利得媒体で構成することも可能であり、その場合には、第二の光利得媒体となる。

　ここで、ＳＳ－ＯＣＴ装置において、波長掃引幅Δλ、発振波長λ０、とすると、深さ分解能は以下の式（４）で表される。

・・・式（４）

　従って、奥行き分解能を高めるためには波長掃引幅の拡大が必要であり、広帯域な波長掃引光源が求められることとなる。

　ところが、広帯域な増幅帯域を単一の光利得媒体で実現することが困難な場合もある。このような状況では、増幅周波数が異なる複数の光利得媒体を用いて総合的な光増幅周波数帯域を発現させ、単一増幅媒体の場合よりも広帯域化することが好適である。複数の光利得媒体は、第１の光利得媒体、第２の光利得媒体、・・・と本願明細書では呼ぶ。

　複数の光利得媒体を用いる場合、上述の議論と同様に各光利得媒体が有する透過率リップルとファブリペロー共振器１１９の透過率リップルが前記総合的光増幅周波数帯域内では強め合わないようにＬ’を設定することが好ましい。上述の様に、複数の光利得媒体が有する透過率リップルを、複数の素子間隔Ｌ’によるファブリペローモードによって相殺することを考えると、上述のＬ_１とＬ’との関係式がそのまま、第二の光利得媒体の長さＬ_２とＬ’の関係にも当てはまる。尚、第二の光利得媒体の長さＬ_２は、第３のファブリペロー共振器の長さでもある。

　つまり、複数の光利得媒体でつくる総合的な増幅帯域内のある周波数ν_１において第一の光利得媒体の透過率リップルとファブリペロー共振器１１９の透過率リップルが逆相で重畳する状態を実現する。

　なお且つ、周波数ν_２において第二の光利得媒体の透過率リップルとファブリペロー共振器１１９の透過率リップルが逆相で重畳するようにする。

　ｎ_１、ｎ_２を整数として上述と同様に以下の式（５）～式（８）が成り立つ。

・・・式（５）

・・・式（６）

・・・式（７）

・・・式（８）

　これらの式を満足する状況を実現することで、増幅帯域内において各利得媒体が有する透過率リップルが強め合うように重畳することはない状態を実現出来る。

　これは複数の光利得媒体を使った利得の広帯域化の際に、掃引中の発振強度の変動が抑制され、瞬時のスペクトル形状の変化も抑制出来るため好適である。

　更に、この光源を用いると波長掃引帯域を広帯域化したＳＳ－ＯＣＴ装置を構成でき、ＯＣＴ信号を取得する際にも、ノイズが少なくかつ偽信号が抑制されたＯＣＴ撮像を得ることが可能となる。

　ここでさらに好適な例として、光増幅周波数帯域内に各光利得媒体とファブリペロー共振器の透過率リップルが完全に逆相になる周波数ν_１、ν_２が存在している場合の条件を以下に述べる。

　ここで、式中において、光利得媒体の増幅周波数帯の幅をν_Ｇ、その低周波端をν_ＧＳ、高周波端をν_ＧＥとする。そして、ｎ_１,ｎ_２は共に０であるとし、さらにν_１、ν_２がν_ＧＳ以上ν_ＧＥ以下である条件から以下の式（９）及び式（１０）が得られる。
即ち、

・・・式（９）

・・・式（１０）
であることが導かれる。

　即ち、第１の光利得媒体および第２の光利得媒体が有する増幅周波数帯域は少なくともその一部の周波数が重複し、第１の光利得媒体と第２の光利得媒体とで構成される総合増幅周波数帯域の、低周波端をν_ＧＳ、高周波端をν_ＧＥとして、Ｌ_１、Ｌ’、及びＬ_２に関する上記の２式が得られる。

　上式を満たす状況では、透過率リップルが完全に逆相になる周波数ν_１およびν_２近傍では発振強度の変動や瞬時スペクトル形状の変動が最も小さくなるため、光源の安定動作のためには更に好適である。

　これまで光利得媒体として半導体光増幅器（ＳＯＡ）を例に説明したが、半導体光増幅器は、小型で且つ高速制御が可能なことから好ましい。

　半導体光増幅器を構成する材料は、一般的な半導体レーザを構成する化合物半導体等を用いることができ、具体的にはＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＡｓＰ系、ＧａＡｌＳｂ系、ＧａＡｓＰ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＮ系等の化合物半導体を挙げることができる。半導体光増幅器は、利得の中心波長が、例えば、８４０ｎｍ、１０６０ｎｍ、１３００ｎｍ、１５５０ｎｍのものの中から光源の用途等に応じて適宜、選択して採用することができる。

　本例では、図２に示す光源装置を構成した。
　図２（Ａ）は、本例の光源装置を横から見た図である。
　図２（Ａ）の光源装置では、ミラー１３０、半導体光増幅器１０１、エタロン１２０、コリメータレンズ１３５、回折格子１４０、集光レンズ１４５、スリット状のミラーを配した回転可能な円盤１５０を含んで光共振器が構成されている。半導体光増幅器１０１のゲイン帯域（増幅周波数帯域）は８２０ｎｍから８６０ｎｍである。

　回転可能なスリット円盤１５０が反射型の波長選択素子として機能する。半導体光増幅器１０１には制御装置１７５に接続されたＬＤドライバ３０７が接続されている。

　そして、回折格子１４０からの透過光は、ミラー１０８で反射され、集光レンズ１０９を通して光ファイバ１１０に結合されることで、本発明の光源の出力を共振器外へ取り出す構成になっている。

　エタロン１２０は不図示の微動ステージ上に固定され、半導体光増幅器１０１と隣り合って配列されている。ここで、半導体光増幅器１０１の端面と、エタロン１２０の端面とでファブリペロー共振器１１９が構成されている。半導体光増幅器１０１の素子長に屈折率を乗じた光学的光路長は２．０００ｍｍである。

　また、ファブリペロー共振器１１９の共振器長が１．９９８ｍｍになるように微動ステージを駆動してエタロン１２０を配置する。エタロン１２０には、その両端面のなす角度に３０分のウェッジがつけられている。

　この構成とすることで図４に示されるように、半導体光増幅器１０１自身の透過率リップル４０１と、半導体光増幅器１０１の端面とエタロン１２０の端面との間で構成されるファブリペロー共振器１１９の透過率リップル４０２は、波長８４０ｎｍ近傍で逆相となり重なり合う。

　半導体光増幅器１０１の透過率リップル４０１がファブリペロー共振器１１９の透過率リップル４０２と、波長８４０ｎｍにおいてそのピーク波長がＦＳＲ４０３の半分だけ相違するようにファブリペロー共振器１１９の長さを設定している。

　ゲイン帯域内で透過率リップル４０１と透過率リップル４０２が完全に逆相でなくとも強めあわなければ良いという条件のもとでは、必要とされるファブリペロー共振器１１９の長さの精度は約４００ｎｍである。この精度は、ピエゾ素子を用いた微動ステージ等で駆動すれば調整可能な精度である。

　ＬＤドライバ１７０は光増幅器１０１にエネルギーを投入しそのゲインを制御するための機器である。ＬＤドライバ１７０は制御装置１７５に接続されており、制御装置１７５はＬＤドライバ１７０や回転可能なスリット円盤１５０に接続された制御装置１５４の制御を行う。回転スリット円盤制御装置１５４はスリット円盤１５０の回転速度の制御や電源供給等を行う。

　図２（Ｂ）に示すように、回転可能なスリット円盤１５０にはスリット状の反射部１５１と、遮光部１５２とが設けてある。遮光部１５２は厚さ１００ｎｍの酸化クロムで構成する。反射部１５１は石英基板上にアルミニウムを厚さ１００ｎｍで形成したものである。

　回折格子１４０、集光レンズ１４５を経て得られる集光スポット１１５は、図２（Ｂ）に示した通り、回転スリット円盤１５０の周方向に波長分散して集光する。そして、回転原点検出スリット１１６により回転スリットの原点が検出される。

　本例の光源装置では、半導体光増幅器１０１から回転スリット円盤１５０表面までの光路の長さ（共振器長）を５０ｍｍとしてある。

　半導体光増幅器１０１より放出された光は、回折格子１４０により分光され、回転スリット円盤１５０の表面上に集光する。具体的には、波長８２０ｎｍから８６０ｎｍの光が２．５ｍｍ幅の範囲内に分光され波長ごとに異なる位置に集光される。この集光位置は回転スリット円盤１５０の表面上であり、集光スポットに対して回転スリット円盤１５０上の反射部１５１が移動することで、反射される光の波長が変化し、波長掃引光源として動作する。

　ここで、集光レンズ１４５は焦点距離１００ｍｍ、直径５ｍｍのレンズとしてある。

　本例では、簡便な構成でゲイン帯域内での透過率リップルが抑制され、波長掃引動作中の発振強度変化やスペクトル形状変化が小さな波長掃引光源を構成できる。

　本例の光源装置は、実施例１で述べた光源装置に類似する光源装置であるが、実施例１におけるエタロン１２０に代えて半導体光増幅器７２０を半導体光増幅器１０１と直列に配置した点が主たる差異である。

　図７に本例の光源装置を示す。図７においては、実施例１の光源装置を構成する部位と同一の部位については同じ符号を付しているので詳しい説明は省略し、差異のあるところを中心に説明する。

　本例の半導体光増幅器のゲイン帯域は、半導体光増幅器１０１と半導体光増幅器７２０との総合的な増幅帯域として８００ｎｍから８８０ｎｍを発現する。

　半導体光増幅器７２０は、不図示の微動ステージ上に固定され、半導体光増幅器１０１と隣り合って配列されている。ここで、半導体光増幅器１０１の端面と、半導体光増幅器７２０の端面とでファブリペロー共振器７１９が構成されている。半導体光増幅器１０１および半導体光増幅器７１７の素子長に屈折率を乗じた光学的光路長は２．０００ｍｍである。

　また、ファブリペロー共振器７１９の共振器長が１．９９８ｍｍになるように微動ステージを駆動して半導体光増幅器７１７を配置する。

　ゲイン帯域（増幅周波数帯域）内で各半導体光増幅器とファブリペロー共振器７１９が有する透過率リップルが互いに強め合わない条件は、各半導体光増幅器の共振器長の精度として、ゲイン帯域周波数が発振周波数の１／１０程度である場合に約２００ｎｍである。

　また、ゲイン帯域周波数内に、各半導体光増幅器とファブリペロー共振器７１９が有する透過率リップルが互いに完全に打ち消し合う周波数を設けるための、各素子の共振器長の許容し得る差（精度）は約２０ｎｍである。

　これは加工精度で達成するのは困難であり、半導体光増幅器の温度や電流量を変化させることで僅かに屈折率を変化させて素子の実効的な素子長をコントロールし、素子が持つＦＳＲを微調整することも好適である。

　本例の装置においては、ＬＤドライバ１７０に加えてＬＤドライバ７７０が設けられており、この２つのドライバにより半導体光増幅器１０１と７２０とが個別に制御される。

　本例の光源装置では、複数の光増幅器を用いて広帯域ゲインを実現しつつ、ゲイン帯域内での透過率リップルが抑制される。これにより波長掃引動作中の発振強度変化やスペクトル形状変化が小さく、ＳＳ－ＯＣＴ信号に対してノイズ付与が小さい光源を構成できる。

　本例では、本発明の光源を用いた光干渉断層撮像装置の例を示す。
　図５は本例のＯＣＴ装置の模式図である。
　図５のＯＣＴ装置は、基本的には光源部（５０１等）、光源部からの光を検体に照射し、検体部からの反射光を伝達させる検体測定部（５０７等）、光を参照ミラーに照射し、参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部（５０２等）、２つの反射光を干渉させる干渉部（５０３）、干渉部により得られた干渉光を検出する光検出部（５０９等）、光検出部で検出された光に基づいて画像処理を行う（断層像を得る）画像処理部（５１１）で構成されている。以下、各構成要素を説明する。

　光源部は、波長可変光源５０１と該波長可変光源を制御する光源制御部５１２を有して構成され、波長可変光源５０１は光照射用の光ファイバ５１０を介して干渉部を構成するファイバカップラ５０３に接続されている。

　干渉部のファイバカップラ５０３は、光源の波長帯域でシングルモードのもので構成し、各種ファイバカップラは３ｄＢカップラで構成した。

　反射ミラー５０４は、参照光光路用ファイバ５０２に接続されて参照部を構成し、ファイバ５０２は、ファイバカップラ５０３に接続されている。

　検査光光路用５０５ファイバ、照射集光光学系５０６、照射位置走査用ミラー５０７により測定部が構成され、検査光光路用５０５ファイバは、ファイバカップラ５０３に接続されている。ファイバカップラ５０３では、検査物体５１４の内部及び表面から発生した後方散乱光と、参照部からの戻り光とが干渉して干渉光となる。

　光検出部は、受光用ファイバ５０８とフォトディテクタ５０９で構成され、ファイバカップラ５０３で生ずる干渉光をフォトディテクタ５０９に導く。

　フォトディテクタ５０９で受光された光は信号処理装置５１１にてスペクトル信号に変換され、さらにフーリエ変換を施すことで被験物体の奥行き情報を取得する。取得された奥行き情報は画像出力モニター５１３に断層画像として表示される。

　ここで、信号処理装置５１１は、パーソナルコンピュータ等で構成することができ、画像出力モニター５１３は、パーソナルコンピュータの表示画面等で構成できる。

　本実施例で特徴的なのは光源部であり、波長可変光源５０１に本発明の光源装置を用いる。波長可変光源５０１は、光源制御装置５１２によりその発振波長や強度及びその時間変化が制御される。

　光源制御装置５１２は、照射位置走査用ミラー５０７の駆動信号等をも制御する信号処理装置５１１に接続され、走査用ミラー５０７の駆動と同期して波長可変光源５０１が制御される。

　例えば、実施例１または実施例２で説明した光源装置を本例の波長可変光源５０１として用いると、これら光源ではゲイン媒体の透過率リップルを抑制出来、波長掃引中の発振強度の変動や瞬時スペクトル形状の変化などが抑制される。

　これによりＯＣＴ画像に対するノイズ付与が少ないことから、ＳＮ比が高いＯＣＴ干渉像を取得することが可能となる。このため反射率が低い構造や、生体組織の奥深くからの弱い散乱光のデータも取得可能となる。

　図５では比較的簡易なＯＣＴ装置の構成を示したが、例えば図６に示すような、干渉信号を差動検出するための光学系を用いて構成することもできる。

　図６に示した装置では、図５に示した装置と同一の部位には同一の符号を付している。

　図６の装置は、図５のフォトディテクタ５０９に代えて光検出器と差動増幅器とを兼ね備えたバランスフォトディテクタ６１０とファイバカップラ６０３及び６０４を組み込んで構成したことが図５の装置との主たる違いである。

　バランスフォトディテクタ６１０は、一端には、信号処理部５１１が接続され、他端には、２端子がある。そのうち一つの端子はファイバ６１６を介して光カップラ６０３に接続され、残りの一端子は、ファイバ６１７、光カップラ６０４を介して結合部を構成する光カップラ５０３に接続されている。

　こうした接続により本例の光干渉断層撮像装置では、測定物５１４と参照ミラー５０４からの反射光による干渉信号を二つに分け、その一方と、他方との差動を検出する。

　バランスフォトディテクタ６１０に到達する前に光を２つに分割することで干渉信号の位相が逆位相になるため、両者を引き算すると、分割前の信号に含まれるＤＣ成分だけが除去され、干渉信号だけが取り出せるので好適である。

　尚、図中、６０２はアイソレータ、６１８、６１９はそれぞれ偏波コントローラである。

　また、光源５０１からの出射光の強度を逐次モニタリングし、そのデータを干渉信号の振幅補正に用いることも可能である。本例ＯＣＴ装置は、眼科、歯科、皮膚科等における断層画像撮影に有用である。

　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために以下の請求項を添付する。

　レーザ光源が適用される通信ネットワーク分野や検査機器分野をはじめとする各種産業分野で利用可能である。

１０１　光利得媒体
１２０　光を透過させる光学部材
１０２、１０３　第１のファブリペロー共振器
１１９　第２のファブリペロー共振器

Claims

　光利得媒体と、光を透過させる光学部材と、を光共振器内に備えた光源装置であって、
　前記光利得媒体の一方の端面と他方の端面で規定される第１のファブリペロー共振器は、前記光利得媒体の増幅周波数帯域内における周波数に対応して第１の透過率振幅を有し、
　前記他方の端面と該他方の端面に対向する前記光学部材の一方の端面とで規定される第２のファブリペロー共振器は、前記増幅周波数帯域内における周波数に対応して第２の透過率振幅を有し、
　前記第２のファブリペロー共振器の共振器長を、前記第１の透過率振幅と前記第２の透過率振幅との合成値が前記第１の透過率振幅よりも小さな値となる、長さとしたことを特徴とする光源装置。
　前記光利得媒体と、前記光学部材と、が隣接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
　前記光利得媒体の前記増幅周波数帯域内の増幅率が最大となる周波数領域において、前記第１の透過率振幅が極大値又は極小値の一方を取る周波数と、前記第２の透過率振幅が前記極大値又は極小値の他方を取る周波数と、が略一致することを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
　前記光利得媒体が有する前記増幅周波数帯域内の少なくとも一つの周波数をν_０、前記第１のファブリペロー共振器の長さをＬ_１、整数をｎ、光速をｃとして、前記第２のファブリペロー共振器の長さＬ’は、以下の式を満足し、

　前記式中のnは、前記増幅周波数帯域の幅をν_Ｇとして、以下の式、

を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光源装置。
　前記光学部材は、第２の光利得媒体で構成されたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光源装置。
　前記第１のファブリペロー共振器の長さをＬ_１、前記第２のファブリペロー共振器の長さをＬ’、前記第２の光利得媒体の一方の端面と他方の端面で規定される第３のファブリペロー共振器の長さをＬ２として、
前記第１の光利得媒体および前記第２の光利得媒体が有する増幅周波数帯域は少なくともその一部の周波数が重複し、該第１の光利得媒体と該第２の光利得媒体とで構成される総合増幅周波数帯域の、低周波端をν_ＧＳ、高周波端をν_ＧＥとして、Ｌ_１、Ｌ’、及びＬ_２が以下の２式を満たすことを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
　前記光利得媒体は、半導体光増幅器であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光源装置。
　請求項１から７のいずれかにに記載の光源装置を用いた光源部と、
　前記光源部からの光を検体に照射し、検体からの反射光を伝達させる検体測定部と、
　前記光源部からの光を参照ミラーに照射し、該参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部と、
　前記検体測定部からの反射光と前記参照部からの反射光とを干渉させる干渉部と、
　前記干渉部からの干渉光を検出する光検出部と、
　前記光検出部で検出された光に基づいて、前記検体の断層像を得る画像処理部と、
を有することを特徴とする光干渉断層撮像装置。