CN115989990B - 一种基于平面光波导技术的光学相干层析内窥成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平面光波导技术的光学相干层析内窥成像系统，其中宽带扫频光源发出的光信号依次经过保偏光纤起偏器、偏振控制器、保偏光纤环形器、宽带可调谐光波导耦合器而分为两束，分别进入参考臂和样品臂，参考臂和样品臂中返回的光信号在宽带可调谐光波导耦合器中发生干涉并分为两束光信号，一束经保偏光纤环形器进入宽带3 dB耦合器，另一束直接进入宽带3 dB耦合器，宽带3 dB耦合器输出的两束等功率光信号通过平衡探测器进行差分探测，差分探测的结果经数据采集卡的模数转换上传到数据处理器，从而进一步得到样品的层析信息，其中样品臂中被样品环绕的内窥探头对样品进行螺旋式扫描，得到不同深度的所述样品反射的光信号。

Description

一种基于平面光波导技术的光学相干层析内窥成像系统

技术领域

本申请涉及光学内窥成像技术领域，尤其涉及一种基于平面光波导技术的光学相干层析内窥成像系统。

背景技术

疾病的早诊早治为预防重大疾病的发生和提高疾病的治疗效果起着重要作用。随着光学成像技术的迅速发展，具有“光学活检”之称的光学相干层析（Optical coherencetomography, OCT）技术从早期的时域OCT逐渐发展为傅里叶域OCT（FD-OCT），成像速度大速增加，FD-OCT根据光源和探测方式的不同又分为频域OCT（SD-OCT）和扫频源OCT（SS-OCT），其中SS-OCT具有系统结构简单的优势。另外常规白光内窥镜和窄带成像内窥镜的探测深度有限，不能对藏匿于表皮以下的早期癌症症状进行诊断。随着新型光学内窥镜技术的快速发展，OCT内窥镜成像系统具有无创、高分辨率、断层成像和三维成像的优势引起人们的关注。目前商用的OCT系统以及研究的OCT内窥系统为空间光学系统或光纤系统，纵然光纤光学和光纤器件减少了OCT系统的重量和尺寸，提升了系统稳定性，但目前OCT系统仍存在价格昂贵（~10万美元）以及系统尺寸较大的问题。

发明内容

本申请实施例的目的是为解决上述问题，提供一种基于平面光波导技术的光学相干层析内窥成像系统，通过采用平面光波导技术平台取代空间光学器件与系统，解决了尺寸较大、损耗较大、系统复杂、稳定性差、价格昂贵的问题。提出的OCT内窥系统，具有体积小，集成度高，空间利用率高，成本低等优点。

本申请实施例提供一种基于平面光波导技术的光学相干层析内窥成像系统，包括宽带扫频光源、保偏光纤起偏器、偏振控制器、保偏光纤环形器、宽带可调谐光波导耦合器、参考臂、样品臂、宽带3 dB耦合器、平衡探测器、数据采集卡、数据处理器及内窥探头近端螺旋式旋转台；

所述宽带扫频光源发出的光信号依次经过所述保偏光纤起偏器、偏振控制器、保偏光纤环形器、宽带可调谐光波导耦合器，分为两束光信号，分别进入所述参考臂和样品臂，所述参考臂和样品臂中返回的光信号在所述宽带可调谐光波导耦合器中发生干涉并分为两束光信号，其中一束通过所述保偏光纤环形器进入所述宽带3 dB耦合器，另一束直接进入所述宽带3 dB耦合器，所述宽带3 dB耦合器输出的两束等功率光信号通过所述平衡探测器进行差分探测，差分探测的结果经所述数据采集卡的模数转换上传到数据处理器，从而进一步得到样品的层析信息；

其中所述样品臂包括内窥探头，所述样品环绕在所述内窥探头上，所述内窥探头近端螺旋式旋转台带动所述内窥探头对所述样品进行螺旋式扫描，从而得到不同深度的所述样品反射的光信号；

其中所述宽带可调谐光波导耦合器、宽带3 dB耦合器及参考臂通过平面光波导平台制作得到。

进一步地，所述宽带扫频光源的中心波长为1310 nm，带宽大于130 nm，或所述宽带扫频光源为飞秒激光器，扫频频率为80 MHz，波长范围为680 nm-1600 nm, 脉冲宽带为140 fs。

进一步地，所述参考臂包括依次连接的宽带粗调光波导延迟线、宽带细调光波导延迟线、宽带可调谐光波导衰减器和光波导萨格纳克环；

所述宽带粗调光波导延迟线与所述宽带可调谐光波导耦合器的第一输出端口相连接，为一系列光开关与不等长的波导对相间连接而成，通过调谐光开关上的电极选择不同的路径进而实现不同的延迟；

所述宽带细调光波导延迟线为连续可调谐光波导延迟线，其结构为1 bit延迟线与离散可调谐延迟线级联而成，包括开关单元和延迟单元，所述开关单元和延迟单元上均设置有电极，1 bit延迟线用作实现连续可调谐延迟部分，其最大延迟范围与其级联的离散可调谐延迟线的延迟步长相等，所述宽带细调光波导延迟线的延迟范围和宽带粗调光波导延迟线的延迟步长相等；

所述宽带可调谐光波导衰减器为马赫曾德尔干涉仪结构，通过调谐马赫曾德尔干涉仪的干涉臂上的电极实现连续可调谐光波导衰减器的功能。

进一步地，还包括第一保偏光纤、两通道保偏光纤阵列和三通道保偏光纤阵列，所述两通道保偏光纤阵列的一通道通过第一保偏光纤连接所述保偏光纤环形器和所述宽带可调谐光波导耦合器，另一通道连接所述保偏光纤环形器和所述宽带3 dB耦合器，所述三通道保偏光纤阵列的一通道连接所述宽带可调谐光波导耦合器和所述样品臂，另两通道均连接所述宽带3 dB耦合器和平衡探测器，所述样品臂还包括依次连接的三通道保偏光纤阵列中最上面的通道、第二保偏光纤、第一单通道保偏光纤阵列、第二单通道保偏光纤阵列，所述第二单通道保偏光纤阵列与所述内窥探头连接。

进一步地，所述两通道保偏光纤阵列、三通道保偏光纤阵列、第一保偏光纤、第二保偏光纤、第一单通道保偏光纤阵列、第二单通道保偏光纤阵列和平面光波导平台的端面均被磨抛为8°角，以减少端面反射光信号对系统的影响。

进一步地，所述内窥探头远端的光学器件被封装在带有通光孔的金属套管保护装置中，所述内窥探头的光纤被封在金属弹簧扭矩线圈中，金属套管末端与金属线圈通过钎焊连接，金属弹簧末端与单模光纤通过钎焊连接，整个内窥探头封装在透明塑料保护管中，便于消毒和避免内窥探头与样品直接接触。

进一步地，所述内窥探头采用全光纤制作，由单模光纤与连接光纤构成，所述单模光纤与连接光纤之间通过光纤熔接机进行融接，所述连接光纤的远端端面通过光纤熔接机烧成球状的烧结球，并在所述烧结球的一侧磨抛成46°-49°或41°-44°角，所述内窥探头的全反射面为平面，出光面磨抛成平面，所述全反射面上镀有金属薄膜，以将入射到磨抛界面上的光信号实现全反射操作并将光信号传输到样品中以及用于接收从样品中散射或反射回来的光信号。

进一步地，内窥探头近端螺旋式旋转台包括电机组、传送带和轴组件，所述电机组包括旋转直流电机和直线电机，所述旋转直流电机通过传送带驱动轴组件，进而带动内窥探头进行旋转扫描，所述直线电机使探头沿内窥探头方向进行回拉扫描，所述旋转直流电机和直线电机共同带动内窥探头进行螺旋式旋转扫描，所述轴组件包括导管，所述导管用于保护和带动所述第二单通道保偏光纤阵列旋转。

进一步地，所述平面光波导平台为硅波导平台、氮化硅波导平台、二氧化硅波导平台或铌酸锂薄膜平台。

进一步地，所述平衡探测器包括基于InGaAs材料的两个平衡PIN和一个低噪高速互阻放大器，所述平面光波导平台与两个平衡PIN以及所述宽带扫频光源通过异质集成或倒装集成。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请采用基于平面光波导技术平台的OCT内窥成像系统，所发明的系统不存在空间光学器件，利用平面光波导平台结构紧凑、能大批量生产、价格低廉的优势，不仅节省了系统成本，又降低了系统尺寸，增加了系统稳定性，解决了现有内窥OCT成像系统价格昂贵，尺寸较大以及系统稳定性的问题，同时便于更多模态的集成。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于平面光波导技术的光学相干层析内窥成像系统的示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的平面光波导技术平台结构示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的全光纤内窥探头结构示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的出光面磨抛为水平的全光纤内窥探头结构示意图。

图5是根据一示例性实施例示出的MZI上光信号在MZI上的输出光功率随电压长度积的变化情况。

图中，1、宽带扫频光源；11、保偏光纤起偏器；12、偏振控制器；2、保偏光纤环形器；21、第一端口；22、第二端口；23、第三端口； 3、平面光波导平台；30、两通道保偏光纤阵列；300、第一保偏光纤；311、第一输入端口；312、第三输入端口；313、半圆光波导；31、宽带可调谐光波导耦合器；32、宽带粗调光波导延迟线；33、宽带细调光波导延迟线；34、宽带可调谐光波导衰减器；35、光波导萨格纳克环；36、宽带3 dB耦合器；361、连接端口；362、第三输出端口；363、第四输出端口；37、三通道保偏光纤阵列；371、第二保偏光纤；372、第三保偏光纤；373、第四保偏光纤；4、夹具；41、第一连接器；42、第一单通道保偏光纤阵列；421、玻璃套管；5、电机组；51、传送带；52、轴组件；521、第二单通道保偏光纤阵列；53、第二连接器；6、内窥探头；61、第五保偏光纤；62、连接光纤；63、Cr/Au膜；64、金属套管；65、通光孔；66、塑料套管；67、金属弹簧扭矩线圈；68、出光平面； 7、平衡探测器；8、数据采集卡；9、数据处理器。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于平面光波导技术的光学相干层析内窥成像系统的示意图，如图1所示，这里以SS-OCT系统为例，该系统可以包括宽带扫频光源1、保偏光纤起偏器11、偏振控制器12、保偏光纤环形器2、宽带可调谐光波导耦合器31、参考臂、样品臂、宽带3 dB耦合器36、平衡探测器 7、数据采集卡8、数据处理器9及内窥探头近端螺旋式旋转台；所述宽带扫频光源1发出的光信号依次经过所述保偏光纤起偏器11、偏振控制器12、保偏光纤环形器2、宽带可调谐光波导耦合器31，分为两束光信号，分别进入所述参考臂和样品臂，所述参考臂和样品臂中返回的光信号在所述宽带可调谐光波导耦合器31中发生干涉并分为两束光信号，其中一束通过所述保偏光纤环形器2进入所述宽带3 dB耦合器36，另一束直接进入所述宽带3 dB耦合器36，所述宽带3 dB耦合器36输出的两束等功率光信号通过所述平衡探测器 7进行差分探测，差分探测的结果经所述数据采集卡8的模数转换上传到数据处理器9，从而进一步得到样品的层析信息；其中所述样品臂包括内窥探头6，所述样品环绕在所述内窥探头6上，所述内窥探头6近端螺旋式旋转台带动所述内窥探头6进行旋转或线性平移从而使得所述样品臂返回光信号；其中所述宽带可调谐光波导耦合器31、宽带3 dB耦合器36及参考臂通过平面光波导平台 3制作得到。

由上述实施例可知，本申请采用基于平面光波导平台3的OCT内窥成像系统，所发明的系统不存在空间光学器件，利用平面光波导技术平台结构紧凑、能大批量生产、价格低廉的优势，不仅节省了系统成本，又降低了系统尺寸，增加了系统稳定性，解决了现有内窥OCT成像系统价格昂贵，尺寸较大以及系统稳定性的问题，便于更多模态的集成。

在具体实施中，宽带扫频光源1，其中心波长为1310 nm，带宽大于130 nm；或者，所述宽带扫频光源1为飞秒激光器，扫频频率为80 MHz，波长范围为680 nm-1600 nm, 脉冲宽带为140 fs。

具体地，所述保偏光纤起偏器11包括第一端口21、第二端口22、第三端口23，若所述第一端口21接收光信号，则所述第二端口22输出光信号；若所述第二端口22接收光信号，则所述第三端口23输出光信号。

在本系统中，保偏光纤起偏器11的输入端与所述宽带扫频光源1相连，输出端输出的光信号是线偏振光，与所述偏振控制器12的一端口相连；偏振控制器12的输入端与所述保偏光纤起偏器11相连，输出端与所述保偏光纤环形器2的第一端口21相连；保偏光纤环形器2具备三个端口，沿特定端口顺序传输，其第一端口21与所述偏振控制器12的输出端相连，第二端口22与所述宽带可调谐光波导耦合器31的第一输入端口311相连，第三端口23与所述宽带3 dB耦合器36的第三输入端口312相连；宽带可调谐光波导耦合器31为平面光波导中的器件，其结构为2×2 马赫曾德尔干涉仪（Mach–Zehnder interferometer，MZI）结构，可通过调谐MZI上的电极实现分束比连续可调谐，有助于实现从样品臂和参考臂中返回的光信号强度相近，实现最大干涉效果，其第一输入端口311与所述保偏光纤环形器2的第二端口22相连，第二输入端口与所述宽带3 dB耦合器36的第四输入端口相连，所述宽带可调谐光波导耦合器31的第一输出端口和第二输出端口分别与参考臂和样品臂相连接。宽带3 dB耦合器36为平面光波导中的2×2器件，其第三输入端口312与所述保偏光纤环形器2第三端口23相连，第四输入端口与所述宽带可调谐光波导耦合器31的第二输入端口相连。

具体地，如图2所示，所述宽带可调谐光波导耦合器31为平面光波导中的器件，其结构为2×2 MZI结构，可通过调谐MZI上的电极实现分束比连续可调谐，有助于实现从样品臂和参考臂中返回的光信号强度相近；其输入端口的一端口与所述保偏光纤环形器2的一端口相连，另一端口与所述宽带3 dB耦合器36的输入端口相连，所述宽带可调谐光波导耦合器31的两输出端口分别与参考臂和样品臂相连接。

具体地，所述保偏光纤环形器2具有宽带宽、高隔离度（>40 dB）、低插入损耗（~0.6dB）、低偏振相关损耗（0.15 dB）、低通道串扰（>50 dB）、高回波损耗（>50 dB）、高稳定性和高可靠性的特点。

具体地，所述宽带3 dB耦合器36输出通道间距为127 μm或250 μm。

具体地，如图2所示，所述参考臂包括依次连接的宽带粗调光波导延迟线32、宽带细调光波导延迟线33、宽带可调谐光波导衰减器34和光波导萨格纳克环35；所述宽带粗调光波导延迟线32与所述宽带可调谐光波导耦合器31的第一输出端口相连接，为一系列光开关与不等长的波导对相间连接而成，通过调谐光开关上的电极选择不同的延迟路径进而实现不同的延迟；所述宽带细调光波导延迟线33为连续可调谐延迟线，其结构为1 bit延迟线与离散可调谐延迟线级联而成，包括开关单元和延迟单元，所述开关单元和延迟单元上均设置有电极；1 bit延迟线部分中的开关单元上的电极用作实现连续可调谐耦合器的功能，延迟单元上的电极用作实现延迟单元延迟路径和参考路径的相位差满足一定的关系；1bit延迟线用作实现连续可调谐延迟部分，其最大延迟范围与其级联的离散可调谐延迟线的延迟步长相等；所述离散可调谐延迟线部分中的开关单元上的电极用作实现延迟路径的选择，延迟单元上的电极用作弥补制作误差导致的开关单元消光比的降低；所述宽带细调光波导延迟线33的延迟范围和宽带粗调光波导延迟线32的延迟步长相等；所述可调谐光波导衰减器34为马赫曾德尔干涉仪（MZI）结构，通过调谐MZI的干涉臂上的电极实现连续可调谐光波导衰减器的功能。宽带可调谐光波导延迟线（宽带粗调光波导延迟线32、宽带细调光波导延迟线33）有助于光纤内窥探头6的更换，提高了系统的实用性。

具体地，如图2所示，本系统还可以包括第一保偏光纤300、两通道保偏光纤阵列30和三通道保偏光纤阵列37，所述两通道保偏光纤阵列30的一通道通过第一保偏光纤300连接所述保偏光纤环形器2和所述宽带可调谐光波导耦合器31，另一通道连接所述保偏光纤环形器2和所述宽带3 dB耦合器36，所述三通道保偏光纤阵列37的一通道连接所述宽带可调谐光波导耦合器31和所述样品臂，另两通道分别通过第三保偏光纤372和第四保偏光纤373连接所述宽带3 dB耦合器36和平衡探测器 7，基于此，所述样品臂还可以包括依次连接的三通道保偏光纤阵列37中最上面的通道、第二保偏光纤371、第一单通道保偏光纤阵列42、第二单通道保偏光纤阵列521，所述第二单通道保偏光纤阵列521与所述内窥探头6连接。

更具体地，在样品臂中，第一单通道保偏光纤阵列42的连接头通过第一连接器41与第二保偏光纤371的连接头相连接，第一单通道保偏光纤阵列42的被玻璃套管421保护的端口通过夹具4来固定并通过夹具4里面的第一导管来保护，考虑到光纤内窥探头6的旋转，进入第二保偏光纤371中的光信号通过第一连接器41进入被夹具4固定和第一导管保护的第一单通道保偏光纤阵列42中，通过玻璃套管421保护的端口耦合进入到第二单通道保偏光纤阵列521中，其中第二单通道保偏光纤阵列521由电机组5相连的轴组件52固定和保护，轴组件52内部有第二导管和第二导管中的第二单通道保偏光纤阵列521，第二单通道保偏光纤阵列521中的光信号与内窥探头6通过第二连接器53相连，光信号在内窥探头6中进行侧向螺旋式扫描周围的组织，组织不同深度反射回来的光信号返回到连接端口361中。

在具体实施中，所述两通道保偏光纤阵列30端面、三通道保偏光纤阵列37端面、第一保偏光纤300端面、第二保偏光纤371端面、第一单通道保偏光纤阵列42端面、第二单通道保偏光纤阵列521端面和平面光波导平台端面均被磨抛为8°角，以减少不必要的端面反射光信号对系统的影响，实现高的回波损耗。

具体地，如图3所示，所述内窥探头6远端的光学器件被封装在带有通光孔65的金属套管64保护装置中，第五保偏光纤61在金属套管64中的长度在2-3 mm以内，保护光纤探头防止光纤探头在使用过程中被折断，内窥探头6中第五保偏光纤61的其他部分被封装在与所述金属套管64相连的金属弹簧扭矩线圈67中，用于保护探头以及使探头具有灵活性，金属套管64末端与金属弹簧扭矩线圈67通过钎焊连接，金属弹簧扭矩线圈67末端与第五保偏光纤61通过钎焊连接，内窥探头6的旋转扫描由所述旋转直流电机通过金属弹簧扭矩线圈67从近端向远端探头传递扭矩，实现探头的旋转，纵向回拉扫描由直线电机控制，从探头进行线性平移，使探头实现往回拉的操作，整个内窥探头6封装在透明塑料套管66中，用于保护内窥探头6，避免探头在测试样品参数过程中与液体直接接触，同时便于消毒。

具体地，所述内窥探头6采用全光纤制作，由单模第五保偏光纤61与连接光纤62构成，它们之间通过光纤熔接机进行融接，连接光纤62由无芯光纤和渐变折射率多模光纤构成，一定长度的无芯光纤和渐变折射率多模光纤通过光纤熔接机进行熔接，连接光纤62的远端端面通过光纤熔接机烧成球状，并在烧结球的一侧磨抛成46°-49°或41°-44°角，以减少护套或样品表面的镜面反射，全反射面为平面，为了减少像差，如图4所示，出光面可以磨抛形成出光平面68，为了提高成像效果，出光面上也可以制作微纳薄膜结构。为了提高全反射效率可以在用于全反射的磨抛面上镀金属薄膜，用于全反射入射到磨抛面上的光信号，在镀的过程中除了磨抛端面其他都被遮盖住依次放在磁控溅射仪和热蒸发仪腔室中镀一层Cr/Au膜63用于将入射到磨抛界面上的光信号实现全反射操作并将光信号传输到样品中以及用于接收从样品各层中散射或反射回来的光信号。采用全光纤内窥探头，探头直径非常小，可以在内腔等狭小空间中进行使用，进而扩大OCT内窥成像系统的应用范围，有望应用在内腔肿瘤的诊断和治疗以及对疗效进行可视化的评估。

所述内窥探头6中的构成连接光纤62的无芯光纤或渐变折射率多模光纤长度需精确控制，以实现出射的光信号具有合适的工作距离以及光束斑径。

具体地，内窥探头近端螺旋式旋转台包括电机组5、传送带51和轴组件52，所述电机组5包括旋转直流电机和直线电机，所述旋转直流电机通过传送带51驱动轴组件52，进而带动内窥探头6进行螺旋式旋转，所述直线电机使探头沿内窥探头6方向进行回拉扫描。所述轴组件52包括导管和导管中的单通道保偏光纤阵列，所述导管用于保护和带动导管中的单通道保偏光纤阵列旋转。

具体地，所述平衡探测器 7包括基于InGaAs材料的两个平衡PIN和一个低噪高速互阻放大器，可为台式的，也可为InGaAs材料制成的两个平衡PIN与平面光波导平台 3通过异质集成或倒装集成在一起再与低噪放大器连接。其工作原理为将两个平衡PIN探测到的信号做相减处理，作平衡接收器，消除共模噪声，进而从干扰噪声中获得信号电路中的微小变化。所述平衡探测器 7的两输入端口与宽带3 dB耦合器36的两输出端口相连接。所述平衡探测器 7工作波长为1200 - 1700 nm，中心波长为1300 nm，输入接口为FC/APC，监控的输出带宽DC~ 3 MHz，3 dB带宽为30 kHz - 1.6 GHz，PD损伤阈值为8 mW，RF输出阻抗为50ohm。其工作原理为将两个平衡PIN探测到的信号做相减处理，作平衡接收器，消除共模噪声，进而从干扰噪声中获得信号电路中的微小变化。所述平衡探测器 7的两输入端口与宽带3 dB耦合器36的两输出端口相连接。

具体地，所述平面光波导平台 3可以为Si波导平台、SiN波导平台、铌酸锂薄膜（LNOI）平台、或SiO₂波导平台，无源光波导器件均可以在这些平台上制作，本申请中无源光波导器件包括宽带可调谐光波导耦合器31、宽带细调光波导延迟线33、宽带粗调光波导延迟线32、光波导萨格纳克环35、宽带3 dB耦合器36以及各种直波导和弯曲波导，与制作有源光波导器件比如光源和探测器的III/V族波导平台，可通过倒装键合的方式实现片上集成，使系统结构更加紧凑，以及更容易量产和降低系统价格。

具体地，所述两个平衡PIN和宽带扫频光源1可以与Si波导平台、SiN波导平台、LNOI波导平台或SiO₂波导平台异质集成或倒装集成。

在一实施例中，所述两通道保偏光纤阵列30、三通道保偏光纤阵列37、第一单通道保偏光纤阵列42和第二单通道保偏光纤阵列521均采用保偏光纤制作，连接头均采用FC/APC，其中的保偏光纤为熊猫保偏光纤或蝶形保偏光纤。

本系统的工作原理如下：

从宽带扫频光源1发出的光信号依次经过保偏光纤起偏器11、偏振控制器12、宽带保偏光纤环形器2的第一端口21和第二端口22，经过两通道保偏光纤阵列30进入第一输入端口311，经过宽带可调谐光波导耦合器31，分成两束95/5或90/10的两束光信号，具体分光比根据样品臂和参考臂中的光信号的衰减而定，这里以95/5为例，5%的光信号进入参考臂，95%的光信号进入样品臂，进入参考臂中的光信号依次经过宽带粗调光波导延迟线32、宽带细调光波导延迟线33、宽带可调谐光波导衰减器34和光波导萨格纳克环35，从光波导萨格纳克环35返回的光信号再依次通过宽带可调谐光波导衰减器34、宽带细调光波导延迟线33、宽带粗调光波导延迟线32，返回到宽带可调谐光波导耦合器31中与从样品臂返回的光信号发生干涉，进入样品臂中的光信号，首先通过连接端口361，通过三通道保偏光纤阵列37进入第二保偏光纤371，第一单通道保偏光纤阵列42的连接头通过第一连接器41与第二保偏光纤371的连接头相连接，第一单通道保偏光纤阵列42的被玻璃套管421保护的端口通过夹具4来固定以及通过夹具4里面的导管来保护，考虑到光纤内窥探头6的旋转，进入第二保偏光纤371中的光信号通过第一连接器41进入被夹具4固定和导管保护的第一单通道保偏光纤阵列42中，通过玻璃套管421保护的端口耦合进入到第二单通道保偏光纤阵列521中，其中第二单通道保偏光纤阵列521由电机组5相连的轴组件52固定和保护，轴组件52内部有导管和导管中的第二单通道保偏光纤阵列521，第二单通道保偏光纤阵列521中的光信号与内窥探头6通过第二连接器53相连，光信号在内窥探头6中进行侧向螺旋式扫描周围的组织，组织不同深度反射回来的光信号返回到连接端口361中，通过宽带可调谐光波导耦合器31与来自样品臂中的光信号发生干涉，经过宽带可调谐光波导耦合器31后，来自样品臂和参考臂中的光信号被分成两束，一束通过半圆光波导313直径进入宽带3 dB耦合器36中，一束经过输入光波导进入两通道保偏光纤阵列30中，通过宽带保偏光纤环形器2的第二端口22，从第三端口23输出，再次进入两通道保偏光纤阵列30中，通过端面耦合进入第三输入端口312中，进入宽带3dB耦合器中，被均分成功率相等的两束光信号进入第三输出端口362和第四输出端口363中，通过三通道保偏光纤阵列37分别进入第三保偏光纤372和第四保偏光纤373中，通过平衡探测器 7和数据采集卡8，最后在数据处理器9中进行数据处理。

利用平面光波导技术平台结构紧凑、能大批量生产、价格低廉的优势，本专利提出的SS-OCT系统具有系统简单和结构紧凑的优势，结合全光纤内窥探头6有望对内腔肿瘤的诊断和治疗以及疗效进行可视化的评估。其中，平面光波导技术平台可以为Si波导平台、SiN波导平台、LNOI波导平台、SiO₂波导平台等，这些平面波导平台均具有CMOS兼容性。平面波导平台上通过键合III-V族元素与光源和探测器实现集成，进一步降低系统尺寸和价格。

以LNOI波导平台为例，铌酸锂薄膜具有高的电光系数、低的驱动电压、低的传输损耗、光损伤阈值大、波导芯层与包层折射率差大、结构紧凑、响应速度快、CMOS兼容的优势，有望与光源和探测器的集成通过与III-V族元素倒装键合的方式进一步实现结构紧凑、价格低、损耗低、系统稳定的优势。在LNOI平台中，考虑到铌酸锂薄膜波导对光的限制作用强，宽带可调谐光波导耦合器31、宽带粗调光波导延迟线32、宽带细调光波导延迟线33、宽带可调谐光波导衰减器34、光波导萨格纳克环35、部分样品臂、宽带3 dB耦合器36均可以在较小的波导平台结构上实现。通过调谐宽带可调谐光波导延迟线（宽带粗调光波导延迟线32、宽带细调光波导延迟线33）使从参考臂返回的光信号与从样品表面返回的光信号光程一致。通过调谐宽带可调谐光波导耦合器31和微调宽带可调谐光波导衰减器34从参考臂返回的光信号与从样品表面返回的光信号光强一致。该系统采用LNOI波导平台，参考臂采用波导器件制作，系统尺寸紧凑，稳定性好，LNOI较大的电光系数有助于样品臂上的可调谐LNOI延迟线（宽带粗调光波导延迟线32、宽带细调光波导延迟线33）以及衰减器实现快速调谐，较大的可调谐延迟范围，更有助于更换内窥探头6，增加系统的实用性。可调谐LNOI延迟线的开关单元以及衰减器采用MZI结构，电极采用石墨烯电极，电极上未施加电压时，光信号在MZI上从交叉态输出，在MZI上施加一定电压V _π时，光信号从直通态输出，半波电压长度积为1.1 V×cm，当电压长度积在0-1.1 V×cm之间时，MZI为一个可调谐光波导衰减器又可为可调谐耦合器，光传输情况随施加电压长度积变化情况如图5所示。LNOI波导平台优异的性质有助于实现高性能的系统，并有望与光源、探测器、放大器等有源器件实现集成。内窥探头6采用全光纤制作可以实现内窥探头6直径小于等于1 mm。该系统有望应用在内腔肿瘤的诊断和治疗以及对疗效进行可视化的评估。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

Claims (8)

1.一种基于平面光波导技术的光学相干层析内窥成像系统，其特征在于，包括宽带扫频光源、保偏光纤起偏器、偏振控制器、保偏光纤环形器、宽带可调谐光波导耦合器、参考臂、样品臂、宽带3 dB耦合器、平衡探测器、数据采集卡、数据处理器及内窥探头近端螺旋式旋转台；

所述宽带扫频光源发出的光信号依次经过所述保偏光纤起偏器、偏振控制器、保偏光纤环形器、宽带可调谐光波导耦合器，分为两束光信号，分别进入所述参考臂和样品臂，所述参考臂和样品臂中返回的光信号在所述宽带可调谐光波导耦合器中发生干涉并分为两束光信号，其中一束通过所述保偏光纤环形器进入所述宽带3 dB耦合器，另一束直接进入所述宽带3 dB耦合器，所述宽带3 dB耦合器输出的两束等功率光信号通过所述平衡探测器进行差分探测，差分探测的结果经所述数据采集卡的模数转换上传到数据处理器，从而进一步得到样品的层析信息；

其中所述样品臂包括内窥探头，所述样品环绕在所述内窥探头上，所述内窥探头近端螺旋式旋转台带动所述内窥探头对所述样品进行螺旋式扫描，从而得到不同深度的所述样品反射的光信号；

其中所述宽带可调谐光波导耦合器、宽带3 dB耦合器及参考臂通过平面光波导平台制作得到；

其中，所述参考臂包括依次连接的宽带粗调光波导延迟线、宽带细调光波导延迟线、宽带可调谐光波导衰减器和光波导萨格纳克环；所述宽带粗调光波导延迟线与所述宽带可调谐光波导耦合器的第一输出端口相连接，为一系列光开关与不等长的波导对相间连接而成，通过调谐光开关选择不同的路径进而实现不同的延迟；所述宽带细调光波导延迟线为连续可调谐光波导延迟线，其结构为1 bit延迟线与离散可调谐延迟线级联而成，包括开关单元和延迟单元，所述开关单元和延迟单元上均设置有电极，1 bit延迟线用作实现连续可调谐延迟部分，其最大延迟范围与其级联的离散可调谐延迟线的延迟步长相等，所述宽带细调光波导延迟线的延迟范围和宽带粗调光波导延迟线的延迟步长相等；所述宽带可调谐光波导衰减器为马赫曾德尔干涉仪结构，通过调谐马赫曾德尔干涉仪的干涉臂上的电极实现连续可调谐光波导衰减器的功能；

其中，还包括第一保偏光纤、两通道保偏光纤阵列和三通道保偏光纤阵列，所述两通道保偏光纤阵列的一通道通过第一保偏光纤连接所述保偏光纤环形器和所述宽带可调谐光波导耦合器，另一通道连接所述保偏光纤环形器和所述宽带3 dB耦合器，所述三通道保偏光纤阵列的一通道连接所述宽带可调谐光波导耦合器和所述样品臂，另两通道均连接所述宽带3 dB耦合器和平衡探测器，所述样品臂还包括依次连接的三通道保偏光纤阵列中最上面的通道、第二保偏光纤、第一单通道保偏光纤阵列、第二单通道保偏光纤阵列，所述第二单通道保偏光纤阵列与所述内窥探头连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述宽带扫频光源的中心波长为1310 nm，带宽大于130 nm，或所述宽带扫频光源为飞秒激光器，扫频频率为80 MHz，波长范围为680nm-1600 nm, 脉冲宽带为140 fs。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述两通道保偏光纤阵列、三通道保偏光纤阵列、第一保偏光纤、第二保偏光纤、第一单通道保偏光纤阵列、第二单通道保偏光纤阵列和平面光波导平台的端面均被磨抛为8°角，以减少端面反射光信号对系统的影响。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述内窥探头远端的光学器件被封装在带有通光孔的金属套管保护装置中，所述内窥探头的光纤被封在金属弹簧扭矩线圈中，金属套管末端与金属弹簧扭矩线圈通过钎焊连接，金属弹簧扭矩线圈末端与单模光纤通过钎焊连接，整个内窥探头封装在透明塑料保护管中，便于消毒和避免内窥探头与样品直接接触。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述内窥探头采用全光纤制作，由单模光纤与连接光纤构成，所述单模光纤与连接光纤之间通过光纤熔接机进行融接，所述连接光纤的远端端面通过光纤熔接机烧成球状的烧结球，并在所述烧结球的一侧磨抛成46°-49°或41°-44°角，所述内窥探头的全反射面为平面，出光面磨抛成平面，所述全反射面上镀有金属薄膜，以将入射到磨抛界面上的光信号实现全反射操作并将光信号传输到样品中以及用于接收从样品中散射或反射回来的光信号。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，内窥探头近端螺旋式旋转台包括电机组、传送带和轴组件，所述电机组包括旋转直流电机和直线电机，所述旋转直流电机通过传送带驱动轴组件，进而带动内窥探头进行旋转扫描，所述直线电机使探头沿内窥探头方向进行回拉扫描，所述旋转直流电机和直线电机共同带动内窥探头进行螺旋式旋转扫描，所述轴组件包括导管，所述导管用于保护和带动所述第二单通道保偏光纤阵列旋转。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述平面光波导平台为硅波导平台、氮化硅波导平台、二氧化硅波导平台或铌酸锂薄膜平台。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述平衡探测器包括基于InGaAs材料的两个平衡PIN和一个低噪高速互阻放大器，所述平面光波导平台与两个平衡PIN以及所述宽带扫频光源通过异质集成或倒装集成。

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