JP2008277683A

JP2008277683A - 波長走査型レーザ光源

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Publication number: JP2008277683A
Application number: JP2007122259A
Authority: JP
Inventors: Shiyoukou Tei; 昌鎬鄭; Atsushi Morosawa; 淳両澤
Original assignee: Suntech Co
Current assignee: Suntech Co
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2008-11-13

Abstract

【課題】一定の変化速度で発振周波数を変化させることができる波長走査型レーザ光源を提供すること。
【解決手段】波長可変フィルタを構成するポリゴンミラー２４を駆動部２５によって一定速度で回転させる。そしてポリゴンミラー２４で反射される入射ビームが入射される位置に回折格子２７を配置する。回折格子２７の格子ピッチは等角速度で入射する入射光に対し選択周波数が等速度で変化するように、入射位置に応じて変化させておく。これにより一定の速度で発振周波数を変化させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は単色性の光を発生してその発光周波数を一定の変化速度で周期的に変化させる波長走査型レーザ光源に関するものである。

従来、光を測定対象に照射し測定対象を分析する分析装置の光源として、強いレベルの狭線幅スペクトルの光を所望の帯域で変化させる波長可変型の光源が用いられる。この方法では単色性の強い光の波長を変化させて測定対象に照射し、測定対象を透過したり、又は反射する光をそのまま受光素子で受光するものである。この方法では、光源の波長に対する光出力強度密度が高いので、検出光のレベルと信号対ノイズ比が十分に高く、十分な測定精度を実現できる。

波長可変型光源を用いて波長を周期的に変化させることで波長走査型光源とすることができる。波長走査型光源を用いた光干渉断層画像診断（ＯＣＴ：Optical Coherent Tomography）システムが非特許文献１，２に示されている。従来、２次元画像を生成するため、１回の波長走査の中で画像の分解能に合わせて例えば等周波数間隔で１０２４ポイントをとり、フーリエ変換を行うタイミング信号として与える必要がある。通常これをｋトリガという。このｋトリガ信号を生成する方法として、光源の出力の一部をファイバカプラなどで分岐して、そこにサンプリングの周波数間隔と同じＦＳＲをもったエタロンを介して、フォトダイオードでの受光信号のスパイク応答を矩形のトリガ信号に変換して生成する方法がある。トリガ信号の間隔Δｋは観察深さに比例し、より細かく取るほど深くまで解析できる。
R. Huber, M. Wojtkowski, K. Taira, and J. G. Fujimoto"Amplified, frequency swept lasers for frequency domain reflectometry and OCT imaging: design and scaling principles" 2 May 2005 / Vol. 13, No. 9 / OPTICS EXPRESS 3513 Michael A. Choma, Marinko V. Sarunic, Changhuei Yang, Joseph A. Izatt "Sensitivity advantage of swept source and Fourier domain optical coherence tomography" 8 September 2003 / Vol. 11, No. 18 / OPTICS EXPRESS 2183

しかるに前述したトリガ信号の間隔Δｋがもし等周波数間隔でなければ、画像が歪んだりノイズの影響を受けるという問題点が生じる。また、サンプリング間隔を周波数に対して等間隔に修正あるいは校正をする処理に時間がかかるため、高速解析が難しいという欠点があった。

波長可変光源を分析装置の光源として用いる場合には、一定の速度で発振周波数を走査することができれば、信号処理が容易となるが、このような光源は存在しなかった。

本発明は上記課題に着目し、一定の速度で発振周波数を変化させることができる波長走査型レーザ光源を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の波長走査型レーザ光源は、レーザ発振の共振器と、前記共振器内に設けられ、発振する波長に利得を有するゲイン媒体と、前記レーザ発振の共振器内に配置され、選択波長を連続的に変化させる波長可変光フィルタと、を具備し、前記波長可変フィルタは、光ビームの偏向角度を一定の角度範囲で一定の周期で変化させる光ビーム偏向部と、前記光ビーム偏向部によって偏向された光が入射され、入射角に応じて変化する選択周波数の光を入射方向と同一方向に反射する回折格子と、を有し、前記回折格子は、前記光ビーム偏向部から入射される光ビームの入射角により定まる回折格子上の入射位置に応じて、選択周波数の変化が時間的に一定となるように格子間隔が変化しているものである。

ここで前記波長可変フィルタの光ビーム偏向部は、回転によって光の反射角を変化させる複数の反射面を有するポリゴンミラーと、前記ポリゴンミラーを回転させて光の反射角度を制御する駆動部と、を有するようにしてもよい。

ここで前記光ビーム偏向部は、固定位置から等角速度で前記回折格子に光を入射する偏向部であり、前記回折格子は、入射角をθ、ｃを光速、ｂ，ｄを定数とすると、
ａ(θ)＝ｃ／｛２（ｂθ＋ｄ）sinθ｝
が満たされるように回折格子ピッチａをその入射角θに応じて変化させるようにしてもよい。

ここで共振器の光路は、ミラーと、前記波長可変フィルタの回折格子とによって構成されるようにしてもよい。

また共振器の光路はループ状に形成された光ループであってもよい。この場合に、光ループに接続され光ループを通過する光の一部を取り出す光学カップラと、第１〜第３の端子を有し、第１，第２の端子が光ループに接続され、第３の端子が波長可変フィルタに接続され、各端子に入射される光の方向を制御する光サーキュレータと、を更に有するようにしてもよい。また光ファイバは、偏波面保存型光ファイバとしてもよい。

このような特徴を有する本発明によれば、レーザ発振の共振器に回折格子による波長可変フィルタを用い、回折格子の格子ピッチを入射位置によって変化させておくことによって、周波数の変化速度が一定のレーザ光源とすることができる。又光ビーム偏向部の偏向速度を十分高くすることによって、高速で波長走査を行うことができるという効果が得られる。この光源をＯＣＴなどに用いた場合、容易に周波数軸で等間隔のサンプリングをすることができるため、処理回路への負荷が少なく高速での画像処理が可能となる。

図１は本発明の実施の形態による波長走査型レーザ光源の構成を示す図である。本実施の形態の波長走査型レーザ光源１０は光ファイバ１１によってループによる共振器を形成している。このループの一部に、ゲイン媒体１２として半導体光増幅器、光サーキュレータ１３、光カップラ１４及び偏波コントローラ１５を設ける。光サーキュレータ１３は、光ファイバ１１を透過する光の方向を図示のように矢印方向に規制するものである。即ち光サーキュレータ１３の入力端子１３ａ，１３ｂが光ファイバループに接続されており、入力端子１３ａから入射した光は光サーキュレータの端子１３ｃより出射される。又光サーキュレータの入力端子１３ｃより入射した光は端子１３ｂより出射される。端子１３ｂより入射した光は端子１３ａより出射される。又光カップラ１４は光ファイバループの光の一部を抽出するものであり、偏波コントローラ１５は、光ファイバループを透過する光の偏波方向を一定方向に規定するものである。

光サーキュレータ１３の端子１３ｃは、光ファイバ２１を介して図示のようにコリメートレンズ２２に接続される。コリメートレンズ２２は光ファイバ２１からの光を平行光とするもので、その光軸上にはポリゴンミラー２４が設けられる。ポリゴンミラー２４は図示のように紙面に垂直な軸に沿って回転させることによって、平行光を一定範囲で一定の角速度で反射するものである。

回折格子２７は連続してのこぎり波形状の断面が形成された格子である。そしてこの実施の形態では、リトロー配置によって入射方向が変わっても、入射光は同じ光路を通って投射方向に戻るように構成されている。選択波長は回折格子２７の入射角度によって一定範囲で変化する。ここでポリゴンミラー２４と駆動部２５とは、光ビームの反射角度を一定範囲で等角速度で周期的に変化させる光ビーム偏向部を構成している。この光ビーム偏向部と回折格子２７によって波長可変光フィルタを構成している。

光ファイバループの長さは回折格子によるバンドパスフィルタの半値全幅中に複数本の縦モードが含まれるような長さを選択することが好ましい。この縦モードの本数は好ましくは１０本以上とし、更に好ましくは１００本以上とし、多いほど好ましい。但し縦モードを多くするためには光ファイバを長くする必要があり、実用的には数ｍ〜数十ｍの長さの光ファイバが用いられる。

次にポリゴンミラーと回折格子の関係について詳細に説明する。ポリゴンミラー２４で反射される光は、ポリゴンミラー２４の回転によって連続的に入射角を変化して回折格子２７に入射する。ここでポリゴンミラー２４の回転によってその反射位置はわずかに変化するが、定位置の偏向点Ｄ１から偏向するものとして、以下に説明する。

図２は前述した偏向点Ｄ１から回折格子２７に入射する光の関係を示している。そして回折格子２７に入射する入射角をθ、偏向角をφとする。入射角θの初期値をθ_０とすると、入射角θは一般的にθ_０＋φと表される。さてリトロー配置の場合に回折格子２７での選択波長λは次式で示される。
λ＝２ａsinθ ・・・（１）
ここでａは回折格子の格子ピッチ（μｍ）であり、本実施の形態ではａは一定ではなく回折格子のＸ軸上の位置によって異なる。そして光速をｃとして波長λを周波数ｆに置き換えると、次式となる。
ｆ＝ｃ／２ａsinθ
この周波数ｆは入射角θの関数であるため、ｆ（θ）とおく。
ｆ（θ）＝ｃ／（２ａsinθ）・・・（２）
ここでもし回折格子ピッチａを一定とすれば、図３の曲線Ａに示すように入射角θに対して回折格子の選択周波数は非線形に変化することとなる。そして図３の直線Ｂに示すように、もし周波数ｆ（θ）が入射角θに対して直線的に変化するものとすれば、これをｆ（θ）として以下の式で表すことができる。
ｆ_Ｌ（θ）＝ｂθ＋ｄ・・・（３）
ここでｂ及びｄは定数である。さて回折格子ピッチａは入射位置Ｘに応じて変化するため、入射角θに応じて変化することとなり、これをａ（θ）とする。式（２）のａにａ（θ）を代入し、式（２）のｆ（θ）と式（３）のｆ_Ｌ（θ）が等しいとして、ａ（θ）について解けば次式が得られる。
ａ(θ)＝ｃ／｛２（ｂθ＋ｄ）sinθ｝・・・（４）

従って回折格子２７の格子ピッチａを式（４）のように入射角θに対応させることによって図３の曲線Ａを直線Ｂに一致させることができる。

光ビームの偏向点Ｄ１から回折格子２７までの光路長の初期値をＬとし、入射角がθ_０、偏向角が０のときの回折格子上のビームの位置を初期位置Ｘ_０としたとき、偏向角φでのビームの位置Ｘは次式で表される。
Ｘ＝ｇ（φ）＝Ｌ｛cosθ_０tan（θ_０＋φ）−sinθ_０｝・・・（５）
これから逆にφ＝ｇ^-1（Ｘ）と置き換え、θ＝θ₀＋φとともにａ（θ）の式に代入することにより、回折格子の変調すべき格子間隔ａの分布が決定される。
ａ（Ｘ）＝ｃ／｛２［ｂ（θ_０＋ｇ^−１（Ｘ））＋ｄ］sin［θ_０＋ｇ^−１（Ｘ）］｝・・・（６）
このように回折格子２７はこのように入射位置Ｘに応じて格子ピッチａを変化させたものである。こうして入射位置に応じて選択周波数を変化させることができる。

次にこの実施の形態の動作について説明する。この実施の形態において前述したゲイン媒体１２の半導体光増幅器を駆動する。図４（ａ）はゲイン媒体１２の利得を示す。こうすれば光サーキュレータ１３の作用によって端子１３ａから加わった光が端子１３ｃより光ファイバ２１に入り、コリメートレンズ２２によって平行光となってポリゴンミラー２４に加わる。そしてその回転角度によって決まる角度で反射された光が回折格子２７に加わる。そして回折格子２７のリトロー配置によって選択された反射光がそのまま同一方向に反射され、ポリゴンミラー２４を介してコリメートレンズ２２に加わる。更に光ファイバ２１を介して光サーキュレータ１３より光ファイバループに加わる。又偏波コントローラ１５は光ファイバループを透過する光の偏波を一定方向に調整する。図４（ｂ）は光ファイバループの長さと光ファイバの屈折率で定まる光学長に応じて定まる外部共振縦モードを示している。例えばこの光学長を３ｍとすると、約７０ＭＨｚの間隔の縦モードが存在する。図４（ｃ）は回折格子２７の特性Ｂ１を示しており、この回折格子２７によって選択された波長で図４（ｄ）に示すように複数の縦モードを含んで多モード発振する。こうして光ファイバループで発振したレーザ光の一部、例えばレーザ光の５０％のレベルの光を光カップラ１４を介して取り出す。

そして駆動部２５によってポリゴンミラー２４を回動させる。こうすればのこぎり波状に回折格子２７への入射角度が変化し、これによって選択波長が図４（ｃ）のＢ１〜Ｂ２〜Ｂ３のように変化する。従ってポリゴンミラー２４を回動させることによって、発振周波数を変化させることができる。

このとき光ビームの偏向角により変わる入射位置Ｘによって格子間隔が異なっているため、結果的に図３の直線Ｂに示すように入射角θに対して直線的に回折格子２７の選択周波数が変化する。さらに偏向角φが時間に対して線形に、つまり等速で可変する光ビーム偏向部を用いている。本実施の形態ではポリゴンミラー２４では、等角速度で光ビームを偏向して回折格子２７に入射することができる。従って時間的に一定の変化率、つまり等速で、選択周波数を変化させることができる。これに応じて発振周波数も等速で変化することになる。ここで例えばポリゴンミラー２４の回転速度を4万ｒｐｍとし、ポリゴンミラー２４の反射面数を３０とすると、２０ＫＨｚの走査周波数で図５に示すようにファイバレーザ光源の発振波長をのこぎり波状に変化させることができる。

この実施の形態による発振の場合には、図４（ｄ）に示すように多モードの状態の発振となる。ここで図４（ｂ）のように縦モードの間隔が極めて狭いので、波長可変時の発振モードの移動は包絡線状に連続であり、従来の単一モード発振の外部共振器型半導体レーザのようなモードホップとそれに伴う出力や波長の不安定な状態なく波長を連続的に可変できる。

光コヒーレントトモグラフィ（ＯＣＴ）にこの光源を用いる場合には、干渉信号を周波数軸上でサンプリングする。従って周波数軸上で直線的又は等間隔となるトリガ信号を用いて光源からの光を周波数間隔毎に出力し、処理する必要がある。そして走査周波数が時間軸に対して線形であれば、演算処理回路ボードの内部のクロックによって等時間間隔でサンプリングすればよくなり、サンプリングのタイミングを容易に決定することができる。また補間処理のためにデータをバッファする必要がないので、波長走査のレートによって決まる速度でリアルタイムな画像処理、および表示が可能となる。また、外部に出力光を分岐する必要がないので、光出力を無駄にせず効率的に利用できる。

前述した第１の実施の形態による波長走査型ファイバレーザ光源では、ゲイン媒体として半導体光増幅器（ＳＯＡ）を用いたが、ゲイン媒体１２としては、光ファイバ増幅器を用いてもよい。又光ファイバ１１を偏波面保存型の光ファイバとすることによって偏波コントローラ１５を省略することができる。

第１の実施の形態では、回折格子は式（４）に示すように格子ピッチを変調するようにしている。しかし図６に示すように回折格子２７とポリゴンミラー２４との間にプリズム３０などが入る場合は、前述した式（１），（２）のように単純な式では表せない。しかしf＝ｆ（ａ，φ）がどのような関数であるにせよ、偏向角φに対応する位置Ｘとの関係が求まれば、選択周波数の変化が直線的になるように適宜回折格子の格子ピッチａを変調することによって、同様な効果を実現できる。また前述したようにプリズムを用いなくても偏向点はわずかに変化しているが、この変化を考慮に入れて回折格子２７の格子ピッチａを決定することもでき、この場合により正確に等周波数での変化特性が得られる。

次に本発明の第２の実施の形態について図７，図８を用いて説明する。この実施の形態では光ファイバはループ状でなく、ゲイン媒体と光ファイバ及び波長可変フィルタを用いて光共振器を構成する。ゲイン媒体５１としては半導体光増幅器（ＳＯＡ）、ファブリペロー半導体レーザ（ＦＰＬＤ）、又はスーパールミネッセントレーザダイオード（ＳＬＤ）等を用いる。そしてゲイン媒体５１の一方の面５１ａを高反射膜、例えば８０〜１００％程度の反射率を有する反射膜とし、他方の面５１ｂは無反射膜とし、面５１ｂを透過する光をコリメートレンズ５２を介して光ファイバ５３に接続する。光ファイバ５３は偏波コントローラ５４が接続されており、その他端には前述した第１の実施の形態の波長可変フィルタ５６が設けられる。波長可変フィルタ５６は前述した実施の形態のように、ポリゴンミラー２４などから成る光ビーム偏向部と、回折格子２７とによって構成する。従って回折格子２７と面５１ａ（ミラー）を両端とし、光ファイバによって光路が形成される。ここで光ファイバ５３には光カップラ５５が取付けられており、レーザ光の一部を外部に出射するようになっている。尚、光ファイバ５３は光路長を十分大きくするために用いられる。この光ファイバ５３の長さは回折格子２７の半値全幅中に複数本の縦モードが含まれるような長さを選択することが必要である。この縦モードの本数は好ましくは１０本以上とし、更に好ましくは１００本以上とし、多いほど好ましい。但し縦モードを多くするためには光ファイバを長くする必要があり、実用的には数ｍ〜数十ｍの長さの光ファイバが用いられる。

尚ゲイン媒体５１の面５１ａについても無反射膜とし、その外側に全反射ミラーを設けてもよい。この場合には、ミラーと波長可変フィルタ５６によって光路が構成されることになる。この場合も光ファイバ５３を偏波部保存型の光ファイバとすることによって偏波コントローラ５４を省略することができる。

次に第３の実施の形態について図９，図１０を用いて説明する。この実施の形態では図９に示すようにゲイン媒体６１の一方の面６１ｂは無反射膜とし、もう一方の面６１ａは１０％程度の低い反射率として、その反射面６１ａから発振出力光を取り出すようにしたものである。ゲイン媒体の面６１ａには図１０に示すようにコリメートレンズ６２及び出力用の光ファイバ６３が設けられる。このため光を取り出すための光カップラは不要となる。その他の構成は第２の実施の形態と同様である。

尚前述した各実施の形態では、光ビーム偏向部としてポリゴンミラーと駆動部とを用いているが、反射角度を一定の角速度で変化させるものであれば足りる。

更に前述した各実施の形態では、反射角度を一定の角速度で変化させているが、光ビーム偏向部は等角速度で光を偏向させるものでなくてもよく、その偏向の角速度に合わせて回折格子の格子ピッチａを変化させることによって一定速度で発振周波数を変化させることができる。

本発明は回折格子を用いて一定の速度で周波数が変化するレーザ光源を得ることができる。従って種々の分析機器、例えば医療用途では表皮下層の高分解能医用画像診断装置に適用することが可能となる。又ファイバグレーティングセンサを用いて歪みの計測をする場合に、本発明の波長走査型レーザ光源を光源として用いることができる。

本発明の第１の実施の形態による波長走査型レーザ光源の構成を示す図である。本実施の形態のポリゴンミラーと回折格子を示す図である。入射角と光周波数の関係を示すグラフである。ゲイン媒体と波長及びフィルタの発振出力の関係を示すグラフである。時間変化に対する発振周波数の変化を示すグラフである。本実施の形態の変形例によるポリゴンミラー、プリズムと回折格子を示す図である。本発明の第２の実施の形態よる発振走査型レーザ光源の構成を示す図である。本実施の形態によるゲイン媒体と光ファイバの詳細を示す図である。本発明の第３の実施の形態よる発振走査型レーザ光源の構成を示す図である。本実施の形態によるゲイン媒体と光ファイバの詳細を示す図である。

符号の説明

１０波長走査型レーザ光源
１１，５３光ファイバ
１２，５１，６１ゲイン媒体
１３光サーキュレータ
１４，５５光カップラ
１５，５４偏波コントローラ
２２コリメートレンズ
２４ポリゴンミラー
２５駆動部
２７回折格子
３０プリズム
５６波長可変フィルタ

Claims

レーザ発振の共振器と、
前記共振器内に設けられ、発振する波長に利得を有するゲイン媒体と、
前記レーザ発振の共振器内に配置され、選択波長を連続的に変化させる波長可変光フィルタと、を具備し、
前記波長可変フィルタは、
光ビームの偏向角度を一定の角度範囲で一定の周期で変化させる光ビーム偏向部と、
前記光ビーム偏向部によって偏向された光が入射され、入射角に応じて変化する選択周波数の光を入射方向と同一方向に反射する回折格子と、を有し、
前記回折格子は、前記光ビーム偏向部から入射される光ビームの入射角により定まる回折格子上の入射位置に応じて、選択周波数の変化が時間的に一定となるように格子間隔が変化していることを特徴とする波長走査型レーザ光源。
前記波長可変フィルタの光ビーム偏向部は、
回転によって光の反射角を変化させる複数の反射面を有するポリゴンミラーと、
前記ポリゴンミラーを回転させて光の反射角度を制御する駆動部と、を有する請求項１記載の波長走査型レーザ光源。
前記光ビーム偏向部は、固定位置から等角速度で前記回折格子に光を入射する偏向部であり、
前記回折格子は、入射角をθ、ｃを光速、ｂ，ｄを定数とすると、
ａ(θ)＝ｃ／｛２（ｂθ＋ｄ）sinθ｝
が満たされるように回折格子ピッチａをその入射角θに応じて変化させたものである請求項１又は２記載の波長走査型レーザ光源。