WO2014188917A1 - Ｏｃｔ装置 - Google Patents

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WO2014188917A1
WO2014188917A1 PCT/JP2014/062776 JP2014062776W WO2014188917A1 WO 2014188917 A1 WO2014188917 A1 WO 2014188917A1 JP 2014062776 W JP2014062776 W JP 2014062776W WO 2014188917 A1 WO2014188917 A1 WO 2014188917A1
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optical
port
light
compensation element
measurement
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PCT/JP2014/062776
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English (en)
French (fr)
Inventor
長谷川　健美
浩士 小尾
Original Assignee
住友電気工業株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4795—Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium

Definitions

  • the present invention relates to an OCT apparatus.
  • the OCT apparatus can acquire an optical tomographic image of an object to be measured using an optical coherence tomography (Optical Coherence Tomography: OCT) technology.
  • OCT optical Coherence Tomography
  • the light output from the light source is split into two by the optical branching device, measuring light and reference light.
  • the measurement light output from the optical splitter and reflected by the object to be measured (including backscattering, the same applies hereinafter) and the reference light output from the optical splitter are combined by the optical multiplexer and interfered with each other.
  • the interference light is output from the optical multiplexer.
  • the interference light output from the optical multiplexer is detected by a photodetector.
  • the light propagation time and the reflectance to the reflection point of the measurement light in the measurement object are measured, and further, the measurement light incident position on the measurement object is scanned, so that the two-dimensional or three-dimensional measurement object is scanned.
  • a dimensional optical tomographic image is acquired.
  • SS-OCT Sestrepray Optical Coherence Tomography
  • SD-OCT Spectral Domain Optical Coherence Tomography
  • TD-OCT Time Domain Optical Coherence Tomography
  • OCT methods SS-OCT measures the spectrum of interference light using a wavelength swept light source whose oscillation wavelength is swept with time.
  • SD-OCT measures the spectrum of interference light using a broadband light source and a spectroscopic detector.
  • TD-OCT measures the cross-correlation function between the measurement light and the reference light by detecting the interference light while sweeping the delay time of the reference light.
  • the OCT apparatus disclosed in JP-T-2003-524758 uses an optical circulator which is a nonreciprocal element.
  • the optical circulator has a first port, a second port, and a third port.
  • the measurement light output from the optical splitter is input to the first port and output from the second port toward the measurement object, and the measurement light reflected or scattered by the measurement object is input to the second port and input to the second port.
  • OCT equipment using nonreciprocal elements such as optical circulators can avoid optical loss due to optical branching and increase light utilization efficiency compared to OCT equipment using reciprocal elements such as optical couplers. Sensitivity to detect reflections from the object is improved.
  • the optical circulator has polarization mode dispersion (Polarization Mode Dispersion: PMD)
  • PMD Polarization Mode Dispersion
  • the OCT apparatus using the optical circulator has a problem that the performance of the spatial resolution deteriorates due to the polarization mode dispersion.
  • the effects of polarization mode dispersion of optical circulators on OCT measurement performance are also pointed out in Zhang et al., Optics Express, Vol. 19, No. 18, and pp. 16830-16842 (2011).
  • the OCT apparatus disclosed in Patent Document 1 uses a polarization-independent optical circulator with the intention of solving such problems.
  • a polarization-independent optical circulator typically divides input light into two optical paths according to the polarization state, and after rotating the polarization direction nonreciprocally in each optical path, It has a structure for combining light into one optical path (see US Pat. No. 4,464,022).
  • An object of the present invention is to provide an OCT apparatus capable of performing OCT measurement with high spatial resolution using a practical optical circulator.
  • the OCT apparatus of the present invention includes (1) a light source that outputs fluorescent light, (2) an optical splitter that splits the light into measurement light and reference light, and outputs these measurement light and reference light; ) Input measurement light that is output from the optical splitter and reflected or scattered by the measurement object, and input reference light output from the optical splitter, and combines the input measurement light and reference light.
  • An optical multiplexer that outputs the interference light by causing interference; (4) a photodetector that detects the interference light output from the optical multiplexer; and (5) a first port, a second port, and a third port.
  • the measurement light output from the optical splitter is input to the first port and output from the second port toward the measurement object, and the measurement light reflected or scattered by the measurement object is input to the second port.
  • An optical circulator that outputs to the optical multiplexer from the third port, and (6) the first optical circulator The optical path of the measurement light between the 1 port and the optical splitter, the optical path of the measurement light between the second port of the optical circulator and the measurement object, and the third port of the optical circulator and the optical multiplexer
  • An eigenpolarization state that is provided on one or more of the optical paths of the measurement light and is represented by a Stokes vector in the opposite direction to the Stokes vector of the eigenstate of polarization (Eigenstate of Polarization: ESOP) And a PMD compensation element.
  • the intrinsic polarization state has Stokes vectors in opposite directions and the group velocity is maximum and minimum, but in this specification, unless otherwise specified, the group velocity is maximum. It shall refer to the direction of intrinsic polarization.
  • the OCT apparatus of the present invention can perform OCT measurement with high spatial resolution using a practical optical circulator.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a first configuration example of a PMD compensation element 20.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a second configuration example of a PMD compensation element 20.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a second configuration example of a PMD compensation element 20.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a third configuration example of a PMD compensation element 20.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a third configuration example of a PMD compensation element 20.
  • FIG. 2 is a graph showing the wavelength dependence of the differential group delay of the optical circulator 21 compensated by the PMD compensation elements 20 and 22 in the OCT apparatus of FIG. 1.
  • polarization mode dispersion does not occur in the combined light if the propagation delays of the two optical paths coincide with each other.
  • a propagation delay occurs between the two optical paths due to the material anisotropy and insufficient accuracy of the part shape, and as a result, the optical circulator has polarization mode dispersion.
  • the influence of the polarization mode dispersion of the optical circulator on the OCT measurement performance is so large that it cannot be ignored.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing an OCT apparatus 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the OCT apparatus 1 acquires an optical tomographic image of the measurement object 40.
  • the OCT apparatus 1 includes a light source 10, an optical splitter 11, an optical multiplexer 12, a polarization beam splitter 13, a photodetector 14, a photodetector 15, a PMD compensation element 20, an optical circulator 21, a PMD compensation element 22, and a rotary joint. 23, an optical probe 24, a mirror 25, a PMD compensation element 30, an optical circulator 31, a PMD compensation element 32, a lens 33, a reference mirror 34, and a polarization controller 35.
  • the light source 10 outputs broadband light.
  • the optical splitter 11 splits the light output from the light source 10 into measurement light and reference light, outputs the measurement light to the PMD compensation element 20, and outputs the reference light to the PMD compensation element 30.
  • the optical circulator 21 has a first port 21a, a second port 21b, and a third port 21c.
  • the optical circulator 21 inputs the measurement light output from the optical branching device 11 and passed through the PMD compensation element 20 to the first port 21a, and outputs the input measurement light to the rotary joint 23 from the second port 21b.
  • the optical circulator 21 inputs the measurement light reaching from the rotary joint 23 to the second port 21 b and outputs the input measurement light to the PMD compensation element 22 from the third port 21 c.
  • the measurement light output from the second port 21b of the optical circulator 21 enters the optical probe 24 through the rotary joint 23, and is irradiated toward the measurement object 40 on the side by the mirror 25 connected to the tip of the optical probe 24. Is done.
  • the measurement light reflected by the measurement object 40 is input to the second port 21 b of the optical circulator 21 through the mirror 25, the optical probe 24, and the rotary joint 23.
  • the optical circulator 31 has a first port 31a, a second port 31b, and a third port 31c.
  • the optical circulator 31 inputs the reference light output from the optical splitter 11 and passed through the PMD compensation element 30 to the first port 31a, and outputs the input reference light to the lens 33 from the second port 31b.
  • the optical circulator 31 inputs the reference light reaching from the lens 33 to the second port 31b, and outputs the input reference light to the PMD compensation element 32 from the third port 31c.
  • the reference light output from the second port 31 b of the optical circulator 31 is irradiated to the reference mirror 34 through the lens 33 and reflected.
  • the reference light reflected by the reference mirror 34 is input to the second port 31 b of the optical circulator 31 through the lens 33.
  • the optical multiplexer 12 receives measurement light output from the third port 21c of the optical circulator 21 and passed through the PMD compensation element 22, and is output from the third port 31c of the optical circulator 31 to output the PMD compensation element 32 and the polarization.
  • the reference light that has passed through the controller 35 is input.
  • the optical multiplexer 12 multiplexes and interferes with the input measurement light and reference light, and outputs the interference light to the polarization beam splitter 13.
  • the polarization beam splitter 13 receives the interference light output from the optical multiplexer 12, separates the input interference light into two polarization states, and outputs the light in one polarization state to the photodetector 14. The other polarization state light is output to the photodetector 15.
  • Each of the photodetector 14 and the photodetector 15 receives light that has arrived from the polarization beam splitter 13 and detects the spectrum of the received light.
  • the OCT apparatus 1 performs signal processing based on the detected spectrum to obtain a reflectance distribution along the measurement light incident direction inside the measurement object 40.
  • the OCT apparatus 1 can acquire an optical tomographic image of the measurement object 40 by repeatedly performing the above measurement while rotating and translating the tip of the optical probe 24.
  • PMD compensation elements 20 and 22 compensate for polarization mode dispersion of the optical circulator 21.
  • PMD compensation elements 30 and 32 compensate for polarization mode dispersion of the optical circulator 31.
  • the polarization mode dispersion of the optical circulator will be described first, and then the PMD compensation element will be described.
  • FIG. 2 is a graph showing the measurement results of the wavelength dependence of the differential group delay (Differential Group Delay: DGD) of a typical polarization-independent optical circulator.
  • FIG. 3 is a graph showing the measurement results of the wavelength dependence of the Stokes vectors in the intrinsic polarization state (Eigenstate of Polarization: ESOP) of a typical polarization-independent optical circulator.
  • DGD differential group Delay
  • ESOP Eigenstate of Polarization
  • the optical circulator used for the measurement is OCPI-30L111135 manufactured by Agiltron.
  • Differential group delay is the difference in group delay between two intrinsic polarization states.
  • Polarization mode dispersion (PMD) is a value obtained by averaging differential group delays in a certain wavelength range.
  • the intrinsic polarization state is a polarization state having the maximum group delay among all the polarization states.
  • the intrinsic polarization state is represented by a direction ( ⁇ , ⁇ ) obtained by the following equation using Stokes vectors (s1, s2, s3) representing the polarization state of light.
  • a typical optical circulator generates polarization mode dispersion of approximately 0.02 ps for light that is input to the first port A and output from the second port B (FIG. 2A), and the second port.
  • Polarization mode dispersion of approximately 0.02 ps is also generated for the light input to B and output from the third port C (FIG. 2B). Since the optical circulator passes the measurement light twice, it causes a polarization mode dispersion of approximately 0.04 ps with respect to the measurement light.
  • the polarization mode dispersion of about 0.04 ps corresponds to about 12 ⁇ m when converted to the propagation distance of light in the air.
  • the PMD compensation element 20 compensates the polarization mode dispersion of the measurement light in the optical path from the first port 21a to the second port 21b of the optical circulator 21.
  • the PMD compensation element 22 compensates the polarization mode dispersion of the measurement light in the optical path from the second port 21b to the third port 21c of the optical circulator 21.
  • the PMD compensation element 30 compensates for the polarization mode dispersion of the reference light in the optical path from the first port 31a to the second port 31b of the optical circulator 31.
  • the PMD compensation element 32 compensates for the reference light polarization mode dispersion in the optical path from the second port 31b to the third port 31c of the optical circulator 31.
  • the PMD compensation element 20 has an intrinsic polarization state represented by a Stokes vector in the opposite direction to the Stokes vector of the intrinsic polarization state of the optical circulator 21.
  • the PMD compensation element 20 preferably has polarization mode dispersion having a magnitude substantially equal to the polarization mode dispersion of the optical circulator 21.
  • 4 to 6 are conceptual diagrams showing a PMD compensation element 20A as a first configuration example of the PMD compensation element 20, a PMD compensation element 20B as a second configuration example, and a PMD compensation element 20C as a third configuration example. is there.
  • the PMD compensation element 20A has a configuration in which a polarization maintaining optical fiber having a predetermined length is rotated in a predetermined direction and connected to the first port 21a of the optical circulator 21.
  • a polarization maintaining optical fiber that can generate a polarization mode dispersion of 0.1 ps with a length of 6.2 cm is known.
  • the PMD compensation element 20B has a configuration in which birefringence is induced in a normal (not polarization-maintaining) optical fiber by winding it around a cylindrical body with a predetermined bending radius and a predetermined length.
  • the PMD compensation element 20C has a configuration in which birefringence is induced in an optical fiber by applying a predetermined lateral pressure to a predetermined length portion of a normal optical fiber. Any PMD compensation element having any of these configurations can be realized at low cost.
  • the magnitude of the differential group delay and the direction of the Stokes vector in the intrinsic polarization state are substantially constant regardless of the wavelength. This means that higher-order polarization mode dispersion can be ignored.
  • the magnitude of the differential group delay of the optical circulator (FIG. 2) and the direction of the Stokes vector in the intrinsic polarization state (FIG. 3) are also substantially constant regardless of the wavelength. Therefore, the PMD compensation elements 20A, 20B, and 20C can effectively compensate for the polarization mode dispersion of the optical circulator.
  • the polarization mode dispersion PMD1 is 0.022 ps
  • ⁇ 1 34 degrees.
  • FIG. 7A is a graph showing the wavelength dependence of the overall differential group delay in the optical circulator 21 and the PMD compensation element 20 in the OCT apparatus 1.
  • FIG. 7B is a graph showing the wavelength dependence of the entire differential group delay in the optical circulator 21 and the PMD compensation element 22 in the OCT apparatus 1.
  • the total differential group delay of the optical circulator and the PMD compensation element is reduced to 0.002 ps.
  • This polarization mode dispersion is 0.6 ⁇ m in terms of distance, and is sufficiently smaller than the spatial resolution of 10 to 20 ⁇ m of OCT measurement, so the influence of polarization mode dispersion is negligible.
  • the OCT apparatus 1 can perform OCT measurement with high spatial resolution using the practical optical circulators 21 and 31.
  • 2 is a graph showing the wavelength dependence of the differential group delay of the optical circulator 21 compensated by the PMD compensation elements 20 and 22 in the OCT apparatus of FIG. 1.

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Abstract

　実用的な光サーキュレータを用いて高い空間分解能でＯＣＴ測定を行うことができるＯＣＴ装置は、測定対象物の光断層画像を取得するものであって、ＯＣＴ装置、光源、光分岐器、光合波器、偏波ビームスプリッタ、光検出器、光検出器、ＰＭＤ補償素子、光サーキュレータ、ＰＭＤ補償素子、ロータリージョイント、光プローブ、ミラー、ＰＭＤ補償素子、光サーキュレータ、ＰＭＤ補償素子、レンズ、参照鏡及び偏波コントローラを備える。ＰＭＤ補償素子は、光サーキュレータの固有偏波状態ストークスベクトルと逆方向のストークスベクトルの固有偏波状態を有し、光サーキュレータの偏波モード分散と実質的に等しい大きさの偏波モード分散を有する。

Description

ＯＣＴ装置
　本発明は、ＯＣＴ装置に関するものである。
　ＯＣＴ装置は、光干渉断層撮像（Optical Coherence Tomography : ＯＣＴ）技術を用いて、測定対象物の光断層画像を取得することができる。ＯＣＴでは、光源から出力された光が光分岐器により測定光と参照光とに２分岐される。光分岐器から出力されて測定対象物によって反射（後方散乱を含む。以下同様。）された測定光と、光分岐器から出力された参照光とは、光合波器により合波され干渉して当該干渉光が光合波器から出力される。光合波器から出力された干渉光は光検出器により検出される。これにより、測定対象物における測定光の反射点までの光伝搬時間及び反射率が測定され、さらに、測定対象物への測定光入射位置が走査されることで、測定対象物の２次元または３次元の光断層画像が取得される。
　ＯＣＴの方式として、ＳＳ-ＯＣＴ（Swept Source Optical Coherence Tomography），ＳＤ-ＯＣＴ（Spectral Domain Optical Coherence Tomography）及びＴＤ-ＯＣＴ（Time Domain Optical Coherence Tomography）が知られている。ＳＳ-ＯＣＴは、発振波長が時間とともに掃引される波長掃引光源を用いて干渉光のスペクトルを測定する。ＳＤ-ＯＣＴは、広帯域光源及び分光検出器を用いて干渉光のスペクトルを測定する。ＴＤ-ＯＣＴは、参照光の遅延時間を掃引しながら干渉光を検出することで測定光と参照光との相互相関関数を測定する。
　特表２００３－５２４７５８号公報（特許文献１）に開示されたＯＣＴ装置は、非相反素子である光サーキュレータを用いている。光サーキュレータは、第１ポート，第２ポート及び第３ポートを有する。光分岐器から出力された測定光を第１ポートに入力して第２ポートから測定対象物へ向けて出力し、測定対象物によって反射または散乱された測定光を第２ポートに入力して第３ポートから光合波器へ向けて出力する。光サーキュレータ等の非相反素子を用いたＯＣＴ装置は、光カプラ等の相反素子を用いたＯＣＴ装置と比べて、光分岐による光学損失を回避することができ、光の利用効率が高まるので、測定対象物による反射を検出する感度が改善される。
　しかしながら、光サーキュレータは偏波モード分散（Polarization Mode Dispersion : ＰＭＤ）を有していることから、光サーキュレータを用いたＯＣＴ装置は、偏波モード分散によって空間分解能の性能が劣化する問題がある。光サーキュレータの偏波モード分散がＯＣＴ測定性能に与える影響はZhang et al., Optics Express, Vol.19,No.18, pp.16830-16842 (2011)においても指摘されている。
　特許文献１に開示されたＯＣＴ装置は、このような問題を解消することを意図して、偏光無依存型の光サーキュレータを用いている。偏光無依存型の光サーキュレータは、典型的には、入力された光を偏光状態に従って２つの光路に分割し、それぞれの光路において偏光方向を非相反的に回転させた後に、２つの偏光状態の光を１つの光路に合波する構造を持っている（米国特許第４４６４０２２号明細書参照）。
　本発明は、実用的な光サーキュレータを用いて高い空間分解能でＯＣＴ測定を行うことができるＯＣＴ装置を提供することを目的とする。
　本発明のＯＣＴ装置は、(1) 光を出力する光源と、(2)光を測定光と参照光とに２分岐して、これら測定光及び参照光を出力する光分岐器と、(3) 光分岐器から出力されて測定対象物によって反射または散乱された測定光を入力するとともに、光分岐器から出力された参照光を入力し、これら入力した測定光と参照光とを合波し干渉させて当該干渉光を出力する光合波器と、(4) 光合波器から出力された干渉光を検出する光検出器と、(5) 第１ポート，第２ポート及び第３ポートを有し、光分岐器から出力された測定光を第１ポートに入力して第２ポートから測定対象物へ向けて出力し、測定対象物によって反射または散乱された測定光を第２ポートに入力して第３ポートから光合波器へ出力する光サーキュレータと、(6) 光サーキュレータの第１ポートと光分岐器との間の測定光の光路、光サーキュレータの第２ポートと測定対象物との間の測定光の光路、及び、光サーキュレータの第３ポートと光合波器との間における測定光の光路のうちのいずれか１以上の光路上に設けられ、光サーキュレータの固有偏波状態（Eigenstate of Polarization : ＥＳＯＰ）のストークスベクトルと逆方向のストークスベクトルで表される固有偏波状態を有するＰＭＤ補償素子と、を備えることを特徴とする。
　なお、原理的に固有偏波状態は、互いに逆方向のストークスベクトルを有し群速度が最大及び最少となる２つの状態が対として存在するが、本明細書では、特記しない限り群速度最大の固有偏波状態の方を指すものとする。
　本発明のＯＣＴ装置は、実用的な光サーキュレータを用いて高い空間分解能でＯＣＴ測定を行うことができる。
本発明の実施形態であるＯＣＴ装置の概念図である。
典型的な偏波無依存型光サーキュレータにおける差動群遅延の波長依存性の測定結果を示すグラフである。
典型的な偏波無依存型光サーキュレータにおける固有偏波状態のストークスベクトルの方向の波長依存性の測定結果を示すグラフである。
ＰＭＤ補償素子２０の第１構成例を示す概念図である。
ＰＭＤ補償素子２０の第２構成例を示す概念図である。
ＰＭＤ補償素子２０の第３構成例を示す概念図である。
図１のＯＣＴ装置におけるＰＭＤ補償素子２０，２２で補償された光サーキュレータ２１の差動群遅延の波長依存性を示すグラフである。
　以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　偏光無依存型の光サーキュレータを用いたＯＣＴ装置において、２つの光路それぞれの伝搬遅延が互いに一致していれば、合波後の光では偏波モード分散は生じない。しかし、実用上は、材料の異方性や部品形状の精度不足により２つの光路の間に伝搬遅延が生じ、その結果として光サーキュレータは偏波モード分散を持つ。実用的な光サーキュレータを用いた場合、光サーキュレータの偏波モード分散がＯＣＴ測定性能に与える影響は無視し得ないほど大きい。
　偏波モード分散の値が十分低く管理された光サーキュレータを用いることによって上記の問題を解決し得る。しかし、一般にそのような光サーキュレータは製造上の困難を有するので、この方法による解決は製造コストの増大という別の問題を生じさせる。以下では、ＯＣＴの方式の一つであるＳＤ-ＯＣＴに発明を適用した本発明の実施形態を示すが、本発明はＳＳ-ＯＣＴやＴＤ-ＯＣＴなどの他のＯＣＴ方式にも同様に適用可能である。
　図１は、本発明の実施形態であるＯＣＴ装置１を示す概念図である。ＯＣＴ装置１は、測定対象物４０の光断層画像を取得するものである。ＯＣＴ装置１は、光源１０、光分岐器１１、光合波器１２、偏波ビームスプリッタ１３、光検出器１４、光検出器１５、ＰＭＤ補償素子２０、光サーキュレータ２１、ＰＭＤ補償素子２２、ロータリージョイント２３、光プローブ２４、ミラー２５、ＰＭＤ補償素子３０、光サーキュレータ３１、ＰＭＤ補償素子３２、レンズ３３、参照鏡３４及び偏波コントローラ３５を備える。
　光源１０は、広帯域光を出力する。光分岐器１１は、光源１０から出力された光を測定光と参照光とに２分岐して、測定光をＰＭＤ補償素子２０へ出力するとともに、参照光をＰＭＤ補償素子３０へ出力する。
　光サーキュレータ２１は、第１ポート２１ａ，第２ポート２１ｂ及び第３ポート２１ｃを有する。光サーキュレータ２１は、光分岐器１１から出力されてＰＭＤ補償素子２０を経た測定光を第１ポート２１ａに入力して、その入力した測定光を第２ポート２１ｂからロータリージョイント２３へ出力する。光サーキュレータ２１は、ロータリージョイント２３から到達した測定光を第２ポート２１ｂに入力して、その入力した測定光を第３ポート２１ｃからＰＭＤ補償素子２２へ出力する。
　光サーキュレータ２１の第２ポート２１ｂから出力された測定光は、ロータリージョイント２３を経て光プローブ２４に入り、光プローブ２４の先端に接続されたミラー２５によって側方の測定対象物４０に向けて照射される。測定対象物４０において反射された測定光は、ミラー２５，光プローブ２４及びロータリージョイント２３を経て、光サーキュレータ２１の第２ポート２１ｂに入力される。
　光サーキュレータ３１は、第１ポート３１ａ，第２ポート３１ｂ及び第３ポート３１ｃを有する。光サーキュレータ３１は、光分岐器１１から出力されてＰＭＤ補償素子３０を経た参照光を第１ポート３１ａに入力して、その入力した参照光を第２ポート３１ｂからレンズ３３へ出力する。光サーキュレータ３１は、レンズ３３から到達した参照光を第２ポート３１ｂに入力して、その入力した参照光を第３ポート３１ｃからＰＭＤ補償素子３２へ出力する。
　光サーキュレータ３１の第２ポート３１ｂから出力された参照光は、レンズ３３を経て参照鏡３４に照射されて反射される。参照鏡３４で反射された参照光は、レンズ３３を経て光サーキュレータ３１の第２ポート３１ｂに入力される。
　光合波器１２は、光サーキュレータ２１の第３ポート２１ｃから出力されてＰＭＤ補償素子２２を経た測定光を入力するとともに、光サーキュレータ３１の第３ポート３１ｃから出力されてＰＭＤ補償素子３２及び偏波コントローラ３５を経た参照光を入力する。光合波器１２は、これら入力した測定光と参照光とを合波し干渉させて当該干渉光を偏波ビームスプリッタ１３へ出力する。
　偏波ビームスプリッタ１３は、光合波器１２から出力された干渉光を入力し、この入力した干渉光を２つの偏光状態に分離して、一方の偏光状態の光を光検出器１４へ出力し、他方の偏光状態の光を光検出器１５へ出力する。光検出器１４及び光検出器１５それぞれは、偏波ビームスプリッタ１３から到達した光を受光し、その受光した光のスペクトルを検出する。
　ＯＣＴ装置１は、この検出したスペクトルに基づいて信号処理を行って、測定対象物４０の内部の測定光入射方向に沿った反射率分布を得る。ＯＣＴ装置１は、光プローブ２４の先端を回転及び並進させながら上記のような測定を繰り返し行うことで、測定対象物４０の光断層画像を取得することができる。
　ＰＭＤ補償素子２０，２２は、光サーキュレータ２１の偏波モード分散を補償する。また、ＰＭＤ補償素子３０，３２は、光サーキュレータ３１の偏波モード分散を補償する。ここで、先ず光サーキュレータの偏波モード分散等について説明し、その後にＰＭＤ補償素子について説明する。
　図２は、典型的な偏波無依存型の光サーキュレータの差動群遅延（Differential Group Delay : ＤＧＤ）の波長依存性の測定結果を示すグラフである。図３は、典型的な偏波無依存型の光サーキュレータの固有偏波状態（Eigenstate of Polarization : ＥＳＯＰ）のストークスベクトルの方向θ、φの波長依存性の測定結果を示すグラフである。
　ここで測定に用いた光サーキュレータはAgiltron製OCPI-30L111135である。差動群遅延は、２つの固有偏波状態の間の群遅延の差である。偏波モード分散（ＰＭＤ）は、一定の波長範囲で差動群遅延を平均した値である。固有偏波状態は、全ての偏光状態のうちで群遅延が最大の偏光状態である。固有偏波状態は、光の偏波状態を表すストークス・ベクトル（ｓ1,ｓ2,ｓ3）を用いて、下記式により求められる方向（θ,φ）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　典型的な光サーキュレータは、第１ポートＡに入力されて第２ポートＢから出力される光に対して略０.０２ｐｓの偏波モード分散を生じさせ（図２（ａ））、第２ポートＢに入力されて第３ポートＣから出力される光に対しても略０.０２ｐｓの偏波モード分散を生じさせる（図２（ｂ））。光サーキュレータは、測定光を２回通過させるから、測定光に対して略０.０４ｐｓの偏波モード分散を生じさせる。略０.０４ｐｓの偏波モード分散は、空気中での光の伝搬距離に換算すると略１２μｍに相当する。したがって、光サーキュレータにおける偏波モード分散によって、測定対象物の反射点までの片道距離の測定値には略６μｍの誤差が生じる。一方で、ＯＣＴ測定の典型的な空間分解能は１０～２０μｍであるので、上記の偏波モード分散による誤差は無視できない影響を生じうる。
　そこで、本実施形態では、ＰＭＤ補償素子２０は、光サーキュレータ２１の第１ポート２１ａから第２ポート２１ｂまでの光路における測定光の偏波モード分散を補償する。ＰＭＤ補償素子２２は、光サーキュレータ２１の第２ポート２１ｂから第３ポート２１ｃまでの光路における測定光の偏波モード分散を補償する。ＰＭＤ補償素子３０は、光サーキュレータ３１の第１ポート３１ａから第２ポート３１ｂまでの光路における参照光の偏波モード分散を補償する。また、ＰＭＤ補償素子３２は、光サーキュレータ３１の第２ポート３１ｂから第３ポート３１ｃまでの光路における参照光偏波モード分散を補償する。
　以下ではＰＭＤ補償素子２０について主に説明するが、他のＰＭＤ補償素子２２，３０，３２についても同様である。ＰＭＤ補償素子２０は、光サーキュレータ２１の固有偏波状態のストークスベクトルと逆方向のストークスベクトルで表される固有偏波状態を有する。また、ＰＭＤ補償素子２０は、光サーキュレータ２１の偏波モード分散と実質的に等しい大きさの偏波モード分散を有するのが好適である。図４～図６それぞれは、ＰＭＤ補償素子２０の第１構成例であるＰＭＤ補償素子２０Ａ、第２構成例であるＰＭＤ補償素子２０Ｂ、第３構成例であるＰＭＤ補償素子２０Ｃを示す概念図である。
　ＰＭＤ補償素子２０Ａは、所定の長さを有する偏波保持光ファイバを所定の方向に回転させて光サーキュレータ２１の第１ポート２１ａに接続した構成を有する。例えば、６.２ｃｍの長さで０.１ｐｓの偏波モード分散を発生させることができる偏波保持光ファイバが知られている。ＰＭＤ補償素子２０Ｂは、通常の（偏波保持でない）光ファイバを円柱体に所定の曲げ半径で所定の長さだけ巻くことで該光ファイバに複屈折を誘起した構成を有する。ＰＭＤ補償素子２０Ｃは、通常の光ファイバにおける所定の長さ部分に対して所定の大きさの側圧を与えることで該光ファイバに複屈折を誘起した構成を有する。これらいずれの構成のＰＭＤ補償素子も低コストで実現され得る。
　ＰＭＤ補償素子２０Ａ，２０Ｂ、２０Ｃによる偏波モード分散付与方法では、差動群遅延の大きさ及び固有偏波状態のストークスベクトルの方向それぞれは、波長によらず略一定である。これは、高次の偏波モード分散を無視することができることを意味する。一方、光サーキュレータの差動群遅延の大きさ（図２）及び固有偏波状態のストークスベクトルの方向（図３）それぞれも、波長によらず略一定である。したがって、ＰＭＤ補償素子２０Ａ，２０Ｂ、２０Ｃは、光サーキュレータの偏波モード分散を効果的に補償することができる。
　ＯＣＴ装置１の構成において、偏波モード分散ＰＭＤ１が０.０２０ｐｓであり、固有偏波状態のストークスベクトルの方向が、θ１＝５５度であり、φ１＝１０１度である光サーキュレータ２１の第１ポート２１ａに、ＰＭＤ補償素子２０を接続する場合、ＰＭＤ補償素子２０の偏波保持光ファイバは、偏波モード分散ＰＭＤ２＝ＰＭＤ１＝０.０２０ｐｓとなる長さにカットされ、θ２＝１８０＋θ１＝２３５度かつφ２＝１８０－φ１＝７９度となるような方向（θ２,φ２）に回転されて、光サーキュレータ２１の第１ポート２１ａに接続される。
　また、ＯＣＴ装置１の構成において、偏波モード分散ＰＭＤ１が０.０２２ｐｓであり、固有偏波状態のストークスベクトルの方向が、θ１＝８２度であり、φ１＝３４度である光サーキュレータ２１の第３ポート２１ｃに、ＰＭＤ補償素子２２を接続する場合、ＰＭＤ補償素子２２の偏波保持光ファイバは、偏波モード分散ＰＭＤ２＝ＰＭＤ１＝０.０２２ｐｓとなる長さにカットされ、θ２＝１８０＋θ１＝２６２度かつφ２＝１８０－φ１＝１４６度となるような方向（θ２,φ２）に回転されて、光サーキュレータ２１の第３ポート２１ｃに接続される。
　図７（ａ）は、ＯＣＴ装置１における光サーキュレータ２１及びＰＭＤ補償素子２０における全体の差動群遅延の波長依存性を示すグラフである。図７（ｂ）は、ＯＣＴ装置１における光サーキュレータ２１及びＰＭＤ補償素子２２における全体の差動群遅延の波長依存性を示すグラフである。いずれも、光サーキュレータ及びＰＭＤ補償素子の全体の差動群遅延は０.００２ｐｓに低減される。この偏波モード分散は距離に換算して０.６μｍであり、ＯＣＴ測定の空間分解能１０～２０μｍに比べて十分小さいので、偏波モード分散の影響は無視できる大きさとなる。このように、ＯＣＴ装置１は、実用的な光サーキュレータ２１，３１を用いて高い空間分解能でＯＣＴ測定を行うことができる。図１のＯＣＴ装置におけるＰＭＤ補償素子２０，２２で補償された光サーキュレータ２１の差動群遅延の波長依存性を示すグラフである。

Claims (6)

  1. 　光を出力する光源と、
    　前記光を測定光と参照光とに２分岐して、これら測定光及び参照光を出力する光分岐器と、
    　前記光分岐器から出力されて測定対象物によって反射または散乱された測定光を入力するとともに、前記光分岐器から出力された参照光を入力し、これら入力した測定光と参照光とを合波し干渉させて当該干渉光を出力する光合波器と、
    　前記光合波器から出力された干渉光を検出する光検出器と、
    　第１ポート，第２ポート及び第３ポートを有し、前記光分岐器から出力された測定光を前記第１ポートに入力して前記第２ポートから前記測定対象物へ向けて出力し、前記測定対象物によって反射または散乱された測定光を前記第２ポートに入力して前記第３ポートから前記光合波器へ出力する光サーキュレータと、
    　前記光サーキュレータの前記第１ポートと前記光分岐器との間の測定光の光路、前記光サーキュレータの前記第２ポートと前記測定対象物との間の測定光の光路、及び、前記光サーキュレータの前記第３ポートと前記光合波器との間における測定光の光路のうちの何れか１以上の光路上に設けられ、前記光サーキュレータの固有偏波状態のストークスベクトルと逆方向のストークスベクトルで表される固有偏波状態を有するＰＭＤ補償素子と、
    　を備えるＯＣＴ装置。
  2. 　前記光サーキュレータの前記第１ポートと前記光分岐器との間の測定光の光路、及び、前記光サーキュレータの前記第３ポートと前記光合波器との間の測定光の光路それぞれに、前記ＰＭＤ補償素子が設けられている請求項１に記載のＯＣＴ装置。
  3. 　前記ＰＭＤ補償素子は前記光サーキュレータの偏波モード分散と実質的に等しい大きさの偏波モード分散を有する請求項１に記載のＯＣＴ装置。
  4. 　前記ＰＭＤ補償素子は偏波保持光ファイバである請求項１に記載のＯＣＴ装置。
  5. 　前記ＰＭＤ補償素子は巻かれた光ファイバである
    請求項１に記載のＯＣＴ装置。
  6. 　前記ＰＭＤ補償素子は側圧が付与された光ファイバである
    請求項１に記載のＯＣＴ装置。
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