(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学ベンチと、
前記光学ベンチ上の可変同調掃引源であって、スペクトル走査帯域にわたって、同調された光信号を生成する、可変同調掃引源と、
前記光学ベンチ上のクロックサブシステムであって、前記光信号が前記走査帯域にわたって同調されると、間隔を空けた周波数増分でクロック信号を生成する、クロックサブシステムと、
前記光信号を受信し、この光信号をサンプルアームと参照アームに分割し、前記サンプルアームと前記参照アームからの前記光信号を結合する干渉計と、
前記サンプルアームと前記参照アームからの前記結合された光信号を検出する検出システムと、
前記クロック信号に応答して、前記結合された光信号をサンプリングするアナログ／デジタル変換システムと、
前記アナログ／デジタル変換システムにおいて前記結合された光信号と時間的に一致するように、前記クロック信号を電子式に遅延する、電子式遅延回路とを備えた、クロック掃引源分析システム。
【請求項２】
請求項１において、前記電子式遅延回路が、前記干渉計における光信号の遅れに相当する量だけ、前記クロック信号を遅延する、クロック掃引源分析システム。
【請求項３】
請求項１または２において、前記可変同調掃引源によって生成される前記光信号の一部は、前記クロックサブシステムに導かれる、クロック掃引源分析システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項において、前記可変同調掃引源は前側反射器および後側反射器を有するレーザであり、
前記前側反射器を通して前記光信号が提供され、前記後側反射器を通して、前記可変同調レーザ光源において生成された光が前記クロックサブシステムに提供され、
前記前側反射器および前記後側反射器は、前記可変同調レーザ光源のレーザキャビティを画定している、クロック掃引源分析システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項において、さらに、
前記光学ベンチ上の少なくとも１つのレンズ構成要素であって、前記クロックサブシステムによって受光された、前記可変同調掃引源からの前記光信号を平行にする、レンズ構成要素を備えた、クロック掃引源分析システム。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項において、前記クロックサブシステムは、
前記同調信号をスペクトルフィルタリングする光フィルタと、
前記光フィルタによってフィルタリングされた前記光信号を検出する検出器とを有する、クロック掃引源分析システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項において、前記クロックサブシステムは、
前記同調信号をスペクトルフィルタリングするエタロンと、
前記エタロンによってフィルタリングされた前記光信号を検出して、前記クロック信号を生成する検出器と、
前記光信号の一部を前記エタロンに導き、前記エタロンから戻る前記フィルタリングされた光信号を前記検出器に導くビームスプリッタとを有する、クロック掃引源分析システム。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項において、さらに、
前記クロックサブシステムによって生成された前記クロック信号に応じて、クロック周波数を増加させる周波数逓倍器を備えた、クロック掃引源分析システム。
【請求項９】
可変同調掃引源に対するクロック信号を生成する方法であって、
同調光信号を生成する工程であって、前記同調光信号は、光学ベンチ上に少なくとも一部が組み込まれた可変同調掃引源のスペクトル走査帯域にわたって走査される、工程と、
前記光学ベンチ上に取り付けられたフィルタによって、前記同調光信号の光の一部をフィルタリングする工程と、
前記光学ベンチ上に取り付けられたクロックサブシステムの検出器によって、前記フィルタによりフィルタリングされた光からクロック信号を生成する工程であって、前記クロック信号は、固定の周波数増分による前記光同調信号の走査を示す、工程と、
この同調光信号をサンプルアームと参照アームに分割し、前記サンプルアームと前記参照アームからの前記同調光信号を結合する工程と、
前記サンプルアームと前記参照アームからの結合された光信号を検出する工程と、
前記クロック信号に応答して、前記結合された光信号をサンプリングする工程と、
前記アナログ／デジタル変換システムにおいて前記結合された光信号と時間的に一致するように、前記クロック信号を電子式に遅延する工程とを備えた、クロック信号生成方法。
【請求項１０】
請求項９において、前記クロック信号が、前記サンプルアームと前記参照アームを含む光信号の干渉計における遅れに相当する量だけ遅延される、クロック信号生成方法。
【請求項１１】
請求項９または１０において、さらに、
前記可変同調掃引源によって生成された前記光信号の一部を、前記クロックサブシステムに導く工程を備えた、クロック信号生成方法。
【請求項１２】
請求項９から１１のいずれか一項において、前記可変同調掃引源は、前側反射器および後側反射器を有するレーザであり、
前記前側反射器を通して前記光信号が提供され、前記後側反射器を通して、前記可変同調レーザ光源において生成された光が前記クロックサブシステムに提供され、
前記前側反射器および前記後側反射器は、前記可変同調レーザ光源のレーザキャビティを画定している、クロック信号生成方法。
【請求項１３】
請求項９から１２のいずれか一項において、さらに、
前記フィルタによって受信された前記光信号を平行にする工程を備えた、クロック信号生成方法。
【請求項１４】
請求項９から１３のいずれか一項において、さらに、
前記クロック信号が、前記結合された光信号をサンプリングするのに用いられるよりも前に、当該クロック信号を周波数逓倍する工程を備えた、クロック信号生成方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本願は、2008年5月15日出願の米国仮特許出願61/053,241号の、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づく利益を主張する、2009年3月2日出願の米国特許出願第12/396,099号に対する優先権を主張し、上記両出願の全開示内容は参照により本明細書に引用したものとする。
【背景技術】
【０００２】
光コヒーレンス分析では、参照波と試験波の間の干渉現象、または試験波の２つの部分間の干渉現象を利用することにより、距離および厚さを測定し、サンプルの屈折率を計算する。光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）は、通常、断面の高解像度の画像化を実行するために使用される技法の一例である。ＯＴＣは、例えば、顕微鏡スケールで、生物組織の構造をリアルタイムに画像化するのに利用されることが多い。光波が、対象物すなわちサンプルを通過して送られ、そしてコンピュータが、光波がいかに変化したかについての情報を使用することにより、対象物の断面画像を生成する。
【０００３】
当初のＯＣＴ画像化技法は時間領域ＯＣＴ（ＴＤ‐ＯＣＴ）であり、この技法ではマイケルソン干渉計装置における可動参照ミラー機構を使用していた。別の種類の光コヒーレンス分析は、フーリエ領域ＯＣＴ（ＦＤ‐ＯＣＴ）と称される。他の関連するＯＣＴ技法は時間符号化およびスペクトル符号化の周波数領域ＯＣＴである。これらのフーリエ領域技法は、場合によっては時間符号化のＦＤ‐ＯＣＴつまりＴＥＦＤ‐ＯＣＴと称される、波長掃引光源および単一の検出器を使用するか、または、場合によってはスペクトル符号化のＦＤ‐ＯＣＴつまりＳＥＦＤ‐ＯＣＴと称される、広帯域光源およびスペクトル分解検出器システムを使用する。ＦＤ‐ＯＣＴは、速度および信号対雑音比（ＳＮＲ）において、時間領域ＯＣＴ（ＴＤ‐ＯＣＴ）に勝る利点を有する。
【０００４】
ＴＥＦＤ‐ＯＣＴは、いくつかの点においてＳＥＦＤ‐ＯＣＴに勝る利点を有する。スペクトル成分は、空間的分離による符号化はされないが、時間で符号化される。スペクトルは、連続的な周波数ステップでフィルタリングされるか生成され、フーリエ変換前に再構成（復元）される。周波数走査光源（すなわち波長同調レーザ）を使用することにより、光学的構成の複雑性は低減するが、波長同調レーザ、および特に同調速度および精度において、今や重要な性能特性が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＴＥＦＤ‐ＯＣＴ画像化用の周波数掃引レーザ光源は、十分に大きい画像画素数を有する高速リアルタイム画像フレームを取得するために、極めて高い繰返し率（反復周波数）（数十キロヘルツ）における同調を必要とする。同時に、画像の大きい深さ範囲（深さ領域）を得るために、光源の長いコヒーレンス長が必要とされる。
【０００６】
高解像度／低雑音の画像化のために、掃引レーザＯＣＴシステムは、時間的に厳密な線形の光周波数掃引を必要とするか、または、非線形同調を測定および補償する何らかの機構を必要とする。
【０００７】
多くのＯＣＴシステムは、独立型のファブリペローやマッハツェンダーなどの固定された干渉計を使用することにより、掃引レーザがその周波数走査帯域全体にわたって同調されると、サンプルからの信号のデジタル化を引き起こすために、光周波数において等しい間隔を空けた周波数マーカを提供する。これらの実現は、光ファイバ構成要素（素子、部品）を用いて行われることが多い。これらの方法に伴う問題は、組立作業のコスト、構成要素のコスト、および物理的寸法である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一般に、一態様によると、本発明は、光学ベンチ、光学ベンチ上の可変同調レーザ光源（tunable laser source）、および光学ベンチ上のクロックサブシステムを備えたクロックレーザシステムを特徴とする。前記可変同調レーザ光源は、スペクトル走査帯域全体にわたって同調される光信号を生成するものである。前記クロックサブシステムは、光信号が走査帯域全体にわたって同調されるとクロック信号を生成するものである。
【０００９】
動作中、可変同調レーザによって生成される光信号の一部は、クロックサブシステムに導かれる。
【００１０】
好ましい実施形態では、可変同調レーザ光源は、前側反射器および後側反射器を備える。前記光信号は、前記前側反射器を通して提供される。可変同調レーザ光源において生成された光は、前記後側反射器を通してクロックサブシステムに提供される。前側反射器および後側反射器は可変同調レーザ光源のレーザキャビティを画定する。
【００１１】
可変同調レーザ光源から発生してクロックサブシステムによって受光される光信号を平行に（コリメート）するために、一般に、光学ベンチ上の少なくとも１つのレンズ構成要素（レンズ素子、レンズ体）が使用される。
【００１２】
本実施形態では、クロックサブシステムは、エタロン、検出器、およびビームスプリッタを備える。前記エタロンは、同調光信号をスペクトルフィルタリングするものである。前記検出器は、エタロンによってフィルタリングされた光信号を検出してクロック信号を生成するものである。前記ビームスプリッタは、光信号の一部をエタロンに導き、エタロンから戻るフィルタリングされた光信号を検出器に導くものである。
【００１３】
一般に、別の態様によると、本発明は、可変同調レーザに対するクロック信号を生成する方法として特徴付けられる。この方法は、光学ベンチ上の少なくとも一部分に組み込まれた可変同調レーザのスペクトル走査帯域全体にわたって走査される同調信号を生成する工程と、光学ベンチ上に取り付けられたフィルタによって、前記同調信号として生成された光の一部をフィルタリングする工程と、光学ベンチ上に取り付けられた検出器によって、フィルタでフィルタリングされた前記光からクロック信号を生成する工程とを備える。これらクロック信号は、固定の周波数増分による同調信号の走査を指定する。すなわち、クロック信号は、固定の周波数増分（ある周波数刻み）で同調信号を走査するように、示すものである。
【００１４】
光コヒーレンスシステムにおいて可変同調レーザが使用される場合、可変同調レーザに生じる別の問題はレーザからの雑音である。レーザのパターン雑音は、システム内、詳細にはレーザ内の寄生反射から生じる。
【００１５】
一般に、別の態様によると、本発明は、光コヒーレンス分析システムを特徴とする。このシステムは、光信号を使用してサンプルを分析する干渉計と、光信号を生成する可変同調レーザとを備える。可変同調レーザは、利得媒質、可変同調フィルタ（tunable filter）、およびキャビティ拡張器を有する。利得媒質は、可変同調レーザのレーザキャビティ内で光信号を増幅するものである。可変同調フィルタは、スペクトル走査帯域全体にわたって光信号を同調するもの、つまり、光信号の周波数を調整するものである。キャビティ拡張器（キャビティ拡大器）は、光学キャビティ内に配置され、キャビティ内の光学的距離を増加させるものである。この拡張器は、光コヒーレンス分析システムに対して問題が少ない領域に、レーザのパターン雑音を移動させる効果を有する。
【００１６】
本実施形態では、キャビティ拡張器は、可変同調フィルタと利得媒質の間に配置され、レーザキャビティ内の光学的距離を増加させる。詳細には、キャビティ拡張器は、レンズ構成要素と可変同調フィルタの間の光学的距離を拡張する。このレンズ構成要素は、可変同調フィルタと利得媒質の間の光を結合するものである。また、キャビティ拡張器は、反射防止コーティングされた透過性基材を備え、この基材の材料は、例えば、シリカおよびシリコンを含む。
【００１７】
一般に、別の態様によると、本発明は、低減されたレーザパターン雑音を有する、光コヒーレンス分析のための同調光信号を生成する方法として特徴付けられる。この方法は、レーザキャビティ内で同調光信号を生成する工程を備え、前記レーザキャビティは、一連の光学素子を備える。これら光学素子は、利得媒質、キャビティ内同調素子（内部共振器の同調素子）、利得媒質とキャビティ内同調素子の間の光を結合する少なくとも１つのレンズ構成要素である。同調光信号は光コヒーレンス分析システムに導かれる。雑音に対処するために、透過性の高屈折率の構成要素がレーザキャビティ内に挿入されて、スプリアス反射を引き起こす光学素子間の光学的距離を増加させる。
【００１８】
一般に、別の態様によると、本発明は光コヒーレンス分析システムに対するサンプリングクロックシステムを特徴とする。サンプリングクロックシステムは、光検出器および電子式遅延回路を備える。前記光検出器は、光コヒーレンス分析システムに対する光を生成する、可変同調レーザからの同調信号を光学的にフィルタリングすることによって生成される光クロック信号を検出するものである。前記電子式遅延回路は、光コヒーレンス分析システムにおける可変同調レーザからの光の伝搬時間に相当する量だけ光検出器からの信号を遅延するものである。
【００１９】
好ましい実施形態では、電子式遅延回路が適用する遅延はプログラム可能である。好ましくは、光検出器からの信号をフィルタリングするために、高域フィルタも設けられている。さらに、光検出器からの信号の周波数を低減または増加するために、場合によっては、周波数分周器または周波数逓倍器が有効である。
【００２０】
半導体利得媒質に基づいた可変同調レーザは一般に、高度に偏光された光を生成する。さらに、自由空間とファイバキャビティ兼ね備えた（自由空間およびファイバキャビティの混成を備えた）レーザを有することが望ましい。その理由は、このようなレーザでは、キャビティの長さが、再設計を要することなく様々な光コヒーレンスの用途に容易に適応できるからである。しかし、ファイバは複屈折を生じさせる可能性があるため、レーザの同調性能にファイバの使用が影響を与えることもある。
【００２１】
一般に、別の態様によると、本発明は、周波数同調光信号を生成する可変同調レーザを特徴とする。可変同調レーザは、利得媒質、可変同調フィルタ、ファイバスタブ、およびファイバ複屈折コントローラを備える。前記利得媒質は、可変同調レーザのレーザキャビティ内で光信号を増幅するものである。可変同調フィルタは、スペクトル走査帯域全体にわたって光信号を同調するものである。ファイバスタブは、利得媒質とレーザキャビティの終端反射器（end reflector）との間のレーザキャビティ内に存在する。ファイバ複屈折コントローラは、ファイバスタブの複屈折特性を変化させるものである。このファイバスタブは、望ましい同調特性を有するようにレーザを較正（目盛り合わせ）するために使用される。
【００２２】
ここで、複屈折コントローラは、ファイバをねじることによって光ファイバに機械的応力を加える。
【００２３】
一般に、別の態様によると、本発明は、自由空間およびファイバキャビティを兼ね備える、外部キャビティ可変同調レーザを較正する方法として特徴付けられる。この方法は、可変同調レーザのレーザキャビティ内で光信号を生成する工程と、スペクトル走査帯域全体にわたって光信号を同調する工程と、レーザキャビティの終端反射器と光学的スタブ内の利得媒質の間で光信号を伝達する工程と、光信号において望ましい同調特性が観測されるまで光ファイバに加えられる応力を変更させる工程と、光ファイバに加える応力を固定する工程とを備える。
【００２４】
好ましくは、光ファイバに加えられる応力を変更させることで、同調信号の走査帯域全体にわたる偏光フェージングを低減し、光信号の周波数の同調の間に、光信号の周波数の関数としての出力の変化を低減し、および／または光信号の同調の間に、時間の関数としての周波数変化を直線的にする。
【００２５】
部品の構成および組み合わせの様々な新規な詳細項目を含む、本発明の上記および他の特徴と、他の利点とを、添付図面を参照して次により詳細に説明し、特許請求の範囲に示す。本発明を具体化する特定の方法および装置は、例証として示され、本発明を制限するものではない。本発明の原理および特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく様々な多くの実施形態において採用されてもよい。
【００２６】
添付図面においては、参照符号は、異なる図面であっても同一部品を指す。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、代わりに、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】一体型クロックを備えた可変同調レーザの平面図である。
【図２】クロックエタロンの透過および反射のプロット図である。
【図３】光コヒーレンス分析システムの概略的なブロック図である。
【図４Ａ】サンプル内の光路長の関数として示したレーザ強度パターン雑音のプロット図であって、スプリアス雑音のピークがサンプル深さ約５．１ミリメートル（ｍｍ）の位置にあることを示す図である。
【図４Ｂ】サンプル内の光路長の関数として示したレーザ強度パターン雑音のプロット図であって、レーザキャビティ内部の光路長拡張要素の作用によって、スプリアス雑音のピークがサンプル深さ約７．８ｍｍに移動したことを示す図である。
【図４Ｃ】サンプル内の光路長の関数として示したレーザ強度パターン雑音のプロット図であって、レーザキャビティ内部の光路長拡張要素の作用によって、スプリアス雑音のピークがサンプル深さ１０ｍｍ以上に移動したことを示す図である。
【図５】可変同調レーザのキャビティ内の複屈折を制御する光カプラの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、本発明の原理に従って構成されている、一体型レーザクロックシステム１００を示す。
【００２９】
一般に、一体型レーザクロックシステム１００は、可変同調レーザサブシステム５０、およびクロックサブシステム２００を備える。可変同調レーザサブシステム５０は、波長つまり周波数の同調光信号（特定の周波数（波長）に同調された光信号）を、スペクトル走査帯域にわたって生成するものである。クロックサブシステム２００は、レーザ５０の同調光信号つまり放射がスペクトル走査帯域全体にわたってスペクトル同調されると、間隔を空けた周波数増分でクロック信号を生成するものである。クロック信号は、一般にはＯＣＴシステムにおいて、サンプリングを開始する（引き起こす）のに用いられる。
【００３０】
一体型レーザクロックシステム１００の可変同調レーザサブシステム５０およびクロックサブシステム２００は、共通の光学ベンチ１１０上に共に組み込まれている。この光学ベンチは、微小光学ベンチ（マイクロ光学ベンチ）と称され、好ましくは、標準的なバタフライまたはＤＩＰ（デュアルインラインピン）密封パッケージ１０１内に収まるように、１０ｍｍ×２０ｍｍよりも小さい寸法である。一実現形態では、光学ベンチは窒化アルミニウムから作製されている。光学ベンチ１１０の温度を制御するために、光学ベンチ１１０とパッケージ１０１の間に熱電冷却器１０２が配置されている（光学ベンチの裏面およびパッケージ１０１の内側の底面パネルの両方に取付け／はんだ結合される）。
【００３１】
より詳細には、可変同調レーザ設計に基づいた好ましい実施形態における可変同調レーザ５０は、米国特許第7,415,049 B2号に開示され、この全開示内容は、参照により本明細書に引用したものとする。
【００３２】
本実施形態では、可変同調レーザ５０は半導体ゲインチップ５２を備え、この半導体ゲインチップ５２は、外部キャビティレーザ（ＥＣＬ）を生成するように、微小電気機械（ＭＥＭＳ（micro-electro-mechanical））の傾斜した（角度を付けられた）反射型ファブリペロー可変同調フィルタ５４と対になっている。反射型ファブリペロー可変同調フィルタ５４はキャビティ内同調素子であり、かつ可変同調ＥＣＬ５０のレーザキャビティ５６の一端つまり後側反射器を構成している。
【００３３】
レーザキャビティ５６内には半導体光増幅器（ＳＯＡ）チップ５２が配置されている。本実施形態では、ＳＯＡチップ５２の両ファセットは、チップ５２に沿って長手方向に延びたリッジ導波管５８に対して傾斜し、反射防止（ＡＲ）コーティングされており、２つのファセットから平行ビームを放射する。ＳＯＡチップ５２は、通常はんだ結合によって、サブマウント６６上に取り付けられており、このサブマウント６６は光学ベンチ１１０の上面に取り付けられている。
【００３４】
ＳＯＡ５２の各端面ファセットから出る光を集光して平行に（コリメート）するために、２つのレンズ構造体６０、６２が使用される。レンズ構造体６０、６２は、それぞれ、設置後の位置合わせを可能にするように変形可能であるＬＩＧＡ取付構造体ｍと、レンズが形成されている透過性基材ｓとを備える。透過性部材ｓは一般に、取付構造体ｍにはんだまたは熱圧着で結合されており、この取付構造体ｍは光学ベンチ１１０にはんだ結合されている。
【００３５】
第１レンズ素子６０は、ＳＯＡ５２のバックファセット（後面ファセット）と可変同調フィルタ５４の間の光を結合する。ＳＯＡ５２のフロントファセット（前面ファセット）から出る光は、第２レンズ素子６２によって、第２レンズ素子６２のフロントファセットを介して光ファイバスタブ６４に結合されている。好ましくは、光ファイバスタブ６４もまた、取付構造体ｍを介して光学ベンチ１１０にはんだ結合されている。出力光ファイバ６４は、通常は、単一空間モードファイバ（ＳＭＦ）である。
【００３６】
光ファイバ６４は、カプラ６５に同調信号を伝達する。ここで、レーザキャビティ５６に同調信号の一部をフィードバックするために、光ファイバは、レーザキャビティ５６の前側反射器の代わりに、１〜８５％の反射率を有する反射コーティング６８で終端している。反射コーティング６８を透過した光は、ファイバピグテール３２０を通して光コヒーレンス分析システム３００（図３）に送られる。
【００３７】
キャビティ内でファイバスタブ６４を使用することにより、自由空間とファイバキャビティを兼ね備えたＥＣＬが得られ、自由空間部分は光学ベンチ上に実現される。スタブ６４を使用することにより、光学ベンチ１１０上に形成される光キャビティ部分を変更することなく、スタブの長さを調整してレーザキャビティ５６の全長を制御できる。一般に、レーザのキャビティ長５６は、所望の同調速度に応じて選択される。長すぎるキャビティ／ファイバスタブ６４は、増幅器からファイバへの光の伝達時間が走査中の可変同調フィルタ帯域幅の滞留時間を超えるため、レーザが発振できない場合がある。一方、短すぎるファイバキャビティは、可変同調フィルタの線幅により決まるレーザ放射の縦モードの数が少なすぎて、高い相対強度雑音（ＲＩＮ）および同調の不安定性を引き起こす。本実施形態においては、１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲の走査速度では、ファイバの長さは、３０センチメートル（ｃｍ）〜３ｃｍの範囲で変化する。
【００３８】
傾斜した反射型ファブリペローフィルタ５４は、多重空間モードの可変同調フィルタであり、このフィルタは湾曲した平板の光共振キャビティを有する。この光共振キャビティは、角度依存性の反射スペクトル応答であって、レーザキャビティ５６に戻る応答を提供する。このフィルタ５４の作用は、本願に引用して含めている米国特許第7,415,049B2号明細書に、より詳細に記載されている。引用した実施形態では、湾曲ミラーは、ＭＥＭＳ膜上に存在し、かつレーザキャビティ５６に隣接するフィルタ５４の一側面上に位置する。平面ミラーは他側面上に位置し、かつレーザキャビティ５６と対向している。平面ミラーは、好ましくは、湾曲ミラーよりも高い反射率を有する。ここで、反射における所望の反射率およびフィルタ５４に必要な線幅を得るために、典型的には、平面ミラーの反射率は９９．９８％で湾曲ミラーの反射率は９９．９１％である。
【００３９】
可変同調フィルタ５４を透過した光はレーザキャビティ５６の外部に出て、クロックサブシステム２００に入り、第３レンズ素子２１０および第４レンズ素子２１２によって平行光にされる（コリメートされる）。これらレンズ素子２１０および２１２は、光学ベンチ１１０にはんだ結合されている。２つの折り返しミラー（偏向ミラー）２１４および２１６が、可変同調レーザサブシステム５０からの光ビームを折り返す（向きを逆にする）。このため、システムの小型化が可能になる。折り返しミラー２１４および２１６は、光学ベンチ１１０にはんだ結合されている反射コーティング基材である。
【００４０】
次に、光は、好ましくは、クロックエタロン２２０に対して５０／５０スプリッタ（５０％と５０％に分割するスプリッタ）である、ビームスプリッタに達する。スプリッタ２２２により反射された光は、ビームダンプ素子２２４に導かれる。ビームダンプ素子２２４は光を吸収し、密封パッケージ１０１内の寄生反射を防止し、光がレーザキャビティ５６に入るのを防ぐ。
【００４１】
クロックエタロン２２０は、スペクトルフィルタとして機能する。このエタロン２２０のスペクトル形状（スペクトルの特徴）は、周波数が周期的であり、クロックエタロン２２０の構成材料（一例としては石英ガラス）の屈折率およびクロックエタロン２２０の物理的長さＬに関係した周波数増分だけ、スペクトル的に間隔を空けている。代替方法では、エタロンは、小型化のために、シリコンのような他の高屈折率で高透過性の材料から作製されてもよいが、材料の光分散は、ＤＳＰ内部における追加処理によって補償される必要がある場合もある。また、ほとんど分散のないエアギャップエタロンはさらなる代替物である。
【００４２】
エタロンのスペクトル形状のコントラストは、対向する端面２２０ａ、２２０ｂの反射率によって決定される。一例では、エタロンの端面２２０ａ、２２０ｂにおける反射率は、エタロンの構成材料と周囲の気体または真空との間の屈折率の不連続性によって定まる。他の例では、対向する端面２２０ａ、２２０ｂは、金属でコーティングされるか、または、好ましくは誘電体スタックミラーであり、これにより高い屈折率が実現され、そのためコントラストは周期的なスペクトル形状となる。
【００４３】
図示の例では、クロックエタロン２２０は反射作用する。図２は、エタロン２２０の自由スペクトル範囲（自由スペクトル領域）（ＦＳＲ）の各単位における光周波数の関数として示した、反射／透過のプロット図である。このように、レーザからの光が、固定（一定）の周波数増分に位置している反射ピークおよび反射トラフ（反射の山と谷）を通して走査すると、レーザが別の周波数増分を通して走査した各時間を示す、クロック信号が形成される。
【００４４】
クロックエタロンのＦＳＲは、ＯＣＴシステムにおいて要求される走査深さに基づいて選択される。サンプルレートを定義する、クロックエタロンの周期的な周波数間隔は、サンプルの最小周波数周期成分の半分であり、これにより、要求される画像深さを２倍にするように、クロックエタロンの光学的厚さを設定することを、ナイキスト基準は要求している。しかし、一般には、クロック発振器が用いられて、周期的な波形は電気的に２倍、３倍などの周波数にされるか、または半分の周波数にして、所望のサンプルレートを得ることができるため、取り扱いに便利な長さのエタロンであって、パッケージ１０１内で光学ベンチ１１０上に容易に取り付けされる長さのエタロンが選択される。厚いエタロンは、高精度のサンプルレートのため、薄いエタロンに比べて、周波数走査の非線形性を良好に補償することができるが、寸法が大きくなって製造がより困難になるため、レーザの同調の直線性、システムの奥行き（depth）の必要条件および製造公差に応じて、妥協点が見出される。さらに、厚いエタロンは、安定性のあるクロックパルスを生成するのに匹敵するコヒーレンス長のレーザを必要とするため、レーザコヒーレンス長もエタロンの厚さの設計を決定するのに有効である。
【００４５】
図１に戻ると、クロックエタロン２２０から戻ってビームスプリッタ２２２によって反射された光は、検出器２２６により検出される。クロックエタロン２２０により提供される反射トラフ／反射ピークを通して同調信号の周波数が走査すると、検出器２２６により検出された光は、出力の低下および増大により特徴付けられる。
【００４６】
検出器の光電流はトランスインピーダンス増幅器３１０によって増幅される。この信号は高域フィルタ３１２を通して送られ、直流（ＤＣ）および低周波数成分が取り除かれる。この処理の目的は約０ボルトを中心とする振動信号を提供することであり、この場合、ゼロ交差が検出されて、正確なクロック信号を生成することができる。クロックのさらなる整形は増幅器３１４によって提供される。この増幅器３１４は線形増幅器、自動利得制御増幅器または制限増幅器であってもよい。増幅器３１４の後段には付加的な高速比較器３１６があり、この比較器３１６により、ゼロ交差を検出してアナログ信号をクリーンなデジタルクロック信号に変換する。クロック信号は、ＯＣＴシステムの用途およびバタフライ型パッケージ１０１内の適当なエタロン（または他のクロック干渉計）の寸法についての必要条件に応じて、逓倍器／分周器３１８によって周波数が逓倍または分周される。
【００４７】
一実施形態では、サンプリング周波数を、クロック検出器からの信号周波数の倍数にまで増加するのに、周波数逓倍器３１８が使用される。これは、より高いサンプリング周波数が要求される状況において使用される。高いサンプリング周波数が有利な事例の１つは、非常に深い走査範囲を要求する用途に対するものである。例えば、走査範囲Ｌが要求される場合、エタロンの長さは少なくとも２Ｌ／ｎである。ただし、ｎは屈折率である。周波数倍増電子回路を設けることで、エタロンの長さはＬ／ｎであればよくなる。このようにエタロンの長さが変わるため、パッケージ内に組み込まれることができるエタロンと組み込まれることができないエタロンとの間に差が生じる。すなわち、パッケージに対して許容されるエタロンの長さが変化する。逓倍電子回路を使用する別の理由は、所与のレーザコヒーレンス長に対するクロック信号の安定性を逓倍電子回路の使用が増大するためである。干渉縞はエタロンの長さが短ければよりその安定性が増す。これの典型的な事例は、より短いエタロンからのクロック（ただし、その後、周波数は逓倍される）は、全体的により安定性が高いことである。代替方法では、電子周波数逓倍機能を備えた、短いクロックのエタロンを使用することにより、優れたクロック安定性を維持しながら、より小さいコヒーレンス長のレーザの使用が可能になる。
【００４８】
エタロンを通った光は第２ビームダンプ素子２２５によって吸収され、この第２ビームダンプ素子２２５は、光を吸収してレーザキャビティ内への寄生反射を防止する。代替方法では、エタロン２２０を通った透過信号はマーカとして使用されてもよい。この実施形態では、検出器はビームダンプ２２５の位置に置かれている。ここでは、反射信号はＤＣオフセットが低い（高コントラストの信号）ため、反射信号が好まれる。
【００４９】
図３は、図１のレーザ／クロックモジュール１００が、１つの例示的な光コヒーレンス分析システム３００において、より詳細には、サンプルからの光信号を分析するのに使用されるマイケルソン干渉計において、いかに使用されているかの例を示している。しかし、多くの他のＯＣＴシステム干渉計の構成およびサンプルプローブ（sample probe）の光学系が、レーザ／クロックモジュール１００とともに使用されてもよい。
【００５０】
より詳細には、図示されたシステムは、時間符号化のフーリエ領域光コヒーレンストモグラフィシステム（ＴＥＦＤ‐ＯＣＴ）である。可変同調レーザ５０からの光は、ファイバ３２０に出力され、９０／１０光カプラ３２２に達する。同調信号は、カプラ３２２によって、システムの参照アーム（参照辺）３２６とサンプルアーム（サンプル辺）３２４に分割される。
【００５１】
参照アーム３２６の光ファイバは、ファイバ端面３２８で終端する。参照アームファイバ端面３２８から出た光は、レンズ３３０によって平行にされ（コリメートされ）、次に、ミラー３３２で反射されて元の方向に戻される。この光は次に、サーキュレータ３４２によって５０／５０ファイバカプラ３４６に導かれる。
【００５２】
外部ミラー３３２は、ファイバからミラーまでの調節可能な距離を有する（矢印３３４を参照）。この距離が画像深さ範囲を決定する。すなわち、前記距離は、参照アーム３２６とサンプルアーム３２４の間の経路長の差がゼロのサンプル３４０内の位置を決定する。距離は、様々なサンプリングプローブおよび／または画像化されるサンプルに対して調節される。参照アーム３３２から戻る光は、参照アームサーキュレータ３４２に戻され、５０／５０ファイバカプラ３４６に導かれる。
【００５３】
サンプルアーム３２４のファイバは、サンプルアームのプローブ３３６で終端する。ファイバから出る光は、プローブ３３６によりサンプル３４０上に集束される。サンプル３４０から戻る光は、サンプルアームサーキュレータ３４１に戻り、５０／５０ファイバカプラ３４６に導かれる。参照アーム信号とサンプルアーム信号は、ファイバカプラ３４６において結合される。結合された信号は、ファイバカプラ３４６の各出力に対する２つの検出器３４８，３４８を備えた平衡型受光器によって検出される。
【００５４】
いくつかの例においては、走査は、２（ｘ‐ｙ）次元または３（ｘ‐ｙ‐ｚ）次元のポジショナ（位置決め装置）３３７を使用して、サンプル３４０に対してプローブ３３６を移動させることによって実行される。他の例では、ｘ‐ｙ‐ｚ走査はプローブ３３６に対してサンプル３４０を移動させることによって実行される。さらに別の例では、プローブ３３６を回転および軸方向に移動することにより、円柱形（円柱座標）の走査が実行される。
【００５５】
クロック信号は、クロックレーザ１００のクロックサブシステム２００により生成され、さらに、上述のように、トランスインピーダンス増幅器３１０、高域フィルタ３１２、増幅器３１４、付加的な光学高速比較器３１６および付加的な周波数逓倍器／分周器３１８によって形成されて調整される。
【００５６】
プログラム可能な時間遅延回路３１９も設けられる。この回路３１９は、ユーザにより決定される時間（期間）、またはＤＳＰ３８０により電子的に決定される時間（期間）だけ、サンプリング／クロック信号を遅延する。ＯＣＴシステムの平衡型検出器３４８により検出されて増幅器３５０により増幅された光信号と、クロック信号が時間的に一致する（合う）ように、遅延が選択される。詳細には、時間遅延は、干渉計アームにおける光ファイバを通る光信号の伝搬による遅延に相当する時間だけ、クロック信号を遅延する。
【００５７】
ＯＣＴシステムにおける主干渉計は一般に、内部に長いファイバを有し、このため長時間の遅延を引き起こす。しかし、クロックは、レーザに極めて近接しているため、これらの遅延を受けない。最高レベルのＯＣＴシステム性能（特に解像度に関して）を得るには、遅延のずれを最小にすることが不可欠である。遅延のずれを光学的に補償することは小型化システムにおいては不可能であるため、電子遅延ラインが有効である。電子遅延は、ＯＣＴシステムの遅延に一致するように設定され、柔軟性を備えたシステムにおいてはプログラム可能である。
【００５８】
アナログ／デジタル変換システム３１５が、増幅器３５０からの出力をサンプリングするのに使用される。クロックサブシステムからのクロック入力は、等しい間隔を空けた掃引光周波数増分でサンプリングの時間を提供する。
【００５９】
スキャナの作動により、サンプル３４０から完全なデータセットが収集され、レーザ‐レーザ・クロックモジュール１００の同調から、これらポイント（データ）の各１点でスペクトル応答が生成されると、画像を再構成してサンプル３４０の２Ｄまたは３Ｄのトモグラフィ再構成を実行するために、デジタル信号プロセッサ３８０は、データに対してフーリエ変換を実行する。デジタル信号プロセッサ３８０により生成されたこの情報は、次に、ビデオモニタ上に表示される。
【００６０】
［キャビティ拡張器］
レーザキャビティ内の寄生反射は、レーザが同調されると、レーザパターンの強度雑音またはレーザ強度の変動を引き起こす。これは、再構成された画像におけるアーティファクトとして現れ、寄生反射間のレーザキャビティ内距離に相当するサンプル内位置において疑似形状（スプリアス特徴）として現れる。図１の実施形態では、これらのアーティファクト発生の主な原因は、可変同調フィルタ５４とレンズ構造体６０の間の寄生反射である。これらの２つの反射体の間の距離、すなわちＩＣＲは、サンプル３４０と同等の光学的距離においてレーザパターン雑音を引き起こす。これは特に、光学的距離ＩＣＲがサンプル３４０内の対象とする光学的距離に一致する場合に問題となる。
【００６１】
図４Ａは、例えばサンプル内の、光学的距離または深さの関数として示したレーザパターン雑音のプロット図である。ここでは、光学的距離とは、気体または真空における同等の距離を意味する。したがって、対応する物理的距離は、サンプルのような伝達媒体の屈折率によって拡大または縮小される。可変同調フィルタ５４とレンズ構造体６０の間の反射に相当し、ピーク４１４により発生したアーティファクトは、サンプル距離がこのピークと重なる場合に問題となる。この潜在的な問題を解決する１つの方法は、スプリアス反射（疑似反射）の大きさ、ひいてはスプリアスピーク（疑似ピーク）４１４の大きさを低減することである。しかし、ピークの大きさの十分な低減は常に可能とは限らない。別の可能な方法は、対象とする画像範囲の外側である光学的距離位置に、このスプリアスピークを移動することである。この場合、ピークは、望まない深さ領域を切り取ることができる画像枠内に全く現れないか、または、信号のサンプリングから生じるエイリアシングにより画像内にピークが含まれる場合、ピークは、システムのアンチエイリアシング・フィルタにより十分に減衰させることができる。異なる位置にスプリアスピークを移動することは、２つの素子の反射の干渉を生じる素子間の光学的距離を変更することを必要とする。場合によっては、これら素子の位置を移動するだけで十分なこともある。しかし、レンズを使用する半導体光増幅器からのビームサイズをフィルタモードサイズにレンズがモード整合するために、フィルタの位置は固定されているかもしれない。望ましいことは、フィルタとレンズの間の光路長を拡張（拡大）しながら、モード整合を維持することである。
【００６２】
図１は、レーザキャビティ５６内に光路長拡張素子７０を備えた可変同調レーザを示している。好ましい実施形態では、拡張要素７０は、石英ガラスまたはシリコンなどの約２以上の屈折率を有する、透過性の高屈折率材料である。ここではシリコンが使用されている。拡張素子７０の両端面７２、７４は、反射防止コーティングされている。さらに、拡張素子は、好ましく、可変同調レーザ５０の光学軸に対して１〜１０度傾斜しており、これにより、拡張素子の端面７２、７４からの反射が、レーザビーム光学軸に入るのを防止する。この拡張素子は、スプリアスピーク４１４を引き起こす、２つの干渉する反射体５４と６０の間に配置され、この拡張素子７０の目的は、２つの反射体間の光学的距離を変更するため、反射体間の物理的距離の変更を必ずしも必要とせずに、スプリアスピークの長さの位置を変更することである。
【００６３】
シリコンは、適切な光波長に対しては約３．５の屈折率を有するため、拡張素子７０は、図４Ａにおける雑音ピーク４１４を、サンプル３４０内のより大きい深さに相当する右方向に移動させて、レーザパターン雑音をサンプル３４０内の対象とする深さの外側に位置させる。
【００６４】
図４Ｂは、光路長の関数として示したレーザ強度パターン雑音のプロット図であり、拡張器７０の作用によって、スプリアス雑音ピークの新しい位置が４１４ｂに移動している。さらに、シリコンの高屈折率は、ビーム広がり（ビーム発散）を低減するため、フィルタはレンズからさらに離れた方向に移動されてもよく、このように移動されてもフィルタはモード整合を維持できる。
【００６５】
代替方法では、図４Ｃに示すように、レーザパターンが画像に含まれるが、アンチエイリアシング・フィルタがパターンの大きさを無視できるレベルにまで低減するため、レーザパターンはシステムの画像化深さを超える位置に存在するように、拡張素子７０が選択されてもよい。
【００６６】
本実施形態では、距離ＩＣＲは約１０ミリメートルであり、拡張素子の長さは約２ミリメートルである。
【００６７】
［キャビティ内の複屈折制御］
一般に、半導体光増幅器（ＳＯＡ）５２は、１つのみの優先的な偏光方向において利得を有する。上述のように、カプラ６５内のファイバミラーコーティング６８から反射された光は、レーザキャビティの１つのミラーとして作用する。しかし、ＯＣＴ用途（偏光保持（ＰＭ）ファイバは、望まないファイバ軸に結合してより長い遅延を受ける一部の光のために、ゴースト像を生成する）において好まれることの多い単一モードファイバ（非偏光保持）は、光の偏光状態（複屈折と称される）を任意に回転させることで、同調範囲全体にわたるレーザのフィードバックを低減できる。これに加えて、ファイバのはんだ付けによる応力が、複屈折をさらに発生させる。最悪の場合には、反射光の偏光方向が、光増幅器５２の好ましい偏光状態に直交する方向で終わっていると、レーザの発振が妨げられる可能性がある。
【００６８】
レーザキャビティ５６にファイバ偏光制御器を挿入することで、反射光の偏光状態を適切に調整して補償するが、長いファイバを必要とするため、より高速の同調に必要とされる、短いファイバキャビティ・レーザでは作用しない。短いファイバキャビティ（３〜８ｃｍ）において望ましいのは、図５に示して以下に詳述する、小型の器具において偏光の調整およびファイバの安定性を可能にする装置である。
【００６９】
ファイバスタブ６４は、２点においてカプラ６５内に保持されている。すなわち、１）点４１８において、はんだ付けにより、ファイバ６４をカプラのフェルール（ferrule）である管４２０に接続し、２）光コーティング／レーザ端部反射体６８において、ファイバ６４とファイバ３２０の間を機械的に接合している。
【００７０】
機械的接合の一例は、３Ｍ（登録商標）  Ｆｉｂｒｌｏｋ（登録商標）  ＩＩ  Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｓｐｌｉｃｅであり、これは、高反射性（ＨＲ）コーティングを施されたファイバ６４を、出力ファイバ３２０に結合することを可能にする、機械的接合である。他の例では、ＨＲコーティングを伴う融着接合を用いて、ファイバ６４をファイバ３２０に結合する。
【００７１】
この機械的接合部は一般に、エポキシ接合によって本体４２２内に固定される。円筒形ホルダ４２４は、本体４２２に固定されており、管４２０が挿入される内側開口を有する。止めねじ４２６によって、管４２０は円筒形ホルダ４２４に対して回転でき、次に、止めねじ４２６が締め付けられると、管４２０はホルダ４２４に固定されることができる。これにより、はんだ４１８と、本体４２２に固定された接合部６８の領域との間のファイバ６４長さにわたり、機械的応力が加わる。この応力は、ファイバ６４の複屈折に影響するため、レーザキャビティ５６内の光の偏光状態に影響する。
【００７２】
動作中、および、一般には、製造／較正段階において、止めねじ４２６が緩むと、オペレータは、ステンレス鋼管４２０の周りに基体４２２を回転することによってファイバ６４をねじる。可変同調レーザ動作の出力は高速オシロスコープに接続された検出器によって監視される。ファイバスタブ６４をねじると、偏光に変化が生じる。レーザ１００からの最大出力および円滑な（スムーズな）同調により特徴付けられる、最適な動作が観測されると、すなわち、偏光フェージングを生じることなく、所望の同調範囲全体にわたって、同調の間の周波数の関数としての出力における変化が低減し、同調の間の時間の関数としての周波数の変化が、線形または略線形であることが観測されると、止めねじ４２６を締め付けて、ファイバに加わる応力を固定する。ステンレス鋼管４２０は、その後のファイバの移動を防止し、偏光の安定性を維持する。
【００７３】
ファイバ６４は単一モードファイバであり、ファイバの曲げと、ベンチＬＩＧＡｍおよび管フェルール４２０におけるはんだ付け点（箇所）などの、ファイバ長さに沿った様々な箇所において生じうる応力とに起因する、結果として生じる小さい複屈折を有する。これは、利得チップ５２および光学ベンチ１１０からファイバに送られた光が、放出されたときと必ずしも同一の偏光状態でファイバ端部ミラー６８から戻らないことを意味する。このカプラ６５にファイバ６４を固定し、ファイバをわずかに回転させることにより、ミラー６８から戻る光の偏光が、放出光の偏光と一致する。この偏光の一致は、レーザ１００の全体の波長同調範囲全体にわたって発生する。ＳＭＦファイバの残留複屈折は小さい。
【００７４】
本発明を、好ましい実施形態を参照して詳細に示し、説明してきたが、当業者であれば、添付の特許請求項に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態および細部において様々な変更が可能なことが理解されよう。
【符号の説明】
【００７５】
５０    可変同調レーザ光源
１１０  光学ベンチ
２００  クロックサブシステム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
0005497748.tif 000006
【図４Ｃ】
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【図５】
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