(57)【要約】  高性能単一チップの、集積光学系ベースのＯＣＴシステムが開示され、参照アームの長さがデジタル的に可変である。参照アームは、２つの異なる長さの出力導波路のいずれかに、入力光信号を導くことができる２×２調整可能波長独立導波路スイッチを含む複数のスイッチステージを含む。いくつかの実施形態において、方向性カプラーは熱光学に基づく。いくつかの実施形態は、試験下のサンプルの一列の目標点に沿ってサンプル信号を走査するための固体走査システムを含む。
2019535022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルアーム及び参照アームを有する、集積光学系ベースの光学コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）システムであって、前記ＯＣＴシステムが、基板にモノリシックに集積されたフォトニック光波回路（ＰＬＣ）を含み、前記ＰＬＣが、
（ｉ）入力光信号を、前記サンプルアーム上のサンプル信号及び前記参照アーム上の参照信号に分配するためのカプラーと、
（ｉｉ）前記参照信号及びサンプルからの反射信号を結合して、干渉信号を生成するためのビーム結合器であって、前記反射信号が前記サンプル信号及び前記サンプルに基づく、ビーム結合器と、
（ｉｉｉ）前記参照信号を、前記カプラーから前記ビーム結合器に搬送するための参照アームであって、前記参照アームが、最小長さから最大長さまでの範囲内で前記参照アームの長さをデジタル的に制御するように動作可能な遅延コントローラを含む、参照アームと、を含む、システム。
【請求項２】
前記遅延コントローラが、前記ビーム結合器で受け取られた前記参照信号の光学出力を制御するようにも動作可能である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ＯＣＴシステムがさらに、
（ｉｖ）前記サンプル信号を前記カプラーから前記サンプルに搬送するための第１の導波路と、
（ｖ）前記サンプルからの反射信号を受け取り、前記反射信号を前記ビーム結合器に搬送するための第２の導波路であって、前記反射信号が、前記サンプル信号及び前記サンプルに基づく、第２の導波路と、を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記遅延コントローラが複数のスイッチステージを含み、各スイッチステージが、
第１の長さを有する第１の導波路の一部分と、前記第１の長さと異なる第２の長さを有する第２の導波路の一部分と、
第１の入力ポートにおいて受け取られた光信号を、前記第１の導波路の一部分または前記第２の導波路の一部分のいずれかに光学的に結合するように動作可能な導波路スイッチと、を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
各導波路スイッチが、
主要導波路と、遅延導波路と、を含む遅延区画を含み、前記遅延区画が、制御信号に基づいて、前記主要導波路と前記遅延導波路との間の交差結合を制御するように動作可能であり、
前記主要導波路が、前記第１の導波路の一部分及び前記第２の導波路の一部分のうちの一方と光学的に結合され、
前記遅延導波路が、前記第１の導波路の一部分及び前記第２の導波路の一部分のうちの他方と光学的に結合された、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
各導波路スイッチがさらに、
第１の方向性カプラーと、
第２の方向性カプラーと、を含み、
前記遅延区画が、前記第１の方向性カプラーと前記第２の方向性カプラーとの間にあり、
前記第１の方向性カプラー及び前記第２の方向性カプラーが、相補性方向性カプラーである、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
複数の前記導波路スイッチのうちの少なくとも１つの導波路スイッチが、熱光学効果に基づいて、前記第１の導波路の一部分及び前記第２の導波路の一部分のそれぞれに光学的に結合されたそれぞれの光信号の一部を制御するように動作可能な、請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
光検出器をさらに含み、前記遅延コントローラがさらに、前記参照信号の少なくとも一部を前記光検出器に提供するように動作可能である、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記ビーム結合器が、２モード干渉に基づいて前記参照信号と前記反射信号とを結合するように動作可能である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ＰＬＣがさらに、前記サンプル信号を、前記サンプルの複数の目標点に提供するように動作可能なビームスキャナーを含み、前記ビームスキャナーが、
それぞれファセットを含む複数の導波路であって、複数の前記ファセットが集まって出力ポートを画定する、複数の導波路と、
複数の導波路スイッチであって、前記複数の導波路スイッチの各導波路スイッチが、光を前記複数の導波路のうち異なる対の導波路の間で切り替えるように動作可能な、複数の導波路スイッチと、を含み、
前記複数の導波路のうちの第１の導波路が、前記サンプル信号を前記カプラーから受け取るような幾何形状とされて配置された、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記複数のファセットのうちの前記ファセットが、均一に離隔された、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
光学コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）を実施するための方法であって、
カプラーと、参照導波路と、遅延コントローラと、ビーム結合器と、を含む平面光波回路（ＰＬＣ）を提供する段階であって、前記ＰＬＣが基板にモノリシックに集積された、ＰＬＣを提供する段階と、
前記カプラーで受け取られた入力光信号をサンプルアーム上のサンプル信号及び参照アーム上の参照信号に分配する段階であって、前記参照アームが前記参照導波路及び前記遅延コントローラを含む、分配する段階と、
前記サンプル信号をサンプルに提供する段階と、
ビーム結合器において、反射信号を受け取る段階であって、前記反射信号が前記サンプル信号及び前記サンプルに基づく、受け取る段階と、
前記参照信号を前記カプラーから前記ビーム結合器へ、前記参照導波路及び前記遅延コントローラを介して搬送する段階と、
前記参照信号及び前記反射信号を前記ビーム結合器において結合して干渉信号を生成する段階と、
初期長さから最大長さまでの範囲内で、前記参照アームの長さをデジタル的に制御する段階と、を含む、方法。
【請求項１３】
前記ビーム結合器において受け取られた前記参照信号の光学出力を制御する段階をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記参照信号の少なくとも一部を光検出器に提供するための前記遅延コントローラを制御する段階をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記参照信号及び前記反射信号を、２モード干渉に基づいて結合するように動作可能であるように、前記ビーム結合器を提供する段階をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記参照アームの長さが、遅延コントローラの長さを制御することによって制御される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
複数のスイッチステージを含むように、前記遅延コントローラを提供する段階であって、各スイッチステージが、
（ｉ）第１の長さを有する第１の導波路の一部分と、
（ｉｉ）前記第１の長さとは異なる第２の長さを有する第２の導波路の一部分と、
（ｉｉｉ）第１の入力ポートにおいて受け取られた第１の光信号を、前記第１の導波路の一部分及び前記第２の導波路の一部分のいずれかに光学的に結合するように動作可能な導波路スイッチと、を含む、前記遅延コントローラを提供する段階と、
前記第１及び第２の導波路の一部分のそれぞれとの、各入力ポートの光学結合を制御するために、前記複数の導波路スイッチのうちの各導波路スイッチに制御信号を提供する段階と、をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の導波路スイッチのうちの少なくとも１つの導波路スイッチが、主要導波路及び遅延導波路を含む遅延区画を含むように、前記遅延コントローラが提供され、前記遅延区画が、前記主要導波路と前記遅延導波路との間の交差結合を、各導波路スイッチに提供された前記制御信号に基づいて制御するように動作可能である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記複数の導波路スイッチのうちの少なくとも１つの導波路スイッチが、第１の方向性カプラー及び第２の方向性カプラーをさらに含むように、前記遅延コントローラが提供され、前記第１及び第２の方向性カプラーが相補性方向性カプラーであり、前記遅延区画が、前記第１の方向性カプラーと前記第２の方向性カプラーとの間にある、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記複数の導波路スイッチのうち少なくとも１つの導波路スイッチが、熱光学効果に基づいて、前記第１の導波路の一部分及び前記第２の導波路の一部分のそれぞれに光学的に結合される各光信号の部分を制御するように動作可能であるように、前記複数の導波路スイッチのうち少なくとも１つの導波路スイッチが提供される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記サンプル信号を、前記カプラーから、複数の導波路、複数の導波路スイッチ及び、複数のファセットを含む出力ポートを含むビームスキャナーに搬送する段階であって、前記複数の導波路のうちの各導波路が、前記複数のファセットのうちの異なるファセットを含み、前記複数の導波路スイッチのうちの各導波路スイッチが、前記複数の導波路のうちの異なる対の導波路の間で光を切り替えるように動作可能である、前記サンプル信号をビームスキャナーに搬送する段階と、
前記サンプル信号が前記出力ポートの異なるファセットから、複数の目標点のうちのそれぞれの目標点に提供されるように、前記複数の導波路スイッチを制御する段階と、
を含む動作によって、前記サンプル信号を、前記サンプルの前記複数の目標点のうちのそれぞれに提供する段階をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
前記複数のファセットのうちのファセットが均一に離隔されるように、前記ビームスキャナーを提供する段階をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１６年９月２６日に出願された米国仮出願第６２／３９９７２９号（整理番号１４２−０３１ＰＲ１）及び２０１６年９月２６日に出願された米国仮出願第６２／３９９７２９号（整理番号１４２−０３２ＰＲ１）の優先権を主張し、そのそれぞれは、参照により本明細書に組み込まれている。本願と、参照により組み込まれた出願の１つまたは複数との間に、用語において、本願の特許請求の範囲の解釈に影響を及ぼしうる何らかの矛盾または不整合があった場合、本願の特許請求の範囲は、本願の用語と整合するものとして解釈されるべきである。
【０００２】
本発明は、一般に医療用画像取得システムに、より具体的には光学コヒーレンス断層撮影に関する。
【背景技術】
【０００３】
光学コヒーレンス断層撮影法（Ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ、ＯＣＴ）は、生物学的、生物医学的、医学的スクリーニング及び眼科医療などの分野で次第に一般的な診断ツールとなっている。これは、生物学的組織内のミクロンスケールの微小構造の非侵襲的な画像取得を可能にするために、低コヒーレンス光学干渉分光法を利用する。近年、ＯＣＴは、部分的に電離放射線が不要であるとともに、比較的低コストかつ高分解能の、生体内での能力に起因して、生物学的及び生物医学的画像取得のコミュニティでは、放射線画像取得、超音波及び磁気共鳴画像取得とともに急速に有力になっている。例えば眼科医療の分野では、ＯＣＴは、人間の眼底写真の非侵襲的画像のために使用され、それによって、黄斑変性、緑内障、網膜炎、色素変性などの網膜病理学の診断を容易にしている。
【０００４】
初期のＯＣＴシステムは、典型的には、古典的なマイケルソン干渉分光計の比較的単純な実装に基づく時間領域システムであった。そのような干渉分光計では、入力光信号は、参照アームとサンプルアームとに分離される。参照アームでは、光は、光を連続的に検出器の方へ反射して戻す可動参照ミラーに向けられる。参照アームの長さは、このミラーの位置に依存する。サンプルアームでは、光は、試験下にあるサンプルの目標点に向けられ、サンプル内の表面下の特徴体によって反射された光のみが、検出器に戻される。そのため、参照アームの長さは、サンプル組織内の特徴体の位置に基づく。ビーム結合器は、２つの反射された光信号を結合して、検出器で干渉パターンを発生させる干渉分光信号を形成する。参照アーム及びサンプルアームのそれぞれの中を同じ長さだけ通過した光は、検出器において強め合って再結合し、高い強度の信号を形成する。
【０００５】
目標点の表面及び表面下の特徴体の１次元走査は、参照ミラーを一定の速度で走査し、参照アームの長さを変化させることによって行われる。これは、検出器によって続いてサンプリングされる干渉パターンに表されるように、参照ミラーの位置に基づいて、時間的に表面または表面下の特徴体の深さをエンコードする。
【０００６】
残念ながら、初期の時間領域ＯＣＴ技術は有望であったが、その複雑さ及び非常に時間がかかる性質が、幅広い適用を制限することとなった。結果的に、フーリエ領域ＯＣＴ（ＦＤ−ＯＣＴ）が開発され、これは時間領域ＯＣＴに対して顕著な改善をもたらす。
【０００７】
ＦＤ−ＯＣＴは、干渉分光信号が、ミラー位置よりもむしろ波長の関数として、検出器によってサンプリングされる方法である。ＦＤ−ＯＣＴシステムは、改善した感度で、より高速な画像取得が可能である。ＦＤ−ＯＣＴでは、典型的には、サンプル内の目標点は、光学周波数の範囲を通して掃引する光源（すなわち、掃引される光源）でインタロゲートされる。結果として、目標点は、光学周波数が時間の関数である単色ビームで照射される。これにより、波数ｋ（ｋは波長の逆数に比例する）に対する強度の干渉分光信号を得る結果となる。次いで、フーリエ変換と呼ばれる数学的アルゴリズムが使用され、干渉分光信号を深さに対する強度のプロットに変換する。
【０００８】
ＳＤ−ＯＣＴは、広帯域スペクトルの光で目標点をインタロゲートする。目標点から反射した光は、検出器の列に沿って波長によって分散され、同時に異なる出力信号を、複数の波長成分のそれぞれについて提供する。結果として、情報は、同時に目標点内の多くの深さから収集され、フーリエ変換操作を、この情報を深さに対する強度のプロットに変換するために使用可能である。
【０００９】
残念ながら、現在の従来技術のＯＣＴシステムは、複数のファイバー及び自由空間光学構成要素を含むため、大きく、複雑で、配置問題に対して敏感である。結果として、これらの問題の多くを軽減し、または解消するための潜在能力を有する集積化光学系ベースの小型ＯＣＴシステムが推進されている。
【００１０】
集積光学系システムは、基板の表面に形成された１つまたは複数の光学導波路を含む。光学導波路は、典型的には平面光波回路（ＰＬＣ）と称される無数の装置に結合可能であり、これは複雑な光学機能性を提供することができる。各「表面導波路」（本明細書では単に「導波路」と称されることもある）は、表面導波路によってコア材料に搬送された光信号を実質的に閉じ込めるクラッディング材料によって取り囲まれた光案内コアを含む。
【００１１】
いくつかの集積光学系ベースの「マイクロ分光計」が、異なる構成に基づいて開発されてきた。例えば、Ｙｕｒｔｓｅｖｅｒらは、掃引光源及びオンチップマイケルソン干渉分光計に基づくＦＤ−ＯＣＴシステムを、非特許文献１において開示した。このシステムは、４０μｍの軸方向分解能及び２５ｄＢの感度を達成した。さらに、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）分光計を含む部分的に集積されたＳＤ−ＯＣＴシステムが、Ａｋｃａ及びＮｇｕｙｅｎらによって、非特許文献２及び３において開示された。Ｊｉａｏ及びＴｉｌｍａらは、非特許文献４及び５において、ＩｎＡｓ／ＩｎＰ量子ドット系導波路光検出器及び、チューニング可能なレーザー光源に基づくＳＳ−ＯＣＴシステムを開示した。そのようなシステムは、既存のバルク光学システムのレベルに到達する深さ検出範囲を有する断面画像取得を実行できることが示された。
【００１２】
さらに近年、バランスの取れた検出のために、マイケルソン干渉分光計、参照アーム及び方向性カプラーの組合せを含むＳＳ−ＯＣＴシステムが、Ｎｇｕｙｅｎらによって非特許文献６に開示された。このシステムは、ファントムが空気中で８０ｄＢの感度及び５ｍｍの深さ範囲で画像取得可能であることを示すために使用された。残念ながら、システムの参照アームが比較的短いため、サンプルの走査が、断面画像を得るために必要とされた。
【００１３】
サンプル走査の必要性は、Ｙｕｒｔｓｅｖｅｒらによって非特許文献７及び８に開示されるように、長いオンチップ参照アームを採用することによって解決可能であった。残念ながら、集積光学系構成要素のレイアウトが固定された性質のため、これらのシステムは極端に複雑な分散補償を必要とし、ファイバー系システムと比較して信号対雑音比（ＳＮＲ）が比較的悪かった。
【００１４】
集積光学系技術の発展及び開発に利用可能な豊富な光学的効果にもかかわらず、依然として、先行技術にはない実用的な、高性能の集積光学系ベースのＯＣＴシステムの必要性が残っている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】“Integrated photonic circuit in silicon on insulator for Fourier domain optical coherence tomography,” Proc. SPIE, Vol. 7554, pp. 1−5 (2010),
【非特許文献２】“Toward spectral-domain optical coherence tomography on a chip,” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., Vol. 18, pp. 1223−1233 (2012)
【非特許文献３】“Spectral domain optical coherence tomography imaging with an integrated optics spectrometer,” Opt. Lett., Vol. 36, pp. 1293−1295 (2011)
【非特許文献４】“InAs/InP(100) quantum dot waveguide photodetectors for swept-source optical coherence tomography around 1.7 μm,” Opt. Express, Vol. 13, pp. 3675−3692 (2012)
【非特許文献５】“Integrated tunable quantum-dot laser for optical coherence tomography in the 1.7 μm wavelength region,” IEEE J. Quantum Electron., Vol. 48, pp. 87−98 (2012)
【非特許文献６】“Integrated-optics-based swept-source optical coherence tomography,” Opt. Lett., Vol. 37, pp. 4820−2822 (2012)
【非特許文献７】“Photonic integrated Mach-Zehnder interferometer with an on-chip reference arm for optical coherence tomography,” Biomed. Opt. Express, Vol. 5, pp. 1050 (2014)
【非特許文献８】“Ultra-compact silicon photonic integrated interferometer for swept-source optical coherence tomography,” Opt. Lett., Vol. 39, pp. 5228-5231 (2014).
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、従来技術のコスト及び欠点のいくつかを解消する高分解能集積光学系ベースの光学コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）システムを可能にする。本発明に従うＯＣＴシステムは、長さの合計がデジタル的に可変である参照アームを含む。さらに、参照アーム内で搬送される参照信号の光学出力が制御可能である。結果的に、本発明は、改善された信号対雑音比性能を有するとともに、分散補償が従来技術よりも複雑でないＯＣＴシステムを可能にする。本発明の実施形態は、光学コヒーレンス断層撮影などの使用に特によく適している。
【００１７】
例示的な実施形態は、光源と、一対の光検出器と、プロセッサと、単一の基板上に形成された平面光波回路（ＰＬＣ）と、を含み、これらはまとめてＯＣＴシステムを画定する。ＰＬＣは、３ｄＢカプラーと、参照導波路、インタロゲーション導波路、帰還導波路、ビーム結合器及び遅延コントローラを含む複数の表面導波路と、を含む。光源からの入力光信号は、サンプル信号及び参照信号に分配され、これらはそれぞれサンプルアーム及び参照アームを通って伝搬する。
【００１８】
サンプルアームは、インタロゲーション導波路と、帰還導波路とを含み、インタロゲーション導波路は、サンプル信号を、試験下にあるサンプルに提供し、帰還導波路は、表面及び表面下の構造に基づいてサンプルによって反射されたサンプル信号光を結合する。帰還導波路は、反射信号をビーム結合器に搬送する。
【００１９】
参照アームは、遅延コントローラに光学的に結合された２つの参照導波路の一部分を含み、これは、これらの間に配置される。遅延コントローラは、参照アームの所望の全長さ及び、したがって参照信号の所望の遅延に影響を与えるように、プロセッサによってデジタル的に制御可能な長さを有する。遅延コントローラの長さは、複数のスイッチステージに基づき、そのそれぞれは、２つの異なる長さのうち一方を有するように構成可能である。さらに、遅延コントローラは、出力において導波路スイッチを含むことができ、これは、プロセッサに分散信号を提供するために、参照信号をビーム結合器及びまたはコントローラ光検出器に導くことができる。さらに、遅延コントローラは、参照信号がビーム結合器において受け取られると、参照信号の光学出力の量を制御することが可能である。
【００２０】
ビーム結合器は、強度がサンプルの構造に基づく干渉信号を発生させるために、参照信号と反射信号とを結合する。干渉信号は、出力信号をプロセッサに提供する光検出器において検出される。プロセッサは出力信号を処理して、サンプルの構造の推定を実行する。
【００２１】
いくつかの実施形態において、インタロゲーション導波路は、出力ファセットにおいて走査システムを含み、これは、サンプルの「Ｂ走査」を生成するためにサンプルの一行の目標点に沿ってサンプル信号を走査することができる。
【００２２】
本発明の実施形態は、サンプルアーム及び参照アームを有する、集積光学系ベースの光学コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）システムであって、ＯＣＴシステムが、基板にモノリシックに集積されたフォトニック光波回路（ＰＬＣ）を含み、ＰＬＣが、
（ｉ）入力光信号を、サンプルアーム上のサンプル信号及び参照アーム上の参照信号に分配するためのカプラーと、
（ｉｉ）参照信号及びサンプルからの反射信号を結合して、干渉信号を生成するためのビーム結合器であって、反射信号がサンプル信号及びサンプルに基づく、ビーム結合器と、
（ｉｉｉ）参照信号を、カプラーからビーム結合器に搬送するための参照アームであって、参照アームが、最小長さから最大長さまでの範囲内で参照アームの長さをデジタル的に制御するように動作可能な遅延コントローラを含む、参照アームと、を含む、システムである。
【００２３】
本発明の別の実施形態は、光学コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）を実施するための方法であって、
カプラーと、参照導波路と、遅延コントローラと、ビーム結合器と、を含む平面光波回路（ＰＬＣ）を提供する段階であって、ＰＬＣが基板にモノリシックに集積された、ＰＬＣを提供する段階と、
カプラーで受け取られた入力光信号をサンプルアーム上のサンプル信号及び参照アーム上の参照信号に分配する段階であって、参照アームが参照導波路及び遅延コントローラを含む、分配する段階と、
サンプル信号をサンプルに提供する段階と、
ビーム結合器において、反射信号を受け取る段階であって、反射信号がサンプル信号及びサンプルに基づく、受け取る段階と、
参照信号をカプラーからビーム結合器へ、参照導波路及び遅延コントローラを介して搬送する段階と、
参照信号及び反射信号をビーム結合器において結合して干渉信号を生成する段階と、
初期長さから最大長さまでの範囲内で、参照アームの長さをデジタル的に制御する段階と、を含む、方法である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の例示的な実施形態に従う光学コヒーレンス断層撮影システムの概略図を示す。
【図２】ＰＬＣ１１０の表面導波路のそれぞれを表す表面導波路構造の断面図の概略図を示す。
【図３】例示的な実施形態に従う遅延コントローラの概略図を示す。
【図４Ａ】例示的な実施形態に従う導波路の一部分３０４Ａ−ｉの概略図を示す。
【図４Ｂ】例示的な実施形態に従う導波路の一部分３０４Ｂ−ｉの概略図を示す。
【図５Ａ】例示的な実施形態に従う導波路スイッチの概略図を示す。
【図５Ｂ】導波路スイッチ３０６−ｉに関して遅延導波路５０６と主要導波路５０８との間の交差結合光学出力及び相対的な屈折率のシミュレーション結果を示す。
【図５Ｃ】導波路スイッチ３０６−ｉの分割比に関するシミュレーション結果を示す。
【図５Ｄ】導波路スイッチ３０６−ｉの分割比に関するシミュレーション結果を示す。
【図６】例示的な実施形態に従うビーム結合器の概略図を示す。
【図７Ａ】異なる入力条件におけるビーム結合器１２６のＢＰＭシミュレーション結果を示す。
【図７Ｂ】異なる入力条件におけるビーム結合器１２６のＢＰＭシミュレーション結果を示す。
【図７Ｃ】異なる入力条件におけるビーム結合器１２６のＢＰＭシミュレーション結果を示す。
【図８】例示的な実施形態に従う光学コヒーレンス断層撮影を実施するのに適した方法の動作を示す。
【図９】本発明の代替的な実施形態に従う固体ビームスキャナーの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、本発明の例示的な実施形態に従う光学コヒーレンス断層撮影システムの概略図を示す。システム１００は、光源１０２、プロセッサ１０４、光検出器１０６、１０８及びＰＬＣ１１０を含む。
【００２６】
光源１０２は、光信号１１２をＰＬＣ１１０に提供するように動作可能な従来のコヒーレント光源である。図示された例では、光源１０２は、約１３００ｎｍの中心波長を有するように光信号１１２を放出する端部放射レーザーである。いくつかの実施形態において、光源１０２は、異なるコヒーレント光源を含み、及び／または異なる波長に中心を有する光を放出する。
【００２７】
プロセッサ１０４は、それぞれ光検出器１０６及び光検出器１０８から受け取った出力信号１４２及び分散信号１４４に基づいて、制御信号ＣＶをＰＬＣ１１０に提供するように動作可能な従来の機器制御部及び処理システムである。典型的には、プロセッサ１０４は、サンプル１３４の目標点１３６における構造の推定を実行するために、ＰＬＣ１１０から受け取った出力信号を処理するようにも動作可能である。
【００２８】
光検出器１０６は、後述のようにビーム結合器１２６から受け取った干渉信号１４０の強度に基づいて、電気的出力信号（すなわち出力信号１４２）を提供するように動作可能な従来の光検出器である。
【００２９】
光検出器１０８は、分散信号１４４をプロセッサ１０４に提供するように動作可能な従来の光検出器であり、分散信号は光信号１４６に基づき、遅延コントローラ１２４を離れる際に参照信号の少なくとも一部を含む。これにより、以下に議論するようにＯＣＴシステムの２つのアームの間の任意の分散不整合を、プロセッサ１０４によって補償することが可能になる。
【００３０】
ＰＬＣ１１０は、基板１１４上にモノリシックに集積された表面導波路の装置である。ＰＬＣ１１０は、カプラー１１６と、インタロゲーション導波路１１８と、帰還導波路１２０と、参照導波路１２２と、遅延コントローラ１２４と、ビーム結合器１２６と、出力導波路１２８と、分散制御導波路１３０と、を含む。いくつかの実施形態において、光源１０２、光検出器１０６、１０８の少なくとも１つは、モノリシックに集積される方式で基板１１４上に形成されることによって、またはハイブリッド集積技術を用いて基板と接合することによって、ＰＬＣ１１０と集積される。
【００３１】
図２は、ＰＬＣ１１０の表面導波路のそれぞれを表す表面導波路構造の断面図の概略図を示す。導波路２００は、下部クラッディング２０２と、コア２０４と、上部クラッディング２０６とを含み、その全ては基板１１４上に配置される。
【００３２】
基板１１４は、従来のシリコン基板である。いくつかの実施形態において、基板１１４は、異なる半導体、ガラス、ニオブ酸リチウム、シリコン化合物（例えばシリコンゲルマニウム、シリコンカーバイドなど）等のシリコン以外の適切な材料を含む。
【００３３】
下部クラッディング２０２は、約８ミクロンの厚さを有する二酸化シリコンの層であり、これは基板１１４の上に熱酸化または別の適切な方法を介して形成される。
【００３４】
コア２０４は、光案内材料２０８の層であり、これは、約２．２ミクロンである幅ｗ１及び約１ミクロンである高さｈ１を有する単一モードチャンネル導波路構造を画定するために彫られたものである。
【００３５】
図示された例では、材料２０８は、１３００ｎｍの波長において約１．５３５の屈折率及び約２．３５Ｋ−１の熱光学係数によって特徴づけられる酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）である。図示された例において、材料２０８は、プラズマ支援化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）を用いて下部クラッディング２０２の上に成膜される。しかし、コア２０４を形成するために任意の適切な成膜プロセスが使用可能である。
【００３６】
上部クラッディング２０６は、約５００ｎｍの厚さを有する二酸化シリコンの層である。
【００３７】
下部クラッディング２０２及び上部クラッディング２０６のそれぞれにおける材料は、約１．４４８５の屈折率によって特徴づけられる。そのため、導波路２００の材料積層体全体の有効屈折率は約１．４７２である（ＴＥ偏光について）。
【００３８】
図示された例において、コア２０４は酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）を含み、下部クラッディング２０２及び上部クラッディング２０６はそれぞれ二酸化シリコンを含む。しかし、当業者であれば、本明細書を読めば、無数の材料（例えば窒化シリコン、シリコン、ニオブ酸リチウム、化合物半導体、ガラス、二酸化シリコンなど）が、本発明の範囲から逸脱することなく、導波路２００のコア及びクラッディング層に使用可能であることを認識するであろう。後述のように、例示的な実施形態は、熱光学効果に基づいて動作する導波路スイッチを採用した遅延コントローラを含み、結果的に、この実施形態は、相対的に高い熱光学係数によって特徴づけられた表面導波路を採用することが好適である。しかし、本発明のいくつかの実施形態は、電気光学効果、誘導応力などの異なるスイッチング原理に基づく導波路スイッチを採用する。そのような実施形態では、それらに含まれる導波路は、採用されたスイッチング原理のそれぞれの使用を容易にするように設計されることが好適である。
【００３９】
例示された実施形態は単一モードチャンネル導波路である表面導波路を含むが、異なる伝搬特性、幾何形状、構造及び／または材料を有する表面導波路も、本発明の範囲から逸脱することなく本発明の実施形態において使用可能であることは注意すべきである。
【００４０】
ここで図１に戻ると、カプラー１１６は、光信号１１２をサンプル信号１１２Ａ及び参照信号１１２Ｂに均一に分配し、それらをそれぞれサンプルアーム１３２Ａ及び参照アーム１３２Ｂに提供する、従来のアディアバティック３ｄＢ方向性カプラーである。いくつかの実施形態において、カプラー１１６の分割比は、５０：５０以外である。いくつかの実施形態において、カプラー１１６は、ｙカプラーなどの異なる光学出力分割要素である。いくつかの実施形態において、カプラー１１６は、入力ポートにおいて結合損失を低減するために、スポットサイズ変換器、レンズなどの素子を含む。いくつかの実施形態において、カプラー１１６は、端部カプラー、垂直格子カプラーなどを介して入力信号１１２を受け取る。いくつかの実施形態において、カプラー１１６は、光ファイバー、バルクレンズ、レンズ光ファイバー、高開口数ファイバー、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）の出力ポートまたはＰＬＣなどの外部素子から入力信号１１２を受け取る。
【００４１】
サンプルアーム１３２Ａは、インタロゲーション導波路１１８、帰還導波路１２０、及びサンプル信号１１２Ａによってインタロゲートされるサンプル１３４の部分（すなわち目標点１３６）を含む。インタロゲーション導波路１１８は、カプラー１１６からサンプル１３４にサンプル信号１１２Ａを搬送する。帰還導波路１２０は、サンプルによって反射されたサンプル信号１１２Ａの光を受け取り、反射光をビーム結合器１２６に搬送する。サンプルアームはまた、ＰＬＣ１１０とサンプル１３４との間の往復自由空間経路を含むことは注意すべきであるが、自由空間内の移動距離は典型的には非常に短いため、そのサンプルアーム１３２Ａへの寄与は、システム１００の動作には重要でないと考えられ、添付した特許請求の範囲に含むサンプルアーム１３２Ａの考慮からは排除される。
【００４２】
前述のように、従来技術のＯＣＴシステムは、固定長さの参照アームを含む。残念ながら、参照アームの光が通常アクセスできないという事実とともに、そのような参照アームの静的な性質に起因して、分散補償はこのようなシステムでは困難になる。さらに、静的な参照アームは、信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善するための参照信号の光学出力の調整を不可能にする。しかし、本発明の実施形態は、参照アームの長さ及びそれを通って伝搬する参照信号の光学出力の両方の制御を可能にする遅延コントローラを含む参照アームを含む。さらに、遅延コントローラは、参照アーム内の参照信号を光検出器１０８に光学的に結合するような幾何形状とされて配置され、これはシステム内の分散の直接的な指標をプロセッサに提供する。結果的に、本発明の実施形態は、従来のＯＣＴシステムに対して、より高いＳＮＲ及び、より容易に達成される分散補償などの顕著な利点を与えられる。
【００４３】
参照アーム１３２Ｂは、参照導波路の一部分１２２−１、１２２−２及び遅延コントローラ１２４を含む。
【００４４】
参照導波路の一部分１２２−１、１２２−２はそれぞれ、参照信号１１２Ｂを搬送するための固定長さの導波路である。導波路の一部分１２２−１はカプラー１１６と遅延コントローラ１２４とを光学的に結合し、その一方、導波路の一部分１２２−２は遅延コントローラ１２４とビーム結合器１２６とを光学的に結合する。
【００４５】
遅延コントローラ１２４は、以下に議論するように、参照アーム１３２Ｂの長さを遅延コントローラに含まれるスイッチステージの数に基づく初期長さと最大長さとの間でデジタル的に変化させることができる導波路スイッチ及び導波路の一部分のネットワークである。遅延コントローラ１２４は、カプラー１１６から参照信号１１２Ｂを受け取り、参照信号１１２Ｂ’（ここで、参照信号１１２Ｂ’は、参照信号１１２Ｂの潜在的に遅延したバージョンである）及び光信号１４６を、含まれる複数の導波路スイッチの構成に基づいて提供するように動作可能である。
【００４６】
図３は、例示的な実施形態に従う遅延コントローラの概略図を示す。遅延コントローラ１２４は、スイッチステージ３０２−１から３０２−４及び導波路スイッチ３０６−５を含む。例示的な実施形態は、４つのスイッチステージを有する遅延コントローラを含むが、本発明に従う遅延コントローラは、本発明の範囲から逸脱することなく、任意の実用的な数のスイッチステージを含むことができる。
【００４７】
スイッチステージ３０２Ａ−ｉ（ｉ＝１〜４）のそれぞれは、導波路の一部分３０４Ａ−ｉ、３０４Ｂ−ｉを含み、これらは導波路スイッチ３０４−ｉに光学的に結合される。各導波路スイッチ３０５Ａ−ｉは、プロセッサ１０４によって提供された制御電圧ＣＶ−ｉの大きさに基づいて、それぞれの導波路の一部分３０４Ａ−ｉ、３０４Ｂ−ｉを通して光信号１１２Ｂの経路を制御する。
【００４８】
図４Ａは、例示的な実施形態に従う導波路の一部分３０４Ａ−ｉの概略図を示す。導波路の一部分３０４Ａ−ｉは、長さＬ１を有する実質的に直線的な導波路区画である。図示された例において、導波路の一部分３０４Ａ−１から３０４Ａ−４（まとめて導波路の一部分３０４Ａと呼ばれる）は実質的に同一であり、Ｌ１は１ｃｍに等しいが、いくつかの実施形態では、導波路の一部分３０４Ａの少なくとも１つは、異なる形状及び／または長さを有する。
【００４９】
図４Ｂは、例示的な実施形態に従う導波路の一部分３０４Ｂ−ｉの概略図を示す。導波路の一部分３０４Ｂ−ｉは、導波路区画４０２と、導波路区画４０４と、導波路区画４０６と、を含む屈曲した導波路である。
【００５０】
導波路区画４０２は、半径Ｒを有する半円形の導波路である。
【００５１】
導波路区画４０４のそれぞれは、半径Ｒを有する四分の一円形の導波路である。
【００５２】
導波路区画４０６のそれぞれは、長さＬｓを有する直線状の導波路である。
【００５３】
図示された例において、Ｒの大きさは、導波路区画４０２及び４０４が、導波路の一部分３０４Ａ−ｉの長さ（すなわちＬ１）に等しい結合長さを有するように選択される。そのため、導波路の一部分３０４Ｂ−ｉの長さ全体は、２Ｌｓ＋Ｌ１に等しい。図示された例において、導波路の一部分３０４Ｂ−１から３０４Ｂ−４（まとめて導波路の一部分３０４Ｂと呼ばれる）は実質的に同一であり、Ｌｓは１ｃｍであるが、いくつかの実施形態では、導波路の一部分３０４Ｂの少なくとも１つは異なる形状及び／または長さを有する。当業者であれば、本明細書を読めば、Ｌｓの長さが、参照アーム１３２Ｂの長さが調整可能である解像度を決定することを認識するであろう。
【００５４】
例示的な実施形態において、参照アーム１３２Ｂの初期長さは、約２０ｃｍである。遅延コントローラ１２４は、それぞれ追加的に２ｃｍを加えることができる４つのスイッチステージを含むため、参照アームの最大長さは２８ｃｍである。そのため、参照アームの長さは、導波路スイッチ３０６−ｉのそれぞれに適切な制御電圧ＣＶ−ｉを提供することによって、約２０ｃｍから約２８ｃｍの範囲内で、２ｃｍごとにデジタル的に制御可能である。これらの値は単なる例であり、任意の実用的な長さが、導波路の一部分３０４及び３０４Ｂのいずれかの長さとともに、参照アーム１３２Ｂの初期長さを含む、システム１００の任意の寸法について使用可能である。
【００５５】
導波路の一部分３０４Ｂに直線状の導波路区画４０６を含めることで、屈曲した導波路区画４０２、４０４が、各導波路の一部分３０４Ｂに必要な全チップフットプリントをシステム１００の小型化設計を可能にする程度に十分小さく保つ助けとなる一方で、光学長さを追加することによって、設計の柔軟性を与える。
【００５６】
上記の例示的な寸法を用いると、ＰＬＣ１１０の全体は、２ｃｍ×２ｃｍの領域内に収容することが可能であり、これは単一チップ上に容易に形成される。しかし、導波路２００について高屈折率コントラスト導波路材料システム（例えば、シリコンまたは窒化シリコンのコアに基づくなど）を用いることにより、ＰＬＣ１１０に必要なチップ面積は顕著に低減可能である。
【００５７】
図５Ａは、例示的な実施形態に従う導波路スイッチの概略図を示す。導波路スイッチ３０６−ｉは、制御電圧ＣＶ−ｉの大きさに基づいて、入力ポートＩｎ１、Ｉｎ２と出力ポートＯｕｔ１、Ｏｕｔ２との間の光学的結合を制御する２×２クロスバースイッチである。導波路スイッチ３０６−ｉは、一対の方向性カプラー５０２−１、５０２−２を含むマッハ・ツェンダー型干渉分光カプラーであり、それらは遅延区画５０４のいずれかの側部に存在する。導波路スイッチ３０６−ｉは、導波路スイッチ３０６−１から３０６−５（まとめてスイッチ３０６と呼ばれる）のそれぞれを表している。
【００５８】
方向性カプラー５０２−１、５０２−２（まとめて、カプラー５０２と呼ばれる）のそれぞれは、長さＬ２を有する従来の方向性カプラーである。方向性カプラー５０２−１、５０２−２は、「相補性方向性カプラー」である。添付した特許請求の範囲を含む、本明細書の目的に関して、「相補性方向性カプラー」という用語は、１つの方向性カプラーに導入された任意の逸脱が、もう一方の方向性カプラーで実質的に補償されるように、協調して動作する方向性カプラーであるとして定義される。いくつかの実施形態において、方向性カプラー５０２−１、５０２−２は相補性方向性カプラーではない。
【００５９】
遅延区画５０４は、遅延導波路５０６と、主要導波路５０８と、主要導波路５０８の上に配置され、電気的に制御信号ＣＶ−ｉと接続されたヒーター５１０と、を含む。
【００６０】
導波路スイッチ３０６−ｉは、熱光学導波路スイッチであるため、光が遅延導波路５０６及び主要導波路５０８の一方を通って伝搬すると、それらの間の結合は、ヒーター５１０の温度によって制御される。いくつかの実施形態において、遅延コントローラ１２４は、電気光学的、圧電的、応力的、液晶系などの、その他の効果に基づく導波路スイッチを含む。
【００６１】
導波路スイッチ３０６−ｉは、０％（交差結合が生じない）から１００％（完全に交差結合する）までの範囲内のいずれにも調整可能な交差結合比を有する。導波路スイッチのカップリング比は、以下で与えられる。
【００６２】
【数１】
2019535022.tif 000003
【００６３】
ここで、
【００６４】
【数２】
2019535022.tif 000004
【００６５】
及び
【００６６】
【数３】
2019535022.tif 000005
【００６７】
はカプラー５０２−１、５０２−２のそれぞれの平行導波路カプラー区画内に存在する基本モードと、一次システムモードとの間の半位相差であり、２θ＝β（λ）ΔＬは、遅延導波路５０６と主要導波路５０８との間の経路長差ΔＬ及び導波路モードの伝搬定数β（λ）によって遅延区画に導入された相対的な位相遅延である。
【００６８】
導波路スイッチ３０６−ｉ（すなわち、全カプラー）に最も平坦な導波路応答を提供するために、パラメータは、設計及び製造を容易にするように、
【００６９】
【数４】
2019535022.tif 000006
【００７０】
（全カプラー）、
【００７１】
【数５】
2019535022.tif 000007
【００７２】
（全カプラー）、
【００７３】
【数６】
2019535022.tif 000008
【００７４】
として選択可能である。これらの設計パラメータに基づいて、図示された例では、方向性カプラー５０２−１、５０２−２のそれぞれの長さＬ２は１５５ミクロンであり、経路長差ΔＬは０．２９ミクロンである。導波路スイッチ３０６−ｉの合計長さは１．６ｍｍである。
【００７５】
図５Ｂは、導波路スイッチ３０６−ｉに関して、遅延導波路５０６と主要導波路５０８との間の交差結合された光学出力及び相対屈折率のシミュレーション結果を示す。プロット５１２は、遅延導波路５０６と主要導波路５０８との間の屈折率の差の関数として、入力ポートＩｎ１に導入された光信号について出力ポートＯｕｔ２における光学出力を示す。プロット５１２から分かるように、Δｎ＝２．４×１０−３の場合、主要導波路５０８に導入された光信号の９６％は遅延導波路５０６に交差結合し、これは約１０２Ｋのヒーター温度で生じる。
【００７６】
図５Ｃは、導波路スイッチ３０６−ｉの分割比についてのシミュレーション結果を示す。プロット５１４は、０の電圧がヒーター５１０に印加され、スイッチが室温にある場合、交差結合がスイッチ内に実質的に存在しないことを示している。プロット５１６は、十分な電圧がヒーター５１０に印加され、スイッチの温度が上昇した場合に、完全な交差結合がスイッチ内に存在することを示している。
【００７７】
図５Ｄは、導波路スイッチ３０６−ｉの分割比についてのシミュレーション結果を示す。プロット５１８、５２０は、遅延導波路５０６と主要導波路５０８との間の分割比が、スイッチのクロス状態及びバー状態の両方において、１００ｎｍ幅の帯域にわたって実質的に波長から独立していることを示している。
【００７８】
参照信号１１２Ｂがスイッチステージ３０２−１から３０２−４を通過した後、参照信号１１２Ｂの光学出力のいくらかまたは全てを光信号１４６としていずれかの光検出器１０８に導くか、または参照信号１１２Ｂ’としてビーム結合器１２６に導くスイッチ３０６−５を通って伝搬する。導波路スイッチ３０６−５は、導波路スイッチ３０６−１から３０６−４のそれぞれと実質的に同一である。
【００７９】
ビーム結合器１２６は、サンプル信号１１２Ａ及び反射信号１３８を再結合して干渉信号１４０を生成し、光検出器１０６に提供するように動作可能である表面導波路素子である。
【００８０】
図６は、例示的な実施形態に従うビーム結合器の概略図を示す。ビーム結合器１２６は、スラブ６０２と出力導波路１２８とを含み、そのそれぞれは、前述され、図２に関する導波路２００に類似している。
【００８１】
スラブ６０２は、導波路２００のそれと類似した導波路構造の領域であるが、参照導波路１２２−２及び帰還導波路１２０によって搬送された光信号を再結合し、再結合された光信号を干渉信号１４０として出力導波路１２８に提供するような寸法とされて配置される。スラブ６０２は幅ｗ２及び長さＬ３を有し、それらはスラブ領域内で２モード干渉（ＴＭＩ）を可能にするように選択される。ビーム結合器１２６の構造は、製造許容がより大きく、そのため性能がより再現されやすいため、より従来のＹジャンクションよりも好適である。図示された例において、ｗ２は６ミクロンであり、Ｌ３は３３ミクロンであり、参照導波路１２２−２及び帰還導波路１２０は１．４ミクロンである離隔距離ｄ１だけ離隔されている。
【００８２】
図７ＡからＣは、異なる入力条件下のビーム結合器１２６に関するＢＰＭシミュレーション結果を示す。ビーム結合器の放射損失は、スラブ６０２において受け取られた際の参照信号１１２Ｂ’と参照信号１３８との間の位相差に、それらの相対出力とともに依存する。
【００８３】
プロット７００は、参照信号１１２Ｂ’及び反射信号１３８が同位相であり、等しい出力を有する場合の光信号の結合を示す。プロットにみられるように、全ての入力が一次イーブンモードに結合され、そのため、スラブ領域６０２を通して出力導波路１２８に伝達される。この場合、ビーム結合器１２６は、参照導波路１２２−２及び帰還導波路１２０から受け取られた光学出力の約９６％を有する干渉信号１４０を提供することになると見積もられる。換言すれば、ビーム結合器を通した最小光学損失は約４％である。
【００８４】
プロット７０２は、参照信号１１２Ｂ’及び反射信号１３８が同位相であり、０．５の出力比を有する場合の光信号の結合を示す。この出力の不均衡は、プロット７００に示された等しい出力の場合と比較して、４％の出力低下を引き起こすのみである（すなわち、干渉信号１４０は、参照導波路１２２−２及び帰還導波路１２０から受け取られた光学出力の約９２％を有する）。
【００８５】
プロット７０４は、光信号１１２Ｂ’、１３８がπ／６の位相差を有する場合の光信号の結合を示している。この場合、干渉信号１４０の出力は、参照信号１１２Ｂ’及び反射信号１３８の結合入力の約８９％に低下する（すなわち、プロット７００に示された同位相、等しい出力の場合から７％の低下）。
【００８６】
図示された例において、ビーム結合器１２６は２モード干渉（ＴＭＩ）に基づいているが、その他のビーム結合器も、本発明の範囲から逸脱することなくＰＬＣ１１０内で使用可能である。
【００８７】
図８は、例示された実施形態に従う光学コヒーレンス断層撮影を実施するのに適した方法の動作を示す。方法８００は動作８０１で開始し、光源１０２が光信号１１２を提供する。
【００８８】
動作８０２において、光信号１１２は、カプラー１１６においてサンプル信号１１２Ａ及び参照信号１１２Ｂ’に分配される。
【００８９】
動作８０３において、サンプル１３４の目標点１３６がサンプル信号１１２Ａでインタロゲートされる。サンプル１３４は、インタロゲーション導波路１１８の出力ファセットＦＣ−１から、サンプル信号１１２Ａを自由空間光信号として受け取る。典型的には、レンズまたはその他のバルク光学系システムが、インタロゲーション導波路１１８から発せられる自由空間光を捕捉し、サンプル１３４上のスポットに集束するために使用される（図１には示されていない）。
【００９０】
サンプル信号１１２Ａでインタロゲートされると、目標点１３６は、反射光１３８を反射し、これは帰還導波路１２０の入力ファセットＦＣ−２に光学的に結合される。反射信号１３８のスペクトルの内容は、サンプル信号内の波長成分のセット並びに、目標点１３６における表面及び表面下の特徴体に基づいている。好適には、ＦＣ−１及びＦＣ−２は、ＰＬＣ１１０とサンプル１３４との間の光学損失を低減するために、近接して離隔されている。
【００９１】
動作８０４において、帰還導波路１２０は、反射信号１３８をビーム結合器１２６に提供する。
【００９２】
動作８０５において、プロセッサ１０４は、遅延コントローラ１２４を、参照アーム１３２Ｂの所望の長さを確立するように構成する。
【００９３】
動作８０６において、参照導波路１２２−２は、参照信号１１２Ｂ’をビーム結合器１２６に提供する。
【００９４】
動作８０７において、光信号１３８及び１１２Ｂ’は、干渉信号１４０を発生させるためにビーム結合器１２６に結合される。
【００９５】
動作８０８において、光検出器１０６は、干渉信号１４０の強度に基づいて出力信号１４２を提供する。
【００９６】
動作８０９において、プロセッサ１０４は、出力信号１４２に基づいて、目標点１３６における構造の深さ走査画像を推定する。
【００９７】
動作８１０において、プロセッサ１０４は、導波路スイッチ３０６−５を、参照信号１１２Ｂ’の少なくとも一部を光検出器１０８に光信号１４６として提供するように構成する。
【００９８】
動作８１１において、光検出器１０８は、光信号１４６に基づいて分散信号１４４を提供し、それをプロセッサ１０４に提供する。
【００９９】
動作８１２において、プロセッサ１０４は、システム１００内の分散を（典型的には３次多項式手法を介して）決定し、分散信号１４４に基づいて、導波路スイッチ３０６−１から３０６−４の結合比を制御することによって、システム１００について分散補償を提供する。
【０１００】
動作８１３において、プロセッサ１０４は、出力信号１４２に基づいて導波路スイッチ３０６−５の結合比を制御することにより、参照信号１１２Ｂ’の光学出力を制御する。参照信号１１２Ｂ’の出力を制御することによって、システム１００は、出力信号１４２が改善されたＳＮＲを有するようにすることができる。
【０１０１】
前述のように、システム１００は、サンプル１３４における単一の目標点において、軸−深さ走査を生成するように動作することができる（典型的に「Ａ走査」と呼ばれる）。しかし、サンプルの線形領域の断面画像を生成するために、一行の目標点を走査する（「Ｂ走査」）こと、またはいくつかの場合には、目標点の２次元アレイを走査する（「Ｃ走査」）ことが望ましい場合も多い。Ｂ走査及び／またはＣ走査を可能にするために、システム１００及びサンプル１３６の少なくとも１つは、１次元または２次元走査が可能な走査ステージ上に配置されうる。残念ながら、ＯＣＴシステムとサンプルとの間の物理的配置を変更することは、画像が構成される出力信号の潜在的な精度の悪化及び雑音につながりうる。
【０１０２】
本発明のいくつかの実施形態において、固体走査システムがサンプルアーム１３２Ａに組み込まれ、Ｂ走査を生成するための物理的な走査システム１００またはサンプル１３４の必要性を排除する。
【０１０３】
図９は、本発明の代替的な実施形態に従う固体ビームスキャナーの概略図を示す。スキャナー９００は、インタロゲーション導波路１１８と、スキャナー導波路９０４Ａ−１から９０４Ａ−Ｍ及び９０４Ｂ−１から９０４Ｂ−Ｍと、導波路スイッチ９０２Ａ−１から９０２Ａ−Ｍ及び９０２Ｂ−１から９０２Ｂ−Ｍと、出力ポート９０６と、を含む。
【０１０４】
導波路スイッチ９０２Ａ−１から９０２Ａ−Ｍ及び９０２Ｂ−１から９０２Ｂ−Ｍのそれぞれは、前述の導波路スイッチ３０６−ｉに類似している。
【０１０５】
スキャナー導波路９０４Ａ−１から９０４Ａ−Ｍ及び９０４Ｂ−１から９０４Ｂ−Ｍのそれぞれ（まとめてスキャナー導波路９０４と呼ばれる）は、前述の導波路２００に類似している。スキャナー導波路９０４Ａ−１から９０４Ａ−Ｍ及び９０４Ｂ−１から９０４Ｂ−Ｍは、ファセット９０８Ａ−１から９０８Ａ−Ｍ及び９０８Ｂ−１から９０８Ｂ−Ｍをそれぞれ含む。
【０１０６】
出力ポート９０６は、ファセット９０８Ａ−１から９０８Ａ−Ｍ及び９０８Ｂ−１から９０８Ｂ−Ｍとともに、インタロゲーション導波路１１８の出力ファセットＦＣ−１を含む。出力ポート９０６に含まれる出力ファセットは、好適には均一な間隔ｄ２によって離隔されている。図示された例において、Ｍは１００ミクロンに等しく、ｄ２は１０ミクロンに等しく、そのため、出力ポートの１０１個の出力ファセットは、光信号１１２Ａを１ｍｍである全走査長さＬ３にわたって走査可能である。Ｍ、ｄ２及びＬ３のいずれも、本発明の範囲を逸脱することなく、任意の実用的な値を有することができることは注意すべきである。
【０１０７】
出力ポート９０６に沿ってサンプル信号１１２Ａを走査するために、適切なセットの導波路スイッチ９０２が、完全な交差結合を可能にするように作動される。例えば、スキャニング導波路９０４Ａ−Ｍの出力ファセットからサンプル信号を放出するために、導波路スイッチ９０２Ａ−１から９０２Ａ−Ｍの全てが作動される。サンプル信号をスキャニング導波路９０４Ａ−（Ｍ−１）の出力ファセットへ動かすために、導波路スイッチ９０２Ａ−１から９０２Ａ−Ｍ−１の全てが作動されるが、９０２Ａ−Ｍは作動されない。
【０１０８】
各導波路スイッチの作動は、数マイクロ秒の間に行うことが可能であるため、出力ポート９０６の全走査長さＬ３にわたるサンプル信号１１２Ａの走査は、ガルバノメータースキャナーなどの機械的スキャナーよりも顕著に短い時間で行うことができる。
【０１０９】
本開示は、例示的な実施形態のただ１つの例を教示するものであり、本発明の多くの変形例は、本開示を読めば当業者は容易に導き出すことができ、本発明の範囲は添付された特許請求の範囲によって決定されるべきであることは理解されるべきである。
【符号の説明】
【０１１０】
１００  システム
１０２  光源
１０４  プロセッサ
１０６、１０８  光検出器
１１０  ＰＬＣ
１１２  光信号
１１２Ａ  サンプル信号
１１２Ｂ、１１２Ｂ’  参照信号
１１４  基板
１１６  カプラー
１１８  インタロゲーション導波路
１２０  帰還導波路
１２２  参照導波路
１２２−１、１２２−２  参照導波路の一部分
１２４  遅延コントローラ
１２６  ビーム結合器
１２８  出力導波路
１３０  分散制御導波路
１３２Ａ  サンプルアーム
１３２Ｂ  参照アーム
１３４  サンプル
１３６  目標点
１３８  反射信号
１４０  干渉信号
１４２  出力信号
１４４  分散信号
１４６  光信号
２００  導波路
２０２  下部クラッディング
２０４  コア
２０６  上部クラッディング
２０８  光案内材料２０８
３０２−１から３０２−４、３０２Ａ−ｉ  スイッチステージ
３０４−ｉ（ｉ＝１〜４）  導波路スイッチ
３０４Ａ−ｉ（ｉ＝１〜４）、３０４Ｂ−ｉ（ｉ＝１〜４）  導波路の一部分
３０５Ａ−ｉ（ｉ＝１〜４）  導波路スイッチ
３０６、３０６−１から３０６−５  導波路スイッチ
４０２、４０４、４０６  導波路区画
５０２  カプラー
５０２−１、５０２−２  方向性カプラー
５０４  遅延区画
５０６  遅延導波路
５０８  主要導波路
５１０  ヒーター
６０２  スラブ
９００  スキャナー
９０２、９０２Ａ−１から９０２Ａ−Ｍ、９０２Ｂ−１から９０２Ｂ−Ｍ  導波路スイッチ
９０４、９０４Ａ−１から９０４Ａ−Ｍ、９０４Ｂ−１から９０４Ｂ−Ｍ  スキャナー導波路
９０６  出力ポート
９０８Ａ−１から９０８Ａ−Ｍ、９０８Ｂ−１から９０８Ｂ−Ｍ  ファセット
ＦＣ１  出力ファセット
【図１】
2019535022.tif 000009
【図２】
2019535022.tif 000010
【図３】
2019535022.tif 000011
【図４Ａ】
2019535022.tif 000012
【図４Ｂ】
2019535022.tif 000013
【図５Ａ】
2019535022.tif 000014
【図５Ｂ】
2019535022.tif 000015
【図５Ｃ】
2019535022.tif 000016
【図５Ｄ】
2019535022.tif 000017
【図６】
2019535022.tif 000018
【図７Ａ】
2019535022.tif 000019
【図７Ｂ】
2019535022.tif 000020
【図７Ｃ】
2019535022.tif 000021
【図８】
2019535022.tif 000022
【図９】
2019535022.tif 000023
【国際調査報告】
2019535022.tif 000024
2019535022.tif 000025
2019535022.tif 000026