(57)【要約】【課題】モード同期状態で動作するように制御されたレーザ掃引光源を使用する光コヒーレンス分析システムを提供する。【解決手段】レーザ掃引光源を提供する工程と、レーザ掃引光源のモード同期動作を制御し、掃引光信号を生成する工程と、掃引光信号を、参照アームと、試料が位置する試料アームとを有する干渉計に伝送する工程と、試料アームおよび参照アームから戻る前記掃引光信号を組み合わせて、干渉信号を生成する工程と、干渉信号を検出する工程と、検出された干渉信号から前記試料の画像情報を生成する工程とを備え【選択図】図１
2014501393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ掃引光源を提供する工程と、
前記レーザ掃引光源のモード同期動作を制御し、掃引光信号を生成する工程と、
前記掃引光信号を、参照アームと、試料が位置する試料アームとを有する干渉計に伝送する工程と、
前記試料アームおよび前記参照アームから戻る前記掃引光信号を組み合わせて、干渉信号を生成する工程と、
前記干渉信号を検出する工程と、
前記検出された干渉信号から前記試料の画像情報を生成する工程とを備えた、光コヒーレンス画像化方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記レーザ掃引光源の前記モード同期動作を制御する工程は、前記レーザ掃引光源のレーザキャビティ内の光を増幅する光利得素子へのバイアス電流を制御する工程を含む、光コヒーレンス画像化方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、前記バイアス電流を制御する工程は、前記バイアス電流を前記レーザキャビティ内の光の往復移動時間に基づく周波数で変調する工程を含む、光コヒーレンス画像化方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、前記レーザ掃引光源の前記モード同期動作を制御する工程は、前記レーザ掃引光源のレーザキャビティの利得を変調する工程を含む、光コヒーレンス画像化方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、前記レーザキャビティの利得は、前記レーザキャビティ内の光の往復移動時間に基づく周波数で変調される、光コヒーレンス画像化方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、前記レーザ掃引光源の前記モード同期動作を制御する工程は、前記レーザ掃引光源のレーザキャビティ内の光信号の位相を変調する工程を含む、光コヒーレンス画像化方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、前記レーザ掃引光源のモード同期動作を制御する工程は、レーザキャビティを制御して、当該レーザキャビティ内を循環するパルスの数を低減させる工程を含む、光コヒーレンス画像化方法。
【請求項８】
同調帯域にわたり周波数同調される掃引光信号を生成する掃引レーザ光源であって、当該掃引レーザ光源のモード同期動作が制御される、掃引レーザ光源と、
前記掃引光信号を、参照アームと、試料に導く試料アームとの間で分割する干渉計と、
前記参照アームからおよび前記試料アームからの前記掃引光信号から生成される干渉信号を検出する検出器システムとを備えた、光コヒーレンス分析システム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムにおいて、前記掃引レーザ光源は、利得媒質と、前記掃引光信号の周波数を制御する同調素子とを含む、光コヒーレンス分析システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムにおいて、前記掃引レーザ光源の前記モード同期動作が、前記利得媒質へのバイアス電流を変調することによって制御される、光コヒーレンス分析システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムにおいて、前記バイアス電流は、前記キャビティ内の光の往復移動時間に基づく周波数で変調される、光コヒーレンス分析システム。
【請求項１２】
請求項８に記載のシステムにおいて、前記掃引レーザ光源の前記モード同期動作は、前記掃引レーザ光源のレーザキャビティ内の位相変調器によって制御される、光コヒーレンス分析システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムにおいて、前記位相変調器は、前記キャビティ内の光の往復移動時間に基づく周波数で変調される、光コヒーレンス分析システム。
【請求項１４】
請求項８に記載のシステムにおいて、前記掃引レーザ光源の前記モード同期動作は、前記掃引レーザ光源のレーザキャビティの利得を変調することによって制御される、光コヒーレンス分析システム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のシステムにおいて、前記レーザキャビティの前記利得は、前記レーザキャビティ内の光の往復移動時間に基づく周波数で変調される、光コヒーレンス分析システム。
【請求項１６】
請求項８に記載のシステムにおいて、前記掃引レーザ光源のレーザキャビティが制御されて、前記レーザキャビティ内を循環するパルスの数を低減させる、光コヒーレンス分析システム。
【請求項１７】
モード同期掃引レーザ光源であって、
光を増幅するレーザキャビティ内の利得素子と、
前記レーザキャビティ用の可変同調素子と、
前記可変同調素子を同調帯域にわたり掃引して、掃引光信号を生成する同調制御器とを備え、
当該モード同期掃引レーザ光源のモード同期動作が制御される、モード同期掃引レーザ光源。
【請求項１８】
請求項１７に記載の光源において、前記レーザキャビティ内を循環するパルスの数を低減させるように、前記レーザ掃引光源の前記モード同期動作が制御される、モード同期掃引レーザ光源。
【請求項１９】
請求項１７に記載の光源において、前記レーザ掃引光源の前記モード同期動作を制御するように、前記レーザキャビティの利得が変調される、モード同期掃引レーザ光源。
【請求項２０】
請求項１７に記載の光源において、前記レーザ掃引光源の前記モード同期動作を制御するように、前記レーザキャビティの位相光信号が変調される、モード同期掃引レーザ光源。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本願は、2010年12月27日に出願された米国特許出願第12/979,225号の優先権を主張し、その全体を引用して本明細書中にて援用する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、光コヒーレンス分析に関する。
【背景技術】
【０００３】
光コヒーレンス分析は、参照波と実験波との間または実験波の２つの部分の間の干渉現象を用いて、距離および厚さを測定し、試料の屈折率を計算することに依拠する。光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）は、高分解能断層画像化を行うのに使用される技術の一例である。ＯＣＴは、生体組織構造を例えば顕微鏡スケールでリアルタイムに画像化するのに適用されることが多い。光波は、対象物つまり試料から反射し、コンピュータは、この波が反射時にいかに変化したかについての情報を用いて対象物の断層画像を生成する。
【０００４】
フーリエ領域ＯＣＴ（ＦＤ−ＯＣＴ）は、現在、多くの用途に対して最高の性能を提供する。さらに、フーリエ領域技法のうち、波長掃引型ＯＣＴは、スペクトル符号化型ＯＣＴのような技術よりも優れた利点を有する。なぜなら、波長掃引型ＯＣＴは、平衡検出および偏光ダイバーシティ検出の能力を有するからである。波長掃引型ＯＣＴは、スペクトル符号化型ＦＤ−ＯＣＴに典型的には必要とされる安価で高速な検出器アレイが利用できない波長領域における画像化についても利点を有する。
【０００５】
波長掃引型ＯＣＴにおいて、スペクトル成分は、空間分離によって符号化されるのではなく、時間で符号化される。スペクトルは、連続する周波数ステップでフィルタリングされるか、または生成され、フーリエ変換前に再構成される。掃引光源で周波数走査を行うため、光学構成は複雑にならずに済む。その反面、主な性能特性は、光源（特に、その周波数同調速度および周波数同調精度）によって左右されることになる。
【０００６】
ＯＣＴ掃引光源のための高速周波数同調は、生体内画像化に特に適用される。高速な画像化により、動きに誘発されるアーチファクトが低減し、かつ患者の処置の長さが低減する。また、高速周波数同調を使用して分解能を向上できる。
【０００７】
ＯＣＴシステムのための掃引光源は、典型的には可変同調レーザ（波長可変レーザ）である。可変同調レーザの利点は、高スペクトル輝度および比較的簡単な光学設計を含む。可変同調レーザは、共振キャビティ内に位置する半導体光増幅器（ＳＯＡ）のような利得媒質と、回転格子、回転鏡を有する格子、またはファブリ・ペロ可変同調フィルタなどの可変同調素子とから構成される。現在、同調速度の最も高いレーザのいくつかは、D.Flanders、M.Kuznetsov、およびW.Atiaによる、Laser with Tilted Multi Spatial Mode Resonator Tuning Elementと題する米国特許第7,415,049B1号（特許文献１）に記載のレーザ設計に基づく。微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ファブリ・ペロ可変同調フィルタの使用は、広スペクトル走査帯域に対する能力を、高速同調に対する能力を有する、低質量で高機械的共振周波数の偏向可能ＭＥＭＳ膜に組み合わせる。
【０００８】
しかし、レーザ設計におけるあるトレードオフが、ＯＣＴシステムにとって問題となり得る。一般に、短いレーザキャビティは、高い電位同調速度になる。なぜなら、レーザ発振は、レーザが同調されると自然放出から新たに確立しなければならないからである。したがって、この確立が短時間で生じるように、レーザキャビティにおける光の往復移動時間を小さく維持すべきである。しかし、レーザキャビティが短くなると、レーザの縦キャビティモードのスペクトル間隔において問題が生じる。すなわち、光はキャビティ内で発振しなければならないため、レーザは、キャビティモード間隔の整数倍でのみ光を生成できる。キャビティが短くなると、より少なく、かつより間隔の広いモードとなる。このため、レーザがこれら離散したキャビティモードの間で同調されると大きなモードホッピングノイズが生じる。そこで、ＯＣＴレーザを設計する際には、典型的には低ノイズと高速のいずれかの選択が必要となる。
【０００９】
あるレーザ設計がこの短所に対応しようとしている。フーリエ領域モード同期レーザ（ＦＤＭＬ）は、レーザの同調素子と同期して、増幅および再循環のための長さの長いファイバ内に光を格納する。非特許文献１（“Fourier Domain Mode Locking（FDML）:A new laser operating regime AND applications for optical coherence tomography”、R.Huber、M.Wojtkowski、およびJ.G.Fujimoto著、2006年4月17日、OPTICS EXPRESS 3225、第14巻、8号）を参照のこと。しかし、これらのデバイスの短所は、その複雑性である。さらに、長い格納ファイバを有する環状キャビティは、分散性や安定性などのそれ自体の性能問題を引き起こす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第７４１５０４９号明細書
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】「Fourier Domain Mode Locking（FDML）:A new laser operating regime AND applications for optical coherence tomography」、R.Huber、M.Wojtkowski、およびJ.G.Fujimoto著、2006年4月17日、OPTICS EXPRESS 3225、第14巻、8号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
可変同調レーザを用いた研究では、可変同調レーザを高掃引速度で動作させると、可変同調レーザがモード同期の形態で動作する傾向にあることを示してきた。高掃引速度においては、従来のモード同期レーザにおいて見られるように、１個以上のパルスがレーザキャビティ内を進行する。パルス繰返し率は、レーザキャビティ往復時間または典型的には小さな倍数、例えば２〜１０倍に近い。このモード同期は、レーザの周波数同調から生じるので、掃引モード同期と呼ばれる。このモード同期の形態は、レーザの高速同調を実際に促進する効果を有し得る。４波混合効果は、レーザキャビティ内の波を赤方偏移させる。これにより、より低い光周波数への同調が促進される。A.Bilenca、S.H.Yun,G.J.Tearney、およびB.E.Bouma著、“Numerical study of wavelength-swept semiconductor ring lasers:the role of refractive-index nonlinearities in semiconductor optical amplifiers and implications for biomedical imaging applications”、OPTICS LETTERS、第31巻、6号、2006年3月15日を参照のこと。
【００１３】
しかし、より高い光周波数に同調する際に問題が生じる。レーザキャビティは、同調の処理中に変化し、そのため掃引モード同期を引き起こす特性もまた変化するので、別の問題が生じる。この特性の変化の結果、レーザは、可変同調レーザの単一周波数走査中に他の掃引モード同期の形態に切り替わることがある。例えば、掃引中に、キャビティ内を循環するパルスの数が変化することがある。その結果、レーザは、異なる形態の間を遷移する際に無秩序かつ予測不能に挙動することがあり、可変同調レーザが動作するＯＣＴシステムにこの可変同調レーザが関連する際には、異なる形態が異なる性能特性を生じさせることがある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、掃引可変同調レーザ光源に関する。掃引可変同調レーザ光源は、掃引動作中に、安定モード同期の形態で動作するように制限される。例示の実施形態では、これは、キャビティ利得および／もしくはキャビティ内素子を能動的に変調することによって、または走査中の安定動作を促進するであろう能動もしくは受動の素子を含むことによって達成される。これは、レーザの放射特性を安定化する効果を有し、キャビティ内を循環するパルスの数が不確定であることまたはその急な切替わりによるノイズのある乱れを回避する。代わりに、モード同期システムは、レーザのキャビティの例えば利得を、キャビティ往復周波数の高調波で変調することによって、レーザの脈動挙動を安定化する。以下に記載の他の実施形態において、安定化は、キャビティ内位相変調器またはキャビティ内の損失性素子を変調することによって達成される。さらに他の実施形態において、安定化は、例えばキャビティ内可飽和吸収器を用いて促進される。その結果、いくつかの場合において、安定モード同期の形態における動作は、より低い光周波数への同調のみでなく、より高い光周波数への高速同調も促進し、これにより安定かつスムーズな上方および下方の同調を可能にする。
【００１５】
より具体的には、有用なモード同期方法は、電流注入または同期したポンピングによる能動利得変調、能動損失変調、能動位相変調および受動モード同期を含む。能動位相変調は、短から長へおよび長から短への同調方向の両方を可能にする。ゲート制御されたモード同期を使用して、レーザが自然に１よりも多いパルスを放射する場合には、１往復当たり１パルスを選択できる。
【００１６】
一般に、本発明の一構成では、光コヒーレンス画像化方法を特徴とする。この方法は、レーザ掃引光源を提供する工程と、レーザ掃引光源のモード同期動作を制御し、掃引光信号を生成する工程と、前記掃引光信号を参照アームおよび試料が位置する試料アームを有する干渉計に伝送する工程と、前記試料アームおよび前記参照アームから戻る前記掃引光信号を組み合わせて干渉信号を生成する工程と、前記干渉信号を検出する工程と、前記検出された干渉信号から前記試料の画像情報を生成する工程とを含む。
【００１７】
一実施形態において、前記レーザ掃引光源のモード同期動作は、前記レーザ掃引光源のレーザキャビティ内の光を増幅する光利得素子へのバイアス電流を制御することによって制御される。前記バイアス電流は、好ましくは前記レーザキャビティ内の光の往復移動時間に基づく周波数で変調される。
【００１８】
より一般には、多くの実施形態において、前記レーザ掃引光源のモード同期動作は、前記レーザ掃引光源のレーザキャビティの利得を変調することによって制御される。
【００１９】
他の実施形態において、前記レーザ掃引光源のモード同期動作を制御する工程は、前記レーザキャビティ内の光信号の位相を変調する工程を含む。
【００２０】
いくつかの実施形態において、ゲート制御されたモード同期が実装され、前記レーザキャビティ内を循環するパルスの数が低減される。
【００２１】
一般に、本発明の別の構成では、同調帯域にわたり周波数同調される掃引光信号を生成する掃引レーザ光源であって、当該掃引レーザ光源のモード同期動作が制御される掃引レーザ光源と、前記掃引光信号を、参照アームと試料に導く試料アームとの間で分割する干渉計と、前記参照アームからと前記試料アームとからの前記掃引光信号から生成される干渉信号を検出する検出器システムとを備えた光コヒーレンス分析システムを特徴とする。
【００２２】
いくつかの実施形態において、前記モード同期動作は、位相変調器によっておよび／または前記レーザキャビティの利得を変調することによって、制御される。前記変調は、好ましくは前記キャビティ内の光の往復移動時間に基づく。
【００２３】
一般に、本発明の別の構成では、光を増幅するレーザキャビティ内の利得素子と、前記レーザキャビティの可変同調素子と、可変同調素子を同調帯域にわたり掃引して、掃引光信号を生成する同調制御器とを備えたモード同期掃引レーザ光源を特徴とする。本発明によれば、掃引レーザ光源のモード同期動作が制御される。
【００２４】
他の実施例において、前記モード同期システムは、前記キャビティ内の位相変調器もしくは損失変調器または同期した光学ポンピングによる利得変調を含む。他のシステムは、可飽和吸収器を前記キャビティに付加し、受動モード同期方法を使用して掃引モード同期を安定化する。
【００２５】
部分の構築および組合せの種々の新規な詳細を含む本発明の上記および他の特徴、ならびに他の利点は、添付の図面を参照してここでより詳細に説明され、特許請求の範囲において指摘される。本発明を実施する特定の方法およびデバイスが例示によって示されるが、それらが本発明を限定しないことが理解されるであろう。本発明の原理および特徴は、本発明の範囲を逸脱せずに種々および多くの実施形態において採用されてよい。
【００２６】
添付の図面において、参照符号は、異なる図にわたり同じまたは同様の部分を示す。図面は、必ずしも同一の縮尺ではなく、本発明の原理を例示することに重点をおいている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる光コヒーレンス分析のためのモード同期レーザ掃引光源の平面縮尺図である。
【図２】モード同期システムの変調信号（例えば、ＳＯＡバイアス電流）、レーザキャビティ内を循環するレーザパルス、半導体利得媒質（ＳＯＡ）の利得、および利得媒質の屈折率のそれぞれ時間関数としてのグラフである。
【図３】マイクロ秒単位の共通時間尺度における実験データの５つのグラフであって、メガヘルツ単位のクロック周波数、パーセント単位のクロックジッタ、任意単位のレーザパワー出力、相対強度ノイズ（ＲＩＮ）（ｄＢｃ／Ｈｚ）、およびレーザの瞬間パワー出力の周波数成分対時間を示す分光写真を含み、同調帯域にわたる走査中に掃引モード同期を示すが、安定しない可変同調レーザ光源を例示するグラフである。
【図４】マイクロ秒単位の共通時間尺度における実験データの５つのグラフであって、メガヘルツ単位のクロック周波数、パーセント単位のクロックジッタ、任意単位のレーザパワー出力、相対強度ノイズ（ＲＩＮ）（ｄＢｃ／Ｈｚ）、およびレーザの瞬間パワー出力の周波数成分対時間を示す分光写真を含み、安定化が加えられる場合の可変同調レーザ光源の性能の向上を例示するグラフである。
【図５Ａ】ピコ秒単位の共通時間尺度におけるコンピュータシミュレーションからの４つのグラフであって、ＳＯＡ４１０およびファブリ・ペロ可変同調フィルタ４１２から出射する光の光パワー、ギガヘルツ（ＧＨｚ）単位のパルスの瞬間光周波数変化、ＳＯＡ４１０からの利得、およびＳＯＡ４１０へのバイアス電流を含むグラムである。
【図５Ｂ】ミリメートル単位の深さの関数としてのテスト干渉計からの正規化干渉縞振幅のグラフであって、同調帯域にわたる走査中に掃引モード同期を示すが、安定しない可変同調レーザ光源を例示するグラフである。
【図６Ａ】ピコ秒単位の共通時間尺度におけるコンピュータシミュレーションからの４つのグラフであって、ＳＯＡ４１０およびファブリ・ペロ可変同調フィルタ４１２から出射する光の光パワー、ギガヘルツ（ＧＨｚ）単位の瞬間光周波数変化、ＳＯＡ４１０からの利得、およびＳＯＡ４１０へのバイアス電流を含むグラフである。
【図６Ｂ】ミリメートル単位の深さの関数としてのテスト干渉計からの正規化干渉縞振幅のグラフであって、同調帯域にわたる走査中の掃引モード同期が安定化された可変同調レーザの性能を例示するグラフである。ここで、方形波ＳＯＡバイアス電流を印加することによって１パルスのみがレーザキャビティ内で循環可能となり、それにより能動ゲート掃引モード同期が実施される。
【図７Ａ】ピコ秒単位の共通時間尺度におけるコンピュータシミュレーションからの４つのグラフであって、ＳＯＡ４１０およびファブリ・ペロ可変同調フィルタ４１２から出射する光の光パワー、ギガヘルツ（ＧＨｚ）単位の瞬間光周波数変化、ＳＯＡ４１０からの利得、およびＳＯＡ４１０へのバイアス電流を含むグラフである。
【図７Ｂ】ミリメートル単位の深さの関数としてのテスト干渉計からの正規化干渉縞振幅のグラフであって、同調帯域にわたる走査中の掃引モード同期が安定化された可変同調の性能を例示するグラフである。ここで正弦波ＳＯＡバイアス電流を印加することによって１パルスのみがレーザキャビティ内で循環可能となる。
【図８】位相変調を使用する本発明の第２の実施形態にかかる光コヒーレンス分析のための線状キャビティ能動モード同期レーザ掃引光源の模式図である。
【図９】光コヒーレンス分析のための位相変調環状キャビティモード同期レーザ掃引光源の模式図である。
【図１０】光コヒーレンス分析のため位相変調環状キャビティモード同期ファイバレーザ掃引光源の模式図である。
【図１１】ピコ秒単位の共通時間尺度におけるコンピュータシミュレーションからの４つのグラフであって、ＳＯＡ／利得素子４１０およびファブリ・ペロ可変同調フィルタ４１２から出射する光の光パワー、フィルタおよびＳＯＡにおけるギガヘルツ（ＧＨｚ）単位のパルスの瞬間光周波数変化、ＳＯＡ４１０からの利得、および−２ＧＨｚ／ｎｓの掃引速度で同調する際に位相変調器が適用するラジアン単位の位相シフトを含むグラフである。
【図１２】ピコ秒単位の共通時間尺度におけるコンピュータシミュレーションからの４つのグラフであって、ＳＯＡ／利得素子４１０およびファブリ・ペロ可変同調フィルタ４１２から出射する光の光パワー、フィルタおよびＳＯＡにおけるギガヘルツ（ＧＨｚ）単位のパルスの瞬間光周波数変化、ＳＯＡ４１０からの利得、および＋２ＧＨｚ／ｎｓの掃引速度で同調する際に位相変調器が適用するラジアン単位の位相シフトを含むグラフである。
【図１３】本発明の別の実施形態にかかる光コヒーレンス分析のための損失変調線状キャビティモード同期レーザ掃引光源の模式図である。
【図１４】ピコ秒単位の共通時間尺度におけるコンピュータシミュレーションからの４つのグラフであって、ＳＯＡ／利得素子４１０およびファブリ・ペロ可変同調フィルタ４１２から出射する光の光パワー、フィルタおよびＳＯＡにおけるギガヘルツ（ＧＨｚ）単位のパルスの瞬間光周波数変化、ＳＯＡ４１０からの利得、および損失変調器１３１０が適用する損失（この場合は非変調）を含むグラフである。
【図１５】ピコ秒単位の共通時間尺度におけるコンピュータシミュレーションからの４つのグラフであって、ＳＯＡ／利得素子４１０およびファブリ・ペロ可変同調フィルタ４１２から出射する光の光パワー、フィルタおよびＳＯＡにおけるギガヘルツ（ＧＨｚ）単位のパルスの瞬間光周波数変化、ＳＯＡ４１０からの利得、および損失変調器１３１０が適用する変調損失を含むグラムである。
【図１６】同期ポンピングを利用してモード同期動作を制御する光コヒーレンス分析のための線状キャビティモード同期レーザ掃引光源を示す模式図である。
【図１７】同期ポンピングを利用してモード同期動作を制御するハイブリッド自由空間レーザキャビティを使用する関連の実施形態を示す模式図である。
【図１８】可飽和吸収ミラーを使用してモード同期動作を制御する光コヒーレンス分析のための環状キャビティモード同期レーザ掃引光源を示す模式図である。
【図１９】可飽和吸収ミラーを使用してモード同期動作を制御する光コヒーレンス分析のための線状キャビティモード同期レーザ掃引光源を示す模式図である。
【図２０】透過性の可飽和吸収ミラーを使用してモード同期動作を制御する光コヒーレンス分析のための線状キャビティモード同期レーザ掃引光源を示す模式図である。
【図２１】本発明の一実施形態にかかるモード同期レーザ掃引光源を含むＯＣＴシステムの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、本発明の原理にしたがって構成された、光コヒーレンス分析のためのモード同期レーザ掃引光源１００を示す。この実施形態は、キャビティ内の利得素子へのバイアス電流を変調することによりモード同期動作を制御または安定化する。
【００２９】
本実施形態において、レーザ掃引光源１００は、好ましくは、援用される米国特許第7,415,049B1号に一般に記載されるようなレーザである。レーザ掃引光源１００は、利得素子４１０および周波数同調素子４１２を有する線状キャビティを含む。図示の例において、周波数同調素子は、ファブリ・ペロフィルタであり、例示の実施例ではキャビティの一端を画定する。
【００３０】
他の実施形態において、環状キャビティのような他のキャビティ構成が使用されてもよい。さらに、格子や薄膜フィルタなどの他のキャビティ同調素子が使用されてもよい。これら同調素子も、角度が切り離された（angle isolated）ファブリ・ペロ可変同調フィルタまたは格子などのキャビティ内に完全に配置されてもよい。
【００３１】
現在、ファブリ・ペロフィルタ４１２の通過帯域は、１〜１０ＧＨｚである。
【００３２】
本実施形態に関してより詳細には、可変同調レーザ１００は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）の傾斜反射型ファブリ・ペロ可変同調フィルタ（傾斜が付けられた反射型ファブリ・ペロ可変同調フィルタ）４１２と対になった半導体利得チップ４１０を含む。ファブリ・ペロ可変同調フィルタ４１２は、レーザキャビティの一端を定める。キャビティは、ファイバピグテール４０６の端部に位置する第２の出力反射器４０５にまで延伸する。ファイバピグテール４０６は、ベンチに結合され、またキャビティの一部を形成する。
【００３３】
現在、キャビティの長さは、少なくとも４０ミリメートル（ｍｍ）であり、好ましくは５０〜８０ｍｍよりも長い。これにより、モードホッピングノイズを低減する狭い縦モード間隔が確保される。
【００３４】
他の実施形態においては、短いキャビティが使用される。いくつかの実施形態においては、短いコヒーレンス長のみを必要とする極めて高速な用途に対して、広い通過帯域同調素子（フィルタ）４１２を有する極めて短いキャビティが使用される。これらの例のいくつかにおいて、ファブリ・ペロフィルタ４１２の通過帯域は、２０〜４０ＧＨｚまたはそれより広い。
【００３５】
しかし、これらの実施形態のいずれにおけるキャビティ長も、ＦＤＭＬレーザと比べるとかなり短い。ＦＤＭＬレーザにおけるキャビティ長は、キロメートル範囲にある傾向がある。対照的に、本レーザの実施形態のほとんどすべては、１メートル長未満のキャビティを有する。
【００３６】
出力反射器４０５を通過する可変同調光信号つまり掃引光信号は、光ファイバ３２０または自由空間を介してＯＣＴシステムの干渉計５０に伝送される。
【００３７】
半導体光増幅器（ＳＯＡ）チップ利得素子４１０は、レーザキャビティ内に位置する。本実施形態において、ＳＯＡチップ４１０の入力ファセットおよび出力ファセットは、傾斜付けられ、かつ反射防止（ＡＲ）コーティングされており、これら２つのファセットから平行ビームを提供する。好適な実施形態において、ＳＯＡチップ４１０は、サブマウント４５０を介して共通ベンチＢに接着または取付けられる。
【００３８】
チップ４１０の材料系は、所望のスペクトル動作範囲に基づいて選択される。一般的な材料系は、ＩＩＩ−Ｖ半導体材料に基づく。ＩＩＩ−Ｖ半導体材料は、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓなどの２成分材料、ならびにＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、およびＩｎＧａＡｓＳｂなどの３成分、４成分、および５成分の合金を含む。総じて、これら材料系は、約４００ナノメートル（ｎｍ）〜２０００ｎｍの動作波長に対応し、その動作波長は、数マイクロメートル波長までにおよぶ長い波長範囲を含む。典型的には半導体の量子井戸および量子ドットの利得領域を使用して、特に広い利得およびスペクトル放射帯域幅を得る。現在、エッジ発光チップが使用されるが、異なる実施例において垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）チップが使用されてもよい。
【００３９】
半導体チップ利得媒質４１０を使用することは、システム一体化の点で有利である。なぜなら、半導体チップをサブマウントに接着でき、次いでサブマウントはベンチＢに直接に接着されるからである。しかし、他の実施例においては他の可能な利得媒質を使用してもよい。その例として、希土類（例えば、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｔｍ）を添加されたバルクガラス、導波路または光ファイバなどの固体利得媒質が挙げられる。
【００４０】
ＳＯＡ４１０の各ファセットは、ＳＯＡ４１０の一方のファセットから出射する光を結合するために使用される連結レンズ構造体４１４、４１６を有する。第１のレンズ構造体４１４は、ＳＯＡ４１０の後部ファセットと反射型ファブリ・ペロ可変同調フィルタ４１２との間で光を結合する。ＳＯＡ４１０の出力ファセットつまり前部ファセットを出射する光は、第２のレンズ構造体４１６によってピグテール４０６のファイバ端部ファセットに結合される。
【００４１】
各レンズ構造は、設置後位置合せを可能にする変形可能なＬＩＧＡマウント構造Ｍと、レンズが上に形成される透過型基板Ｓとを有する。透過型基板Ｓは、典型的にはマウント構造Ｍにはんだ接着または熱圧着される。そして、マウント構造Ｍは、光ベンチＢにはんだ接着される。
【００４２】
ピグテール４０６のファイバファセットはまた、好ましくは、ファイバマウント構造Ｆを介してベンチＢに装着される。ファイバ４０６は、ファイバマウント構造Ｆにはんだ接着される。同様に、ファイバマウント構造Ｆは、通常ベンチＢにはんだ接着される。
【００４３】
傾斜反射型ファブリ・ペロフィルタ４１２は、角度依存反射型スペクトル応答をレーザキャビティに戻すマルチ空間モード可変同調フィルタである。この特徴は、援用される米国特許第7,415,049B1号において詳細に記載される。
【００４４】
好ましくは、可変同調フィルタ４１２は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を使用して作製され、ベンチＢに直接はんだ接着などで取付けられるファブリ・ペロ可変同調フィルタである。現在、フィルタ４１２は、本明細書中にて参照により援用される米国特許第6,608,711号または米国特許第6,373,632号に記載の通り製造される。曲面−平面共振器構造が使用される。この構造では、略平坦な鏡および対向する曲面鏡がフィルタ光キャビティを画定する。曲面−平面共振器構造の光路長は、それら鏡の少なくとも１つの静電偏向によって変調される。
【００４５】
可変同調フィルタ４１２を透過する光はいずれもビーム減衰部（ビームダンプ）４５２に向けられる。このビーム減衰部４５２は、光を吸収し、密閉パッケージ５００内での寄生反射を防止する。他の例において、透過光は、本明細書中に参照により全体が援用される米国特許出願公開第2009/0290167A1号に記載されるようなｋ−クロックサブシステムに与えられる。
【００４６】
モード同期レーザ掃引光源１００および以下に記載の他の実施形態は、一般に、１キロヘルツ（ｋＨｚ）よりも大きい速度で走査帯域にわたって走査する同調光信号を生成する高速同調を意図する。本実施形態において、モード同期レーザ掃引光源１００は、５０または１００ｋＨｚよりも大きい速度で同調する。極めて高速な実施形態において、モード同期レーザ掃引光源１００は、２００または５００ｋＨｚよりも大きい速度で同調する。
【００４７】
同調制御器１２５は、同調帯域にわたり通過帯域光周波数を掃引するファブリ・ペロフィルタ４１２に同調電圧の関数を与える。好ましくは、光周波数は時間とともに線形に変化する。典型的には、同調帯域の幅は、１０ｎｍよりも大きい。本実施形態において、同調帯域の幅は、好ましくは５０〜１５０ｎｍであるが、いくつかの例においてはさらに広い同調帯域が考えられる。
【００４８】
同調制御器１２５によって与えられる同調速度はまた、単位時間当たりの波長で表現される。一例において、同調帯域もしくは同調範囲、または走査帯域が約１１０ｎｍで、走査速度が１００ｋＨｚの場合、実質的に線形の上方同調についてデューティサイクルが６０％とすると、ピーク掃引速度は、１１０ｎｍ×１００ｋＨｚ／０．６０＝１８，３００ｎｍ／ｍｓｅｃ＝１８．３ｎｍ／μｓｅｃ以上であろう。別の例において、同調範囲が約９０ｎｍで走査速度が５０ｋＨｚである場合、実質的に線形の上方同調についてデューティサイクルが５０％とすると、ピーク掃引速度は、９０ｎｍ×５０ｋＨｚ／０．５０＝９，０００ｎｍ／ｍｓｅｃ＝９．０ｎｍ／μｓｅｃ以上である。同調範囲が約３０ｎｍで走査速度が２ｋＨｚである走査帯域がより小さい例において、実質的に線形の同調についてデューティサイクルが８０％とすると、ピーク掃引速度は、３０ｎｍ×２ｋＨｚ／０．８０＝７５ｎｍ／ｍｓｅｃ＝０．０７５ｎｍ／μｓｅｃ以上であろう。
【００４９】
このように、走査速度の点で、本明細書中に記載の好適な実施形態において、掃引速度は、０．０５ｎｍ／μｓｅｃよりも大きく、好ましくは５ｎｍ／μｓｅｃよりも大きい。さらに高速度の用途においては、走査速度は１０ｎｍ／μｓｅｃよりも大きい。
【００５０】
一実装例において、延長素子４１５がレーザキャビティに付加される。延長素子４１５は、溶融シリカ、シリコン、ＧａＰまたは理想的には約１．５以上の屈折率を有する他の透過型材料などの、透明で、好ましくは高屈折率の材料から作製される。ここで、シリコンまたはＧａＰが好適である。延長素子４１５の両端面は、反射防止コーティングされる。さらに素子４１５は、好ましくはキャビティの光軸に対して１〜１０度傾斜し、両端面からのいかなる反射もレーザビーム光軸に入射しないようにする。
【００５１】
延長素子４１５を使用して、レーザキャビティ内スプリアス反射器間の光路長を変化させて、画像におけるスプリアスピークの深さ位置を変化させるため、素子間の物理的距離を変化させる必要はない。
【００５２】
ベンチＢは、マイクロ光ベンチと呼ばれ、好ましくは幅１０ミリメートル（ｍｍ）未満で、長さ約２５ｍｍ以下である。このようなサイズであるため、ベンチは、標準または標準に近いサイズの蝶形またはＤＩＰ（デュアルインラインピン）密閉パッケージ５００内に設置できる。一実装例において、ベンチＢは、窒化アルミニウムから作製される。熱電冷却器５０２が、ベンチＢとパッケージ５００との間に配置され（ベンチの背面およびパッケージの内側底面パネルの両方に取付け／はんだ接着され）、ベンチＢの温度を制御する。ベンチ温度は、ベンチＢ上に設置されたサーミスタ４５４で検出される。
【００５３】
例示の実施形態のモード同期システムは、バイアス電流変調システム４５５を含む。より詳細には、レーザバイアス電流源４５６は、ＳＯＡ４１０に供給されるバイアス電流のための直流電流を供給する。この電流は、インダクタ４５８を通る。無線周波数発生器４６０は、キャビティ往復周波数の高調波周波数を有する電気信号を生成する。この周波数は、光がレーザ１００のキャビティ内を往復するのに必要な時間に相当する。例示のレーザにおいて、この時間は、光がキャビティの一端にある可変同調フィルタ４１２からピグテール４０６の端部にある出力反射器４０５に伝播するのに必要な時間の２倍に相当する。
【００５４】
ＲＦ発生器からの信号は、キャパシタ４６２を介して供給され、キャパシタ４６２は、インダクタ４５８との組み合わせにより変調バイアス電流４９０を生成する。変調バイアス電流４９０は、パッケージインピーダンス整合ストリップライン４６４およびベンチ装着インピーダンス整合ストリップライン４６６を介してＳＯＡ４１０に伝達される。
【００５５】
ＦＤＭＬと本明細書に記載の掃引モード同期レーザとの１つの違いは、いかにモード同期が行われるかである。ＦＤＭＬについて、可変同調フィルタ掃引速度によって与えられるレーザ波長周期的掃引速度は、レーザキャビティ往復速度またはその倍数に等しく、例えば２〜１０倍である。１００ｋＨｚの典型的な掃引速度について、これはキロメートル以上の長さの光レーザキャビティを必要とする。対照的に、これらかなり短いキャビティＯＣＴ掃引モード同期レーザに対して、例えば２０〜１００ｋＨｚのレーザ周期的波長掃引速度は、これも可変同調フィルタ掃引速度よって与えられるが、例えば１〜３ＧＨｚ範囲のレーザキャビティ往復速度よりも数桁小さい。ここで、波長掃引速度は、レーザキャビティ往復速度よりも極めて小さく、数桁小さい。ＦＤＭＬの場合のレーザ周期的波長掃引速度とレーザキャビティ往復速度とは、等しいか、または一方が他方の倍数（ただし、数倍）である。
【００５６】
図２は、モード同期レーザ掃引光源１００の動作、および低光周波数への同調を促進する４波混合処理を示す。この図の目的は、４波混合処理における赤方偏移メカニズムを物理学的に説明することである。
【００５７】
より詳細には、変調バイアスは、レーザキャビティの利得を変調するためにＳＯＡ４１０に伝達される。図示の例において、バイアス電流は、一実装例では一般に正弦波である。バイアス電流の周波数は、レーザ１００のキャビティ内における光の往復移動時間、またはその往復移動時間の高調波に同調される。このバイアス電流変調は、レーザ１０２をモード同期された形態で動作するように制限し、レーザのキャビティ内を循環するパルス（典型的には１つ以上のパルス）４９２の数を制御する。光パルス４９２が半導体ダイオード利得媒質を通過する時、光パルス４９２は利得４９４を消耗し、利得はパルス間の電流注入によって回復する。利得変調は、屈折率４９６の実部における変調を伴う。パワー利得（ｇ）（（１／長さ）の単位）は、線幅増大係数αを介して屈折率（ｎ）に関連づけられる。
【００５８】
【数１】
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【００５９】
チップの光路長は、パルスの通過中に増加し、パルスをドップラーシフトと同様の処理で赤方偏移させる。
【００６０】
αはほとんどの半導体レーザに対して正であるので、１往復当たりの光周波数シフトは負である。波長が赤方偏移されて、光周波数４９８の低減が生じる。
【００６１】
モード同期システムは、可変同調レーザ１００をモード同期状態で動作するように制限する変調バイアス電流信号４９０を生成する。具体的には、キャビティの利得は、レーザ１００のキャビティ内を進行するモード同期レーザパルス４９２に同期して変調される。これにより、カオス的な脈動を防止し、クロックジッタおよび相対強度ノイズ（ＲＩＮ）を除去する。
【００６２】
他の実施形態において、モード同期システムは、キャビティの往復に同期した、より複雑な波形（非正弦波）を用いて駆動される。これにより、いくつかのパルスを赤方偏移し、他のパルスを青方偏移させて、パルスの青方および赤方の偏移の両方が同調方向を変化させるか、または同調速度を低減させることができ、総同調速度が低減される。
【００６３】
図３は、ＳＯＡ電流の能動変調がない場合の掃引光信号のｋ−クロック周波数およびクロックジッタのプロットを含む。ｋ−クロックは、同調性能不良を示唆する高レベルジッタを示す。さらに、可変同調レーザからの掃引光信号のパワー出力は、走査にわたって極めて不安定である。ＲＩＮもまた高い。分光写真は、約２６００および１３００ＭＨｚにおいて掃引光信号中にパルスが存在することを示す。エネルギー分布は、レーザの同調帯域を通る走査過程にわたり変化するように見える。
【００６４】
図４は、レーザが２６００ＭＨｚ変調をＳＯＡバイアス電流に適用することによって能動的にモード同期すること以外は図３と同一のプロットを示す。ここで、ｋ−クロック周波数およびクロックジッタは、掃引光信号に対して低減したジッタを呈する。さらに、パワーは、帯域にわたる同調中はより一貫しており、ＲＩＮはより低い。さらに、掃引光信号の分光写真を参照すると、１３００ＭＨｚにおいて脈動がなく、２６００ＭＨｚのみにおいて脈動がある。このことは、２つのパルスがキャビティ内を循環しながらレーザは安定して動作することを示唆する。
【００６５】
図５Ａおよび５Ｂは、コンピュータシミュレーションの結果である。図５Ａおよび５Ｂは、利得変調なしに掃引モード同期を呈する可変同調レーザを示す。この場合、レーザは、キャビティの１往復当たり２つのパルスで動作する。
【００６６】
図５Ｂの相関プロットは、掃引光源コヒーレンス長測定のコンピュータシミュレーションで、１つはＳＯＡ４１０を出射する光についてのプロット、１つは可変同調フィルタ４１２を出射する光についてのプロットであり、極端な経路差まで行われたものである。通常のコヒーレンス長測定は、ほぼゼロの経路差で行われる（２）。１２０ｍｍにおいて（３）、パルスは、近傍のパルスと干渉している。２４０ｍｍにおいて（４）、パルスは、キャビティ１往復分離れたパルスと、２パルス離れて干渉している。
【００６７】
これらの２次コヒーレンス（３）（４）は、実際のＯＣＴシステムにおいて問題となることがあり、キャビティ長またはその何分の１か（１往復当たりのパルスの数に依存する）にほぼ一致する長さにおける小さい迷走反射がＯＣＴ画像においてアーチファクトを生成する可能性がある。これらをなるべく排除するのが有用である。図６Ａおよび６Ｂは、別のコンピュータシミュレーションの結果である。図６Ａおよび６Ｂは、掃引モード同期が安定化された可変同調レーザを示す。この場合、レーザは、キャビティの１往復当たり１パルスのみで動作をするように制限され、ゲート掃引モード同期と呼ばれる。
【００６８】
いくつかの例では、ゲートモード同期を使用して、実際のＯＣＴシステムにおいて画像アーチファクトを生じさせうる「コヒーレンス繰返し」間の間隔を増大させる。
【００６９】
レーザ１００からの掃引光信号は、パルス間隔での繰返しコヒーレンスピークを有する。レーザが正常時に調波的にモード同期される場合、パルス間隔は、ゲートモード同期によって増加する。この場合、利得は、高調波よりもむしろキャビティの往復時間で、またはその典型的なパルス間隔よりも低い高調波で変調される。
【００７０】
「ゲート制御された」モード同期は、キャビティの往復時間と同期する方形ポンプパルスバイアス電流（例えば、図１の符号４９０を参照）をＳＯＡ４１０に印加することによって達成される。ゲート制御されたモード同期により、レーザ１００は、１往復当たり２パルスではなく、１往復当たり１パルスのみで動作するように制限される。この場合、２次コヒーレンスピークは２４０ｍｍ（２）にあり、１２０ｍｍにはない。
【００７１】
図７Ａおよび７Ｂは、別のコンピュータシミュレーションの同様の結果を示す。図７Ａおよび７Ｂは、掃引モード同期が安定化された可変同調レーザを示す。この場合も、レーザは、１キャビティ往復当たり１パルスだけで動作するように制限される。
【００７２】
「ゲート制御された」モード同期は、キャビティの往復時間と同期する正弦波バイアス電流４９０をＳＯＡ４１０に印加することによって生じ、それによりレーザキャビティの利得となる。ゲート制御されたモード同期により、レーザ１００は、もはや１往復当たり２パルスではなく、１往復当たり１パルスのみで動作するように制限される。この場合、２次コヒーレンスピークは、２４０ｍｍのみにある。
【００７３】
図８は、レーザの挙動を制御して安定させるために、線状キャビティレーザ掃引光源構成におけるキャビティ内位相変調器として能動モード同期システムが実現される第２の実施形態を例示する。能動位相変調は、低い光周波数への同調だけでなく、高い光周波数への高速同調を促進し、それにより安定かつ滑らかな上方および下方の同調を可能にする。
【００７４】
より詳細には、位相変調器４７０は、好ましくはキャビティの一端に向けて、キャビティに付加され、レーザのモード同期動作を制御する。一実施形態において、位相変調器は、ＳＯＡ４１０とレンズ構造体４１６との間のベンチＢ上に設置される。好適な実施形態において、位相変調器は、ＳＯＡチップ４１０および、具体的には、別個の変調バイアス電流または電圧が供給される位相変調部と一体化され、それにより２部分ＳＯＡ（利得、位相）をもたらす半導体チップである。一体化位相変調器は、一般に電流注入によって順方向にバイアスされるように機能するが、逆方向バイアスタイプも存在する。
【００７５】
他の例において、位相変調器４７０は、ＬｉＮｂＯ３のような外部変調器である。
【００７６】
ＳＯＡ利得飽和は、赤方偏移効果を有する。利得飽和は、能動位相変調レーザの実施形態が機能するのに必要ではない。
【００７７】
好ましくは、位相変調器４７０に対する変調は、上記のように、キャビティ往復周波数の高調波周波数で変調信号を生成する無線周波数発生器４６０を含むバイアス電流変調システム４５５を使用して供給される。ＲＦ発生器４６０からの信号は、キャパシタ４６２を介して供給され、キャパシタ４６２は、バイアス電流源４５７に接続されたインダクタ４５８との組み合わせにより、位相変調器４７０に伝達される変調バイアス電流または電圧４９０を生成する。
【００７８】
この例において典型的には、ＳＯＡ４１０へのバイアス電流源４５６は、ＤＣ非変調信号を供給する。
【００７９】
位相変調器４７０は、パルスが位相変調器４７０を通過する際に、それ自身の周波数シフト、（１／２π）ｄΦ／ｄｔを与える。この周波数シフトは、パルスのタイミングに応じて、正または負となり得る。シフトが正となり、利得媒質飽和からの負周波数シフトを打ち消し得るので、正の同調速度に対して安定動作が達成される。
【００８０】
位相変調器４７０は、一例において、長いキャビティの往復時間の高次高調波で駆動される。また、キャビティ往復周波数の複雑な波形および高調波周波数を使用して位相変調器を駆動できる。正弦波変調の場合、変調位相は、Φpeakｃｏｓ（２πｆmodｔ）である。位相変調器は、Φpeakｆmodである１往復当たりに最大周波数シフトを与える。周波数シフトの符号および大きさは、位相変調波形に対するパルスのタイミングに依存する。これは、実際のシステムの同調速度に、ある程度の許容を与える。
【００８１】
図９は、モード同期システムが、環状キャビティつまり自由空間レーザ掃引レーザ構成においてキャビティ内位相変調器として実施される別の実施形態を例示する。
【００８２】
上記のように、位相変調器４７０は、ＳＯＡ４１０とレンズ構造体４１６との間に位置する。
【００８３】
好ましくは、位相変調器４７０に対する変調は、上記のように、キャビティ往復周波数の高調波周波数で変調信号を生成してモード同期動作を制御する無線周波数発生器４６０を使用して供給される。ＲＦ発生器４６０からの信号は、キャパシタ４６２を介して供給され、キャパシタ４６２は、変調器バイアス電流源４５７に接続されたインダクタ４５８との組み合わせにより、位相変調器４７０に伝達される変調バイアス電流または電圧４９０を生成する。
【００８４】
位相変調器４７０は、一例においてはＬｉＮｂＯ３のような外部変調器であり、または別の実施形態においてはＳＯＡチップ４１０と一体化される。一体化位相変調器は、一般に電流注入によって順方向にバイアスされるように機能するが、逆方向バイアスタイプも存在する。
【００８５】
この例において典型的には、ＳＯＡ４１０のためのバイアス電流源４５６が、ＤＣ非変調信号を供給する。
【００８６】
一連の鏡９１０、９１２、９１４、および９１６が、環状キャビティ構成を形成する。図示の例において、可変同調フィルタ４１２は、環状構成においてＳＯＡ４１０とは反対の区間に位置する。図示の例において、第１のアイソレータ９１８は、可変同調フィルタ４１２の上流側に配置され、第２のアイソレータ９２０は、フィルタ４１２の下流側に配置される。これらのアイソレータは、可変同調フィルタ４１２によって反射される光からの寄生反射、およびアイソレータ９２０とＳＯＡ４１０の前部ファセットとの間の寄生反射を防止する。例示の実装例において、光出力は、部分反射鏡である鏡９１２を介して環状構成から取り出される。出力レンズ９２２は、掃引光信号のビームを出力光ファイバ３２０の入射ファセット上に集光する。出力光ファイバ３２０は、光をＯＣＴシステムの干渉計５０に搬送する。
【００８７】
一実装例において、鏡９１６もまた部分的に反射する。これにより、第２の出力つまり別出力の掃引光信号９２６を有する機会を提供する。掃引光信号９２６は、レンズ９２４によって平行にされる。
【００８８】
いくつかの実装例においては、アイソレータ９１８および９２０は省略されてもよい。代わりに、可変同調フィルタ４１２を、光軸に対して傾斜させて、角度の切離しを提供し、すべての寄生反射をなくす。このような実施形態において、２つの平坦な鏡を有するファブリ・ペロ可変同調フィルタ４１２が使用される。
【００８９】
図１０は、モード同期システムが環状キャビティファイバレーザ掃引光源においてキャビティ内位相変調器として実装される別の実施形態を例示する。
【００９０】
より詳細には、可変同調フィルタ４１２は、上流ファイバアイソレータ９１８および下流ファイバ結合アイソレータ９２０に結合される。下流アイソレータ９２０は、波長分割多重結合器（ＷＤＭ結合器）１０１２に結合される。このＷＤＭ結合器１０１２は、ポンプレーザ１０１０から光を取り込む。ＷＤＭ結合器１０１２の出力は、キャビティ利得素子４１０として機能するエルビウム添加増幅器のようなファイバ増幅器に結合される。このファイバ増幅器は、ポンプレーザ１０１０からの光を使用してファイバ環状キャビティ内の光を増幅する。
【００９１】
ファイバ結合位相変調器４７０は、変調およびバイアス電圧４５５によって駆動される。位相変調器４７０は、好ましくはファイバによって、出力ファイバ３２０上の掃引光信号をＯＣＴシステムの干渉計５０に与える出力結合器１０１４に結合される。
【００９２】
位相変調レーザは、パルスの周波数シフトに対する利得飽和に左右されない。したがって、希土類添加ファイバのような長寿命の利得媒質４１０が、この環状レーザに使用される。利得媒質４１０はとりわけ、ＥｒファイバおよびＹｂファイバの利得媒質４１０を含むであろう。ファイバに基づく実装例を本明細書中に記載するが、自由空間光学を使用して構成される変形も実装され得る。
【００９３】
図１１および１２は、キャビティ内位相変調の環状レーザの性能に対する効果を示す２つのコンピュータシミュレーションの結果である。この場合、時間プロットの関数として加えられる位相シフトによって示されるように、レーザキャビティの往復時間に同期化された振幅πの正弦波位相変調を使用した。
【００９４】
ＳＯＡ利得の変調が、「利得および損失」プロットにおいて示される。ＣＷキャビティ損失は、点線で示される。パルス化された波長掃引型レーザについての損失は、実線で示される。
【００９５】
レーザパルスは、正および負の同調速度の両方に対して歪みのない掃引光信号を生成する。
【００９６】
負の同調速度（図１１）において、パルス周波数ホッピングのほとんどは、ＳＯＡ４１２の利得飽和から生じる屈折率変調が原因である。パルスは、正弦波の谷の近くで位相変調を通過する。正弦波の谷では、位相変調器からのさらなる周波数シフトはほとんどない。
【００９７】
正の同調速度（図１２）に関して、位相変調器からの周波数ホップは、利得飽和からのホップを打ち消す。これを生じさせるためには、位相対時間プロットにおいて示されるように、パルスが高い正の位相変化率、ｄΦ／ｄｔを有する時に、パルスは変調器を通過しなければならない。
【００９８】
図１３は、モード同期システムが、線状キャビティレーザ掃引光源構成においてキャビティ内電気光学損失変調器１３１０として実装される別の実施形態を示す。
【００９９】
より詳細には、電気光学損失変調器１３１０は、好ましくはキャビティの一端に向けて、キャビティ内に付加され、モード同期動作を制御する。電気光学損失変調器１３１０を使用してレーザキャビティの利得を変調する。一実施形態において、電気光学損失変調器（ＥＯＬＭ）１３１０は、ＳＯＡ４１０とレンズ構造体４１６との間のベンチＢ上に設置される。介在レンズ１３１２は、ＳＯＡ４１０とＥＯＬＭ１３００との間で光を結合する。
【０１００】
好ましくは、電気光学損失変調器１３１０に対する変調が、上記のように、キャビティ往復周波数の高調波周波数で変調信号を生成する無線周波数発生器４６０を含むバイアス電流変調システム４５５を使用して供給される。ＲＦ発生器４６０からの信号が、キャパシタ４６２を介して供給され、キャパシタ４６２は、ＥＯＬＭバイアス電圧または電流１３１４に接続されたインダクタ４５８との組み合わせにより、電気光学損失変調器１３１０に伝達される変調バイアス電流または電圧４９０を生成する。
【０１０１】
この例において典型的には、ＳＯＡ４１０へのバイアス電流源４５６は、ＤＣ非変調信号を供給する。
【０１０２】
図１４は、損失変調のない、つまりＥＯＬＭの透過率が１００％である、正常掃引モード同期に対するコンピュータシミュレーションの結果を示す。この場合、レーザはキャビティ１往復当たり２パルスで動作する。
【０１０３】
図１５は、損失変調のある掃引モード同期に対するコンピュータシミュレーションの結果を示す。図示の例において、レーザは、ゲート制御されたモード同期状態で動作する。損失変調は、時間の関数としてＥＯＬＭの透過率を示す一番下のグラフにおいて示される。レーザは、同じ負の同調速度（ＧＨｚ／ｎｓ）において、動作を１往復当たり２パルスから１往復当たり１パルスに変化させる。
【０１０４】
この例は一種の能動「ゲート制御された」モード同期であるが、変調は、往復時間の任意の高調波と同期し得るであろうし、また正弦波波形である必要もないであろう。
【０１０５】
例示の実施形態において、損失変調は、高速ＥＯＬＭ変調器１３１０によって行われる。他の実施形態において、導波路マッハ・ツェンダー損失変調器、定在波音響光学「モードロッカー（mode-locker）」、電界吸収型変調器は、線状または環状の構成のいずれかで実装される。ほとんどの技術は、変調がＳＯＡ４１０から切り離されることを要求するが、ＳＯＡチップとの一体化を可能とする技術もある。
【０１０６】
図１６は、同期ポンピングを利用し、レーザキャビティの利得を変調することによってモード同期動作を制御および安定化する光コヒーレンス分析のためのモード同期レーザ掃引光源１００を示す。
【０１０７】
図示の線状キャビティ構成では、例示の実装例において、周波数同調ファブリ・ペロフィルタ４１２がキャビティの一端を画定する。
【０１０８】
キャビティは、その一部を形成するファイバピグテール４０６の端部に位置する第２の出力反射器４０５まで延伸する。
【０１０９】
出力反射器４０５を通過する光は、光ファイバ３２０上または自由空間を介してＯＣＴシステムの干渉計５０に伝送される。
【０１１０】
半導体光増幅器（ＳＯＡ）チップ利得素子４１０は、レーザキャビティ内に位置する。本実施形態において、ＳＯＡチップ４１０の入力ファセットおよび出力ファセットは、傾斜が付けられて反射防止（ＡＲ）コーティングされ、これら２つのファセットから平行なビームを提供する。
【０１１１】
ＳＯＡ４１０の各ファセットは、ＳＯＡ４１０の一方のファセットから出射する光を結合するのに使用される連結レンズ構造体４１４、４１６を有する。第１のレンズ構造体４１４は、ＳＯＡ４１０の後部ファセットと反射型ファブリ・ペロ可変同調フィルタ４１２との間で光を結合する。ＳＯＡ４１０の出力ファセットつまり前部ファセットを出射する光は、第２のレンズ構造体４１６によってピグテール４０６のファイバ端部ファセットに結合される。
【０１１２】
同調制御器１２５は、同調帯域にわたり通過帯域光周波数を掃引するファブリ・ペロフィルタ４１２に同調電圧の関数を与える。好ましくは、光周波数は時間とともに線形に変化する。
【０１１３】
例示の実施形態のモード同期システムは、ポンプレーザ１６１０に印加されるバイアスを変調するバイアス電流変調システム４５５を含む。
【０１１４】
図示の例において、ポンプレーザ１６１０からの光は、ＷＤＭ鏡１６１２および２つのさらなるレンズ１６１４、１６１６を使用してレーザキャビティに結合される。
【０１１５】
より詳細には、ポンプレーザ１６１０から出射する光は、ポンプレンズ１６１６によって平行にされる。この光はＷＤＭ鏡１６１２に向けられる。ＷＤＭ鏡１６１２は、ポンプ波長で光を反射するが、レーザキャビティから出射される光、すなわちレーザの同調帯域内の光を透過する。このようにして、レーザ光は、出力レンズ１６１４によって平行にされ、ファイバピグテール４０６に結合される。一方、ポンプ光はキャビティ内に結合される。
【０１１６】
ＳＯＡレーザバイアス電流源４５６は、ＳＯＡ４１０に供給されるバイアス電流のための直流電流を供給する。
【０１１７】
対照的に、ポンプレーザバイアス電流源４５５は、キャビティ往復周波数の高調波周波数を有する電気信号を生成する無線周波数発生器４６０を使用して、変調バイアス電流４９０を生成する。この周波数は、光がレーザ１００のキャビティを往復するのに必要な時間に相当する。
【０１１８】
例示のレーザにおいて、これは１つの実装形態であるが、光がキャビティの一端の可変同調フィルタ４１２からピグテール４０６の端部にある出力反射器４０５に伝播するのに必要な時間の２倍に相当する。
【０１１９】
ＲＦ発生器からの信号は、キャパシタ４６２を介して供給され、キャパシタ４６２は、インダクタ４５８との組み合わせにより、ポンプレーザ１６１０に伝達される変調バイアス電流４９０を生成する。
【０１２０】
この同期ポンピング実施形態において、例えば９８０ｎｍ半導体レーザチップであるポンプレーザ１６１０からの光は、より長い波長のＳＯＡ利得媒質４１０によって吸収される。ＳＯＡ４１０は、場合によりＣＷ電流源４５６からの直接電気ポンピングに加えて、ポンプレーザ１６１０によって「ポンプ」される。
【０１２１】
この構成の利点は、利得切換機構を通るポンプレーザパルスが、電気変調パルスまたは正弦波駆動期間よりも極めて短くなる潜在能力を有することである。これは例えば、ＳＯＡ利得が図１の実施形態に対して例示される直接電子変調によって得られるであろう期間よりも短い期間でポンプアップされ得ることを意味する。
【０１２２】
さらに、ポンプ１６１０は、一実施形態においてモード同期レーザである。これにより、モード同期レーザの自然なパルス化挙動が、複雑な高周波数電子駆動電流源を必要とせずにレーザキャビティを同期してポンプする。
【０１２３】
この技法は、他の実施形態においては環状キャビティ構成を使用して適用される。
【０１２４】
図１７は、ハイブリッド自由空間技法を使用する、同様の実施形態を示す。この例において、ポンプレーザ１６１０からの光は、ＷＤＭファイバ結合器１７１０を介してレーザキャビティ内に結合される。
【０１２５】
図１８は別の実施形態を示す。この実施形態のモード同期コントロールシステムは、レーザキャビティの利得を変調し、それによりモード同期動作を制御するために、環状キャビティレーザ掃引光源１００において可飽和吸収器を使用して実装される。
【０１２６】
一連の鏡９１０、９１２、９１４、および９１６が、環状キャビティ構成をもたらす。図示の例において、可変同調フィルタ４１２は、環状構成においてＳＯＡ４１０とは反対の区間に位置する。図示の例において、第１のアイソレータ９１８は、可変同調フィルタ４１２の上流側に配置され、第２のアイソレータ９２０は、フィルタ４１２の下流側に配置される。これらのアイソレータは、可変同調フィルタ４１２によって反射される光からの寄生反射、およびアイソレータ９２０とＳＯＡ４１０の前部ファセットとの間の寄生反射を防止する。
【０１２７】
例示の実施例において、掃引光信号は、部分反射鏡である鏡９１２を介して環状構成から取り出される。出力レンズ９２２は、掃引光信号のビームを出力光ファイバ３２０の入射ファセット上に集光する。出力光ファイバ３２０は、光をＯＣＴシステムの干渉計５０に搬送する。
【０１２８】
一実装例において、鏡９１６もまた部分的に反射する。これにより、第２の出力信号９２６を有する機会を提供する。第２の出力信号９２６は、レンズ９２４によって平行にされる。
【０１２９】
この実施形態は、受動モード同期の一構成を実装し、掃引動作を規則的な脈動へ安定化させるのに役立つ。これは、可飽和吸収器ＳＡ９１０をレーザキャビティに付加することによって達成される。環状構成において、これは、可飽和吸収器ＳＡを、複数の鏡のうちの鏡９１０のような１つに接触させることによって最も容易に行われる。
【０１３０】
半導体可飽和吸収ミラー（ＳＥＳＡＭ）および炭素ナノチューブ（F.Wangら著、“Wideband-tuneable, Nanotube Mode-locked,Fibre Laser”、Nature Nanotechnology第３巻、2008年12月、738〜742ページ参照）は、適当な材料の２つの例である。２個の追加レンズ１８１０および１８１２が好ましくは環状キャビティに付加され、可飽和吸収ミラーＳＡ９１０の内側および外側の光を結合する。レンズ１８１０および１８１２は、受動モード同期の条件である、吸収器ＳＡ９１０が利得媒質よりも容易に飽和するように、ビームウエストを低減する機能を果たす。Herman A.Haus著、“Mode-Locking of Lasers”、IEEE JOURNAL ON SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS、第6巻、第6号、2000年11月／12月、1173〜1185ページを参照のこと。
【０１３１】
図１９および２０は、レーザキャビティの利得を変調するために、レーザ掃引光源１００の線状キャビティにおいて可飽和吸収器を使用して実装されるモード同期制御システムのさらなる実施形態を示す。
【０１３２】
図１９において、レーザキャビティは、可変同調フィルタ４１２からレンズ４１４、４１６、ＳＯＡ４１０を通って可飽和吸収ミラーＳＥＳＡＭに延伸する。低飽和パワーを得るために、別のレンズ１９１０が付加され、ビームを可飽和吸収ミラーＳＥＳＡＭ上に集光する。
【０１３３】
この実施形態において、出力は、可変同調フィルタ４１２を介して取り出される。より詳細には、可変同調フィルタに伝送された光は、レンズ１９１２によって出力光ファイバ３２０上に集光される。出力光ファイバ３２０は、掃引光信号をＯＣＴシステムの干渉計５０に搬送する。
【０１３４】
図２０は、同様の構成を示す。ただし、この実施形態は透過性可飽和吸収器１９１４を利用する。より詳細には、レンズ１９１０は、焦点が可飽和吸収器１９１４内にあるように、キャビティビームを集光する。可飽和吸収器１９１４の他方側の第２のレンズ１９１６は、ビームを再度平行にする。このビームは、レーザキャビティの端部を画定する鏡１９１８から反射される。
【０１３５】
この構成は、可飽和吸収器１９１４が、鏡１９１８のような端部鏡からキャビティの１／３に位置する場合に、キャビティにおける３パルスでの動作を促進するであろう。隣接するパルスは、可飽和吸収器１９１４内で衝突し、相互の吸収飽和を助長するであろう。
【０１３６】
図２１は、本発明の原理にしたがって構築された、モード同期レーザ光源１００を使用する光コヒーレンス分析システム３００を示す。
【０１３７】
モード同期動作が安定した可変同調レーザ掃引光源１００が、光ファイバ３２０上に同調可能な掃引光信号を生成する。この掃引光信号は、干渉計５０に伝送される。掃引光信号は、狭帯域放射を用いて走査帯域にわたって走査する。
【０１３８】
好ましくは、ｋ−クロックモジュール２５０を使用して、光信号が走査または同調帯域にわたって同調または掃引される際に、クロック信号を等間隔の光周波数増分で生成する。
【０１３９】
本実施形態において、マッハ・ツェンダー型干渉計５０を使用して、試料３４０からの光信号を分析する。掃引レーザ光源１００からの同調信号が、ファイバ３２０上を９０／１０光結合器３２２に伝送される。組み合わされた同調信号は、システムの参照アーム３２６と試料アーム３２４との間の結合器３２２によって分割される。
【０１４０】
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から出射する光は、いくつかの例示の実装例において、レンズ３３０によって平行にされ、次いで鏡３３２によって反射されて戻る。
【０１４１】
外部鏡３３２は、一例において、鏡までの距離を調節可能なファイバを有する（矢印３３４を参照）。この距離は、画像化される深さ範囲、すなわち参照アーム３２６と試料アーム３２４との間のゼロ経路長差の試料３４０における位置を決定する。この距離は、異なる試料プローブおよび／または画像化試料に対して調節される。参照鏡３３２から戻る光は、参照アームサーキュラ３４２に戻され、５０／５０ファイバ結合器３４６に向けられる。
【０１４２】
試料アーム３２４上のファイバは、試料アームプローブ３３６において終端する。出射する掃引光信号は、プローブ３３６によって試料３４０上に集光される。試料３４０から戻る光は、試料アームサーキュラ３４１に戻され、５０／５０ファイバ結合器３４６に向けられる。参照アーム信号および試料アーム信号は、ファイバ結合器３４６において組み合わされ、干渉信号を生成する。干渉信号は、２つの検出器３４８を含む平衡受信器（バランスド受信器）によって、ファイバ結合器３４６の各出力において検出される。平衡受信器３４８からの電子干渉信号は、増幅器３５０によって増幅される。
【０１４３】
アナログ−デジタルコンバータシステム３１５を使用して、増幅器３５０からの干渉信号出力をサンプリングする。モード同期掃引光源１００のｋ−クロックモジュール２５０から導かれる周波数クロックおよび掃引トリガー信号を、アナログ−デジタルコンバータシステム３１５が使用して、システムデータの取得を掃引光源システム１００の周波数同調に同期させる。
【０１４４】
完全なデータセットが、集光プローブビームポイントを試料３４０にわたって空間的にラスター走査することによって、デカルト幾何（ｘ−ｙ）形式または円柱幾何（θ−ｚ）形式で試料３４０から回収され、これらの点のそれぞれにおけるスペクトル応答がモード同期波長掃引型１００の周波数同調から生成されると、デジタル信号プロセッサ３８０は、画像を再構築して試料３４０の２Ｄまたは３Ｄトモグラフィック再構築を行うために、データに対してフーリエ変換を行う。デジタル信号プロセッサ３８０によって生成されるこの情報は、映像モニタに表示される。
【０１４５】
ある用途において、プローブは、血管に挿入され、動脈または静脈の内壁を走査するために使用される。他の例において、プローブには、血管内超音波（ＩＶＵＳ）、前向きＩＶＵＳ（ＦＬＩＶＵＳ）、高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）、圧力検知ワイヤおよび画像誘導治療装置などの他の分析治療手段（analysis modality）が含まれる。
【０１４６】
本発明は、その好適な実施形態を参照して特に示されかつ記載されたが、その好適な実施形態においては、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲を逸脱せずに、形態および詳細において種々の変更がなされ得ることが当業者によって理解されるであろう。例えば、本発明は、ＯＣＴまたは分光分析だけに関連して記載されたが、本発明はまた、ＩＶＵＳ、ＦＬＩＶＵＳ、ＨＩＦＵ、圧力検知ワイヤおよび画像誘導治療装置とともに応用され得るであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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