(57)【要約】【課題】波長掃引幅が広く、波長掃引動作が速い分散方式高速波長掃引光源を提供する。【解決手段】分散方式高速波長掃引光源１０は、スーパーコンティニウム光源１１と、光ゲートスイッチ１２と、分散制御ファイバ１３と、広帯域光増幅器１４により構成されている。ＳＣ光源１１からは、波長が異なると共に周波数間隔がｆ0となっている複数のパルス光を多重化した光パルス列が出力される。光ゲートスイッチ１２は、各掃引繰り返し時間ｔ3内において、サンプリング時間ｔ2（但し、ｔ2＜１／ｆ0）だけ光パルス列を切り出す動作を複数回行う。切り出された光パルス列の光パルスは、分散制御ファイバ１３により、周波数の違いに応じて時間軸上で分離される。このため、ステップ状に波長の異なる光パルスが、繰り返し出力される。【選択図】図４
2008191370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が異なると共に周波数間隔が予め決めた周波数ｆ0となっている複数のパルス光を多重化してなる光パルス列を発生する多波長光発生手段と、
予め決めた各掃引繰り返し時間ｔ3内において、前記周波数ｆ0の逆数で決定される時間ｔ1に比べて長いサンプリング時間ｔ2だけ、前記多波長光発生手段から発生した前記光パルス列を出力させる切り出し動作を複数回行う光切り出し手段と、
前記光切り出し手段から出力された光パルス列を構成する各パルス光を、波長の違いに応じて時間軸上でシフトさせて時間軸上で分離する時分割手段と、
を有することを特徴とする分散方式高速波長掃引光源。
【請求項２】
前記光パルス列を構成する各パルス光の波長数Ｎと、前記サンプリング時間ｔ2と、前記掃引繰り返し時間ｔ3との間に、
ｔ2×Ｎ＜ｔ3
なる関係が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の分散方式高速波長掃引光源。
【請求項３】
前記多波長光発生手段は、
それぞれの発振波長が異なる複数の単一波長レーザ、またはモード同期レーザ、またはスーパーコンティニウム光源のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分散方式高速波長掃引光源。
【請求項４】
前記スーパーコンティニウム光源は、
能動半導体モード同期レーザと、
前記能動半導体モード同期レーザから発生したパルス光を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器により増幅したパルス光が入力されて伝搬することにより、波長が異なる共に周波数間隔が一定となっている複数のパルス光からなる光パルス列を発生して出力する、正常分散かつ分散平坦特性を有する光ファイバと、
から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の分散方式高速波長掃引光源。
【請求項５】
前記光切り出し手段は、
リチウムナイオベート光変調器であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の分散方式高速波長掃引光源。
【請求項６】
前記時分割手段は、
屈折率の波長依存性を有する波長分散媒質であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の分散方式高速波長掃引光源。
【請求項７】
前記前記波長分散媒質は、
波長１３１０ｎｍ付近における波長分散が０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであるシングルモードファイバよりも、波長分散の絶対値が大きい波長分散値を有する分散制御ファイバであることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の分散方式高速波長掃引光源。
【請求項８】
前記分散制御ファイバは、
波長１５５０ｎｍ付近における波長分散が、−３２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下である分散補償ファイバであることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の分散方式高速波長掃引光源。
【請求項９】
前記時分割手段の後段に、光強度増幅用の広帯域光増幅手段を具備することを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の分散方式高速波長掃引光源。
【請求項１０】
前記広帯域光増幅手段は、
エルビウム添加テルライトファイバを利得媒質とする光ファイバ増幅器であることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の分散方式高速波長掃引光源。
【請求項１１】
波長が異なると共に周波数間隔が予め決めた周波数ｆ0となっている複数（Ｎ波）のパルス光を多重化してなる光パルス列を一括して発生する工程と、
予め決めた各掃引繰り返し時間ｔ3内において、前記周波数ｆ0の逆数で決定される時間ｔ1に比べて長いサンプリング時間ｔ2だけ、前記多波長光発生手段から発生した前記光パルス列を切り出して出力させる工程と、
前記光切り出し手段から出力された光パルス列を構成する各パルス光を、波長の違いに応じて時間軸上でシフトさせて時間軸上で分離させる工程を有し。
前記光パルス列を構成する各パルス光の波長数Ｎと、前記サンプリング時間ｔ2と、前記掃引繰り返し時間ｔ3との間に、
ｔ2×Ｎ＜ｔ3
なる関係が成り立つことを特徴とする分散方式高速波長掃引光発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光計測・Optical Coherence Tomography（ＯＣＴ，光断層画像測定）・光信号処理等で用いられる分散方式高速波長掃引光源及び分散方式高速波長掃引光発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、波長（周波数または波数）掃引光源を用いた計測や断層画面の撮像方法などの研究開発が活発化している。このような分野においては、測定分解能の向上のため前記波長掃引光源は５０ｎｍ以上の広い波長掃引幅を有することが求められる。また、特に測定対象物が生体である場合、測定時間中に生体の僅かな動きが測定ダイナミックレンジ（感度）を低下させてしまうため、波長掃引動作を１００μｓ以下で行うことも必要であり、さらに三次元計測を行う場合は、画像表示レートと同等の速度で計測を行うことが求められるため、ｍｓオーダでの波長掃引動作が必要になる。また、前記波長掃引光源と光学干渉計とを組み合わせて計測を行う場合は、測定可能距離の拡大のために前記波長掃引光源の可干渉距離（コヒーレンス長）が長い方が有利である。そのため、前記波長掃引光源からの出射光は、同時に複数の波長が発振することのないシングルモード（単一モード発振）であることが求められる。
【０００３】
このような用途の波長掃引光源として従来用いられてきた技術について説明を行う。図１に従来のＯＣＴ用に開発された波長掃引光源を示す（非特許文献１）。図１に示したように、前記従来の波長掃引光源は、フェルール付き光ファイバ１、ファイバ結合用フォーカスレンズ２、光アイソレータ３、ファイバ結合用コリメータレンズ４、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier,ＳＯＡ）５、コリメータレンズ６、回折格子７、レゾナント・ガルバノメータ・ミラー（Resonant Galvanometer Mirror, ＲＧＭ）８、フォーカスレンズ９、スリット付き高反射鏡１０から構成されている。前記ＳＯＡ５の光出力口側の端面Ａとフェルール付き光ファイバ１の間における光線の様子を模式的に光線ｂ１（出力光）として点線で示す。また、前記ＳＯＡ５のコリメータレンズ６側の端面Ｂと前記スリット付き高反射鏡１０との間における光線の様子を模式的に光線ｂ２（共振器内部）として点線で示す。なお、前記端面Ｂは、１０-4オーダの低反射鏡を具備しており、光出力口側の端面Ａは反射率１５％を有する。よって、前記端面Ａと、前記スリット付き高反射鏡１０で構成された共振器の中に、波長選択機能及び波長掃引機能を有する前記回折格子７と前記ＲＧＭ８が内蔵された形式となるため、共振器長が４５０ｍｍ程度と半導体レーザ（共振器長：数百μｍ）に比べ非常に長くなっている。
【０００４】
続いて、図１に示した従来の波長掃引光源の動作原理について説明する。まず、前記共振器長から決定される複数の発振モード（縦モード）のうち、前記回折格子７と前記スリット付き高反射鏡１０のスリット部１０ａで決定される波長分解能で与えられる波長範囲において、複数の縦モードを選択してレーザ発振を行う。続いて、前記回折格子７は回転機能を有する前記ＲＧＭ８に固定されているため、前記ＲＧＭ８を僅かに動かすことにより前記回折格子７が僅かに回転する。そのため、選択される波長は先に選択した複数の縦モードより長波側（または短波側）の複数のモード（波長）となる。この前記回折格子７の回転動作を連続的に行うことにより広い波長域における波長掃引動作を実現する。なお、図１に示した例では、波長掃引幅約１３０ｎｍ、測定分解能１０μｍ（大気中）、波長掃引速度は１６ｋＨｚ（６２．５μｓ）を実現している。
【０００５】
【非特許文献１】R.Huber, M.Wojtkowski, J.G.Fujimoto, J.Y.Jiang and A.E.Cable,“Three-dimensional and C-mode OCT imaging with a compact,frequency swept laser source at 1300nm ”,Optics Express,Vol.13,No.26,2005,pp.10523-10538
【非特許文献２】E.Yamada et al, “150 channel supercontinuumＣＷ optical source with high ＳＮＲ and precise 25 GHz spacing for 10 Gbit/s ＤＷＤＭ  systems ”，ＩＥＥ  Electronics Letters,Vol.37,No.5,2001,pp.304-306
【非特許文献３】D.S.Mehte et al., “Spectral interferometric microscops with tandem liquid-crystal Fabry-Perot interferometers for extension of the dynamic range in three-dimensional step-height measurement”,Applied Optics,Vol.42,No.4,2003,pp-682-690
【非特許文献４】D.S.Mehta et al., “Spectral interference Mirau microscope with an acousto-optic tunable filter for three-dimensional surface profilometry”,Applied Optics,Vol.42,No.4,2003,pp.1296-1305
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の波長掃引光源は以下に示す重大な問題点を有する。まず、波長掃引速度はμｓオーダであるため、波長掃引を１０００回以上繰り返して行うリアルタイム三次元計測を行うことができないという重大な問題があった。また、光計測においては計測後に行う高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform, ＦＦＴ）などのデータ処理を波長軸上ではなく、波数（または周波数）軸上で行うことが一般的である。そのため、前記従来の波長掃引光源は連続的に波長掃引を行っているため、前記従来の波長掃引光源からの出力光の一部を分岐する。次に前記分岐された出力光を、例えばエタロンフィルタなどの周期的な周波数間隔の透過特性を有するフィルタを通すなどして、波数軸上へのリスケーリングを行う。そのため、光源のシステムが複雑になってしまうという重大な問題もあった。また、共振器長が４５０ｍｍ程度と非常に長いため、さらに、回折格子７やＲＧＭ８を用いた波長選択及び掃引機構が複雑であり、かつ組立には精密な位置合わせが必要となるため、生産性が低いという重大な問題がある。
【０００７】
さらに、連続掃引を行っているため、測定データをサンプリングしている間にも発振波長は僅かに変化する問題がある。この問題について、以下に詳細を述べる。図２に、従来の波長掃引光源の掃引動作時における発振波長λの時間ｔ依存性の概念図を示す。図２に示したように、従来技術の波長掃引光源を用いて波長掃引を行うと、時間軸上において連続的に波長が変化することになる。一方、前記波長掃引光源を用いたＯＣＴ装置において、前記波長掃引光源から発生した光を試料に照射することにより得られた信号光を受光器で受光し、電気信号に変換した後、前記電気信号をＯＣＴ画像に変換するためにコンピュータ内部でデータ処理を行う。このデータ処理を行うためには、受光器から得られるアナログ電気信号を、アナログ／デジタル（ＡＤ）変換回路を用いてデジタル信号に変換する必要がある。ＡＤ変換回路においてアナログデータからデジタルデータに変換を行う際には、サンプリング（標本化）が必要になるが、前記サンプリングに必要な時間ｔsamp（サンプリング時間あるいはサンプリングレート）は短い（高速である）ほど正確なデータ変換を行うことが可能となる。しかしながら、従来技術の波長掃引光源においては波長掃引を連続的に行っているため、前記サンプリング時間内にも波長が変化している。このような波長シフトΔλsamp［ｍ］は、波長掃引速度ｖsamp［ｍ／ｓ］とサンプリング時間ｔsamp［ｓ］を用いて（１）式で表される。
【０００８】
【数１】
2008191370.tif 000003
【０００９】
（１）式に示したサンプリング時間中の波長シフトΔλsampにより、波長掃引光源の発振スペクトル線幅が実効的に大きくなるため、可干渉距離（コヒーレンス長）が短くなり、深さ方向の計測距離（侵達度）が短くなることが重大な問題となる。例えば、図１に示した波長掃引光源においては、ｃｗ発振状態（ある特定の波長においてレーザ発振を行っていて、波長掃引動作を行っていない状態）においては８０ｍｍ以上のコヒーレンス長を有しているが、掃引速度２．１２８［ｎｍ／μｓ］で前記光源を掃引動作し、ＯＣＴ装置のＡＤ変換回路のサンプリング時間１０ｎｓの条件下においては、（１）式より波長シフトΔλsampは２１［ｐｍ］と大きくなり、掃引動作時のコヒーレンス長は１５ｍｍ程度まで大幅に劣化したことが報告されている（非特許文献１）。そのため、前記光源を用いて行ったＯＣＴ測定においても侵達度が３ｍｍ程度に制限され、重大な問題となっていた。また、波長シフトΔλsampは（１）式より、波長掃引速度が速いほどシフト量が大きくなるため、高速化と侵達度はトレードオフの関係にあることも重大な問題となっていた。また、サンプリング時間を短くすることにより波長シフト量を小さくすることは可能であるが、サンプリング時間はＡＤ変換回路のサンプリング処理速度に依存するため、サンプリング時間の値は有限であり、波長掃引時のコヒーレンス長はｃｗ発振時のコヒーレンス長に比べ必ず短くなり、その結果ＯＣＴ測定においては侵達度が劣化することも重大な問題となっていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する本発明の分散方式高速波長掃引光源の構成は、
波長が異なると共に周波数間隔が予め決めた周波数ｆ0となっている複数のパルス光を多重化してなる光パルス列を発生する多波長光発生手段と、
予め決めた各掃引繰り返し時間ｔ3内において、前記周波数ｆ0の逆数で決定される時間ｔ1に比べて長いサンプリング時間ｔ2だけ、前記多波長光発生手段から発生した前記光パルス列を出力させる切り出し動作を複数回行う光切り出し手段と、
前記光切り出し手段から出力された光パルス列を構成する各パルス光を、波長の違いに応じて時間軸上でシフトさせて時間軸上で分離する時分割手段と、
を有することを特徴とする。
【００１１】
また本発明の分散方式高速波長掃引光源の構成は、
前記光パルス列を構成する各パルス光の波長数Ｎと、前記サンプリング時間ｔ2と、前記掃引繰り返し時間ｔ3との間に、
ｔ2×Ｎ＜ｔ3
なる関係が成り立つことを特徴とする。
【００１２】
また本発明の分散方式高速波長掃引光源の構成は、
前記多波長光発生手段は、
それぞれの発振波長が異なる複数の単一波長レーザ、またはモード同期レーザ、またはスーパーコンティニウム光源のうちのいずれかであることを特徴とする。
【００１３】
また本発明の分散方式高速波長掃引光源の構成は、
前記スーパーコンティニウム光源は、
能動半導体モード同期レーザと、
前記能動半導体モード同期レーザから発生したパルス光を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器により増幅したパルス光が入力されて伝搬することにより、波長が異なる共に周波数間隔が一定となっている複数のパルス光からなる光パルス列を発生して出力する、正常分散かつ分散平坦特性を有する光ファイバと、
から成ることを特徴とする。
【００１４】
また本発明の分散方式高速波長掃引光源の構成は、
前記光切り出し手段は、
リチウムナイオベート光変調器であることを特徴とする。
【００１５】
また本発明の分散方式高速波長掃引光源の構成は、
前記時分割手段は、
屈折率の波長依存性を有する波長分散媒質であることを特徴とする。
【００１６】
また本発明の分散方式高速波長掃引光源の構成は、
前記前記波長分散媒質は、
波長１３１０ｎｍ付近における波長分散が０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであるシングルモードファイバよりも、波長分散の絶対値が大きい波長分散値を有する分散制御ファイバであることを特徴とする。
【００１７】
また本発明の分散方式高速波長掃引光源の構成は、
前記分散制御ファイバは、
波長１５５０ｎｍ付近における波長分散が、−３２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下である分散補償ファイバであることを特徴とする。
【００１８】
また本発明の分散方式高速波長掃引光源の構成は、
前記時分割手段の後段に、光強度増幅用の広帯域光増幅手段を具備することを特徴とする。
【００１９】
また本発明の分散方式高速波長掃引光源の構成は、
前記広帯域光増幅手段は、
エルビウム添加テルライトファイバを利得媒質とする光ファイバ増幅器であることを特徴とする。
【００２０】
また本発明の分散方式高速波長掃引光発生方法の構成は、
波長が異なると共に周波数間隔が予め決めた周波数ｆ0となっている複数（Ｎ波）のパルス光を多重化してなる光パルス列を一括して発生する工程と、
予め決めた各掃引繰り返し時間ｔ3内において、前記周波数ｆ0の逆数で決定される時間ｔ1に比べて長いサンプリング時間ｔ2だけ、前記多波長光発生手段から発生した前記光パルス列を切り出して出力させる工程と、
前記光切り出し手段から出力された光パルス列を構成する各パルス光を、波長の違いに応じて時間軸上でシフトさせて時間軸上で分離させる工程を有し。
前記光パルス列を構成する各パルス光の波長数Ｎと、前記サンプリング時間ｔ2と、前記掃引繰り返し時間ｔ3との間に、
ｔ2×Ｎ＜ｔ3
なる関係が成り立つことを特徴とする。
【００２１】
［作用］
上記の課題を解決するために、本発明において問題点が以下のように解決されている。本発明は、多波長光発生光源により周波数軸上で等間隔に周波数（波長）多重化されたＮ波の光を、前記多波長光の隣接する発振波長の光周波数の差ｆ0の逆数で決定される時間ｔ1（＝１／ｆ0）に比べて長い時間間隔ｔ2だけ光ゲートスイッチなどにより時間軸上で切り出す。また、この切り出し動作は一定時間ｔ3毎に繰り返して行う。続いて、光ゲートスイッチなどにより一括して切り出された多波長光は、波長分散媒質などによる分散制御により、ステップ状にＮ−１回発振波長が変化するレーザ光を出力することを、一定の時間ｔ3毎に繰り返す波長（周波数）掃引光源を実現する。そのため、原理的に波長チャネル数Ｎ＝１０００程度の波長掃引速度がｎｓオーダと従来技術に比べ飛躍的に高速化が可能となる。また、モード同期レーザあるいはＳＣ光源を用いる多波長光発生光源の場合、前記モード同期レーザあるいはＳＣ光源の種光源である能動モード同期レーザの駆動電気周波数ｆ1を変化させることにより、多波長光発生光源の周波数間隔を変えることができる。また、光ゲートスイッチの繰り返し時間ｔ3を調整することにより、波長掃引繰り返し速度ｔS（＝ｔ3）を調整することができる。
【００２２】
図３に、本発明の分散方式高速波長掃引光源における発振周波数ｆの時間ｔ依存性を示す（波長チャネル数Ｎ＝８のときに簡略化して表示している）。図３に示したように、本技術は、従来技術における波長掃引が図２に示したように波長軸上で連続的に行っているのに対し、本発明の分散方式高速波長掃引光源に用いる種光源の周波数間隔ｆ0で決められた間隔で周波数（波長）掃引を行うため、波長（周波数）をサンプリング時間（＝ｔ２）内で一定にして周波数（波長）軸上で不連続に掃引できる。よって、従来技術において必要であった波数軸上へのリスケーリングが不要であるため、光源のシステムを簡素化することが可能となる。なお、図３において、ts，ｔr，ｔ2，ｔsampは、それぞれ掃引時間、掃引繰り返し時間、任意の波長チャネルが発振している時間、サンプリング時間を表している。
【００２３】
また、本発明による高速掃引光源の波長掃引機構において、ＲＧＭなどの機械駆動部を有さないため精密な組立や位置合わせが不要であり、生産性を高くすることが可能となる。また、本発明の分散方式高速波長掃引光源として複数の異なった波長を有する単一波長レーザ、モード同期レーザ、ＳＣ光源のいずれかを用い分散制御によって掃引動作を実現するため、ＯＣＴ装置におけるＡＤ変換回路のサンプリング時間の長さによらず掃引時においてもｃｗ駆動時と同じ発振スペクトル線幅を有する。一般に、単一波長レーザ、モード同期レーザ、ＳＣ光源のいずれもｃｗ駆動時の発振スペクトル線幅は数１０ＭＨｚ以下であるため、ｃｗ駆動時のコヒーレンス長は５ｍ以上である。そのため、掃引時のコヒーレンス長もｃｗ駆動時と比べ劣化することなく５ｍ以上のコヒーレンス長を有するレーザ光を得ることができる。そのため、掃引動作時において侵達度が短くなることはなく、かつ掃引時のコヒーレンス長は掃引速度によらず一定である。
【発明の効果】
【００２４】
以上述べたように、本発明の分散方式高速波長掃引光源及び分散方式高速波長掃引光発生方法を用いれば、コヒーレンス長が長くかつ等周波数間隔で発振した単一モード光を高速で掃引することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００２６】
（ＳＣ光源を用いた高速波長掃引光源によるＯＣＴ装置）
以下、図４に基づいて本発明の第１実施例について詳細に説明する。まず、装置構成について説明する。図４に示したように、本発明の分散方式高速波長掃引光源は、スーパーコンティニウム（Supercontinuum, ＳＣ）光源１１、光ゲートスイッチ１２、分散制御ファイバ１３、広帯域光増幅器１４から構成される。前記ＳＣ光源１１は、さらに種光源１５、光増幅器１６、ＳＣ光発生用光ファイバ１７から構成され、全ての装置間は光ファイバで接続されている。以下、詳細について述べる。
【００２７】
前記ＳＣ光源１１の種光源１５として用いる能動半導体モード同期レーザは、共振器内部の光変調器に、共振器長から決まる繰り返し周波数を印加することによりパルス光を発生させることができる強制モード同期型のレーザである。前記能動半導体モード同期レーザの光変調器部に繰り返し周波数ｆ0＝１２．５ＧＨｚの高周波信号を印加すると、繰り返し周波数ｆ0と同じ周期で繰り返し発生する光パルス列が生成される。このとき、前記繰り返し光パルス列の光周波数スペクトルは、フーリエ変換の関係により、繰り返し周波数ｆ0と同じ周波数間隔を有する複数の縦モードを有している。この繰り返し光パルス列を光増幅器により増幅し、光強度を増大させる。続いて、光強度が増大された前記繰り返し光パルス列を、前記ＳＣ光発生用光ファイバ１７である偏波保持型分散フラットファイバに入力すると、前記ＳＣ光発生用光ファイバ１７を伝搬中に光スペクトルの相互非線形光学効果により、もとの光スペクトルの短波長および長波長側に新たに光スペクトルが生じる。続いて、さらに前記ＳＣ光発生用光ファイバ１７中を前記波長スペクトルが広がった繰り返し光パルス列が伝搬すると、さらに短波長および長波長側に新たな光スペクトルが発生する。こうした一連の作用を繰り返して、前記ＳＣ光発生用光ファイバ１７を伝搬するうちに入射した前記繰り返し光パルス列は、繰り返し周波数ｆ0と周波数間隔ｆ0を維持したまま前記ＳＣ光発生用光ファイバ１７に入射する前よりもはるかに広い波長域（７９ｎｍ）を有する光スペクトルになる。よって、本実施例の場合ｆ0＝１２．５ＧＨｚ（波長換算で約０．１ｎｍ）であるため、波長数Ｎは７９０にもなる。
【００２８】
このような多波長光発生手段は、スーパーコンティニウム（Supercontinuum. ＳＣ）光源と呼ばれ、公開特許公報（特開２００２−２３６３０１）や非特許文献２（E.Yamada et al, “150 channel supercontinuumＣＷ optical source with high ＳＮＲ and precise 25 GHz spacing for 10 Gbit/s ＤＷＤＭ  systems ”，ＩＥＥ  Electronics Letters,Vol.37,No.5,2001,pp.304-306)に詳細な説明がある。ＳＣ光源の特徴は、広帯域であると同時に周波数間隔が種光源の駆動周波数のみで決定されることから、周波数間隔の設定精度が１ｋＨｚ以下と非常に良好であるため、広帯域光ファイバ通信への適用が期待されている。なお、ＳＣ光源１１により生成された多波長光の様子を、図５（ａ）に示す。この図は、図４においてＡの場所で観測される多波長光を、波長数が４波長のときに簡略化して示したものであり、光フィルタにより唯一の波長チャネルを取り出して観測を行った結果を、４波長について重ね書きしたものである。また、先に述べたように波長チャネル間隔は、周波数軸上で等間隔である（周波数間隔ｆ0＝１２．５ＧＨｚ）。前記ＳＣ光源１１から生成される多波長光パルス列は、フーリエ変換の関係から、唯一の波長を光フィルタにより取り出して観測した場合、連続光として観測される。
【００２９】
本発明は前記ＳＣ光源１１から一括生成された多波長光を、光ゲートスイッチ１２と分散制御ファイバ１３を用いて、波長掃引光源を実現したことを最大の特徴とする。以下、さらに詳細について説明を続ける。
【００３０】
続いて、連続して生成される繰り返し光パルス列の一部を時間軸上で切り出すために、前記ＳＣ光源１１からの繰り返し光パルス列を光切り出し手段である光ゲートスイッチ１２に入射する。前記光ゲートスイッチ１２には、リチウムナイオベート（ＬＮ）光変調器を用いた。ここで、前記光ゲートスイッチ１２への駆動電圧は、ゲート時間幅ｔ2＝５０ｐｓ（ゲート周波数２０．０ＧＨｚ）の光パルス列を周波数１２．５ＭＨｚ（繰り返し時間ｔ3＝８０ｎｓ）で繰り返し得られるように設定した。このようにして前記ＳＣ光源１１により生成された繰り返し光パルス列を、時間軸上で切り出した様子を図５（ｂ）に示す。なお、図５（ｂ）は、図４においてＢの場所で観測される光パルス列を簡略化して示したものであり、光フィルタにより唯一の波長チャネルを取り出して観測を行った結果を、４波長について重ね書きしたものである。
【００３１】
次に、時間軸上で切り出された光パルス列を、波長分散媒質である分散制御ファイバ１３に入射する。前記分散制御ファイバ１３は、通常の光ファイバ通信で用いられるシングルモードファイバよりも強い波長分散特性を有することを特徴とし、本実施例においては波長１５５０ｎｍにおける波長分散が−８５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、伝搬損失が０．４ｄＢ／ｋｍである分散補償ファイバを用いた。なお、従来、前記分散補償ファイバは、ファイバ内で伝播される光信号の波長が異なると波長ごとに伝播速度が異なるという波長分散を抑制（補償）するために用いられるものである。一方、本発明においては、光信号（スペクトル）を波長ごとに時間軸上にシフトさせるために、従来とは逆に波長分散を促進させるように前記分散補償ファイバを用いる。このように、前記分散補償ファイバの波長分散の絶対値が、通常のシングルモードファイバのそれの５倍程度の値になっていることを積極的に利用することを特徴とする。この点で、本発明における前記分散補償ファイバの作用効果は従来の利用方法とは異なる。そのため、本実施例においては前記分散補償ファイバを分散補償の目的で用いないことを明確化するために、以下分散制御ファイバと称することにする。
【００３２】
前記分散制御ファイバ１３に入射された光パルス列は、前記分散制御ファイバ１３の強い波長分散特性により、比較的短距離を伝搬しただけで波長毎に伝搬時間が異なる現象が起こる。そのため、ある波長におけるσの波長分散特性を有する分散制御ファイバ１３を用いて周波数間隔ｆ0（波長間隔λ0）である波長λ1の光パルスと波長λ2の光パルスの伝搬時間差（遅延時間）をｔdとしたいときには、前記分散制御ファイバ１３の長さＬfiberは（２）式のように表される。
【００３３】
【数２】
2008191370.tif 000004
【００３４】
よって、たとえば周波数間隔ｆ0＝１２．５ＧＨｚ（波長換算で約０．１ｎｍ）である波長λ1の光パルスと波長λ2の光パルスの遅延時間ｔdを１００ｐｓとしたいときには、前記分散制御ファイバ１３の長さＬfiberを１１．８ｋｍに設定すれば良い。このように、前記分散制御ファイバ１３の強い波長分散特性を積極的に利用することにより、前記多波多重化された光パルス列を、時間軸上で波長毎に分離することが可能となる。すなわち、時間軸上で波長毎に分離された個々の光パルスは単一波長、すなわちシングルモード発振した波長スペクトルを有する。このときの様子を図５（ｃ）に示す。なお、図５（ｃ）は、図４においてＣの場所で観測される光パルス列を簡略化して示したものであり、光フィルタにより唯一の波長チャネルを取り出して観測を行った結果を、４波長について重ね書きしたものである。なお、ここで遅延時間ｔdとしてゲート時間幅ｔ2の２倍の値、すなわちｔd＝１００ｐｓとした。遅延時間は、前記分散制御ファイバ１３の分散特性に波長依存性があるため、波長チャネル毎に僅かに異なる。そのため、ここでの遅延時間は平均値を示している。また、本実施例における分散方式高速波長掃引光源１０の波長掃引時間ｔｓと掃引繰り返し時間ｔr（＝ｔ3）は、それぞれ７９ｎｓ、８０ｎｓである。本発明の分散方式高速波長掃引光源１０は、上記の方法により波長多重化された光パルス列を、波長毎に時間的に分離することを実現したことを特徴とする。
【００３５】
最後に、生成された光パルス列（分散制御ファイバ１３から出力された光パルス列）は、光ゲートスイッチ１２、分散制御ファイバ１３を経たことにより、波長毎の光強度が−３２ｄＢｍ程度に低下している。そのため、広帯域光増幅器１４により光強度を−７ｄＢｍ程度まで増大した。本実施例では、広帯域光増幅器１４としてエルビウム添加テルライトファイバを利得媒質とする光ファイバ増幅器（Erbium-Doped Tellurite Fiber Amplifier, ＥＤＴＦＡ）を用いた。
【００３６】
以上のようにして、本発明により分散方式高速波長掃引光源１０を用いれば、周波数間隔ｆ0＝１２．５ＧＨｚ（波長換算で約０．１ｎｍ）、波長帯域７９ｎｍ（周波数帯域Δｆ＝９．８７５ＴＨｚ）、波長チャネル数Ｎ＝７９０のシングルモード光を、掃引時間ｔｓ＝８０ｎｓで掃引することが可能となる。本発明の分散方式高速波長掃引光源１０を用いて波長掃引を２回行った際の様子を図６に示す。なお、本発明の分散方式高速波長掃引光源１０の発振スペクトルの線幅は、１０ＭＨｚ以下であるため、コヒーレンス長は１０ｍ以上と非常に長い。また、先に述べた理由からコヒーレンス長は波長掃引時においても劣化することなく１０ｍ以上のコヒーレンス長を有している。
【００３７】
続いて、本発明の分散方式高速波長掃引光源を用いて行ったＯＣＴ測定について示す。図７に本発明者等が開発したＯＦＤＩ−ＯＣＴ法を利用した断層像撮影装置を示す（特願２００４−２７６７７３）。本装置は主に、本発明の分散方式高速波長掃引光源１０、ファイバ型Mach-Zehnder干渉計３２、バランスレシーバ３３、ＡＤ変換回路３４、ＤＡ変換回路３５、ガルバノミラー制御回路３６、演算制御装置３７、画像表示装置３８から構成される。本発明の分散方式高速波長掃引光源１０からの出射光は、９：１カプラ３９により試料光路４０に９０％、参照光路４１に１０％の光が入射する。試料光路４０に入射したレーザ光は、試料光路側サーキュレータ４２、測定光入力／信号光送出口４３、試料光路側コリメータレンズ４４、ガルバノメータミラー４５、試料光路側対物レンズ４６を経て試料４７に入射した後、試料４７からの後方反射または散乱された信号光として再び同じ光路を経て試料光路側サーキュレータ４２に戻り試料光路側偏波コントローラ（ＰＣ）４８を経て、５：５カプラ４９に入射する。即ち、試料光路４０は光路Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｅ−Ｄ−Ｃ−Ｇ−Ｈで表され、そのうちの光路Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｅ−Ｄは、大気中を光が伝搬する空間光路であり（ただし、試料光路側コリメータレンズ部と試料光路側対物レンズ部を除く）、それ以外の部分（光路Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ、光路Ｄ−Ｃ−Ｇ−Ｈ）は光通信用シングルモードファイバ（ＳＭＦ）で構成されている（ただし、試料光路側サーキュレータ及び試料光路側偏波コントローラの内部を除く）。
【００３８】
一方、参照光路４１に入射した参照光は、参照光路側サーキュレータ５０、参照光入力／送出口５１、参照光路側コリメータレンズ５２、参照光路側対物レンズ５３を経て参照反射鏡５４に入射した後、参照反射鏡５４により反射された参照光は再び同じ光路を経て参照光路側サーキュレータ５０に戻り参照光路側偏波コントローラ（ＰＣ）５５を経て５：５カプラ４９に入射する。即ち、参照光路は光路Ｉ−Ｊ−Ｋ−Ｌ−Ｍ−Ｌ−Ｋ−Ｎ−Ｏで表され、そのうちの光路Ｌ−Ｍ−Ｌは、大気中を光が伝搬する空間光路であり（ただし、参照光路側コリメータレンズ部と参照光路側対物レンズ部を除く）、それ以外の部分（光路Ｉ−Ｊ−Ｋ−Ｌ、光路Ｌ−Ｋ−Ｎ−Ｏ）は光通信用シングルモードファイバ（ＳＭＦ）で構成されている（ただし、参照光路側サーキュレータ及び参照光路側偏波コントローラの内部を除く）。
【００３９】
５：５カプラ４９に入射した信号光と参照光は干渉信号となり、バランスレシーバ３３に入射され電気信号に変換される。バランスレシーバ３３は光入力ポートを２つ有し、干渉信号の直流成分を自動的に除去し干渉成分のみを取り出すことができる。バランスレシーバ３３から出力された電気信号は、Ａ／Ｄ変換回路３４においてアナログ電気信号からデジタル電気信号に変換された後、演算制御装置３７に取り込まれ、数値処理される。数値処理された測定データは、画像表示装置３８上に表示される。干渉信号電流は、本発明の分散方式高速波長掃引光源１０の発振周波数切替と同期してサンプリングされ、高速Fourier 変換（ＦＦＴ）または離散Fourier 変換（ＤＦＴ）により反射強度の深さ方向依存性の情報を得ることができる。
【００４０】
ここで、先に述べたように分散方式高速波長掃引光源１０の周波数間隔ｆ0＝１２．５ＧＨｚ（波長換算で約０．１ｎｍ）、波長帯域７９ｎｍ（周波数帯域Δｆ＝９．８７５ＴＨｚ）、波長チャネル数Ｎ＝７９０のシングルモード光を、掃引時間ｔｓ＝８０ｎｓで掃引することにより干渉信号を得る。このとき、１回の掃引で得る干渉信号を、演算制御装置３７においてＦＦＴまたはＤＦＴによる数値処理を経て変換されたデータをA-line信号と称し、これは深さ方向の反射強度分布を示す一次元情報である。そのため、A-line走査時間（走査率）は掃引時間ｔｓと同じ８０ｎｓ（１２．５ＭＨｚ）となり、前記従来技術（１６ｋＨｚ）と比べ、飛躍的に高速化を実現している。また、二次元情報を得るためには、ガルバノミラー４５を駆動することにより、試料光のビームを偏向して僅かに試料４７へのビームの照射位置をずらした状態で波長掃引を行いA-line信号を取得する。この動作を複数回繰り返すことにより二次元情報（B-scan信号）を得ることができる。そのため、A-line信号を５００本取得して得たB-scan信号を得る為に要した時間、すなわちB-scan走査時間（走査率）は、４０μｓ（２５ｋＨｚ）である。さらに、前記ガルバノミラー４５をB-scan信号取得時のビーム走査時に対し、直角に交わる方向に沿って照射位置を連続的に複数回ずらしていくことにより、三次元情報を得ることができる。よって、B-scan信号を５００個取得して得た三次元情報を得るために要した時間（走査率）は、２０ｍｓ（５０Ｈｚ）である。よって、本発明の分散方式高速波長掃引光源１０を用いたＯＦＤＩ−ＯＣＴ法を利用した断層像撮影装置を用いれば、１秒間に５０フレームの三次元画像を取得できるため、リアルタイムで三次元画像を表示することが可能となる。前記ガルバノミラー４５の制御は、演算制御装置３７において前記分散方式高速波長掃引光源１０の掃引トリガと同期して行い、制御信号はＤＡ変換回路３５とガルバノ制御回路３６を経てガルバノミラー４５に伝達される。
【００４１】
図８に、本発明の分散方式高速波長掃引光源１０を用いたＯＦＤＩ−ＯＣＴ法による断層像撮像装置によって測定した、ヒトから摘出した歯を試料としたときのA-line信号を示す。同図は、信号光強度の深さ位置依存性を示しており、５００本取得したA-line信号の一つである。同図において、深さ１．５ｍｍと３．０ｍｍ付近とにおける反射ピークは、それぞれ、大気とエナメル質の界面による反射ピーク、エナメル質と象牙質の界面における反射ピークに対応している。また、深さ５．８ｍｍ付近における反射ピークは、象牙質内部に存在するクラック（空隙）による反射ピークである。また、同図において侵達度は６ｍｍ（光路長）、深さ方向の分解能は２３．５μｍ、A-line信号取得時間は８０ｎｓである。
【００４２】
深さ方向の測定範囲（侵達度）は、各波数における測定光の掃引時のコヒーレント長に依存する。従って、侵達度は測定光の掃引時の実効的なスペクトル線幅によって制限される。侵達度とスペクトル線幅は比例関係にあり、１０ｍｍの侵達度を確保するためには出射光のスペクトル線幅が１３ＧＨｚ以下、測定範囲２．５ｍｍを確保するためには出射光のスペクトル線幅が５２ＧＨｚ以下に設定することが必要である（特願２００４−２７６７７３）。
【００４３】
一方、侵達度Δｚは測定光の波数間隔δｋによっても制限される。ＯＤＦＤＩ−ＯＣＴ法においては、コヒーレント長がｍオーダと十分に長い場合、侵達度Δｚは波数間隔δｋを用いて、（３）式のように表される（特願２００４−２７６７７３）。
【００４４】
【数３】
2008191370.tif 000005
【００４５】
よって、周波数間隔ｆ0＝１２．５ＧＨｚより、波数に換算するとδｋ＝２６１．９８ｍ-1であるため、侵達度Δｚの理論値は、６ｍｍであり、図８の測定結果と良く一致する。なお、（３）式より、ＯＦＤＩ−ＯＣＴ法において侵達度の長大化を図るには、δｋを小さくすれば良い。そのため、例えばΔｚ＝１２ｍｍを得るためには、δｋ＝１３０．９９ｍ-1にすれば良い。これを実現するには、本発明の分散方式高速波長掃引光源１０におけるＳＣ光源１１の種光源１５であるモード同期レーザを、駆動電気周波数ｆ0＝６．２５ＧＨｚでモード同期できる素子に置き換えることにより容易に実現可能である。
【００４６】
次に、掃引繰り返し時間ｔ3の設定値について説明する。
まず、ｔ3についてここで、測定対象が生体に係るものである場合に測定対象が微動することを考慮すれば、許容される分解能Δｚ、測定対象が動く速度がｖとすれば、ｔ3の許容範囲は
ｔ3 ＜ （又は＝）    Δｘ／ｖ
である。ここで、Δｘは８０μｍ程度である（特願２００４−２７６７７３）。したがって、ｖ＝１ｍｍ／ｓｅｃ程度のときｔ３は８０ｍｓｅｃ以下、ｖ＝１０ｍｍ／ｓｅｃ程度のときｔ3は８ｍｓｅｃ以下であることを必要とする。したがって、ｔ3は最大で８０ｍｓｅｃまで設定できれば本測定に十分適用できる。
【００４７】
次に、ゲート時間幅（サンプリング時間）ｔ２の設定値について説明する（図６参照）。波長数をＮとすれば、
ｔ2 ＜ （又は＝）    ｔ3／Ｎ
である。これより、Ｎ＝１０００のときにｔ２は８０（ｖ＝１ｍｍ／ｓｅｃのとき）−８μｓｅｃ（ｖ＝１０ｍｍ／ｓｅｃのとき）以下であること、Ｎ＝１００のときにｔ2は８００（ｖ＝１ｍｍ／ｓｅｃのとき）−８０μｓｅｃ（ｖ＝１０ｍｍ／ｓｅｃのとき）以下であることを必要とする。したがって、ｔ２は最大で８００μｓｅｃまで設定できれば本測定に十分適用できる。
【００４８】
また、図９には同じ試料のB-scan信号を示す。B-scan信号は、先に説明したようにガルバノミラー４５により試料光の照射位置を３０μｍずつB-scan方向に沿ってずらしてA-line信号を取得することを５００回繰り返して得られた信号であり、B-scan範囲は１５ｍｍである。同図中、一点鎖線部分は図８に示したA-line信号に対応しており、B-scan信号取得時間は、４０μｓである。図９より、大気とエナメル質の界面、エナメル質と象牙質の界面、クラックの様子が二次元断層像として明瞭に観測できることを確認した。さらに、図示はしないが、図９に示したB-scan画像を、先に説明したように試料光の照射位置を３０μｍずつB-scan方向の直角方向に沿ってずらしてB-scanを取得することを５００回繰り返すことにより、歯の三次元画像を得ることに成功した。このときの三次元画像サイズは、深さ６ｍｍ、縦および横１５ｍｍであり、三次元画像取得時間は２０ｍｓであった。
【００４９】
よって、本発明を用いれば、例えば三次元光計測において１秒間に５０程度の三次元画像を取得することができるため、リアルタイムの三次元計測が可能となる。また、種光源１５の駆動時に、周波数間隔が等間隔になるように設定されているので、周波数間隔の設定精度が高く（１ｋＨｚ）、また従来技術とは異なり波数軸上へのリスケーリングも不要であるため、光源のシステムが簡素化される。また前記種光源１５である能動モード同期レーザの駆動電気周波数ｆ0を変化させることにより、多波長光発生光源の周波数間隔ｆ0を変えることができ、また光ゲートスイッチの繰り返し時間ｔ3を調整することにより、波長掃引繰り返し速度ｔr（＝ｔ3）を調整することができるなど柔軟性が高い分散方式高速波長掃引光源を提供できる。また、光源の波長掃引機構には回折格子やＲＧＭなどの機械駆動部分を含まない。よって、精密な組立や位置合わせを全く必要としないため、生産性が高い。さらに、コヒーレンス長の長い能動半導体モード同期レーザを種光源１５として用いるため、発振スペクトル幅が５ＭＨｚ以下、コヒーレント長１０ｍ程度の非常に良好で、かつ単一モード発振した光スペクトルを有する光を得ることが可能となる。さらに、掃引時におけるコヒーレンス長は掃引速度の増加に伴い劣化することなく、ｃｗ発振時と同じコヒーレンス長を維持することが可能となる。そのため、ＯＣＴ測定においては侵達度の劣化がなく、理論値と同じ侵達度を得ることが可能となる。
【００５０】
そのため、光計測においてはリアルタイムで三次元画像が取得可能になる。また、波数軸上へのリスケーリングが不要となるため、リスケーリング用のエタロンフィルタ等が不要となり光源のシステムが簡略化されるため、生産性が高い分散方式高速波長掃引光源を提供することが可能となる。
【００５１】
上述の実施例においては、スペクトル形状が矩形の場合について説明したが、スペクトル形状をガウシアン形状等別のものに変えても、分解能等は大きくは変わらず得られる効果も矩形の場合とほぼ同じである。
【実施例２】
【００５２】
（ＳＣ光源を用いた高速波長掃引光源による光学部品評価装置）
以下、実施例１で用いた本発明の分散方式高速波長掃引光源１０を用いた光学部品評価装置について図１０を用いて説明する。本装置は、本発明の分散方式高速波長掃引光源１０、被評価光デバイス（ＤＵＴ）２０２、受光器２０３、ＡＤ変換回路２０４、演算制御装置２０５、画像表示装置２０６から成り、前記分散方式高速波長掃引光源１０とＤＵＴ２０２，ＤＵＴ２０２と受光器２０３はＳＭＦで接続されている。分散方式高速波長掃引光源１０からの出力は、ＤＵＴ２０２に入射し、ＤＵＴ２０２を透過した光は受光器２０３を入射し、アナログ電気信号に変換される。アナログ電気信号は、ＡＤ変換回路２０４によりデジタル信号に変換された後、演算制御装置２０５によりデータ処理され、画像表示装置２０６にデータが表示される。よって、本装置は光デバイスの透過率の波長依存性を高速に測定することのできる光学部品評価装置である。
【００５３】
図１１に示したＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit、平面光波回路）型Mach-Zehnder（ＭＺ）干渉計をＤＵＴ２０２として測定したときの例について詳細を述べる。図１１において、ＭＺ干渉計はガラス系材質から成るＰＬＣ基板２１０上に光導波路構造を形成することにより作成される。同ＭＺ干渉計のポートＡに入力した光は、前記ＭＺ干渉計を経てポートＢ及びポートＣから出力される。前記ポートＢおよびポートＣから出力される光強度は、前記ＭＺ干渉計の光路長差ΔＬ（本実施例の場合、１．００ｍｍに設定）から決まるフィルタ特性により、波長依存性を有する。よって、前記ＭＺ干渉計をＤＵＴ２０２として本発明の波長掃引光源からの光を入射することにより、前記ＤＵＴ２０２における透過率の波長依存性を計測することが可能となる。
【００５４】
なお、本発明の光学部品評価装置における分散方式高速波長掃引光源１０は、実施例１と同じ装置構成のものを用い、周波数間隔ｆ0＝１２．５ＧＨｚ（波長換算で約０．１ｎｍ）、波長帯域７９ｎｍ（周波数帯域Δｆ＝９．８７５ＴＨｚ）、波長チャネル数Ｎ＝７９０のシングルモード光を、掃引時間ｔｓ＝８０ｎｓで掃引することができるため、非常に高速に評価を行うことができる。
【００５５】
図１２に本装置を用いて、図１１に示したＰＬＣ型ＭＺ干渉計をＤＵＴ２０２とした場合の評価結果を示す。図１２において、前記ＤＵＴ２０２のポートＢからの光出力強度を縦軸に、本発明の波長掃引光源１０の出力光波長を横軸にプロットしている。図１２に示したように、前記ＭＺ干渉系の光路長差ΔＬ＝１．００ｍｍに対応した波長軸上において周期的に光強度が変化する様子が分かる。このようにして、光学部品の透過率の波長依存性を評価することが可能となる。
【実施例３】
【００５６】
（モード同期レーザを用いた高速波長掃引光源によるＯＣＴ装置）
以下、図１３に基づいて本発明の第３実施例について詳細に説明する。まず、装置構成について説明する。図１３に示したように、本発明の分散方式高速波長掃引光源３００は、能動半導体モード同期レーザ３０１、光ゲートスイッチ３０２、分散制御ファイバ３０３、広帯域光増幅器３０４から構成される。全ての装置間は光ファイバで接続されている。以下、詳細について述べる。
【００５７】
前記能動半導体モード同期レーザ３０１は、共振器内部の光変調器に、共振器長から決まる繰り返し周波数を印加することによりパルス光を発生させることができる強制モード同期型のレーザである。前記能動半導体モード同期レーザ３０１の光変調器部に繰り返し周波数ｆ0＝１２．５ＧＨｚの高周波信号を印加すると、繰り返し周波数ｆ0と同じ周期で繰り返し発生する光パルス列が生成される。このとき、前記繰り返し光パルス列の光周波数スペクトルは、フーリエ変換の関係により、繰り返し周波数ｆ0と同じ周波数間隔を有する複数の縦モードを有している。光周波数スペクトル幅は、４．８７５ＴＨｚ（波長帯域３９ｎｍ）と広帯域になる。
【００５８】
前記能動半導体モード同期レーザ３０１の特徴は、広帯域であると同時に周波数間隔が前記能動半導体モード同期レーザ３０１の駆動周波数のみで決定されることから、周波数間隔の設定精度が１ｋＨｚ以下と非常に良好であるため、広帯域光ファイバ通信への適用が期待されている。なお、前記能動半導体モード同期レーザ３０１により生成された多波長光の様子を、図１４（ａ）に示す。この図は、図１３においてＡの場所で観測される多波長光を、波長数が４波長のときに簡略化して示したものであり、光フィルタにより唯一の波長チャネルを取り出して観測を行った結果を、４波長について重ね書きしたものである。また、先に述べたように波長チャネル間隔は、周波数軸上で等間隔である（周波数間隔ｆ0＝１２．５ＧＨｚ）。前記能動半導体モード同期レーザ３０１から生成される多波長光パルス列は、フーリエ変換の関係から、唯一の波長を光フィルタにより取り出して観測した場合、連続光として観測される。
【００５９】
本発明は前記能動半導体モード同期レーザ３０１から一括生成された多波長光を、光ゲートスイッチ３０２と分散制御ファイバ３０３を用いて、波長掃引光源を実現したことを最大の特徴とする。以下、さらに詳細について説明を続ける。
【００６０】
続いて、連続して生成される繰り返し光パルス列の一部を時間軸上で切り出すために、前記能動半導体モード同期レーザ３０１からの繰り返し光パルス列を光切り出し手段である光ゲートスイッチ３０２に入射する。前記光ゲートスイッチ３０２には、リチウムナイオベート（ＬＮ）光変調器を用いた。ここで、前記光ゲートスイッチ３０２への駆動電圧は、ゲート時間幅ｔ2＝２０．０ＧＨｚ（５０ｐｓ）の光パルス列を周波数１２．５ＭＨｚ（繰り返し時間ｔ3＝８０ｎｓ）で繰り返し得られるように設定した。このようにして前記能動半導体モード同期レーザ３０１により生成された繰り返し光パルス列を、時間軸上で切り出した様子を図１４（ｂ）に示す。なお、図１４（ｂ）は、図１３においてＢの場所で観測される光パルス列を簡略化して示したものであり、光フィルタにより唯一の波長チャネルを取り出して観測を行った結果を、４波長について重ね書きしたものである。
【００６１】
次に、時間軸上で切り出された光パルス列を、波長分散媒質である分散制御ファイバ３０３に入射する。前記分散制御ファイバ３０３は、通常の光ファイバ通信で用いられるシングルモードファイバよりも強い波長分散特性を有することを特徴とし、本実施例においては波長１５５０ｎｍにおける波長分散が−８５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、伝搬損失が０．４ｄＢ／ｋｍである分散補償ファイバを用いた。なお、前記分散補償ファイバは、通常のシングルモードファイバで構築した光ファイバ通信網において、光信号の伝搬と共に累積した波長分散を補償し、受信感度の低下を防ぐため、または伝送距離の長距離化のために製造されたファイバである。しかしながら、ここでは前記分散補償ファイバの波長分散の絶対値が、通常のシングルモードファイバのそれの５倍程度の値になっていることを積極的に利用することを特徴とする。そのため、本実施例においては前記分散補償ファイバを分散補償の目的で用いないことを明確化するために、以下分散制御ファイバ３０３と称することにする。
【００６２】
前記分散制御ファイバ３０３に入射された光パルス列は、前記分散制御ファイバ３０３の強い波長分散特性により、比較的短距離を伝搬しただけで波長毎に伝搬時間が異なる現象が起こる。そのため、ある波長におけるσの波長分散特性を有する分散制御ファイバ３０３を用いて周波数間隔ｆ0（波長間隔λ0）である波長λ1の光パルスと波長λ2の光パルスの伝搬時間差（遅延時間）をｔdとしたいときには、前記分散制御ファイバ３０３の長さＬfiberは（４）式のように表される。
【００６３】
【数４】
2008191370.tif 000006
【００６４】
よって、たとえば周波数間隔ｆ0＝１２．５ＧＨｚ（波長間隔λ0＝０．１ｎｍ）である波長λ1の光パルスと波長λ2の光パルスの遅延時間ｔdを１００ｐｓとしたいときには、前記分散制御ファイバ３０３の長さＬfiberを１１．８ｋｍに設定すれば良い。このように、前記分散制御ファイバ３０３の強い波長分散特性を積極的に利用することにより、前記多波多重化された光パルス列を、時間軸上で波長毎に分離することが可能となる。すなわち、時間軸上で波長毎に分離された個々の光パルスは単一波長、すなわちシングルモード発振した波長スペクトルを有する。このときの様子を図１４（ｃ）に示す。なお、図１４（ｃ）は、図１３においてＣの場所で観測される光パルス列を簡略化して示したものであり、光フィルタにより唯一の波長チャネルを取り出して観測を行った結果を、４波長について重ね書きしたものである。なお、ここで遅延時間ｔdとしてゲート時間幅ｔ2の２倍の値、すなわちｔd＝１００ｐｓとした。遅延時間は、前記分散制御ファイバ３０３の分散特性に波長依存性があるため、波長チャネル毎に僅かに異なる。そのため、ここでの遅延時間は平均値を示している。また、本実施例における分散方式高速波長掃引光源３００の波長掃引時間ｔｓと掃引繰り返し時間ｔr（＝ｔ3）は、それぞれ３９ｎｓ、４０ｎｓである。本発明の分散方式高速波長掃引光源３００は、上記の方法により波長多重化された光パルス列を、波長毎に時間的に分離することを実現したことを特徴とする。
【００６５】
最後に、生成された光パルス列（分散制御ファイバ３０３から出力された光パルス列）は、光ゲートスイッチ３０２、分散制御ファイバ３０３を経たことにより、波長毎の光強度が−３２ｄＢｍ程度に低下している。そのため、広帯域光増幅器３０４により光強度を−７ｄＢｍ程度まで増大した。本実施例では、広帯域光増幅器として光ファイバ増幅器（Erbium-Doped Tellurite Fiber Amplifier, ＥＤＴＦＡ）を用いた。
【００６６】
以上のようにして、本発明により分散方式高速波長掃引光源３００を用いれば、周波数間隔ｆ0＝１２．５ＧＨｚ（波長換算で約０．１ｎｍ）、波長帯域３９ｎｍ（周波数帯域Δｆ＝４．８７５ＴＨｚ）、波長チャネル数Ｎ＝３９０のシングルモード光を、掃引時間ｔｓ＝４０ｎｓで掃引することが可能となる。本発明の分散方式高速波長掃引光源３００を用いて波長掃引を２回行った際の様子を図１５に示す。なお、本発明の分散方式高速波長掃引光源３００の発振スペクトルの線幅は、１０ＭＨｚ以下であるため、コヒーレンス長は１０ｍ以上と非常に長い。また、先に述べた理由からコヒーレンス長は波長掃引時においても劣化することなく１０ｍ以上のコヒーレンス長を有している。
【００６７】
続いて、本発明の分散方式高速波長掃引光源を用いて行ったＯＣＴ測定について示す。図１６に本発明者等が開発したＯＦＤＩ−ＯＣＴ法を利用した断層像撮影装置を示す（特願２００４−２７６７７３）。本装置は主に、本発明の分散方式高速波長掃引光源３００、ファイバ型Mach-Zehnder干渉計３２、バランスレシーバ３３、ＡＤ変換回路３４、ＤＡ変換回路３５、ガルバノミラー制御回路３６、演算制御装置３７、画像表示装置３８から構成される。本発明の分散方式高速波長掃引光源３００からの出射光は、９：１カプラ３９により試料光路４０に９０％、参照光路４１に１０％の光が入射する。試料光路４０に入射したレーザ光は、試料光路側サーキュレータ４２、測定光入力／信号光送出口４３、試料光路側コリメータレンズ４４、ガルバノメータミラー４５、試料光路側対物レンズ４６を経て試料４７に入射した後、試料４７からの後方反射または散乱された信号光として再び同じ光路を経て試料光路側サーキュレータ４２に戻り試料光路側偏波コントローラ（ＰＣ）４８を経て、５：５カプラ４９に入射する。即ち、試料光路４０は光路Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｅ−Ｄ−Ｃ−Ｇ−Ｈで表され、そのうちの光路Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｅ−Ｄは、大気中を光が伝搬する空間光路であり（ただし、試料光路側コリメータレンズ部と試料光路側対物レンズ部を除く）、それ以外の部分（光路Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ、光路Ｃ−Ｇ−Ｈ）は光通信用シングルモードファイバ（ＳＭＦ）で構成されている（ただし、試料光路側サーキュレータ及び試料光路側偏波コントローラの内部を除く）。
【００６８】
一方、参照光路４１に入射した参照光は、参照光路側サーキュレータ５０、参照光入力／送出口５１、参照光路側コリメータレンズ５２、参照光路側対物レンズ５３を経て参照反射鏡５４に入射した後、参照反射鏡５４により反射された参照光は再び同じ光路を経て参照光路側サーキュレータ５０に戻り参照光路側偏波コントローラ（ＰＣ）５５を経て５：５カプラ４９に入射する。即ち、参照光路は光路Ｉ−Ｊ−Ｋ−Ｌ−Ｍ−Ｌ−Ｋ−Ｎ−Ｏで表され、そのうちの光路Ｌ−Ｍ−Ｌは、大気中を光が伝搬する空間光路であり（ただし、参照光路側コリメータレンズ部と参照光路側対物レンズ部を除く）、それ以外の部分（光路Ｉ−Ｊ−Ｋ−Ｌ、光路Ｌ−Ｋ−Ｎ−Ｏ）は光通信用シングルモードファイバ（ＳＭＦ）で構成されている（ただし、参照光路側サーキュレータ及び参照光路側偏波コントローラの内部を除く）。
【００６９】
５：５カプラ４９に入射した信号光と参照光は干渉信号となり、バランスレシーバ３３に入射され電気信号に変換される。バランスレシーバ３３は光入力ポートを２つ有し、干渉信号の直流成分を自動的に除去し干渉成分のみを取り出すことができる。バランスレシーバ３３から出力された電気信号は、Ａ／Ｄ変換回路３４においてアナログ電気信号からデジタル電気信号に変換された後、演算制御装置３７に取り込まれ、数値処理される。数値処理された測定データは、画像表示装置３８上に表示される。干渉信号電流は、本発明の分散方式高速波長掃引光源３００の発振周波数切替と同期してサンプリングされ、高速Fourier 変換（ＦＦＴ）または離散Fourier 変換（ＤＦＴ）により反射強度の深さ方向依存性の情報を得ることができる。
【００７０】
ここで、先に述べたように分散方式高速波長掃引光源３００の周波数間隔ｆ0＝１２．５ＧＨｚ（波長換算で約０．１ｎｍ）、波長帯域３９ｎｍ（周波数帯域Δｆ＝４．８７５ＴＨｚ）、波長チャネル数Ｎ＝３９０のシングルモード光を、掃引時間ｔｓ＝４０ｎｓで掃引することにより干渉信号を得る。このとき、１回の掃引で得る干渉信号を、演算制御装置３７においてＦＦＴまたはＤＦＴによる数値処理を経て変換されたデータをA-line信号と称し、これは深さ方向の反射強度分布を示す一次元情報である。そのため、A-line走査時間（走査率）は掃引時間ｔｓと同じ４０ｎｓ（２５ＭＨｚ）となり、前記従来技術（１６ｋＨｚ）と比べ、飛躍的に高速化を実現している。また、二次元情報を得るためには、ガルバノミラー４５を駆動することにより、試料光のビームを偏向して僅かに試料４７へのビームの照射位置をずらした状態で波長掃引を行いA-line信号を取得する。この動作を複数回繰り返すことにより二次元情報（B-scan信号）を得ることができる。そのため、A-line信号を５００本取得して得たB-scan信号を得る為に要した時間、すなわちB-scan走査時間（走査率）は、２０μｓ（５０ｋＨｚ）である。さらに、前記ガルバノミラー４５をB-scan信号取得時のビーム走査時に対し、直角に交わる方向に沿って照射位置を連続的に複数回ずらしていくことにより、三次元情報を得ることができる。よって、B-scan信号を５００個取得して得た三次元情報を得るために要した時間（走査率）は、１０ｍｓ（１００Ｈｚ）である。よって、本発明の分散方式高速波長掃引光源３００を用いたＯＦＤＩ−ＯＣＴ法を利用した断層像撮影装置を用いれば、１秒間に１００フレームの三次元画像を取得できるため、リアルタイムで三次元画像を表示することが可能となる。前記ガルバノミラー４５の制御は、演算制御装置において前記分散方式高速波長掃引光源３００の掃引トリガと同期して行い、制御信号はＤＡ変換回路３５とガルバノ制御回路３６を経てガルバノミラー４５に伝達される。
【００７１】
図１７に、本発明の分散方式高速波長掃引光源３００を用いたＯＦＤＩ−ＯＣＴ法による断層像撮像装置によって測定した、ヒトから摘出した歯を試料としたときのA-line信号を示す。同図は、信号光強度の深さ位置依存性を示したおり、５００本取得したA-line信号の一つである。同図において、深さ１．５ｍｍと３．０ｍｍ付近とにおける反射ピークは、それぞれ、大気とエナメル質の界面による反射ピーク、エナメル質と象牙質の界面における反射ピークに対応している。また、深さ５．８ｍｍ付近における反射ピークは、象牙質内部に存在するクラック（空隙）による反射ピークである。また、同図において侵達度は６ｍｍ（光路長）、深さ方向の分解能は２７μｍ、A-line信号取得時間は４０ｎｓである。ＯＦＤＩ−ＯＣＴ法においては、コヒーレンス長がｍオーダと十分に長い場合、侵達度Δｚは波数間隔δｋを用いて、（５）式のように表される（特願２００４−２７６７７３）。
【００７２】
【数５】
2008191370.tif 000007
【００７３】
よって、周波数間隔ｆ0＝１２．５ＧＨｚより、波数に換算するとδｋ＝２６１．９８ｍ-1であるため、侵達度Δｚの理論値は、６ｍｍであり、図１７の測定結果と良く一致する。なお、（５）式より、ＯＦＤＩ−ＯＣＴ法において侵達度の長大化を図るには、δｋを小さくすれば良い。そのため、例えばΔｚ＝１２ｍｍを得るためには、δｋ＝１３０．９９ｍ-1にすれば良い。これを実現するには、前記能動半導体モード同期レーザ３０１を、駆動電気周波数ｆ0＝６．２５ＧＨｚでモード同期できる素子に置き換えることにより容易に実現可能である。
【００７４】
また、図１８には同じ試料のB-scan信号を示す。B-scan信号は、先に説明したようにガルバノミラー４５により試料光の照射位置を３０μｍずつB-scan方向に沿ってずらしてA-line信号を取得することを５００回繰り返して得られた信号であり、B-scan範囲は１５ｍｍである。同図中、一点鎖線部分は図１７に示したA-line信号に対応しており、B-scan信号取得時間は、２０μｓである。図１８より、大気とエナメル質の界面、エナメル質と象牙質の界面、クラックの様子が二次元断層像として明瞭に観測できることを確認した。さらに、図示はしないが、図１８に示したB-scan画像を、先に説明したように試料光の照射位置を３０μｍずつB-scan方向の直角方向に沿ってずらしてB-scanを取得することを５００回繰り返すことにより、歯の三次元画像を得ることに成功した。このときの三次元画像サイズは、深さ６ｍｍ、縦および横１５ｍｍであり、三次元画像取得時間は１０ｍｓであった。
【００７５】
よって、本発明を用いれば、例えば三次元光計測において１秒間に１００程度の三次元画像を取得することができるため、リアルタイムの三次元計測が可能となる。また、前記能動半導体モード同期レーザ３０１の駆動時に、周波数間隔が等間隔になるように設定されているので、周波数間隔の設定精度が高く（１ｋＨｚ）、また従来技術とは異なり波数軸上へのリスケーリングも不要であるため、光源のシステムが簡素化される。また前記能動半導体モード同期レーザ３０１の駆動電気周波数ｆ0を変化させることにより、周波数間隔ｆ0を変えることができ、また光ゲートスイッチの繰り返し時間ｔ3を調整することにより、波長掃引繰り返し速度ｔr（＝ｔ3）を調整することができるなど柔軟性が高い分散方式高速波長掃引光源を提供できる。また、光源の波長掃引機構には回折格子やＲＧＭなどの機械駆動部分を含まない。よって、精密な組立や位置合わせを全く必要としないため、生産性が高い。さらに、コヒーレンス長の長い能動半導体モード同期レーザ３０１を用いるため、発振スペクトル幅が５ＭＨｚ以下、コヒーレンス長１０ｍ程度の非常に良好で、かつ単一モード発振した光スペクトルを有する光を得ることが可能となる。さらに、掃引時におけるコヒーレンス長は掃引速度の増加に伴い劣化することなく、ｃｗ発振時と同じコヒーレンス長を維持することが可能となる。そのため、ＯＣＴ測定においては侵達度の劣化がなく、理論値と同じ侵達度を得ることが可能となる。
【実施例４】
【００７６】
（モード同期レーザを用いた高速波長掃引光源による光学部品評価装置）
以下、実施例３で用いた本発明の分散方式高速波長掃引光源３００を用いた光学部品評価装置について図１９を用いて説明する。本装置は、本発明の分散方式高速波長掃引光源３００、被評価光デバイス（ＤＵＴ）４０２、受光器４０３、ＡＤ変換回路４０４、演算制御装置４０５、画像表示装置４０６から成り、前記分散方式高速波長掃引光源３００とＤＵＴ４０２，ＤＵＴ４０２と受光器４０３はＳＭＦで接続されている。分散方式高速波長掃引光源３００からの出力は、ＤＵＴ４０２に入射し、ＤＵＴ４０２を透過した光は受光器４０３を入射し、アナログ電気信号に変換される。アナログ電気信号は、ＡＤ変換回路４０４によりデジタル信号に変換された後、演算制御装置４０５によりデータ処理され、画像表示装置４０６にデータが表示される。よって、本装置は光デバイスの透過率の波長依存性を高速に測定することのできる光学部品評価装置である。
【００７７】
図２０に示したＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit、平面光波回路）型Mach-Zehnder（ＭＺ）干渉計をＤＵＴ４０２として測定したときの例について詳細を述べる。図２０において、ＭＺ干渉計はガラス系材質から成るＰＬＣ基板４１０上に光導波路構造を形成することにより作成される。同ＭＺ干渉計のポートＡに入力した光は、前記ＭＺ干渉計を経てポートＢ及びポートＣから出力される。前記ポートＢおよびポートＣから出力される光強度は、前記ＭＺ干渉計の光路長差ΔＬ（本実施例の場合、１．００ｍｍに設定）から決まるフィルタ特性により、波長依存性を有する。よって、前記ＭＺ干渉計をＤＵＴ４０２として本発明の波長掃引光源３００からの光を入射することにより、前記ＤＵＴ４０２における透過率の波長依存性を計測することが可能となる。
【００７８】
なお、本発明の光学部品評価装置における分散方式高速波長掃引光源３００は、実施例３と同じ装置構成のものを用い、周波数間隔ｆ0＝１２．５ＧＨｚ（波長換算で約０．１ｎｍ）、波長帯域３９ｎｍ（周波数帯域Δｆ＝４．８７５ＴＨｚ）、波長チャネル数Ｎ＝３９０のシングルモード光を、掃引時間ｔｓ＝４０ｎｓで掃引することができるため、非常に高速に評価を行うことができる。
【００７９】
図２１に本装置を用いて、図２０に示したＰＬＣ型ＭＺ干渉計をＤＵＴ４０２とした場合の評価結果を示す。図２１において、前記ＤＵＴ４０２のポートＢからの光出力強度を縦軸に、本発明の波長掃引光源３００の出力光波長を横軸にプロットしている。図２１に示したように、前記ＭＺ干渉系の光路長差ΔＬ＝１．００ｍｍに対応した波長軸上において周期的に光強度が変化する様子が分かる。このようにして、光学部品の透過率の波長依存性を評価することが可能となる。
【実施例５】
【００８０】
（複数の単一波長光源を用いた分散方式高速波長掃引光源によるＯＣＴ装置）
以下、図２２に基づいて本発明の第５実施例について詳細に説明する。まず、装置構成について説明する。図２２に示したように、本発明の分散方式高速波長掃引光源５００は、Ｎ個の異なった波長（周波数）で発振する単一波長レーザ５０１−１〜５０１−Ｎ（以下、これらをＮ個の単一波長レーザ５０１とする）、合波器５０５、光ゲートスイッチ５０２、分散制御ファイバ５０３、広帯域光増幅器５０４から構成される。全ての装置間は光ファイバで接続されている。以下、詳細について述べる。
【００８１】
前記Ｎ個の単一波長レーザ５０１は、光ファイバ通信において実用化されている半導体ＤＦＢレーザを用い、個々の半導体ＤＦＢレーザの発振周波数間隔ｆ0＝２５ＧＨｚになるように設定し、ｃｗ発振状態で用いる。また、個々の半導体ＤＦＢレーザ内部には波長ロッカー機能を具備しており、発振周波数変化を常に±２．５ＧＨｚ以下に保つことができる。本実施例においては、Ｎ＝９５としたため全体の光周波数スペクトル幅は、２．３７５ＴＨｚ（波長帯域１９ｎｍ）になる。これらのＮ個の単一波長レーザ５０１から出射されたＮ波のレーザ光は、それぞれＮ本の光ファイバにより合波器５０５に導入され、合波器５０５の出口では１本のファイバにＮ波の波長の光が入射するため、波長多重光が生成されることによる。ここで、合波器５０５はＰＬＣ型ＡＷＧ（Arraved Waveguide Gratings：アレイ導波路回折格子）を用い、前記ＡＷＧの周波数間隔は２５ＧＨｚ、チャネル数は１００のものを用いた。
【００８２】
なお、前記Ｎ個の単一波長レーザ５０１とＡＷＧ５０５により生成された多波長光の様子を、図２３（ａ）に示す。この図は、図２２においてＡの場所で観測される多波長光を、波長数が４波長のときに簡略化して示したものである。また、先に述べたように波長チャネル間隔は、周波数軸上で等間隔である（周波数間隔ｆ0＝２５ＧＨｚ）。
【００８３】
本発明は前記Ｎ個の単一波長レーザ５０１とＡＷＧ５０５により生成された多波長光を、光ゲートスイッチ５０２と分散制御ファイバ５０３を用いて、波長掃引光源を実現したことを最大の特徴とする。以下、さらに詳細について説明を続ける。
【００８４】
続いて、連続して生成される多波長光の一部を時間軸上で切り出すために、前記Ｎ個の単一波長レーザ５０１およびＡＷＧ５０５から出射される多波長光を光切り出し手段である光ゲートスイッチ５０２に入射する。前記光ゲートスイッチ５０２には、リチウムナイオベート（ＬＮ）光変調器を用いた。ここで、前記光ゲートスイッチ５０２への駆動電圧は、ゲート時間幅ｔ2＝２０．０ＧＨｚ（５０ｐｓ）の多波長光を周波数２５ＭＨｚ（繰り返し時間ｔ3＝４０ｎｓ）で繰り返し得られるように設定した。このようにしてＮ個の単一波長レーザ５０１およびＡＷＧ５０５により生成された多波長光を、時間軸上で切り出した様子を図２３（ｂ）に示す。なお、図２３（ｂ）は、図２２においてＢの場所で観測される多波長光を簡略化して示したものであり、光フィルタにより唯一の波長チャネルを取り出して観測を行った結果を、４波長について重ね書きしたものである。
【００８５】
次に、時間軸上で切り出された多波長光を、波長分散媒質である分散制御ファイバ５０３に入射する。前記分散制御ファイバ５０３は、通常の光ファイバ通信で用いられるシングルモードファイバよりも強い波長分散特性を有することを特徴とし、本実施例においては波長１５５０ｎｍにおける波長分散が−８５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、伝搬損失が０．４ｄＢ／ｋｍである分散補償ファイバを用いた。なお、前記分散補償ファイバは、通常のシングルモードファイバで構築した光ファイバ通信網において、光通信の伝搬と共に累積した波長分散を補償し、受信感度の低下を防ぐため、または伝送距離の長距離化のために製造されたファイバである。しかしながら、ここでは前記分散補償ファイバの波長分散の絶対値が、通常のシングルモードファイバのそれの５倍程度の値になっていることを積極的に利用することを特徴とする。そのため、本実施例においては前記分散補償ファイバを分散補償の目的で用いないことを明確化するために、以下分散制御ファイバ５０３と称することにする。
【００８６】
前記分散制御ファイバ５０３に入射された多波長光２は、前記分散制御ファイバ５０３の強い波長分散特性により、比較的短距離を伝搬しただけで波長毎に伝搬時間が異なる現象が起こる。そのため、ある波長におけるσの波長分散特性を有する分散制御ファイバ５０３を用いて周波数間隔ｆ0（波長間隔λ0）である波長λ1の光と波長λ2の光の伝搬時間差（遅延時間）をｔdとしたいときには、前記分散制御ファイバ５０３の長さＬfiberは（６）式のように表される。
【００８７】
【数６】
2008191370.tif 000008
【００８８】
よって、たとえば周波数間隔ｆ0＝２５ＧＨｚ（波長間隔λ0＝０．２ｎｍ）である波長λ1の光と波長λ2の光の遅延時間ｔdを１００ｐｓとしたいときには、前記分散制御ファイバ５０３の長さＬfiberを５．８ｋｍに設定すれば良い。このように、前記分散制御ファイバ５０３の強い波長分散特性を積極的に利用することにより、前記多波長光を、時間軸上で波長毎に分離することが可能となる。すなわち、時間軸上で波長毎に分離された個々の光は単一波長、すなわちシングルモード発振した波長スペクトルを有する。このときの様子を図２３（ｃ）に示す。なお、図２３（ｃ）は、図２２においてＣの場所で観測される光パルス列を簡略化して示したものであり、光フィルタにより唯一の波長チャネルを取り出して観測を行った結果を、４波長について重ね書きしたものである。なお、ここで遅延時間ｔdとしてゲート時間幅ｔ2の２倍の値、すなわちｔd＝１００ｐｓとした。遅延時間は、前記分散制御ファイバ５０３の分散特性に波長依存性があるため、波長チャネル毎に僅かに異なる。そのため、ここでの遅延時間は平均値を示している。また、本実施例における分散方式高速波長掃引光源５００の波長掃引時間ｔｓと掃引繰り返し時間ｔr（＝ｔ3）は、それぞれ１９ｎｓ、２０ｎｓである。本発明の分散方式高速波長掃引光源５００は、上記の方法により多波長光を、波長毎に時間的に分離することを実現したことを特徴とする。
【００８９】
最後に、生成された光パルス列（分散制御ファイバ５０３から出力された光パルス列）は、光ゲートスイッチ５０２、分散制御ファイバ５０３を経たことにより、波長毎の光強度が−３２ｄＢｍ程度に低下している。そのため、広帯域光増幅器５０４により光強度を−７ｄＢｍ程度まで増大した。本実施例では、広帯域光増幅器５０４として光ファイバ増幅器（Erbium-Doped Fiber Amplifier, ＥＤＦＡ）を用いた。
【００９０】
以上のようにして、本発明により分散方式高速波長掃引光源５００を用いれば、周波数間隔ｆ0＝２５ＧＨｚ（波長換算で約０．２ｎｍ）、波長帯域１９ｎｍ（周波数帯域Δｆ＝２．３７５ＴＨｚ）、波長チャネル数Ｎ＝９５のシングルモード光を、掃引時間ｔｓ＝２０ｎｓで掃引することが可能となる。本発明の分散方式高速波長掃引光源５００を用いて波長掃引を２回行った際の様子を図２４に示す。なお、本発明の分散方式高速波長掃引光源５００の発振スペクトルの線幅は、１０ＭＨｚ以下であるため、コヒーレンス長は１０ｍ以上と非常に長い。また、先に述べた理由からコヒーレンス長は波長掃引時においても劣化することなく１０ｍ以上のコヒーレンス長を有している。
【００９１】
続いて、本発明の分散方式高速波長掃引光源５００を用いて行ったＯＣＴ測定について示す。図２５に本発明者等が開発したＯＦＤＩ−ＯＣＴ法を利用した断層像撮影装置を示す（特願２００４−２７６７７３）。本発明の分散方式高速波長掃引光源５００、ファイバ型Mach-Zehnder干渉計３２、バランスレシーバ３３、ＡＤ変換回路３４、ＤＡ変換回路３５、ガルバノミラー制御回路３６、演算制御装置３７、画像表示装置３８から構成される。本発明の分散方式高速波長掃引光源５００からの出射光は、９：１カプラ３９により試料光路４０に９０％、参照光路４１に１０％の光が入射する。試料光路４０に入射したレーザ光は、試料光路側サーキュレータ４２、測定光入力／信号光送出口４３、試料光路側コリメータレンズ４４、ガルバノメータミラー４５、試料光路側対物レンズ４６を経て試料４７に入射した後、試料４７からの後方反射または散乱された信号光として再び同じ光路を経て試料光路側サーキュレータ４２に戻り試料光路側偏波コントローラ（ＰＣ）４８を経て、５：５カプラ４９に入射する。即ち、試料光路４０は光路Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｅ−Ｄ−Ｃ−Ｇ−Ｈで表され、そのうちの光路Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｅ−Ｄは、大気中を光が伝搬する空間光路であり（ただし、試料光路側コリメータレンズ部と試料光路側対物レンズ部を除く）、それ以外の部分（光路Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ、光路Ｃ−Ｇ−Ｈ）は光通信用シングルモードファイバ（ＳＭＦ）で構成されている（ただし、試料光路側サーキュレータ及び試料光路側偏波コントローラの内部を除く）。
【００９２】
一方、参照光路４１に入射した参照光は、参照光路側サーキュレータ５０、参照光入力／送出口５１、参照光路側コリメータレンズ５２、参照光路側対物レンズ５３を経て参照反射鏡５４に入射した後、参照反射鏡５４により反射された参照光は再び同じ光路を経て参照光路側サーキュレータ５０に戻り参照光路側偏波コントローラ（ＰＣ）５５を経て５：５カプラ４９に入射する。即ち、参照光路は光路Ｉ−Ｊ−Ｋ−Ｌ−Ｍ−Ｌ−Ｋ−Ｎ−Ｏで表され、そのうちの光路Ｌ−Ｍ−Ｌは、大気中を光が伝搬する空間光路であり（ただし、参照光路側コリメータレンズ部と参照光路側対物レンズ部を除く）、それ以外の部分（光路Ｉ−Ｊ−Ｋ−Ｌ、光路Ｌ−Ｋ−Ｎ−Ｏ）は光通信用シングルモードファイバ（ＳＭＦ）で構成されている（ただし、参照光路側サーキュレータ及び参照光路側偏波コントローラの内部を除く）。
【００９３】
５：５カプラ４９に入射した信号光と参照光は干渉信号となり、バランスレシーバ３３に入射され電気信号に変換される。バランスレシーバ３３は光入力ポートを２つ有し、干渉信号の直流成分を自動的に除去し干渉成分のみを取り出すことができる。バランスレシーバ３３から出力された電気信号は、Ａ／Ｄ変換回路３４においてアナログ電気信号からデジタル電気信号に変換された後、演算制御装置３７に取り込まれ、数値処理される。数値処理された測定データは、画像表示装置３８上に表示される。干渉信号電流は、本発明の分散方式高速波長掃引光源５００の発振周波数切替と同期してサンプリングされ、高速Fourier 変換（ＦＦＴ）または離散Fourier 変換（ＤＦＴ）により反射強度の深さ方向依存性の情報を得ることができる。
【００９４】
ここで、先に述べたように分散方式高速波長掃引光源５００の周波数間隔ｆ0＝２５ＧＨｚ（波長換算で約０．２ｎｍ）、波長帯域１９ｎｍ（周波数帯域Δｆ＝２．３７５ＴＨｚ）、波長チャネル数Ｎ＝９５のシングルモード光を、掃引時間ｔｓ＝２０ｎｓで掃引することにより干渉信号を得る。このとき、１回の掃引で得る干渉信号を、演算制御装置３７においてＦＦＴまたはＤＦＴによる数値処理を経て変換されたデータをA-line信号と称し、これは深さ方向の反射強度分布を示す一次元情報である。そのため、A-line走査時間（走査率）は掃引時間ｔｓと同じ２０ｎｓ（５０ＭＨｚ）となり、前記従来技術（１６ｋＨｚ）と比べ、飛躍的に高速化を実現している。また、二次元情報を得るためには、ガルバノミラー４５を駆動することにより、試料光のビームを偏向して僅かに試料４７へのビームの照射位置をずらした状態で波長掃引を行いA-line信号を取得する。この動作を複数回繰り返すことにより二次元情報（B-scan信号）を得ることができる。そのため、A-line信号を５００本取得して得たB-scan信号を得る為に要した時間、すなわちB-scan走査時間（走査率）は、１０μｓ（１００ｋＨｚ）である。さらに、前記ガルバノミラー４５をB-scan信号取得時のビーム走査時に対し、直角に交わる方向に沿って照射位置を連続的に複数回ずらしていくことにより、三次元情報を得ることができる。よって、B-scan信号を５００個取得して得た三次元情報を得るために要した時間（走査率）は、５ｍｓ（２００Ｈｚ）である。よって、本発明の分散方式高速波長掃引光源５００を用いたＯＦＤＩ−ＯＣＴ法を利用した断層像撮影装置を用いれば、１秒間に２００フレームの三次元画像を取得できるため、リアルタイムで三次元画像を表示することが可能となる。前記ガルバノミラー４５の制御は、演算制御装置３７において前記分散方式高速波長掃引光源５００の掃引トリガと同期して行い、制御信号はＤＡ変換回路３５とガルバノ制御回路３６を経てガルバノミラー４５に伝達される。
【００９５】
図２６に、本発明の分散方式高速波長掃引光源５００を用いたＯＦＤＩ−ＯＣＴ法による断層像撮影装置によって測定した、ヒトから摘出した歯を試料としたときのA-line信号を示す。同図は、信号光強度の深さ位置依存性を示しており、５００本取得したA-line信号の一つである。同図において、深さ１．５ｍｍと３．０ｍｍ付近とにおける反射ピークは、それぞれ、大気とエナメル質の界面による反射ピーク、エナメル質と象牙質の界面における反射ピークに対応している。また、同図において侵達度は３ｍｍ（光路長）、深さ方向の分解能は５４μｍ、A-line信号取得時間は２０ｎｓである。ＯＦＤＩ−ＯＣＴ法においては、コヒーレンス長がｍオーダと十分に長い場合、侵達度Δｚは波数間隔δｋを用いて、（７）式のように表される（特願２００４−２７６７７３）。
【００９６】
【数７】
2008191370.tif 000009
【００９７】
よって、周波数間隔ｆ0＝２５ＧＨｚより、波数に換算するとδｋ＝５２３．９６ｍ-1であるため、侵達度Δｚの理論値は、３ｍｍであり、図２６の測定結果と良く一致する。
【００９８】
また、図２７には同じ試料のB-scan信号を示す。B-scan信号は、先に説明したようにガルバノミラーにより試料光の照射位置を３０μｍずつB-scan方向に沿ってずらしてA-line信号を取得することを５００回繰り返して得られた信号であり、B-scan範囲は１５ｍｍである。同図中、一点鎖線部分は図２６に示したA-line信号に対応しており、B-scan信号取得時間は、１０μｓである。図２７より、大気とエナメル質の界面、エナメル質と象牙質の界面の様子が二次元断層像として明瞭に観測できることを確認した。さらに、図示はしないが、図２７に示したB-scan画像を、先に説明したように試料光の照射位置を３０μｍずつB-scan方向の直角方向に沿ってずらしてB-scanを取得することを５００回繰り返すことにより、歯の三次元画像を得ることに成功した。このときの三次元画像サイズは、深さ３ｍｍ、縦および横１５ｍｍであり、三次元画像取得時間は５ｍｓであった。
【００９９】
よって、本発明を用いれば、例えば三次元光計測において１秒間に２００程度の三次元画像を取得することができるため、リアルタイムの三次元計測が可能となる。また、前記Ｎ個の単一波長レーザ５０１の駆動時に、周波数間隔が等間隔になるように設定されているので、周波数間隔の設定精度が高く（１ｋＨｚ）、また従来技術とは異なり波数軸上へのリスケーリングも不要であるため、光源のシステムが簡素化される。また前記Ｎ個の単一波長レーザ５０１の駆動電気周波数ｆ0を変化させることにより、周波数間隔ｆ0を変えることができ、また光ゲートスイッチ５０２の繰り返し時間ｔ3を調整することにより、波長掃引繰り返し速度ｔr（＝ｔ3）を調整することができるなど柔軟性が高い分散方式高速波長掃引光源を提供できる。また、光源の波長掃引機構には回折格子やＲＧＭなどの機械駆動部分を含まない。よって、精密な組立や位置合わせを全く必要としないため、生産性が高い。さらに、コヒーレンス長の長い単一波長レーザを用いるため、発振スペクトル幅が５ＭＨｚ以下、コヒーレンス長１０ｍ程度の非常に良好で、かつ単一モード発振した光スペクトルを有する光を得ることが可能となる。さらに、掃引時におけるコヒーレンス長は掃引速度の増加に伴い劣化することなく、ｃｗ発振時と同じコヒーレンス長を維持することが可能となる。
【０１００】
そのため、ＯＣＴ測定においては侵達度の劣化がなく、理論値と同じ侵達度を得ることが可能となる。
【実施例６】
【０１０１】
（複数の単一波長レーザを用いた高速波長掃引光源による光学部品評価装置）
以下、実施例５で用いた本発明の分散方式高速波長掃引光源５００を用いた光学部品評価装置について図２８を用いて説明する。本装置は、本発明の分散方式高速波長掃引光源５００、被評価光デバイス（ＤＵＴ）６０２、受光器６０３、ＡＤ変換回路６０４、演算制御装置６０５、画像表示装置６０６から成り、前記分散方式高速波長掃引光源５００とＤＵＴ５０２，ＤＵＴ５０２と受光器６０３はＳＭＦで接続されている。分散方式高速波長掃引光源５００からの出力は、ＤＵＴ６０２に入射し、ＤＵＴ６０２を透過した光は受光器６０３を入射し、アナログ電気信号に変換される。アナログ電気信号は、ＡＤ変換回路６０４によりデジタル信号に変換された後、演算制御装置６０５によりデータ処理され、画像表示装置６０６にデータが表示される。よって、本装置は光デバイスの透過率の波長依存性を高速に測定することのできる光学部品評価装置である。
【０１０２】
図２９に示したＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit、平面光波回路）型Mach-Zehnder（ＭＺ）干渉計をＤＵＴ６０２として測定したときの例について詳細を述べる。図２９において、ＭＺ干渉計はガラス系材質から成るＰＬＣ基板６１０上に光導波路構造を形成することにより作成される。同ＭＺ干渉計のポートＡに入力した光は、前記ＭＺ干渉計を経てポートＢ及びポートＣから出力される。前記ポートＢおよびポートＣから出力される光強度は、前記ＭＺ干渉計の光路長差ΔＬ（本実施例の場合、１．００ｍｍに設定）から決まるフィルタ特性により、波長依存性を有する。よって、前記ＭＺ干渉計をＤＵＴ６０２として本発明の波長掃引光源５００からの光を入射することにより、前記ＤＵＴ６０２における透過率の波長依存性を計測することが可能となる。
【０１０３】
なお、本発明の光学部品評価装置における分散方式高速波長掃引光源５００は、実施例５と同じ装置構成のものを用い、周波数間隔ｆ0＝２５ＧＨｚ（波長換算で約０．２ｎｍ）、波長帯域１９ｎｍ（周波数帯域Δｆ＝２．３７５ＴＨｚ）、波長チャネル数Ｎ＝９５のシングルモード光を、掃引時間ｔｓ＝２０ｎｓで掃引することができるため、非常に高速に評価を行うことができる。
【０１０４】
図３０に本装置を用いて、図２９に示したＰＬＣ型ＭＺ干渉計をＤＵＴ６０２とした場合の評価結果を示す。図３０において、前記ＤＵＴ６０２のポートＢからの光出力強度を縦軸に、本発明の波長掃引光源の出力光波長を横軸にプロットしている。図３０に示したように、前記ＭＺ干渉系の光路長差ΔＬ＝１．００ｍｍに対応した波長軸上において周期的に光強度が変化する様子が分かる。このようにして、光学部品の透過率の波長依存性を評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】従来の波長掃引光源を示す構成図。
【図２】従来の波長掃引光源の掃引動作時における発振波長の時間依存性を示す概念図。
【図３】本発明の分散方式高速波長掃引光源における発振周波数の時間依存性を示す概念図。
【図４】本発明の実施例１に係る分散方式高速波長掃引光源を示す構成図。
【図５】実施例１における光の状態を示す特性図。
【図６】実施例１の分散方式高速波長掃引光源を用いて波長掃引を２回行った際の様子を示す特性図。
【図７】実施例１の分散方式高速波長掃引光源を用いたＯＦＤＩ−ＯＣＴ法を利用した断層像撮影装置を示す構成図。
【図８】実施例１の分散方式高速波長掃引光源を用いたＯＦＤＩ−ＯＣＴ法を利用した断層像撮影装置よって測定した、A-line信号を示す特性図。
【図９】実施例１の分散方式高速波長掃引光源を用いたＯＦＤＩ−ＯＣＴ法を利用した断層像撮影装置よって測定した、B-scan信号を示す特性図。
【図１０】光学部品評価装置を示す構成図。
【図１１】ＰＬＣ型のＭＺ干渉計を示す構成図。
【図１２】光学部品評価装置による評価結果を示す特性図。
【図１３】本発明の実施例３に係る分散方式高速波長掃引光源を示す構成図。
【図１４】実施例３における光の状態を示す特性図。
【図１５】実施例３の分散方式高速波長掃引光源を用いて波長掃引を２回行った際の様子を示す特性図。
【図１６】実施例３の分散方式高速波長掃引光源を用いたＯＦＤＩ−ＯＣＴ法を利用した断層像撮影装置を示す構成図。
【図１７】実施例３の分散方式高速波長掃引光源を用いたＯＦＤＩ−ＯＣＴ法を利用した断層像撮影装置よって測定した、A-line信号を示す特性図。
【図１８】実施例３の分散方式高速波長掃引光源を用いたＯＦＤＩ−ＯＣＴ法を利用した断層像撮影装置よって測定した、B-scan信号を示す特性図。
【図１９】光学部品評価装置を示す構成図。
【図２０】ＰＬＣ型のＭＺ干渉計を示す構成図。
【図２１】光学部品評価装置による評価結果を示す特性図。
【図２２】本発明の実施例５に係る分散方式高速波長掃引光源を示す構成図。
【図２３】実施例５における光の状態を示す特性図。
【図２４】実施例５の分散方式高速波長掃引光源を用いて波長掃引を２回行った際の様子を示す特性図。
【図２５】実施例５の分散方式高速波長掃引光源を用いたＯＦＤＩ−ＯＣＴ法を利用した断層像撮影装置を示す構成図。
【図２６】実施例５の分散方式高速波長掃引光源を用いたＯＦＤＩ−ＯＣＴ法を利用した断層像撮影装置よって測定した、A-line信号を示す特性図。
【図２７】実施例５の分散方式高速波長掃引光源を用いたＯＦＤＩ−ＯＣＴ法を利用した断層像撮影装置よって測定した、B-scan信号を示す特性図。
【図２８】光学部品評価装置を示す構成図。
【図２９】ＰＬＣ型のＭＺ干渉計を示す構成図。
【図３０】光学部品評価装置による評価結果を示す特性図。
【符号の説明】
【０１０６】
１０  分散方式高速波長掃引光源
１１  スーパーコンティニウム光源
１２  光ゲートスイッチ
１３  分散制御ファイバ
１４  広帯域光増幅器
１５  種光源
１６  光増幅器
１７  ＳＣ光発生用光ファイバ
３００  分散方式高速波長掃引光源
３０１  能動半導体モード同期レーザ
３０２  光ゲートスイッチ
３０３  分散制御ファイバ
３０４  広帯域光増幅器
５００  分散方式高速波長掃引光源
５０１  単一波長レーザ
５０２  光ゲートスイッチ
５０３  分散制御ファイバ
５０４  広帯域光増幅器
５０５  合波器
【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５】
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【図６】
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【図７】
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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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年10月10日(2007.10.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2008191370.tif 000040
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１３】
2008191370.tif 000041
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２２】
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