(57)【要約】      （修正有）【課題】光源のコヒーレンス長を短くすることなく、高速な波長掃引を可能とする波長掃引光源を提供すること。【解決手段】波長掃引光源１０は、発振波長の遷移を時間的に変化させる第１の光偏向器を備える光源１０１と、光源から出射された光を分波させる分波器１０２と、分波器の出力を遅延させる遅延器１０３と、発振波長の変動周期が当該変動周期よりも高速になるよう、分波器の出力または遅延器の出力を所定のタイミングで切り替え、ＫＴＮ（KTa1-xNbxO3：０≦ｘ≦１）結晶またはＫＬＴＮ（K1-yLiyTa1-xNbxO3：０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）結晶を用いた第２の光偏向器から構成される光スイッチ部１０４とを含む。【選択図】図１
2017092070.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振波長の遷移を時間的に変化させる第１の光偏向器を備える光源と、
前記光源から出射された光を分波させる分波器と、
前記分波器の出力を遅延させる遅延器と、
前記発振波長の変動周期が当該変動周期よりも高速になるよう、前記分波器の出力または前記遅延器の出力を所定のタイミングで切り替え、ＫＴＮ（KTa1-xNbxO3：０≦ｘ≦１）結晶またはＫＬＴＮ（K1-yLiyTa1-xNbxO3：０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）結晶を用いた第２の光偏向器から構成される光スイッチ部と
を含むことを特徴とする波長掃引光源。
【請求項２】
前記第１の光偏向器において高速偏向のための電圧の駆動波形は、正弦波または三角波であることを特徴とする請求項１に記載の波長掃引光源。
【請求項３】
前記第１の光偏向器には、出射光の波数の時間変化が三角波になるよう高速偏向のための電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載の波長掃引光源。
【請求項４】
前記遅延器は、光ファイバスプールであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の波長掃引光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振波長の遷移を時間的に変化させる電気光学結晶を用いた光偏向器を備える波長掃引光源に関する。
【０００２】
波長掃引光源は、生体や電子デバイス等の断面を非破壊に観測する光コヒーレンストモグラフィー(ＯＣＴ)や光掃引測距などの光源として用いられる。その波長掃引速度の高速化によって観測時間が短縮する。
【０００３】
従来、波長掃引光源をＯＣＴに適用した場合、深さ方向の解像度を損なわずに被検物の面内の観測範囲を拡大したり、あるいは、生体内の高速な現象を観測したりすることが可能となると期待されている（非特許文献１）。
【０００４】
また、従来の波長掃引光源は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）からの出力光をＫＴＮ光偏向器により光の方向を変化させ、回折格子に入射される角度を変化させることにより波長選択を行っている。この場合、ＫＴＮ光偏向器の動作速度が高速であることから、高速な波長掃引が実現される（非特許文献２）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Shogo Yagi, Tadayuki Imai, Yasuo Shibata, Shigeo Ishibashi, Masahiro Sasaura, Kazutoshi Kato, Kazunori Naganuma, Yuzo Sasaki, and Kazuo Fujiura, “A mechanical-free 150-kHz repetition swept light source incorporated a KTN electro-optic deflector,” Proc. SPIE 7889, 78891J (2011)
【非特許文献２】Shogo Yagi, Kazunori Naganuma, Tadayuki Imai, Yasuo Shibata, Jun Miyazu, Masahiro Ueno, Yuichi Okabe, Yuzo Sasaki, Kazuo Fujiura, Masahiro Sasaura, Kazutoshi Kato, Masato Ohmi and Masamitsu Haruna, “Improvement of Coherence Length in a 200-kHz Swept Light Source equipped with a KTN Deflector,” Proc. SPIE 8213, 821333 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の波長掃引光源では、ＫＴＮ光偏向器に正弦波状の駆動電圧を印加した場合、発振波長の時間変化がおおむね正弦波状の光を出力する。このような、時間の経過に伴い発振波長が周期的に増減を繰り返す波長掃引光源をＯＣＴに適用した場合、従来は、時間の経過に対して発振波長が増加する時間帯（あるいはその逆で、発振波長が減少する時間帯）の出力光のみを、被検物の観測に用いていた。そのために、従来のＯＣＴでは、波長掃引光源の発光時間中の半分の時間しか観測を行うことができず、結果として、ＯＣＴにて被検物の観測を高速に行うためには、波長掃引光源を高速に波長掃引する必要があった。
【０００７】
従来の波長掃引光源では、波長掃引速度はKTN光偏向器の動作速度で決まるが、KTN光偏向器の動作速度を高速化すると、KTNチップの発熱により偏向角が減少してしまい、掃引波長域も狭まってしまうという問題があった。さらに、KTN光偏向器の動作速度を高速化することで、特定の波長の光が光源の共振器内で周回する回数が減少し、その結果、光源特性の重要なパラメータであるコヒーレンス長が短くなるという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、光源のコヒーレンス長を短くすることなく、高速な波長掃引を可能とする波長掃引光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明は、発振波長の遷移を時間的に変化させる第１の光偏向器を備える光源と、前記光源から出射された光を分波させる分波器と、前記分波器の出力を遅延させる遅延器と、前記発振波長の変動周期が当該変動周期よりも高速になるよう、前記分波器の出力または前記遅延器の出力を所定のタイミングで切り替え、ＫＴＮ（KTa1-xNbxO3：０≦ｘ≦１）結晶またはＫＬＴＮ（K1-yLiyTa1-xNbxO3：０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）結晶を用いた第２の光偏向器から構成される光スイッチ部とを含む。
【００１０】
前記第１の光偏向器において高速偏向のための電圧の駆動波形は、正弦波または三角波であるようにしてもよい。
【００１１】
前記第１の光偏向器には、出射光の波数の時間変化が三角波になるよう高速偏向のための電圧が印加されるようにしてもよい。
【００１２】
前記遅延器は、光ファイバスプールとしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光源のコヒーレンス長を維持したまま高速な波長掃引ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態における波長掃引光源の構成例を示す模式図である。
【図２】光源の構成例を示す図である。
【図３】光スイッチにおけるスイッチング動作の原理を説明するための図である。
【図４】実施形態の波長掃引光源によって実現されるスイッチングの様子を説明するための図である。
【図５】スイッチング動作時における光スイッチのＫＴＮ光偏向器に印加される電圧の様子を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態における波長掃引光源１０について説明する。この波長掃引光源１０は、発振波長の遷移を正弦波状に時間的に変化させるものである。
【００１６】
［波長掃引光源の全体構成］
図１は、波長掃引装置１０の構成例を示す模式図である。
【００１７】
図１に示すように、波長掃引光源１０は、光源１０１と、光学装置２０１とを備える。光学装置２０１は、光カプラ（分波器）１０２と、遅延器１０３と、１×２光スイッチ（光スイッチ部）１０４とを備える。この実施形態では、光源１０１は、電気光学結晶としての例えばＫＴＮ（KTa1-xNbxO3：０≦ｘ≦１）光偏向器またはＫＬＴＮ（K1-yLiyTa1-xNbxO3：０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）光偏向器を用いたものである。この光源１０１の構成は、後述する図２で詳細に説明する。
【００１８】
光カプラ１０２は、光源１０１から出射された光を分波させる。遅延器１０３は、光源１０１から出射された光を遅延させる。遅延器１０３は、例えば、光ファイバスプールである。後述するように、この実施形態の波長掃引光源１０では、光の波長掃引周期（発振波長）をＴとすると、遅延器１０３は、その半分のＴ／２だけ遅延させる。
【００１９】
光スイッチ１０４は、後述する光偏向器３１から構成され、光カプラ１０２から上部アーム４０を介して出射される光と、遅延器１０３によって遅延され遅延器１０３から下部アーム５０を介して出射される光とを切り替える。そして、切り替えられた光は、光導波路または光ファイバとしての伝送媒体１０５を伝搬する。上記切り替えの処理は、後に詳細に説明する。
【００２０】
［光源の構成］
図２は、光源１０１の構成例を示す図である。
【００２１】
図２に示すように、光源１０１は、半導体光増幅器１１と、コリメートレンズ１２と、KTNまたはKLTNを用いた光偏向器１３と、制御電圧源１４とを備える。さらに、この光源１０１は、回折格子１５と、端面鏡１６と、集光レンズ１７と、出力結合鏡１８とを備える。
【００２２】
光源１０１では、半導体光増幅器１１からの出力光を光の方向を変化させ、回折格子１５で光が入射する角度を変化させる。そして、その入射角度に応じた特定の波長の光のみが端面鏡１６で反射され、その光が、半導体光増幅器１１で再結合され、レーザー発振して出力光１として、光学装置２０１に与えることができる。この場合、光偏向器１３によって、回折格子１５へ高速に入射される角度を変化させることで、レーザー発振する波長を高速に変化させることができる。
【００２３】
［光源のコヒーレンス長］
次に、光源１０１のコヒーレンス長について説明する。
【００２４】
一般に、コヒーレンス長ｌｃは、下記式（１）で表されることが知られている（例えば、非特許文献２を参照）。
【００２５】
【数１】
2017092070.tif 000003
【００２６】
なお、式（１）において、λ：波長、Ｌ：共振器長、WT：波長掃引幅、F：波長掃引周波数、WC：回折格子の帯域幅、を示す。
【００２７】
また、回折格子の帯域幅WCは、式（１）から下記式（２）で表される。
【００２８】
【数２】
2017092070.tif 000004
【００２９】
なお、式（２）において、Λ：回折格子の周期、ｗ：ビーム半径、を示す。
【００３０】
光源１０１において、波長掃引周波数が大きくなると、上記式（１）に従ってコヒーレンス長ｌｃが短くなることがわかる。
【００３１】
本実施形態の波長掃引光源１０では、光源１０１における波長掃引周波数を固定したまま（変えることなく）、光学装置２０１によってその波長掃引周波数を大きくすることが可能となる。すなわち、コヒーレンス長は短くならず、波長掃引周波数だけを大きくすることができる。
【００３２】
光干渉断層撮影（Optical Coherence Tomography, OCT）の光源として、波長掃引光源を用いる場合、この方式はSS-OCT（Swept-Source OCT）と呼ばれるが、このSS-OCTは、コヒーレンス長によって断層の深さが決定される。
【００３３】
このため、本実施形態の波長掃引光源１０では、波長掃引速度の高速化に伴うコヒーレンス長の短縮が生じないため、上記SS-OCT方式のOCT光源として好適である。
【００３４】
［光源におけるジッター］
光源１０１において、出力波長の時間揺らぎが生じることになるが、以下の説明ではこれをジッターと称する。
【００３５】
本実施形態の波長掃引光源１０において、特に、付加光学系の数Ｎが大きいと、ジッターの影響で掃引波長域の端の部分が選択され、時間的な波長の変化量が小さくなることが考えられる。そのためジッターが小さい光源１０１が好ましいが、光源１０１において、ジッターは１００psec以下と非常に小さいため、付加光学系による波長掃引速度の高速化にＫＴＮ光偏向器またはＫＬＴＮ光偏向器を用いた光源を用いるのはより好ましい。
【００３６】
［光偏向器の構成］
次に、光偏向器１３の構成例について説明する。
【００３７】
光偏向器１３は、直方体の電気化学結晶（ＫＴＮまたはＫＬＴＮ)と、その対向する２面に形成された電極とから構成され、電極に電圧を印加することで電気化学結晶に入射された光は偏向する。その偏向角θは、下記式（３）で表される（ただし、印加電圧が交流で高速（主に数十kHz以上）の場合）。
【００３８】
【数３】
2017092070.tif 000005
【００３９】
なお、式（３）において、n：屈折率、g11：２次の電気光学係数、e：電気素量、N：電気化学結晶内にあらかじめ蓄積された電子密度、ε：誘電率、L：入射光が進行方向に進む結晶内の長さ、V：印加電圧、d：電極間の距離、を示す。
【００４０】
光偏向器１３に十分に低周波（１ｋＨｚ以下）の電圧を印加した場合、結晶内に電子が注入され、結晶内の電子トラップに捕獲される。これにより、あらかじめ電子が蓄積された状態となる。
【００４１】
電子トラップの密度は、１０20〜１０21m-3程度で、上記低周波の電圧が印加されて結晶内に一様に電子が捕獲されると考えられる。
【００４２】
相転移温度付近では、非常に大きな誘電率（比誘電率数万）をもつため、偏向角（全角）はおよそ１０°にも達する。
【００４３】
［ＫＴＮまたはＫＬＴＮ結晶］
ＫＴＮまたはＫＬＴＮ結晶の結晶相は、高温相から立方晶、正方晶、斜方晶、菱面体晶の順に相転移する。立方晶においては常誘電性を示し、それ以外では強誘電性を示す。
【００４４】
Ｔａ／Ｎｂ比と、Ｌｉ添加量（ＫＬＴＮ結晶の場合のみ）とによって、上記立方晶から正方晶へ相転移する温度を変化させることができるが、立方晶で常誘電相においてＫＴＮまたはＫＬＴＮ結晶を用いることを想定している。
【００４５】
常誘電相における最低次の電気光学効果は２次の電気光学効果（カー効果）であるため、電界Ｅの印加に伴う、電界Ｅと平行な偏波の光の屈折率変化量Δn1は、下記式（４）で表される。
【００４６】
【数４】
2017092070.tif 000006
【００４７】
なお、式（４）において、ｇ11は電界Ｅと平行な偏波の光に対する2次の電気光学係数である。
【００４８】
一方、電界Ｅと垂直な偏波の光の屈折率変化量Δn2は、下記式（５）で表される。
【００４９】
【数５】
2017092070.tif 000007
【００５０】
なお、式（５）において、ｇ12は電界Ｅと垂直な偏波の光に対する2次の電気光学係数である。
【００５１】
ＫＴＮまたはＫＬＴＮ結晶においては、g12の絶対値は、g11の絶対値の１／３程度である。このため、光偏向器１３としてＫＴＮまたはＫＬＴＮ結晶を用いる場合、より大きな屈折率により効率的な光偏向を実現するために、入射する光の偏波は電界に平行である方が良い。
【００５２】
［光スイッチの動作］
次に、光スイッチ１０４の動作について、図１、図３、図４および図５を参照して説明する。
【００５３】
図３は、光スイッチ１０４におけるスイッチング動作の原理を説明するための図である。図４は、光スイッチ１０４によって実現されるスイッチングの様子を説明するための図である。図５は、光スイッチ１０４のＫＴＮ光偏向器３１に印加される電圧の様子を説明するための図である。なお、ＫＴＮ光偏向器３１に代えて、ＫＬＴＮ光偏向器を適用することもできる。
【００５４】
図３に示すように、光スイッチ１０４は、ＫＴＮ光偏向器３１と、２つの凸レンズ３２，３３とを備える。ＫＴＮ光偏向器３１は、上部アーム４０からの光と、下部アーム５０からの光とを凸レンズ３２を介して入射するとともに、上記２つの光Ｒ１，Ｒ２のうちの一方に切り替えて凸レンズ３２を介して光導波路または光ファイバの伝送媒体６０へ出射する。
【００５５】
なお、上部アーム４０からの光は光カプラ１０２で分波された光を意味し、下部アーム５０からの光は遅延器１０３でＴ／２遅延された光を意味する。
【００５６】
伝送媒体６０へ出射される光Ｒ１，Ｒ２（図３を参照）は、図４（ｃ）に一例を示すように、Ｔ／２ごとに切り替えられる。図４（ａ）に示すように、光カプラ１０２で分波された光Ｒ１が伝送媒体６０へ出射されるのは、Ｔ／２期間ａ１，ａ２の場合である。この場合、ＫＴＮ光偏向器３１に印加される電圧は、＋Ｖ（例えば２００ｖ）である。Ｔ／２は、例えば、２．５μsecである。
【００５７】
一方、図４（ｂ）に示すように、遅延器１０３でＴ／２遅延された光Ｒ２が出射されるのは、Ｔ／２期間ｂ１，ｂ２の場合である。この場合、ＫＴＮ光偏向器３１に印加される電圧は、−Ｖ（例えば−２００ｖ）である。
【００５８】
本実施形態の光スイッチ１０４では、光カプラ１０２の出力光のうちのいずれか一方の出力光において、最大の発振波長を得るタイミング、および、最小の発振波長を得るタイミングで、光カプラ１０２または遅延器１０３からの光路を切り替える。これにより、発振波長の周期がＴ／２、すなわち波長掃引周波数が２倍となり、高速な波長掃引が実現できる。
【００５９】
[光スイッチの種類]
光スイッチは、ＫＴＮ（KTa1-xNbxO3：０≦ｘ≦１）結晶またはＫＬＴＮ（K1-yLiyTa1-xNbxO3：０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）結晶を用いた光偏向器への電圧印加により、光路を空間的に切り替えることにより実現される（例えば、特許第４７５１３８号参照）。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態の波長掃引光源１０によれば、光源１０１のコヒーレント長を変えることなく、光カプラ１０２の出力または遅延器１０３の出力を所定のタイミングで切り替える。そして、発振波長の変動周期が当該変動周期よりも高速になるように、所定のタイミングが設定される。したがって、光源１０１のコヒーレンス長を短くすることなく、高速な波長掃引が実現できる。
【００６１】
次に、上記実施形態の実施例１について、図１、図２および図５を参照して説明する。
【００６２】
（実施例１）
図１に示した波長掃引装置１０において、光源１０１に用いられる光偏向器１３として、KLTN光偏向器を用いた。KLTN光偏向器の結晶は、長さ方向（4.0mm）×幅方向（3.2mm）×厚さ方向（1.0mm）とし、4.0mm×3.2mmの２面に電極を形成した。そして、光入射する3.2mm×1.0mmの２面は、光学研磨を行った。
【００６３】
結晶は常誘電相で、比誘電率が17500となる温度に保持した。結晶内に電子を蓄えるために、+400VのDC電圧を10秒、-400VのDC電圧を10秒、それぞれ印加した。その後、±400Vの交流電圧（周波数が200kHzの正弦波）を印加し、光偏向を行った。印加する交流電圧は三角波でもよい。半導体光増幅器１１は、1.3um帯のものを用い、波長掃引は中心波長1.32μm、掃引幅100nmを実現した。
【００６４】
遅延器１０３として、光ファイバスプールを用いた。光ファイバの屈折率は1.467であるため、光ファイバの長さを511mとすることで、遅延器１０３では、交流電圧の周期5μsecの半分の2.5μsec遅延させた。
【００６５】
光スイッチ１０４は、図５に示したＴ／２（＝2.5μsec）ごとに、ＫＴＮ（KTa1-xNbxO3：０≦ｘ≦１）結晶またはＫＬＴＮ（K1-yLiyTa1-xNbxO3：０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）結晶を用いた光偏向器への電圧印加により光路を切り替えることで、波長掃引周波数が400kHzの光を出力させることができた。出力光の波長掃引幅は100nmであった。
【符号の説明】
【００６６】
１０  波長掃引光源
３１  光偏向器
１０１  光源
１０２  光カプラ
１０３  遅延器
１０４  光スイッチ
２０１  光学装置
【図１】
2017092070.tif 000008
【図２】
2017092070.tif 000009
【図３】
2017092070.tif 000010
【図４】
2017092070.tif 000011
【図５】
2017092070.tif 000012