(57)【要約】【課題】集積光子素子、これに関連システム及び方法を提供する。【解決手段】  空間分割多重化光学コーヒレンストモグラフィースキャニングに適する集積光子素子を、１つの基板、外部光源からの発生単一サンプル採取ビームを受け取るように構成される１つの光学入力ポート、サンプルのスキャンされた画像を取得するために複数のサンプル採取ビームを前記素子から前記サンプルへ伝達するように構成される複数の光学出力ポート、前記入力ポートを前記出力ポートのそれぞれに光学的に連結する多分岐導波管構造、前記入力ポートにおいて受け取られる前記発生単一サンプル採取ビームを前記出力ポートにおける複数のサンプル採取ビームに分割する複数のフォトニックスプリッターを形成するように構成される、前記導波管チャネル、を含んで構成する。【選択図】図１
2020533570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間分割多重化光学コーヒレンストモグラフィースキャニングに適する集積光子素子であって、前記光子素子が、
１つの基板；
外部光源からの発生単一サンプル採取ビームを受け取るように構成される、１つの光学入力ポート；
サンプルのスキャンされた画像を取得するために、複数のサンプル採取ビームを前記素子から前記サンプルへ伝達するように構成される、複数の光学出力ポート；
前記入力ポートを前記出力ポートのそれぞれに光学的に連結する多分岐導波管構造であって、前記導波管構造が前記基板に形成される複数の交互接続された導波管チャネルである、多分岐導波管構造；
前記入力ポートにおいて受け取られる前記発生単一サンプル採取ビームを前記出力ポートにおける複数のサンプル採取ビームに分割する、複数の光学スプリッターを形成するように構成される、前記導波管チャネル；
を含み、
ここで、前記フォトニックスプリッターと出力ポートとの間の前記導波管チャネルの部分が、前記複数のサンプル採取ビームのそれぞれの間の光学時間遅延を創成するために、異なる予め決められた長さを有する、光子素子。
【請求項２】
前記フォトニックスプリッターが前記基板上の多数のカスケード列に配置され、前記単一サンプル採取ビームが、前記入力ポートと前記出力ポートとの間の各列における益々大きな数のサンプル採取ビームを創成するために、前記フォトニックスプリッターにより各列に連続的に分割される、請求項１に記載の光子素子。
【請求項３】
前記導波管チャネルの間の前記予め決められた長さの差異が、画像が生成されるときに異なる位置からの信号が異なる周波数バンドで検出されるように、前記複数のサンプル採取ビームの間の前記光源のコーヒレンス長より短い光学遅延を生成するように選択される、請求項１に記載の光子素子。
【請求項４】
前記出力ポートが、前記光子素子からの前記サンプル採取ビームを前記サンプルへ空気中に放出する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光子素子。
【請求項５】
前記出力ポートが、前記サンプルから返還された複数の反射光信号を受け取るために配置され、前記フォトニックスプリッターが、複数の反射光信号を前記光学素子の前記入力ポートから放出される単一の反射光信号に結合するように構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光子素子。
【請求項６】
前記複数の出力ポートが、前記基板の一方の側に一緒にクラスター化され、及び予め決められたピッチ間隔で離れて均一に配置される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光子素子。
【請求項７】
前記光子素子における隣接する導波管チャネルのそれぞれの間の長さの差異が同じである、請求項６に記載の光子素子。
【請求項８】
さらに、前記光子素子の前記入力ポートに連結する光学ファイバーを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光子素子。
【請求項９】
前記基板が、シリコン、絶縁体上のシリコン、リン酸インジウム、ニオブ酸リチウム、窒素化シリコン、及びヒ素化ガリウムからなる群から選択される、請求項１に記載の光子素子。
【請求項１０】
前記時間遅延領域における前記サンプル採取ビームが、前記スプリッター領域における前記サンプル採取ビームの通路に一般的に垂直な通路の中を移動する、請求項１に記載の光子素子。
【請求項１１】
前記導波管チャネルが前記基板の中へエッチングされる、請求項１に記載の光子素子。
【請求項１２】
請求項１に記載の集積光子素子を取り込む空間分割多重化光学コーヒレンストモグラフィーシステムであって、前記システムが：
光を発生する長コーヒレンス光源；
前記光を参照光及びサンプル採取光に分裂させるように構成される第１光学カプラーであって、前記サンプル採取光前記光学素子の前記入力ポートに向けられる、第１光学カプラー
前記複数のサンプル採取ビームを受け取り、同時に前記サンプル表面に並行してスキャンするように構成されるスキャナーであって、前記光子素子の出力ポートが前記サンプルから返還される複数の反射光信号を受け取る、スキャナー；及び
光子素子に光学的に連結し、及び干渉信号を発生するために前記反射光信号を前記参照光と結合するように構成される、第２の光学カプラー；
を含み、
ここで、前記干渉信号が前記サンプルのデジタル化画像を表すデータを含む、システム。
【請求項１３】
集積光子素子を用いる空間分割多重化光学コーヒレンストモグラフィーにおいて光を処理する方法であって、前記方法が：
１つの光学入力ポート、複数の光学出力ポート、及び前記入力ポートを前記出力ポートのそれぞれに光学的に連結する多分岐導波管構造であって、前記導波管構造が前記素子に形成される複数の交互接続された導波管チャネルを含む、光子素子を提供すること；
前記入力ポートにおける光源から単一サンプルビームを受け取ること；
前記スプリッター領域における前記導波管チャネルにより形成される複数のインチップフォトニックスプリッターを用いて、前記サンプルビームを複数のサンプルビームに分割すること；
前記サンプル採取ビーム分割後に各導波管チャネルの長さを変動させることにより、前記複数のサンプル採取ビームの間の時間遅延を創成すること；及び
前記出力ポート通してスキャンされるサンプルに向けて、前記複数のサンプル採取ビームを同時に並行して放出すること;
を含む、方法。
【請求項１４】
さらに、
前記出力ポートにおける前記サンプルから返還される複数の反射光信号を受け取ること；
前記反射光信号を前記時間遅延領域を通して前記光子素子の前記スプリッター領域に伝達すること；
前記反射光信号を単一反射光信号に結合すること；及び
前記光子素子の前記入力ポートから前記単一反射光信号を放出すること；
を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
さらに、
前記反射光信号を参照光信号と結合することにより干渉信号を創成すること；
前記干渉信号に基づくデジタイザーを用いて前記サンプルのデジタル画像を生成すること；
を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数のサンプル採取ビームが、前記複数のサンプル採取ビームの間の前記時間遅延を創成するために、異なる長さの前記時間遅延領域における導波管チャネルを通して伝達される、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
空間分割多重化光学コーヒレンストモグラフィースキャニングに適切な低損失集積光子素子であって、前記光子素子が：
１つの基板；
外部光源からの発生単一サンプル採取ビームを受け取るように構成される、１つの光学入力ポート；
外部参照光源からの参照光を受け取るように構成される、１つの参照光入力ポート；
サンプルのスキャンされた画像を取得するために、複数のサンプル採取ビームを前記素子から前記サンプルへ伝達するように構成される、複数の光学出力ポート；
前記入力ポートを前記出力ポートのそれぞれに光学的に連結する多分岐導波管構造であって、前記導波管構造が前記基板に形成される複数の交互接続された導波管チャネルを含み、前記導波管チャネルがスプリッター領域及び干渉計領域を形成する、導波管構造；
前記入力ポートにおいて受け取られる前記発生単一サンプル採取ビームを前記出力ポートにおける複数のサンプル採取ビームに分割する、複数のフォトニックスプリッターを形成するように構成される、前記スプリッター領域における前記導波管チャネル；
ここで、前記フォトニックスプリッターと出力ポートとの間の前記導波管チャネルの部分が、前記複数のサンプル採取ビームのそれぞれの間の光学時間遅延を創成するために、異なる予め決められた長さを有し、；
前記干渉計領域における記導波管チャネルが、複数の光学干渉計を形成するように構成され、前記光学干渉計が前記時間遅延及び前記参照光における前記導波管チャネルに光学的に連結される、；
ここで、前記光学干渉計が、前記サンプルから返還される複数の反射光信号を受け取るように配置され、前記光学干渉計が、前記光子素子の干渉信号出力ポートから放出される複数の干渉信号を生成するために、前記反射光信号を前記参照光と結合するように構成され、操作可能である、前記導波管チャネル；
を含む、光子素子。
【請求項１８】
前記光学スプリッターが前記基板上の多数のカスケード列に配置され、前記単一サンプル採取ビームが、前記入力ポートと前記出力ポートとの間の各列において益々大きな数のサンプル採取ビームを創成するために、前記フォトニックスプリッターにより各列において均一に及び連続的に分割される、請求項１７に記載の光子素子。
【請求項１９】
前記光学干渉計が、前記スプリッター領域の最終列において光学スプリッターと光学的に連結する、請求項１８に記載の光学素子。
【請求項２０】
前記サンプルから返還される前記反射光信号が、前記最終列における前記光学スプリッターを通して前記干渉計へ移動し、前記スプリッター領域における光学スプリッターの先行列をバイパスする、請求項１９に記載の光子素子。
【請求項２１】
前記光学干渉計が、複数の参照光導波管チャネルを介して前記参照光入力ポートと光学的に連結する、請求項１７に記載の光子素子。
【請求項２２】
前記導波管チャネルの間の前記予め決定される長さにおける差異が、画像が生成されるときに異なる物理的位置からの信号が異なる周波数バンドで検出されるように、前記複数のサンプル採取ビームの間の前記光源のコーヒレンス長より短い光学遅延を生成するように選択される、請求項１７に記載の光子素子。
【請求項２３】
低損失集積光子素子を用いる空間分割多重化光学コーヒレンストモグラフィーシステムにおいて光を処理する方法であって、前記方法が：
１つの光学入力ポート、複数の光学出力ポート、及び前記入力ポートを前記出力ポートのそれぞれに光学的に連結する多分岐導波管構造であって、前記導波管構造が前記素子に形成される複数の交互接続された導波管チャネルを含む、光子素子を提供すること；
前記入力ポートにおける光源から単一サンプルビームを受け取ること；
前記スプリッター領域における前記導波管チャネルにより形成される複数のインチップフォトニックスプリッターを用いて、前記サンプルビームを複数のサンプルビームに分割すること；
前記サンプル採取ビーム分割後に各導波管チャネルの長さを変動させることにより、前記複数のサンプル採取ビームの間の時間遅延を創成すること；及び
前記出力ポート通してスキャンされるサンプルに向けて、前記複数のサンプル採取ビームを同時に並行して放出すること;
前記出力ポートにおける前記サンプルから返還される複数の反射光信号を受け取ること；
前光子素子の干渉計領域における前記導波管チャネルにより形成される複数の干渉計に前記反射光信号を伝達すること；
複数の干渉信号を発生するために、前記複数の干渉計を用いて前記反射光信号を参照光信号と結合すること；
前記光子素子の干渉出力ポートから前記干渉信号を法移出すること；
を含む、方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１７年５月１２日に出願された米国暫定特許出願番号６２／５０５，１９９の利益を請求し、その全体は参照により本願に取り込まれる。
【０００２】
政府の利益の声明
この発明は、国家健康研究所（NIH R21 EY-026380, K99/R00 EB-010071）及び国家科学財団（NSF DBI-1455613, IIP-1640707, and IIP-1623823）下の政府援助によりなされた。政府は本発明における特定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
本願発明は、一般に、光学コーヒレンストモグラフィー（OCT）画像化システムに関連し、及び特に、集積光子素子を取り込むシステムなどに関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
画像化速度の改善は、光学コーヒレンストモグラフィー（OCT）の発達の主要な駆動力である。空間分割多重化光学コーヒレンストモグラフィー（OCT）（SDM-OCT）は、多重速度改善を達成するために用いられる最近開発された並行ＯＣＴ画像化方法である。しかしながら、このようなシステムで従来用いられている多数ファイバー光学部品の組立は、労働集約型であり、それを大量生産に挑戦させるエラーに影響を受けやすい可能性がある。さらに、ＯＣＴシステムの多くの部品はスペースを消費し、様々な医学診断装置又はその他の用途に用いることができるコンパクトな画像化装置への取り込みに容易に受け入れられない。ＳＤＭ−ＯＣＴシステムにおける改善が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の概要
ＳＤＭ−ＯＣＴ技術の広範な普及を可能とする高精細及び低単位コストの集積光子素子（photonic chip）を用いる広域高速度ＳＤＭ−ＯＣＴシステムを開示する。本願の素子はシリコンフォトニクス領域における発展に利益がある。1つの態様において、本願の光学素子は、装置の信頼性を改善し、大量生産可能なコンパクトＳＤＭ−ＯＣＴ画像化装置の創造を可能とするために、少なくとも従来のＯＣＴシステムのファイバーを用いる光学部品をオンチップのフォトニック部品に置き換える。
【０００６】
本願のマイクロチップを用いるＳＤＭ−ＯＣＴシステムは、眼科、血管イメージング、内視鏡イメージング、癌イメージング、歯科適用、研究イメージング適用などを含む様々な応用において、感度を維持しながら、１０以上のファクターにより画像化速度を改善することができる。
【０００７】
１つの態様において、前記光子素子は、オンチップ結合分配器（splitter）及び光学分配器を定義する基板において形成される複数の相互接続された分岐導波路（interconnected branched waveguides）により形成される光学時間遅延領域又は面積を含むことができる。多数の導波路分岐及び分配器のカスケード行を、前記素子から出力される複数のサンプル採取（sampling）ビームへ各列の入射単一サンプル採取ビームを連続的に分離するために、いくつかの構成で提供することができる。前記導波路は、光信号又は光波に前記導波路を巡らせる屈折の微分指数を生成する基板のドーピングのようなエッチング又は露光により生成されるチャネルであり得る。いくつかの態様において、前記基板は、シリコン単独又はインシュレータ（insulator）上の複合シリコーン（ＳＯＩ）から生成することができる。
【０００８】
前記素子は、長いコーヒレンス光源により生成されるサンプル採取光ビームを受け取る単一の光学入力ポート、及び前記ＳＤＭ−ＯＣＴシステムによりスキャンされるサンプルの表面に多数のサンプル採取ビームを同時に平行にスキャンするために空間的に分離された複数の光出力ポートを含むことができる。各出力ポートに関連する導波管チャネルのターミナル部分は、前記サンプルの空間分割多重化ＯＣＴスキャン画像の取得用の各サンプル採取ビーム間の光学時間遅延を生成するために異なる予め決められた長さをもつ。前記サンプルから反射したサンプル採取光信号は、本願発明で記載される１又は複数の干渉計（interferometer）及び追加の画像処理装置を用いて前記サンプルのデジタル画像を生成するために、同じオンチップ分配器及び本願発明で記載されるような更なる処理のために前記サンプル採取光路を逆方向に向かう時間遅延構造により同時に平行に返還される。
【０００９】
他の態様において、低挿入損失光子素子（low insertion loss photonic chip）が本願発明において開示され、これは更に、オンチップ光子干渉計ユニット、前記素子による異なるサンプル採取及び反射光信号路、及び参照光入力ポートを含む。様々な導波管チャネルは、前記素子上に干渉信号を創成するためにサンプル採取光信号、反射光信号、及び参照光信号を処理するように構成され、動作することができる。複数の干渉信号は、前記素子から同時に平行に放出され、本願発明において更に記載されるように、前記サンプルのデジタルスキャン画像を生成するために、さらに処理される。
【００１０】
１つの側面において、空間分割多重化光学コーヒレンストモグラフィーのスキャンに適切な集積光子素子は、基板、外部光源から発生単一サンプル採取ビームを受け取るように構成される光入力ポート、前記サンプルのスキャン画像を取得するために複数のサンプル採取ビームを前記素子からサンプルへ伝達するように構成される複数の光出力ポート、及び前記入力ポートを前記出力ポートのそれぞれに光学的に連結する多数の分岐導波管構造であって、前記基板に形成される複数の相互接続された導波管チャネルを含む前記導波管構造、前記導波管チャネルは、前記入力ポートで受け取られる前記発生単一サンプル採取ビームを前記出力ポートにおける複数のサンプル採取ビームに分割する、複数のフォトニック分配器を定義するように構成され、ここで、前記フォトニック分配器と出力ポートとの間の前記導波管チャネルの部分は、複数のサンプル採取ビームのそれぞれの間の光学時間遅延を創成するために異なる予め決められた長さをもつ。前記光源は、１つの態様において、波長を調節可能な長いコーヒレンス光源であり得る。前記導波管チャネル間の前記予め決められた長さにおける差異は、画像が形成されるときに異なる物理的位置からの信号が異なる周波数バンドで検出されるために、前記複数のサンプル採取ビーム間の光源のコーヒレンス長より短い光学遅延を創成するために、選択される。
【００１１】
他の態様において、空間分割多重化光学コーヒレンストモグラフィースキャンに適切な低損失の集積光子素子は、基板、外部光源から発生単一サンプル採取ビームを受け取るように構成される光入力ポート、外部参照光源から参照光を受け取るように構成される参照光入力ポート、サンプルのスキャン画像を取得するために前記素子から前記サンプルへ複数のサンプル採取ビームを伝達するように構成される複数の光出力ポート、前記入力ポートを前記出力ポートのそれぞれに光学的に連結する多数の分岐導波管構造であって、前記基板に形成される複数の相互接続された導波管チャネルを含む前記導波管構造、分配器領域及び干渉計領域を定義する前記導波管チャネル、前記入力ポートで受け取られる前記発生単一サンプル採取ビームを前記出力ポートにおける複数のサンプル採取ビームに分割する、複数の光学分配器を定義するように構成される前記導波管チャネルであって、ここで、前記光学分配器と出力ポートとの間の前記導波管チャネルの部分は、前記複数のサンプル採取ビームのそれぞれの間の光学時間遅延を創生するために異なる予め決められた長さをもつ。複数のフォトニック干渉計を定義するように構成される前記干渉計領域における前記導波管チャネルであって、前記フォトニック干渉計は前記時間遅延領域における前記導波管チャネル及び前記参照光に光学的に連結される前記導波路チャネル、ここで、前記フォトニック干渉計は前記サンプルから変換される複数の反射光信号を受け取るために配置され、前記光子素子の干渉信号出力ポートから放出される複数の干渉信号を生成するために前記参照光と前記反射光信号を結合するように前記干渉計は構成され、動作することができる。前記光源は、１つの態様において、波長を調節できる長いコーヒレンス光源であり得る。前記導波管チャネル間の前記予め決められた長さにおける違いは、画像が形成されるときに異なる物理的位置からの信号が異なる周波数バンドで検出されるように、前記複数のサンプル採取ビーム間の光源のコーヒレンス長より短い光学遅延を生成するために、選択される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
前記例示の態様の特徴は、以下の図を参照して記載され、ここで類似の要素には同様に番号が付される。
【００１３】
【図１】図１は、本願開示の１つの態様にしたがった光子素子を取り込む空間分割多重化光学コーヒレンストモグラフィー（ＳＤＭ−ＯＣＴ）システムの回路図である。
【００１４】
【図２】図２は、例示の導波管構造図を示す、図１の光子素子の回路図である。
【００１５】
【図３】図３は、米国通貨と大きさを比較した、図１のプロトタイプ素子の写真画像である。
【００１６】
【図４】図４は、対数目盛を用いた、前記素子を用いるＳＤＭ−ＯＴＣの中央ビームのロールオフ測定（roll-off measurement）を示す図又はチャートである。
【００１７】
【図５】図５は、前記素子を用いるＳＤＭ−ＯＴＣプロトタイプのシステムの横分解能（transverse resolution）を示す、１９５１ＵＳＡＦ分解能試験の対象図である。
【００１８】
【図６】図６は、本願開示のもう一つの態様にしたがった、低挿入損失光子素子を取り込む空間分割多重化光学コーヒレンストモグラフィー（ＳＤＭ−ＯＣＴ）システムの回路図である。
【００１９】
【図７】図７は、１つの例示の導波管構造図を示す、図６の光子素子の回路図である。
【００２０】
【図８】図８は、前記光子素子により創成された前記オンチップ導波管フォトニック装置により置き換えることができるシステムの前記標準の非オンチップ光学部品及び装置を示す図６の回路図である。
【００２１】
【図９】図９は、オンチップ光学検出器が直に装着される、図７の素子の第１代替の態様の回路図である。
【００２２】
【図１０】図１０は、前記素子で集積して形成されるインチップ光学検出器が直に埋め込まれた、図７の素子の第２代替の態様の回路図である。
【００２３】
本願において示される全ての図は図式的なものであり、大きさを示すものではない。１つの図における参照番号が付される部分は、異なる部分番号が付され、かつ本願発明において記載されない限り、簡潔さのため参照番号なしで他の図に現れる場合、同じ部分であると考えることができる。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本願発明の特徴及び利益は、非限定的な例示の態様を参照して本願発明において図示及び記載される。前記態様の記載は、全体の記載の部分と考えられる随伴する図と関連して意図して読まれる。したがって、本願発明は、単独の特徴又は他の特徴の組合せとして存在し得る、ある可能性のある非限定的な特徴の組合せを図示するような態様に表現として限定されるべきではなく、本願発明の範囲は添付の特許請求の範囲により定義される。
【００２５】
本願発明に開示される態様の記載において、いかなる方向又は指向への参照も単に記載の利便性を意図するもので、本願発明の範囲を如何なる方法でも限定することを意図するものではない。「下方の（lower）」、「上方の（upper）」、「水平の（horizontal）」、「垂直の（vertical）」、「上の（above）」、「下の（below）」、「頂上の（top）」、「底の（bottom）」などの関連用語は、それらの派生語（例えば、「水平に（horizontally）」、「下方に（downwardly）」、「上方に（upwardly）」など）と同様に図に記載され、示されるようにその方向性を参照することを議論のもと解釈すべきである。これらの関連用語は、記載の利便性のためのみであり、前記装置が特定の方向性に構成又は操作されることは必要とされない。「付着した（attached）」、「貼付しれた（affixed）」、「接続した（connected）」、「連結した（coupled）」、「相互接続した（interconnected）」などの用語及び類似語は、別に明示的に記載されていない限り、両方とも移動可能又は固定アタッチメント又は関係と同様、介在する構造によって直接的又は間接的に互いに確保又は付着可能である関係のことをいう。
【００２６】
最近、その全体が参照により本願発明に取り込まれる共有米国特許９，４００，１６９において、平行ＯＣＴ法、すなわち、空間分割多重化ＯＣＴ（ＳＤＭ−ＯＣＴ）が単一ソース及び検出ユニットに基づき開示される。ＳＤＭ−ＯＣＴにおいて、サンプルのアームビーム（arm beam）は、同時に検出することができる多重化干渉信号を生成するために各チャネルに異なる光学遅延（optical delays）をともなって多数チャネルに分割される。前記光学遅延は、平面光波回路スプリッター（planar light wave circuit splitter）を含む光学ファイバーに基づくエレメント及びそれぞれが前記サンプルに伝達されて前記サンプルから反射して返還される光ビームのサンプル採取において異なる光学遅延を生成するために異なる長さをもつ複数の光学ファイバーを含む光学遅延エレメントを備える１つの態様において創成された（例えば、米国特許９，４００，１６９の図１参照）。分割ビームは前記サンプルの異なるセグメントを画像化するために用いられ、したがって、その画像化速度はビーム数に等しい因子によって増加した。８００，０００Ａ−スキャン／秒の高速画像化速度は、１００ｋＨｚにおける長いコーヒレンス長ＶＣＳＥＬレーザー運転を用いて８ビーム照明を創成することにより、この初めてのプロトタイプシステムで証明された。
【００２７】
上述のＳＤＭ−ＯＣＴは単一のシステム構成を備えて大規模に実現可能な速度改善を提供したが、本発明者らは、前記多数の既成のファイバー部品を組立て及び各チャネルについて光学遅延を制御するために、初めの研究室プロトタイプのＳＤＭ−ＯＣＴが多くの時間及び手作業の努力を要し、このことで前記ＳＤＭ−ＯＣＴ技術の広範な普及が制限されることを見出した。
【００２８】
プロトタイプの集積光子素子を備えるＳＤＭ−ＯＣＴシステム
【００２９】
ＳＤＭ−ＯＣＴを容易に、信頼性をもって構築するために、本願開示はシリコンフォトニクスを用いて置き換えられる上記の光学ファイバーを用いる遅延エレメントを排除する。本願発明は、サンプル採取及びリターンパスの光ビームにおいて光学遅延を生成するように構成されるフォトニック部品を含む集積光子素子１０１を備えるＳＤＭ−ＯＣＴシステム１００を提供する。光子素子へのそのような部品の集積は、システムの費用、大きさ、及び安定性の有意性を有する。これらのフォトニック集積回路（ＰＩＣｓ）のナノ／マイクロの加工における進歩は、シリコンを用いる処理能力における重要な進歩を活用してきたが、このことが次にそのような技術の大規模製造における重要なコスト削減をもたらす。前記ＰＩＣｓは、また、増加した収率で新しい機能性を達成し、パッケージ化におけるエラーを低減する性能を提供する。光子素子に関する干渉計及び光学測定器のようなＯＣＴ部品の集積は、すでに報告されてきた。ＳＤＭ−ＯＣＴシステムの場合には、既定の光学遅延及び各出力ビーム間の間隔はその加工工程の間においてサブミクロン誤差で精細にリソグラフ的に形成することができるから、ＰＩＣ素子を用いてファイバーを空間分割多重化部品で置き換えることは潜在的な優位性をもつ。
【００３０】
図１は、そのようなシステムの性能を証明するための試験装置に用いられるプロトタイプの光子素子を用いるＳＤＭ−ＯＣＴシステム１００の回路図である。このプロトタイプにおいて、平面光波回路スプリッター（planar light wave circuit splitter）及び異なる光学遅延をもつファイバーアレイを含む、前記サンプル採取ビームのチャネル又はパスの間の光学遅延を生成するために用いられる従来のファイバーを用いる部品は、単一集積光子素子１０１により置き換えられた。前記シリコンを用いる光子素子１０１の回路図レイアウトは、図２に示される。図３は、前記加工されたプロトタイプの素子の実際の写真画像を図示する。光子素子１０１は、それらの間で測定される厚さＴを形成する２つの相対する主な平行面１０１ａ、１０１ｂ、及び前記素子の周囲を形成する４つの垂直の側面１０１ｃを含む１つの態様において、一般に長方形プリズム又は直方体の配座をもつことができる基板１０２を含む。基板１０２は、第１反射指数ＲＩ−１をもつ材料で形成される。前記プロトタイプのシステムにおいて、前記基板１０２は約１−２ｍｍの厚さＴ１をもった。しかしながら、他の厚さも基板１０２に用いることができる。
【００３１】
前記光子素子１０１の基板１０２は、例えば、限定なくシリコン又はシリコンオンインシュレーター（silicon-on-insulator）（ＳＯＩ）のような導波管を備える光子素子構築用に従来から用いられる単一材料又は多層複合材料組合せの適切ないかなるものでも作成することができる。１つの態様において、光子素子１０１はＳＯＩ基板で構築される。典型的に、ＳＯＩ素子はシリコン（Ｓｉ）基板層、中間の二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）絶縁体層、及び典型的には前記絶縁体層よりも薄い厚さをもつ薄いトップ結晶性シリコン層を含む。前記光ビーム及び光波を導波する前記トップシリコン層は反射指数ｎ＝３．４５を有し、前記ＳｉＯ2絶縁体は反射指数ｎ＝１．４５を有する。しかしながら、他の態様においては、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）及びヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）等のようなシリコン以外の材料も用いることができる。
【００３２】
図２を引き続き参照すると、前記光子素子１０１は１つのアレイ及び複数の相互接続分岐導波路をもつ導波管構造でパターンが形成される。前記導波管は、オンチップ光学ビームスプリッター及び光学時間遅延ユニット又は領域を生成するように構成される、前記図示態様において、導波管チャネル１０３の形態であり得る。導波管チャネル１０３は、前記素子を通して前記図に示される前記光学光路を伝播し追跡するために、前記現存ビームを指揮し先導し、これにより、空間分割多重化ＯＣＴシステム用の前記チャネルの間の光学遅延を創成する時間遅延領域において異なる長さのチャネルが生成されることが可能になる。
【００３３】
前記パターン化された導波管チャネル１０３は、従来の半導体加工技術又は同技術における既知の方法により基板１０２に形成することができる。用いることのできる適切な半導体法の１例は、前記導波管を形成するＳＯＩ素子１０１の場合に前記ＳＯＩトップ層の選択的エッチングに続き、所望の導波管チャネルパターン形成のためのフォトリトグラフィー又は深部ＵＶ（紫外線）リトグラフィーの組合せである。前記ＳｉＯ２絶縁体層（ｎ＝１．４５）と上記Ｓｉトップ層（ｎ＝３．４５）との間の上記反射指数における比較的大きな差異は、前記光子素子１０１において導波管チャネル１０３の制限内に、前記光学スペクトルにおける前記電磁気光学信号又は波の移動の原因となる、前記トップＳｉ層への電磁気領域を制限する。
【００３４】
導波管チャネル１０３を形成するために用いられるもう１つの例示の方法は、周知の半導体加工で用いられる様式における基板のドーピングである。ドーピングは、導波管チャネルの所望のパターンを形成するためにドーバント元素を前記シリコン基板の選択的な領域に導入するために、拡散又はイオン注入のような処理を含む。前記ドーピングされたチャネルは、前記基板シリコン材料反射指数ＲＩ−１とは異なる反射指数ＲＩ−２を有する。しかしながら、シリコンフォトニクスにおいて用いられる上記のものを超える、他の半導体加工技術は他の態様で用いることができる。
【００３５】
前記プロトタイプの素子を用いるＳＤＭ−ＯＣＴシステム１００において、光源１１０からの増幅された現存ビームは、図１に示される前記サーキュレーター１４０から光学ファイバー１０４を備える素子１０１へ直接連結し、入力された。素子１０１は、入力光学ファイバー１０４に直接連結する前記側面１０１ｃの第１面上に形成される入力ポート１０６、及び前記側面１０１ｃの異なる第２の面状に形成される複数の出力ボート１０５を含む。もちろん他の態様において、前記入力及び出力ポート１０６、１０５は、前記スキャン装置に望まれるこれらのポートの位置によって、前記光子素子１０１の如何なる２つの異なる側面１０１ｃにも形成することができる。入力及び出力ポート１０６、１０５用に選択される側は、前記素子の大きさを最小化及び／又は前記素子が集積される前記物理的機器及び装置用の配置を最適化するために変動することができ、独立している。したがって、前記配置は本願発明を限定するものではなく、前記図示態様は多くの可能な構成の１つを示す。
【００３６】
前記プロタイプの素子１０１は以下のデザインパラメータを有した。波長範囲：１３１０±６０ｎｍ；  カップリング：入力及び出力において一致ＳＭＦ−２８ファイバーモード（９，２μｍＭＦＤ）；  出力ピッチｐ＝２５０μｍ（０．２５ｍｍ）；  導波路長さの違いΔＬ＝２．５ｍｍ；  指標コントラスト：１．５％；  導波管の寸法：４．０μｍ（幅）×４．５μｍ（高さ）；  及び曲げ半径：２．３ｍｍ。他のデザインパラメータは他の態様及び応用に用いることができる。
【００３７】
前記プロトタイプの光子素子１０１は、オンチップスプリッター及び前記導波管チャネル１０３を用いて創成される前記多数の分岐導波管構造を特に構成することにより生成される時間遅延を含む。前記プロトタイプにおいて、制限のない１つの例として、多数の分岐オンチップ導波管チャネル１０３により生成される１×２光学導波管スプリッター１０７の水平３列カスケードが、前記初期単一ビーム又はチャネルから最終８ビーム又はチャネルへ各列に（前記素子上に各列のスプリッターを示す、図２におけるダッシュ線）前記現行サンプル取得光Ｓ１を等しく徐々に分割するために用いられた。各導波管スプリッター１０７は、前記入力サンプル採取ビームＳ１を２つの出力サンプル採取光Ｓ１ビームに等しく（すなわち、５０／５０）分割する、前記波導管における分岐により形成される。このことは、前記図示プロトタイプの進歩した態様における前記８つの出力サンプル採取ビームＳ１を生成する便宜用の３列の波導管スプリッターのそれぞれにおいてうまく発生する。しかしながら、他の態様において、ただ単一のスプリッター列（例えば、この例において１×８スプリッター）を含むより少ない又はより多い数の列が、前記サンプル採取光Ｓ１を前記サンプルのスキャン用の前記所望の数のサンプル採取ビームに分割するために用いることができる。用いられるスプリッターの列の数は、本願発明を制限するものではなく、前記提供される応用に所望とされる前記光学素子１０１の形状及び／又は大きさにより、いくつかの態様において言及される。多かれ少なかれ８つのサンプル採取ビーム又はチャネルが必要とされる他の態様において用いることができ、本願発明が前記８つのビームプロトタイプの態様に制限されないことに、さらに注意すべきである。
【００３８】
８つのビームのサンプル採取光Ｓ１のそれぞれが、次に前記素子を通して分離波導管チャネル１０３において伝達され、これにより図２に示される基板１０２の１つの側１０１ｃにある一緒にクラスター化された複数の出力ポート１０５を通して光子素子１０１から放出される複数の出力ビーム又はチャネルが形成される。この図には、これらを隔てるピッチｐ＝０．２５ｍｍ（又は２５０μｍ）をもつ出力ビームチャネルを生成する８つの導波管出力ポート１０５を示す、前記素子の出力ポート１０５のズームイン図を含まれる。８つの波導管チャネル１０３のそれぞれの間の光学遅延は、第３列光学スプリッター１０７と出力ポート１０５との間の各チャネル用の異なる末端パス又はチャネルを設定することにより、多重化干渉信号を生成するために、前記波導管における約２．５ｍｍ又は隣接するチャネルの間の空気における約３．７ｍｍの光学遅延のこの非限定の態様における物理的長さ（光学遅延）差異ΔＬをもって、前記光子素子１０１に創成された。前記時間又は光学遅延は、前記波導管スプリッター１０７の第３列と図示される前記出力ポート１０５との間の各波導管チャネル１０３の長さを変動させることにより創成された。１つの好ましい態様において、前記差異ΔＬは、画像が生成されるときに異なる物理的位置からの信号が異なる周波数バンドにおいて検出されるために、複数のサンプル採取ビームの間の前記光源のコーヒレンス長より短い光学遅延を生成するために選択される。
【００３９】
１つの態様において、各隣接する波導管チャネル１０３の間の長さΔＬにおける均一又は同一の差異を異なるバンドにおける全ての波長のサンプル採取光を伝達するために提供することができる。しかしながら、前記遅延は均一である必要はない。いくつかの態様において、１つの例のように、前記システムデザイナーは、例えば、前記サンプルから返還されるスキャンされた画像を最適化するために前記サンプルが非均一な及び／又は非平面な面形状をもつ場合、スキャンされる特定のサンプル形状を収容するために、意図的に非均一の遅延を用いることができる。したがつて、本願発明は、各隣接の波導管チャネル１０３の間の長さΔＬにおける均一の差異に限定されない。
【００４０】
前記波導管光子素子１０１の前記出力ポート１０５は、逆反射を低減させるために磨かれた８度の角度であった。前記光学素子の全体の大きさは、米国のクォーターコインの大きさ（例えば、図３の写真図を参照）に近い約２．５×２．０ｃｍ２であった。
【００４１】
図２に示される光子素子１０１のプロタイプの配置において、前記３列のカスケードスプリッターは第１方向（本図において下向き）前記サンプル採取光Ｓ１ビームを分割及び誘導するように配置される。複数のサンプル採取ビーム又はチャネルのそれぞれの間の光学時間遅延を創成するために異なる予め決められた長さを有する、前記素子の時間遅延領域における各出力ポートと関連する前記導波管チャネル１０３の端末部分は、前述のスプリッター領域における前記導波管チャネル１０３に一般に垂直に配置される。したがって、少なくとも前記プロトタイプの素子において、前記該当サンプル採取光Ｓ１は前記時間遅延領域における前記導波管路にしたがって移動し、大きさを最小にするために前記素子１０１上の空間を有利に保持する前記スプリッター領域における前記サンプル採取光路に一般に垂直に進み、これにより極端に小さなフォトニックスプリッター及び時間遅延ユニットの創成を可能となる。前記用語「一般に」は、前記スプリッター領域における前記スプリッター光Ｓ１が、前記個別の光学スプリッター１０７の曲がり角度のついた部分を通して伝播する場合、前記時間遅延における前記サンプル採取光に完全に垂直に移動する必要はなく、むしろこれらの領域を通した前記サンプル採取光の全体の流れがこの非限定の態様において互いに垂直であることを暗示するために用いられる。他の態様において、サンプル採取光の流れは、前記スプリッター及び時間遅延領域において互いに斜めに角度があり又は相対的に平行であることができる。したがって、本願発明は、図２の態様において図示される素子１０１を通してサンプル採取光の流れに限定されない。
【００４２】
上述のプロトタイプ以外の他の態様において、チャネル、出力間隔、研磨角度、素子寸法、及び導波管配置の異なる数を用いることができる。したがって、本願発明は、前記プロトタイプの実証システムにおいて上述のデザイン及びこれらのパラメーターの参照値に明示的に限定されない。ゆえに、他の態様はこれらの側面において異なることができ、本願発明の制限とはならない。
【００４３】
前記プロトタイプの素子を用いるＳＤＭ−ＯＣＴシステム１００の部品の残りの部分は、図１をさらに参照して記載される。前記光源１１０は、最適の画像化深さの範囲を提供するために、商業上利用可能な波長調節可能な長コーヒランス光源であり得る。１つの態様において、制限なく、前記コーヒレンス長は前記ＳＤＭ−ＯＣＴシステム用の適切な画像化範囲を達成するために５ｍｍより大きくすることができる。前記プロトタイプのシステムに用いられる前記長コーヒレンス光源１１０は、ＶＣＳＥＬ（vertical-cavity surface-emitting laser：垂直キャビティ面発光レーザー）波長調節可能レーザーダイオード（例えば、ＳＬ１３１０Ｖ１、Thorlabs Inc.：トールラブ社、米国：コーヒレンス長＞５０ｍｍ）であり得る。他の態様において、５ｍｍよりも大きな他のコーヒレンス長を用いることができる。ブースター光増幅器（booster optical amplifier：ＢＯＡ）１１１（例えば、ＢＯＡ１１３０ｓ、トールラブ社、米国）を、前記レーザー出力を約２７ｍＷから約１００ｍＷに引き上げるための市販のＶＣＳＥＬ波長調節可能レーザー光源（例えば、ＳＬ１３１０Ｖ１、トールラブ社、米国）の直後に前記光学路において採用することができる。前記長コーヒレンス光源１１０は光学ファイバー１０４を介して前記ＢＯＡ１１１に光学的に連結した。光学ファイバー１０４を、下記において記載されない限り、図１に示されるようにＳＤＭ−ＯＣＴシステムの残っている光学部品及び装置と一緒に光学的に連結して用いることができることに留意すべきである。コーニング（登録商標）ＳＭＦ−２８（登録商標）などのような市販で利用可能な光学ファイバーを前記デバイスに光学的に相互接続して用いることができる。
【００４４】
前記ＢＯＡ１１１から放出される前記増幅光は、９５／５光学カプラー１２０を通して、位相校正のための約３８．７ｍｍの光学遅延をもつ特注のマッハツェンダー干渉計（custom Mach-Zender interferometer：ＭＺＩ）に配送される５％の光及びＯＣＴイメージング用に用いられる残りの９５％の光とともに、通過した。前記ＭＺＩ光ビームは、図示されるＭＺＩ１１２の５０／５０光学カプラー１２１上流を通して、初めに伝達された。カプラー１２１からの両方の出力は干渉信号を生成する前記ＭＺＩに方向づけられる。
【００４５】
前記ＯＣＴイメージング用の光学カプラー１２０から放出される９５％の光は、前記参照アームＲに送られる電源の１０％及び前記サンプルアームＳで用いられる電源の９０％と一緒に、９０／１０光学カプラー１３０によりさらに分割された。適切な光学カプラーは、ＡＣフォトニクス社、トールラブ社、又は他の供給先から入手可能な光学ファイバーカプラーを含む。
【００４６】
カプラー１３０からの前記該当参照アームＲ光ビームは、サーキュレーター１５０及び偏光コントローラー１５１（例えば、トールラブ社、米国及びその他から市販可能なファイバー偏光コントローラーＦＰＣ）を通して通過する。変更制御は、干渉信号を最適化して最良な画像品質を達成するために、前記サンプル及び参照アームＳ、Ｒの偏光状態を一致させるために有用である。前記参照光ビームは、次に、参照ミラー１６０へ前記参照光ビームの焦点を集中する、コリメーター１５２及びレンズ１５３を通して伝達される。前記参照アームＲは、前記サンプルからの反射光信号と結合するための干渉信号を創成するために、前記光路長を変化させる必要のない固定光学長の非スキャン参照アームである。ミラー１６０から反射される前記参照光は、前記干渉信号の創成用のサーキュレーター１５０へ上述の参照アームＲを通して逆に通過する。
【００４７】
カプラー１３０からの前記当該サンプル採取光Ｓ１ビームは、サーキュレーター１４０（例えば、ＡＣフォトニクス社）及び偏光コントローラー１５４を通して、サンプルアーム上の前記集積光子素子に連結された。直接空気を通して出力ポート１０５を介して前記素子から出力される前記８ビームサンプル採取光Ｓ１は、多数の異なるスポットに焦点を集中し、前記サンプル１９１の表面を横切る位置をサンプル採取するためにコリメーター１７０により、補足され、平行にされた。第１の３０ｍｍレンズ１７１及び第２の５０ｍｍレンズ１７２を装着した望遠鏡を前記サンプル採取ビームの大きさを拡大するために用いた。大スキャンレンズ１９０（例えば、ＬＳＭ０５対物レンズ、トールラブ社、米国）を、ＳＤＭ−ＯＣＴをもつ前記サンプル１９１の広範囲の体積イメージングを達成するために、振動ＸＹ検流計（galvanometer）ミラー１７３を有する検流計のようなデバイスをスキャン後に前記サンプルアームＳに搭載した。前記スキャンレンズ１９０は有効な１１０ｍｍの焦点長及び９３．８ｍｍの動作距離を有し、これは焦点平面における前記隣接ビーム間の約１．７ｍｍの間隔及びＵＳＡＦ対象（例えば、図５のグループ４、エレメント５を参照）で測定される約２０μｍの横分解能であった。前記サンプルの入射電力（Incident power）は各ビームについて約３ｍＷであった。前記サンプル１９１の横に及び空間的に分離された部分は、前記サンプルのデジタル画像を捕捉するために、前記サンプル採取ビームで照射した。
【００４８】
前記サンプル１９１は、検流計ミラー１７３を用いた光子素子１０１から８つの出力ポート１０５のそれぞれにより放出されるサンプル採取光Ｓ１により同時にスキャンできることに留意すべきである。前記検流計は、モーター軸により駆動する斜めの振動（例えば、上下に）ミラー１７３をもつガルボモーターを含む。各スキャン用出力ポート１０５からのサンプル採取光ビームは、検流計スキャナーミラー１７３により前記サンプル１９１の表面を横切って独立して伝達し、スキャンされ、これにより、前記出力ポートの１つにそれぞれ対応した区別され、独立した照射されるサンプル採取スポット又は位置が生成される。前記検流計ミラー１７３は、前記所望の画像情報を捕捉するために、前記サンプル採取ビームＳ１を前記サンプルに如何なる適切なパターンでも投影することができる。スキャン装置の他の変化及びタイプを用いることができる。いくつかの非限定的な例において、前記検流計スキャナー２００は、ケンブリッジテクノロジー社（Cambridge Technologies）、モデル６２１５Ｈ又はトールラブ社、ＧＶＳ１０２であり得る。
【００４９】
サンプル１９１上の各サンプル採取位置から同時に返還されてきた反射サンプル光信号Ｓ２及びミラー１６０からの参照アームＲからの参照光Ｒ１は、本願発明で前述した上流の光学サーキュレーター１４０及び１５０を介して５０／５０光学カプラー１４１に道づけられた。この過程で、反射したサンプル光信号は、前記サンプルアームレンズ１９０、１７１及び１７２、コリメーター１７０を通して、光子素子１０１へ移動して返還される。前記複数の反射光信号Ｓ２は、前記出力ポート１０５により捕捉され、次に前記時間遅延及びスプリッター領域における前記複数の導波管チャネル１０３を通して、サンプル採取光信号Ｓ１のパス及び方向へ逆のパス及び方向で逆向きに伝達した。前記複数の反射光信号は、前記サンプル光入力ポート１０６を通して放出して光学カプラー１４１に向かう、単一反射光信号Ｓ２へと結合する。前記反射光信号は異なるバンドの前記スキャンされた画像情報を含む複数の反射光信号を含むことに留意すべきである。カプラー１４１は、複数の反射光信号Ｓ２及び参照光Ｒ１に基づく複数の干渉信号を含む結合した反射光干渉信号を生成するために動作する。
【００５０】
カプラー１４１を介する前記ＯＣＴ及びＭＺＩ１１２により生成される干渉信号の両方からの反射光干渉信号は、デュアルバランス検出器１８０及び１８１（例えば、ＰＤＢ４８０Ｃ−ＡＣ、１．６ＧＨｚ、トールラブ社）により検出され、それらの出力は１．５ＧＳ／ｓのサンプル採取速度で動作するデュアルチャネル高速データ取得カード（dual-channel high-speed data acquisition car）１８３（例えば、ＡＴＳ９３７３、アラザールテクノロジーズ社（Alazar Technologies Inc.））により同時に取得された。前記サンプル採取速度は、前記レーザーの掃引速度及びチューニング範囲のような情報、及び８つの平行画像化チャネルにより必要とされる全体画像化深度に基づくフリンジ周波数により評価された。前記サンプル採取速度は、ナイキストサンプル採取要件（Nyquist sampling requirement）を満たすために少なくとも二回の最小フリンジ周波数で保った。測定された全体イメージング深度は、空気中〜３１．６ｍｍ又は組織内〜２３．８ｍｍであり、これは異なる光学遅延で分離される全ての８つのビームから前記ＯＣＴ信号をカバーするのに十分であった。前記検出された信号は、前記高速度データ取得カード１８３によりデジタル化され、ＳＤＭ−ＯＣＴシステム１００により捕捉される前記サンプル１９１のＯＣＴスキャン画像を生成するために適当に配置されたコンピューター１８４へストリーミングされた。
【００５１】
前記データ取得カード１８３から取得された信号データは、適当に配置されたポートを通して、コンピューター１８４のメモリー又はもう１つの適切なプロセッサーを用いる装置又はＰＬＣ（programmable logic controller：プログラミング可能な論理コントローラー）にアクセス可能なメモリーに連続的にストリーミングされる。
【００５２】
本願発明で記載される「コンピューター」１８４は、中央処理装置（ＣＰＵ）、マイクロプロセッサー、マイクロコントローラ、又はコンピューター・プログラム命令（例えば、コード）を実行して、データ取得カード１８３から取得された信号データを処理するために構成される計算データ処理装置又はサーキットを備える如何なる適当なコンピューター又はサーバー装置の代表である。これは、限定なく例えば、デスクトップコンピューター、パーソナルコンピューター、ラップトップ、ノートブック、タブレット、及び適切な処理能力及び速度を有するその他の処理装置を含むことができる。コンピューター１８４は、限定なく適当にプログラム化した処理装置、メモリー装置、電源、ビデオカード、視覚表示装置又はスクリーン（例えば、グラフィカルユーザーインターフェイス）、ファームウエア、ソフトウエア、ユーザー入力装置（例えば、キーボード、マウス、タッチスクリーンなど）、取得サンプル採取画像を伝達するための有線及び／又は無線の通信機器（例えば、イーサネット（登録商標）、Ｗｉ−Ｆｉ、ブルートゥース（登録商標）など）のような装置に関連する全ての通常の付属品を含むことができる。したがって、本願発明は処理装置を用いる如何なる特定のタイプの装置によっても限定されない。
【００５３】
メモリーは、ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）及び様々なそのタイプ、リードオンリーメモリー（ＲＯＭ）及び様々なそのタイプ、ＵＳＢフラッシュメモリー、及び磁気又は光学データストレージ装置（例えば、内部／外部ハードディスク、フロッピーディスク、磁気テープＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光学ディスク、ＺＩＰ（商標）ドライブ、ブルーレイディスクなど）を含む如何なる適切な揮発性又は非揮発性のメモリーなど、限定なく、如何なる適切な非一過性の記憶媒体であり得る。
【００５４】
本願発明の態様の様々な側面は、ソフトウエア、ファームウエア、又はそれらの組合せにおいて実行されることが更に評価されるであろう。本願発明で記載されるコンピューター・プログラムは如何なる特定の態様にも限定されず、オペレーティング・システム、アプリケーション・プログラム、前景又は背景プロセス、ドライバー、又は如何なるこれらの組合せにおいても、単一のコンピューター又はサーバープロセッサー又は多数のコンピューター又はサーバープロセッサー上でも実行することができる。
【００５５】
ＳＤＭ−ＯＣＴシステム１００のセントラルビーム用の感度ロールオフ測定の結果を図４に示す。素子を用いるＳＤＭ−ＯＣＴの感度は、前記サンプルとして校正済み−４７．２ｄＢ反射鏡を用いて、約９１ｄＢと測定された。約２ｄＢのロールオフは約２７ｍｍの深度範囲を超えて観察された。軸方向分解能は、全体の画像化深度を通して、空気中で約１１μｍ又は組織中で８．３μｍに維持された。光学素子１０１を備えたＳＤＭ−ＯＣＴシステム１００の性能は、米国特許９，４００，１６９に開示されたものと同様の初期非素子ＳＤＭ−ＯＣＴプロトタイプのシステムで達成された良好な成績と同様であつた。
【００５６】
１００ｋＨｚにおいて同じＶＣＳＥＬ運転を備える単一スポットＳＳ−ＯＣＴに比較して、有利にも、画像化速度で８倍の上昇、約８００，０００Ａ−スキャン／秒に実現した本願発明のＳＤＭ−ＯＣＴシステム１００が、素子を用いるＳＤＭ−ＯＣＴシステムを備えて実現された。約９１ｄＢの感度が前記素子を用いたＳＤＭ−ＯＣＴで測定された。高速度の素子を用いたＳＤＭ−ＯＣＴの実現可能性が広範囲画像化性能を備えて実証された。Ex vivoブタ眼及びin vivoヒト指紋の３次元（３Ｄ）の体積画像化（７００×１２００Ａ−スキャン）が１８．０×１４．３ｍｍ２までの大きな画像化面積をカバーして、約１秒で得られた。ヒト指の爪の高精細度（High-definition）３Ｄ  ＯＣＴ画像（１５００×１６００Ａ−スキャン）が約３秒で得られた。集積光学装置を高精細度及び低ユニットコストで信頼性をもって製造することができ、前記ＳＤＭ−ＯＣＴ技術の配備及び採用が可能とされている。
【００５７】
試験の間、以下の２つのスキャンプロトコルがＳＤＭ−ＯＣＴシステム１００を用いた広範囲ＯＣＴ体積画像化のために採用された。すなわち、（１）高速スキャンモード：全ての８つのビームについて７００×１２００Ａ−スキャンの全体数（７００×１５０Ａ−スキャンが各ビームについて取得された）で構成されるＯＣＴ体積データが約１秒で得られた。これにより、動きアーチファクト（motion artifacts）が、特にin vivo画像化について、最小化が可能となる。（２）高精細モード：ナイキストサンプル採取の横分解能（Nyquest sampled transverse resolution）を達成して前記サンプルの詳細を保存するために、全ての８つのビームについて１５００×１５００Ａ−スキャン（１５００×２００Ａ−スキャンが各ビームについて取得された）で構成されるＯＣＴ体積データが約３秒で得られた。各ＯＣＴ体積データの大きさは、高速スキャンモードで役３．３ＧＢ及び高精細モードで〜９．３ＧＢであった。スキャンの間、各ビームは前記高速スキャン軸方向において約１８ｍｍ及び遅い軸方向で約２．４ｍｍまで上昇した。広範囲ＯＣＴデータは全ての８つのビームから３Ｄ  ＯＣＴ画像を縫い合わせる（stitching）ことにより得られた。
【００５８】
上述の光学カプラー又はスプリッター（例えば、１２０、１３０など）に関し、該当ビーム（例えば、５／９５、１０／９０など）の百分率として定義された入力光ビームの如何なる適切な光学分割又は分裂も、意図される応用及びシステムパラメーターに依存して用いることができることが評価されるであろう。したがって、前記カプラーに用いられる可能性がある多くの可能性のあるデザインのうちの単にいくつかを表すに過ぎない本願発明に開示される光分割又は分裂の百分率に、本願発明は明示的に限定されることはない。前記光学分割比の決定が、如何なる量の光が各サンプル及び参照アームの方向に向けることが意図されるかに依存することは当該技術の当業者によって評価されるであろう。サンプルへの電力が安全域内に保たれる間、サンプルにできるだけ多くの電力を有することが望ましい。一方、ショットノイズで制限される感度を得るために前記参照アームには十分な電力が必要される。
【００５９】
図５は、前記最初のプロトタイプの素子を用いるＳＤＭ−ＯＣＴシステムの横分解能を示す、１９５１ＵＳＡＦ分解能試験ターゲット画像である。前記ＵＳＡＦターゲットは、顕微鏡のような光学画像化システムの分解能を試験することに広く認められている。前記最初のプロトタイプの素子を用いるＳＤＭ−ＯＣＴシステムの横分解能は、ＵＳＡＦターゲット（グループ４、エレメント５ははっきりと視認できる）を用いて約２０μｍと測定された。ＳＤＭ−ＯＣＴシステムの横分解能が対象レンズの数値の口径に依存し、異なる応用の必要に合わせて大きくなったり小さくなったりすることに留意すべきである。
【００６０】
集積光子素子１０１を用いる空間分割多重化光学コーヒレンストモグラフィーにおいて光を処理する方法を簡潔に説明する。１つの態様において、前記方法は、１つの光学入力ポート、複数の光学出力ポート、及び前記入力ポートを前記出力ポートのそれぞれに光学的に連結する多分岐導波管構造を含み、前記導波管構造が前記素子に形成された複数の相互接続された導波管チャネルを含む、光子素子を提供すること；前記入力ポートにおける光源からの単一のサンプルビームを受け取ること；前記サンプルビームを、前記スプリッター領域における前記導波管チャネルにより形成される複数のインチップ光学スプリッターを用いて複数のサンプル採取ビームへ分割すること；前記サンプル採取ビームの分割後に各導波管チャネルの長さを変動させることにより前記複数のサンプル採取ビームの間の時間遅延を創成すること；及び前記出力ポートを通してスキャンされるサンプルに向かって前記複数のサンプル採取ビームを同時に平行に放出すること、を含む。
【００６１】
さらに前記方法は、前記出力ポートにおける前記サンプルから帰ってくる複数の反射光信号を受け取る；前記反射光信号を前記時間遅延領域を通して前記光子素子の前記スプリッター領域に伝達する;前記反射光信号を単一の反射光信号に結合する；及び前記光子素子の前記入力ポートから前記単一の反射光信号を放出する；ステップを含む。さらに前記方法は、前記反射光信号を参照光信号と結合することにより干渉信号を創成する；前記干渉信号に基づいてデジタイザーを用いて前記サンプルのデジタル画像を生成する；ステップを含むことができる。１つの態様において、前記複数のサンプル採取ビームは、前記複数のサンプル採取ビームの間の前記時間遅延を創成するために異なる長さの前記時間遅延領域における導波管チャネルを通して伝達される。
【００６２】
低挿入損失ＳＤＭ−ＯＣＴ及び光子素子
【００６３】
典型的に、上述のように、光が光子素子１０１を用いて１ファイバーからＮ出力チャネルへ分裂するとき、前記各出力ファイバーの強度は前記入力強度の約１／Ｎである。これにより、サンプル採取のため前記光子素子の全ての前記出力チャネルを通して前記光の均一な分配が可能になる。反射光が集められ、逆の方向に再び前記入力ファイバー１０４を通して逆に通過する前記サンプルから返還されるとき、反射光の約１／Ｎのみがサーキュレーター１４０に前記反射光を導きもどす前記素子に前記入力ファイバー１０４において結合する。この挿入損失は前記光学素子１０１が前記光を分裂させるチャネルの数に比例する。前記反射光のための挿入損失を最小化するために、前記素子２０１を備えた光子素子を用いるＳＤＭ−ＯＣＴシステム２００の代替的な態様が図６及び７に示される。
【００６４】
ＳＤＭ−ＯＣＴシステム２００は、前記光学素子２０１の入力／出力において返還光学損失及び結合損失を低減することを追求する。このデザインにより、前記光子素子１０１を通して前記サンプル１９１への最初の通過においてのみ光が分裂されることになる。前記サンプルから返還される逆反射光は、前記オンチップ光学スプリッター及び前記入力ポート１０６及びかなり低下した損失をもたらすこの素子トポロジーに関連する入力ファイバー１０４を避ける。上述の図１−３の前記光子素子１０１とは異なり、前記サンプルのデジタル化画像を生成する前記サンプル採取過程の間に前記サンプル１９１から返還される反射光信号は、本願発明の低損失光子素子２０１の前記入力ファイバー１０４を通して通過しない。しかしながら、光子素子２０１の前記鍵となるデザインは、前記返還される反射光信号Ｓ２が「サンプルスプリッター」を示す図７の長方形のボックスにおいて示されるカプラー又はスプリッター２３０の一列を通して通過のみであろうという点である。前記信号は、参照光を干渉するように道づけられるであろう。このように、前記入力からのカプラー又はスプリッター２３０のトップ２列（各列は３ｄＢ損失を生成する）は６ｄＢ光損失を避けるためにバイパスされるであろう。ゆえに、前記入力ポート２０６及びファイバー２０４をバイパスすることは、このバイパスデザインの実装の結果であって前記鍵となるファクターそれ自身ではないということに留意すべきである。
【００６５】
図７を参照すると、前記低損失光学素子２０１は、その間に厚さＴ２を形成する主な平行面２０１ａ、２０２ｂ、及び前記素子の周囲を形成する４つの垂直な側面２０１ｃを含む１つの態様において、一般的に長方形のプリズム又は直方体の配置をもつことができる基板２０２を含む。基板２０２は、第１反射指数Ｒｉ１をもつ材料で形成される。前記プロトタイプのシステムにおいて、前記基板２０２は、約１−２ｍｍの厚さＴ２をもつことができる。しかしながら、他の厚さを基板２０２に用いることができる。前記基板２０２は、上述の基板１０２として光子素子を構築するため、如何なる同一材料でも適切な材料で作成することができる。１つの態様において、限定なく、前記基板はシリコンで形成することができる。
【００６６】
低損失光子素子２０１は、その中にある導波管チャネルを通して移動し又は伝わる前記素子から受け取る及び前記素子へ伝達するための複数の異なる入力及び出力ポートを有する。１つの態様において、素子２０１は、前記サンプルアームＳからの入力サンプル光信号を受け取るサンプルビーム入力ポート２０６、光源１０１により生成されるサンプルビーム入力光学ファイバー２０４、サンプルビームＳ１を前記サンプル２９１に伝達及び前記サンプルから返還される反射光信号Ｓ２を受け取る複数の出力ポート２０５、前記参照アームＲからの参照信号Ｒ１を受け取る参照信号入力ポート２０７、及びデジタル平衡検出器２８０に干渉信号を伝達する複数の干渉信号出力ポート２０８をもつことができる。前記導波管光子素子１０１の出力ポート２０５は、反射を低減してもどすために研磨された８度の角度であり得る。他の研磨角度は表面反射の量を制御するために用いられる。
【００６７】
光子素子１０１と同様に、複数の導波管チャネル２０３を含む多分岐導波管構造が低損失素子２０１に形成され、同じ水平参照平面に配置できる。光子素子２０１は、スプリッター領域、時間遅延領域、及び干渉計を形成するように構成される、１つのアレイ又は複数の導波管チャネル２０３でパターン形成される。素子１０１と同様に、前記導波管チャネル２０３及びペース基板２０２のインターフェースにおいて反射指数の違いは、前記光信号が前記導波管チャネル２０３内を前記基板の隣接する基板部分へ最小限で又は光の散乱なしに移動することを制限する又は引き起こす。
【００６８】
図７を参照すると、前記導波管チャネル２０３はいくつかの構成において同じ断面形状をもつことができる。１つの態様において、前記導波管チャネル２０３は１０６０ｎｍ光の操作のために最適化することができる。眼科用掃引光源ＯＣＴシステムは、典型的に、１３１０ｎｍのバンド幅における高い吸収を避けるために、１０６０ｎｍ中央波長において動作する。それゆえに前記導波管チャネル２０３の断面形状は、前記ターゲット波長において光信号の効率的な伝播を確保するためにデザインし直さなければならない。前記導波管チャネルは、意図されたスキャン応用及び要件に依存した他の態様において他の中央波長用にデザインすることができる。
【００６９】
前記導波管チャネル２０３は、前記発生単一サンプルビームを非限定の図示された素子の例における８つの出力サンプル採取ビーム又はチャネルへと分裂させるために、素子１０１と同様に、３列のサンプルスプリッター領域を形成するようにパターン形成される。他の数の出力サンプル採取ビームを他の態様において用いることができる。最後又は第３列のサンプルスプリッター位置は図７に示される第１ラベルの破線のボックス（第１及び第２のスプリッター列は前記破線のボックスの上に示される）により示される。区別された干渉計領域は、前記サンプル２９１から返還される反射光を集める前記サンプル採取スプリッター領域から受け取られる反射光信号Ｓ２を干渉するそれぞれ４つの参照光信号Ｒ１を受け取る、第２ラベルの破線のボックスで示される前記素子２０１上にパターン形成される。前記発生単一の参照光信号Ｒ１は、前記反射光導波管チャネル２０３を示されるような適当な数の分岐でパターン形成することにより、前記４つの参照光信号Ｒ１に分割される。１つの態様において、全ての前記参照光Ｒ１導波管チャネルは、同じ光学路長をもつことができ、一方、前記サンプルアームサンプル採取光Ｓ１導波管チャネルは前記光学時間遅延を生成するために異なる光学路長を有する。
【００７０】
しかしながら、もう１つの態様において、全てのサンプル採取光Ｓ１導波管チャネル２０３は同じ光学路長をもつことができ、一方、前記参照光Ｒ１導波管チャネル２０３はその代わり、上述のチャネル間の光学遅延に類似する異なる光学路長を有する。実際、サンプルアーム及び参照アーム導波管レイアウトデザインは、異なる画像化チャネルから由来する異なる干渉信号の間の同一の異なる光学路長遅延を発生するために用いられる。前記光学路長の差異は、前記干渉信号の周波数を異なる画像化チャネルから異なる周波数バンドへシフトさせるために用いられ、これは前記取得されたＯＣＴ画像における異なる深度範囲に相当する。したがって、本願発明は、前記サンプルアームＳ又は参照アームＲのいずれかについて同じ光学路長を必ず有することに限定されない。異なるチャネルからの前記干渉信号は、個別のサンプルアームと参照アームとの間の前記光学路長の差異が特異であるとき、異なる周波数バンドへ形成される。全ての前記干渉信号は異なる周波数バンドにあるため、単一の光検出器を一度に同時に並行して全ての信号検出のために用いることができる。
【００７１】
図６は、前記集積低損失光子素子２０１を備える前記ＳＤＭ−ＯＣＴシステム２００を示す。図６及び７を参照すると、システム２００の外部装置の前記光子素子２０１の様々な導波管チャネルポートへの光学的連結は、示される前記ＳＤＭ−ＯＣＴシステムのその他の部品へ接続するために、光学ファイバー２０４を用いて行うことができる。光は、本願発明で上述した前記長いコーヒレンス掃引光源１１０から光学ファイバー１０４を通して２０／８０光学カプラー２１０に伝達される。この態様における光源１１０は、容認される感度のために十分な滞留時間を可能とする一方、効率的なＡスキャン速度を最大化するために２００ｋＨｚ掃引光源レーザーであり得る。前記カプラー２１０は、前記参照アームＲのサーキュレーター２１１における３つのポートの１つに光学ファイバーを介して指令された光の２０％を向ける。カプラー２１０から放出される光の残りの８０％は、前記サンプル採取光Ｓ１を提供するために、光学ファイバーを介して前記サンプル採取アームＳ及び光学素子２０１へ向かう。カプラー２１０の他の分割は、他の態様において適切に用いることができる。前記サンプル採取光Ｓ１は前記素子の入力ポート２０６で受け取られる。
【００７２】
前記発生単一のビームサンプル採取光Ｓ１は、前記各列における発生光を最終の８つの出力サンプル採取ビームＳ１へと同等に及び徐々に分割する導波管チャネル２０３により形成される素子２０１における光学導波管スプリッター２３０の３列のカスケードを通して移動する。各光学導波管スプリッター２３０は、前記入力サンプル採取ビームＳ１を２つの出力サンプル採取ビームＳ１へ同等に（すなわち、５０／５０）分割する前記導波管の分岐により形成される。これは、前記図示態様における８つの出力サンプル採取ビームを徐々に創成するために導波管スプリッターを本願発明において前述される他の態様において用いることができる。時間遅延は、画像が生成されるときに異なる物理的位置からの信号が異なる周波数バンドで検出されるように、複数のサンプル採取ビーム間の前記光源のコーヒレンス長より短い光学遅延を生成するために導波管チャネルの間の前記予め決定される長さにおける差異ΔＬが選択される、前記スプリッター２３０と出力ポート２０５との間の前記サンプル採取光Ｓ１のそれぞれの間に生成される。次に、前記素子２０１から出力される前記８つのビームサンプル採取光Ｓ１は、多数の区別されるスポットに焦点を当てる又は前記サンプル２９１の表面を横切って位置をサンプル採取するために、コリメーター２７０により並行にされる。前記複数の異なるサンプル採取ビームＳ１は、ＳＤＭ−ＯＣＴによる前記サンプル１９１の広範囲体積画像化を達成するために、振動ＸＹガルバノメーターミラー１７３へ伝達される。大規模スキャンレンズ２９０（対物レンズ）は前記サンプル採取ビームＳ１と一緒に前記サンプル２９１を受け取り、照射する。
【００７３】
サンプル２９１から返還された反射光信号Ｓ２は光子素子２０１により捕捉される。反射されるサンプル光信号Ｓ２は、前記サンプルアームスキャンレンズ２９０及びコリメーター１７０を通して逆に移動し、及び光子素子１０１上の前記出力ポート２０５により受け取られる。光信号Ｓ２はそれぞれ、前記８つの区別される導波管チャネル２０３の１つを通して導波管スプリッター２３０の最後の３番目の列へ逆に移動する。本願発明の態様において、最後の３番目の水平列における前記導波管スプリッター２３０は、前記スプリッター領域の第１及び第２列において示される前記スプリッター２３０のような１つの入口及び２つの出口の代わりに２つの入口及び２つの出口を備えて構成される。３番目の列におけるスプリッター２３０の第１の入口は、サンプル採取光Ｓ１を受け取り、及び前記光を、前記２つの第１及び第２の出口を通して伝達される２つのサンプル採取光ビームに分裂させる。前記２番目入口は、サンプル２９１から返還される前記反射光信号を光子素子２０１の前記干渉計ユニット又は領域へと向ける、出力される反射サンプル光Ｓ２を形成し、ここで、前記ユニット又は領域は、４つの分岐を又もつ導波管カプラー又はスプリッター２３０により形成される複数の導波管光学干渉計２３１を順に含む。各第３列の導波管スプリッター２３０は、示されるような４つの反射光信号を生成するために８つの反射光信号Ｓ２の２つを結合する。
【００７４】
各導波管フォトニック干渉計２３１は、前記光子素子２０１による前記参照アームＲから受け取られる前記単一参照光信号Ｒ１をスプリッターの２つの列カスケードを介して４つに分割する、前述の第３列導波管スプリッター２３０により伝達される４つの反射サンプル光Ｓ２信号の１つ、及び導波管スプリッター２３０により生成される４つの対応する参照光信号Ｒ１の１つを受け取る。
【００７５】
サンプル２９１から返還される反射光信号Ｓ２及び参照アームＲからの参照光Ｒ１は、複数の干渉信号Ｉを創成するために結合する。各導波管光学干渉計２３１により発生する前記干渉信号Ｉは、素子２０１の前記干渉信号出力ポート２０８に伝達される、示される２つの干渉信号Ｉへと分裂される。前記出力ポート２０８は、それぞれが複数の光学ファイバー２０４を含む、２つのファイバーの束ＦＢ１及びＦＢ２にグループ化される。前記ファイバー２０４は、干渉信号Ｉを単一の分岐検出器２８０に伝達する。検出器２８０からの前記出力信号は、デュアルチャネル高速データ取得カード１８３により取得される。前記検出された信号は、前記高速データ取得カードでデジタル化され、ＳＤＭ−ＯＣＴシステム２００により捕捉されたサンプルのＯＣＴスキャンデータを発生するためにコンピューター１８４にストリームされる。
【００７６】
前述のスキームにおいて、各サンプル採取光Ｓ１の間の所望の光学遅延が、本願発明において前述したように、同じ方法で各チャネル間の遅延を創成するために前記光学素子２０１の時間遅延領域１０９における必要とされる各導波管チャネル２０３の長さを変動させることにより調節することができる。前記の一時的遅延は前記チャネルのそれぞれの光学路長の機能である。この態様において、容認可能な感度のための十分な滞留時間を可能とする一方、前記効率的なＡスキャン速度を最大化するために、当該技術における当業者は２００ｋＨｚの掃引光源レーザーと一緒に用いる前記光学又は時間の遅延を最適化することができる。また、前記出力サンプル採取光Ｓ１ビーム間の間隔を、画像化領域間の前記サンプル面上における特定の物理的分離で前記サンプル上のビームを投射するために、独立して調節することができる。
【００７７】
図７に示されるように、前記カスケードサンプルビームスプリッター及び干渉計のような前記導波管チャネル２０３及び構造は、１つの態様において光子素子２０１上の同じ水平平面において形成することができる。前記導波管チャネル２０３のいくつかの部分は示されるように互いに交差又は横切っているが、交差点における前記導波管チャネルの間のクロストークは、当該技術で既知の方法（例えば、ワイ．マら，「ＳＯＩ光学相互接続のための超低単一層サブミクロンのシリコン導波管交差点」、オプティクス・エキスプレス、２１巻２４号、２９３７４−２９３８２頁、２０１３年）にしたがった適切なデザインによれば非常に小さい（−４０ｄＢ）であろう。他の態様において、光子素子２０１における前記導波管チャネルの光学構造は、当該技術で既知の半導体加工技術を用い及び多レベル回路を構築するために用いられる素子の中で、異なる光学構造が２又は３の垂直層又はレベルに見つけることができるように、３次元様式で配置することができる。そのような素子構造は、実質的にクロストークを避けて均一でより良い性能を提供するために、前記導波管の間の横切り及び交差を完全に又は実質的に避けることができた。
【００７８】
図８は、如何に全ての従来の光学的カプラー／スプリッター装置が、図７に示される上述のオンチツプパターン形成光学部品及び導波管構造を備える前記単一の低損失光子素子２０１により有利に置き換えることができるかを説明する。破線のボックス内に示される全ての従来の光学装置は、前記光子素子により置き換えられる。
【００７９】
図９は、前記低損失光子素子２０１のもう１つの態様を図示する。前記素子のレイアウトは、入力ファイバー（ＦＢ１ｓ及びＦＢ２ｓ）は完全に排除されることを除き、図７と同様である。そのかわり、前記干渉計２３１からの出力は、前記平衡検出器２８０用に用いられる前記＋及び−光学検出器３０４、３０６（ＰＤ＋及びＰＤ−）へグループ化及び連結される。前記ＰＤ＋及びＰＤ−は、前記光子素子を前記検出電子機器に集積するために、前記光子素子の側面に、例えばエポキシ化のように直接接着することができる。この態様の利点は、前記ファイバーの束の結合及び伝達損失が排除されることである。
【００８０】
さらに、図１０は、前記低損失光子素子の１つの態様が図示され、ここで、光学検出器３０４、３０６（ＰＤ＋及びＰＤ−）及び検出電子機器は、起動部品として前記素子上に直接集積することができる。実際、前記シリコン基板は、光学検出器、位相変調器、及び偏光コントローラーなどを含む電子光学装置を開発するためによく用いられる。そのような技術は、例えば、エー・クトロら、「低損失単一モードＳＯＩ導波管に集積された３端末装置に基づくシリコン電子光学変調器」、ジャーナル・オブ・ライトウェイブ・テクノロジー、１５巻、３号、５０５−５１８、１９９７年及びその他の技術出版物に記載されている。したがって、位相変調器３０２及び偏光コントローラー３００は、図９及び１０の両方の態様において示される前記サンプル採取チャネルのそれぞれに含むことができる。これにより、前記サンプルに起こる光の位相及び偏光状態の個別の制御が可能になり、最適のＯＣＴ画像品質を達成するために前記干渉計にもどる。
【００８１】
低損失集積光子素子２０１を用いる空間分割多重化光学コーヒレンストモグラフィーにおける光処理の方法について、簡潔に記載する。１つの態様において、前記方法は、１つの光学入力ポート、複数の光学出力ポート、及び前記入力ポートを前記出力ポートのそれぞれに光学的に連結する多分岐導波管構造を含み、前記導波管構造が前記素子に形成された複数の相互接続された導波管チャネルを含む、光子素子を提供すること；前記入力ポートにおける光源からの単一のサンプルビームを受け取ること；前記サンプルビームを、前記スプリッター領域における前記導波管チャネルにより形成される複数のインチップフォトニックスプリッターを用いて複数のサンプル採取ビームへ分割すること；前記サンプル採取ビームの分割後に各導波管チャネルの長さを変動させることにより前記複数のサンプル採取ビームの間の時間遅延を創成すること；及び前記出力ポートを通してスキャンされるサンプルに向かって前記複数のサンプル採取ビームを同時に平行に放出すること；前記出力ポートにおいて前記サンプルから返還される複数の反射光信号を受け取ること；前記反射光信号を、前記光子素子の干渉計領域における前記導波管チャネルにより形成される複数の干渉計に伝達すること；前記反射光信号を、複数の干渉信号を発生するために複数の干渉計を用いて参照光信号と結合すること；及び前記光子素子の干渉出力ポートから前記干渉信号を放出すること、を含む。
【００８２】
いくらか明確なオンチップフォトニックビームスプリッター及び光学時間遅延領域が、デザイン及び加工の簡潔のため光学子子１０１及び２０１の前記図示態様において示されるが、本願発明が前記ビーム分裂及び時間遅延機能が前記素子の分離された領域又はエリアで実行されることを必ずしも要求しないことに、特に留意すべきである。したがって、前記ビーム分裂及び時間遅延機能は、光学光路長を熟考した他の態様における前記光子素子の単一結合の又は混合のスプリッター及び時間遅延領域又はエリアにおいて実行することができる。例えば、異なる光学路又は導波管チャネル長は、前記光学遅延を創成するためにスプリッターの連続する列の間で用いることができる。
【００８３】
いくつかの直線状の列のインチップフォトニックスプリッター１０７、２３０が本願発明に開示されるが、他の態様が、直線状でなく及び／又は列に整列されていない、よりランダムで互い違いのスプリッターの配置をもつことができることに特に留意すべきである。したがって、本願発明は、前記導波管チャネル１０３及び２０３により形成することができる、多くの可能性のある配置又は配列のスプリッターの単なる１つで代表されるスプリッターのカスケード直線状の列の形成に限定されない。
【００８４】
前述の記載及び図は本願発明の実施態様を表すが、添付される特許請求の範囲の等価物の本質、範囲及び射程から乖離せずに、様々な追加、修飾及び置換を本願発明においてできることが理解されるであろう。特に、本願発明は、その本質又は本質的な特徴から乖離せずに、他の形態、構造、配置、割合、大きさで、及び他の要素、材料、及び部品とともに、具体化することができることは、当該技術における当業者にとって明らかであろう。さらに、本願発明に記載される適用可能な方法／プロセスにおける数字の変動は、本願発明の本質から乖離せずに、実施することができる。さらに、本願発明は、構造、配置、割合、大きさ、材料、の多くの修飾をともなって用いることができ、及びその他、本願発明の原理から乖離せずに、特定の環境及び動作要件に特に採用される、本願発明の実施に用いることができることを当該技術における当業者は評価するであろう。ゆえに、本願発明に開示された態様は、全ての観点において実例として非限定的に考慮されるべきであり、本願発明の範囲は添付の特許請求の範囲及びその等価物により定義され、及び前述の記載及び態様に限定されない。むしろ、添付の特許請求の範囲は本願発明の他の変化物及び態様を含むように広く解釈されるべきであり、このことは本願発明の範囲及び等価物の範囲から乖離せずに当該技術における当業者がなすことができる。
【符号の説明】
【００８５】
１００    ＳＤＭ−ＯＣＴシステム
１０１    単一集積光子素子
１０１ａ  相対する主な平行面
１０１ｂ  相対する主な平行面
１０１ｃ  第１の側面
１０２    基板
１０３    導波管チャネル
１０４    入力光学ファイバー
１０５    出力ポート
１０６    出力ポート
１０７    光学導波管スプリッター
１０９    時間遅延領域
１１０    光源
１１１    ブースター光増幅器（ＢＯＡ）
１１２    マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）
１２０    光学カプラー
１２１    ５０／５０光学カプラー
１３０    ９０／１０光学カプラー
１４０    サーキュレーター
１４１    ５０／５０光学カプラー
１５０    サーキュレーター
１５１    偏光コントローラー
１５２    コリメーター
１５３    レンズ
１５４    偏光コントローラー
１６０    参照ミラー
１７０    コリメーター
１７１    ３０ｍｍレンズ
１７２    ５０ｍｍレンズ
１７３    振動ＸＹ検流計ミラー
１８０    デュアルバランス検出器
１８１    デュアルバランス検出器
１８３    デュアルチャネル高速データ取得カード
１８４    コンピューター
１９１    サンプル
２００    光子素子を用いるＳＤＭ−ＯＣＴシステム
２０１    光子素子
２０１ａ  主な平行面
２０１ｂ  主な平行面
２０１ｃ  垂直な側面
２０２    基板
２０３    導波管チャネル
２０４    サンプルビーム入力光学ファイバー
２０５    出力ポート
２０６    サンプルビーム入力ポート
２０７    参照信号入力ポート
２０８    干渉信号出力ポート
２１０    ２０／８０光学カプラー
２１１    サーキュレーター
２３０    カプラー又はスプリッター
２３１    導波管光学干渉計
２７０    コリメーター
２８０    デジタル平衡検出器
２９０    大規模スキャンレンズ（対物レンズ）
２９１    サンプル
３０４    ＋光学検出器
３０６    −光学検出器
【図１】
2020533570.tif 000003
【図２】
2020533570.tif 000004
【図３】
2020533570.tif 000005
【図４】
2020533570.tif 000006
【図５】
2020533570.tif 000007
【図６】
2020533570.tif 000008
【図７】
2020533570.tif 000009
【図８】
2020533570.tif 000010
【図９】
2020533570.tif 000011
【図１０】
2020533570.tif 000012
【国際調査報告】
2020533570.tif 000013
2020533570.tif 000014