基于法布里-珀羅調(diào)諧濾波器的傅里葉域鎖模掃頻激光光源*

陳明惠 丁志華 王成 宋成利?

1 引言

光學(xué)相干層析成像技術(shù)(optical coherence tomography,OCT)是一種微米級分辨率的成像技術(shù),通過測量散射光的振幅和回波時延,從而獲得生物樣品內(nèi)部層析結(jié)構(gòu)信息[1-5].OCT技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了時域OCT,譜域OCT和掃頻OCT等三代技術(shù)的發(fā)展[6-8].最新一代掃頻OCT技術(shù)成像質(zhì)量關(guān)鍵取決于掃頻激光光源的參數(shù)指標(biāo),如掃頻速度、瞬時線寬、調(diào)諧范圍和輸出功率等.

用于掃頻OCT的掃頻激光光源出現(xiàn)至今十幾年來,得到極大關(guān)注并迅速發(fā)展[9].掃頻激光光源的實(shí)現(xiàn)大都是由增益介質(zhì)的自發(fā)輻射光經(jīng)調(diào)諧濾波器實(shí)現(xiàn)在時間軸上光譜成分分開,在諧振腔內(nèi)振蕩形成激光輸出,得到周期性的時間編碼的激光光譜.調(diào)諧濾波方法主要有聲光可調(diào)濾波器[10],光纖法布里-珀羅調(diào)諧濾波器(f i ber Fabry-Perot tunable if lter,FFP-TF)[11,12]、法布里-珀羅電光調(diào)制器[13]、光柵&掃描振鏡調(diào)諧濾波器[14]、光柵&旋轉(zhuǎn)多面鏡調(diào)諧濾波器[15-17]、光柵&微電機(jī)系統(tǒng)掃描鏡(MEMS scanner mirror)調(diào)諧濾波器[18]、超結(jié)構(gòu)光柵分布式布拉格反射器[19].FFP-TF作為選頻濾波元件有很多優(yōu)勢,可以實(shí)現(xiàn)極細(xì)微的調(diào)制,瞬時線寬可達(dá)到皮米量級,插入損耗也很低.為了減少成像過程中環(huán)境干擾和樣品移動導(dǎo)致的圖像失真,快速成像一直是追求目標(biāo).提高掃頻光源的掃頻速度有三種技術(shù)方法,一是縮短腔長,提高光環(huán)繞諧振腔一圈的時間;二是采用傅里葉域鎖模(Fourier domain mode locking,FDML)技術(shù),大大增加腔長,諧振腔內(nèi)引入幾千米的長光纖為光學(xué)延遲線;三是腔外時間延遲技術(shù),掃頻激光輸出后分出一部分激光經(jīng)過延時,剛好延時掃頻光譜掃描的一個時間周期,可提高一倍的速度.縮短腔長法需要改進(jìn)的小型的光纖組件,包括調(diào)諧濾波方法,耦合器等都有特殊的要求和限制,不能使用常規(guī)產(chǎn)品.腔外時間延遲技術(shù)適用于掃頻光占空比低的情況,并且光功率損失很大,掃頻速度的提高也有限.FDML技術(shù)突破短腔單次環(huán)腔極限最大掃頻速度的限制,且同時又不犧牲調(diào)諧范圍、瞬時線寬和光功率等參數(shù).

本文報道了基于FFP-TF的FDML快速掃頻激光光源,增益介質(zhì)采用光纖型半導(dǎo)體光放大器(semiconductor optical amplif i er,SOA).FFP-TF在它的諧振頻率工作,自由光譜范圍達(dá)到最理想狀態(tài),從而可得到比較寬的掃頻范圍,當(dāng)然掃頻范圍也受到SOA自發(fā)輻射光譜的限制.FDML技術(shù)實(shí)現(xiàn)了各色光譜在諧振腔內(nèi)同時振蕩,使各色光譜成分傳播到調(diào)諧濾波器時剛好是對應(yīng)光譜成分通過的窗口,可以實(shí)現(xiàn)高速掃頻.實(shí)驗(yàn)對短腔和長腔的FDML掃頻光源做了對比研究,對兩者光源參數(shù)性能以及SOA閾值,掃描頻率和功率等關(guān)系都進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究.

2 方法與系統(tǒng)

短腔掃頻光源的增益介質(zhì)發(fā)出的放大自發(fā)輻射光經(jīng)調(diào)諧窄帶濾波器濾出的色光反饋回到增益介質(zhì),只有濾波窗口內(nèi)的光譜成分在諧振腔內(nèi)振蕩,直到放大輸出.不同于傳統(tǒng)短腔掃頻光源,FDML掃頻光源采用了光子渡越周期與調(diào)諧周期相匹配的長腔諧振技術(shù).所有掃描范圍內(nèi)的光譜成分都光學(xué)存儲在長腔諧振腔內(nèi).延遲線插入腔內(nèi),使得光子渡越周期(光在腔內(nèi)傳輸一圈的時間)與濾波器的調(diào)諧周期匹配,如(1)式所示：

式中Lcavity是激光振蕩腔的腔長,V是在介質(zhì)中的光速,m是整數(shù),代表諧波次數(shù),Tfilter是調(diào)諧濾波器的調(diào)諧周期.這種基于幾千米的長光纖的色散控制延遲線的FDML技術(shù),經(jīng)濾波器濾出的窄帶色光在腔內(nèi)傳輸一圈到濾波器時,剛好是濾波器調(diào)諧了一個周期又到該窄帶色光通過位置處.所有波長模式的光譜同時在諧振腔內(nèi)形成諧振,依次通過調(diào)諧濾波器并由耦合器輸出掃頻激光,從而得到了準(zhǔn)連續(xù)模式輸出.FDML光源的掃頻速度只受限于濾波器的最大調(diào)諧速度,因此可實(shí)現(xiàn)高速掃頻.

由于鎖模運(yùn)轉(zhuǎn),所以FDML掃頻光源的相位穩(wěn)定性得到很好的改善.傳統(tǒng)的鎖模激光器所有縱模模式以固定的相位鎖定,在一個固定重復(fù)頻率產(chǎn)生序列的短脈沖.FDML掃頻光源所有縱模模式以不同相位關(guān)系鎖定,激光輸出不是序列短脈沖,而是序列的波長掃描,高度啁啾的長脈沖.FDML激光光源中的調(diào)諧窄帶濾波器可相當(dāng)于有限數(shù)量的相位不一樣的窄帶振幅調(diào)制器.FDML技術(shù)是周期的光譜調(diào)制,而非振幅調(diào)制,可看作在傅里葉域上的短脈沖鎖模產(chǎn)生.各色光(縱模)的相位被鎖定,激光諧振腔內(nèi)穩(wěn)定模式運(yùn)轉(zhuǎn),確保了掃頻光的穩(wěn)定性.長腔內(nèi)激光振蕩的模式競爭同時也提高了掃頻光的瞬時線寬.

圖1為基于FFP-TF的FDML掃頻激光光源的結(jié)構(gòu)示意圖,由增益SOA,偏振控制器,函數(shù)發(fā)生器驅(qū)動的FFP-TF,色散控制延遲線以及輸出光纖耦合器(60%輸出)組成的激光諧振腔以及由兩端帶光隔離器的提升級SOA組成的光功率增強(qiáng)單元.諧振腔內(nèi)增益SOA(Inphenix Inc.,small-signal gain of 22.2 dB)的驅(qū)動電流是300 mA.SOA放大自發(fā)輻射光經(jīng)光纖傳輸?shù)秸{(diào)諧濾波器,濾波選頻后在諧振腔同時建立激光振蕩,經(jīng)光纖耦合器輸出掃頻激光.色散控制延遲線(Corning Inc.,SMF28e)是單模長光纖,有效折射率neff=1.4677,損耗為0.35 dB/km.偏振控制器用來調(diào)節(jié)激光諧振腔的光偏振態(tài),通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)光偏振態(tài)得到最大的掃頻范圍和光功率輸出.提升級SOA的注入電流是250 mA,主要用來增大輸出光功率.光隔離器是避免提升級SOA的自發(fā)輻射光對腔內(nèi)掃頻激光的影響以及掃頻OCT成像系統(tǒng)的反射光的影響.FFP-TF在1310 nm處的自由光譜范圍是184 nm,窄帶線寬是0.103 nm,精細(xì)度約為2000,插入損耗為0.6 dB.FFP-TF的諧振頻率為48 kHz,數(shù)據(jù)代入(1)式,可以求得對應(yīng)于基波(m=1)的光纖長度為4.28 km.

圖1 基于FFP-TF的FDML掃頻激光光源

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

前期研究結(jié)果表明三角波函數(shù)電壓驅(qū)動比正弦波電壓驅(qū)動更具有優(yōu)勢,三角波驅(qū)動對應(yīng)的軸向分辨率和成像質(zhì)量高于正弦波驅(qū)動[11].因此,實(shí)驗(yàn)中采取的三角波函數(shù)電壓驅(qū)動FFP-TF.圖2是基于FFP-TF的FDML掃頻激光光源的掃頻光譜.掃頻速度為48.12 kHz,函數(shù)發(fā)生器三角波電壓驅(qū)動函數(shù)的頻率為24.06 kHz.有帶光功率增強(qiáng)單元的掃頻激光光源中心波長是1315 nm,掃頻范圍為1250—1380 nm,掃頻帶寬拓寬至130 nm,半高全寬為70 nm.提升級SOA不僅提高了光強(qiáng),并且擴(kuò)展了光譜帶寬,對光譜形狀整形使之更加對稱,這從短腔掃頻光源研究中也可得到.對比短腔的掃頻光譜,長腔的掃頻范圍拓寬了10 nm.這是因?yàn)殚L腔掃頻光源FFP-TF工作在諧振頻率,自由光譜范圍拓寬了,但是掃頻帶寬還受到SOA的放大自發(fā)輻射光譜的限制,并沒有大幅度提高.軸向分辨率ΔL由(2)式表示：

式中n為組織的折射率,λ0為掃頻光源的中心波長,ΔλFWHM為掃頻光源的掃頻光譜的半高全寬值.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,表明光源中心波長是1315 nm,掃頻帶寬是130 nm,半高全寬為70 nm,代入(2)式得出組織中軸向分辨率為7.8μm.

圖2 帶提升級SOA的FDML掃頻激光光源光譜

掃描周期里不同頻率的光譜要確保在單次環(huán)腔時間內(nèi)傳播的時間差越短越好,所以色散要越小越好.延遲線一定要色散控制,長度不能無限制,所以我們采用的是1300 nm的SMF28e的單模光纖,這個光纖在1313 nm波長零色散,色散斜率是0.086 ps·km-1·nm-2. 不同波長光譜單次環(huán)圈的時間差Δτdisp,可由(3)式所示：

式中λ是光波長,Lcavity是激光振蕩腔的腔長為4.28 km.掃頻范圍為1250—1380 nm,1313±65 nm代入得到Δτdisp是1.5 ns.調(diào)諧濾波器濾出的窄帶色光調(diào)諧時在濾波器上的持續(xù)時間τgate,如(4)式所示：

式中δλ為FFP-TF的窄帶線寬0.103 nm,Δλ為掃頻帶寬130 nm,代入得到τgate為16 ns.FDML運(yùn)轉(zhuǎn)模式中,濾波器濾出的窄帶色光在調(diào)諧時在濾波器上的持續(xù)時間τgate超過最大的色散時間差Δτdisp1.5 ns一個數(shù)量級,所以長光纖的色散可以忽略.

圖3是FDML掃頻激光光源的時間光譜,從圖中可看出掃頻激光光源占空比約為60%.掃頻激光光源的掃頻速度達(dá)到48.12 kHz,掃頻周期是20μs.從圖中可看出,前向掃描(短波到長波掃描)和后向掃描(長波到短波掃描)的時間光譜近似成鏡像對稱,因?yàn)楹笙虻膾呙鑴偤檬乔跋驋呙璧哪娣较?

圖3 掃頻激光光源在48.12 kHz掃頻速度下的時間光譜

圖4 遠(yuǎn)離諧振頻率48.12 kHz的失諧頻率下的輸出光功率

短腔的掃頻激光光源平均輸出光功率隨著掃頻頻率的減小而增大,是單調(diào)變化的關(guān)系.FDML掃頻激光光源輸出光功率隨掃頻頻率的變化如圖4所示,中心頻率為48.12 kHz,3 dB帶寬Δf為0.12 kHz.FDML掃頻激光的輸出激光功率對掃頻頻率極其敏感,在諧振頻率點(diǎn)輸出光功率最大,在掃頻頻率無論是比諧振頻率高或低的方向,輸出光功率都迅速下降.

圖5 增益SOA不同注入電流下的FDML和短腔掃頻激光光源輸出功率

雖然FDML技術(shù)引入幾千米的長光纖增加了損耗,但是由于振蕩模式競爭、快速穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)模式,所以平均輸出光功率反而比短腔有所提高.功率計測得帶光功率增強(qiáng)單元的FDML掃頻激光光源輸出平均光功率大約是11 mW.圖5所示是在增益SOA不同的注入電流下FDML和短腔掃頻激光光源輸出光功率的變化,光源輸出光功率隨著注入電流的增大近似線性增大.從實(shí)驗(yàn)中得到基于FFP-TF短腔掃頻光源的增益SOA的閾值電流是250 mA.增至300 mA,功率也隨著增大,大于300 mA光功率增長緩慢,所以短腔增益SOA一般工作電流為300 mA.FDML掃頻光源在SOA注入電流90 mA開始獲得穩(wěn)定信號,增至300 mA的過程中,光功率得到放大并且光譜沒有出現(xiàn)形變,超過到300 mA以上時光譜出現(xiàn)明顯的凹陷.這是因?yàn)镾OA在達(dá)到增益飽和時出現(xiàn)的光譜燒孔效應(yīng),這在短腔掃頻光源也得到類似的結(jié)果.短腔和長腔的掃頻光源增益SOA閾值電流分別是200和90 mA.

4 討論

美國Huber等[20]研究了FDML掃頻光源,采用FFP-TF諧振頻率為58 kHz,中心波長為1300 nm,掃頻帶寬為105 nm,重點(diǎn)研究了2,4,5次諧波之間的對比,以及研究了實(shí)現(xiàn)K(波數(shù))空間線性的FDML光源,帶寬為100 nm[21].比較而言,本文中光譜帶寬增加了約30 nm,從而提高了軸向分辨率,本文中采取與Huber等不同的波形驅(qū)動FFP-TF,用三角波函數(shù)取代了正弦波函數(shù).前期研究結(jié)果表明三角波函數(shù)電壓驅(qū)動比正弦波電壓驅(qū)動更具有優(yōu)勢,三角波驅(qū)動對應(yīng)的光譜形狀、光譜帶寬、軸向分辨率和成像質(zhì)量均優(yōu)于正弦波驅(qū)動[11],且實(shí)現(xiàn)了波長線性輸出.

5 結(jié)論

FDML技術(shù)實(shí)現(xiàn)了各色光譜在諧振腔內(nèi)同時振蕩,可以實(shí)現(xiàn)高速掃頻并且腔內(nèi)模式競爭提高了瞬時線寬,且大大提高了相位穩(wěn)定性.基于FFP-TF的FDML快速掃頻激光光源掃頻速度是48.12 kHz.掃頻激光光源中心波長為1315 nm,掃頻光譜范圍為130 nm,半高全寬為70 nm,對應(yīng)生物組織成像軸向分辨率為7.8μm.與短腔的掃頻光源做了對比研究,基于FFP-TF的短腔掃頻光源掃頻速度為8 kHz,掃頻帶寬為120 nm,半高全寬為65 nm,中心波長為1320 nm,輸出平均功率約9 mW,組織中軸向分辨率為9.7μm.相比短腔掃頻光源,FDML激光光源掃頻速度提高了40.12 kHz,掃頻帶寬擴(kuò)展了10 nm,軸向分辨率提高了1.9μm.FDML技術(shù)在腔內(nèi)引入4.28 km長光纖,損耗雖然增強(qiáng),但由于FDML相位鎖定穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)模式,輸出光功率并沒有下降,FDML光源激光平均輸出功率為11 mW.基于FFP-TF全光纖FDML掃頻光源結(jié)構(gòu)簡單,易于調(diào)節(jié)和維護(hù),實(shí)現(xiàn)快速線性掃描,該結(jié)構(gòu)掃頻激光光源在快速成像的掃頻OCT系統(tǒng),具有重要的應(yīng)用前景.

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