基于法布里-珀羅調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

光學相干層析成像技術(optical coherence tomography,OCT)是一種微米級分辨率的成像技術,通過測量散射光的振幅和回波時延,從而獲得生物樣品內部層析結構信息[1-5].OCT技術發展經歷了時域OCT,譜域OCT和掃頻OCT等三代技術的發展[6-8].最新一代掃頻OCT技術成像質量關鍵取決于掃頻激光光源的參數指標,如掃頻速度、瞬時線寬、調諧范圍和輸出功率等.

用于掃頻OCT的掃頻激光光源出現至今十幾年來,得到極大關注并迅速發展[9].掃頻激光光源的實現大都是由增益介質的自發輻射光經調諧濾波器實現在時間軸上光譜成分分開,在諧振腔內振蕩形成激光輸出,得到周期性的時間編碼的激光光譜.調諧濾波方法主要有聲光可調濾波器[10],光纖法布里-珀羅調諧濾波器(f i ber Fabry-Perot tunable if lter,FFP-TF)[11,12]、法布里-珀羅電光調制器[13]、光柵&掃描振鏡調諧濾波器[14]、光柵&旋轉多面鏡調諧濾波器[15-17]、光柵&微電機系統掃描鏡(MEMS scanner mirror)調諧濾波器[18]、超結構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勢,可以實現極細微的調制,瞬時線寬可達到皮米量級,插入損耗也很低.為了減少成像過程中環境干擾和樣品移動導致的圖像失真,快速成像一直是追求目標.提高掃頻光源的掃頻速度有三種技術方法,一是縮短腔長,提高光環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,大大增加腔長,諧振腔內引入幾千米的長光纖為光學延遲線;三是腔外時間延遲技術,掃頻激光輸出后分出一部分激光經過延時,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的小型的光纖組件,包括調諧濾波方法,耦合器等都有特殊的要求和限制,不能使用常規產品.腔外時間延遲技術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技術突破短腔單次環腔極限最大掃頻速度的限制,且同時又不犧牲調諧范圍、瞬時線寬和光功率等參數.

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

2 方法與系統

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

式中Lcavity是激光振蕩腔的腔長,V是在介質中的光速,m是整數,代表諧波次數,Tfilter是調諧濾波器的調諧周期.這種基于幾千米的長光纖的色散控制延遲線的FDML技術,經濾波器濾出的窄帶色光在腔內傳輸一圈到濾波器時,剛好是濾波器調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形成諧振,依次通過調諧濾波器并由耦合器輸出掃頻激光,從而得到了準連續模式輸出.FDML光源的掃頻速度只受限于濾波器的最大調諧速度,因此可實現高速掃頻.

由于鎖模運轉,所以FDML掃頻光源的相位穩定性得到很好的改善.傳統的鎖模激光器所有縱模模式以固定的相位鎖定,在一個固定重復頻率產生序列的短脈沖.FDML掃頻光源所有縱模模式以不同相位關系鎖定,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激光光源中的調諧窄帶濾波器可相當于有限數量的相位不一樣的窄帶振幅調制器.FDML技術是周期的光譜調制,而非振幅調制,可看作在傅里葉域上的短脈沖鎖模產生.各色光(縱模)的相位被鎖定,激光諧振腔內穩定模式運轉,確保了掃頻光的穩定性.長腔內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掃頻激光光源的結構示意圖,由增益SOA,偏振控制器,函數發生器驅動的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組成的光功率增強單元.諧振腔內增益SOA(Inphenix Inc.,small-signal gain of 22.2 dB)的驅動電流是300 mA.SOA放大自發輻射光經光纖傳輸到調諧濾波器,濾波選頻后在諧振腔同時建立激光振蕩,經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.偏振控制器用來調節激光諧振腔的光偏振態,通過調節腔內光偏振態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的自發輻射光對腔內掃頻激光的影響以及掃頻OCT成像系統的反射光的影響.FFP-TF在1310 nm處的自由光譜范圍是184 nm,窄帶線寬是0.103 nm,精細度約為2000,插入損耗為0.6 dB.FFP-TF的諧振頻率為48 kHz,數據代入(1)式,可以求得對應于基波(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 實驗結果

前期研究結果表明三角波函數電壓驅動比正弦波電壓驅動更具有優勢,三角波驅動對應的軸向分辨率和成像質量高于正弦波驅動[11].因此,實驗中采取的三角波函數電壓驅動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,函數發生器三角波電壓驅動函數的頻率為24.06 kHz.有帶光功率增強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,并且擴展了光譜帶寬,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.這是因為長腔掃頻光源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.實驗結果如圖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腔時間內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.調諧濾波器濾出的窄帶色光調諧時在濾波器上的持續時間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運轉模式中,濾波器濾出的窄帶色光在調諧時在濾波器上的持續時間τgate超過最大的色散時間差Δτdisp1.5 ns一個數量級,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,因為后向的掃描剛好是前向掃描的逆方向.

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,是單調變化的關系.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、快速穩定的運轉模式,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.從實驗中得到基于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形變,超過到300 mA以上時光譜出現明顯的凹陷.這是因為SOA在達到增益飽和時出現的光譜燒孔效應,這在短腔掃頻光源也得到類似的結果.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,重點研究了2,4,5次諧波之間的對比,以及研究了實現K(波數)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等不同的波形驅動FFP-TF,用三角波函數取代了正弦波函數.前期研究結果表明三角波函數電壓驅動比正弦波電壓驅動更具有優勢,三角波驅動對應的光譜形狀、光譜帶寬、軸向分辨率和成像質量均優于正弦波驅動[11],且實現了波長線性輸出.

5 結論

FDML技術實現了各色光譜在諧振腔內同時振蕩,可以實現高速掃頻并且腔內模式競爭提高了瞬時線寬,且大大提高了相位穩定性.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,掃頻帶寬擴展了10 nm,軸向分辨率提高了1.9μm.FDML技術在腔內引入4.28 km長光纖,損耗雖然增強,但由于FDML相位鎖定穩定的運轉模式,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掃頻光源結構簡單,易于調節和維護,實現快速線性掃描,該結構掃頻激光光源在快速成像的掃頻OCT系統,具有重要的應用前景.

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