一種基于光纖AOTF的掃頻光源

吳中超，申向偉，王大貴，夏 茜，王曉新，張澤紅，何曉亮

中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

光學(xué)相干層析(OCT)技術(shù)是在1991年提出的一種醫(yī)學(xué)成像技術(shù)[1]，與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)相比,其具有無損傷、非介入、無害、圖像分辨率高且操作簡單、便攜等優(yōu)點(diǎn)，在生物組織活體檢測和成像方面具有廣闊的應(yīng)用前景[2-4]。根據(jù)成像原理，OCT可分為時域光學(xué)相干層析成像(TDOCT)和頻域相干層析成像(FDOCT)[5-6]。TDOCT通過機(jī)械控制來改變樣品光和參考光的光程差，利用外差法得到測試樣品的軸向信息，具有分辨率高和成像深度深的優(yōu)點(diǎn)，但成像速度較慢。FDOCT直接探測樣品光和參考光的干涉信號，并對其光譜進(jìn)行傅里葉逆變換得到樣品的軸向信息。與TDOCT相比，F(xiàn)DOCT具有響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。FDOCT技術(shù)包括掃頻光學(xué)相干層析(SSOCT)和譜域OCT(SDOCT)。SDOCT使用固定頻率的低相干光光源，通過光柵分光，采用陣列CCD相機(jī)檢測干涉光譜來獲得信息。SSOCT利用頻率可變的掃頻光源替代SDOCT使用的低相干光源，采用單點(diǎn)探測器檢測不同波長的干涉信號。與SDOCT相比，掃頻OCT在精度、安全和應(yīng)用范圍方面優(yōu)勢明顯。掃頻光源的重復(fù)頻率、光譜可調(diào)范圍、單光譜3 dB帶寬、輸出功率是限制SSOCT的成像速度、分辨率、穿透深度和信噪比的關(guān)鍵參數(shù)。美國Axsun公司生產(chǎn)的SSOCT1060和SSOCT1310快速掃頻激光光源，可調(diào)范圍約110 nm,光源相干長度11 μm，單脈沖3 dB相干長度12 mm。本文研制的掃頻光源光譜可調(diào)范圍約120 nm，光源相干長度20 μm，單脈沖3 dB相干長度24.9 mm，掃頻速率達(dá)100 kHz，具有成本低、掃頻范圍廣、相干長度長及掃頻速度快等特點(diǎn)，該掃頻光源主要用于SSOCT，可提高系統(tǒng)的成像能力。

1 掃頻光源的基本原理

掃頻光源[7-8]一般由激光耦合輸出部分和諧振腔組成。諧振腔由光放大和光學(xué)調(diào)諧濾波器組成。當(dāng)光放大產(chǎn)生的增益大于諧振腔的損耗時，信號在諧振腔內(nèi)得到放大，形成穩(wěn)態(tài)振蕩，輸出掃頻激光。其示意圖如圖1所示，其中諧振腔的結(jié)構(gòu)、濾波器的性能和鎖模方式是決定掃頻光源輸出光譜性能的關(guān)鍵因素。

圖1 掃頻光源原理示意圖

諧振腔有線性諧振腔、環(huán)形諧振腔等。環(huán)形諧振腔可在較短光纖的情況下，經(jīng)多次循環(huán)，實(shí)現(xiàn)較長腔長的效果，得到線寬窄、頻率高、穩(wěn)定的激光輸出。

掃頻光源的鎖模方式有被動鎖模和主動鎖模[9-10]。被動鎖模是利用光纖或者其他光學(xué)元件的非線性效應(yīng)與輸入脈沖強(qiáng)度相關(guān)性來實(shí)現(xiàn)各縱模相位鎖定。其優(yōu)點(diǎn)在于不需要有源調(diào)制器參與鎖模，結(jié)構(gòu)相比主動鎖模更簡單；缺點(diǎn)是輸出脈沖的重復(fù)頻率由腔長決定，難以得到高速率的鎖模脈沖輸出。主動鎖模是通過采用外部周期性地調(diào)制諧振腔參量來實(shí)現(xiàn)腔體內(nèi)縱模相位鎖定。其具有重復(fù)頻率高、脈沖波形對稱和中心波長可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，而缺點(diǎn)是輸出脈沖的脈寬和峰值功率受外界環(huán)境影響因素較多。

2 掃頻光源的搭建

本文掃頻光源采用由保偏半導(dǎo)體光放大器(PMBOA)、隔離器(ISO)、光纖聲光可調(diào)濾光器(FAOTF)和光纖耦合器組成的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 掃頻光源結(jié)構(gòu)圖

PMBOA在直流電流驅(qū)動下產(chǎn)生一個寬帶的自發(fā)輻射譜，通過ISO和FAOTF進(jìn)行選頻和濾波。選頻后，經(jīng)過光纖耦合器分為兩路光，一路光重新進(jìn)入PMBOA，另一路光作為輸出光。PMBOA作為一個放大元件，對FAOTF選頻后的光信號進(jìn)行放大。當(dāng)PMBOA對光信號的放大增益與環(huán)形腔內(nèi)的損耗平衡時，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的激光振蕩。通過調(diào)整FAOTF的驅(qū)動頻率，可以改變AOTF濾出的光頻率，即可實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)的掃頻激光輸出。

3 實(shí)驗結(jié)果

本實(shí)驗采用自制的FAOTF，其功能是通過改變驅(qū)動頻率，可從復(fù)雜光譜中濾出所需的波長。外形如圖3所示，其工作波長900～1 700 nm。工作波長與驅(qū)動頻率，衍射效率關(guān)系如圖4所示。

圖3 FAOTF外形圖

本實(shí)驗采用的PMBOA在電流600 mA，溫度控制在25 ℃的條件下，峰值波長為1 550 nm，在輸入信號波長1 550 nm，-20 dBm時，增益可達(dá)27 dB，整個自發(fā)輻射噪聲譜17.5 dB帶寬為200 nm(1 450～1 650 nm)。由圖4可見，F(xiàn)AOTF在1 450～1 650 nm的衍射效率高于75%。光纖AOTF在此波段的3 dB帶寬約6 nm，如圖5所示。

分別選取分光比為50∶50,40∶60,30∶70,20∶80,10∶90,1∶99的光纖耦合器進(jìn)行試驗，要求整個光譜范圍內(nèi)輸出光脈沖功率>10 mW，故最終選取分光比為20∶80的光纖耦合器，PMBOA在電流330 mA，實(shí)現(xiàn)了寬光譜、窄線寬穩(wěn)定脈沖激光輸出。輸出光譜結(jié)果如圖6所示。

圖6 掃頻光源輸出光譜圖

由圖6(a)、(b)可以看出，在PMBOA電流為330 mA，光纖耦合器分光比為20∶80時，輸出光譜范圍為1 500.146 2～1 619.477 0 nm，可調(diào)光譜范圍119 nm。由圖6(c)可見，在1 596 nm處單脈沖3 dB帶寬為0.096 6 nm。由此可以看出，F(xiàn)AOTF濾出的光譜經(jīng)過該環(huán)形腔壓縮后，光譜3 dB帶寬明顯減小，單脈沖光譜的相干長度得到加強(qiáng)。

4 結(jié)束語

本文采用環(huán)形腔壓縮自制寬帶FAOTF輸出單脈沖線寬的方式，研制出了一種光譜可調(diào)范圍119 nm，光源相干長度20 μm，單脈沖3 dB相干長度24.9 mm，掃頻速率達(dá)100 kHz的快速掃頻光源。該光源具有成本低，掃頻范圍廣，相干長度長和掃頻速度快等特點(diǎn)，對SSOCT成像性能的提高有一定推動作用。