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

中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

光學相干層析(OCT)技術是在1991年提出的一種醫學成像技術[1]，與傳統醫學成像技術相比,其具有無損傷、非介入、無害、圖像分辨率高且操作簡單、便攜等優點，在生物組織活體檢測和成像方面具有廣闊的應用前景[2-4]。根據成像原理，OCT可分為時域光學相干層析成像(TDOCT)和頻域相干層析成像(FDOCT)[5-6]。TDOCT通過機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點，但成像速度較慢。FDOCT直接探測樣品光和參考光的干涉信號，并對其光譜進行傅里葉逆變換得到樣品的軸向信息。與TDOCT相比，FDOCT具有響應速度快等優點。FDOCT技術包括掃頻光學相干層析(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、安全和應用范圍方面優勢明顯。掃頻光源的重復頻率、光譜可調范圍、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鍵參數。美國Axsun公司生產的SSOCT1060和SSOCT1310快速掃頻激光光源，可調范圍約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，該掃頻光源主要用于SSOCT，可提高系統的成像能力。

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調諧濾波器組成。當光放大產生的增益大于諧振腔的損耗時，信號在諧振腔內得到放大，形成穩態振蕩，輸出掃頻激光。其示意圖如圖1所示，其中諧振腔的結構、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鍵因素。

圖1 掃頻光源原理示意圖

諧振腔有線性諧振腔、環形諧振腔等。環形諧振腔可在較短光纖的情況下，經多次循環，實現較長腔長的效果，得到線寬窄、頻率高、穩定的激光輸出。

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元件的非線性效應與輸入脈沖強度相關性來實現各縱模相位鎖定。其優點在于不需要有源調制器參與鎖模，結構相比主動鎖模更簡單；缺點是輸出脈沖的重復頻率由腔長決定，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制諧振腔參量來實現腔體內縱模相位鎖定。其具有重復頻率高、脈沖波形對稱和中心波長可調等優點，而缺點是輸出脈沖的脈寬和峰值功率受外界環境影響因素較多。

2 掃頻光源的搭建

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

圖2 掃頻光源結構圖

PMBOA在直流電流驅動下產生一個寬帶的自發輻射譜，通過ISO和FAOTF進行選頻和濾波。選頻后，經過光纖耦合器分為兩路光，一路光重新進入PMBOA，另一路光作為輸出光。PMBOA作為一個放大元件，對FAOTF選頻后的光信號進行放大。當PMBOA對光信號的放大增益與環形腔內的損耗平衡時，可以產生穩定的激光振蕩。通過調整FAOTF的驅動頻率，可以改變AOTF濾出的光頻率，即可實現頻率可調的掃頻激光輸出。

3 實驗結果

本實驗采用自制的FAOTF，其功能是通過改變驅動頻率，可從復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。工作波長與驅動頻率，衍射效率關系如圖4所示。

圖3 FAOTF外形圖

本實驗采用的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27 dB，整個自發輻射噪聲譜17.5 dB帶寬為200 nm(1 450～1 650 nm)。由圖4可見，FAOTF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的光纖耦合器進行試驗，要求整個光譜范圍內輸出光脈沖功率>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，實現了寬光譜、窄線寬穩定脈沖激光輸出。輸出光譜結果如圖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，FAOTF濾出的光譜經過該環形腔壓縮后，光譜3 dB帶寬明顯減小，單脈沖光譜的相干長度得到加強。

4 結束語

本文采用環形腔壓縮自制寬帶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，對SSOCT成像性能的提高有一定推動作用。