一种基于光纤AOTF的扫频光源

吴中超，申向伟，王大贵，夏 茜，王晓新，张泽红，何晓亮

中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

光学相干层析(OCT)技术是在1991年提出的一种医学成像技术[1]，与传统医学成像技术相比,其具有无损伤、非介入、无害、图像分辨率高且操作简单、便携等优点，在生物组织活体检测和成像方面具有广阔的应用前景[2-4]。根据成像原理，OCT可分为时域光学相干层析成像(TDOCT)和频域相干层析成像(FDOCT)[5-6]。TDOCT通过机械控制来改变样品光和参考光的光程差，利用外差法得到测试样品的轴向信息，具有分辨率高和成像深度深的优点，但成像速度较慢。FDOCT直接探测样品光和参考光的干涉信号，并对其光谱进行傅里叶逆变换得到样品的轴向信息。与TDOCT相比，FDOCT具有响应速度快等优点。FDOCT技术包括扫频光学相干层析(SSOCT)和谱域OCT(SDOCT)。SDOCT使用固定频率的低相干光光源，通过光栅分光，采用阵列CCD相机检测干涉光谱来获得信息。SSOCT利用频率可变的扫频光源替代SDOCT使用的低相干光源，采用单点探测器检测不同波长的干涉信号。与SDOCT相比，扫频OCT在精度、安全和应用范围方面优势明显。扫频光源的重复频率、光谱可调范围、单光谱3 dB带宽、输出功率是限制SSOCT的成像速度、分辨率、穿透深度和信噪比的关键参数。美国Axsun公司生产的SSOCT1060和SSOCT1310快速扫频激光光源，可调范围约110 nm,光源相干长度11 μm，单脉冲3 dB相干长度12 mm。本文研制的扫频光源光谱可调范围约120 nm，光源相干长度20 μm，单脉冲3 dB相干长度24.9 mm，扫频速率达100 kHz，具有成本低、扫频范围广、相干长度长及扫频速度快等特点，该扫频光源主要用于SSOCT，可提高系统的成像能力。

1 扫频光源的基本原理

扫频光源[7-8]一般由激光耦合输出部分和谐振腔组成。谐振腔由光放大和光学调谐滤波器组成。当光放大产生的增益大于谐振腔的损耗时，信号在谐振腔内得到放大，形成稳态振荡，输出扫频激光。其示意图如图1所示，其中谐振腔的结构、滤波器的性能和锁模方式是决定扫频光源输出光谱性能的关键因素。

图1 扫频光源原理示意图

谐振腔有线性谐振腔、环形谐振腔等。环形谐振腔可在较短光纤的情况下，经多次循环，实现较长腔长的效果，得到线宽窄、频率高、稳定的激光输出。

扫频光源的锁模方式有被动锁模和主动锁模[9-10]。被动锁模是利用光纤或者其他光学元件的非线性效应与输入脉冲强度相关性来实现各纵模相位锁定。其优点在于不需要有源调制器参与锁模，结构相比主动锁模更简单；缺点是输出脉冲的重复频率由腔长决定，难以得到高速率的锁模脉冲输出。主动锁模是通过采用外部周期性地调制谐振腔参量来实现腔体内纵模相位锁定。其具有重复频率高、脉冲波形对称和中心波长可调等优点，而缺点是输出脉冲的脉宽和峰值功率受外界环境影响因素较多。

2 扫频光源的搭建

本文扫频光源采用由保偏半导体光放大器(PMBOA)、隔离器(ISO)、光纤声光可调滤光器(FAOTF)和光纤耦合器组成的环形腔结构，其结构如图2所示。

图2 扫频光源结构图

PMBOA在直流电流驱动下产生一个宽带的自发辐射谱，通过ISO和FAOTF进行选频和滤波。选频后，经过光纤耦合器分为两路光，一路光重新进入PMBOA，另一路光作为输出光。PMBOA作为一个放大元件，对FAOTF选频后的光信号进行放大。当PMBOA对光信号的放大增益与环形腔内的损耗平衡时，可以产生稳定的激光振荡。通过调整FAOTF的驱动频率，可以改变AOTF滤出的光频率，即可实现频率可调的扫频激光输出。

3 实验结果

本实验采用自制的FAOTF，其功能是通过改变驱动频率，可从复杂光谱中滤出所需的波长。外形如图3所示，其工作波长900～1 700 nm。工作波长与驱动频率，衍射效率关系如图4所示。

图3 FAOTF外形图

本实验采用的PMBOA在电流600 mA，温度控制在25 ℃的条件下，峰值波长为1 550 nm，在输入信号波长1 550 nm，-20 dBm时，增益可达27 dB，整个自发辐射噪声谱17.5 dB带宽为200 nm(1 450～1 650 nm)。由图4可见，FAOTF在1 450～1 650 nm的衍射效率高于75%。光纤AOTF在此波段的3 dB带宽约6 nm，如图5所示。

分别选取分光比为50∶50,40∶60,30∶70,20∶80,10∶90,1∶99的光纤耦合器进行试验，要求整个光谱范围内输出光脉冲功率>10 mW，故最终选取分光比为20∶80的光纤耦合器，PMBOA在电流330 mA，实现了宽光谱、窄线宽稳定脉冲激光输出。输出光谱结果如图6所示。

图6 扫频光源输出光谱图

由图6(a)、(b)可以看出，在PMBOA电流为330 mA，光纤耦合器分光比为20∶80时，输出光谱范围为1 500.146 2～1 619.477 0 nm，可调光谱范围119 nm。由图6(c)可见，在1 596 nm处单脉冲3 dB带宽为0.096 6 nm。由此可以看出，FAOTF滤出的光谱经过该环形腔压缩后，光谱3 dB带宽明显减小，单脉冲光谱的相干长度得到加强。

4 结束语

本文采用环形腔压缩自制宽带FAOTF输出单脉冲线宽的方式，研制出了一种光谱可调范围119 nm，光源相干长度20 μm，单脉冲3 dB相干长度24.9 mm，扫频速率达100 kHz的快速扫频光源。该光源具有成本低，扫频范围广，相干长度长和扫频速度快等特点，对SSOCT成像性能的提高有一定推动作用。