用于光学相干断层扫描的集成延迟线
阅读：188发布：2020-05-14
专利汇可以提供用于光学相干断层扫描的集成延迟线专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种系统，包括：引导射 线束 的 波导 、可变延迟单元和偏振相关调制单元。可变延迟单元在一区域内调制折射率，波导多次穿越该区域。偏振相关元件补偿与射线束相关的双折射，并且包括偏振分光器和多个调制元件。偏振分光器具有第一臂和第二臂，每个臂包括调制段。射线束别分光到第一臂和第二臂，并且在穿过调制段之后被重新组合。射线束的重新组合生成第一偏振射线束和第二偏振射线束。多个调制元件分别将第一调制和第二调制施加到第一偏振射线束和第二偏振射线束。，下面是用于光学相干断层扫描的集成延迟线专利的具体信息内容。
1.一种系统，用于向射线束引入可变群组延迟，同时补偿双折射对所述射线束的影响，所述系统包括：
波导，其被配置为引导所述射线束；
可变延迟单元，被配置为调制一区域中的折射率，其中，所述波导多次穿越所述区域；
以及
偏振相关调制单元，被配置为补偿与所述射线束相关的双折射，该偏振相关调制单元包括：
偏振分光器，其具有第一臂和第二臂，所述第一臂包括第一组调制段，所述第二臂包括第二组调制段，其中，所述射线束被分光到所述第一臂和所述第二臂，并且在通过所述第一组调制段和所述第二组调制段之后被合成，其中，该合成生成第一偏振射线束和第二偏振射线束；以及
多个调制元件，其被配置为分别对所述第一偏振射线束和第二偏振射线束施加第一调制和第二调制。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述可变延迟单元和所述偏振相关调制单元形成在平面光波回路的相同基板上。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述可变延迟单元包括加热器，其被配置为通过热光效应调制所述区域中的材料的折射率。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述可变延迟单元包括电极，其被配置为用于通过光电效应调制所述区域中的材料的折射率。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述区域是通过体微机械加工处理形成的。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述区域是通过表面微机械加工处理形成的。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述可变延迟单元还被配置为调制第二区域中的折射率，其中，所述波导多次穿越所述第二区域。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述区域大体上是圆形的。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述调制段包括变化宽度的波导段。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个调制元件包括群组延迟元件。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个调制元件包括相位调制元件。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个调制元件包括幅度调制元件。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光调制单元还包括光切换元件。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述光切换元件被配置为在与所述第一偏振射线束相关的波导和与所述第二偏振射线束相关的波导之间切换光路。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光调制单元还包括光吸收元件，用于吸收所述第一偏振射线束或所述第二偏振射线束。
16.一种光学相干断层扫描系统，包括：
光源，其被配置为提供射线束；
光学元件，其被配置为将所述射线束分光到至少第一波导和第二波导，其中，所述射线束的第一部分传输通过所述第一波导，所述射线束的第二部分传输通过所述第二波导；
可变延迟单元，与所述第一波导和第二波导中的至少一个相关联，所述可变延迟单元被配置为向所述射线束的相关联部分引入群组延迟，并且所述可变延迟单元包括折射率调制元件，其被配置为调制一区域中的折射率，其中，与可变延迟单元相关联的波导多次穿越所述区域；以及
光调制单元，与所述第一波导和所述第二波导中的至少一者相关联，所述光调制单元包括：
偏振分光器，用于将所述射线束的相关部分至少分成第一偏振射线束和第二偏振射线束；以及
多个调制元件，其被配置为分别对所述第一偏振射线束和第二偏振射线束施加第一调制和第二调制。
17.根据权利要求16所述的系统，还包括：探测器，其被配置为从所述光学元件接收合成的射线束，其中，所述合成的射线束至少包括所述射线束的第一部分和所述射线束的第二部分。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述折射率调制元件包括：加热器，其被配置为通过热光效应调制所述区域中的材料的折射率。
19.根据权利要求16所述的系统，其中，所述折射率调制元件包括：电极，其被配置为通过光电效应调制所述区域中的材料的折射率。
20.根据权利要求16所述的系统，其中，至少所述可变延迟单元和所述光调制单元形成在平面光波回路的相同基板上。
21.根据权利要求16所述的系统，其中，所述区域是通过体微机械加工处理形成的。
22.根据权利要求16所述的系统，其中，所述区域是通过表面微机械加工处理形成的。
23.根据权利要求16所述的系统，其中，所述可变延迟单元还包括第二折射率调制元件，其被配置为调制第二区域中的折射率，其中，所述与可变延迟单元相关联的波导多次穿越所述第二区域。
24.根据权利要求16所述的系统，其中，所述区域大体上是圆形的。
25.根据权利要求16所述的系统，其中，所述偏振分光器基本将入射的射线束分光到第一臂和第二臂。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述第一臂和所述第二臂包括调制段。
27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述调制段包括具有变化宽度的波导段。
28.根据权利要求16所述的系统，其中，所述多个调制元件包括群组延迟元件。
29.根据权利要求16所述的系统，其中，所述多个调制元件包括相位调制元件。
30.根据权利要求16所述的系统，其中，所述多个调制元件包括幅度调制元件。
31.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光调制单元还包括光切换元件。
32.根据权利要求31所述的系统，其中，所述光切换元件被配置为在与所述第一偏振射线束相关的波导和与所述第二偏振射线束相关的波导之间切换光路。
33.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光调制单元还包括光吸收元件，其被配置为吸收所述第一偏振射线束或所述第二偏振射线束。
34.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光调制单元被配置为补偿双折射的影响。
35.一种方法，包括：
在可变延迟单元处接收射线束；
调制所述可变延迟单元内一区域的折射率；
使所述射线束穿越所述区域至少两次，其中，通过该穿越向所述射线束引入双折射；
在调制单元处接收所述射线束；
使用调制单元内的偏振分光器将射线束分光到第一臂和第二臂；
通过所述偏振分光器生成所述射线束的第一偏振模式和所述射线束的第二偏振模式；
以及
使用在所述调制单元内的多个调制元件分别对所述射线束的第一偏振模式和第二偏振模式施加第一调制和第二调制，其中，该施加还补偿与所述射线束有关的双折射。
用于光学相干断层扫描的集成延迟线
技术领域
背景技术
[0002] 光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomograph，OCT）是一种医学成像技术，通过宽带光源和干涉检测系统，来提供具有高轴向分辨率的深度分辨的信息。已经发现了它的大量应用，其范围从眼科和心脏科到妇科和生物组织的体外高分辨研究。
[0003] 时域OCT（Time Domain OCT，TD-OCT）系统中的元件之一是可变延迟线，其可以被用于执行样品内部的深度扫描。一些专利已经描述了在OCT中使用的能够在高扫描速度下提供必要的延迟变化范围的延迟线的实例。例如，专利申请号为EP0831312的专利申请描述了一种在OCT中作为可变延迟线使用的基于光纤和压电元件的设备。
[0004] 然而，由于活动件的使用及其惯性，依赖于机械元件的可变延迟线实例在能够达到的最大工作速度方面具有固有的局限性。最近，已经描述了基于集成光学和利用了硅的热光效应的可变延迟线的实例（“Thermo-optical delay line for optical coherence tomography”E.Margallo-Balbás,G.Pandraud, 和 P.J.French,Proc.SPIE6717,671704(2007)，“（Miniature10kHz thermo-optic delay line in silicon”E.Margallo-Balbás,M.Geljon,G.Pandraud, 和 P.J.French,Opt.Lett.35(23).pp.4027-4029(2010)）。这些参考文献提供了使用热光延迟线的一些优点的概述。
[0005] 热光效应是基于材料的相位和群折射率相对于温度的变化的。温度和群折射率变-4 -1化之间的关系被称为热光系数。例如，对应1.3μm的波长，硅在室温下表现为2.4x10 K的值，这意味着对于1cm的波导段，改变1mm光程需要温度增加417K。但是，对于给定的制造工艺，受制于热行为的波导长度、施加的功率、最大延迟（决定了最大扫描深度）和用于热循环的最大频率（决定了扫描速度）之间是有折中的。这种权衡意味着一旦选定了产品流程，那么热设计选择也就被设置好了。
[0006] 一种减轻上述权衡的方式是如公开号为2009/0022443的美国专利申请描述的在具有可控折射率的区域上多次追踪波导段。尽管重点在于设计好的波导曲率来减少功率损耗，但是，并没有提及如何补偿诸如双折射之类的其他光学效应。双折射描述了波导中对各种偏振模式存在不同的传输常数（A.Melloni et al.,“Determination of Bend Mode Characteristics in Dielectric Waveguides”,J.Lightwave Technol.,vol.19(4),pp.571-577,2001）。
[0007] 在许多情况下，双折射的解决方案是基于波导技术本身的最优化的，例如，设计正确的横断层面图形或引入受控压力水平到波导中。诸如热氧化硅之类的材料已经被报道用于引入压力来调整波导内的光的群组速度和相速度。
[0008] 尽管这些解决方案适用于一些情况，但是，他们使得制造工艺复杂化，他们的价值取决于相关层的沉积和微制造步骤的公差。另外，他们不能补偿具有较强曲率的波导段引入的双折射。
[0009] 在著作中的其他文章（“Step-type optical delay line using silica-based planar light-wave circuit(PLC)technology”,I.Kobayashi 和 K.Koruda,IEEE Instrumentation and Measurement,1998，和“Wide-bandwidth continuously tunable optical delay line using silicon microring resonators”,J.Cardenas et al.,Opt.Express 18,26525-26534,2010）报道了使用热光效应来制造集成延迟线。然而，在所有情况下，与OCT所需要的相比，应用领域是不同的，实际参数也有显著变化。在诸如电信等应用中的自由光谱范围（Free spectral ranges，FSR）比OCT中的FSR小几个数量级。在第一篇文章中（Kobayashi et al.）报道了FSR和最大延迟之间的权衡，使得在OCT应用中设备将仅仅达到大概150GHz的FSR。在第二篇文章中（J.Cardenas et al.），相应的FSR仅为10GHz。这两个范围的数量级与OCT中使用的相差很多，其通常用于几十THz的带宽中。
发明内容
[0010] 呈现了一种系统，该系统对射线束引入了可变群组延迟，同时补偿射线束上的双折射效应。还描述了在光学相干断层扫描范围内该系统的使用以及通过使用这一系统获得的优点。
[0011] 在一个实施例中，呈现了一种系统，包括用于引导射线束的波导、可变延迟单元和偏振相关调制单元。可变延迟单元在一区域内调制折射率，波导多次穿越该区域。偏振相关元件补偿与射线束相关的双折射，包括偏振分光器和多个调制元件。偏振分光器具有第一臂和第二臂，每个臂包括调制段。射线束被分光到第一臂和第二臂，在穿过调制段之后被重新结合。射线束的重新结合生成第一偏振射线束和第二偏振射线束。多个调制元件分别将第一调制和第二调制施加到第一偏振射线束和第二偏振射线束。
[0012] 在另一个实施例中，呈现了一种光学相干断层扫描系统。该系统包括：光源、光学元件、可变延迟单元和光调制单元。光源提供射线束。光学元件将射线束分光到至少第一波导和第二波导。射线束的第一部分传输通过第一波导，射线束的第二部分传输通过第二波导。可变延迟单元和光调制单元均与第一波导和第二波导中的至少一个相关。可变延迟单元为射线束的相关部分引入了群组延迟，包括：折射率调制元件，用于调制区域内的折射率。与可变延迟单元相关的波导多次穿越该区域。光调制单元包括偏振分光器和多个调制元件。偏振分光器将射线束的相关部分分光成至少第一偏振射线束和第二偏振射线束。多个调制元件分别将第一调制和第二调制施加到第一偏振射线束和第二偏振射线束上。
[0013] 还描述了一种实例方法。在一个实施例中，该方法包括在可变延迟单元处接收射线束。该方法还包括在可变延迟单元中调制区域的折射率。射线束穿越该区域一次或多次。通过穿越在该射线束中引入双折射。该方法还包括在调制单元接收射线束。通过在调制单元内的偏振分光器，射线束被分光到第一臂和第二臂。然后，该方法还包括：生成射线束的第一偏振模式和所述射线束的第二偏振模式。该方法还包括使用多个调制元件分别对射线束的第一偏振模式和第二偏振模式施加第一调制和第二调制。该施加还补偿与射线束的有关的双折射。
附图说明
附图说明
[0015] 图1示出了根据实施例的一种OTC系统的框图。
[0016] 图2示出了根据实施例的一种可变延迟单元的俯视图。
[0017] 图3A-图3C示出了根据实施例的一种可变延迟单元的侧视图。
[0018] 图4示出了根据另一个实施例的可变延迟单元的俯视图。
[0019] 图5示出了根据另一个实施例的可变延迟单元的俯视图。
[0021] 图7示出了根据实施例的一种光调制单元的实例。
[0022] 图8A-图8B示出了根据实施例的具有光切换的光调制单元的实例。
[0023] 图9示出了根据实施例的具有光吸收元件的光调制单元的实例。
[0024] 图10示出了根据实施例的偏振分光器的设计实例。
[0025] 图11示出了波导宽度对两种偏振模式的折射率的仿真影响。
[0026] 图12示出了基于波导宽度的两种偏振模式之间的折射率的仿真差。
[0027] 图13示出了两种偏振模式对比波导宽度的仿真误差。
[0028] 图14示出了根据实施例的一种可变延迟系统的实例。
[0029] 图15A-图15B示出了根据实施例的一种可变延迟系统的其他实例。
[0030] 图16示出了根据实施例的具有可变延迟系统的一种OCT系统。
[0031] 图17示出了根据另一个实施例的具有可变延迟系统的一种OC系统。
[0032] 图18描述了根据实施例的一种方法。
[0033] 将根据附图描述本发明实施例。
具体实施方式
[0034] 尽管使用了特定的配置和布置进行讨论，但应当理解，这仅是出于说明的目的而进行的。本领域的领域技术人员应认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以使用其它配置和安排。本发明还可以被用于各种其它应用场景中，这对本领域的技术人员而言是显而易见的。
[0035] 值得注意的是，在本说明书中提及的“一个实施例”，“实施例”，“示例实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但是每个实施例可能未必包括该特定的特征、结构或特性。而且，这些短语不一定指相同的实施例。此外，当特定的特征、结构或特性结合实施例进行了描述，无论是否明确描述，将结合本领域技术人员的知识范围内和其它实施例来实现将这些特征、结构或特性。
[0036] 此处描述的实施例提供了用于在干涉仪设备中的射线束中引入群组延迟的系统和方法。例如，干涉仪设备可以使用诸如光学相干断层扫描（OCT）等低相干干涉法来提供样品不同深度的图像数据。光的群组延迟的改变对应于研究的样品中扫描深度的改变。
[0037] 在此处描述的各种实施例中，通过控制引导射线束的波导材料的折射率来改变群组延迟。例如，这可以通过使波导段多次穿越可以由主动改变温度来控制其折射率的至少一个区域上来实现改变群组延迟，使得可以重复利用加热元件产生的热量。也可以利用除生成热量梯度之外的其他技术来控制折射率，随后将对此进行更具体的描述。
[0038] 通过沿其路径弯曲波导，可以在折射率受控区域由该波导进行多次穿越。然而，集成波导的弯曲导致双折射的产生，这是OCT中分辨率损失甚至是重影的根源。同样地，此处的实施例还描述了用于分离或调整射线束的偏振模式的系统和方法，以便克服双折射对OCT图像质量的影响。
[0039] 此处，术语“电磁波”、“光”和“射线束”都被用于描述通过各种描述的元件和系统传输的一些电磁信号。
[0040] 图1示出了一种根据实施例的使用可变延迟系统112的OCT系统101，用于对样品110成像。例如，可变延迟系统112可以用于为OCT系统101中的光提供可变延迟，同时补偿双折射的影响。术语“光”的使用可以指代电磁谱的任意范围。在一实施例中，术语“光”指代1.3μm左右的红外线。
[0041] OCT系统101还包括光源102、分光元件104、样品臂106、参考臂108、和探测器114。在示出的实施例中，可变延迟系统112位于参考臂108中。但是，应当理解的是，可变延迟系统112也可以位于样品臂106中。或者，可变延迟系统112的各种部件也可以存在于样品臂106和参考臂108二者中。例如，可变延迟系统112的在光中引入可变延迟的部件可以位于样品臂106中，而调制光的不同偏振模式来减少双折射的部件可以位于参考臂
108中。在一个实例中，样品臂106和参考臂108是诸如图案化的波导或光纤等光波导。在一实施例中，OCT系统101的所有部件集成到平面光波导（PLC）上。在另一个实施例中，至少可变延迟系统112中的所有部件集成在PLC的相同的基板上。也可以考虑其他实例，例如，光纤系统、自由空间光系统、光子晶体系统等。
108中。在一个实例中，样品臂106和参考臂108是诸如图案化的波导或光纤等光波导。在一实施例中，OCT系统101的所有部件集成到平面光波导（PLC）上。在另一个实施例中，至少可变延迟系统112中的所有部件集成在PLC的相同的基板上。也可以考虑其他实例，例如，光纤系统、自由空间光系统、光子晶体系统等。
[0042] 应当理解的是，为了清楚起见，OCT系统101可以包括任意数量的未示出的其他光学元件。例如，沿着样品臂106和参考臂108的光路，OCT系统101可以包括镜子、透镜、光栅、分光器、微机械元件等。
[0043] 分光元件104用于引导从光源102接收的光朝向样品臂106和参考臂108。例如，分光元件104可以是双向耦合器、光分光器、或其他任何将一束光转换成两束或更多束光的调制光学设备。
[0044] 传输到样品臂106的光最终撞击到样品110上。样品110可以是任何适于成像的样品，例如，组织。在OCT过程中，光在样品110中的特定深度处扫描，散射的射线被收集回样品臂106。在另一个实施例中，在与发送波导不同的波导上收集散射的射线。可以通过在可变延迟系统112中施加在光上的延迟来选择扫描深度。
[0045] 在被探测器114接收之前，样品臂106和参考臂108内的光被重新组合。在示出的实施例中，通过分光元件104重新组合光。在另一个实施例中，在与分光元件104不同的光耦合元件中重新组合光。
[0046] 为了清楚起见，可变延迟系统112用于描述引入可变延迟和减少双折射的部件。在可变延迟系统112中，可以将与引入可变延迟有关的部件集合归类为可变延迟单元，将与减少双折射有关的部件集合归类为光调制单元。此处描述的内容是用于实施可变延迟单元和光调制单元的各种实施例。
[0047] 图2示出了根据实施例的可变延迟单元2的实例表示。在一个实例中，波导1三次穿越可控折射率区域3。在示例性的实施例中，区域3具有矩形的形状，但是应当理解的是，区域3可以是任意大小和形状的。在一个实施例中，通过诸如加热元件4等折射率调制元件来改变区域3中的材料的折射率。由于波导1在区域3内的多次穿越，重复利用了由加热元件4产生的热量。这种波导1的布置使得在光路中对于给定功率的由于热量引起的改变以及可控折射率区域的尺寸成倍增加。
[0048] 折射率受控材料可以是波导1本身，或在波导1附近范围内的其他材料。例如，波导1可以是硅或氮化硅脊型波导，其中，加热元件4直接对硅或氮化硅实施加热。在另一个实例中，加热元件4对波导1周围或附近的导热材料实施加热，导热材料的热量在波导1中生成温度梯度或温度差。应当理解的是，波导1并不限于硅基材料，因为其他很多材料也适用于引导IR光，例如，磷化铟、砷化镓、及其各种三级或四级结构。
[0049] 图3A-图3C示出了根据实施例的可变延迟单元2的截面的实例。每个图描述了其中波导1是脊型波导的设计，然而，其他类型的波导也是有可能的，例如，带状波导。芯波导区域可以被一个或多个包层材料包围，或者在一个或多个侧面上使用周围的空气作为包层。
[0050] 在图3A和图3B中，根据一实施例，波导1和加热元件4作为薄膜悬在区域3中。然而，并不需要波导1由穿过区域3的薄膜连接。同样地，波导1可以作为释放的结构穿过区域3。可以使用块微加工技术移除区域3下的基片来制造图3A描述的可变延迟单元2。
这种技术可以包括KOH刻蚀术、深反应离子刻蚀术（deep reactive ion etching，DRIE）、或XeF2刻蚀术。热可控折射率区域3的这种物理配置增加了位于横跨区域3的膜之下的区域的热阻，因此，使得改变膜温度达到指定的折射率改变所消耗的功率最小化。应当理解的是也可以使用在膜内达到同样热效应的替代配置。
这种技术可以包括KOH刻蚀术、深反应离子刻蚀术（deep reactive ion etching，DRIE）、或XeF2刻蚀术。热可控折射率区域3的这种物理配置增加了位于横跨区域3的膜之下的区域的热阻，因此，使得改变膜温度达到指定的折射率改变所消耗的功率最小化。应当理解的是也可以使用在膜内达到同样热效应的替代配置。
[0051] 图3B示出了达到增强的热性能的配置的另一个实例。在这个实例中，波导1悬浮区域3中基片被移除的部分（例如，层）之上。移除的部分可以是由于刻蚀了含有波导1的层下方的牺牲层。移除的部分可以是在含有波导1的层下方完全封闭的，或者也可以对大气层是开放的。在另一个实施例中，具有高热阻的材料可以被布置在含有波导1的层的下方，来集中波导层内部的热量吸收。
[0052] 在另一个实例中，如图3C所示，波导1完全不是悬着的。可以基于波导层11和下层12二者的材料的选择，来达到波导成11内波导1中和周围的需要的热量行为。在一个实施例中，下层12包括具有比波导层11的材料低的导热率和折射率。
[0053] 图4示出了根据实施例的具有多于一个可控折射率区域3的可变延迟单元2的实例。在示出的实例中，波导1多次穿越两个单独区域3。每个区域3具有自己的加热元件4。然而，应当理解的是，可以使用任意数量的加热元件来改变每个区域3内的材料的折射率。同样地，本公开不限于只有两个可控折射率区域3，也可以包括任意数量的区域3。
[0054] 图5示出了具有圆形可控折射率区域3的可变延迟单元2的示例，波导1多次穿越该圆形可控折射率区域3。区域3可以具有如图所示的基本环形形状，或者也可以包括中间部分并且具有被填充的基本圆形形状。
[0055] 在可变延迟单元2的前述实施例中，加热元件4已经被实施作为折射率调制元件来改变区域3中的折射率。然而，施加热量之外的其他方法也可以用于控制材料的折射率。例如，加热元件4可以由电光调制元件来替代，其中横穿图案化电极的施加电场（E-field）或任意合适的导电材料用于改变区域3内的折射率。在另一个实例中，可以使用图案化电极来替代加热元件4，图案化电极用于在波导材料内或周围生成带电载流子。在又一个实例中，上述用于改变折射率的技术的任意组合可以在相同的可变延迟单元2中使用。
[0056] 在可变延迟单元2的这种实施例中，依据总光路变化的可控折射率区域3的增加的收益与波导1的弯曲有关。在一个实施例中，通过使波导1的至少一些部分沿其路径弯曲来实现在减少的空间内实施这种可变延迟。因此，波导1的弯曲导致对波导1引导的射线束存在双折射效应。
[0057] 双折射在集成光设备中能够引起问题。双折射与波导中相位和群组速度的偏振态依赖性有关。在OCT系统的情况下，这种依赖性能够导致两种偏振态的干涉图样的位移，引起轴向分辨率的损耗，或在探测器处接收到重影。图6演示了双折射对在探测器处被收集和解调的示例OCT图像之间的错位的影响，该错位表示为cΔτ。在上图和下图中显示的接收信号对应于扫描延迟设备中使用的波导中的两个偏振模式。上图显示与（准）TE模式对应的信号，下图包括与（准）TM模式有关的干涉信号。本发明实施例补偿双折射引起的错位，以便提高从探测器接收的数据获得的图像的清晰度。
[0058] 在一个实施例中，可变延迟系统包括光调制单元，其为与电磁波相关的相量提供调制。在一个实例中，光调制单元独立地驱动电池波的每种偏振模式。在一个实施方式中，光调制单元包括偏振分光元件和用于各个偏振模式的调制元件的组合。
[0059] 在诸如OCT系统等干涉仪系统中，可以通过引入在探测器处产生干涉图样的频率复用的相位调制器来获得复用。图7示出了根据实施例的对两种偏振模式施加相位调制的光调制单元5的实例。光调制单元5包括偏振分光器6，通过两个不同的臂或光路将两种偏振模式（准）TE和（准）TM进行分光。随后，每个偏振模式经过一个或多个诸如相位调制器等的调制元件7。也可以使用其他调制技术，例如，频率调制、幅度调制等。根据实施例，对于给定的干涉仪配置，其中，光不止一次横穿延迟设备，在调制器处的相位控制可以是线性的，具有0到π之间的锯齿状信号。这种配置导致了干涉图样的频移。人们可以设计调制元件7，以便与不同偏振模式对应的干涉图样能够被充分的隔离开，对应的光谱之间没有干扰。
[0060] 在一个实施例中，通过例如不同物理长度的波导的方式，在每个臂中包含诸如群组延迟元件8等的其他调制元件，以便在成像系统中能够避免轴向扫描范围内的偏振相关的错位。在应用中对每种偏振模式包含不同延迟可以是需要的，其中，未补偿的双折射导致与使用的成像系统的扫描范围相当的群组延迟差。在这个实例中，使用延迟元件8来保持到可变扫描设备的可进入区域内的两种偏振。能够使用诸如那些能够通过施加热量、电流、压力等改变折射率之类的主动延迟设备来替换诸如改变波导长度之类的被动延迟。
[0061] 在另一个实施例中，在每个臂中引入不同的群组延迟元件8来将对应的干涉信号在空间上分离，以便随后沿成像系统的扫描周期发生在两种偏振中的轴向扫描。当涉及到这个到OCT的实例时，两种偏振之间的群组延迟差可以大于对有效背散射信号有贡献的样品内的扫描深度范围。这种延迟差可以非常小，以便可以在OCT系统的扫描范围内访问到两种偏振模式。
[0062] 可以使用除频率调制之外的其他复用技术。例如，码分复用、时分复用等均适用于取代调制元件7或和调制元件7共同工作。在时分复用的具体情况中，可能需要替代性地例如通过光切换来抑制两种偏振中的一种。这意味着会损耗一些光功率以及潜在地可能降低信号噪声比。
[0063] 图8A示出了光调制单元5的一种实例，其中，偏振分光器6连接至时间复用单元9。例如，可以使用在两种偏振模式之间切换的光切换来实施时间复用单元。可以通过波导的实际的弯曲或移动、或使用电光调制器来影响射线束的弯曲来在机械上执行切换。在另一个实例中，使用热光效应在两个或多个光路之间实现切换。
[0064] 图8B示出了根据一个实施例在图8A的实施例中添加调制元件7，以便引入相位调制，从而导致在偏振模式之间存在位移。调制元件7还可以影响诸如与电磁波有关的幅度或群组延迟之类的偏振模式的其他特征。在一个实施例中，通过例如频分复用的方式进一步地区分偏振模式，调制元件7使得由于来自时间复用单元9的非理想切换引起的不活动的偏振模式的干扰最小化。
[0065] 图9示出了包括用于抑制一个偏振模式的光吸收元件10的光调制单元5的另一个实施例。光吸收元件10可以是与引导光通过光调制元件5的任一个臂的波导具有相同折射率的材料。在一个实例中，光吸收元件10的材料是凝胶。光吸收元件10可以包括任意数量能够减少或消除通过波导返回的冲击电磁波的反射的结构或材料。尽管这一实施例确实导致了一些光功率的损耗，但是，它也避免了当使用两种偏振模式成像时存在的潜在问题。这些问题的示例包括由双折射引起的分辨率降低或重影。
[0066] 在许多上述实施例中，偏振分光器6被设计用来分离电磁波的偏振模式。有效分离两种偏振模式的能力对获得最优的系统性能是重要的。在一个实施例中，偏振分光器6可以是在每个臂上具有不用段宽度的马赫曾德（Mach-Zehnder）干涉仪，例如，图10所示的偏振分光器。
[0067] 根据一个实施例，图10中示出了偏振分光器包括干涉仪的分光和重组元件（分别为201a和201b）。分光元件201a在上臂202和下臂204之间将入射射线束分光。尽管已示出在入口处有两个到分光元件201a的输入端，但是，也可以仅在一个输入端接收入射的射线束。
[0068] 上臂202和下臂204中的每一个包括具有不同性能的波导段，以便在每个臂中为光提供特定调制。例如，每个波导段可以具有不同的几何结构（例如，变化的宽度）。在一个实施例中，为了引入足够的设计灵活度，包含了四种不同的波导段宽度（w1-w4），每个臂中有两个不同的波导段宽度。计算对应的波导长度（l1-l4）来获得需要的交叉耦合关系。换言之，当在重组单元201b重组来自每个臂的光时，对给定偏振存在相长干扰，对输出端206a和206b处的相反的偏振模式存在相消干扰。由于在混合耦合器中存在固有的90°相移，对于其他输出端情形是相反的。因此，在输出端206a和206b处从偏振分光器出射的光在每个输出端具有不同的偏振模式。假设两个臂的总长度是相同的，下面的等式（1）将这些关系形式化。
[0069]
[0070] 在该关系中，niE是在段i中的TE偏振的有效折射率，niM表示在段i中的TM偏振的有效折射率。这些有效折射率是波导几何结构的函数。在一个实例中，有效折射率是波导宽度的函数。图11示出了针对两种偏振模式的作为波导宽度函数的有效折射率的仿真演进，通过使用束传播方法（beam propagation method，BPM）计算得到。
[0071] 通过li表示波导段长度，由于每个臂具有相同的总长度，因此，波导长度表示设计中的两个自由度。第三自由度与总相互作用长度L0有关，通过l1+l3或l2+l4的和来表示。相长和相消干扰条件表示为Nλ/2和Mλ/2。在一个实施例中，通过使N和M相差一个奇整数，以便确保偏振分光。在一个实例中，通过使得M和N尽可能的小，来达到使带宽最大化。
[0073]
[0074] 在这些定义中，等式（1）能够被简化为AL=X。给定M、N和L0，有大量的自由度来为偏振分光器选择设计。然而，并不是所有设计都是一样有效的。事实上，至少该设计应当是物理上可实现的，这意味着所有长度都是正数。这由下面等式（3）来表示。
[0075]
[0076] 一旦已经建立了上述关系，就可以计算偏振模式。由于为了达到高性能和可靠性，-6可能需要高达10 的准确度，因此，对诸如OCT之类的成像应用而言，模式有效指数（Mode effective index）计算是非常重要的。通常使用具有相关方式的BPM来计算模式。对于这些实例仿真，已经设定为总相互作用长度为2mm。这一因素限制了对于需要较长长度来会聚的小波导段的准确度，但是已经发现该值能够提供稳定的解决方案。选择横向网格尺寸和步长来调节由于离散化导致的数值误差，离散化导致网格元件和波导的脊型边缘之间的相互作用。在一个实例中，通过使用12阶多项式来提高准确度和滤除计算中的数值误差，拟合了BPM计算值。这还允许插入中间宽度。最终，从（对于TE和TM偏振模式的）两个拟合相互减去对方的拟合，来获得图12所示的折射率差作为波导宽度的函数。
[0077] 当解出模式时，对于给定网状设置的集合，在图13中示出的仿真剩余平面图中可以看出两种偏振模式的实例数值误差谱。对于TE和TM偏振模式，该误差被示出为具有相同周期的周期性，但是对于给定宽度具有相反的符号。还观察到有很多波导宽度显示出低-6于10 的折射率误差，这能够为该设计选择出并满足诸如OCT之类的系统需要的精确度。
[0078] 根据一个实施例，除了物理可行性，人们还可以通过最小化设备在临界波导测量中对误差的敏感度来最大化设备的可制造性。要考虑的误差的两个实例包括在设备中平等地影响所有元件的维度的改变和在设备中不同地影响元件的维度的改变。大体而言，由于晶片到晶片的变化、晶体表面的不均匀性和统计学流程改变等因素，引起了的系统误差。这种制造误差将以实质相同的方式影响所有设备。由于光调制单元和可变延迟单元的相互作用长度和区域是很小的（波导通常被配置的比较近），当分析制造误差时，可以忽略差分误差。
[0079] 在一个实施例中，对波导模式影响最大的两个制造维度是脊型刻蚀深度和波导宽度。在一个实例中，±50nm的改变是在制造流程中能够发生的最大偏差。如果波导宽度发生改变，则有效折射率将发生变化。即便对于不同开始尺寸的波导，这种变化也具有相同的符号，但是幅度是根据图11所示的依赖性而改变的。如下面等式（4）所示，这将导致等式（2）的矩阵A发生变化。在一个实施例中，对于给定的波导宽度（和相关长度矢量）的选择，获得了误差系统矩阵。
[0080]
[0081] 依据等式（5）中示出的输入参数，可以从等式（2）得到X矢量中对应的误差。
[0082] ΔX＝ΔA·(A-1·X) (5)
[0083] 总长度是一个输入，同样地，它没有任何相关的误差。在一个实例中，误差集中于ΔX矢量的前两行，作为相移出现，从而降低了偏振分光函数中的效率。
[0084] 此处描述了用于选择各种波导宽度的实例设计方法学。首先，设置最大设备长度L。然后，为两个臂设置在2.6μm和4.0μm之间变化的两个宽度（例如，w3和w4）。然后在1.0μm和4.0μm之间扫描另两个臂（w1和w2）的宽度，系统解在下面的等式（3）中找到。
并行地，通过以50nm来改变所有波导的宽度以及根据等式（4）计算矩阵ΔA，实施了敏感度分析。然后，根据等式（5）计算矢量ΔX。对于TE和TM偏振模式的最大相位误差作为敏感度度量，只有在足够大数量的点（例如，10个点）上达到阈值相补角的解决方法被选择作为设计备选方案。
并行地，通过以50nm来改变所有波导的宽度以及根据等式（4）计算矩阵ΔA，实施了敏感度分析。然后，根据等式（5）计算矢量ΔX。对于TE和TM偏振模式的最大相位误差作为敏感度度量，只有在足够大数量的点（例如，10个点）上达到阈值相补角的解决方法被选择作为设计备选方案。
[0085] 在集成成像系统中，例如，OCT系统中，可以在参考臂或样品臂中执行在频率中两种偏振的分离。在一个实施例中，所引起的相位调制（例如经由调制元件7）在各自的多普勒频率中作为差分项附加地存在，从而有效地用于分离目的。例如，光调制单元5可以直接连接至可变延迟单元，以便产生没有双折射引起的问题的信号系统。但是，应当理解的是，其他实施方式也是可能的，其中，光调制单元5与包含在可变延迟单元2中的波导1不相邻。
[0086] 图14示出了根据一个实施例的光调制单元5和可变延迟单元2之间的一种可能集合。同时，这两个单元组成可变延迟系统112。然而，不需要他们通过相同波导直接相连。在一个实例中，在平面光波导（PLC）的相同基片上形成光调制单元5和可变延迟单元2。示出的可变延迟单元2包括具有在可控折射率区域3上多次穿越追踪的波导1。每个区域3包括加热元件4。光调制单元5包括偏振分光器6、调制元件7和群组延迟元件8。根据一个实施例，也通过对偏振态的轴向扫描调整，在光调制单元5的每个臂中的各种元件的组合允许来主动控制通过偏振模式的频率分离得到的双折射。尽管示出了光调制单元5和可变延迟单元2的某一实施例，应当理解的是，每个单元的任意实施例可以结合以达到与可变延迟系统112相同的目标。这种集成设置可以体现在例如OCT系统的干涉仪成像系统的参考臂或样品臂中。电磁辐射可以在光调制单元5或可变延迟单元2处进入可变延迟系统，可以通过其他单元离开，或者从进入的波导反射离开。
[0087] 图15A示出了根据一个实施例的可变延迟系统112的另一个实例，其中，通过使用偏振分光器6分离偏振模式来管理双折射。在这一实例中，调制元件7独立地调制偏振模式，每个偏振模式被供给到不同的可变偏振单元2。在一个实施例中，每个可变延迟元件2包括单独的波导1，该波导1在多次穿越各自的可控折射率区域3过程中被独立第追踪。使用单独的可变延迟单元2的一个优点是在对每种偏振模式需要不用的扫描速度和扫描深度情况下增加设计灵活性。
[0088] 图15B示出了与图15A相似、但是为每个偏振臂增加了群组延迟元件8的可变延迟系统的另一个实施例。在一个实例中，额外的群组延迟元件8允许对每个偏振模式独立地选择轴向扫描范围。可以使用诸如那些能够通过施加热量、电流、和压力等来改变折射率之类的主动延迟设备替代诸如改变波导长度之类的被动延迟。
[0089] 图16示出了包含可变延迟系统112的一个实例的OCT系统的实施例。在一个实施例中，光从源301中生成，通过波导被引导向耦合器303。在一个实例中，源301是低相干光源。源301也可以是宽带光源。耦合器303可以是双向耦合器、50:50耦合器或能够将来自源301的入射光分光到至少一个样品臂和一个参考臂中的类似设计的耦合器。在一个实施例中，样品臂连接至采集横穿样品306的接收光的聚焦光学器件305。在一个实施例中，由样品306散射的辐射再次由聚焦光学器件305收集并且发送回耦合器303。在另一个实例中，通过与聚焦光学器件305不同的一组光学元件来采集样品306散射的光。应当理解的是，也可以将从样品306采集的光返回给与耦合器303不同的耦合器，以便和分光到参考臂的光进行重组。
[0090] 在一个实施例中，传输到参考臂的光到达其后有反射元件307的可变延迟系统112。反射元件307可以是波导端的抛光面或切割面。反射元件307可以通过可变延迟系统
112将光发送回耦合器303。在另一个实例中，反射元件307将光重定向到引导光反射回耦合器303的另一个波导或另一个耦合器，以便和来自样品臂的光重组。在一个实施例中，耦合器303将从两个臂返回的光组合，并将重组的光的至少一部分发送给探测器302。例如，探测器302可以是光电二极管或光电二极管阵列、CCD设备、CMOS有源像素传感器等。探测器302可以被操作用于将重组光的光学干涉图样转换成电输出。然后，可以在计算设备
304接收点输出用于进一步的信号处理。
112将光发送回耦合器303。在另一个实例中，反射元件307将光重定向到引导光反射回耦合器303的另一个波导或另一个耦合器，以便和来自样品臂的光重组。在一个实施例中，耦合器303将从两个臂返回的光组合，并将重组的光的至少一部分发送给探测器302。例如，探测器302可以是光电二极管或光电二极管阵列、CCD设备、CMOS有源像素传感器等。探测器302可以被操作用于将重组光的光学干涉图样转换成电输出。然后，可以在计算设备
304接收点输出用于进一步的信号处理。
[0091] 图17示出了根据一个实施例的包含可变延迟系统112的OCT系统的另一种实例配置。描述的OCT系统与图16示出的系统相似，区别在于可变延迟单元2位于样品臂，而光调制单元5位于参考臂。同样地，根据一个实施例，指向样品臂的光在到达聚焦光学器件305之前首次通过可变延迟单元2。指向参考臂的光在到达反射元件307之前首次穿过光调制元件5。
[0092] 图18示出了根据一个实施例的在射线束中引入可变延迟，同时减少双折射效应的实例方法1800。可以通过OCT系统100的各种部件来执行方法1800，OCT系统可以包括如前述各图中示出的可变延迟单元2和光补偿单元5。
[0093] 在块1802，在可变延迟单元处接收射线束。射线束可以被引导至波导内的可变延迟单元，例如，基片上的脊型波导。
[0094] 在块1804，调制了可变延迟单元内的区域的折射率。可以通过热光或电光技术来调制折射率。可以有诸如加热器或电极布置之类的调制元件，为区域内的折射率提供调制。可以在区域内调制波导材料的折射率或布置在波导上或附近的材料的折射率。
[0095] 在块1806，射线束至少穿越该区域两次。该射线束的穿越为该束引入了双折射。为了在该区域多次传输射线束，由波导的内在弯曲导致了双折射。
[0096] 在块1808，在调制单元处接收射线束。在一个实例中，引导射线束通过可变延迟单元的相同的波导用于引导该射线束到达调制单元。
[0097] 在块1810，在第一臂和第二臂之间将射线束分光。可以通过分光器来实现分光，分光器是诸如是马赫曾德干涉仪之类的干涉仪单元的一部分。
[0098] 在块1812，生成射线束的第一偏振模式和第二偏振模式。射线束在其中被分光的每个臂可以包括当重组光时影响光的偏振态的调制段。在一个实例中，调制段是变化宽度的波导段。当光被重组时，创建了两束光，其中，一束具有第一偏振模式，另一束具有第二偏振模式。参照图10-图13更具体地描述了偏振分光器的设计和操作。
[0099] 在块1814，分别对射线束的第一偏振模式和第二偏振模式施加第一调制和第二调制。例如，可以对每个偏振束施加相位或频率调制。可选地或另外地，可以对偏振束中一个或两个添加延迟。可以对相位和/或频率执行各种调制来补偿引入到射线束的双折射。在一个实施例中，对偏振束的群组延迟进行调制，从而在空间上分离对应的干扰信号，以便随后沿诸如OCT系统之类的成像系统的扫描周期上对两个偏振执行轴向扫描。也可以对一个偏振束使用其他信号调制技术，用于执行任意偏振相关调制。
[0100] 应当理解的是，具体实施例部分，而不是发明内容和摘要部分，意在用来解释权利要求。发明内容和摘要部分可以阐明一个或多个实施例，但并不能阐明所有发明人设想的本发明实施例，因此，不能以任何方式来显示本发明和所附的权利要求。
[0101] 上面已经通过说明其特殊功能和关系的实施方法的功能组成块来描述本发明实施例。为了方便描述，此处已经反复定义这些功能组成块的界限。只要指定功能及其关系能够被适当地执行，可以定义替代的边界。
[0102] 特定实施例的上述描述充分揭示了本发明的一般性，通过应用本领域的知识，在不脱离本发明的本质的情况下，无需过度解释，其他人能够容易地将这些特定实施例修改和/或适应于各种应用。因此，基于此处的教导和引导，这种适应和修改旨在在公开的实施例的等价物的意义和范围之内。应当理解的是，此处措词或术语是为了描述而不是用于限制目的，使得本说明书的术语或措词应当由技术人员根据教导和指导来解释。
[0103] 本发明的广度和范围不应受到任何上述示例性实施例的限制，而是应当仅根据下面的权利要求及其等同物限定。
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