用于光学相干断层扫描的集成延迟线

摘要

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。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及高分辨率光学相干断层扫描中的可变延迟线 的使用。

背景技术

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。

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。

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。

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^-4K^-1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。

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）。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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

在此引入并构成说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，与 说明书相结合，进一步用来解释本发明的原理，使本领域技术人员能 够实施和使用本发明。

图1示出了根据实施例的一种OTC系统的框图。

图2示出了根据实施例的一种可变延迟单元的俯视图。

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。

图4示出了根据另一个实施例的可变延迟单元的俯视图。

图5示出了根据另一个实施例的可变延迟单元的俯视图。

图6示出了双折射对于探测器接收的样品信号的影响。

图7示出了根据实施例的一种光调制单元的实例。

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。

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。

图10示出了根据实施例的偏振分光器的设计实例。

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。

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。

图13示出了两种偏振模式对比波导宽度的仿真误差。

图14示出了根据实施例的一种可变延迟系统的实例。

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。

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。

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。

图18描述了根据实施例的一种方法。

将根据附图描述本发明实施例。

具体实施方式

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

$\left(\begin{array}{cccc}{n}_{1E}& n_{3E}& {-n}_{2E}& {-n}_{4E}\\ n_{1M}& n_{3M}& {-n}_{2M}& {-n}_{4M}\\ 1& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 1\end{array}\right)\times \left(\begin{array}{c}{l}_1\\ l_2\\ l_3\\ l_4\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{\mathrm{N\lambda }}{2}\\ \frac{\mathrm{M\lambda }}{2}\\ L_0\\ L_0\end{array}\right)---\left(1\right)$

在该关系中，n_iE是在段i中的TE偏振的有效折射率，n_iM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。

通过l_i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。

可以通过使用具有下面等式（2）中定义的矩阵的矩阵算法来简 化计算各种参数。

$A=\left(\begin{array}{cccc}{n}_{1E}& n_{2E}& {-n}_{3E}& {-n}_{4E}\\ n_{1M}& n_{2M}& {-n}_{3M}& {-n}_{4M}\\ 1& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 1\end{array}\right);L=\left(\begin{array}{c}{l}_1\\ l_2\\ l_3\\ l_4\end{array}\right);X=\left(\begin{array}{c}\mathrm{N\lambda }/2\\ \mathrm{N\lambda }/2\\ L_0\\ L_0\end{array}\right)---\left(2\right)$

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。

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，可能需要高达10^-6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。

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于10^-6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。

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。

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。

$\mathrm{\Delta A}-\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{\Delta n}}_{1E}& \Delta n_{3E}& {-\mathrm{\Delta n}}_{2E}& {-\mathrm{\Delta n}}_{4E}\\ \Delta n_{1M}& \Delta n_{3M}& {-\mathrm{\Delta n}}_{2M}& {-\mathrm{\Delta n}}_{4M}\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)---\left(4\right)$

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。

ΔX＝ΔA·(A^-1·X)   (5)

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。