DISPOSITIVO DE RETARDO ÓPTICO VARIABLE PARA INTERFEROMETRÍA DE BAJA COHERENCIA.

Dispositivo de retardo óptico variable para interferometría de baja coherencia,

que se comunica mediante ondas electromagnéticas con un sistema de interferometría de baja coherencia, que comprende al menos un elemento de retardo variable (2) que comprende un segmento de guía de onda (1) que realiza una pluralidad de recorridos a lo largo de al menos una zona de índice de refracción controlable (3); y unos medios variadores (5) que varían el fasor de las ondas electromagnéticas, procedentes de la comunicación con el sistema de interferometría de baja coherencia y conducidas por la guía de onda (1) comprendida en cada elemento de retardo variable (2), de forma independiente para cada modo de polarización.

Dispositivo de retardo óptico variable para interferometría de baja coherencia.

Campo de la invención La presente invención se engloba dentro del campo de la interferometría de baja coherencia. La exposición se centra en una de sus aplicaciones más conocidas, la tomografía de coherencia óptica, capaz de generar imágenes (2D) y representaciones volumétricas (3D) de la histología de un tejido objeto de estudio. Concretamente la invención trata de un dispositivo de retardo óptico variable integrado utilizable en sistemas de tomografía de coherencia óptica en el dominio del tiempo (TD-OCT, Time Domain-Optical Coherence Tomography) .

Antecedentes de la invención La tomografía de coherencia óptica (OCT, por sus siglas en inglés Optical Coherence Tomography) es una técnica de generación de imágenes médicas capaz de proporcionar información axial de alta resolución utilizando una fuente de luz de banda ancha y un sistema de detección interferométrico. Ha encontrado un amplio rango de usos, desde oftalmología y cardiología hasta ginecología o el estudio de material biológico con alta resolución.

Uno de los elementos necesarios para un sistema de OCT en el dominio del tiempo (TD-OCT) es la línea de retardo variable, que hace posible el barrido en profundidad de la muestra.

Existen en la literatura de patentes ejemplos de invenciones que tratan acerca de cómo construir líneas de retardo que proporcionen un rango de variación del retardo suficiente para su uso en OCT y una alta velocidad de barrido. Por ejemplo la solicitud de patente EP 0831312 describe un dispositivo basado en fibra óptica y un piezoeléctrico para su uso como línea de retardo variable en OCT.

No obstante, las implementaciones de líneas de retardo variable basadas en elementos mecánicos ven limitada su máxima velocidad de operación por el hecho de tener partes móviles y por la inercia de las mismas. Recientemente se ha descrito (“Thermo-optical delay line for optical coherence tomography” E. Margallo-Balbás, G. Pandraud, and P.J. French, Proc. SPIE 6717, 671704 (2007) , “Miniature 10 kHz thermo-optic delay line in silicon” E. Margallo-Balbás, M. Geljon, Grégor y Pandraud, and P. J. French, Opt. Lett. 35 (23) . pp. 4027-4029 (2010) y otros artículos de los mismos autores) una implementación de este elemento mediante óptica integrada aprovechando el efecto termo-óptico del silicio, lo que abre la puerta al desarrollo de sistemas TD-OCT totalmente integrados.

El efecto termo-óptico consiste en la variación de los índices de refracción de fase y grupo de un material con su temperatura. La relación entre la variación de temperatura y la del índice de refracción se conoce como coeficiente termo-óptico. Por ejemplo, el del silicio para 1.3μm a temperatura ambiente es 2.4 10-4 K-1. Esto quiere decir que para conseguir una variación en el camino óptico de 1mm es necesario elevar la temperatura de un segmento de guía de onda de 1 cm en torno a 417K.

Sin embargo, para una tecnología de fabricación dada, existe un compromiso entre la longitud de la guía de onda sujeta a acción térmica, la potencia aplicada, el retardo máximo (que determina la profundidad máxima de barrido) y la frecuencia máxima de los ciclos térmicos (que determina la velocidad del barrido) . Este compromiso implica una elección en el diseño térmico que queda fijada una vez elegido un proceso de producción.

Además del efecto termo-óptico, existen otros efectos que afectan al índice de refracción del material y que son comúnmente utilizados en óptica integrada para la producción de elementos activos, como el efecto electroóptico o los efectos de inyección de carga. Dichos efectos presentan problemas análogos respecto a los medios para efectuar la modificación del índice de refracción en el área recorrida por las guías.

En la solicitud de patente US 20090022443 se describe una forma de aliviar el compromiso mencionado anteriormente, la cual consiste en hacer que un segmento de guía de onda pase varias veces por una zona cuyo índice de refracción es controlable mediante la variación de su temperatura.

En la descripción de dicha solicitud de patente (US 20090022443) se hace énfasis en la importancia del diseño de las curvas del segmento de guía de onda, necesarias para que dicho segmento pase varias veces por la zona de índice de refracción controlable, mencionando el posible problema de las pérdidas por propagación dependientes del radio de curvatura de la guía. Sin embargo no se mencionan otros problemas asociados a la curvatura de las guías de onda, especialmente en sus implementaciones mediante óptica planar, como es la aparición de birrefringencia, es decir velocidad de propagación distinta para cada polarización de la onda luminosa, que se han descrito en la literatura para este tipo de estructuras (A. Melloni et al., “Determination of Bend Mode Characteristics in Dielectric Waveguides”, J. Lightwave Technol., vol. 19 (4) , pp. 571-577, 2001) .

Existen otras aplicaciones del efecto termo-óptico en dispositivos de óptica integrada. Por ejemplo en la solicitud de patente US 20050084195 se describe un dispositivo para aprovechar el efecto termo-óptico, entre otros, para controlar la guía de onda de un cristal fotónico, mediante dos contactos eléctricos próximos a dicha guía de onda.

Otro ejemplo es la solicitud de patente JP 2009162933, que describe un dispositivo óptico para su empleo, por ejemplo, en interferómetros Mach-Zender que hace uso del efecto termo-óptico para introducir desplazamientos de fase, y que tiene como principal característica la forma de colocar los contactos eléctricos respecto a la guía de onda para evitar problemas debidos a la birrefringencia que podría aparecer con otros esquemas de cableado de los contactos eléctricos.

También existen ejemplos de artículos (“Step-type optical delay line using silica-based planar light-wave circuit (PLC) technology”, I. Kobayashi and K. Koruda, IEEE Instrumentation and Measurement, 1998 y “Widebandwidth continuously tunable optical delay line using silicon microring resonators”, J. Cardenas et al., Opt. Express 18, 26525-26534, 2010) en los que el efecto termo-óptico es utilizado para crear líneas de retardo basadas en óptica integrada. En ambos casos sin embargo, al ser el campo de aplicación diferente y por tanto los criterios de diseño también, el rango espectral libre (Free Spectral Range o FSR) es varios órdenes de magnitud inferior al requerido en OCT. En el primer artículo, de I. Kobayashi y K. Koruda, existe un compromiso entre el FSR y el retardo máximo, de forma que para retardos de alrededor de 2mm como los necesarios para OCT el dispositivo presenta un FSR de aproximadamente 150GHz. En el segundo artículo, de J. Cardenas et al., el FSR es de 10GHz. Ambos están como hemos mencionado varios órdenes de magnitud por debajo de las decenas de THz necesarias para OCT (por

ejemplo para A= 1300nmy una fuente de luz con lA= 60nm de ancho de banda, el FSR necesario es de c ·lA A2= 10.6THz) .

Es claro por tanto el interés existente en dispositivos de retardo variable que aprovechen efectos como el termo-óptico, u otros efectos utilizados en óptica integrada para modificar el índice de refracción como son el eléctrico-óptico o el de inyección de carga. Cómo se ha mencionado anteriormente, en el diseño de este tipo de dispositivos existe un compromiso entre la longitud de la guía de onda sujeta a acción térmica (en el caso de utilizar el efecto termo-óptico) , la potencia aplicada, el retardo máximo (que determina la profundidad máxima de barrido cuando se utiliza este dispositivo en un sistema OCT) y la frecuencia máxima de los ciclos térmicos (que determina la velocidad del barrido) .

Sin embargo no existe en la literatura ningún dispositivo que permita aliviar este compromiso mediante la reutilización de una zona de índice de refracción controlable, y que al mismo tiempo dé solución al problema de la birrefringencia inherente a las curvas que necesariamente ha de seguir la guía de onda para llevar a cabo dicha reutilización. El problema de la birrefringencia puede no ser crítico en otras aplicaciones, pero en sistemas interferométricos como es el caso de OCT si es crítico ya que induce imágenes dobles o pérdida de resolución en las imágenes adquiridas.

Descripción de la invención Esta invención presenta una solución que supera la limitación anteriormente descrita, de forma que en aplicaciones en las que existan restricciones a la potencia máxima aplicable o al tamaño máximo del dispositivo, puede lograrse una mayor profundidad de barrido, una mayor velocidad de...

1. Dispositivo de retardo óptico variable para interferometría de baja coherencia, que se comunica mediante ondas electromagnéticas con un sistema de interferometría de baja coherencia, caracterizado por que comprende:

• al menos un elemento de retardo variable (2) que comprende un segmento de guía de onda (1) que realiza una pluralidad de recorridos a lo largo de al menos una zona de índice de refracción controlable (3) ;

• unos medios variadores (5) que varían el fasor de las ondas electromagnéticas, procedentes de la comunicación con el sistema de interferometría de baja coherencia y conducidas por la guía de onda (1) comprendida en cada elemento de retardo variable (2) , de forma independiente para cada modo de polarización.

2. Dispositivo de retardo óptico variable para interferometría de baja coherencia, según la reivindicación 1, caracterizado por que la zona de índice de refracción controlable (3) es una zona de temperatura controlable por medio de al menos un elemento calefactor (4) y está realizada en un material termo-óptico.

3. Dispositivo de retardo óptico variable para interferometría de baja coherencia, según la reivindicación 1, caracterizado por que la zona de índice de refracción controlable (3) es una zona de campo eléctrico controlable mediante electrodos y está realizada en un material electro-óptico.

4. Dispositivo de retardo óptico variable para interferometría de baja coherencia, según la reivindicación 1, caracterizado por que la zona de índice de refracción controlable (3) es una zona de concentración de portadores de carga controlable mediante electrodos y está realizada en un material cuyo índice de refracción depende de la concentración de portadores de carga.

5. Dispositivo de retardo óptico variable para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios variadores (5) comprenden unos medios de separación de las polarizaciones (6) que separan los dos modos de polarización de la onda electromagnética conducida por la guía de onda (1) de cada elemento de retardo variable (2) .

6. Dispositivo de retardo óptico variable para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios variadores (5) comprenden unos medios moduladores

(7) que aplican una modulación a la onda electromagnética que circula por ellos.

7. Dispositivo de retardo óptico variable para interferometría de baja coherencia, según la reivindicación 6, caracterizado por que los medios moduladores (7) aplican una modulación seleccionada entre:

• modulación en fase;

• modulación en amplitud.

8. Dispositivo de retardo óptico variable para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios variadores (5) comprenden unos medios de multiplexado temporal (9) que multiplexan en el tiempo los modos de polarización de la onda electromagnética conducida por la guía de onda (1) de cada elemento de retardo variable (2) mediante la supresión sustantiva de cada modo de polarización alternativamente.

9. Dispositivo de retardo óptico variable para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios variadores (5) comprenden elementos de retardo de grupo (8) constantes y distintos para cada modo de polarización de la onda electromagnética conducida por la guía de onda (1) de cada elemento de retardo variable (2) .

10. Dispositivo de retardo óptico variable para interferometría de baja coherencia, según la reivindicación 9, caracterizado por que los elementos de retardo de grupo (8) están configurados para introducir retardos que reduzcan sustancialmente la diferencia de retardo resultante entre las dos polarizaciones.

11. Dispositivo de retardo óptico variable para interferometría de baja coherencia, según la reivindicación 9, caracterizado por que los elementos de retardo de grupo (8) introducen una diferencia de retardo entre polarizaciones mayor que el retardo correspondiente al rango de barrido en profundidad del sistema de interferometría de baja coherencia del que forma parte.

12. Dispositivo de retardo óptico variable para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios variadores (5) comprenden unos medios para absorber la energía óptica (10) que suprimen sustancialmente un modo de polarización de la onda electromagnética conducida por la guía de onda (1) de cada elemento de retardo variable (2) .

13. Dispositivo de retardo óptico variable para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios variadores (5) están separados del elemento de retardo variable (2) .

14. Sistema de tomografía de coherencia óptica con retardo óptico variable, caracterizado por que comprende un dispositivo de retardo óptico variable para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y además comprende:

• una fuente de luz de baja coherencia (101) ;

• un acoplador direccional (103) que divide la luz procedente de la fuente de luz de baja coherencia (101) dirigiéndola al brazo de referencia y al brazo de muestreo y que obtiene la interferencia óptica mediante la luz que retorna por los dos brazos tras ser dispersada por la muestra;

• una óptica de enfoque (105) situada en el brazo de muestreo que barre lateralmente la muestra y que recoge la luz dispersada por la muestra enviándola al acoplador direccional (103) ;

• un elemento reflector (107) que envía la luz a través del dispositivo de retardo variable hacia el acoplador direccional (103) ;

• el detector (102) que recibe la interferencia óptica del acoplador direccional (103) y la transforma en una señal eléctrica;

• un sistema de procesado de señal y visualización (104) que recibe la señal eléctrica del detector (102) configurado para procesar y mostrar dicha señal eléctrica.

15. Sistema de tomografía de coherencia óptica con retardo óptico variable, caracterizado por que comprende un dispositivo de retardo óptico variable para interferometría de baja coherencia, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, y además comprende:

• una fuente de luz de baja coherencia (101) ;

• un acoplador direccional (103) que divide la luz procedente de la fuente de luz de baja coherencia (101) dirigiéndola al brazo de referencia y al brazo de muestreo y que obtiene la interferencia óptica mediante la luz que retorna por los dos brazos tras ser dispersada por la muestra;

• una óptica de enfoque (105) situada en el brazo de muestreo que barre lateralmente la muestra y que recoge la luz dispersada por la muestra enviándola a través del elemento de retardo variable (2) hacia el acoplador direccional (103) ;

• un elemento reflector (107) que envía la luz a través de los medios variadores (5) hacia el acoplador direccional (103) ;

• el detector (102) que recibe la interferencia óptica del acoplador direccional (103) y la transforma en una señal eléctrica;

• un sistema de procesado de señal y visualización (104) que recibe la señal eléctrica del detector (102) configurado para procesar y mostrar dicha señal eléctrica.