Chipbaseret superkontinuum-generation i millimeterskala

I optik, når en samling af ikke-lineære processer virker sammen på en pumpestråle, den resulterende spektrale udvidelse af den oprindelige pumpestråle giver anledning til et superkontinuum. Supercontinuum-kilder til optisk kohærenstomografi er af stor interesse, da de giver en bred båndbredde til høj opløsning og høj-effekt billedfølsomhed. For kommercielle fiberbaserede supercontinuum-systemer, forskere bruger høje pumpekræfter til at generere en bred båndbredde og tilpassede optiske filtre til at modulere spektrene. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskab fremskridt , Xingchen Ji og et forskerhold i elektroteknik, biomedicinsk teknik og anvendt fysik ved Columbia University, New York, OS., introducerede en supercontinuum platform baseret på en 1 mm ² siliciumnitrid fotonisk chip til optisk kohærenstomografi (OCT). Forskerne pumpede direkte og genererede effektivt et superkontinuum nær 1300 nm og brugte opsætningen til at afbilde biologiske væv og vise enhedens stærke billeddannelsesydelse. Den nye chip vil lette bærbare OLT'er og integreret fotonik under optiske billeddannelsesstudier.

Medicinske billeddannelsessystemer

Optisk kohærens tomografi (OCT) er en etiketfri, tredimensionel optisk billeddannelsesmodalitet med høj opløsning. OCT-billeddannelsesplatformen er en standard for pleje inden for medicin, herunder oftalmologi, dermatologi, gastroenterologi og billeddiagnostik af brystkræft. Mens supercontinuum lyskilder til OCT tilbyder en bred båndbredde, de kræver en meget høj strømkilde for at opnå en bred båndbredde og stærk ydeevne i forhold til det påkrævede følsomhedsområde. Kommercielle superkontinuumkilder er også voluminøse i størrelse og har vist lav effektivitet af superkontinuumgenerering. For at overvinde disse grænser, Ji et al. udviklet en supercontinuum lyskilde til OCT-billeddannelse i et kompakt siliciumnitrid (Si ₃ N ₄ ) fotonisk chip. Siliciumnitrid har et højt brydningsindeks, en høj ikke-lineær parameter, et bredt gennemsigtighedsvindue og kompatibilitet med halvlederfremstilling i stor skala. Som et resultat af høj optisk indeslutning og iboende ikke-linearitet i siliciumnitrid, bølgelederen viste en ikke-linearitetsparameter, der var ca. 100 gange større end den for meget ikke-lineære fibre, der anvendes i kommercielle superkontinuumsystemer. Bølgelederne udviklet i arbejdet optog et område på 1 mm ² . På grund af de udgangsspektrale karakteristika til billeddannelse, holdet krævede ikke yderligere optisk filtrering for at forme spektret.

Forskerholdet integrerede siliciumnitrid-chippen i et fiberkoblet spektraldomæne-OCT-system centreret ved 1300 nm. Ji et al. sendte udgangslyset fra siliciumnitridchippen direkte til OCT-interferometeret gennem en cirkulator og målte ydelsen af ​​siliciumnitrid-OCT-systemet for at registrere en følsomhed på 105 dB ved 300 µW effekt. Forholdsvis, et kommercielt superkontinuum viste 95 dB med 4 mW effekt. Følsomheden målt i opsætningen var tæt på den teoretiske støjbegrænsede forudsigelse. Ved at bruge siliciumnitrid-chip-OCT-systemet, Ji et al. løst forskellige mikroskopiske biologiske væv af sundt menneskeligt brystvæv. For at opnå dette, holdet modtog vævsprøver fra patienter, der gennemgår mastektomiprocedurer på Columbia University Irving Medical Center. De fikserede prøven i formalin og afbildede dem ex vivo, 24 timer efter kirurgisk excision. Den resulterende volumetriske tredimensionelle (3D) scanning af sundt brystvæv viste vigtige mikroskopiske strukturelle træk, herunder mælkekanaler, lobuler, fedt og bindevæv. Forskerne behandlede OCT-billederne fra de rå data ved at udføre baggrundssubtraktion og digital spredningskompensation.

Materialer til superkontinuumgenerering

Forskere kan generere superkontinuumspektre ved hjælp af integrerede bølgeledere af forskellige materialeplatforme. Siliciumnitrid har den fordel, at det er komplementært metal-oxid-halvleder-proces-kompatibelt, til storstilet fremstilling til lave omkostninger. Materialet kombinerede fordelene ved ultralavt tab, en højindekskontrast mellem bølgeleder og beklædningsindeks, sammen med et bredt gennemsigtighedsvindue til at dække bølgelængdevinduerne for OCT-billeddannelse til forskellige applikationer. Alle disse egenskaber gjorde siliciumnitrid til en god kandidat til OCT-billeddannelsesapplikationer. Ji et al. viste også eksperimentelt, hvordan den integrerede siliciumnitrid fotonikenhed dannede en lovende platform for OCT-billeddannelse og foregriber udviklingen af ​​integrerede yderligere fotoniske platforme til biomedicinsk billeddannelse.

Outlook

På denne måde, Xingchen Ji og kolleger udviklede en superkontinuum lyskilde til optisk kohærens tomografi (OCT) billeddannelse i en kompakt siliciumnitrid fotonisk chip direkte pumpet ved 1300 nm, uden nogen optisk filtrering til at forme spektret. Platformen opnåede en høj følsomhed ved lav optisk effekt på prøven. I modsætning, med en avanceret kommerciel superkontinuumkilde, forskere kræver typisk 100 gange mere optisk kraft for at opnå forholdsvis ens følsomhed. Den centrale bølgelængde på 1300 nm, der bruges i denne undersøgelse, er velegnet til billeddannelsesanvendelser af vævsprøver, der krævede dybere penetrationsdybder, herunder humant brystvæv, kardiovaskulært væv og i dermatologisk forskning. Holdet justerede dispersionsteknik med integreret fotonik for at generere andre spektralområder på skalaen 1 µm eller 800 nm. De funktionaliserede den miniature supercontinuum lyskilde udviklet i dette arbejde med en off-chip femtosecond pump laser, mens der også arbejdes på at miniaturisere mode-locked lasere. Den kombinerede indsats med at miniaturisere og pakke forskellige byggesten i OCT ved hjælp af siliciumfotonik sammen med udviklingen af ​​billeddannelsesprober kan lette realiseringen af ​​en højtydende, lavpris og fuldt miniaturiseret OCT-system.

© 2021 Science X Network