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基于毫米级芯片的超连续谱产生

更新时间:2021-09-27 23:30:19

在光学中,当一组非线性过程共同作用于泵浦光束时,原始泵浦光束的光谱展宽产生超连续谱。用于光学相干层析成像的超连续谱源因其具有高分辨率和高功率成像灵敏度的宽带特性而备受关注。对于商用光纤超连续谱系统,研究人员使用高泵浦功率产生宽带,并使用定制光学滤波器调制光谱。在目前发表在《科学进展》上的一份新报告中,Ji Xingchen和美国纽约哥伦比亚大学的电气工程、生物医学工程和应用物理研究团队介绍了一种基于1 mm2氮化硅光子芯片的光学相干层析成像(OCT)超连续谱平台。研究人员直接泵浦并有效地在1300 nm附近产生了超连续谱,并使用该装置对生物组织成像,展示了该装置强大的成像性能。新芯片将在光学成像研究中促进便携式OCT和集成光子学。

医学成像系统

光学相干层析成像(OCT)是一种无标签、高分辨率的三维光学成像方式。OCT成像平台是一个医疗标准,包括眼科学、皮肤病学、胃肠病学和乳腺癌成像。虽然用于OCT的超连续光源提供了较宽的带宽,但它们需要非常高的电源才能实现较宽的带宽和相对于所需灵敏度范围的强大性能。商用超连续谱源的体积也很大,已经证明超连续谱产生的效率很低。为了克服这些限制,Ji等人开发了一种用于紧凑型氮化硅(Si3N4)光子芯片OCT成像的超连续光源。氮化硅具有高折射率、高非线性参数、宽透明窗口以及与大规模半导体制造的兼容性。由于氮化硅中的高光学约束和固有非线性,波导的非线性参数大约是商用超连续谱系统中使用的高非线性光纤的100倍。工作中开发的波导管占据了1 mm2的面积。考虑到成像的输出光谱特性,该团队不需要额外的光学滤波来形成光谱。

氮化硅芯片集成光学系统

该研究团队将氮化硅芯片集成到一个以1300 nm为中心的光纤耦合光谱域OCT系统中。Ji等人通过环行器将氮化硅芯片的输出光直接发送到OCT干涉仪,并测量氮化硅OCT系统的性能,以记录300µW功率下105 dB的灵敏度。相比之下,商用超连续谱在4MW功率下显示为95dB。在装置中测得的灵敏度接近理论散粒噪声限制预测值。使用氮化硅芯片OCT系统,Ji等人解析了健康人乳腺组织的各种显微生物组织。为了实现这一目标,研究小组从哥伦比亚大学欧文医学中心接受乳房切除术的患者身上获取了组织样本。他们将标本固定在福尔马林中,并在手术切除24小时后对其进行离体成像。健康乳腺组织的三维容积扫描显示了重要的微观结构特征,包括乳管、小叶、脂肪和结缔组织。研究人员通过背景减法和数字色散补偿处理原始数据中的OCT图像。

超连续谱产生材料

科学家可以利用不同材料平台的集成波导产生超连续光谱。氮化硅具有互补金属氧化物半导体工艺兼容的优点,可用于低成本的大规模制造。该材料结合了超低损耗、波导和包层折射率之间的高折射率对比度以及宽透明窗口的优点,可覆盖各种应用的OCT成像波长窗口。所有这些特性使氮化硅成为OCT成像应用的良好候选材料。Ji等人还通过实验展示了集成氮化硅光子学器件如何为OCT成像形成了一个有前途的平台,并预测了用于生物医学成像的集成附加光子平台的发展。

见解

通过这种方式,Ji Xingchen和他的同事开发了一种用于光学相干层析成像(OCT)的超连续光源,该光源采用直接在1300 nm处泵浦的紧凑型氮化硅光子芯片,无需任何光学滤波来形成光谱。该平台在样品上实现了低光功率下的高灵敏度。相比之下,使用最先进的商用超连续光源,研究人员通常需要100倍以上的光功率才能获得相对类似的灵敏度。本研究中使用的1300 nm中心波长非常适合需要更深穿透深度的组织样本成像应用,包括人类乳腺组织、心血管组织和皮肤病研究。该团队利用集成光子学调整色散工程,以产生1µm或800 nm尺度的其他光谱范围。他们利用片外飞秒泵浦激光器对本研究中开发的微型超连续光源进行了功能化,同时也在致力于锁模激光器的小型化。利用硅光子学将OCT的各种构件小型化和封装,以及成像探针的开发,可以促进实现高性能、低成本和完全小型化的OCT系统。

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