Inom optik, när en samling olinjära processer verkar tillsammans på en pumpstråle, den resulterande spektrala breddningen av den ursprungliga pumpstrålen ger upphov till ett superkontinuum. Supercontinuum-källor för optisk koherenstomografi är av stort intresse eftersom de ger en bred bandbredd för hög upplösning och högeffektsavbildningskänslighet. För kommersiella fiberbaserade superkontinuumsystem, forskare använder hög pumpkraft för att generera en bred bandbredd och anpassade optiska filter för att modulera spektra. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapliga framsteg , Xingchen Ji och ett forskarteam inom elektroteknik, biomedicinsk teknik och tillämpad fysik vid Columbia University, New York, U.S., introducerade en supercontinuum-plattform baserad på en 1 mm ² fotoniskt chip av kiselnitrid för optisk koherenstomografi (OCT). Forskarna pumpade direkt och genererade effektivt ett superkontinuum nära 1300 nm och använde inställningen för att avbilda biologiska vävnader och visa enhetens starka bildprestanda. Det nya chippet kommer att underlätta bärbara ULT och integrerad fotonik under optiska avbildningsstudier.

Medicinska bildbehandlingssystem

Optisk koherenstomografi (OCT) är en etikettfri, tredimensionell optisk avbildningsmodalitet med hög upplösning. OCT-bildplattformen är en standard för vård inom medicin, inklusive oftalmologi, dermatologi, gastroenterologi och bildbehandling av bröstcancer. Medan supercontinuum ljuskällor för OLT erbjuder en bred bandbredd, de kräver en mycket hög strömkälla för att uppnå en bred bandbredd och stark prestanda i förhållande till det erforderliga känslighetsområdet. Kommersiella superkontinuumkällor är också skrymmande i storlek och har visat låg effektivitet vid generering av superkontinuum. För att övervinna dessa gränser, Ji et al. utvecklat en supercontinuum ljuskälla för OCT-avbildning i en kompakt kiselnitrid (Si ₃ N ₄ ) fotoniskt chip. Kiselnitrid har ett högt brytningsindex, en hög icke-linjär parameter, ett brett insynsfönster och kompatibilitet med storskalig halvledartillverkning. Som ett resultat av hög optisk inneslutning och inneboende olinjäritet i kiselnitrid, vågledaren visade en olinjäritetsparameter som var ungefär 100 gånger större än den för mycket olinjära fibrer som används i kommersiella superkontinuumsystem. Vågledarna som utvecklades i arbetet upptog en yta på 1 mm ² . På grund av de utgående spektrala egenskaperna för avbildning, laget behövde inte ytterligare optisk filtrering för att forma spektrumet.

Forskargruppen integrerade kiselnitridchipset i ett fiberkopplat spektraldomän-OCT-system centrerat på 1300 nm. Ji et al. skickade utmatningsljuset från kiselnitridchipset direkt till OCT-interferometern genom en cirkulator och mätte prestanda för kiselnitrid-OCT-systemet för att registrera en känslighet på 105 dB vid 300 µW effekt. Jämförelsevis, ett kommersiellt superkontinuum visade 95 dB med 4 mW effekt. Känsligheten som mättes i uppställningen var nära den teoretiska skottbrusbegränsade förutsägelsen. Genom att använda kiselnitridchip-OCT-systemet, Ji et al. löst olika mikroskopiska biologiska vävnader av frisk mänsklig bröstvävnad. För att åstadkomma detta, laget fick vävnadsprover från patienter som genomgick mastektomiprocedurer vid Columbia University Irving Medical Center. De fixerade provet i formalin och avbildade dem ex vivo, 24 timmar efter kirurgisk excision. Den resulterande volymetriska tredimensionella (3D) skanningen av frisk bröstvävnad visade viktiga mikroskopiska strukturella egenskaper, inklusive mjölkkanaler, lobuler, fett och bindväv. Forskarna bearbetade OCT-bilderna från rådata genom att utföra bakgrundssubtraktion och digital dispersionskompensation.

Material för superkontinuumgenerering

Forskare kan generera superkontinuumspektra med hjälp av integrerade vågledare av olika materialplattformar. Kiselnitrid har fördelen av att vara komplementär metall-oxid-halvledarprocesskompatibel, för storskalig tillverkning till låg kostnad. Materialet kombinerade fördelarna med ultralåg förlust, en högindexkontrast mellan vågledaren och beklädnadsindex, tillsammans med ett brett transparensfönster för att täcka våglängdsfönstren för OCT-avbildning för olika applikationer. Alla dessa egenskaper gjorde kiselnitrid till en bra kandidat för OCT-avbildningstillämpningar. Ji et al. visade också experimentellt hur den integrerade fotonikenheten av kiselnitrid bildade en lovande plattform för OCT-avbildning och förutse utvecklingen av integrerade ytterligare fotoniska plattformar för biomedicinsk avbildning.

Syn

På det här sättet, Xingchen Ji och kollegor utvecklade en supercontinuum ljuskälla för optisk koherenstomografi (OCT) avbildning i ett kompakt kiselnitrid fotoniskt chip direkt pumpat vid 1300 nm, utan någon optisk filtrering för att forma spektrumet. Plattformen uppnådde en hög känslighet vid låg optisk effekt på provet. I kontrast, med en toppmodern kommersiell superkontinuumkälla, forskare kräver vanligtvis 100 gånger mer optisk kraft för att uppnå jämförelsevis liknande känslighet. Den centrala våglängden på 1300 nm som används i denna studie är väl lämpad för avbildningstillämpningar av vävnadsprover som krävde djupare penetrationsdjup inklusive mänsklig bröstvävnad, kardiovaskulär vävnad och inom dermatologisk forskning. Teamet justerade dispersionsteknik med integrerad fotonik för att generera andra spektralområden på skalorna 1 µm eller 800 nm. De funktionaliserade den miniatyr supercontinuum ljuskälla som utvecklats i detta arbete med en off-chip femtosekund pumplaser, samtidigt som ansträngningar pågår för att miniatyrisera lägeslåsta lasrar. De kombinerade ansträngningarna att miniatyrisera och paketera olika byggstenar i OLT med hjälp av kiselfotonik tillsammans med utvecklingen av bildsonder kan underlätta förverkligandet av en högpresterande, låg kostnad och helt miniatyriserat OCT-system.

© 2021 Science X Network