Schema di un sistema SD OCT accoppiato in fibra con una sorgente supercontinua generata dalla guida d'onda Si3N4. Progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abg8869
In ottica, quando un insieme di processi non lineari agisce insieme su un fascio di pompa, l'allargamento spettrale risultante del fascio di pompa originale dà origine a un supercontinuo. Le sorgenti di supercontinuo per la tomografia a coerenza ottica sono di grande interesse poiché forniscono un'ampia larghezza di banda per una sensibilità di imaging ad alta risoluzione e ad alta potenza. Per i sistemi commerciali supercontinuo a base di fibre, i ricercatori utilizzano potenze di pompa elevate per generare un'ampia larghezza di banda e filtri ottici personalizzati per modulare gli spettri. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Xingchen Ji e un gruppo di ricerca in ingegneria elettrica, ingegneria biomedica e fisica applicata alla Columbia University, New York, NOI., ha introdotto una piattaforma supercontinuo basata su un 1 mm 2 chip fotonico al nitruro di silicio per tomografia a coerenza ottica (OCT). I ricercatori hanno pompato direttamente e generato in modo efficiente un supercontinuo vicino a 1300 nm e hanno utilizzato la configurazione per visualizzare i tessuti biologici e mostrare le elevate prestazioni di imaging del dispositivo. Il nuovo chip faciliterà gli OCT portatili e la fotonica integrata durante gli studi di imaging ottico.
Sistemi di imaging medico
La tomografia a coerenza ottica (OCT) è una tecnica priva di etichette, modalità di imaging ottico tridimensionale ad alta risoluzione. La piattaforma di imaging OCT è uno standard di cura in medicina, compresa l'oftalmologia, dermatologia, gastroenterologia e imaging del cancro al seno. Mentre le sorgenti luminose supercontinue per OCT offrono un'ampia larghezza di banda, richiedono una fonte di alimentazione molto elevata per ottenere un'ampia larghezza di banda e prestazioni elevate rispetto alla gamma di sensibilità richiesta. Anche le sorgenti commerciali di supercontinuo sono di dimensioni ingombranti e hanno dimostrato una bassa efficienza nella generazione di supercontinuo. Per superare questi limiti, Ji et al. sviluppato una sorgente di luce supercontinuo per l'imaging OCT in un compatto nitruro di silicio (Si 3 n 4 ) chip fotonico. Il nitruro di silicio ha un alto indice di rifrazione, un parametro non lineare elevato, un'ampia finestra di trasparenza e compatibilità con la produzione di semiconduttori su larga scala. A causa dell'elevato confinamento ottico e della non linearità intrinseca nel nitruro di silicio, la guida d'onda ha mostrato un parametro di non linearità circa 100 volte più grande di quello delle fibre altamente non lineari utilizzate nei sistemi commerciali supercontinuo. Le guide d'onda sviluppate nel lavoro occupavano un'area di 1 mm 2 . A causa delle caratteristiche spettrali di uscita per l'imaging, il team non ha richiesto filtri ottici aggiuntivi per modellare lo spettro.
Il team di ricerca ha integrato il chip di nitruro di silicio in un sistema OCT di dominio spettrale accoppiato a fibra centrato a 1300 nm. Ji et al. inviava la luce in uscita dal chip di nitruro di silicio direttamente all'interferometro OCT attraverso un circolatore e misurava le prestazioni del sistema nitruro di silicio-OCT per registrare una sensibilità di 105 dB a 300 µW di potenza. Comparativamente, un supercontinuum commerciale ha mostrato 95 dB con una potenza di 4 mW. La sensibilità misurata nel setup era vicina alla previsione teorica limitata al rumore di tiro. Utilizzando il sistema chip-OCT al nitruro di silicio, Ji et al. risolto diversi tessuti biologici microscopici di tessuto mammario umano sano. Per realizzare questo, il team ha ricevuto campioni di tessuto da pazienti sottoposti a procedure di mastectomia presso l'Irving Medical Center della Columbia University. Hanno fissato il campione in formalina e li hanno ripresi ex vivo, 24 ore dopo l'asportazione chirurgica. La scansione tridimensionale tridimensionale (3D) risultante del tessuto mammario sano ha dimostrato importanti caratteristiche strutturali microscopiche, compresi i dotti lattiferi, lobuli, grasso e tessuto connettivo. I ricercatori hanno elaborato le immagini OCT dai dati grezzi eseguendo la sottrazione dello sfondo e la compensazione della dispersione digitale.
Spettro del supercontinuo misurato generato utilizzando la guida d'onda Si3N4. Lo spettro ha una larghezza di banda di 30 dB di 445 nm che copre da 990 a 1435 nm e una larghezza di banda piatta di 3 dB che si estende da 1264 a 1369 nm con un'energia di impulso della pompa in ingresso di 25 pJ. progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abg8869
Materiali per la generazione di supercontinuo
Gli scienziati possono generare spettri di supercontinuo utilizzando guide d'onda integrate di diverse piattaforme di materiali. Il nitruro di silicio ha il vantaggio di essere compatibile con il processo complementare metallo-ossido-semiconduttore, per la produzione su larga scala a basso costo. Il materiale combinava i vantaggi della perdita ultrabassa, un contrasto ad alto indice tra la guida d'onda e l'indice di rivestimento, accanto a un'ampia finestra di trasparenza per coprire le finestre di lunghezza d'onda dell'imaging OCT per varie applicazioni. Tutte queste caratteristiche hanno reso il nitruro di silicio un buon candidato per le applicazioni di imaging OCT. Ji et al. ha anche mostrato sperimentalmente come il dispositivo fotonico integrato al nitruro di silicio ha formato una piattaforma promettente per l'imaging OCT e anticipare lo sviluppo di piattaforme fotoniche aggiuntive integrate per l'imaging biomedico.
Simulazioni e immagine al microscopio di dispositivi fabbricati. (A) Simulazione della modalità di una guida d'onda alta 730 nm e larga 840 nm che mostra che la modalità elettrica trasversale fondamentale (TE) è altamente confinata nella geometria che abbiamo scelto. (B) Dispersione della velocità di gruppo simulata (GVD) della nostra guida d'onda che fornisce un GVD vicino allo zero vicino a 1300 nm, che ci consente di pompare direttamente e generare in modo efficiente supercontinuo a banda larga a questa lunghezza d'onda senza alcun postfiltraggio. (C) Immagine al microscopio ottico vista dall'alto di più guide d'onda ad alto confinamento lunghe 5 cm fabbricate sullo stesso chip. L'ingrandimento mostra che la guida d'onda fabbricata occupa solo un'area di 1 × 1 mm2. Credito fotografico:Xingchen Ji, Università della Columbia. progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abg8869
Scansione volumetrica 3D di parenchima mammario sano acquisito con una sorgente luminosa a chip Si3N4. Sotto, B-scan OCT rappresentativi dal volume 3D con l'istologia dell'ematossilina e dell'eosina corrispondente. Le strutture del parenchima visualizzate includevano dotti, cisti, lobuli, adiposo, e stroma. Barre della scala, 500 micron. progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abg8869
Veduta
In questo modo, Xingchen Ji e colleghi hanno sviluppato una sorgente di luce supercontinua per l'imaging con tomografia a coerenza ottica (OCT) in un chip fotonico compatto di nitruro di silicio pompato direttamente a 1300 nm, senza alcun filtro ottico per modellare lo spettro. La piattaforma ha raggiunto un'elevata sensibilità a bassa potenza ottica sul campione. In contrasto, con una sorgente di supercontinuum commerciale all'avanguardia, i ricercatori in genere richiedono una potenza ottica 100 volte maggiore per ottenere una sensibilità comparativamente simile. La lunghezza d'onda centrale di 1300 nm utilizzata in questo studio è adatta per applicazioni di imaging di campioni di tessuto che richiedono profondità di penetrazione più profonde, compreso il tessuto mammario umano, tessuto cardiovascolare e nella ricerca dermatologica. Il team ha adattato l'ingegneria della dispersione con la fotonica integrata per generare altri intervalli spettrali alle scale di 1 µm o 800 nm. Hanno funzionalizzato la sorgente di luce supercontinuo in miniatura sviluppata in questo lavoro con un laser a pompa a femtosecondi off-chip, mentre sono in corso anche sforzi per miniaturizzare i laser mode-locked. Gli sforzi combinati di miniaturizzazione e confezionamento di diversi elementi costitutivi dell'OCT utilizzando la fotonica del silicio insieme allo sviluppo di sonde di imaging possono facilitare la realizzazione di un sistema ad alte prestazioni, sistema OCT a basso costo e completamente miniaturizzato.
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