基于光芯片超连续谱的光学相干断层扫描

说明 | 本文由论文作者（课题组）投稿

撰稿 | 纪幸辰 博士（哥伦比亚大学）

光学相干断层扫描（名词解释>>>）是近年来发展较快的一种最具发展前途的新型层析成像技术，特别是生物组织活体检测和成像方面具有诱人的应用前景，近年来已在眼科、皮肤科等临床诊断中应用，也逐渐推广至消化科和乳腺癌成像等领域。光源是决定光学相干断层扫描性能的关键因素之一。

超连续谱光源（名词解释>>>）因其宽带宽和高功率而备受关注。然而，超连续谱的产生通常需要非常高的光泵浦功率，为了满足医疗成像的安全标准且不损坏光学检测器，则需要安装复杂且昂贵的滤光器，这严重限制了它们的实用性。此外，在此系统中产生的额外噪声又会限制成像灵敏度和深度。

近日，来自美国哥伦比亚大学的Michal Lipson院士（人物简介>>>）团队展示了一种基于氮化硅光子芯片的新型超连续谱光源用于光学相干断层扫描成像，与最先进的超连续谱光源相比，其成像性能更好。该团队设计并制造了一个基于1平方毫米的氮化硅光子芯片（如图1所示）。

图1：毫米级氮化硅光子芯片。

该氮化硅芯片具有高光学限制和高非线性，其非线性参数为商用超连续谱系统中常用的高非线性光纤的100倍以上，此外，我们通过调整波导横截面来设计波导中的色散，使其在目标波长附近具有零群速度色散，从而能够产生光谱平坦、功率高效的超连续谱，而无需额外的滤光器来整形或衰减光谱。该光子芯片在泵浦波长为1300 纳米，在泵浦能量仅为25皮焦，平均泵浦功率仅为4毫瓦时，即可产生990 纳米至 1435 纳米的超连续谱，且具有105纳米的3 dB平滑顶峰。该超连续谱可以直接用于光学相干断层扫描成像而无需使用滤光器，并且与最先进的商用超连续谱相比，在消耗光功率仅为商用超连续谱百分之一的情况下，基于氮化硅光子芯片的超连续谱的成像灵敏度更高、成像深度更深且图像噪声更低（如图2所示）。

图2：具有代表性的人体组织3D光学相干断层扫描图和组织学图片对比。包括导管、囊肿、小叶、脂肪和间质等结构均清晰可见。图片比例尺为 500微米。

该成果以 Millimeter-scale chip-based supercontinuum generation for optical coherence tomography 为题发表在 Science Advances。

氮化硅是硅基半导体工业中广泛使用的材料，用于制造计算机、智能手机芯片，氮化硅不仅具有超低损耗（损耗低于1 dB/m），色散可调，而且具有很宽的透明窗口（从可见光到中远红外），通过对氮化硅光子芯片进行微调，该芯片还可以用于各种光学相干层析成像的应用，例如800纳米和1000纳米为中心的光谱可以用于眼科，1700纳米和更长的波长则可用于工业材料和牙科成像。

前景展望

光学相干断层扫描每年在全球范围内进行超过3千万次扫描，毫无疑问光学相干断层扫描已成为眼科疾病诊断和监测工具的最重要仪器。每一代光学相干断层扫描仪器都比上一代更加先进、功能更丰富，而且系统价格持续上涨。如今，一台光学相干断层扫描机器的价格很容易超过100,000美元，高端眼科光学相干断层扫描仪器的市场仍以每年超过8％的速度增长，预计到2023年将达到超过15亿美元。

除了光学相干断层扫描仪器昂贵的售价之外，这些仪器还需要专门的技术人员来操作，此外，如果机器需要维修或未对准，医护人员必须安排生物医学设备技术人员来进行维修，并重新安排无法进行检查的患者。

所以，开发便携式、稳定且价格低的光学相干断层扫描仪器具有重要的现实意义，我们可以预见通过氮化硅光子芯片这些光子芯片的大规模、低成本制造，并通过与其他集成光电子材料进行结合，可以突破传统光学相干断层扫描仪器的尺寸、价格、稳定性限制。

哥伦比亚大学Michal Lipson院士团队纪幸辰博士为论文第一作者，论文合作者还包括哥伦比亚大学Christine Hendon教授和Alexander Gaeta教授，该团队长期致力于超低损耗氮化硅光子芯片的制造和应用，取得成果发表在Nature、Nature Photonics、Optica、Laser & Photonics Reviews等期刊，最新综述论文作为Featured Paper发表在APL Photonics （论文链接>>>）。

论文信息：

Ji et al., Sci. Adv. 2021; 7 : eabg8869

DOI: 10.1126/sciadv.abg8869

论文地址：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg8869

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监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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