Esquema de um sistema SD OCT acoplado a fibra com uma fonte supercontínua gerada pelo guia de onda Si3N4. Avanços da Ciência, doi:10.1126 / sciadv.abg8869
Na ótica, quando uma coleção de processos não lineares atuam juntos em um feixe de bomba, o alargamento espectral resultante do feixe da bomba original dá origem a um supercontínuo. Fontes supercontínuas para tomografia de coerência óptica são de grande interesse, uma vez que fornecem uma ampla largura de banda para alta resolução e sensibilidade de imagem de alta potência. Para sistemas supercontínuos baseados em fibra comercial, os pesquisadores usam altas potências de bomba para gerar uma largura de banda ampla e filtros ópticos personalizados para modular os espectros. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Xingchen Ji e uma equipe de pesquisa em engenharia elétrica, engenharia biomédica e física aplicada na Universidade de Columbia, Nova york, NÓS., introduziu uma plataforma supercontínua baseada em uma plataforma de 1 mm 2 chip fotônico de nitreto de silício para tomografia de coerência óptica (OCT). Os pesquisadores bombearam diretamente e geraram com eficiência um supercontínuo próximo a 1300 nm e usaram a configuração para criar imagens de tecidos biológicos e mostrar o forte desempenho de imagem do dispositivo. O novo chip facilitará OCTs portáteis e fotônica integrada durante os estudos de imagens ópticas.
Sistemas de imagens médicas
A tomografia de coerência óptica (OCT) é um rótulo livre, modalidade de imagem ótica tridimensional de alta resolução. A plataforma de imagem OCT é um padrão de atendimento na medicina, incluindo oftalmologia, dermatologia, gastroenterologia e imagem do câncer de mama. Embora as fontes de luz supercontínua para OCT ofereçam uma ampla largura de banda, eles requerem uma fonte de energia muito alta para atingir uma largura de banda ampla e um forte desempenho em relação à faixa de sensibilidade necessária. Fontes supercontínuas comerciais também são volumosas em tamanho e demonstraram baixa eficiência de geração de supercontínuo. Para superar esses limites, Ji et al. desenvolveu uma fonte de luz supercontínua para imagens de OCT em um nitreto de silício compacto (Si 3 N 4 ) chip fotônico. O nitreto de silício tem um alto índice de refração, um parâmetro não linear alto, uma ampla janela de transparência e compatibilidade com a fabricação de semicondutores em grande escala. Como resultado do alto confinamento óptico e não linearidade intrínseca em nitreto de silício, o guia de ondas mostrou um parâmetro de não linearidade aproximadamente 100 vezes maior do que o de fibras altamente não lineares usadas em sistemas supercontínuos comerciais. Os guias de ondas desenvolvidos na obra ocuparam uma área de 1 mm. 2 . Por conta das características espectrais de saída para imagem, a equipe não exigiu filtragem óptica adicional para moldar o espectro.
A equipe de pesquisa integrou o chip de nitreto de silício em um sistema OCT de domínio espectral acoplado a fibra centralizado em 1300 nm. Ji et al. enviou a luz de saída do chip de nitreto de silício diretamente para o interferômetro de OCT através de um circulador e mediu o desempenho do sistema de nitreto de silício-OCT para registrar uma sensibilidade de 105 dB a 300 µW de potência. Comparativamente, um supercontínuo comercial mostrou 95 dB com potência de 4 mW. A sensibilidade medida na configuração foi próxima à previsão limitada de ruído de tiro teórica. Usando o sistema de chip-OCT de nitreto de silício, Ji et al. resolveu diversos tecidos biológicos microscópicos de tecido mamário humano saudável. Para conseguir isso, a equipe recebeu amostras de tecido de pacientes submetidas a procedimentos de mastectomia no Centro Médico Irving da Universidade de Columbia. Eles fixaram o espécime em formalina e os fotografaram ex vivo, 24 horas após a excisão cirúrgica. A varredura tridimensional volumétrica (3D) resultante do tecido mamário saudável demonstrou importantes características estruturais microscópicas, incluindo dutos de leite, lóbulos, tecido adiposo e conjuntivo. Os pesquisadores processaram as imagens de OCT dos dados brutos realizando a subtração do fundo e a compensação de dispersão digital.
Espectro supercontínuo medido gerado usando o guia de onda Si3N4. O espectro tem uma largura de banda de 30 dB de 445 nm cobrindo 990 a 1435 nm e uma largura de banda plana de 3 dB abrangendo 1264 a 1369 nm com uma energia de pulso de bomba de entrada de 25 pJ. Avanços da Ciência, doi:10.1126 / sciadv.abg8869
Materiais para geração supercontínuo
Os cientistas podem gerar espectros supercontínuos usando guias de onda integrados de diferentes plataformas de materiais. O nitreto de silício tem o benefício de ser compatível com o processo de semicondutor de óxido de metal complementar, para fabricação em grande escala a baixo custo. O material combinou os benefícios da perda ultrabaixo, um contraste de alto índice entre o guia de ondas e o índice de revestimento, ao lado de uma ampla janela de transparência para cobrir as janelas de comprimento de onda de imagens de OCT para várias aplicações. Todas essas características tornaram o nitreto de silício um bom candidato para aplicações de imagem de OCT. Ji et al. também mostrou experimentalmente como o dispositivo fotônico integrado de nitreto de silício formou uma plataforma promissora para imagens de OCT e antecipou o desenvolvimento de plataformas fotônicas adicionais integradas para imagens biomédicas.
Simulações e imagem microscópica de dispositivos fabricados. (A) Simulação de modo de um guia de onda de 730 nm de altura e 840 nm de largura, mostrando que o modo elétrico transversal fundamental (TE) é altamente confinado na geometria que escolhemos. (B) Dispersão de velocidade de grupo simulada (GVD) de nosso guia de ondas que fornece GVD próximo a zero próximo a 1300 nm, o que nos permite bombear diretamente e gerar com eficiência o supercontínuo de banda larga neste comprimento de onda sem qualquer pós-filtragem. (C) Imagem do microscópio óptico de vista superior de vários guias de onda de alto confinamento de 5 cm de comprimento fabricados no mesmo chip. O zoom mostra que o guia de ondas fabricado ocupa apenas uma área de 1 × 1 mm2. Crédito da foto:Xingchen Ji, Universidade Columbia. Avanços da Ciência, doi:10.1126 / sciadv.abg8869
Varredura 3D volumétrica de parênquima mamário saudável adquirida com uma fonte de luz de chip Si3N4. Abaixo, varreduras B de OCT representativas do volume 3D com histologia de hematoxilina e eosina correspondente. Estruturas de parênquima visualizadas incluíram dutos, cistos, lóbulos, adiposo, e estroma. Barras de escala, 500 μm. Avanços da Ciência, doi:10.1126 / sciadv.abg8869
Panorama
Desta maneira, Xingchen Ji e colegas desenvolveram uma fonte de luz supercontínua para imagens de tomografia de coerência óptica (OCT) em um chip fotônico compacto de nitreto de silício bombeado diretamente a 1300 nm, sem qualquer filtragem óptica para moldar o espectro. A plataforma obteve alta sensibilidade com baixa potência óptica na amostra. Em contraste, com uma fonte de supercontínuo comercial de última geração, os pesquisadores normalmente requerem 100 vezes mais potência óptica para alcançar uma sensibilidade comparativamente semelhante. O comprimento de onda central de 1300 nm usado neste estudo é adequado para aplicações de imagem de amostras de tecido que requerem profundidades de penetração mais profundas, incluindo tecido mamário humano, tecido cardiovascular e em pesquisa dermatológica. A equipe ajustou a engenharia de dispersão com fotônica integrada para gerar outras faixas espectrais nas escalas de 1 µm ou 800 nm. Eles funcionalizaram a fonte de luz supercontínua em miniatura desenvolvida neste trabalho com uma bomba de laser de femtossegundo fora do chip, enquanto esforços também estão em andamento para miniaturizar lasers de modo bloqueado. Os esforços combinados de miniaturizar e empacotar diversos blocos de construção de OCT usando fotônica de silício junto com o desenvolvimento de sondas de imagem podem facilitar a realização de um alto desempenho, sistema OCT de baixo custo e totalmente miniaturizado.
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