說明 | 本文由論文作者（課題組）投稿

撰稿 | 紀(jì)幸辰 博士（哥倫比亞大學(xué)）

光學(xué)相干斷層掃描（名詞解釋>>>）是近年來發(fā)展較快的一種最具發(fā)展前途的新型層析成像技術(shù)，特別是生物組織活體檢測(cè)和成像方面具有誘人的應(yīng)用前景，近年來已在眼科、皮膚科等臨床診斷中應(yīng)用，也逐漸推廣至消化科和乳腺癌成像等領(lǐng)域。光源是決定光學(xué)相干斷層掃描性能的關(guān)鍵因素之一。

超連續(xù)譜光源（名詞解釋>>>）因其寬帶寬和高功率而備受關(guān)注。然而，超連續(xù)譜的產(chǎn)生通常需要非常高的光泵浦功率，為了滿足醫(yī)療成像的安全標(biāo)準(zhǔn)且不損壞光學(xué)檢測(cè)器，則需要安裝復(fù)雜且昂貴的濾光器，這嚴(yán)重限制了它們的實(shí)用性。此外，在此系統(tǒng)中產(chǎn)生的額外噪聲又會(huì)限制成像靈敏度和深度。

近日，來自美國哥倫比亞大學(xué)的Michal Lipson院士（人物簡介>>>）團(tuán)隊(duì)展示了一種基于氮化硅光子芯片的新型超連續(xù)譜光源用于光學(xué)相干斷層掃描成像，與最先進(jìn)的超連續(xù)譜光源相比，其成像性能更好。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)基于1平方毫米的氮化硅光子芯片（如圖1所示）。

圖1：毫米級(jí)氮化硅光子芯片。

該氮化硅芯片具有高光學(xué)限制和高非線性，其非線性參數(shù)為商用超連續(xù)譜系統(tǒng)中常用的高非線性光纖的100倍以上，此外，我們通過調(diào)整波導(dǎo)橫截面來設(shè)計(jì)波導(dǎo)中的色散，使其在目標(biāo)波長附近具有零群速度色散，從而能夠產(chǎn)生光譜平坦、功率高效的超連續(xù)譜，而無需額外的濾光器來整形或衰減光譜。該光子芯片在泵浦波長為1300 納米，在泵浦能量僅為25皮焦，平均泵浦功率僅為4毫瓦時(shí)，即可產(chǎn)生990 納米至 1435 納米的超連續(xù)譜，且具有105納米的3 dB平滑頂峰。該超連續(xù)譜可以直接用于光學(xué)相干斷層掃描成像而無需使用濾光器，并且與最先進(jìn)的商用超連續(xù)譜相比，在消耗光功率僅為商用超連續(xù)譜百分之一的情況下，基于氮化硅光子芯片的超連續(xù)譜的成像靈敏度更高、成像深度更深且圖像噪聲更低（如圖2所示）。

圖2：具有代表性的人體組織3D光學(xué)相干斷層掃描圖和組織學(xué)圖片對(duì)比。包括導(dǎo)管、囊腫、小葉、脂肪和間質(zhì)等結(jié)構(gòu)均清晰可見。圖片比例尺為 500微米。

該成果以 Millimeter-scale chip-based supercontinuum generation for optical coherence tomography 為題發(fā)表在 Science Advances。

氮化硅是硅基半導(dǎo)體工業(yè)中廣泛使用的材料，用于制造計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)芯片，氮化硅不僅具有超低損耗（損耗低于1 dB/m），色散可調(diào)，而且具有很寬的透明窗口（從可見光到中遠(yuǎn)紅外），通過對(duì)氮化硅光子芯片進(jìn)行微調(diào)，該芯片還可以用于各種光學(xué)相干層析成像的應(yīng)用，例如800納米和1000納米為中心的光譜可以用于眼科，1700納米和更長的波長則可用于工業(yè)材料和牙科成像。

前景展望

光學(xué)相干斷層掃描每年在全球范圍內(nèi)進(jìn)行超過3千萬次掃描，毫無疑問光學(xué)相干斷層掃描已成為眼科疾病診斷和監(jiān)測(cè)工具的最重要儀器。每一代光學(xué)相干斷層掃描儀器都比上一代更加先進(jìn)、功能更豐富，而且系統(tǒng)價(jià)格持續(xù)上漲。如今，一臺(tái)光學(xué)相干斷層掃描機(jī)器的價(jià)格很容易超過100,000美元，高端眼科光學(xué)相干斷層掃描儀器的市場(chǎng)仍以每年超過8％的速度增長，預(yù)計(jì)到2023年將達(dá)到超過15億美元。

除了光學(xué)相干斷層掃描儀器昂貴的售價(jià)之外，這些儀器還需要專門的技術(shù)人員來操作，此外，如果機(jī)器需要維修或未對(duì)準(zhǔn)，醫(yī)護(hù)人員必須安排生物醫(yī)學(xué)設(shè)備技術(shù)人員來進(jìn)行維修，并重新安排無法進(jìn)行檢查的患者。

所以，開發(fā)便攜式、穩(wěn)定且價(jià)格低的光學(xué)相干斷層掃描儀器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，我們可以預(yù)見通過氮化硅光子芯片這些光子芯片的大規(guī)模、低成本制造，并通過與其他集成光電子材料進(jìn)行結(jié)合，可以突破傳統(tǒng)光學(xué)相干斷層掃描儀器的尺寸、價(jià)格、穩(wěn)定性限制。

哥倫比亞大學(xué)Michal Lipson院士團(tuán)隊(duì)紀(jì)幸辰博士為論文第一作者，論文合作者還包括哥倫比亞大學(xué)Christine Hendon教授和Alexander Gaeta教授，該團(tuán)隊(duì)長期致力于超低損耗氮化硅光子芯片的制造和應(yīng)用，取得成果發(fā)表在Nature、Nature Photonics、Optica、Laser & Photonics Reviews等期刊，最新綜述論文作為Featured Paper發(fā)表在APL Photonics （論文鏈接>>>）。

論文信息：

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

DOI: 10.1126/sciadv.abg8869

論文地址：

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

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監(jiān)制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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