基于光子芯片的SD-OCT系统

基于光子芯片的sd-oct系统
技术领域
1.本发明涉及的是一种光学成像领域的技术，具体是一种基于光子芯片的集成化谱域光学相干层析成像(sd-oct)系统。


背景技术：

2.光学相干层析成像是一种非侵入性成像方式，可提供组织微结构的深度分辨、高分辨率图像，其中部件大都依赖于空间光学元件，因此是分立元件，需要主动对准，而且很容易发生错位。这些元件的成本、尺寸和错位等问题使得传统oct应用受到极大限制。
3.硅光子芯片可以通过互补金属氧化物半导体的标准制造工艺，以低成本大量制造光学器件。然而，现有的硅光子芯片主要是针对1300nm左右中心波长的sd-oct系统所设计，由于硅材料本身在1.1微米之下无法通光，所以上述芯片均不能适用于波长通常在850nm或1060nm的场合，如眼科系统等。此外，这些工作仅仅局限于对单个分立元件的小型化，并没有提出系统级的集成化解决方案。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于光子芯片的集成化谱域光学相干层析成像系统，采用集成光子芯片替代传统系统中的分立元件，对整个成像系统，包括光源、干涉仪、光谱仪等元件提出集成化方案，可以适用于工作中心波长在850nm，1060nm，1300nm、1700nm等oct成像常用波段，在尺寸和成本上大幅度缩减。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.本发明涉及一种基于光子芯片的集成化谱域光学相干层析成像系统，包括：光源芯片、干涉仪芯片和光谱探测器，其中：光源芯片输出宽谱的光至干涉仪芯片，经干涉仪芯片分束后分别通过样本臂和参考臂输出至待测样品以及干涉仪芯片内置的反射器，样本臂的光对待测样品进行扫描的反射光与参考臂的光在干涉仪芯片上生成干涉信号后输出至光谱探测器，光谱探测器通过信号处理得到待测样品的图像。
7.所述的光源芯片为氮化硅谐振器或共封装的超辐射发光二极管芯片与氮化硅光子芯片。
8.所述的干涉仪芯片包括：输入端、分束器、参考臂、样本臂、输出端和反射器，其中：输入端与光源芯片之间直接耦合或间接耦合及封装，输出端通过与mems扫描仪配合对样本进行扫描或通过光学相控阵对样本完成扫描，参考臂的光程与样本臂的片上和片外的光程总和相匹配。
9.所述的干涉仪芯片上的所有器件均由高折射率波导层和低折射率包层组成，其中：高折射率波导层为氮化硅材料，低折射率包层为二氧化硅材料，通过高折射率波导层将光束缚并实现低损耗传播，并且可以与光源芯片、探测器集成在同一衬底材料上。
10.所述的直接耦合采用但不限于模斑转换器实现，间接耦合及封装采用但不限于光纤、微透镜等实现。
11.所述的分束器分束比优选为50:50。
12.所述的匹配，通过对参考臂的长度进行热调处理以精细调节实现光程匹配，优选地，通过集成微加热器实现热调处理，该微加热器在1mv的外加电压下达到纳米级的调节分辨率。
13.所述的光谱探测器为宽谱、高空间分辨率探测器，其探测光谱宽度与光源芯片的频谱带宽相匹配。
附图说明
14.图1为波导结构示意图(a)及波导光模式计算模拟图(b)；
15.图2为本发明示意图；
16.图3为实施例干涉仪芯片结构示意图；
17.图4为实施例通过预蚀刻沟槽后嵌入光源芯片结构示意图；
18.图5为实施例光谱仪探测器结构示意图；
19.图6为氮化硅波导在宽度固定，高度变化的色散计算模拟图；
20.图7为氮化硅波导在高度固定，宽度变化的色散计算模拟图。
21.图8为加工得到的氮化硅波导在1050nm波长附近的归一化损耗测试结果图。
22.图9为加工得到的氮化硅波导在1310nm波长附近的归一化损耗测试结果图。
23.图10为加工得到的氮化硅芯片在1050nm波长附近泵浦产生的光学频率梳(通过滤波片测量)。
具体实施方式
24.如图2所示，为本实施例涉及一种基于光子芯片的集成化谱域光学相干层析成像(sd-oct)系统，包括：光源芯片、干涉仪芯片和光谱探测器，其中：光源芯片输出宽谱的光至干涉仪芯片，经干涉仪芯片分束后分别通过样本臂和参考臂输出至待测样品以及干涉仪芯片内置的反射器，样本臂的光对待测样品进行扫描的反射光与参考臂的光在干涉仪芯片上生成干涉信号后输出至光谱探测器，光谱探测器通过信号处理得到待测样品的图像。
25.本实施例的光源芯片通过以下任意一种方式实现：
26.a)使用氮化硅谐振器产生频率梳作为光源，通过自注入锁定和非线性过程产生宽带频谱，为产生中心波长为1050nm的频率梳，针对不同氮化硅波导尺寸的色散计算结果如图6和图7所示。
27.所述的宽带频谱的带宽及频率间隔由谐振腔的几何形状决定；优选地，氮化硅采用的厚度为700nm，氮化硅波导的宽度范围模拟如图7所示，在700-1500nm均可保证1050nm附近的色散为所需的反常色散，氮化硅的宽度为1300nm。
28.b)使用共封装的超辐射发光二极管芯片与氮化硅光子芯片，具体为：先在硅衬底晶片上预蚀刻沟槽后嵌入超辐射发光二极管。
29.所述的预刻蚀沟槽由光刻所限定，硅衬底晶片使用高纵横比等离子体刻蚀工艺或koh湿法刻蚀进行刻蚀，如图4所示。对于光学耦合，氮化硅器件的边缘耦合器采用喇叭口结构以匹配辐射发光二极管的输出模斑，确保最佳耦合。最后，通过粘合剂和紫外光固化将超辐射发光二极管芯片与氮化硅光子芯片封装在同一载体上。
30.所述的干涉仪芯片基于氮化硅光子平台进行集成，具体为：参考臂将由一根长且低损耗的氮化硅波导管和一个可调集成微加热器组成，可以提供较大的灵活性来匹配样本臂所需的路径长度。
31.所述的干涉仪芯片的样本臂，采用与mems扫描仪的共封装工艺进行集成。
32.所述的光谱探测器通过以下任意一种方式实现：
33.①
如图5所示，采用阵列波导光栅与ccd传感器结合，其中：阵列波导光栅包括：依次相连的输入波导、输入星形耦合器、阵列波导、输出星形耦合器以及输出波导，其中：当波长为λ
1-λn的宽带光耦合到输入波导时，光束在作为自由传播区域的输入星形耦合器中发散，发散光束耦合到阵列波导；阵列波导中的每个波导长度线性增加，导致由单个波导引起的不同相位延迟，使得在输出星形耦合器的像平面上的焦线上只有具有相同相位延迟的平面波相长干涉；最终每个输出波导传输λ
1-λn中的单一波长。
34.本实施例拟设计及制备工作中心波长为1050nm的可用于oct成像的氮化硅阵列波导光栅，此外，本实施例还将通过在氮化硅光子芯片的端面上集成透镜，进行ccd传感器的集成，如图5所示。
35.②
采用氮化硅制备共传播固定傅里叶变换光谱仪(fts)，具体为：首先将光信号分成两个平行的不同脊宽的氮化硅脊波导，以获得两个受激波导管模式的渐逝场的所需重叠；由于受激模式的传播常数略有不同，两个波导管之间会产生干涉图案，通过在波导管之间放置光栅，干涉图案可以向上衍射到光电二极管阵列。
36.经过具体实际实验，在1050nm和1310nm的中心波长下，加工的氮化硅波导测量得到的归一化传输损耗如图8和图9所示，可以看到氮化硅波导在1030-1070nm和1270-1330nm的范围内，传输损耗可以保持基本不变，说明损耗具有波长不敏感性，证明了该波导可以应用于广谱的范围。
37.经过具体实际实验，在1050nm附近的泵浦波长下，泵浦为700mw左右，在氮化硅高度为700nm左右，宽度为1300nm左右的条件下，由于色散调控，氮化硅芯片可以产生适用于sd-oct的广谱光学频率梳。
38.本实施例中的光源，即增益芯片或激光芯片和集成光子芯片的耦合及共封装，也可以通过倒装芯片键合、或者增益芯片直接生长的手段实现；超连续谱技术也可以用于替代本实施例中的光源；光谱仪可以通过芯片外接光谱仪的方式实现。
39.与现有技术相比，本发明针对整个成像系统提出集成化方案，通过光子芯片可以将包括光源、干涉仪、光谱仪等元件均实现小型化、集成化，新型的集成化系统将会比现在的系统在尺寸上小几个数量级，从几立方米降低到几立方厘米，重量也更轻。本装置工作波长具有宽带可选择特性，同一光子芯片可以覆盖850nm，1060nm，1300nm、1700nm等oct成像常用波段，并用于慢性眼科疾病、皮肤学、牙科、肿瘤学等领域的诊断。与现有的各元件分立的系统相比，本发明采用集成波导具有偏振稳定性，并且对震动等因素不敏感，不容易发生错位，系统整体稳定性更好。
40.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

技术特征：
1.一种基于光子芯片的集成化谱域光学相干层析成像系统，其特征在于，包括：光源芯片、干涉仪芯片和光谱探测器，其中：光源芯片输出宽谱的光至干涉仪芯片，经干涉仪芯片分束后分别通过样本臂和参考臂输出至待测样品以及干涉仪芯片内置的反射器，样本臂的光对待测样品进行扫描的反射光与参考臂的光在干涉仪芯片上生成干涉信号后输出至光谱探测器，光谱探测器通过信号处理得到待测样品的图像。2.根据权利要求1所述的基于光子芯片的集成化谱域光学相干层析成像系统，其特征是，所述的光源芯片为氮化硅谐振器或共封装的超辐射发光二极管芯片与氮化硅光子芯片。3.根据权利要求1所述的基于光子芯片的集成化谱域光学相干层析成像系统，其特征是，所述的干涉仪芯片包括：输入端、分束器、参考臂、样本臂、输出端和反射器，其中：输入端与光源芯片之间直接耦合或间接耦合及封装，输出端通过与mems扫描仪配合对样本进行扫描或通过光学相控阵对样本完成扫描，参考臂的光程与样本臂的片上和片外的光程总和相匹配。4.根据权利要求3所述的基于光子芯片的集成化谱域光学相干层析成像系统，其特征是，所述的干涉仪芯片上的所有器件均由高折射率波导层和低折射率包层组成，通过高折射率波导层将光束缚并实现低损耗传播，并且可以与光源芯片、探测器集成在同一衬底材料上。5.根据权利要求3所述的基于光子芯片的集成化谱域光学相干层析成像系统，其特征是，所述的匹配，通过集成微加热器对参考臂的长度进行热调处理以精细调节实现光程匹配，该微加热器在1mv的外加电压下达到纳米级的调节分辨率。6.根据权利要求1所述的基于光子芯片的集成化谱域光学相干层析成像系统，其特征是，所述的光谱探测器为宽谱、高空间分辨率探测器，其探测光谱宽度与光源芯片的频谱带宽相匹配。7.根据权利要求1所述的基于光子芯片的集成化谱域光学相干层析成像系统，其特征是，所述的光源芯片通过以下任意一种方式实现：a)使用氮化硅谐振器产生频率梳作为光源，通过自注入锁定和非线性过程产生宽带频谱，为产生中心波长为1050nm的频率梳；b)使用共封装的超辐射发光二极管芯片与氮化硅光子芯片，具体为：先在硅衬底晶片上预蚀刻沟槽后嵌入超辐射发光二极管。8.根据权利要求1所述的基于光子芯片的集成化谱域光学相干层析成像系统，其特征是，所述的预刻蚀沟槽由光刻所限定，硅衬底晶片使用高纵横比等离子体刻蚀工艺或koh湿法刻蚀进行刻蚀，氮化硅器件的边缘耦合器采用喇叭口结构以匹配辐射发光二极管的输出模斑，确保最佳耦合后，通过粘合剂和紫外光固化将超辐射发光二极管芯片与氮化硅光子芯片封装在同一载体上。9.根据权利要求1所述的基于光子芯片的集成化谱域光学相干层析成像系统，其特征是，所述的干涉仪芯片基于氮化硅光子平台进行集成，具体为：参考臂将由一根长且低损耗的氮化硅波导管和一个可调集成微加热器组成，可以提供较大的灵活性来匹配样本臂所需的路径长度。10.根据权利要求1所述的基于光子芯片的集成化谱域光学相干层析成像系统，其特征
是，所述的光谱探测器通过以下任意一种方式实现：
①
采用阵列波导光栅与ccd传感器结合，其中：阵列波导光栅包括：依次相连的输入波导、输入星形耦合器、阵列波导、输出星形耦合器以及输出波导，其中：当波长为λ
1-λ
n
的宽带光耦合到输入波导时，光束在作为自由传播区域的输入星形耦合器中发散，发散光束耦合到阵列波导；阵列波导中的每个波导长度线性增加，导致由单个波导引起的不同相位延迟，使得在输出星形耦合器的像平面上的焦线上只有具有相同相位延迟的平面波相长干涉；最终每个输出波导传输λ
1-λ
n
中的单一波长；
②
采用氮化硅制备共传播固定傅里叶变换光谱仪(fts)，具体为：首先将光信号分成两个平行的不同脊宽的氮化硅脊波导，以获得两个受激波导管模式的渐逝场的所需重叠；由于受激模式的传播常数略有不同，两个波导管之间会产生干涉图案，通过在波导管之间放置光栅，干涉图案可以向上衍射到光电二极管阵列。

技术总结
一种基于光子芯片的集成化谱域光学相干层析成像系统，包括：光源芯片、干涉仪芯片和光谱探测器，其中：光源芯片输出宽谱的光至干涉仪芯片，经干涉仪芯片分束后分别通过样本臂和参考臂输出至待测样品以及干涉仪芯片内置的反射器，样本臂的光对待测样品进行扫描的反射光与参考臂的光在干涉仪芯片上生成干涉信号后输出至光谱探测器，光谱探测器通过信号处理得到待测样品的图像。本发明采用集成光子芯片替代传统系统中的分立元件，对整个成像系统，包括光源、干涉仪、光谱仪等元件提出集成化方案，可以适用于工作中心波长在850nm，1060nm，1300nm、1700nm等OCT成像常用波段，在尺寸和成本上大幅度缩减。本上大幅度缩减。本上大幅度缩减。


技术研发人员：纪幸辰 凌玉烨 陈君琢 苏翼凯
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/21