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发行人：吴育任所长 编辑委员：曾雪峰教授 主编：林筱文 发行日期：2022.09.30 |
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High-speed optical coherence tomography imaging with a MEMS-tunable HCG-VCSEL light source
Professor Hsiang-Chieh Lee
Graduate Institute of Photonics and
Optoelectronics, National Taiwan University
台湾大学光电所 李翔杰教授
We present a high-speed swept-source optical coherence tomography (SS-OCT) imaging system using an electrically-pumped, micro-electromechanical (MEMS)-tunable high-contrast grating (HCG) VCSEL light source. The developed SS-OCT system exhibits an A-scan rate of 250 kHz, which can be further improved to 500 kHz if both the backward and forward laser sweeps are used. Comparing to existing MEMS-tunable VCSEL light sources, the use of HCG structure as the top reflection mirror for the VCSEL cavity not only simplifies the manufacturing process but also better keeps the light polarization state during the wavelength sweeping. In the experimental setup, a dual-channel acquisition scheme was utilized to provide calibration of the OCT signal with a separate calibration interferometer. Volumetric imaging of the human fingernail junction and mouse ear skin in vivo shows the feasibility of providing high speed imaging of the tissue architectures. In addition, utilizing the OCT angiography (OCTA) in combination with the variable interscan time analysis (VISTA) algorithm, it could provide subsurface volumetric microvascular imaging of the mouse ear skin with relative blood flow speed information. The electrically-pumped, MEMS-tunable HCG-VCSEL light source can provide high-speed OCT and OCTA imaging with a more compact light source footprint and potentially a lower cost.
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Fig. 1. Cross-sectional and en face OCT images of the fingernail junction using the OCT data corresponding to the (a, b) backward and (d, e) forward sweeps, respectively. (e, f) Cross-sectional OCT images of a roll of Scotch tapes using the OCT data for the backward and forward sweeps, respectively. Insets (a, d) and (e, f): enlarged view of the region of interest indicating the epidermis observed in (a, d) as well as layer of tapes identified in (e, f), respectively. D: dermis, DEJ: dermis and epidermis junction, E: epidermis, PNF: proximal nail folder. Scale bars: 500 μm. |
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论文题目：超宽带扫频掺钛蓝宝石晶体光纤激光研究
姓名：林裕展
指导教授：黄升龙教授
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扫频激光做为光源已经被广泛的应用在光学同调断层扫描术上，由于其扫频速度极限跟增益介质的辐射生命期及激光腔体的往返时间有关，因此，多数研究团队利用辐射生命期为奈秒等级的半导体光放大器为扫频激光的增益介质。但由于半导体光放大器的波长多为红外光区，且可调带宽为100奈米附近，其所提供的纵向分辨率很难达到细胞级分辨率。本论文使用可调波长从650奈米到1100奈米的掺钛蓝宝石晶体光纤为增益介质，且掺钛蓝宝石的发射光谱处于低组织散射及水吸收较小的区域，加上其放光频谱近似高斯，因此非常适用于光学同调断层扫描术。由于晶体光纤结构拥有高度的表面积对体积的比例，可以有效提高散热能力，凭借此掺钛蓝宝石晶体光纤的低信号传播损耗及高散热能力，本论文成功实现扫频重复率1200赫兹且扫频带宽为250奈米的超宽带扫频激光。并藉由分析扫频激光的松弛震荡，可以计算出激光腔体内的损耗，其数值与理论模拟结果符合。此扫描激光可以产生0.018奈米的瞬时线宽，其对应当能量降为一半时的同调扫描深度为7毫米。如将这扫频激光使用于扫频式光学同调断层扫描时，将可以实现1.8微米的纵向分辨率。然而，由于本实验所使用的增益介质为多横模的掺钛蓝宝石晶体光纤，因此所实现的扫频激光输出模态为多横模激光，此特性将严重地影响其应用于各种系统的可行性，为此将单模光纤导入激光腔内以消除高阶横模，本论文成功地实现单横模输出的超宽带扫频激光。
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图一、扫频激光特性
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图二、扫频激光单横模输出
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— 资料提供：影像显示科技知识平台 (DTKP, Display Technology
Knowledge Platform) —
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整理：林晃岩教授、吴思洁 —
量子相位调制器
将从微波区域中的单光子到光学区域的信息转换，是实现超导量子处理器远程网络的一项基本任务。然而，由于光子能量的差异超过五个数量级，这种转换在技术上具有挑战性。现在，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）和美国科罗拉多大学的Poolad Imany及其同事报告了一种积体化芯片尺度的解决方案，该解决方案与以千兆赫兹调制速度编码的讯息兼容。该团队将超导电路、表面声波（surface acoustic wave, SAW）谐振器和量子发射器集成到GaAs芯片（如图一）中，以产生有效的电光交互作用，并观察单光子的千兆赫兹的强调制作用（Optica 9, 501–504; 2022）。
微波到光学转换的关键是使用InAs量子点（quantum dots, QDs），它既可用作单光子发射器，也可用作换能器 （transducer），因为它们对晶体中的局部应变很敏感。该方法的一个好处是，由于应变引起的激子能量偏移（~10 GHz pm-1）比小的光学共振腔（~100 MHz pm-1）更加敏感约两个数量级，虽然后者也用于光谱转换。此外，GaAs是一种方便的材料，可将SAW以压电方式耦合到超导电路。
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图一、具有超导电路、表面声波谐振器（surface acoustic wave, SAW）和量子发射器的GaAs集成芯片 |
在作者构建的积体化结构中，InAs QD被夹在GaAs基板上制造的分布式布拉格反射器（distributed-Bragg-reflector, DBR）光学共振腔中。然后，对基板进行添加由超导铌（Nb）制成的SAW腔和叉指式换能（interdigitated transducers, IDTs）（如图二）。DBR和IDT结构皆针对3.6 GHz左右的微波频率而设计。IDT驱动SAW腔从微波光子产生光子。声子透过压电效应与来自InAs 量子点的光子进行相互作用。结果光学激发的量子点在散射光谱中表现出边带。
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图二、调制机制示意图。叉指式换能器（IDT）驱动表面声波（SAW）谐振器，从微波光子产生声子，此声子与光学光子经由量子发射器产生散射边带。 |
声子调制从量子点散射的光子，透过增加SAW频率来偏移它们的频率。为了确认执行单声子转导（transduction）的能力，激发激光通过一个SAW频率达到红失谐（red-detuned）。获得的边带光谱相对于激发频率变得不对称，指出光子散射过程一般会从SAW腔中失去光子。在低微波功率的限制下，共振光子计数与SAW功率成线性关系，验证了只有一个声子参与了散射过程。
这些结果不仅为量子转导，也为由量子发射器和光子-光子纠缠产生的声腔边带冷却打开了大门。
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参考资料： |
Noriaki Horiuchi, “Quantum phase modulator,” Nature Photonics 16, pages 478 (2022)
https://doi.org/10.1038/s41566-022-01034-7
DOI:10.1038/s41566-022-01034-7
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参考文献： |
Poolad Imany, et al., “Quantum phase modulation with acoustic cavities and quantum dots,” Optica 9,
pages 501–504 (2022)
https://doi.org/10.1364/OPTICA.451418
DOI: 10.1364/OPTICA.451418
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