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發行人：吳育任所長 編輯委員：曾雪峰教授 主編：林筱文 發行日期：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
臺灣大學光電所 李翔傑教授
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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論文題目：超寬頻掃頻摻鈦藍寶石晶體光纖雷射研究
姓名：林裕展
指導教授：黃升龍教授
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掃頻雷射做為光源已經被廣泛的應用在光學同調斷層掃描術上，由於其掃頻速度極限跟增益介質的輻射生命期及雷射腔體的往返時間有關，因此，多數研究團隊利用輻射生命期為奈秒等級的半導體光放大器為掃頻雷射的增益介質。但由於半導體光放大器的波長多為紅外光區，且可調帶寬為100奈米附近，其所提供的縱向解析度很難達到細胞級解析度。本論文使用可調波長從650奈米到1100奈米的摻鈦藍寶石晶體光纖為增益介質，且摻鈦藍寶石的發射光譜處於低組織散射及水吸收較小的區域，加上其放光頻譜近似高斯，因此非常適用於光學同調斷層掃描術。由於晶體光纖結構擁有高度的表面積對體積的比例，可以有效提高散熱能力，憑藉此摻鈦藍寶石晶體光纖的低信號傳播損耗及高散熱能力，本論文成功實現掃頻重複率1200赫茲且掃頻帶寬為250奈米的超寬頻掃頻雷射。並藉由分析掃頻雷射的鬆弛震盪，可以計算出雷射腔體內的損耗，其數值與理論模擬結果符合。此掃描雷射可以產生0.018奈米的瞬時線寬，其對應當能量降為一半時的同調掃描深度為7毫米。如將這掃頻雷射使用於掃頻式光學同調斷層掃描時，將可以實現1.8微米的縱向解析度。然而，由於本實驗所使用的增益介質為多橫模的摻鈦藍寶石晶體光纖，因此所實現的掃頻雷射輸出模態為多橫模雷射，此特性將嚴重地影響其應用於各種系統的可行性，為此將單模光纖導入雷射腔內以消除高階橫模，本論文成功地實現單橫模輸出的超寬頻掃頻雷射。
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圖一、掃頻雷射特性
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圖二、掃頻雷射單橫模輸出
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資料提供：影像顯示科技知識平台 (DTKP, Display Technology
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整理：林晃巖教授、吳思潔 —
量子相位調制器
將從微波區域中的單光子到光學區域的信息轉換，是實現超導量子處理器遠程網絡的一項基本任務。然而，由於光子能量的差異超過五個數量級，這種轉換在技術上具有挑戰性。現在，美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）和美國科羅拉多大學的Poolad Imany及其同事報告了一種積體化晶片尺度的解決方案，該解決方案與以千兆赫茲調制速度編碼的訊息兼容。該團隊將超導電路、表面聲波（surface acoustic wave, SAW）諧振器和量子發射器集成到GaAs晶片（如圖一）中，以產生有效的電光交互作用，並觀察單光子的千兆赫茲的強調制作用（Optica 9, 501–504; 2022）。
微波到光學轉換的關鍵是使用InAs量子點（quantum dots, QDs），它既可用作單光子發射器，也可用作換能器 （transducer），因為它們對晶體中的局部應變很敏感。該方法的一個好處是，由於應變引起的激子能量偏移（~10 GHz pm-1）比小的光學共振腔（~100 MHz pm-1）更加敏感約兩個數量級，雖然後者也用於光譜轉換。此外，GaAs是一種方便的材料，可將SAW以壓電方式耦合到超導電路。
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圖一、具有超導電路、表面聲波諧振器（surface acoustic wave, SAW）和量子發射器的GaAs集成晶片
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在作者構建的積體化結構中，InAs QD被夾在GaAs基板上製造的分佈式布拉格反射器（distributed-Bragg-reflector, DBR）光學共振腔中。然後，對基板進行添加由超導鈮（Nb）製成的SAW腔和叉指式換能（interdigitated transducers, IDTs）（如圖二）。DBR和IDT結構皆針對3.6 GHz左右的微波頻率而設計。IDT驅動SAW腔從微波光子產生光子。聲子透過壓電效應與來自InAs 量子點的光子進行相互作用。結果光學激發的量子點在散射光譜中表現出邊帶。
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圖二、調制機制示意圖。叉指式換能器（IDT）驅動表面聲波（SAW）諧振器，從微波光子產生聲子，此聲子與光學光子經由量子發射器產生散射邊帶。
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聲子調制從量子點散射的光子，透過增加SAW頻率來偏移它們的頻率。為了確認執行單聲子轉導（transduction）的能力，激發雷射光通過一個SAW頻率達到紅失諧（red-detuned）。獲得的邊帶光譜相對於激發頻率變得不對稱，指出光子散射過程一般會從SAW腔中失去光子。在低微波功率的限制下，共振光子計數與SAW功率成線性關係，驗證了只有一個聲子參與了散射過程。
這些結果不僅為量子轉導，也為由量子發射器和光子-光子糾纏產生的聲腔邊帶冷卻打開了大門。
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參考資料： |
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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參考文獻： |
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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