1. Conception et principe de fonctionnement du SWED.  a) Principe de fonctionnement SWED et systèmes dorsaux: CR, circulateur à fibre;  CW, onde continue;  PD, photodiode;  WG, guide d'ondes;  WL, longueur d'onde;  États-Unis, échographie.  (b) Schéma d'un seul SWED.  La profondeur d'ondulation sur les côtés du réseau de Bragg est définie comme Δw, représentée en bas à droite.  BOX indique le substrat en oxyde de silicium du guide d'ondes en silicium.  (c) Photographie de la puce SOI avec la facette revêtue Au face à la source ultrasonore: US, onde ultrasonore.  (d) Micrographie en fond clair de la puce SOI prise perpendiculairement à l'axe optique des SWED: WG, guide d'ondes.  Barre d'échelle, 20 μm.  (e) Micrographie en fond clair de la puce SOI prise dans la direction de l'axe optique du SWED, avant l'application du revêtement Au.  Barre d'échelle, 20 μm.  (f) Profil normalisé de la composante horizontale du champ électrique (Ex) sur une surface de 1 × 1 μm.  Les lignes blanches pointillées indiquent les limites du guide d'ondes.  (g) Spectres de réflexion des SWED avec des profondeurs d'ondulation de 40 nm et 30 nm, comme défini en bas à droite du panneau (b).

Le détecteur à ultrasons électro-optique dépasse de loin la résolution piézoélectrique, la sensibilité

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Cet article a paru dans Electronic Design et a été publié ici avec permission.

Ce que vous apprendrez:

  • Qu’est-ce qu’un SWED?
  • Comment la conception SWED de l’équipe de recherche a considérablement amélioré l’imagerie.
  • Résultats des tests initiaux avec la conception SWED.

Le réseau bidimensionnel standard de capteurs piézoélectriques utilisé pour l’imagerie par ultrasons souffre du même compromis que de nombreuses autres technologies de réseau de détection: si vous réduisez la taille de l’élément pour améliorer la résolution, vous réduisez également la sensibilité. Maintenant, une équipe de recherche basée en Allemagne a mis au point un détecteur électro-optique à ultrasons silicium sur isolant (SOI) qui, selon elle, est non seulement le plus petit, mais offre également une résolution beaucoup plus grande avec une sensibilité supérieure. Les applications cibles comprennent le diagnostic clinique et la recherche biomédicale de base comme l’imagerie à super-résolution des cellules et la micro-vasculature dans les tissus.

L’équipe conjointe de Helmholtz Zentrum München et de l’Université technique de Munich (TUM) affirme que leur conception de résonateur optique à guide d’ondes en silicium-étalon (SWED) offre une sensibilité par zone de quatre ordres de grandeur (104) plus élevé que l’alternative ultra-petite des résonateurs optiques à micro-anneau. En plus de cela, ils disent ses huit ordres de grandeur (108) plus élevé que pour les détecteurs piézoélectriques standards de même taille (qui perdent en sensibilité proportionnellement au carré de réduction de taille de leur dimension de bord).

L’équipe a également démontré une bande passante acoustique ultra-large atteignant 230 MHz et effectué des tests d’imagerie basés sur ce détecteur à ultrasons. La zone de détection est environ 200 fois plus petite que la longueur d’onde ultrasonore utilisée, ce qui signifie qu’elle peut être utilisée pour visualiser des caractéristiques inférieures à un micromètre, conduisant ainsi à ce que l’on appelle une imagerie à super-résolution.

«La mesure dans laquelle nous avons pu miniaturiser le nouveau détecteur tout en conservant une sensibilité élevée grâce à l’utilisation de la photonique au silicium était époustouflante», déclare le professeur Vasilis Ntziachristos, qui a dirigé l’équipe de recherche.

«C’est la première fois qu’un détecteur plus petit que la taille d’une cellule sanguine est utilisé pour détecter des ultrasons à l’aide de la technologie photonique au silicium», explique Rami Shnaiderman, développeur de SWED. «Si un détecteur piézoélectrique était miniaturisé à l’échelle du SWED, il serait 100 millions de fois moins sensible.»

Au cœur du dispositif SOI de processus standard se trouve un 220- × 500 nm SWED (Fig. 1). (Un étalon – le «E» en SWED – est un interféromètre avec deux parallèles et des plaques de verre partiellement argentées séparées par une distance fixe; ses multiples réflexions produisent des spectres d’interférence qui peuvent être utilisés pour le réglage de la longueur d’onde des lasers ou comme filtre à bande étroite.) Ainsi, au lieu d’enregistrer les tensions des cristaux piézoélectriques, le SWED surveille les changements d’intensité lumineuse se propageant à travers les «circuits» photoniques miniaturisés.

1. Conception et principe de fonctionnement du SWED. a) Principe de fonctionnement SWED et systèmes dorsaux: CR, circulateur à fibre; CW, onde continue; PD, photodiode; WG, guide d’ondes; WL, longueur d’onde; États-Unis, échographie. (b) Schéma d’un seul SWED. La profondeur d’ondulation sur les côtés du réseau de Bragg est définie comme Δw, représentée en bas à droite. BOX indique le substrat en oxyde de silicium du guide d’ondes en silicium. (c) Photographie de la puce SOI avec la facette revêtue Au face à la source ultrasonore: US, onde ultrasonore. (d) Micrographie en fond clair de la puce SOI prise perpendiculairement à l’axe optique des SWED: WG, guide d’ondes. Barre d’échelle, 20 μm. (e) Micrographie en fond clair de la puce SOI prise dans la direction de l’axe optique du SWED, avant l’application du revêtement Au. Barre d’échelle, 20 μm. (f) Profil normalisé de la composante horizontale du champ électrique (Ex) sur une surface de 1 × 1 μm. Les lignes blanches pointillées indiquent les limites du guide d’ondes. (g) Spectres de réflexion des SWED avec des profondeurs d’ondulation de 40 nm et 30 nm, comme défini dans la partie inférieure droite du panneau (b).

En utilisant une couche métallique ultra-mince pour la réflexion plutôt que le réseau de Bragg habituel, ils ont pu placer la cavité optique à proximité immédiate de la facette d’extrémité du guide d’ondes. Cela permet une détection par ultrasons à travers sa section transversale, tandis que la finesse du miroir minimise également l’atténuation des ondes ultrasonores qui se propagent de la couche réfléchissante dans la cavité optique.

Pour vérifier les performances, ils ont fabriqué huit SWED sur une seule puce SOI mesurant 3 × 3 × 0,8 millimètre (Fig. 2) et utilisé une caractérisation de disposition de test et l’autre pour l’imagerie (Fig. 3). Pour l’imagerie, ils ont réalisé la tomographie d’un objet triangulaire «fantôme» constitué de trois sutures en polystyrène noir de diamètres 10, 30 et 50 µm.

2. Le dispositif de silicium sur isolant fabriqué mesure environ 3 × 6 mm et comporte huit détecteurs.  Les fines gravures noires sur la surface de l'appareil sont les circuits photoniques interconnectant les détecteurs.2. Le dispositif de silicium sur isolant fabriqué mesure environ 3 × 6 mm et comporte huit détecteurs. Les fines gravures noires sur la surface de l’appareil sont les circuits photoniques interconnectant les détecteurs.

3. a) Configuration de la caractérisation: un microscope inversé est couplé à une source laser pour une excitation opto-acoustique;  la puce SOI (CH) est montée dans une géométrie de trans-illumination et est balayée en trame sur l'échantillon placé sur la lamelle (CS) (étapes non représentées).  (b) Installation d'imagerie: la source laser pour l'excitation optoacoustique est couplée dans une fibre optique, qui illumine l'échantillon;  la puce est montée dans une géométrie d'éclairage en mode réflexion.  La lamelle contenant l'échantillon est balayée par trame tandis que la puce et la fibre d'éclairage (IF) sont stationnaires (étages non représentés).  Dans les deux configurations, l'interrogation SWED est effectuée par un laser à onde continue accordable: OBJ, objectif de microscope.3. a) Configuration de la caractérisation: un microscope inversé est couplé à une source laser pour une excitation optoacoustique; la puce SOI (CH) est montée dans une géométrie de trans-illumination et est balayée en trame sur l’échantillon placé sur la lamelle (CS) (étapes non représentées). (b) Installation d’imagerie: la source laser pour l’excitation optoacoustique est couplée dans une fibre optique, qui illumine l’échantillon; la puce est montée dans une géométrie d’éclairage en mode réflexion. La lamelle contenant l’échantillon est balayée par trame tandis que la puce et la fibre d’éclairage (IF) sont stationnaires (étages non représentés). Dans les deux configurations, l’interrogation SWED est effectuée par un laser à onde continue accordable: OBJ, objectif de microscope.

Ils ont éclairé cet objet avec un laser pulsé de 532 nm et une largeur d’impulsion de 0,9 ns ayant une fluence optique (énergie optique par unité de surface) de 2 mJ / cm2. Ils ont effectué deux balayages raster en utilisant différentes étapes de numérisation avec l’échantillon à une distance de 1,3 mm du SWED.

Le premier scan a été réalisé avec un pas de 100 μm couvrant une surface de 4 × 4 mm. Les trois sutures ont été clairement résolues et l’intensité la plus élevée a été observée pour les 50µm suture couchée sur les autres (Fig. 4). Le deuxième scan a été réalisé avec un pas de 50 μm sur une surface de 2 × 2 mm, pour un zoom avant.

4. Tomographie opto-acoustique en mode réflexion avec un SWED (Δw = 40 nm).  SWED-40 a été utilisé pour imager un fantôme construit à partir de trois sutures en polystyrène noir avec des diamètres de 10 μm (au milieu), 30 μm (en bas) et 50 μm (en haut).  La puce SOI était orientée à 45 degrés.  par rapport au fantôme.  (a) Projection d'intensité maximale reconstruite (MIP) d'un balayage raster du fantôme avec une taille de pas de 100 μm, couvrant une zone de 4 × 4 mm.  (b) PMI reconstituée de la zone délimitée par la ligne blanche en pointillés dans le panneau (a), numérisée avec un pas de 50 μm, couvrant une zone de 2 × 2 mm.  (c) Rendu volumétrique des données du panneau (b) sur une profondeur de 1 mm.4. Tomographie opto-acoustique en mode réflexion avec un SWED (Δw = 40 nm). SWED-40 a été utilisé pour imager un fantôme construit à partir de trois sutures en polystyrène noir avec des diamètres de 10 μm (au milieu), 30 μm (en bas) et 50 μm (en haut). La puce SOI était orientée à 45 degrés. par rapport au fantôme. (a) Projection d’intensité maximale reconstruite (MIP) d’un balayage raster du fantôme avec une taille de pas de 100 μm, couvrant une zone de 4 × 4 mm. (b) PMI reconstituée de la zone délimitée par la ligne blanche en pointillés dans le panneau (a), numérisée avec un pas de 50 μm, couvrant une zone de 2 × 2 mm. (c) Rendu volumétrique des données du panneau (b) sur une profondeur de 1 mm.

Le travail est décrit en détail dans leur article «Un résonateur silicium sur isolant submicrométrique pour la détection par ultrasons» publié dans La nature, ainsi que des informations supplémentaires qui fournissent une analyse quantitative et une modélisation du chemin acoustique et optique. Le papier principal est derrière un paywall, mais heureusement une copie ouverte est disponible ici.

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