超宽光谱量子点光源的研制及在光学相干层析成像领域的应用研究

Optical coherence tomography (OCT) is a recently developed, noninvasive technology that provides three–dimensional images of biological subsurface tissue structure, which has been widely applied to many medical specialties, ranging from ophthalmology to gastroenterology. As the axial resolution and the penetration depth of the OCT images are determined by the bandwidth and power of the light source, so broadband light source is the most crucial element for such system. The development of broadband light sources for obtaining ultrahigh resolution OCT will significantly improve the clinical utility of OCT imaging, and hence bringing significant improvement in quality of life to many people worldwide. In this project, the research will focus on the MBE epitaxy growth, selective area post-growth intermixing process and multi-section device fabrication process of quantum dot based broadband light sources, and the application of the obtained broadband light sources in ultra-high resolution OCT system.

光学相干层析成像技术（OCT）以其高分辨率、非接触、无辐射损伤等优点被广泛地应用于临床眼科诊断、癌症诊断、心血管成像、皮肤诊断等多个领域。宽谱光源是OCT系统的一个最核心的部分，光源的谱宽和功率决定着OCT成像的空间分辨率、成像速度和深度等。超高分辨率（< 2微米）的OCT系统会得到亚细胞尺寸的、高分辨率的人体细胞组织成像，对医疗应用中迅速和准确地诊断和预防疾病有着决定性的作用。本项目申请旨在利用宽光谱自组织量子点材料作为增益介质，采用多层、每层量子点结构各异的量子点结构和量子点与量子阱混合的外延材料结构，并结合过生长选择区域退火工艺及多接触电极等多种的器件结构来实现0.9微米至1.4微米波段的，室温3dB半宽不小于250纳米的宽光谱发光光源。项目将对包括宽光谱量子点材料的分子束外延生长、材料结构和光学性质、宽光谱光源制备、宽谱光源在OCT系统的应用等在内的所有环节进行研究。

半导体超辐射宽谱光源兼有激光器的高功率和发光二极管的宽光谱特性，是光学相干层析成像系统（OCT）的理想核心光源，光源的谱宽和功率决定着OCT成像的空间分辨率、成像速度、成像深度等。但是受限于目前传统量子阱光源本身的特性，很难同时实现高分辨率、高稳定性的OCT系统。自组织量子点材料因其固有的大的尺寸离散分布性而具有更宽的光增益谱，同时它的基态的态密度小、易于饱和的特点可以有效地解决传统超辐射发光管制作过程中输出功率和光谱宽度相互制约的问题，是制备宽谱光源的理想材料。虽然相比量子阱超辐射光源，目前量子点超辐射光源在输出光谱上有了几十纳米的谱宽的增加，达到了一百纳米左右，但仍很难满足超高分辨率OCT系统对于宽谱光源的要求。分辨率达到1微米的OCT系统要求系统宽谱光源的谱宽至少达到250纳米。针对这一科学问题，本项目分别通过探索、优化基于GaAs基量子点材料结构的分子束外延生长工艺，将InGaAs量子阱与多层InAs量子点垂直外延结合在一起，耦合了阱与点的共同发光特性拓宽输出光谱；优化过生长选择区域退火工艺、利用退火程度对盖层材料的强烈依赖关系，有效地调控量子点材料的发光波长及谱宽，在垂直于外延方向把不同量子点发光耦合起来拓宽输出光谱；优化单接触电极及多接触电极器件制备工艺，结合材料外延生长及退火工艺研制出了发光中心波长在0.9微米至1.4微米波段的宽光谱量子点超辐射发光光源。器件室温下输出光谱3dB半宽大于250纳米，输出功率为2.4毫瓦，改变电流注入条件后输出功率可以达到5毫瓦以上；另外通过对量子点材料进行p型掺杂，制备了高功率的超辐射发光管，最高输出功率超过20毫瓦。本项目采用了自主设计的量子点外延结构，成功研制出了可以满足超高分辨率OCT系统要求的量子点超辐射宽谱光源。采用此宽谱光源，OCT系统的分辨率可达到1微米左右，便可实现对人体单一细胞内部的观察，对医疗应用中迅速和准确地诊断和预防疾病有着决定性的作用，具有重要的临床意义。