Проект: Разработка интегрально-оптического преобразователя длины волны лазерного излучения для мобильного датчика вариабельности сердечного ритма

В результате выполнения работ по проекту будет создан интегрально-оптический преобразователь длины волны лазерного излучения из инфракрасного в зелёное с сохранением всех его характеристик. Продукт будет представлен в виде чипа в корпусе, обеспечивающем возможность ввода и вывода оптического излучения. По завершении проекта будут проведены математические исследования и практические эксперименты, результаты которых будут опубликованы в научных журналах и представлены на международных конференциях.

В последнее десятилетие сердечно-сосудистые заболевания остаются ведущей причиной смертности в России. Достижения в технологиях неинвазивных биосенсоров сделали возможным постоянный мониторинг физиологических показателей, что позволяет удалённо контролировать состояние здоровья. Одним из ключевых направлений исследований в области носимых устройств является мониторинг сердечно-сосудистых заболеваний для прогнозирования нарушений, таких как аритмия, тахикардия и другие. Для этих целей популярны оптические датчики частоты сердечных сокращений, которые получили широкое распространение благодаря развитию рынка умных часов и фитнес-браслетов, носимых на запястье. Эти устройства работают на основе принципа пульсоксиметрии: датчик излучает свет (в зелёном, красном или инфракрасном диапазоне) на кожу и измеряет интенсивность отражённого света. Интенсивность отражённого света зависит от объёма крови, поступающей в периферические сосуды. Зеленое излучение лучше поглощается кровью, что обеспечивает более высокую точность измерений пульса по сравнению с красным или инфракрасным излучением. Однако такие устройства, размещаемые на запястье, расположены далеко от сердца, и поскольку амплитуда пульсовой волны ослабевает по мере её распространения, теряется важная информация о вариабельности сердечного ритма (ВСР), которая является ключевым маркером состояния сердца. Исследования показывают, что использование лазерного излучения может значительно повысить чувствительность к изменениям параметров ВСР . Однако для применения лазерных источников света в мобильных устройствах необходимы компактность и низкое энергопотребление. Интегральные лазерные источники инфракрасного диапазона уже существуют и успешно применяются, в отличие от зелёных лазеров. Существующие зелёные лазеры имеют большие размеры и требуют значительных энергозатрат. Эту проблему можно решить, используя интегральный источник ИК-излучения и интегрально-оптический преобразователь длины волны, который позволяет преобразовать инфракрасное лазерное излучение в зелёное с сохранением его свойств. 1. Kranjec J. et al. Non-contact heart rate and heart rate variability measurements: A review //Biomedical signal processing and control. – 2014. – Т. 13. – С. 102-112. 2. Zhan X. et al. Research on the Measurement of Heart Rate Based on LD Laser and Multimode Fiber //2020 IEEE 5th Optoelectronics Global Conference (OGC). – IEEE, 2020. – С. 200-203. 3. Antognoli L. et al. Heartbeat detection by laser doppler vibrometry and machine learning //Sensors. – 2020. – Т. 20. – №. 18. – С. 5362. 4. Ritto P. A., Contreras J. G., Alvarado-Gil J. J. Monitoring of heartbeat by laser beam reflection //Measurement Science and Technology. – 2003. – Т. 14. – №. 3. – С. 317.

Предметом исследования и разработки является фотонная интегральная схема, реализующая преобразование лазерного излучения с ближнего ИК-диапазона в излучение видимого диапазона зеленого спектра.

При проведении теоретических исследований будут применены современные методы математического, численного и имитационного моделирования, информационные технологии, включающие пакеты прикладных программ. Формирование макета интегрально-оптического преобразователя будет осуществляться с использованием методов сканирующей лазерной и электронно-лучевой литографии, электронно-лучевого напыления, плазмохимического осаждения и травления, жидкостного травления, высокочастотного магнетронного распыления и бондинга. Использование фото- и электронной литографии позволяет реализовывать элементы топологии с минимальным размером менее 100 нм. Плазмохимическое травление позволяет проводить операцию анизотропного травления как металлических, так и диэлектрических пленок. Формирование тонких металлических пленок будет проводиться методами электронно-лучевого и магнетронного распыления. Формирование тонких диэлектрических пленок будет осуществляться методами электронно-лучевого, магнетронного и плазмохимического осаждения. Изменение технологических параметров процессов осаждения позволит изменять механические, оптические и электрические свойства данных плёнок. Свойства формируемых структур будут оцениваться методами контактной и бесконтактной профилометрии, энергодисперсионным анализом, сканирующей электронной, а также оптической микроскопией. Морфология поверхности и внутренние механические напряжения могут быть оценены при помощи оптической или стилусной профилометрии. Элементный анализ и составление элементных карт может быть выполнено с помощью энерго-дисперсионной спектроскопии. Визуальный контроль выполняется с помощью оптической и элеткронной микроскопии. Экспериментальное исследование тестирование разрабатываемых фотонных интегральных схем, а также его отдельных составных частей будет реализовано на кристалле при помощи зондовой станции, векторного анализатора цепей, генераторов сигнала, генераторов оптического сигнала, измерителей мощности, источников питания и т.д.

Для бесконтактного измерения частоты сердечных сокращений используются оптические сенсоры. Эти устройства применяют источники излучения с длиной волны в зелёном, красном и инфракрасном диапазонах. Зеленое излучение лучше поглощается кровью, что обеспечивает более высокое соотношение сигнал/шум и, соответственно, более точное измерение частоты сердечных сокращений по сравнению с красным или инфракрасным светом. Однако такие датчики способны фиксировать только базовые импульсы сердцебиения и не могут использоваться для мониторинга развития патологий сердечно-сосудистой системы. Для своевременной диагностики заболеваний необходима информация о вариабельности сердечного ритма (ВСР). Исследования показывают, что использование лазерного излучения повышает чувствительность и устойчивость сенсоров к механическим сдвигам. С помощью лазерного излучения можно измерять не только частоту сердечных сокращений, но и ВСР, что важно для мониторинга сердечно-сосудистых заболеваний вне клинических условий. Однако современные технологии пока не позволяют создать компактные и энергоэффективные лазеры в зелёном диапазоне. Для получения источника зелёного лазерного излучения возможно создание преобразователя длины волн, который генерирует зелёное излучение из ИК с сохранением его свойств. Это позволит создать компактный источник как зелёного, так и инфракрасного излучения, что откроет возможности для разработки носимых датчиков вариабельности сердечного ритма.

Все участники проектной группы имеют продолжительный опыт в исследовании и разработке фотонных интегральных схем. Членами команды проведено большое количество исследований в области интегральной фотоники. На момент июля 2024 года, исследования подтверждены следующими публикациями: А.С. Мырзахметов, Д.М. Моховиков, А.А. Гуляева, Модовый анализ различных типов волноводов на основе ТНЛНИ X-среза // XIX Электронные средства и системы управления: материалы докладов XIХ Международной научно-практической конференции, г. Томск, 15–17 ноября 2023 г., Ч.1. – С. 81 – 84. Гуляева А.А., Кулинич И.В., Согомонянц А.А., Мырзахметов А.С. Исследование и разработка фотонно-кристаллического волновода с изгибом на 60 на основе тонкопленочного LiNbO3 на изоляторе // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы [Электронный ресурс]: Материалы XXIX Международного симпозиума. г. Томск, 26-30 июня 2023г., -Томск Изд-во ИОА СО РАН, 2023. A. A293-A297. ISBN 978-5-94458-196-9. Numerical Simulation of Grating Input/Output Elements into Optical Waveguides Based on Si3N4/SiO2 Thin Films / Evgenij S Barbin, Ivan V Kulinich, Aleksej N Koleda, Ayan Myrzakhmetov, Anton Perin // 2023 IEEE 24th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), Novosibirsk, Russian Federation, 2023, pp. 860-863. https://doi.org/10.1109/EDM58354.2023.10225188. Angelina A. Guliaeva, Ivan V. Kulinich, Alina A. Sogomonyants, Ayan S. Myrzahmetov. Research and development of a photonic-crystal waveguide with a 60° bend based on thin-film LiNbO3 on an insulator // Proceedings Volume 29th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 1278009 (2023) https://doi.org/10.1117/12.2688240 Моховиков Д.М., Гуляева А.А., Кулинич И.В., Таловская А.А., Мырзахметов А.С. Интегрально – оптический конвертор поляризации на основе Si3N4 // Наноиндустрия. 2023. – В. 7 – 8. doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.456.461 Evgenij S. Barbin, Tamara G. Nesterenko, Aleksej N. Koleda, Ayan Myrzakhmetov, Ivan V. Kulinich, Denis M. Mokhovikov, Modeling the Efficiency of an Edge Coupler with a Si3N4-based Taper // 2024 IEEE 25th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), Altai Republic, Russia, 28 June – 2 July 2024. А.С. Мырзахметов, Д.М. Моховиков, А.А. Гуляева, Модовый анализ различных типов волноводов на основе ТНЛНИ X-среза // XIX Электронные средства и системы управления: материалы докладов XIХ Международной научно-практической конференции, г. Томск, 15–17 ноября 2023 г., Ч.1. – С. 81 – 84. Гуляева А.А., Кулинич И.В., Согомонянц А.А., Мырзахметов А.С. Исследование и разработка фотонно-кристаллического волновода с изгибом на 60 на основе тонкопленочного LiNbO3 на изоляторе // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы [Электронный ресурс]: Материалы XXIX Международного симпозиума. г. Томск, 26-30 июня 2023г., -Томск Изд-во ИОА СО РАН, 2023. A. A293-A297. ISBN 978-5-94458-196-9. Numerical Simulation of Grating Input/Output Elements into Optical Waveguides Based on Si3N4/SiO2 Thin Films / Evgenij S Barbin, Ivan V Kulinich, Aleksej N Koleda, Ayan Myrzakhmetov, Anton Perin // 2023 IEEE 24th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), Novosibirsk, Russian Federation, 2023, pp. 860-863. https://doi.org/10.1109/EDM58354.2023.10225188. Angelina A. Guliaeva, Ivan V. Kulinich, Alina A. Sogomonyants, Ayan S. Myrzahmetov. Research and development of a photonic-crystal waveguide with a 60° bend based on thin-film LiNbO3 on an insulator // Proceedings Volume 29th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 1278009 (2023) https://doi.org/10.1117/12.2688240 Моховиков Д.М., Гуляева А.А., Кулинич И.В., Таловская А.А., Мырзахметов А.С. Интегрально – оптический конвертор поляризации на основе Si3N4 // Наноиндустрия. 2023. – В. 7 – 8. doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.456.461 Evgenij S. Barbin, Tamara G. Nesterenko, Aleksej N. Koleda, Ayan Myrzakhmetov, Ivan V. Kulinich, Denis M. Mokhovikov, Modeling the Efficiency of an Edge Coupler with a Si3N4-based Taper // 2024 IEEE 25th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), Altai Republic, Russia, 28 June – 2 July 2024. Также, по теме проекта была написана магистерская работа и защищена на государственной диссертационной комиссии с оценкой отлично.

На 2024 год на рынке представлено множество оптических преобразователей длин волн, основанных на генерации второй гармоники в оптически нелинейных средах. ORIA vis femtosecond SHG Module Эффективность преобразования: 40% Максимальная мощность преобразуемого излучения: ~400 мВт Диапазон длин волн входящего излучения: 990-1550 нм Диапазон длин волн выходящего излучения: 445-775 нм Конструктивное исполнение: объемная сборка Стоимость: от 15 000 долларов США Страна-производитель: Испания GWU-Lasertechnic UHG Series Эффективность преобразования: 40% Максимальная мощность преобразуемого излучения: ~800 мВт Диапазон длин волн входящего излучения: 680-1300 нм Диапазон длин волн выходящего излучения: 340-650 нм Конструктивное исполнение: объемная сборка Стоимость: от 23 000 долларов США Страна-производитель: Германия Авеста ASG Эффективность преобразования: 30% Максимальная мощность преобразуемого излучения: 10 Вт Диапазон длин волн входящего излучения: 720-1600 нм Диапазон длин волн выходящего излучения: 360-800 нм Конструктивное исполнение: объемная сборка Стоимость: от 2 000 000 рублей Страна-производитель: Россия Разрабатываемое устройство: Интегрально-оптический преобразователь Эффективность преобразования: 70% Максимальная мощность преобразуемого излучения: 2,5 мВт Диапазон длин волн входящего излучения: 1000-1130 нм Диапазон длин волн выходящего излучения: 500-565 нм Конструктивное исполнение: чип с фотонной интегральной схемой Главным конкурентным преимуществом создаваемого продукта является его конструктивное исполнение в виде компактного чипа с фотонной интегральной схемой. В отличие от объемных сред для генерации второй гармоники, волноводные структуры из тонких плёнок с нелинейно-оптическими свойствами обеспечивают более эффективное взаимодействие излучения со средой. Это связано с локализацией мощности излучения в волноводной моде. Кроме того, разрабатываемый продукт будет работать с маломощным оптическим излучением, что является дополнительным преимуществом для определённых медицинских приложений, включая использование в составе датчика для мониторинга вариабельности сердечного ритма.