Silizium-Photonik Fünf Beispiele für Elektronik und Photonik in der Medizin

Dank der Silizium-Photonik lassen sich lithographisch einzelne Bausteine und komplette photonische Systeme auf einen Siliziumwafer drucken. Laser, Sensoren und integrierte photonische Schaltungen. Fünf Beispiele aus der Medizintechnik.

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Laser in der Spektroskopie: Der hybride Chip auf Basis von Silizium-Photonik und III-V-Gain-Materialien misst nur wenige Millimeter. Mit der Silizium-Photonik lassen sich Laser- und Sensorsysteme oder integrierte Photonische Schaltungen (PICs – Photonic integrated Circuits) auf Chips integrieren.
Laser in der Spektroskopie: Der hybride Chip auf Basis von Silizium-Photonik und III-V-Gain-Materialien misst nur wenige Millimeter. Mit der Silizium-Photonik lassen sich Laser- und Sensorsysteme oder integrierte Photonische Schaltungen (PICs – Photonic integrated Circuits) auf Chips integrieren.
(Bild: Imec)

Die Silizium-Photonik (Silicium Photonics) kombiniert integrierte Halbleiterschaltungen zusammen mit dem Halbleiterlaser. Elektronik mit Silizium und Photonik findet sich unter anderem in medizinischen Geräten wie Herzschrittmachern oder Sauerstoffmessgeräten, den Oximetern.

Noch keine 20 Jahre ist es her, als die Silizium-Photonik noch ein rein akademisches Thema war. Mittlerweile ist sie ausgereift und bietet viele Bibliotheken von Komponenten wie Wellenleitern, Ringresonatoren und Multiplexern.

In der Industrie findet sich die Photonik in Anwendungen wie Lidar und Quantencomputing. In der Welt der Medizintechnik verhalf die Photonik dazu, dass medizinische Instrumente kompakter und leistungsfähiger wurden.

Kompakte photonische Schaltkreise

Weltweit arbeiten Forscher daran, die photonischen Schaltkreise weiter zu verbessern. Dazu gehört es, photonische Schaltkreise intelligent zu gestalten, spezifische photonische Komponenten verstärkt zu integrieren aber auch neue Materialien zu verwenden, damit das Spektrum an Wellenlängen erweitert werden kann.

Leiterbahnen auf einem Siliciumdioxid-Träger transportiert Licht mit Wellenlängen von 1 bis 3 µm.

Je nach dem verwendten Licht einer medizinischen Anwendung können verschiedene Arten von Silizium-Photonik mit Silizium-, Siliziumnitrid- oder Germanium-Wellenleitern verwendet werden.
Je nach dem verwendten Licht einer medizinischen Anwendung können verschiedene Arten von Silizium-Photonik mit Silizium-, Siliziumnitrid- oder Germanium-Wellenleitern verwendet werden.
(Bild: Imec)

Nutzen Anwendungen Licht mit kürzeren Wellenlängen ist es besser, die Leiter aus Siliziumnitrid (SiN) zu verwenden. Für längere Wellenlängen nutzt man Leiter aus Germanium (Ge). Für medizinische Anwendungen eignet sich SiN-basierte Technik, denn bei diesen Anwendungen verwendet man Licht im sichtbaren Spektrum und ist auf sehr geringe Verluste angewiesen.

Fünf Beispiele für medizinische Anwendungen

Photonische Schaltungen für die optische Kohärenztomographie.
Photonische Schaltungen für die optische Kohärenztomographie.
(Bild: Imec)

Optische Kohärenztomographie (OCT) [1]: vom Tischgerät zum Handheld-Gerät: Bei OCT handelt es sich um ein nicht-invasives bildgebendes Verfahren, bei dem Lichtwellen verschiedene Gewebeschichten visualisiert. Es wird in der Kardiologie und der Dermatologie eingesetzt, am weitesten verbreitet ist es in der Augenheilkunde, um die Netzhaut zu untersuchen. Es ist ein wichtiges Instrument für die Diagnose und Behandlung von Glaukom, Makuladegeneration und diabetischer Augenkrankheit.

Aktuelle OCT-Scanner sind teuer und recht groß. Ersetzt man die Optik durch kompaktere photonische Komponenten, lassen sich die Geräte mit einer Hand benutzen und sie sind zudem schneller und kostengünstiger. Damit sind Anwendungen für die Point-of-Care-Diagnostik möglich und es lassen sich Neugeborene, Kinder, bettlägerige ältere Menschen behandeln aber auch die Ferndiagnose ist möglich.

Seit dem Jahr 2010 forscht das Imec an der Silizium-Photonik für handgeführte OCTs. Entstanden ist ein miniaturisiertes Interferometer auf der Basis von photonischen Wellenleitern. Interferometer sind ein wesentlicher Teil eines OCTs. Eine breitbandige Lichtquelle, beispielsweise eine superlumineszente Diode misst zusammen mit einem Spektrometer optische Interferenzsignale.

Die jüngsten Arbeiten auf dem Gebiet der Photonik für OCT erfolgen im Rahmen des europäischen Projekts „Handheld Optical Coherence Tomography“. Das Gemeinschaftsprojekt mit Carl Zeiss befasst sich mit der monolithischen Integration von Siliziumnitrid-Lichtwellenleitern, Germanium-Photodioden und Mikrooptiken. In diesem Projekt liegt der Schwerpunkt auf der hybriden Integration einer neuartigen kompakten akinetischen Vollhalbleiter-Swept-Source, die eine Schlüsselkomponente von Swept-Source-OCTs ist. Sie sind schneller und bieten eine größere Abbildungstiefe als OCTs im Spektralbereich.

Sensor misst den Blutzucker des Menschen

Ein phtonischer Spektrometer auf einem Chip, um Biomarker bei Diabetikern nachzuweisen. Auf der rechten Seite ist ein Modell der Anwendung.
Ein phtonischer Spektrometer auf einem Chip, um Biomarker bei Diabetikern nachzuweisen. Auf der rechten Seite ist ein Modell der Anwendung.
(Bild: Indigo)

Unter die Haut: ein komplettes System zur Blutzuckermessung [2]: Das belgische Start-up Indigo wurde 2016 als Spin-off der Universität Gent und des Imec gegründet. In seiner ersten klinischen Studie implantierte das Unternehmen seinen integrierten photonischen Sensor in Patienten.

Der Multi-Metabolit-Sensor ist ein Spektrometer auf einem Chip, das den Glukose-, Keton- und Laktatspiegel bei Menschen mit Diabetes misst. Dabei befindet sich der Sensor unter der Haut und misst kontinuierlich. Ein externes System zur Überwachung ist nicht notwendig. Der Spektrometerchip misst das absorbierte Licht unter der Haut, um die Konzentration mehrerer Stoffwechselprodukte zu erkennen. Über einen Akku wird der Sensor mit Energie versorgt.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen erkennen

Mit dem Prototyp lassen sich Herz-Kreislauf-Erkrankungen (links) diagnostizieren. Auf der rechten Siete ist das Layout des photonischen Chips.
Mit dem Prototyp lassen sich Herz-Kreislauf-Erkrankungen (links) diagnostizieren. Auf der rechten Siete ist das Layout des photonischen Chips.
(Bild: Imec)

Im Rahmen des europäischen Projekts CARDIS haben neun Forschungspartner den Prototypen eines medizinischen Geräts entwickelt, mit dem sich die Steifigkeit der Arterien untersuchen lässt. Über diese Steifigkeit lassen sich Herz-Kreislauf-Erkrankungen [3] feststellen. Dazu gehören Arterienverengung und Herzinsuffizienz.

Das handgeführte Gerät enthält einen Silizium-Photonic-Chip. In diesem Chip integriert sind die Funktionen eines Multi-Beam Laser Vibrometers. Ein Laser mit geringer Leistung wird über die Haut gerichtet, wo sich die zu untersuchende Arterie befindet. Aus der Dopplerverschiebung des reflektierten Strahls werden die Schwingungsamplitude und -frequenz der Haut extrahiert, die durch den Herzschlag verursacht werden. Das Gerät verfügt über zwei Reihen von sechs Strahlen, wodurch mehrere Punkte auf der Haut über der Arterie parallel gescannt werden können.

Photonische Biosensoren für die Diagnostik

Auf dem Wafer befinden sich Biosensoren.
Auf dem Wafer befinden sich Biosensoren.
(Bild: Imec)

Imec hat zusammen mit dem US-Tech-Unternehmen Genalyte Biosensoren entwickelt. Die Chips enthalten bis zu 128 firmeneigene Ringresonator-Sensoren, die Genalyte chemisch behandelt hat. Mit den Biosensoren lassen sich spezielle Moleküle [4] nachweisen. Die Fertigung lässt sich günstiger gestalten, indem mit biokompatibler Passivierung die Sensoren auf einen 200-mm-Wafer aufgetragen wurden. Damit das Infrarotlicht sich mit den Diagnosegeräten von Genalyte koppelt, verwendet man einen On-Chip-Gitterkoppler.

Fluoreszenzmikroskopie für Biologie und Medizin

Das Konzept des Fluoreszenzmikroskops auf einem Chip. Die Beleuchtungsspots werden im photonischen Schaltkreis erzeugt. Der Imager nimmt ein Signal auf, wenn das Licht den Leuchtstoff anregt.
Das Konzept des Fluoreszenzmikroskops auf einem Chip. Die Beleuchtungsspots werden im photonischen Schaltkreis erzeugt. Der Imager nimmt ein Signal auf, wenn das Licht den Leuchtstoff anregt.
(Bild: Imec)

Sogenannte Fluoreszenzmikroskope für biologische und medizinische Analysen sind in der Regel teure und sperrige Geräte. Zudem ist ein qualifizierter Bediener notwendig. In einem nächsten Schritt sollen Mikroskope entstehen, die hochauflösend sind und auf einem einzigen Chip passen. Damit werden die Mikroskope auch kleiner und preiswerter.

Nachdem Imec eine kompakte On-Chip-Technik für die Hellfeldmikroskopie entwickelt hat, arbeitet das Unternehmen an der Fluoreszenzmikroskopie [5]. Diese kommt für die DNA-Sequenzierung, die biologische Forschung oder bei Medikamententests zum Einsatz. Dank der Photonik auf dem Chip lassen sich Lichtinterferenzmuster für die hochauflösende Fluoreszenzanregung erzeugen. Die Arbeit erfolgt im Rahmen eines ERC Starting Grant-Projekts IROCSIM.

Das Mikroskop enthält einen Bildsensor (ein Pixel-Array), der mit einem integrierten photonischen Schaltkreis aus Wellenleitern und Phasenmodulatoren versehen ist. Letztere bilden fokussierte Beleuchtungsspots, um die Fluorophore in der Probe selektiv anzuregen. Anders als bei einem konfokalen Mikroskop, das traditionell mit einem einzigen Fokuspunkt arbeitet, werden viele Spots gleichzeitig erzeugt und gescannt.

Da der integrierte photonische Schaltkreis, in dem die Spots erzeugt werden, sehr nahe am Bildsensor liegt, ist die numerische Apertur des On-Chip-Mikroskops hoch. Der Chip stellt eine Hochdurchsatz-Alternative zur herkömmlichen Mikroskopie dar, insbesondere für Anwendungen im Zusammenhang mit der Sequenzierung oder der Zellbildgebung für die Arzneimittelentwicklung.

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