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All-Optical Ultrasound Detection Using Optical Microring Resonators and Optical Dual Frequency Combs

Ahmed Sami Bahgat Abdelaziz

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

Diagnostic ultrasound imaging is a widely used non-invasive diagnostic technique that pro-vides real-time imaging of internal structures and organs in the body using high-frequency acoustic waves. Piezoelectric transducers are commonly employed in ultrasound imaging due to their simplicity and low power consumption, and they have played a significant role in the advancement of imaging capabilities. However, the use of a large number of piezoelectric elements working simultaneously for high frame rate ultrasound imaging has posed challenges in terms of electronic complexity and data handling limitations. To address these challenges, researchers have explored alternative transducers based on different physics and operating theories, including on-chip optical microresonators such as microring resonators. Microring resonators offer several advantages that make them promising ultrasound detectors, including small dimensions, high sensitivity, and immunity to electromagnetic interference noise. This thesis presents the design, fabrication, and implementation of an all-optical ultrasound receiver formed of an array of microring resonators. The dynamic characteristics of this receiver make it suitable for various acoustic applications such as conventional ultrasound imaging and ultrafast dynamic imaging. The on-chip array of microring resonators is coupled to a single bus optical waveguide, reducing the required number of channels compared to traditional configurations. When the microring resonator is perturbed by an ultrasound wave, its cavity parameters change, leading to a detectable shift in the resonance spectrum. Parallel signal interrogation was achieved using dual optical frequency combs generated by two electrooptic modulators. This technique generates a spectrum of mutually coherent, frequency-equidistant single-mode emission, enabling efficient sampling of the large array of transducers. A balanced heterodyne detection scheme is used for low-noise and high-sensitivity measurements. We investigate the theoretical and simulation aspects associated with this all-optical receiver. In addition to simulating the optical wave behavior within the microring resonators, we develop an algorithm for selecting suitable ring radii within the array to optimize both optical and acoustic performances, as well as ultrasound sensitivity. We explore the theoretical design of the dual optical frequency comb, emphasizing key parameters in the system, and simulate the down-conversion of the optical signal to the radio frequency (RF) domain using the heterodyne detection technique, which ensures reliable signal processing. The analysis of simulated signals involves two signal processing techniques: short-time Fourier transform and down-conversion to baseband.

Résumé

L’imagerie ultrasonique est une technique de diagnostique non-invasivet répandue qui permet d’obtenir une image en temps réel des structures internes et des organes du corps à l’aide d’ondes acoustiques à haute fréquence. Les transducteurs piézoélectriques sont couramment utilisés dans l’imagerie par ultrasons en raison de leur simplicité et de leur faible consommation d’énergie, et ils ont joué un rôle important dans l’amélioration des capacités d’imagerie. Cependant, l’utilisation simultanée d’un grand nombre d’éléments piézoélectriques pour l’imagerie ultrasonore à haute fréquence pose des problèmes en termes de complexité électronique et de limitation du traitement des données. Pour relever ces défis, les chercheurs ont exploré des transducteurs alternatifs basés sur différent phénomènes physiques, y compris des transducteurs optiques sur puce tels que les résonateurs à micro-anneaux. Les résonateurs à micro-anneaux offrent plusieurs avantages qui en font des transducteurs à ultra-sons prometteurs, notamment dû aux dimensions réduites, une sensibilité élevée ainsi qu’un immunité aux bruits d’interférence électromagnétique. Cette thèse présente la conception, la fabrication et la mise en œuvre d’un récepteur à ultrasons entièrement optique comprenant un réseau de résonateurs à micro-anneaux. Les caractéristiques dynamiques de ce récepteur le rendent adapté à diverses applications acoustiques telle que l’imagerie ultrasonore classique et l’imagerie dynamique ultrarapide. Le réseau de résonateurs à micro-anneaux sur puce est couplé à un seul guide d’onde bus, ce qui réduit le nombre de canaux requis par rapport aux configurations traditionnelles. Lorsque le résonateur à micro-anneaux est perturbé par des ultrasons, les paramètres de sa cavité changent, ce qui entraîne un déplacement détectable du spectre de résonance. La mesure des signaux en parallèler est réalisée à l’aide de deux peignes de fréquence optiques générés par deux modulateurs électro-optiques. Cette technique génère duex spectres monomodes mutuellement cohérents et équidistants en fréquence, ce qui permet un échantillonnage efficace du grand réseau de transducteurs. Une détection hétérodyne est utilisée pour des mesures à faible bruit et à haute sensibilité. Nous étudions les aspects théoriques et de simulation associés à ce récepteur entièrement optique. Outre la simulation du comportement des ondes optiques dans les résonateurs à micro-anneaux, nous développons un algorithme pour sélectionner les rayons d’anneau appropriés dans le réseau afin d’optimiser à la fois les performances optiques et acoustiques, ainsi que la sensibilité aux ultrasons.

Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Yves-Alain Peter, Jean Provost and Denis Seletskiy
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/55849/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 11 Mar 2024 14:10
Last Modified: 05 Apr 2024 23:36
Cite in APA 7: Abdelaziz, A. S. B. (2023). All-Optical Ultrasound Detection Using Optical Microring Resonators and Optical Dual Frequency Combs [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/55849/

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