JP2023505865A - 光検出モジュール - Google Patents

Abstract

ウェアラブルデバイスに適した光検出モジュール。光検出モジュールは、シリコンまたは窒化シリコンの送信器光集積回路（ＰＩＣ）を含み、送信器ＰＩＣは、複数のレーザであって、複数のレーザの各レーザが、他のレーザの波長とは異なる波長で動作する複数のレーザと、光操作領域であって、光変調器、光マルチプレクサ（ＭＵＸ）、及び追加の光操作素子のうちの１つまたは複数を含む光操作領域と、複数のレーザから生じる光のための１つまたは複数の光出力部とを含む。【選択図】図１Ａ

Description

本発明による実施形態の１つまたは複数の態様は、ウェアラブルデバイス用の検出モジュールに関し、より詳細には、シリコン基板上の光集積回路（ＰＩＣ）を含む検出モジュールに関する。

デジタルヘルスケアは、ヘルスケア産業を変えており、様々な目的で様々なバイオマーカのリアルタイム、オンデマンドの分析に対する需要が増加している。ウェアラブルデバイス（「ウェアラブル」）は現在では、（例えば、フィットネス追跡、一般健康モニタリング、及び病状管理を含む）健康及びヘルスケアの分野で一般的である。このようなデバイスに対して、十分な特異性、感度、及び正確さを持って、素早く、非侵襲的に生物学的パラメータを検出及び測定するという需要がある。結果として、測定すべき生物学的パラメータに対して必要な技術的要件を提供するだけでなく、消費者が利用しやすいプライスポイントで製造できる小型で便利な非侵襲的なウェアラブルデバイスの使用に適したコンポーネントを提供する需要がある。非侵襲的な検出モジュールは、ウェアラブルデバイス市場外で、例えば、ロボティクスまたはリモートセンシングで使用し得ることは知られている。

ウェアラブルデバイスは、ロバストで、信頼でき、着用しやすくなければならず、皮膚接触パッチ、腕時計、指輪、イヤホン、ヘッドバンド、及び眼鏡フレームを含み得る。

したがって、本発明は、第１の態様による、ウェアラブルデバイスに適した光検出モジュールを提供することによって上記問題を解決することを目的とする。この光検出モジュールは、シリコンまたは窒化シリコンの送信器光集積回路（ＰＩＣ）を含み、送信器光集積回路（ＰＩＣ）は、各々が他のレーザの波長と異なる波長で動作する複数のレーザと、光変調器、光マルチプレクサ（ＭＵＸ）、及び追加の光操作素子のうちの１つまたは複数を含む光操作領域と、複数のレーザから生じる光のための１つまたは複数の光出力部とを含む。

このようにして、ウェアラブルデバイスに適した改良された光検出モジュールが提供される。有利なことに、この検出モジュールは、様々な光コンポーネントが集積されたコンパクトなプラットフォームを提供することができる。様々なコンポーネントは、単一のプラットフォームを使用して、材料（例えば、生体組織）からの広範囲の異なる測定を可能にし、その結果、様々な生物物理学的及び生化学的バイオマーカの検出及び観察を含む、消費者及び専門家の両方のヘルスケア分野での多数の用途に、単一の製品が使用可能となる。

したがって、本発明の光検出モジュールは、少なくとも２つの波長の光を生成し、調査する表面にその光を向けてよい。これは、皮膚組織等の生物材料の表面に対応し得る。典型的なウェアラブルデバイスでは、光は、表面を通り抜けて散乱し、光の一部がセンサモジュールに戻る。生体組織を通る光路に沿って、光は、バイオマーカ自体またはバイオマーカのプロキシに対応し得る被分析物によって吸収される場合がある。このような手順は、拡散反射分光光度法と呼ばれる。別の形態の検出は、ラマン散乱を伴う。ラマン分光法の場合、散乱光は、入射光とは異なる波長である。当業者は、ここで分光法と呼ばれるこれらの技術への多くの変形を認識されよう。

このような分光法のために、シリコンフォトニクス（ＳｉＰｈ）チップが使用されてよく、チップ上に、光信号を生成及び送信するために、また戻ってくる光信号を受信及び解釈するために必要な光学機能の全てまたは大半を集積する。送信部（Ｔｘ）及び受信部（Ｒｘ）は、１つのチップ上にあって単一の送信器／受信器チップを形成してよい、または別個のＴｘ及びＲｘチップデバイス等、複数のチップ上にあってよい。シリコンフォトニクスチップは、埋め込まれた１つの酸化層があるＳＯＩ構造、または２つの（または、それ以上の）埋め込まれた酸化層があるダブルＳＯＩ構造に基づいてよい。

吸光分光法またはラマン分光法等の分光法は、インターロゲート光（を検査する材料または試料に印加することと、「試料光」と呼ばれ得る試料から受信した光を検出及び分析することとによって機能する。本開示の目的では、分光法という語の意味は、心拍及び血圧などの生物学的機能の監視及び測定を含み得る。直接、機能が測定されてよい、または機能の特性が間接的に示されてよい。ウェアラブルに関しては、検査対象の材料は、生体組織であってよく、生体組織は、人の皮膚上で、または人の皮膚を通して観察されてよい。

ウェアラブルデバイスに加えて、またはその代わりに、検出モジュールがハンドヘルドデバイスで使用されてよい。

本発明は、波長走査によって以外で、切り替え可能及び識別可能であり得る複数のレーザの使用を可能にする。この利点は、従来の実験室分光光度法でありがちな走査が必要ないことである。したがって、波長に依存しない検出器を使用することが可能である。検出器は、範囲にわたって様々に応答し得る（すなわち、出力は、波長範囲にわたって所与の光強度によって異なり得る）が、これは補償することができる。単一の光源及び複雑な検出器よりも、複数の光源及び単一の検出器を有する方が安価で簡単なので、これは、かなりの商業的な利点に寄与する。さらに、このようにして、より高いパワーのポンプ光源を（所与の波長で）使用し、それによって、感度及び選択性を向上させることが可能である。

本発明のオプションの特徴をここで記載する。これらは、単独で、または本発明の任意の態様と任意の組み合わせで適用可能である。

オプションで、レーザは、ＦＰレーザ、外部空洞ＤＢＲ（ＲＳＯＡ＋格子）、またはＤＦＢレーザであってよい。これらは、固定波長レーザであってよい。

有利なことに、複数のレーザは、ＩＩＩ－Ｖ ＲＳＯＡまたはレーザ導波路の光モードがＰＩＣの１つまたは複数の導波路にエッジ結合されるようにＰＩＣにハイブリッド集積されたＩＩＩ－Ｖ ＲＳＯＡゲイン、レーザチップまたはクーポンを有する１つまたは複数のレーザを含む。このように、ＲＳＯＡと、ＳｉもしくはＳｉＮのＰＩＣ導波路との光は、同じ平面にとどまる。

オプションで、光マルチプレクサ（ＭＵＸ）は、エシェル格子の形態、特に、集積エシェル格子またはアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）の形態を取ってよい。

光操作素子は、パワータップ、１つまたは複数のレンズ（複数可）、１つまたは複数のパワースプリッタ（複数可）、１つまたは複数のフィルタ（複数可）、１つまたは複数のミラー（複数可）、及び１つまたは複数の偏光回転子（複数可）のうちの１つまたは複数を含み得る。

シリコンまたは窒化シリコンの集積回路は、シリコン基板上に配置されてよい。

複数のレーザは、ＤＢＲ格子または他の位相調整機構と、波長ロッカ制御回路とにヒータを組み込んでよい。

オプションで、複数のレーザの波長は、４００～３０００ｎｍの範囲内である。いくつかの実施形態では、レーザは全て、ＮＩＲ波長＝１１５０ｎｍ～２５００ｎｍに対応し得る。いくつかの実施形態では、全てのレーザ波長は、１１５０ｎｍ以上（Ｓｉ ＰＩＣを使用）及び４００～１１５０ｎｍ（ＳｉＮ ＰＩＣを使用）のうちの一方または両方の範囲内にあってよい。

オプションで、送信器ＰＩＣは、３０を超える異なるＮＩＲ及び／または可視波長で動作するレーザアレイを含む。いくつかの実施形態では、送信器ＰＩＣは、２００以下の放射波長で動作するレーザアレイを含む。

光検出モジュールは、ウェアラブルデバイスに適しているが、光検出モジュールは、多機能検出モジュールであり、他の状況で使用することができる、または、他の状況での使用に適合させることができる。例えば、ロボティクスにおいて類似のセンサに対するニーズがある。人体のバイオマーカ及びパラメータを分析することに加えて、検出モジュールは、他の用途に、詳細には、光出力部のごく近くの物体の組成の材料の分析に使用されてよい。

オプションで、光検出モジュールは、複数のＬＥＤをさらに含み、これらのＬＥＤは、複数のレーザからの異なる波長で動作し、各ＬＥＤは、複数のＬＥＤを構成する他のＬＥＤの波長とは異なる波長で動作する。

オプションで、各ＬＥＤは、電磁スペクトルの可視またはＮＩＲ領域内にある動作波長を有してよい。可視及びＮＩＲ波長は、４００ｎｍ～９５０ｎｍの範囲内にあると理解されたい。

いくつかの実施形態では、複数のＬＥＤは、１２以上の可視波長で動作するＬＥＤを含む。このように、検出モジュールは、心拍（ＨＲ）及び心拍変動（ＨＲＶ）、血流（脈幅）、局所体温（ＬＢＴ）、中核体温（ＣＢＴ）、血圧（ＢＰ）のカフ無し測定、パルスオキシメトリ（ＳｐＯ２）、呼吸数（ＢＲ）、全身水分量（ＴＢＨ）、皮膚水分量（ＳＨ）、血中アルコール（ＢＡ）／エタノール（Ｃ２Ｈ６ｏ）濃度、血中乳酸（ＢＬ）濃度、一酸化炭素ヘモグロビン（ＨｂＣ）、メトヘモグロビン（ＨｂＭｅｔ）、及びグルコースの非侵襲的な測定ができる単一のモジュールである。

オプションで、光操作領域は、光検出モジュールの複数のレーザの全てからの光を単一の光出力部で結合するためのミラーを含む。

いくつかの実施形態では、ミラーはパッシブミラーである。パッシブミラーは、分割されてよい。いくつかの実施形態では、能動的に制御されるＭＥＭＳミラーである。いくつかの実施形態では、ミラーはパラボラ凹面鏡である。いくつかの実施形態では、ミラーは、送信器ＰＩＣの外部にあり、ＰＩＣの光出力部の近くの基板上に取り付けられている。

オプションで、光検出モジュールは、１つまたは複数の光検出器をさらに含む。

オプションで、ＰＩＣが送受信器ＰＩＣであるように、光検出器は送信器ＰＩＣに配置される。

オプションで、ミラーまたは格子は、ＰＩＣに集積されて、レーザ光をＰＩＣの１つまたは複数の層を通るように誘導してよい。

オプションで、光検出器は、送信器ＰＩＣとは別個に配置される。

オプションで、シリコンフォトニクス受信器は、１つまたは複数の導波路がシリコンから製造されるように、シリコンプラットフォームを含み得る。他の実施形態では、シリコンフォトニクス受信器は、１つまたは複数の導波路がＳｉＮから製造されるように、ＳｉＮプラットフォームを含み得る。

１つまたは複数の光検出器は、１つまたは複数のＳｉベースの光検出器、及び／または１つまたは複数のＩｎＧａＡｓベースの光検出器を含み得る。これらは、１つまたは複数のゲルマニウム光検出器、及び／または１つまたは複数のアバランシェフォトダイオードも含み得る。

オプションで、１つまたは複数の光検出器は、送信器ＰＩＣと共有される同じ基板上に垂直に集積及び取り付けられる別個のチップに配置される。

オプションで、１つまたは複数の光検出器は、送信器ＰＩＣの横でキャリアに配置される。

オプションで、１つまたは複数の光検出器は、送信器ＰＩＣから光信号を受信して、コヒーレント検出器として動作する検出器を含む。

結合器ネットワークは典型的に、送信器からの光信号をコヒーレント検出器に結合し、スイッチ、ネットワークミキサ、及び／またはパススルーシステムのうちの１つまたは複数を含み得る。

オプションで、送信器ＰＩＣの光出力部は、１つまたは複数の光検出器につながる光入力部から横方向にずらされている。このように、送信導波路と受信導波路は、光検出器での対象のパラメータの信号品質を最大化するように、ある固定の量、例えば、１～８ｍｍ、間隔を開けられる（例えば、図２５を参照）。図２６及び２７に示すように、別個の光検出器が使用される場合、送信放射点からの光検出器の間隔は、ここでも、１～８ｍｍに対応する妥当な間隔値で、戦略的に離間される。

オプションで、単一の導波路は、送信導波路及び受信器導波路として働く。

オプションで、１つまたは複数の光検出器は、複数の光検出器を含み、複数の光検出器の各光検出器は、異なる波長範囲で動作する。

オプションで、シリコンベースのプラットフォームは、窒化シリコン導波路を含む。

オプションで、光検出モジュールは、１つまたは複数のレーザドライバ（複数可）、１つまたは複数の変調器ドライバ（複数可）、１つまたは複数の位相コントローラ（複数可）、１つまたは複数のＴＩＡ（複数可）、１つまたは複数のパワー管理ＩＣ（複数可）、マルチプレクサ回路、１つまたは複数のマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）（複数可）、１つまたは複数のＦＰＧＡ（複数可）のうちの１つまたは複数をさらに含む。検出モジュールは、他のアナログフロントエンド（ＡＦＥ）機能も含み得る。

オプションで、光検出モジュールは、シリコン導波路及びＳｉＮ導波路の両方を含む。このように、単一のプラットフォームは、広範な波長をサポートすることができる。いくつかの実施形態では、ＳｉまたはＳｉＮ導波路は、３μｍ導波路である。

オプションで、複数のレーザは、フリップチップダイボンディングまたはマイクロ転写印刷によってＰＩＣ上に配置される。マイクロ転写印刷（ＭＴＰ）の詳細な説明は、ＷＯ２０２０／０３０６４１ Ａ１に記載されている。

オプションで、送信器ＰＩＣの複数のレーザは、ポンプレーザとプローブレーザの１つまたは複数の対を含み、ポンプレーザとプローブレーザの対の各々は、検出器とともに動作してラマン分光計を形成するように構成される。検出器は、同じＰＩＣの一部を形成してもよく、または、別個であってもよい。ラマン分光計として動作するように構成されるとき、ポンプレーザ及びプローブレーザは、分析する材料／身体で、励起するように選択された波長とラマンピークとを有する。動作周波数を選択するときの他の考慮事項は、ＰＩＣの導波路の材料との適合性である。例えば、ポンプレーザは、１２５０～１７００ｎｍの波長範囲で動作してよく、プローブレーザは、１３００～１８５０ｎｍの波長範囲で動作してよい。他の実施形態では、プローブレーザは、ＮＩＲ波長で動作してよい。

オプションで、複数のレーザは、単一のポンプレーザと複数のプローブレーザとを含み、各プローブレーザは、対象の共鳴に対応する波長を有する。

オプションで、複数のレーザは、複数のプローブレーザを含み、複数のプローブレーザの各プローブレーザは、固定波長レーザであり、固定波長は、対象のラマン共鳴に対応する。

オプションで、複数のレーザは、調整可能ポンプレーザを含む。

オプションで、複数のレーザは、ラマン分光法のための少なくとも１対のポンプレーザ及びプローブレーザを含み、また、対になっていない複数のレーザを含む。このように、ラマン分光法は、ポンプとプローブのレーザの対を使用して行うことができ、分光光度法等の他の分光技術は、対になっていないレーザで行うことができる。

オプションで、光検出モジュールは、経時的な関数として記録を行うように構成された光検出器と、ラマン反射スペクトルに対応する波長範囲を掃引するように構成された調整可能プローブレーザとを含む。このように、光検出器が、調整可能レーザ光の一部を収集するタップに直接、結合して戻る参照アームに結合される場合、干渉計は、チップから外部に集められるプローブ光で形成される。したがって、周波数領域後方散乱測定法（ＯＦＤＲ）による測定を行うことができる。

オプションで、スイッチを有するらせんのバンクが、プローブレーザと光検出器の間の参照アームに組み込まれて、距離調節（ｒａｎｇｉｎｇ）を可能にしてよい。

オプションで、１つまたは複数の光検出器またはＬＥＤが、１つまたは複数のマイクロレンズのそれぞれの下に配置される。

オプションで、マイクロレンズの１つまたは複数は、ＤＢＲフィルタの薄膜スタックを含み、薄膜スタックは、ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２またはＳｉＯ_２／ＳｉＮの層からなってよい。しかしながら、ＴｉＯ_２またはＳｉＮは、他の高屈折率の膜で置き換えることができる。典型的には、中間層は、λ／２のｍ倍の厚さで、１／４ラムダシフトされて送信波長で共鳴する。一例では、２１の層があるが、他の数の層も可能である。マイクロレンズは、受信器による集光を増加させるように働く。

オプションで、光検出モジュールは、吸水ピークに対応する波長で取得された反射率データに事前に訓練されたアルゴリズムを適用して、反射率測定値を予測温度に変換するように構成されたプロセッサを含む。

センサがウェアラブルデバイスである場合、測定される温度は、中核温度であってよい。ＳｉＮプラットフォームを用いて温度を測定することによって、９７０ｎｍ水ピークで小型ウェアラブルの測定の実施可能性を可能にする。Ｓｉプラットフォームを用いて温度を測定することによって、１４５０ｎｍ水ピーク周囲で小型ウェアラブルの測定の実施可能性を可能にする。

本発明のさらなるオプションの特徴を以下に記載する。

本発明の実施形態を、添付の図面を参照して例として説明する。

本発明の実施形態による、光検出モジュールの前側である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの裏側である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの断面であり、光検出モジュールは、保護ケーシングを含む。 本発明の実施形態による、反射ミラーが組み込まれた光検出モジュールであり、送信された光が基板を通る実施形態と、組織から後方に散乱された光の可能な経路とを示す。 図２Ａに示す光検出モジュールの追加の斜視図である。 本発明の実施形態による、さらなる光検出モジュールの側面図であり、送信器ＰＩＣの外部の基板に搭載された反射ミラーを含む。 本発明の実施形態による、さらなる光検出モジュールの側面図であり、送信器ＰＩＣの外部の基板に搭載された反射ミラーと、図３Ａとは異なる角度で反射された光とを含む。 本発明の実施形態による、さらなる光検出モジュールの側面図であり、送信器ＰＩＣの外部の基板に搭載された反射ミラーと集束レンズ（複数可）とを含む。 本発明の実施形態による、さらなる光検出モジュールの側面図であり、送信器ＰＩＣの外部の基板に搭載された調節可能（例えば、ＭＥＭＳ）反射ミラーと集束レンズ（複数可）とを含む。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの概略図であり、光検出器が集積された単一の送信器／受信器ＰＩＣを含む。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの概略図であり、送信器ＰＩＣと別個の光検出器とを含む。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの概略図であり、単一の送信器／受信器（ＴＲｘ）ＰＩＣと集積コヒーレント光検出器とを含む。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの概略図であり、単一の送信器／受信器（ＴＲｘ）ＰＩＣ及び集積光検出器と、デバイスの動作波長が電磁スペクトルの可視部分にまで延びるように窒化シリコンＳｉＮプラットフォームとを含む。窒化シリコンは、化学量論的または非化学量論的な窒化シリコンであってよく、窒化シリコンは以下、一般に「ＳｉＮ」と省略する。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの概略図であり、単一の送信器／受信器（ＴＲｘ）ＰＩＣ及び集積コヒーレント光検出器と、デバイスの動作波長が電磁スペクトルの可視部分にまで延びるようにＳｉＮプラットフォームとを含む。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの概略図であり、送信器ＰＩＣと別個の光検出器とを含み、別個の光検出器は、様々なタイプの光検出器を含む。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの概略図である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの複数のレーザを形成するレーザネットワークの概略図である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成するレーザビーム処理モジュールの概略図である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る放射口モジュールの概略図である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る送信器と受信器の開口を単一の開口に統合する概念の例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る送信器と受信器の開口を単一の開口に統合する概念のさらなる例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る送信器と受信器の開口を単一の開口に統合する概念のさらなる例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る結合器ネットワークの例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る結合器ネットワークのさらなる例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る結合器ネットワークのさらなる例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る光検出器ネットワークの例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る光検出器ネットワークの例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る光検出器ネットワークの例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る光検出器ネットワークの例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る光検出器アレイの例である。 図１７Ａの光検出器アレイの例示の波長分布である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの動作方法である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る単一の出力開口を有する送信器ＰＩＣの例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得るＳＯＩプラットフォーム上の拡散反射率測定分光光度計送信器ＰＩＣの例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る１つまたは複数のハイブリッド集積光検出器を有する送信器／受信器ＰＩＣである。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る平衡コヒーレント光検出器を有する送信器／受信器ＰＩＣである。 コヒーレント検出器配置の概略図を表す。 図２２Ａに示すＰＩＣのＳｉＮバージョンを表す。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る共通Ｓｉ基板を有する統合されたＳＯＩ及びＳｉＮプラットフォーム上の拡散反射率測定分光光度計送信器ＰＩＣの例を示す。 本発明の実施形態による、光検出モジュールのＰＩＣの一部を形成し得るＳｉＮプラットフォームの断面である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールのＰＩＣの一部を形成し得るＳｉＮプラットフォームの断面である。 本発明の実施形態による、使用中の光検出モジュールの断面である。 本発明の実施形態による、使用中のさらなる光検出モジュールの断面である。 本発明の実施形態による、使用中の光検出モジュールの断面であり、ＰＩＣ上に搭載されずに、モジュール基板上に搭載された垂直光検出器を含む。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得るマイクロレンズ配置の例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る外部光検出器の薄膜ＤＢＲフィルタの例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る図２９Ａの薄膜ＤＢＲフィルタ等の薄膜ＤＢＲフィルタのＯバンド帯域通過設計の例である。 Ｏバンド帯域通過設計のさらなる例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る（ｂ）の薄膜ＤＢＲフィルタ等の薄膜ＤＢＲフィルタの黄色通過帯域（ａ）の例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールの一部を形成し得る共鳴空洞光検出器の例である。 心拍、ＳＰＯ２、及び温度測定値を測定するために使用されるＬＥＤとレーザ光源のわずかにずらされたタイミングチャートの例である。 図３３のデータの１つのサイクルのズームを示す。 組織測定検出器及び参照検出器を含む２つのデータストリームからの光源多重化パターンの例の詳細な図を示す。 参照検出器と３つの空間的に配置された測定検出器での４つの光源の時分割多重化パターンの詳細な図を示す。 １１００～１８００ｎｍ範囲にわたって異なる温度で、標準的な分光光度計で測定された吸収スペクトル及び散乱溶液の例である。 図３７Ａのプロットの正規化バージョンである。 図３７Ａのデータから取得された１５３０ｎｍでの温度の関数としての吸光度測定値の例である。 図３７Ａのデータから取得された１３９０ｎｍでの温度の関数としての吸光度測定値の例である。 インビボの皮膚で、皮膚を加熱、冷却しながら、行われた後方散乱反射率測定値の例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールによって行われ得る反射率測定値から温度を予測するための関数を決定するための訓練アルゴリズムの例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールによって行われ得る予測温度を決定するためのアルゴリズムの適用の例である。 本発明の実施形態による、光検出モジュールによって行われ得る予測温度を決定するためのアルゴリズムの適用のさらなる例である。 橈骨動脈で収集されたフォトプレチスモグラム（ＰＰＧ）データの例を示す。 指先から後方散乱した青または緑の可視波長光と橈骨動脈から後方散乱したＳＷＩＲ波長とを使用して収集したＰＰＧデータのさらなる例を示す。橈骨動脈と指先のＰＰＧ信号は両方とも、後処理されて、心拍（ＨＲ）及び心拍変動（ＨＲＶ）のデジタル出力が生成される。 波長の関数として血液酸素飽和度感度と９５％飽和吸光度のシミュレーションデータを示す。 ６６０／９４０ｎｍと４４２／４７２ｎｍの較正曲線比較の例を示す。 本発明の実施形態による、ラマン分光計として使用するための光検出モジュールの概略図であり、送信器ＰＩＣと別個の光検出器とを含む。 本発明の実施形態による、ラマン分光計として使用するためのさらなる光検出モジュールの送信器ＰＩＣの概略図である。 本発明の実施形態による、ラマン分光計として使用するためのさらなる光検出モジュールの概略図であり、送信器ＰＩＣと別個の光検出器とを含む。 本発明の実施形態による、ラマン分光計として使用するためのさらなる光検出モジュールの概略図であり、送信器ＰＩＣと別個の光検出器とを含む。 本発明の実施形態による、ラマン分光計として使用するためのさらなる光検出モジュールの概略図であり、集積光検出器を有する送信器／受信器ＰＩＣを含む。 本発明の実施形態による、ラマン分光計として使用するためのさらなる光検出モジュールの概略図であり、集積光検出器を有する送信器／受信器ＰＩＣを含む。 本発明の実施形態による、ラマン分光計として使用するためのさらなる光検出モジュールの概略図であり、集積光検出器を有する送信器／受信器ＰＩＣを含む。 本発明の実施形態による、統合された分光光度計及びラマン分光計として使用するための光検出モジュールのＰＩＣの概略図である。 本発明の実施形態による、統合された分光光度計及びラマン分光計として使用するためのさらなる光検出モジュールの概略図である。 本発明の実施形態による、統合された分光光度計及びラマン分光計として使用するためのさらなる光検出モジュールの概略図である。 例示のラマン放射スペクトルの概略図である。 ポンプレーザ光源及びプローブレーザ光源として多重化されることが可能な波長を示す例示の「ＭＵＸスペクトル」である。 受信器光検出器の正面のフィルタの減衰応答の例を示す。 ＳＲＳ（誘導ラマン分光法）分光計のレーザスペクトルの例を示す。 本発明の実施形態による、ＳＲＳラマン分光計として使用するための光検出モジュールの概略図を示す。 深度検出及びハイパースペクトルラマンのための、干渉法による検出（ＯＦＤＲ）を伴うコヒーレントＣＷ励起ラマン分光法として使用するための光検出モジュールの概略図を示す。

添付図面との関連で以下に記載する詳細な説明は、本発明に従って提供される検出モジュールの例示的な実施形態の説明として意図されており、本発明が構築または利用され得る形態だけを表すことを意図していない。

ウェアラブルデバイス用の光検出モジュール１が、図１Ａ、１Ｂ、及び１Ｃに示されている。光検出モジュール１は、基板２上に配置された送信器光集積回路（ＰＩＣ）４を含む。ＰＩＣ４は、複数のレーザを含み、複数のレーザの各レーザは、他のレーザの波長とは異なる波長で動作する。ＰＩＣは、分析する表面に１つまたは複数の光出力部１２を介して送信する前に必要な任意の方法で光を操作するための光操作領域も含む。ミラー１０（例えば、プリズムミラー）等の光学素子が存在してよい。光操作領域は、光変調器、光マルチプレクサ（ＭＵＸ）、ならびに、パワータップ、レンズ、及びパワースプリッタ等の追加の光操作素子のうちの１つまたは複数を含む。

光検出モジュールは、ＬＥＤ５（例えば、可視波長または近赤外波長のＬＥＤ）等の複数のレーザではない光源も含む。１つまたは複数の光検出器３、６も光検出モジュールの一部を形成する。本実施形態では、光検出器は、基板に配置されるが、ＰＩＣの一部ではない。後の図面に関してより詳細に記載するように、光検出器は、送信器／受信器ＰＩＣの一体部分として配置することが可能である。図１Ａに示す実施形態では、複数の光検出器は、シリコン光検出器３及びＩｎＧａＡｓ光検出器６を含む。いくつかの実施形態では、ゲルマニウムの光検出器も使用されてよい。

ＡＳＩＣまたはマイクロコントローラ１１が、光検出モジュールの基板２に配置される。電気コネクタ１３は、電気信号を光検出モジュールに提供し、蓋及びベースを含む保護ケーシング７は、ＰＩＣ及び他のコンポーネントをカバーして、使用中の損傷のリスクを最小化するように働く。

一旦、操作されると（例えば、多重化されると）、複数のレーザからの光は、ＰＩＣ４を出る、したがって、１つまたは複数の光出力ポート１２を介して光検出モジュール１を出る。本開示で論じられるいくつかの形状は、効率的なオフチップ結合、視準、ほとんどまたは全く色収差のないレーザ光源の集束を可能にする。これに加えて、これらの形状は、ウェアラブルデバイスに収まるように小型化することができるコンパクトな形状で、後方散乱光の効率的な収集を可能にする。

光は、光集積回路（ＰＩＣ）の縁または縁近くの導波路ファセット（「発射ファセット（ｌａｕｎｃｈ ｆａｃｅｔ）」）から自由空間に発射されてよい。導波路プラットフォームの平面からの光を取得し、その光を、表面をインターロゲートする（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｅ）ためにより適した方向に変換するためにミラー１０等の光学素子が存在してよい。方向は、ＰＩＣの平面に対して直交または実質的に直交していてよい。図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、及び３Ｄに示すように、反射角が固定のパッシブミラーが使用されてよい、またはより大きい表面エリアを調べることができるようにレーザ光の反射を調節、もしくは広範な角度にわたって掃引することを可能にする能動的に制御されるＭＥＭＳミラーが使用されてよい。ミラーは、表面実装アセンブリプロセスによって基板２上に配置することができる。また、共焦点励起及び収集が、図３Ｃ及び３Ｄに示す調節可能焦点レンズ及び走査ミラーを使用して行われてよい。この形状は、共有の励起及び収集経路を使用して、検出のために後方散乱信号をオンチップに戻し得る。光は、調節可能な（給電された）光学素子（または、「焦点レンズ」）を通して伝搬してよく、調節可能な（例えば、操縦可能な）ミラー（または、「走査ミラー」）によって試料（例えば、デバイス（例えば、時計）を着用している人の皮膚）に反射されてよい。

皮膚表面からの、及び皮膚表面下の体積内からの後方散乱光は、分析されるＰＩＣ上の発射ファセット（または、いくつかの実施形態では、異なる導波路ファセット）に戻る。血管と最適に相互作用するためにビーム幅は重要であり得る。いくつかの実施形態では、適応性のある光学素子を使用して、皮膚のある点に焦点を当てることができる。

共焦点励起及び収集はまた、図２に示す調節可能な焦点、先端、及び傾いた軸外し放物面ミラーを使用して、行われてよい。このように、集束レンズ及び走査ミラーの機能は、レンズにつきものの色収差の影響を受けない単一の素子に統合された。第１の形状及び第２の形状においては、照明光の（及び、センサの）焦点の位置の調節能力を使用して、検出システムに対する試料の位置の変動を補償してよい。例えば、時計の検出システムに関しては、時計の位置は、着用者が動くと、着用者の皮膚に対して移動し得る。次に、集束レンズ及び走査ミラー（または、第２の形状においては、調節可能な焦点、先端、及び傾いた軸外し放物面ミラー）を使用して、（例えば、検出にとって十分な血液が存在し得る皮膚下の深度で、且つ、間にある皮膚が許容できない光学的損失を引き起こさないところで）皮膚表面に対する適切な検出点に焦点を移動させてよい。いくつかの実施形態では、集束レンズ及び走査ミラー（または、第２の形状では、調節可能な焦点、先端、及び傾いた軸外し放物面ミラー）は、（ｉ）測定された吸収スペクトルが血液にとって妥当なスペクトルとなる点の探索を実行することによって、または、皮膚表面を（その反射率によって）発見し、次に、（所定の距離だけ、または、血液にとって妥当な吸収スペクトルが検出されるまで）皮膚内部に焦点スポットを移動させることによって調節される。

図２Ａ及び２Ｂに示される光検出モジュール１１０１の形状では、後方散乱信号の収集効率は、小さい光検出器画素１１０６を含む大きい面積の検出器アレイを使用することによって改善され得る。焦点面アレイを使用することは、等しい材料の単一の大きい面積の検出器と比較して２つの利点がある。すなわち、（１）暗電流及び読み出しノイズが検出器面積に対応する、及び、（２）個々の画素の読み出しが、空間的情報を検出信号に追加し、それを使用して、入射角を計算することができる。本明細書に記載の形状のいずれかにおいて、熱電冷却器を使用して、ＰＩＣの温度を制御してよい。試料を照らす光は、平行であってよい、または、収束して（例えば、皮膚表面のすぐ下の点で集束されて）よい、または、わずかに分散してよい。光源は、異なるタイプのＬＥＤ、例えば、１つまたは複数の青色／緑色ＬＥＤ５ａと、１つまたは複数の赤色／ＩＲ ＬＥＤ５ｂとを含み得る。

いくつかの実施形態では、分光法チップは、分析される材料の分析化学的性質に適合するようにインターロゲート光の仕様を変更することができる。いくつかの関連技術システムは、複雑な受信器を有し、相対的に低い信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を有する。インターロゲート光を提供するＳｉＰｈチップは、全波長走査能力を有さなくてよいが、意図した分析に十分な分光分析データをもたらすための、例えば、必要な精度及び正確さを有する医学的に重要な範囲の血中グルコースをもたらすための、高い波長精度を有するインターロゲート波長範囲を提供可能であってよい。システムは、ある日に、１つ（または、１セット）の被分析物を分析し、別の時に、別のセットを分析するようにプログラムされるように、適応可能であってよい。

一般的に、ウェアラブルデバイスの実用的な用途では、選択された波長のみを使用してよい。波長の選択は、分析的決定の選択性、感度、及び正確さに影響し得る。選択された波長を使用することにより、部分スペクトルの構築を可能にし得る。

いくつかの実施形態では、分光計チップは、スペクトルの近赤外領域で動作し、吸光モードで働く。他の可能なモードは、ラマン及び減衰全反射（ＡＴＲ）分光法である。近赤外線吸光分光法の波長範囲は、７８０ｎｍ～２５００ｎｍである。

全走査能力がないときに波長の柔軟性を有するために、チップは、複数の波長、例えば、３０波長以上、または２００波長以上を発してよい。高度なスペクトル識別を達成するために、レーザ線幅は、狭くてよい、例えば、１ＭＨｚ未満であってよい、または、コヒーレントノイズ（マルチパス干渉ノイズ）を低減するために、レーザ線幅は、例えば、５ＴＨｚまで広くてよい。

光源は、それぞれ、約１０ｍＷ、いくつかの実施形態では、１００ｍＷ以上の端面発光レーザである。レーザは、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ（だけでなく、分布反射型（ＤＢＲ）レーザ、またはＦＰ（ファブリペロー）レーザ）であってよく、調整可能であってよい。いくつかの実施形態では、レーザは、送信器ＰＩＣのＳｉ基板上に、または送信器ＰＩＣの外側の基板上に搭載されたＶＣＳＥＬである。ＶＣＳＥＬを基板上に搭載するための機構は、１つまたは複数のＬＥＤを基板上に搭載するための本明細書に記載の機構に従ってよい。レーザは、相対的に狭い範囲で調整可能であってよい、例えば、単純に、デバイスの自然な波長ドリフトに応答して波長を調整またはロックしてよい、またはレーザは、分光法の要求に応じて、レーザの動作波長を変更するために、広範囲にわたって調整可能であってよい。達成すべき分析に応じて、レーザの数と調整可能の範囲との間にはバランスがある。いくつかの実施形態では、レーザの数が多くなると、調整可能の範囲が小さくなる。

インターロゲート光は、振幅、位相、偏光において、もしくは他の光学特性において、またはこのような光学特性の組み合わせにおいて様々であってよい。光の特性のこのような経時的変動は、本明細書では、「動的」、または光の「変調」と呼ばれてよい。一般的に、変調は、ある特定の周波数で、またはデータ信号を生じさせるパターンで、規則的な変動の形態を取り得る。このような変動またはパターンを使用して、送信器（例えば、複数の送信器（各送信器は、各分光計の一部であってよい）が同じ試料を照らしている場合）、個々の波長、または送信時間を識別してよい。光のパルスはまた、デバイスの電力消費を低減することができ、バッテリ寿命を長くすることができる。

複数の機能を有する光検出モジュールとするために、開示された実施形態の任意の２つ以上を組み合わせることができることを理解するのは重要である。１つまたは複数実施形態において、光検出モジュールは、以下の１つまたは複数、または全てを行うように構成される。
・非侵襲的な温度測定：中核体温測定（例えば、モジュールのＡＳＩＣに含まれ得る温度予測アルゴリズムを含めることによる）
・皮膚温度測定（例えば、反射率測定及び温度予測アルゴリズム）
・皮膚膚温度勾配測定（例えば、複数のソース検出器の分離を使用する）
・統合されたＰＰＧ、ＳＰＯ２、及び温度（例えば、ＰＰＧ用の青色または緑色ＬＥＤ等の光源、５００～６５０ｎｍ波長範囲を含み得るＳＰＯ２測定用の適切な波長の光源）
・より広い波長範囲にわたる測定（例えば、Ｓｉプラットフォーム及びＳｉＮプラットフォームの両方を含むＰＩＣ上のシリコンフォトニクスと、より広い波長範囲を有する複数のレーザとの実装による）、及び、
・誘導ラマン測定（例えば、複数のレーザ内のポンプレーザ及びプローブレーザの実装による）

光集積チップ（ＰＩＣ）
いくつかの実施形態において、分光法で使用するための光トランシーバチップの全体的なレイアウトが図４～９に示される。図４～８は、本発明のＰＩＣの様々な例のブロック図を示す。ＰＩＣは、異なる波長の複数のレーザを含み、これらは、適切なマルチプレクサ（ＭＵＸ）によって共有される導波路に統合及び接続されてよい。これらのレーザは、１１５０ｎｍ～２５００ｎｍの広範な近赤外線及び短波赤外線の波長にわたる波長出力を生成するために一度に１つずつ駆動されてよい。マルチプレクサは、例えば、ＡＷＧ、エシェル格子、ＭＭＩ、またはカスケードＭＺＩベースのマルチプレクサであってよい。図６及び８に概略的に、また、図２２、５１、５２、及び５３に示されるように、出射光の一部は、（例えば、Ｙブランチカプラ、ＭＭＩカプラ、または方向性カプラ等の適切なカプラによって）そらされて、コヒーレント検出器の局部発振器として働いてよく、これはまた、受信した後方散乱光（すなわち、例えば、ＰＩＣ上の共有された導波路内に結合された後方散乱光の一部）も受信してよい。受信された後方散乱光はまた、発射ファセットが受信した後方散乱光も受信するように使用される場合、マルチプレクサと発射ファセットを接続する導波路から適切なカプラによってそらされてよい。受信された後方散乱光を受信するために発射ファセットを使用することによって、（皮膚表面下の）照らされる体積がサンプルされる体積（そこから後方散乱される）と一致する程度を増やす、または、放射光学部品及び収集光学部品を簡単にする利点を有し得る。レーザは、（例えば、レーザ駆動電流を変更することによって）チャープされてよい、または位相もしくは振幅変調されてよく、それによって、無線周波数ビート信号がコヒーレント検出器で形成されて、ホモダインまたはＦＭＣＷ検出スキームを可能にし、これらのスキームは、信号対ノイズ比の増加、またはドップラー偏移の検出を介した試料の距離、速度、もしくは振動を測定する能力を提供する。当然ながら、光学機能は、複数のチップにわたってよい。例えば、レーザは、別個のチップ上にあってよく、別個の送信チップ及び受信チップがあってよい。インターロゲート光は、複数のレーザビームを多重化することによって構成された単一のビーム出力であってよい。デバイスのパワー出力及び個々の波長の相対的なパワーは、可変光減衰器（ＶＯＡ）または変調器によって制御されてよい。デバイスの出力は、複数のビームを有してよく、それによって、複数の被分析物または被分析物のセットの分析を可能にし得る。各ビームは、複数の波長の光を含み得る。

図４は、集積光検出器を有する単一の送信器／受信器ＰＩＣを有する光検出モジュールの２２０の概略図である。送信器機能に関連して、複数のレーザ２４が、１つまたは複数の光出力部２６で出力される前に、光操作領域２５に様々な波長の光を提供する。受信器機能に関して、１つまたは複数の光検出器２８に光学的に結合された１つまたは複数の入力開口２７で光が受信される。

図５は、本発明の別の実施形態による光検出モジュール２３０の概略図を示し、送信器（Ｔｘ）ＰＩＣ２３１と、ＰＩＣの一部ではない基板上に配置された別個の光検出器とを含むという点で、図４の光検出モジュールとは異なる。

図６は、単一の送信器／受信器（ＴＲｘ）ＰＩＣと集積コヒーレント（平衡）光検出器とを含む光検出モジュールの概略図を示す。これは、出射光の一部が、（例えば、Ｙブランチカプラ、ＭＭＩカプラ、または方向性カプラ等の適切なカプラによって）コヒーレント検出器の方にそらされて、コヒーレント検出のための局部発振器として働くという点で、図４の実施形態とは異なる。これは、信号対ノイズ比の増加、及び／またはドップラー偏移の検出を介した試料の距離、速度、もしくは振動を測定する能力を提供するホモダインまたはＦＭＣＷ検出スキームを可能にする。

図７は、単一の送信器／受信器（ＴＲｘ）ＰＩＣと集積光検出器とを示す。これは、ＳｉＮプラットフォーム上で、デバイスの動作波長が電磁スペクトルの可視部分に延びるようにＳＯＩプラットフォーム及びＳｉＮプラットフォームを含むという点で、図４の実施形態とは異なる。ＳｉＮプラットフォームは、ＳＯＩプラットフォームに存在する特徴を複製しているが、異なる波長で動作するように選択された導波路設計及びコンポーネントを有する。例えば、図示の実施形態では、ＳＯＩコンポーネントは、１１５０～２５００ｎｍの動作波長範囲を有し、ＳｉＮプラットフォーム上で、コンポーネントは、４００～１１５０ｎｍの動作波長範囲を有する。ＳｉＮプラットフォームは、ＰＣＴ／ＥＰ２０２０／０８１９４９により詳細に記載されている。

図８は、本発明の実施形態による、光検出モジュールの概略図であり、ＳＯＩプラットフォーム及びＳｉＮプラットフォームを有する単一の送信器／受信器（ＴＲｘ）ＰＩＣを含み、各プラットフォームは、図６に示す実施形態のコヒーレント検出等のコヒーレント検出を含む。

図９は、本発明の実施形態による、光検出モジュールの概略図であり、送信器（Ｔｘ）ＰＩＣと別個の光検出器とを含む。本実施形態は、別個の光検出器２８が、異なるタイプの光検出器、この場合は、例えば、ＩｎＧａＡｓ光検出器、及びシリコン光検出器の光検出器アレイを含むという点で、図５の実施形態とは異なる。ＬＥＤ３２も光検出モジュール内に存在するが、ＰＩＣとは別個に配置される。

可視波長ＬＥＤは、ＰＰＧ信号に使用されてよい。可視ＶＣＳＥＬＳまたはＬＥＤはまた、酸素飽和ソリューションに使用することができる。例えば、手首の後ろ側にウェアラブルオキシメータを作成するために、波長選択性のために離散波長フィルタを有するシリコンＰＤを有する広帯域可視光源（５００～６００ｎｍ）を使用してよい。検出のための小型分光計を有する広帯域可視光源（５００～６００ｎｍ）も、例えば、手首の後ろ側のウェアラブルオキシメータを可能にするために実装されてよい。自然蛍光を生じさせる青色光源（４５０～５００ｎｍ）が、例えば、小型分光計を使用してＰＰＧ信号を測定するために使用されてよい。いくつかの実施形態では、小型分光計は、フォトダイオードの検出表面に配置された各離散波長バンドフィルタを有するシリコンフォトダイオードによって形成することができる。

ＰＩＣの制御は、図１０を参照するとより良く理解することができる。図１０においては、複数のレーザ００１があり、各レーザは、各レーザ出力導波路００２に結合され、各出力導波路００２は、マルチプレクサを含み得るビームプロセッサ００３の各入力部にレーザを接続する。ビームプロセッサの出力は、導波路００４を介して出力セクションまたは放射開口００５に送信され、次に、レンズ等の出力バルク光学デバイスに結合されてよい。

ビームプロセッサは、各レーザ入力導波路００２に、ＶＯＡ、または１つまたは複数の変調器もしくはシャッタを含み得る。ビームプロセッサは、マルチプレクサ出力導波路００４に、シャッタまたはＶＯＡをさらに含み得る。導波路上の素子（例えば、ＶＯＡ、変調器、及びシャッタ）は、導波路を伝搬する光に影響を与えるように、例えば、（変調器の場合）光の位相もしくは振幅を変調する、または（シャッタの場合）光を遮断するように構成されてよい。

生体組織等の媒質内に送信されるインターロゲート光は、様々に吸収、拡散、及び反射（または「散乱」）され得る。所与の波長、一連の波長、または波長範囲で反射される光を用いて、反射分光計測定が行われる。ウェアラブルデバイスでは、分光計の光受信開口が、例えば、送信開口の近く、例えば、送信開口から３ｍｍ～５ｍｍの範囲内、または送信開口と同じところにある場合がある。したがって、吸収の測定は、光の散乱、しばしば複数の散乱に依存し、よって、拡散反射分光法または拡散反射分光光度法の測定を行ってよい。したがって、単一の反射路長はなく、路長の範囲があり得る。これは、特に、コヒーレント検出にとって測定を複雑にする場合がある。

チップはまた、試料光を捕え、それをチップ表面（例えば、ファセットまたは格子）から検出装置に転送する受信導波路を有し得る。受信導波路は、送信導波路と同じであってもよく、異なっていてもよい。図１０は、受信開口００６を示す。システムがコヒーレント検出を採用する場合、レーザ光源から取り出された局部発振器光を試料光と統合する結合器ネットワーク００８があってよく、両方の光が、平衡フォトダイオードネットワーク００９で検出及び測定されてよい。受信器は、典型的には、ゲルマニウム光検出器またはアバランシェフォトダイオードを使用して、波長に依存しなくてよい。検出器は、平衡検出器であってよい。受信器は、コヒーレント検出器であってよく、その場合、受信器は、収集された試料光に加えて、送信器のレーザ光源からの光を受信してよい（局部発振器）。受信器と送信器が同じチップ、例えば、ＳｉＰｈチップ上に集積されている場合、送信器と受信器の間の接続は、ＳｉＰｈ導波路であってよい。

システムは、一度に１つの波長を動作してよく、その場合、波長は、時間的に識別されてよい。複数の波長が送信される場合、検出器回路は、波長、または波長の組み合わせを区別し得る。これは、（上記のような）変調を識別するために、例えば、送信された放射線上に周波音を適用及び監視することによって行われてよい。波長のグループも同様に識別されてよい。ある状況では、多くの波長を同時に送信し、次に、波長を個々にまたは波長のグループでオフに切り替えることが有利な場合がある。このようにして、（例えば、高散乱または高吸光の結果として）低い強度で受信されたある波長の光の強度は、より高い正確さで検出され得る。本出願書の他の箇所に記載の光検出器のＤＢＲフィルタは、同じ目的を果たす。

分析プロセスを図１８に関してより詳細に記載する。１つまたは複数の部分スペクトルを測定するためのシステムが設定されてよい。部分スペクトルは、被分析物の１つまたは組み合わせの診断を提供する単一の波長を含み得る。これは、各スペクトルの１つまたは複数のデータ点を有し得る。部分スペクトルは、全スペクトルの領域、例えば、ＮＩＲスペクトル範囲の一部（１１５０ｎｍ～２５００ｎｍ）を表し得る。濃度の計算は、内部または外部較正に基づいてよく、スペクトルデータの絶対値または比率であってよい。被分析物の濃度、または内部または外部標準の濃度に対する被分析物の濃度を計算するためにデータプロセッサに組み込まれたアルゴリズムがあってよい。図１８に記載の方法では、部分スペクトルを構築するために最初に波長が選択される。これらの選択された送信波長は、波長ロッカでロックされてよい。放射はその後、検出器で受信される。この場合、検出器は、有利なことに、波長に依存しない。波長が検出器で識別され、反射率が各波長で測定される。部分スペクトルが、反射率測定から作成される。次に、被分析物の濃度を、スペクトルから計算することができる。埋め込まれたアルゴリズムを介して、またはオンボードコンピュータ、ＣＰＵ、もしくはＦＰＧＡによって設定されたアルゴリズムから、計算が達成されてよい。

いくつかの実施形態では、総光パワー出力は、１０ｍＷ未満である。いくつかの実施形態では、総光パワー出力は、１０ｍＷより大きい。出力導波路を含む導波路は、（低損失で高パワーを扱うことができる）大きい導波路である。このような導波路は、０．５ミクロンと５ミクロンの間の高さを有してよい（例えば、ＳＯＩウエハ上に製造されたＳｉＰｈチップでは、高さは、（より下のクラッド層として動作し得る）埋め込まれた酸化物（ＢＯＸ）層から導波路の最上部まで測定されてよく、測定の方向は、ＳＯＩウエハの面に垂直である）。

相対的なパワーの変化は、観察される波長の強調を変更することによって分光技術として使用されてよく、全体のパワーは、インターロゲートの物理的深さを変更するために使用されてよい。変調器は、光をほとんど完全にオフに切り替えるまたは閉鎖してよい。ＶＯＡは、他のタイプの変調器よりずっとゆっくりと動作してよい（例えば、ＶＯＡは、１ｋＨｚの帯域幅を有してよく、変調器は、１０ＧＨｚの帯域幅を有してよい）。変調器を使用して、所与の波長の光に対して信号（例えば、疑似ランダムビットパターンまたは周波音等の識別変調）を課して、受信光検出器が波長に依存しない（すなわち、動作波長範囲のかなりの部分にわたって実質的に一定の感度を有する）検出器で、その光を識別できるようにしてよい。シャッタを使用して光をオフに切り替えてよく、それによって、ＰＤ暗電流が補償され、ノイズが、測定されて、次にエラー計算でキャンセルまたは使用されてよい。

レーザは、ＴｘＰＩＣの動作波長範囲にわたって調整可能であってよい。１つまたは複数の固定波長レーザは、参照波長であってよい。レーザは、順番に切り替えられて（すなわち、一度に１つオンに切り替えられて）よい、またはいくつかのもしくは全てのレーザが、一緒にオンに切り替えられてよい。レーザは、Ｓｉでできた格子を有するＤＦＢレーザであってよい。いくつかの実施形態では、レーザと試料媒質の間にアイソレータは必要ない。これは、アイソレータが必要なＬＥＤに対する利点となり得る。マルチプレクサ出力導波路からの光は、１つまたは複数のレンズによって集束されてよく、ミラーによって方向づけられてよい。レーザのパワーは、単独にまたは一斉に調整されてよい。いくつかの実施形態では、ＳＮＲが測定され、ノイズの補正に使用される。いくつかの実施形態では、照明のパワーまたは位置は、最大ＳＮＲを得るために変更される。インターロゲート光は、試料に結合されてよく、試料光は、本明細書に記載のいくつかのシステム及び方法のいずれかによって、受信器に結合されてよい。

検出器は、１つまたは複数の波長フィルタ（または、無し）を有してよい。検出は、直接またはコヒーレントであってよく、ＳＮＲを増強させ得る。レーザの振幅、位相、及び周波数の変調は、全て利用可能であり、試料に関する様々な情報を提供することができる、または、ＳＮＲを改善することができる。可変パワーによって、表面からの深さ、例えば、ウェアラブルデバイスに対する皮膚下の深さによって、試料のインターロゲートを可能にし得る。低強度の放射については、より深くの散乱の効果的な寄与はノイズである、または、効果的に検出閾値未満なので、（散乱）試料光は、浅い深さからのみ検出され得る。深さが均一な材料に関しては、光源の光の強度を増加させると、より深いレベルからの光の割合が、より低い強度に対してと理論的に同じであり得るが、より深いレベルからの散乱光は検出可能となり得る。深さが均一でない試料に関しては、結果は、より複雑となる場合がある。例えば、吸光度、散乱、及び被分析物濃度は、（単独で、またはその他の形で）深さに応じて変わり得る、よって、光源の光の強度を変えることによって、検出器において非線形の結果を生み出し得る。光の波長に対する散乱粒子サイズの関係に応じて、試料光は、偏光されてよく、散乱が深さによって変わる場合、偏光も変わり得る。

レーザ（ＩＩＩ－Ｖレーザであってよい）は、フリップチップダイボンディングまたはマイクロ転写印刷（ＭＴＰ）によってＩＩＩ－ＶチップをＳｉＰｈチップ内に統合することによって行われてよい。ＳｉＰｈチップは、ボンディングまたはマイクロ転写印刷プロセス中にアラインメントに使用され得る基準を有してよい。用途に応じて、ＳｉＰｈチップの面積は、１ｃｍ^２未満であってよい。いくつかの実施形態では、導波路は、偏光を維持し、これは、偏光が重要な場合（すなわち、ＴＥ及びＴＭが情報を明らかにし得る、例えば、試料からの散乱に対する偏光状態の変化が、試料の特徴に関する何らかの情報を明らかにする場合）、有利な場合がある。

分光法送信チップ（または「送信器」）は、ＳｉＰｈ、シリコンオンオキサイドチップ（シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）チップとしても知られる）であってよい、または、ダブルＳＯＩチップ（すなわち、２つの酸化物層を有する）であってよい。分光法送信チップ（または「送信器」）は、単一の出力／照明スポット／導波路を含み得る。いくつかの実施形態では、チップは、複数の送信器を含む、または送信器は、複数の出力を有する、例えば、各出力は、異なる分析目的を有してよい。各送信器は、複数の出力波長を有してよい。インターロゲート光は、波長と時間的効果との組み合わせ（例えば、異なる時間に異なる波長）であってよい。

制御回路またはアルゴリズムは、複数の被分析物を分析可能であってよく、複数の波長を連続してまたは同時に適用可能であってよい。制御回路またはアルゴリズムは、（ｉ）波長の最適の組み合わせ、及び（ｉｉ）選択された被分析物に関して分析する選択波長範囲内の各波長で送信されるパワーを解明するソフトウェアを含み得る。アルゴリズムは、人工知能（ＡＩ）ソフトウェアを含み得る。制御回路またはアルゴリズムは、複数の被分析物を分析するソフトウェアを含み得る。アルゴリズムは、所与の分析に関して、最適な波長数、参照または標準波長（すなわち、良好な性能を提供すると予測される波長）を推定し、次に特化させてよい。分光計によって測定された部分スペクトルは、対象波長範囲内の１つまたは複数のサブバンド、または１つまたは複数の離散波長にわたって測定されたスペクトルであってよい。アルゴリズムは、例えば、被分析物及び他の成分とのそれぞれに関して予測されるスペクトルの組み合わせに部分スペクトルを適合させることによって、試料中の１つまたは複数の被分析物と１つまたは複数の他の成分の濃度とを推定し得る。いくつかの実施形態では、試料または試料に接続されたシステムの他の特徴が、被分析物濃度を推定すること無しに測定されてよい。例えば、人または動物の皮膚表面のすぐ下の血液の吸収スペクトルは、中核温度に依存し得る血液の化学組成の変化の結果として、人または動物の中核温度の影響を受けることも考えられる。このような場合、血液の化学組成が中核温度とともにどのように変化するかを知らずに、スペクトルが中核温度とともにどのように変化するかを知ることから直接、中核温度を推測することが可能となり得る。

受信器チップは、焦点面アレイ検出器を含み得る。受信器チップはコヒーレントであってよい、例えば、受信信号は、送信信号の一部（受信器で１つまたは複数の局部発振器（ＬＯ）信号を形成する部分）と混合されてよい。

送信チップ及び受信チップ（または、送信器と受信器がチップ（例えば、１つのＳｉＰｈチップ）上に統合されている場合、トランシーバチップ）は、以下の様々な特徴を有し得る。大きい導波路シリコンフォトニクス（ＳｉＰｈ）プラットフォームが、約１～３ミクロンの高さを有する導波路を持つ送信器または受信器で使用されてよい。送信器は、１つまたは複数の出力で複数の適応波長で送信することができてよい。レーザ光は、インターロゲート光として使用するのに適した必要なパワー及び（狭い）線幅を有し得る。使用される波長の組み合わせは、分析目的に合わせて調整されてよい。各波長のパワーは、分析目的に合わせて調整されてよい。個々の波長及び波長の組み合わせは、分析目的のために順番に送信（及び、受信）されてよい。これらの構成パラメータは全て、アルゴリズム（ＡＩアルゴリズムであってよい）によって決定されてよい。

ＰＩＣの構成要素を図１０と図１１～１７Ｂを参照して以下により詳細に記載する。複数のレーザから構成されるレーザネットワーク１１０／００１は、個別に制御される異なるレーザ線を有するレーザ光源を含み得る。レーザビーム処理モジュール１１１／００３は、光変調領域２５の一部を形成してよく、レーザネットワーク１１０／００１によって生成された光を受信するように構成され、異なる波長を単一の導波路内に統合してよい、または個々の波長を変調して、それらを送信受信放射口モジュール１１２／００５にルーティングしてよく、レーザネットワーク１１０／００１によって生成された光の一部を結合器ネットワーク１１４／００８に分割してよい。いくつかの実施形態では、例えば、ビーム処理モジュール１１１／００３は、１つまたは複数の入力導波路００２を含み、各入力導波路００２は、レーザネットワーク１１０／００１の各出力導波路に接続され、各出力導波路は、そこに、１つまたは複数の変調器、例えば、振幅変調器、位相変調器、周波数シフタ、または（振幅変調器（例えば、相対的に遅い振幅変調器）であると見なされ得る）可変光減衰器（ＶＯＡ）を有する。本明細書で使用される場合、「変調器」は、光を受信し、その光を再送信する任意のデバイスであり、再送信された光の特性（例えば、その振幅、位相、周波数、または偏光状態）を変更し、変調器によって受信された制御信号（例えば、電気制御信号）に基づいて、時間的に変化する方法で動的にし得る任意のデバイスである。ビーム処理モジュール１１１／００３は、入力導波路を伝搬する光を単一の出力導波路（または、いくつかの実施形態では、複数の出力導波路（例えば、以下にさらに詳細に記載する３つの出力導波路））内に統合するためのマルチプレクサをさらに含み得る、そして、ビーム処理モジュール１１１／００３は、入力または出力導波路のそれぞれに１つまたは複数の変調器を含み得る。ビーム処理モジュール１１１／００３は、光変調、多重化、及び光操作領域２５を形成し得る。ビーム処理モジュール１１１／００３は、光の一部を（１つまたは複数の入力導波路から、または１つまたは複数の出力導波路から）分割するための１つまたは複数のスプリッタを含み得る。光の一部は、例えば、以下にさらに詳細に記載するコヒーレント検出のために、結合器ネットワーク１１４／００８に送られてよい。

結合器ネットワーク１１４／００８は、ＰＩＣの外側から（例えば、送信受信放射口モジュール１１２／００６を通して）光を受信する、または、結合器ネットワーク１１４／００８は、（例えば、ビーム処理モジュール１１１／００３から）チップを出なかった光を受信し得る。異なる受信波長は全て、単一の導波路内に統合されてよい、別個の導波路に保持されてよい、または２×２スプリッタを用いて導波路対内に混合（例えば、レーザビーム処理モジュール１１１／００３から受信された光と、コヒーレントに混合）されてよい。フォトダイオードネットワーク１１５／００９は、単一の導波路から入射光を検出する１つの検出器を含み得る（例えば、からなってよい）。いくつかの実施形態では、フォトダイオードネットワーク１１５／００９は、各フォトダイオードが各導波路を伝搬する光を検出する１つまたは複数のフォトダイオード、または１つまたは複数の平衡検出器対（それぞれ、例えば、直列に接続された２つのフォトダイオードを含む）を含む。フォトダイオードネットワーク１１５／００９に供給される任意の波長で受信された光１０４は、（ｉ）外部で受信された試料光（例えば、試料から散乱、試料から反射、または試料を透過した後、送信受信放射口モジュール１１２／００６によって受信された光）（ｉｉ）参照光（例えば、参照経路に沿って、または「参照アーム」で伝搬する光、参照経路または参照アームは、試料がないことと固定位相オフセットを除いてはできるだけ試料を含む経路と異ならないように設計される）（ｉｉｉ）（レーザビーム処理モジュール１１１からの）局部発振器光（図１６の目的のための参照ビームともみなし得る）、または（ｉｖ）これらのタイプの光の組み合わせであってよい。例えば、試料光のコヒーレント検出を行うために、光は、（例えば、２×２結合器で）局部発振器光と結合されてよく、統合（すなわち、２×２結合器の一方または両方の出力）が、フォトダイオードネットワーク１１５／００９のフォトダイオードで検出されなよい。他の例として、平衡検出器対のフォトダイオードの対のうちの一方は、外部で受信された試料光を検出してよく、他方は、以下にさらに詳細に記載するように参照光を検出してよい。電子受信モジュール１１７は、図１０に示すように、１つまたは複数のトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）と受信電子機器（例えば、追加の増幅段）とを含み得る。本明細書で使用される場合、「２×２スプリッタ」は、「２×２結合器」と同義である。

いくつかの実施形態では、ＰＩＣは、温度測定回路を含み、温度測定回路は、（例えば、システムによって生成されるデータの較正または補正に使用するために、または、ＰＩＣの温度を調整するために温度制御システムで使用するために）ＰＩＣの温度を測定するために採用されてよい。

図１１は、レーザネットワーク１１０をより詳細に示す。レーザネットワーク１１０は、１つまたは複数の半導体レーザ（または、半導体光増幅器、またはＰＩＣ上で１つまたは複数の反射器との組み合わせでレーザを形成する各半導体光増幅器）を含む１つまたは複数のＩＩＩ－Ｖレーザダイまたはクーポンを含み得る（例えば、からなってよい）。レーザネットワーク１１０は、単一のダイもしくはクーポン上に、または、別個のＩＩＩ－Ｖダイもしくはクーポン上に複数のレーザ空洞を含み得る。各レーザ空洞は、単一モード、またはマルチモード、または、調整可能に設計されてよい。レーザネットワーク１１０によって生成される光は全て、１つの導波路にあってよい、または、それぞれ、各波長で光を伝える複数の導波路にあってよい、または、それぞれ、複数の波長で光を伝える複数の導波路にあってよい。

レーザ光は、連続的に、送信されてよい、または、例えば、任意の時点で、単一の波長の光、もしくは利用可能な波長のサブセットの光が、レーザネットワーク１１０によって生成されるように切り替えられてよい。この変調は、ｋＨｚスケールで、またはより高速なスケールであってよい。例えば、１ＭＨｚのオーダーもしくはより高いレートのチャープ繰り返し周波数で（例えば、１０ＭＨｚ以上のチャープ繰り返し周波数で）、またはより低いレートで（例えば、１００ｋＨｚ以下のチャープ繰り返し周波数で）、レーザは、チャープされて波長の線形の周波数掃引を生成し得る。振幅ビットパターンは、ｋＨｚ～ＧＨｚのスピードでレーザネットワーク１１０によって生成される光上に変調されてよい。いくつかの実施形態では、この変調は、レーザビーム処理モジュール１１１で代わりに行われる。

図１２は、レーザビーム処理モジュール１１１をより詳細に示す。レーザビーム処理モジュール１１１は、送信／受信放射口モジュール１１２及び結合器ネットワーク１１４に、１つまたは複数の異なる波長の光を供給する。光は、それぞれ、１つまたは複数の波長を伝える１つまたは複数の導波路でレーザビーム処理モジュール１１１によって受信される。レーザビーム処理モジュール１１１は、いくつかの波長をより少ない導波路内に統合する波長マルチプレクサ３０３（または、「波長マルチプレクサモジュール」）を含み得る。上記波長マルチプレクサ３０３は、挿入損失を最小にするために、または、電子制御モジュール１１６を通して適切なレーザを波長調整するフィードバック信号を生成するために、能動的に監視され、調整されてよい。波長マルチプレクサ３０３によって生成された信号３２１は、波長エラー信号であってよく、波長エラー信号は、信号を波長ロッカにフィードバックしてレーザ波長を調整するために、波長マルチプレクサにフィードバックして、その通過帯域波長（複数可）を調整するために、または、後処理で、測定された波長エラーの予測効果のために、分光計の出力（例えば、被分析物の推定された濃度）を補正するために、採用されてよい。

光は、上記のように、変調器３０４によって変調されて（例えば、波長マルチプレクサ３０３が存在する場合、波長マルチプレクサ３０３の前後で変調されて）よい。連続した光源は、光源が生成する光にエンコードされた振幅ビットパターン、または位相ビットパターンを有してよい、または、側波帯が、一連の位相変調器を使用することによって、生成されてよく、このような側波帯は、直線ランプによってチャープされてよい。（光がレーザネットワーク１１０から受信される）各入力導波路上の光パワー監視回路３０１、３０２、または「導波路監視タップ」または「監視モジュール」は、これらの各導波路で受信されるパワー量を監視してよく、対応する信号３２２、３２３を電子制御モジュール１１６に送信してよく、電子制御モジュール１１６は、各導波路のレーザパワー（例えば、各波長のパワー）を予め設定された各パワーレベルまたは「セットポイント」に維持するように、レーザ駆動電流を調整してよい。各光パワー監視回路３０１、３０２は、レーザネットワーク１１０から受信される光のごくわずかを分割するためのスプリッタ（例えば、平行導波路方向性カプラ）と、分割された光の部分の光パワーを測定するためのフォトダイオードとを含み得る。

図１２は、一実施形態による、波長マルチプレクサ３０３を示す。本実施形態では、波長マルチプレクサ３０３は、波長エラー監視を有するエシェル格子として構成される。例示の波長を示す。１２８０ｎｍの波長の光が１２８０ｎｍのポートに入力される場合、入力された光の大半は、多重化された出力ポート３１２から出る。マルチプレクサは、テールポートを含み得る。テールポートは、追加の監視光検出器に送信され、信号３２１の生成に使用される少量の光（出力面の強度分布のテールに対応し、各テールは、ピークのそれぞれの側にあり、多重化された出力ポートに位置する）を受信する。しかしながら、入力波長が、ポートが取るように設計された指定の値から外れる場合、出力は、出力ポートからテールポートの１つにドリフトする。テール２ポートのパワーのテール１ポートのパワーに対する比を使用して、指定されたポート波長に対する波長エラー信号３２１を計算してよい。エシェル格子の設計においては、多重化された出力ポート３１２と各テールポートとに送信される光の割合は、それらの各チャネル通過帯域幅を設計することによって、及び、例えば、マルチプレクサの温度をヒータを用いて調節することによって、調節されてよい。いくつかの実施形態では、マルチプレクサ３０３（または、本明細書に記載の他のマルチプレクサもしくはデマルチプレクサ）は、（ｉ）（上記の）エシェル格子、（ｉｉ）アレイ導波路回折格子、または（ｉｉｉ）マッハツェンダカスケードである。

図１３は、送信／受信放射口モジュール１１２をより詳細に示す。送信／受信放射口モジュール１１２は、ＰＩＣ上の導波路内に（例えば、自由空間から）、且つ、ＰＩＣ上の導波路から（例えば、自由空間内に）光を結合する。この目的のために、送信／受信放射口モジュール１１２は、後方反射を最小にするための反射防止コーティングを有する導波路端部カプラ、または導波路格子カプラ等の１つまたは複数のエミッタを含み得る。単一の導波路は、単一のエミッタに結合されてよい、または、ＭＭＩのネットワークまたは方向性カプラによって、（相対的位相及び振幅が、例えば、電子制御モジュール１１６によって制御されるエミッタの位相アレイを形成し得る）複数のエミッタに分割されてよい。同様に、１つの受け入れ開口があってもよく、または、受け入れ導波路につき複数の受け入れ開口があってよい。

いくつかの実施形態では、送信及び受信に単一の開口が使用される。このような開口を通る入射光及び出射光は、オンチップサーキュレータを介して、または多重化偏光スキーム（図１４Ａ）によって、または２×２スプリッタ（図１４Ｂ）を使用することによって、分離されてよい。単一のファセット（「発射ファセット」と呼ばれる）は、（ｉ）（図１２のレーザビーム処理モジュール１１１によって行われる）局部発振器として使用するためにインターロゲート光の一部をそらす機能、及び（ｉｉ）（図１３の送信受信放射口モジュール１１２によって行われる）光をチップから（例えば、自由空間内に）結合する機能の両方を行う。

図１４Ａは、一実施形態による、Ｔｘ／Ｒｘ多重化偏光スキームを示す。送信される信号は、偏光される（図示の例では、横電場（ＴＥ）偏光を用いる。他の実施形態では、出射光は、異なる偏光状態、例えば、横磁場（ＴＭ）であってよい）。送信される信号は、Ｒｘ／Ｔｘ開口に多重化される。ランダムな散乱ターゲットの場合、受信された試料光信号は、偏光状態の混合であり得る。図１４Ｂの例では、試料光のＴＭ成分は、出力ポートに多重化され、試料光のＴＥ成分は、入力ポートに戻される。

図１４Ｂは、一実施形態による、２×２スプリッタを使用するシステムを示す。２×２スプリッタの第１の側（図１４Ｂでは、左側）の入力ポートで受信された光は、２×２スプリッタによって、２×２スプリッタの第２の側（図１４Ｂでは、右側）で２つの出力に分割される。２×２スプリッタの第２の側の出力のうちの各々または一方は、各開口に接続されてよい。戻された信号は、２×２スプリッタの第１の側の２つのポート、すなわち、２×２スプリッタの第１の側の入力ポート及び出力ポートに均一に分散されて戻される。１×２の変形形態を図１４Ｃに示す。

図１５Ａ、１５Ｂ、及び１５Ｃは、結合器ネットワークを、各実施形態で、より詳細に示す。図１５Ａの実施形態では、結合器ネットワーク１１４ａは、電気的に制御された光スイッチを含む（例えば、からなる）。スイッチは、所望の波長λ_ｉの光を含む導波路またはビーム路からの光を波長λ_ｉの受信された試料光を含む導波路またはビーム路と統合し、統合された信号を出力ポートに送信する、また、ｉ＝１～ＮＭ（レーザ波長の全範囲）であるｉの異なる値間で切り替える。一連のこのようなスイッチは、参照入力経路と信号入力経路との両方で平行に接続されて、多数の波長にわたる切り替えを扱ってよい、または１つのスイッチが、複数の参照及び受信試料光波長を統合してよい。図１５Ｂの実施形態では、結合器ネットワーク１１４ｂは、コヒーレント検出ミキシングネットワークを含み（例えば、からなり）、コヒーレント検出ミキシングネットワークは、一連のまたはアレイの２×２モジュールを含み（例えば、からなり）、一連のまたはアレイの２×２モジュールは、試料光信号と（上記のように、レーザビーム処理モジュール１１１から受信され得る）参照（局部発振器）信号とを図１６Ｂに示す平衡ＰＤまたはＰＤネットワークへの参照及び信号入力（１０４）に混合する。図１５Ｃの実施形態では、結合器ネットワーク１１４ｃは、現実のコンポーネントを有さない、試料光を有する導波路のセット、及び参照光を有する導波路のセットのパススルーシステムに過ぎない。このような実施形態では、出力導波路の数は、参照導波路の数と試料光導波路の数を足したものである。

図１６Ａ及び１６Ｂは、ＰＤネットワークを、各実施形態で、より詳細に示す。図１６Ａの実施形態では、フォトダイオードネットワーク１１５ａが、（ｉ）（図１７で詳細に示すように）各フォトダイオードが、ある一定の帯域の波長を検出するように最適化され、これらの波長を連続的に監視する複数のフォトダイオード、または（ｉｉ）時間領域で異なる時間に全ての波長が送信される単一の導波路を測定する単一のフォトダイオードを用いて、直接検出スキームで使用される。複数の波長が、同時にフォトダイオード（複数可）に入射してよく、振幅が変調または「チョッピング」された信号は、時間とともに変化する異なる電気信号を各波長に対して生成してよく、電気信号は、電子制御モジュール１１６に供給され、識別されてよい。電子制御モジュール１１６内で、検出されたＡＣ信号は、変調駆動信号を用いて復調されてよい、またはデジタル信号処理のために、マイクロコントローラ、ＦＰＧＡ、もしくはＡＳＩＣに接続されたアナログ・デジタル変換器を用いてデジタル信号に変換されてよい。

図１６Ｂの実施形態では、フォトダイオードネットワーク１１５ｂは、コヒーレントミキサから来る２つの光信号間の差を測定するための検出器対（平衡検出器）を含む。検出器の感度は、例えば、フォトダイオードへのバイアスを変更することによって、コモンモード阻止を改善するために、製造時の応答度の差を軽減するように能動的に調整してよい。いくつかの実施形態では、２×２結合器の不均衡を補償するために、各検出器の前に可変光減衰器がある。図１６Ｂ及び１６Ｃの実施形態では、２×２結合器、または結合器ネットワーク１１４の結合器は、特定範囲の波長で最小の挿入損失を有するように最適化されてよく、同じ特定範囲の波長に対して最適化されたＰＤと関連付けられてよい。この狭い帯域幅のミキサと狭い帯域幅のＰＤは次に、特定の波長範囲にわたって効率的に１つまたは数個のチャネルを扱うことができる。広いスペクトルを扱うシステムにとって、いくつかの（ｐ）の別個の２×２結合器とＰＤは、互いに並列で用いられて、全波長範囲を効率的に検出し得る。他の実施形態では、広い帯域幅の２×２結合器が使用されてよく、それによって、単一のデバイスが全スペクトルを扱い得る。いくつかの実施形態では、広いスペクトル帯域幅の用途に調節可能な結合器が使用される。いくつかの実施形態では、フォトダイオードネットワーク１１５は、その入力において全体で１対の導波路を有し、異なる波長が、その単一の導波路対で受信される。検出器対は、無線またはマイクロ波中間周波数電子信号を生成してよく、それらは、電子制御モジュール１１６に供給されてよい。電子制御モジュール１１６内で、検出されたＡＣ信号は、ＲＦヘテロダイン、ＲＦホモダインによってダウンコンバートされてよい、またはデジタル信号処理のために、マイクロコントローラ、ＦＰＧＡ、もしくはＡＳＩＣに接続されたアナログ・デジタル変換器に送信されてよい。図１６Ｄの実施形態では、フォトダイオードネットワークのｐフォトダイオードは、制御モジュール１１６に接続する電気信号出力部の数を減らすために電気的に接続／共有された電気出力部を有し得る。

図１７Ａ及び１７Ｂは、異なる遮断波長を有する複数の検出器モジュールを使用する検出器ネットワークを示す。（例えば、ＩｎＧａＡｓまたは拡張ＩｎＧａＡｓ等の異なる材料でできた）異なる検出器タイプは、異なる感度を有し、システムは、所与の波長範囲にとって最良の検出器を使用し得る。本実施形態では、デマルチプレクサ（ＤＥＭＵＸ、例えば、エシェル格子、ＡＷＧ、または、マッハツェンダカスケード）が、光を適切な検出器に分割する。

非侵襲的な温度測定
図１９～４３に関して記載する本発明の以下の実施形態は特に、温度の非侵襲的な測定のためのデバイス及び方法に関する。詳細には、それらは、シリコン光集積回路に対応する波長での非侵襲的な温度測定に関する。しかし、当然ながら、これらの実施形態に関して設定された光検出モジュールは、他の測定にも使用することができる。

図１９～４３に記載の実施形態は典型的に、小さい開口から出るレーザ線と、大きい波長スペクトル範囲を可能にする用途での測定とを伴う単一のチップ上の多数の個々にアドレス可能なレーザを含む光検出モジュールに関する。それらは、また、単一の小型基板上に個々の垂直エミッタ（ＬＥＤ、ＶＣＳＥＬＳ）のアレイを有するＳｉフォトニクスマルチレーザ光源と、同じ基板上のＲｘ検出器との組み合わせに関する。これらの特徴は、本出願書内に記載の他の実施形態の任意の実施形態に適用することができる。

図１９は、非侵襲的な温度測定のための光検出モジュールの一部を形成し得る単一の導波路出力開口１９０２を有する送信器ＰＩＣ１９０１の例である。複数のレーザ１９０３は、複数のハイブリッドＤＢＲレーザの形態を取り、複数のハイブリッドＤＢＲレーザは、それぞれの波長帯域が１．．．Ｎの波長を有する、Ｍ個の波長帯域をカバーする（フリップチップまたはマイクロ転写印刷（ＭＴＰ）によって搭載された）Ｍ個のＩＩＩ－Ｖハイブリッド集積ＲＳＯＡゲインチップまたはクーポン１９０８からなる。Ｍ個のＲＳＯＡはそれぞれ、Ｎ個のＤＢＲ導波路に光学的に結合され、各ＤＢＲ導波路１９０９は、Ｍ個の各波長帯域内にＮ個の波長を生じさせるようにＲＳＯＡの波長帯域内のサブバンドを選択する。複数のレーザからの出力波長の総数は、したがって、Ｎ×Ｍである。各レーザに関して、高反射性ミラーが、ＲＳＯＡ内のレーザ空洞の一端に配置される。ＩＩＩ－Ｖ ＲＳＯＡゲインチップまたはクーポンは、ＲＳＯＡ導波路の光モードが、ＳｉまたはＳｉＮのＰＩＣ導波路にエッジ結合されるように、ハイブリッド集積であってよく、これにより、ＲＳＯＡとＳｉまたはＳｉＮのＰＩＣ導波路との光が同じ面にとどまる。（Ａ．Ｊ．Ｚｉｌｋｉｅ ｅｔ ａｌ．，Ｐｏｗｅｒ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ＩＩＩ－Ｖ／Ｓｉｌｉｃｏｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃａｖｉｔｙ ＤＢＲ ｌａｓｅｒｓ， ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ２０，（２１）ｐａｇｅ２３４５６（２０１２）；Ａ．Ｊ．Ｚｉｌｋｉｅ ｅｔ ａｌ．，Ｍｕｌｔｉ－Ｍｉｃｒｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ Ｈｉｇｈｌｙ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒａｂｌｅ ａｎｄ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌ．Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ２５，（５）（２０１９）；Ｌｏｉ Ｒ，ｅｔ ａｌ．，Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｏｆ ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ ｅｔｃｈｅｄ ｆａｃｅｔ ｌａｓｅｒｓ ｔｏ Ｓｉ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ．ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｊｏｕｒｎａｌ．Ｖｏｌ８，（６）ｐａｇｅｓ１－１０（２０１６））。一実施形態では、各時間窓で１つのレーザのみがオンにされ、その時間窓で、検出器が、波長からの反射信号を検出する。レーザは次に、例えば、図３５に示すシーケンスを用いて、循環される。図１９に示すＰＩＣは、ＳＯＩプラットフォームを有する。同じアーキテクチャをＳｉＮプラットフォームにも適用することができ、導波路プラットフォームの選択は、レーザの動作の波長に依存する。単一のプラットフォームはＳＯＩとＳｉＮコンポーネントを含み得ると考えられてよい。

複数のレーザ１９０３からの光は、エシェル格子等の多重化コンポーネント（ＭＵＸ）１９０５によって単一の導波路内に統合される。この単一の導波路は、１ｕｍ～３．５ｕｍの範囲の高さと１ｕｍ～３．５ｕｍの範囲の幅とを有するＳＯＩのリブまたはストリップ導波路１９０６の形態を取ってよい。導波路は、オプションの埋め込まれたインターポーザテーパ１９０７を介して出力部に結合してよく、これは、例えば、ダブルＳＯＩウエハ（２つの埋め込まれた酸化物層を有するウエハ）を使用して、出力モードを１２×１２ｕｍに拡大することによって可能にされてよい。導波路出力部は、エッチングされ、角度を付けられ、ＡＲコートされたファセットであってよい。テーパがあってもなくても、導波路出力部１９０２は、１×１ｕｍ～１２×１２ｕｍの範囲のサイズを有するように選択されてよい。各波長に関して、波長ロッカフィードバックループ１９０４が含まれてよい。波長ロックは、ＵＳ１０６７７９８９及びＵＳ１０７３９２５６に記載されているようなものであってよい。

図２０は、ＳＯＩプラットフォーム上の拡散反射率測定分光光度計送信器ＰＩＣ２００１の例である。これは、多重化コンポーネントが存在せず、代わりに、光検出モジュールの出力部が、小さい開口（例えば、０．１～１ｍｍ）にわたるファセットのアレイ２００２の形態を取るという点で、図１９の実施形態とは異なる。集束レンズは存在してよい。一実施形態では、複数のレーザ１９０３のうち１つのレーザのみが各時間窓でオンにされ、その時間窓で、検出器が、その波長からの反射信号を検出する。Ｎ×Ｍ個のＲＳＯＡ ＤＢＲ１９０９からのレーザ出力は、導波路２００６によって、光検出モジュールの単一の開口で導波路ファセットのアレイに寄せ集められ、レーザとレーザ導波路との間隔は５ミクロンと小さい。開口全体のサイズは、１ｍｍ以下、または０．１ｍｍ以下であってもよい。各出力導波路は、導波路出力部のより大きい断面に変換するテーパ２００７または埋め込まれたインターポーザテーパ１９０７を含み得る。

図２１は、拡散反射率測定分光計送信器／受信器（ＴＲｘ）ＰＩＣ２１０１であり、これは、１つまたは複数のハイブリッド集積光検出器２１１１または光検出器アレイをさらに含むという点で、図１９のものとは異なる。光検出器は、ＰＩＣ上にフリップチップ搭載されてよい、またはマイクロ転写印刷（ＭＴＰ）によって堆積されてよい。

図２２Ａ及び２２Ｂは、コヒーレント光検出器または検出器アレイ２２１１を有する送信器／受信器ＰＩＣ２２０１を示す。これは、集積（モノリシックの、または異種の）平衡光検出器または光検出器アレイの形態を取ってよい。ＰＩＣの動作は、図２２Ｂの単純な形で分かる。スプリッタ２２０２（すなわち、９０／１０スプリッタ）及び導波路は、レーザ光（すなわち、送信される光）の一部を拾い上げるように働き、それを、参照アームを介して関連する平衡光検出器に供給して、コヒーレント検出スキームの局部発振器信号として働く。図２２Ａに示す例は、ＳＯＩプラットフォーム上に形成される。本明細書に開示の全てのＳＯＩプラットフォーム同様、同じアーキテクチャをＳｉＮプラットフォーム（図２２Ｃ）に同様に適用できることを想定している。ＳｉＮプラットフォームについては、テーパは、ＳｉＮベースのスポットサイズエキスパンダ（すなわち、水平テーパ、逆テーパ、または垂直方向にモードを拡大するために垂直にスタックされた複数のＳｉＮ層、垂直なものとはＳｉＮ表面に対して垂直な方向である）の形態を取ってよい。

図２３は、共通Ｓｉ基板を有する統合されたＳＯＩ及びＳｉＮプラットフォーム上の拡散反射率測定分光光度計送信器ＰＩＣ２３０１の例を示す。統合されたプラットフォームのＳＯＩ部分及びＳｉＮ部分は、それぞれ、複数のレーザ、多重化コンポーネント、及び出力部を含む。ＳＯＩプラットフォームは、１１２０ｎｍより大きい波長を有するＮＩＲ～ＭＷＩＲ波長で動作し（１９０３）、ＳｉＮプラットフォームは、４００ｎｍ～１１２０ｎｍの可視からＮＩＲ波長で動作する（２２０３）。

さらなる実施形態（図示せず）では、統合されたＳＯＩプラットフォーム及びＳｉＮプラットフォームを有する送信器（ｔｘ）ＰＩＣは、ＰＩＣとは別個であるが、共有の基板上に配置された（ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、及びシリコンベースのＰＤ、例えば、ＣＣＤアレイ及びＰＤアレイのうちの１つまたは複数を含む）集積光検出器を含むように適合されてよい。さらに、（図示されていない）実施形態は、Ｓｉ及びＳｉＮ Ｔｘ出力導波路からのタップオフと、Ｓｉ及びＳｉＮ Ｒｘ導波路への結合器とを含み得る。

図２４Ａ及び２４Ｂは、図２２Ｃ及び図２３（図２３に示す線Ａ－Ａ´）で表される等のＳｉＮ導波路プラットフォームの複数のレーザのうちの１つの断面を示す。ＲＳＯＡのＩＩＩ－Ｖ材料は、プラットフォーム内の空洞に配置され、プラットフォームのＳｉＮ導波路に光学的に結合される。ＳｉＮ導波路は、ＤＢＲ格子（または、リング共振器）を含み、これらは、ＳｉＮ層にエッチングされる。ＩＩＩ－Ｖ材料は、ＭＴＰまたはフリップチップダイボンディングによって集積され、半田で貼り付けられてよい。当然ながら、ＩＩＩ－Ｖ材料のモードは、屈折率ｎ３を有し、ＤＢＲ格子のモードは、有効屈折率ｎ１を有する。ＩＩＩ－Ｖ材料とＤＢＲ格子の間の界面には、（ＩＩＩ－Ｖ側から始まって）、屈折率√（ｎ３＊ｎ２）の第１のＡＲコーティング、屈折率ｎ２のフィル層、次に、屈折率√（ｎ２＊ｎ１）の第２のＡＲコーティングがある。あるいは、ＩＩＩ－Ｖダイまたはクーポンは、ＩＩＩ－ＶファセットとＳｉまたはＳｉＮファセットの間のギャップが光学的に無視できるほど小さく、充填材料が必要ないように、ＳｉまたはＳｉＮ導波路の十分近くに取り付けられてよく、この場合、√（ｎ３＊ｎ１）の単一のＡＲコーティング層は、ＩＩＩ－ＶファセットまたはＳｉもしくはＳｉＮファセットのいずれかに使用、適用することができる。図２４Ｂに示す断面は、導波路内に組み込まれる金属（「折り畳みミラー」）にコーティングされた（Ｓｉ、ＳｉＯ_２、またはＳｉＮの材料でできた）角度の付いた表面を含むという点で、図２４Ａの断面とは異なる。これは、ＢＯＸ層の面に対して４５または５４度の角度を形成し得る。

図２５は、皮膚での測定に使用する図２３の光検出モジュール等の光検出モジュールの例を示す。統合されたＳＯＩ／ＳｉＮ ＰＩＣ２３０１に加えて、光検出モジュールは、可視波長の第２の送信器２５０１を提供する別個のＬＥＤと、複数の検出器２５０２－１、．．．、２５０２－Ｎも含む。受信ビームの最適な収集位置は、ＴｘＰＩＣ励起点から横方向に（すなわち、測定されている皮膚２５０４の表面に平行な面に沿って）１～８ｍｍ移動されることが分かった。異なるソース検出器分離及び／またはレーザパワーに基づいて、異なる深さの侵入度が取得され得る。図示の実施形態は、表皮と真皮の複数の層とをプローブする。

図２６は、使用中のさらなる光検出モジュールの断面である。本実施形態では、垂直光検出器２６１１は、ＳＯＩ ＰＩＣ上に集積されている。光は、導波路折り畳みミラー２６１５（図２４Ｂ参照）を用いて垂直方向に９０度上に（または、いくつかの実施形態では、下に）送られて皮膚を照らすことができ、次に、垂直方向に照らされたＰＤは、ＰＩＣ Ｓｉ基板の上部（または、底部）に（例えば、上部のＳｉ層及びＢＯＸ層を通してエッチングされた空洞に）（例えば、フリップチップダイボンディング、または転写印刷によって）配置されて、光を収集してよい。このスキームの利点は、４５度のミラーの代わりに、（プラットフォームに容易に存在する）５４度の折り畳みミラーを使用して、図に示すように垂直ではなく、垂直よりずっと小さい角度で（例えば、６０度ではなく、２０度以下のオフ角度で）、励起ビームを組織に入射させることができることである。また、ＰＤをＰＩＣ基板に取り付けることにより、ＰＤによって生成される熱を上部のＳｉ層に流す代わりに、Ｓｉ基板層に直接流すことができる。受信器Ｒｘビーム収集位置２６１１は、典型的には１～８ｍｍ等の量だけ、ＴｘＰＩＣ励起点から移動される。

図２７に示す別の例では、垂直光検出器が、ＰＩＣ上ではなく、基板上に搭載される。さらなる詳細は、ＵＳ１０６４１９６２に記載されている。

図２８は、システムの収集開口を増加させるマイクロレンズ配置の例である。薄膜は、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２の層が交互になった、またはＳｉＯ_２とＳｉＮの層が交互になった最下層２８０１からなる。これらの交互になった層に、「中間層」２８０２が続き、次に、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２が交互になった層、またはＳｉＯ_２とＳｉＮが交互になった層のさらなるセット２８０３が続く。ＴｉＯ_２またはＳｉＮは、他の高屈折率の膜によって置き換えることができる。中間層は、伝送波長で、共鳴するように１／４ラムダシフトされ、厚さはλ／２のｍ倍である。図示の実施形態では、全部で２１の層がある。光検出器アレイ内の各光検出器は、それ自体の各マイクロレンズを有し、各マイクロレンズは、上記構造を有する。

図２９Ａは、外部光検出器２２１１の薄膜ＤＢＲフィルタの例である。これは、最下層２９０１、空洞層２９０２、及び最上層２９０３から形成される。底部ミラー／フィルタ層は、高／低屈折率の１／４波長の対から製造されてよい。中心の空洞層は典型的に、厚さｍ＊λ/２ｎ＿ｌｏｗの低屈折率の層である。ここで、λは、フィルタ通過帯域の中心波長であり、ｍ＝１以上の値が、製造可能性及び厚さ制御にとって望ましい場合がある。中心層は、空洞の長さが異なるように、エッチングされ、最終的に、最上層が適用されて、パターニングされる。単一のウエハに任意の数のフィルタがあってよい。

様々な帯域通過フィルタが、図２９ＡのＤＢＲフィルタ機構を用いて作成されてよい。図２９Ｂは、図２９Ａの薄膜ＤＢＲフィルタ等の薄膜ＤＢＲフィルタのＯバンド帯域通過設計の例であり、Ｏバンド設計のさらなる例を図３０に示す。

図３１は、代わりに、（ｂ）に示す屈折率のプロットと、結果として生じる、（ａ）に示す波長の関数としての透過率とを有する黄色通過帯域を示す。図３２は、共鳴空洞光検出器の例と、６００ｎｍでピークを示す波長の関数としての例示の透過／反射スペクトルである。光検出器は、以下のもので構成される。

・ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２またはＳｉＯ_２／ＳｉＮ層からなる最上部の薄膜スタック３２０１

・吸収領域を有するアクティブＰＤに対応する中間層３２０２

・交互になったＩＩＩ－Ｖ層を有する最下部ＤＢＲ層３２０３

ＴｉＯ_２またはＳｉＮは、他の高屈折率の膜によって置き換えることができる。ＰＤの唯一の要件が可視波長を吸収することであるため、ＰＤは、ＩＩＩ窒化物の代わりに、ＩＩＩヒ化物で作られてよい。最下層の材料の例には、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、及びＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓが含まれる。

図３３は、心拍、ＳＰＯ_２、及び温度の測定のタイミングチャートの例を示す。図は、タイミングの可能な組み合わせを示す。

１－ＨＲ、ＨＲＶ、ＰＩ、ＰＶＩ等：これらの変数は、連続して計算されることになっており、単一のＬＥＤ（Ｇ）を使用して計算することができる。このＬＥＤは、ある一定のサンプリング周波数、例えば、２５～１００ｓｐｓで多重化することができ、１％と小さいデューティサイクルと、脈動組織によって減衰された後でＰＤを励起するのに十分な照明とを有する。

２－ＳｐＯ_２、ＳｐＣＯ、ＳｐＭｅｔ：これらの変数は、５～１５分等のより長い間隔で計算されることになっている。これらは、システムのサンプリング周波数（２５～１００ｓｐｓ）で、短い取得期間、例えば、１～３秒から可視ＷＬのセット（Ｇ１～Ｇｎ、Ｙ１～Ｙｎ）を計算する必要がある。より良いＳＮＲの要件には、２～４％等のより大きいデューティサイクルと十分な組織照明とが求められる。

３－体温測定、身体の水分量：これらの変数は、３０分から２～３時間等のはるかに長い間隔で計算することができる。これらは、正確さを向上させるために、ＰＩＣレーザのセットを、ある一定の時間、多重化する必要がある。サンプリング周波数及び平均化は、システムの必要な正確さ及びＳＮＲによって決定される。

図３４は、図３３のデータの単一のサイクルのズームを示す。行１では、例えば、複数の可視ＬＥＤ（λＧ、λＧ１、．．．λＧｎ、λＹ１．．．λＹｎ）からなる光源のシーケンスに、複数のＳＷＩＲ波長ＰＩＣレーザ（λ１．．．λＰｎ）が続くのが示されている。各光源は、連続的に、その物理アドレスで定義されたある一定のタイムスロット（列１）で、時分割多重化され、デューティサイクルは、計算される変数に応じて、所望のパターンに従って、ＣＰＵタイマによって制御される。この表の対角線の値は、照明の所望の相対強度を表す。強度は、組織によって減衰される光がある均等な強度で光検出器に到達するように制御される。

図３５及び３６は、それぞれ、光源多重化パターンの例を示す。図３５は、２つの検出器で検出された３つのレーザ波長（１３１０、１５５０、及び１６５０ｎｍ）の多重化されたパターンである。Ｉは、組織を通り抜けた光を表し、Ｉｏは、組織を通り抜けずに参照フォトダイオードの方に進んだ光を表す。図３６は、４つの検出器で検出された４つのレーザ波長の多重化されたパターンである。この場合、４つの検出器のうち３つは、異なる光源検出器間隔にあり、検出器は、光源から、それぞれ、０．６２ｍｍ、１．０７ｍｍ、及び１．２４ｍｍ離れており、参照フォトダイオードは、そうではない。

身体の吸水スペクトルは、水分子同士の水素結合と、インビボで他の分子との水素結合で温度が有する効果による温度の関数である。この感度は、振動モード（２８９８ｎｍ、２７６６ｎｍ、及び６０９７ｎｍ）及びそれらの高調波（１９５０ｎｍ、１４５０ｎｍ、１２００ｎｍ、及び９７０ｎｍ）から生じるＮＩＲの複数の吸水ピークに存在する。１３００～２５００ｎｍにわたる標準的な分光光度計技術について、～１４５０ｎｍ及び～１９５０ｎｍの２つの強力な吸水ピークは、吸水の特徴付けを通して水の温度に対する感度を提供する。

非侵襲的な組織温度測定は、Ｓ．Ｍｅｒｒｉｔｔ等による９７０ｎｍ帯域での吸収変化を通して実証された（Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｎｏｎ－ｉｎｖａｓｉｖｅｌｙ ｕｓｉｎｇ ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｄｉｆｆｕｓｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，Ｍｅｒｒｉｔｔ ｅｔ ａｌ，Ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃｓ ２００４（ＯＳＡ｜ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｎｏｎ－ｉｎｖａｓｉｖｅｌｙ ｕｓｉｎｇ ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｄｉｆｆｕｓｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ｄｏｉ．ｏｒｇ），Ｎｏｎｉｎｖａｓｉｖｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｂｒａｉｎ ｔｉｓｓｕｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｂｙ ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，Ｈｏｌｌｉｓ ｅｔ ａｌ．，ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｖｏｌ４２５０（２００１）（１０．１１１７／１２．４３４５０６（ｄｏｉ．ｏｒｇ））。

本発明の１つまたは複数の実施形態は、皮膚温度に直接相関することができ、ある実施形態では、Ｓｉ光集積回路に対応した波長で、中核体温度にさかのぼることができる水温の非侵襲的な測定に関する。測定は、皮膚、及びプローブされた真皮内に数ミリメートル光が侵入するのを可能にする１４５０ｎｍの水ピークの周囲の波長を使用して行い得る。この波長はＳｉの１１２０ｎｍの吸収帯エッジより高いので、この波長で動作することにより、Ｓｉ光集積回路の使用を可能にする。卓上実験測定では、～１３９０ｎｍ及び～１５４６ｎｍで生じる水カーブの各側の温度変化に対する最大感度を有する（ＮＩＲ分光法及び多変量分析－２０１８．ｐｄｆによるモデル膜の水を検査する）温度に対する感度を示しており、吸収におけるこれらの変化は、１４５０ｎｍの水ピーク近くでのそれらの間に等吸収点をはさんで互いに反対側にある。水ピークの各側の多くの波長と、１つまたは複数の等吸収点の波長とを選択することによって、皮膚の反射測定によって、いくつかの実施形態について、皮膚温度を非侵襲的に、最終的には中核体温を測定するのが可能になる。

光温度測定の問題も、９７０ｎｍ吸水ピークに対する感度を通して９００～１１００ｎｍ範囲の波長を使用して解決することができる。この特許はまた、これらの波長で組織のプローブもできるＳｉＮ ＰＩＣを記載する。

各波長領域は、その長所と短所を有する。例えば、９７０ｎｍの光は、光が組織により深く侵入するのを可能にし、より深くの組織構造の組織温度の測定を可能にする。９７０ｎｍの光はまた、水温ピークシフトを分かりにくくするヘモグロビン及び脂質等の他の吸収体からのより高い組織散乱及びより相対的な吸収を有する。１４５０ｎｍ水ピークは、より高い吸収を有し、その結果、光は、組織内にあまり深く侵入せず、皮膚温度の測定に理想的である。１４５０ｎｍ水ピークで、水の吸収が優位になり、組織散乱は低くなる、これは、吸水スペクトルの温度に関連する変化に対する感度にとって有利である。

ＳｉＮプラットフォームを用いて温度を測定することによって、９７０ｎｍ水ピークで小型ウェアラブルの測定の実施可能性を可能にする。Ｓｉプラットフォームを用いて温度を測定することによって、１４５０ｎｍ水ピーク周囲で小型ウェアラブルの測定の実施可能性を可能にする。

本発明の光検出モジュールは、連続的な分光温度測定、連続的な分光水和測定、連続的な分光エタノール測定、連続的な分光乳酸測定、温度、ＳｐＯ２、及びＰＰＧの連続的な分光法の組み合わせ、ならびに上記の２つ以上、もしくは全ての連続的な分光法の組み合わせのための非侵襲的なウェアラブルを提供する。

解決される問題の例（ＳｐＯ_２）

市場でのＳｐＯ_２（血液酸素飽和度）測定の一般的な現在のソリューションは、赤色及びＩＲ波長（例えば、ｈｔｔｐｓ：／／ｂｌｏｇ．ｆｉｔｂｉｔ．ｃｏｍ／ｔｒａｃｋ－ｙｏｕｒ－ｓｐｏ２／）を使用する。これらの光源は、透過型ジオメトリで、指先などの十分にかん流された組織位置でＳｐＯ_２の測定にうまく機能する。赤色／ＩＲ ＳｐＯ_２測定は、手首の後ろ側では、低いかん流と信号品質の悪さのために、うまく機能しない。本発明は、５００～６５０ｎｍ領域の離散波長帯からのＰＰＧ信号のためのソリューションを提供する。このソリューションは、ＳｐＯ₂の変化に対してより大きい感度を与える赤色／ＩＲ波長よりかなり大きい信号と、手首の後ろ側でウェアラブルセンサを使用した測定能力とを提供する。

著者の知るところでは、広帯域光源を用いたレーザまたは小型分光計を通した５００～６５０ｎｍ波長範囲での離散波長ソリューションは誰も行うことができなかった。分光計ソリューションは、大きすぎ、十分に小型ではない。一酸化炭素ヘモグロビン及びメトヘモグロビン等の血液中の交絡（ｃｏｎｆｏｕｎｄｉｎｇ）吸収体を通してＳｐＯ_２を測定するために必要な狭い線幅のレーザ光源も利用できない。

解決される問題の例（ＰＰＧ）

ＰＰＧ信号は、ウェアラブルデバイスで心拍を測定するための基準である。緑色ＬＥＤは、最先端であり、低かん流の皮膚で反射モードで良好な信号強度を提供する。本発明の光検出モジュールは、ＳｐＯ_２と組み合わせて使用される緑色ＬＥＤ／レーザからの標準的なＰＰＧ信号を組み込む。

Ｓｉ ＰＩＣはまた、プローブが、手首の橈骨動脈等、浅動脈にわたって配置されるとき、１１５０～１３５０ｎｍの範囲の波長を使用してＰＰＧを測定する方法を有する。この位置及び測定は、動脈のパルス波形を測定するために有利な場合があり、血圧に関連する測定値及び血液粘度等の測定パラメータと相関し得る。

本発明の要素及び異なる実施形態（ＳｐＯ_２）
いくつかの実施形態では、１つまたは複数のＬＥＤ（広帯域光源）、または２つ以上の特異的な波長半導体発光体（ＶＣＳＥＬＳまたはＦＰレーザ）は、酸素飽和度、一酸化炭素ヘモグロビン、メトヘモグロビン、及び分画酸素飽和度を測定するために、シリコンフォトダイオードと併せて使用される。

好ましい波長を以下に示すが、近くの波長も機能し得る。
・等吸収点：５３０ｎｍ、５４５ｎｍ、５７０ｎｍ、５８４ｎｍ
・ピーク／谷：５１５ｎｍ、５４０ｎｍ、５６２ｎｍ、５７７ｎｍ、６００ｎｍ

いくつかの実施形態では、有利なコンパクトさ及び集積可能性のためのＬＥＤ等の広帯域光源、あるいは、検出器のための蛍光光源、白熱光源、ハロゲン光源、及び複数のフォトダイオード（ＰＤ）が使用される。異なるフォトダイオードソリューションは、以下を含む。
・波長識別のために個々のＰＤに狭い帯域幅のスペクトルフィルタを有するＰＤアレイ
・スペクトルフィルタは、ダイシング前にウエハレベルでモノリシックに堆積された、または別個の基板上に成長、ダイシング、及び転写印刷された誘電薄膜スタックＤＢＲフィルタであってよい。
・薄膜スタックＤＢＲフィルタは、マイクロレンズの表面に堆積、または他の方法で適用されてよく、次に、ＰＤに別個に適用される。
・逆バイアス共鳴空洞ＬＥＤ（ＲＣＬＥＤ）は、共鳴空洞フォトダイオード（ＲＣＰＤ）として使用することができる。
・あるいは、小型分光計は、波長識別に使用することができる。

いくつかの実施形態では、ＬＥＤの代わりに、ＰＩＣの個々のＶＣＳＥＬまたはＦＰレーザを使用して、特定の被分析物を測定することができる。

いくつかの実施形態では、狭いスペクトルのＲＣＬＥＤは、ＶＣＳＥＬ／ＦＰレーザの代わりに使用することができる。

いくつかの実施形態では、ＰＤ上のスペクトルフィルタの代わりに、スペクトルフィルタを有するＬＥＤを使用して、出力波長スペクトルを狭めることができる。

いくつかの実施形態では、青色波長光源（ＬＥＤ／レーザ～４５０ｎｍ）を使用して、５００～６００ｎｍ範囲の波長の自然蛍光を誘導してよく、自然蛍光は、その後、波長を識別するために分光計またはフィルタリングされたＰＤによって捕捉される。

いくつかの実施形態では、フィルタリングされた波長アプローチは、ＣＭＯＳ／ＣＣＤを用いて行うことができ、フィルタ（例えば、誘電体スタックフィルタ）は、大きい組織面積にわたって波長信号を平均化及び混合するために様々なパターンで個々の検出器に対して配置し得る。

本技術が既存の温度測定に対して有する長所の例には、以下が含まれる。

・侵襲的測定と比べて非侵襲的である。

・皮膚表面でのサーミスタ測定と比較して、本測定は、実際に皮膚に侵入しているのに対して、サーミスタは、皮膚表面を測定しようとするものであり、プローブハウジングに結合することによって、強力に影響を受ける。

・サーミスタまたは非侵襲的なＭＩＲ検出方法と比較して、本方法は、それぞれ、独立した温度測定として存在し、組み合わせると、高い正確さを提供する複数の波長測定を可能にする。測定及び分析すべきより多くの個々のスペクトルの可能性は、さらに正確な測定を可能にする。

・本方法によって、異なるソース検出器分離で皮膚をプローブするのが可能になり、したがって、深さによる皮膚の温度の自然な勾配の特徴付けを可能にする異なる深さでの皮膚温度に対する感度を有するのを可能にする。サーミスタ測定またはＭＩＲ検出方法は、皮膚温度の深さ感度を有さない。

・標準的なシリコンフォトニクスＰＩＣプラットフォームと結合されると、本方法により、劇的に小さくなったサイズ、簡単になったパッケージ、低減されたコストを有し、ウェアラブルにできる、より集積化されたモジュールが可能になる。従来は、必要とする正確さのために複数の波長を要する本測定は、ウェアラブルにできるコンパクトなサイズでは実現可能でなかった。

・より正確なウェアラブル温度プローブを用いて、本技術は、２、３例を挙げると、熱の検出、女性の受胎能監視、及び睡眠サイクルモニタリングなどの用途に使用できる人の体温の経時的なコンスタントな／リアルタイムの追跡を可能にする。

・モジュールサイズがコンパクトなことにより、本技術を、身体のコア（中央部または胸）上のパッチ等、中核体温を追跡できる身体の部分に着用できるようにする、またはイヤホン等、頭部上の、もしくは眼鏡フレームに組み込まれるウェアラブルにすることができる。

本発明の光検出モジュールの可能な用途は、以下を含むが、これらに限定されない。
・ＰＰＧ
・心拍
・心拍変動
・血圧
・酸素飽和度
・総ヘモグロビン
・一酸化炭素ヘモグロビン
・メトヘモグロビン
・脳酸素測定
・筋酸素測定
・中核体温
・局部体温
・皮膚水分量
・全身水分量
・血中アルコール検出
・皮膚癌スクリーニング／特性評価
・乳酸検出
・グルコース監視

図３７Ａは、１１００～１８００ｎｍ範囲にわたって標準的な分光光度計で測定された純水及び散乱溶液の吸収スペクトルである。溶液は、２５～４５℃の温度で測定され、スペクトル特徴の厚さは、温度変化による。

図３７Ｂは、上のプロットからのデータが全て、３７℃で正規化された正規化バージョンで、溶液の温度を有する異なる波長での線形の吸収変化を示す。吸収測定値の例は、１５３０ｎｍで温度の関数として図３８Ａに示される。図３８Ｂは、１３９０ｎｍでの温度の関数としての吸収測定値を示す。２つのプロットは、２つの他とは異なった波長１５３０ｎｍ及び１３９０ｎｍでのデータの線形性を示す。データは、絶対変化の傾斜及び方向が、各波長によって異なることも示す。

図３９は、インビボのデータの例である。データは、４つの波長と３つの検出器ファイバ結合システムを用いて収集された。使用された全てのファイバは、６００ｕｍ直径の０．３９ＮＡファイバで、ソース検出器分離は、各プロットの一番上に列挙されており、０．６２ｍｍ、１．０７ｍｍ、及び１．２４ｍｍである。上の横列のプロットは、反射率プローブが皮膚と接触して、皮膚で発生する水分吸収の温度変化を示すために皮膚が加熱及び冷却される６０秒間にわたって測定された疑似吸収値である。２番目の横列は、温度による変化が疑似吸収単位で見ることができるように、データからの相違に使用される最初の５秒の平均を有するデータである。異なる波長に対する疑似吸収の方向変化は、分光光度計で測定された吸収変化と一致する。

反射率測定値から温度測定値を予測するアルゴリズムを図４０～４２を参照して以下に記載する。当然ながら、アルゴリズムの訓練とアルゴリズムの応用とは、温度以外のパラメータにも適用することができる。最初に、入力の関数として予測される温度を決定するために、アルゴリズムが訓練される。これは、図４０のフロー図で分かる。

本願に記載された実施形態のいずれか１つ等の光検出モジュールを用いて反射率データを収集する（ｓ１）。反射率データセットは、デバイスの動作波長内の複数の波長にわたってキャプチャされる。同時に、対応する温度測定が行われる（ｓ２）。これは、中核温度の測定値であってよい、または参照部位の温度に関連し得る。バイアス補正が、必要に応じて測定データに適用されてよい（ｓ３）。同様に、収集された反射率データが、調節されてよい、または、信号処理が適用されてよい（ｓ４）。正確さをさらに向上させるために波長ドリフト補正も適用されてよい（ｓ５）。データ調整は、周囲温度、基板温度、皮膚表面温度、またはセンサ上の衣服もしくは任意の他の断熱材の存在のうちの１つまたは複数を含む補助入力も考慮してよい（ｓ６）。表面温度は、サーミスタによって推測されてよい。反射スペクトルの特徴は次に、温度測定値上にマッピングされ（ｓ７）、このマッピングから、予測温度Ｔ（予測）と、反射スペクトルから測定され、アルゴリズム入力値として使用される値との間の関係を定義する関数が推測される（ｓ８）。温度に対する吸光度の例は、図３８Ａ及び３８Ｂに示される。

温度アルゴリズムの測定された反射率データへの適用を図４１を参照して以下に記載する。図４１は、２段階のアルゴリズムプロセスを示し、図４２は、単一段のアルゴリズムプロセスを示す。両方のプロセスにおいて、最初のステップは、本出願書に記載された発明の実施形態のいずれか等、光検出モジュールハードウェアを使用して、反射率データセットを収集することである（ｓ１１）。このデータ収集は、異なる波長範囲にわたって行われる。図４０に関連して上記に列挙した補助入力等、１つまたは複数の補助入力の要素を含み得る（ｓ１３）データ調整及び／または信号処理（ｓ１２）が適用される。結果の信頼性を向上させるために波長ドリフト補正が適用されてよい。

図４１の２ステップのプロセスでは、Ｔ（予測）アルゴリズムは、部位の温度測定値を使用して訓練された。データに適用されると（ｓ１６）、これは、出力予測温度につながるが、これは、部位温度の予測となる。典型的には、ユーザは、中核温度に関心があるので、さらなるアルゴリズムが適用されて、（ｓ１８）予測された部位温度を予測中核温度の出力に変換する（ｓ１９）。図４２に示す単一段のプロセスでは、アルゴリズムは中核温度に関連する訓練データで訓練されているので、部位温度から中核温度への変換は必要なく、したがって、この場合、訓練されたアルゴリズムを適用するステップ（ｓ１４）は、中核体温の出力（ｓ１５）に直接、つながる。

温度予測プロセスに関して、特定の波長から開発されたアルゴリズムが、使用されてよく、吸収曲線の各側のピーク温度感度、必要な測定正確さを得るために選択された波長数、温度に関連しない信号の変化を監視するための温度の等吸収点近くの波長の選択、対象の皮膚散乱に基づいた対象ごとの等吸収点波長の選択の最適化、温度に関連しない吸収変化の原因となる水分量測定値と温度測定との組み合わせ、温度のプロキシを発見するための水ピークの両側での波長間の差を見ること、収集された反射率データから温度に適合する様々なアルゴリズム技術の適用、のうちの１つまたは複数に基づいて、波長が選択されてよい。

図４３は、１３１０ｎｍレーザを使用して、橈骨動脈上の皮膚から収集されたＰＰＧデータの例を示す。

図４４は、青色光を使用して収集されたＰＰＧデータのさらなる例を示す。青色波長範囲の高いヘモグロビン吸収のために、強いＰＰＧ信号が、手首の後ろ側の青色光源から測定できる。

図４５は、波長の関数としての酸素飽和度と９５％飽和血液の吸収とのシミュレーションデータを示す。９５％飽和血液の吸収は、ＰＰＧ信号の強さはヘモグロビン吸収に相関するので、所与の波長のＰＰＧ信号の強さを示す。９５％のＳｐＯ２及び７０％のＳｐＯ２の割合で表される酸素飽和度感度は、これら２つの飽和状態の間での酸素飽和度の変化に対する波長感度を提供する。２つの波長の比率からＳｐＯ２を計算するために、選択された２つの波長は、酸素飽和度曲線の等吸収点を表す破線の両側にあるべきである。２つの点が等吸収点線から離れていればいるほど、ＳｐＯ２の変化に対する感度は高くなる。６６０ｎｍ及び９５０ｎｍのプロットからＳｐＯ２変化に対する最大感度を表すが、手首の後ろ側でデータを取得するとき、９５％酸素飽和度値は低いので、ＰＰＧ信号は弱い。図４５は、等吸収点線の両側の４４２ｎｍ及び４７２ｎｍ等の波長が、十分なＳｐＯ２感度と、強いＰＰＧ信号も有することを示す。

図４６は、６６０／９４０ｎｍと４４２／４７２ｎｍの較正曲線比較の例を示す。較正曲線は、２つの波長の比に関するＳｐＯ２に対する感度を表す。良好な感度を有する標準的なＳｐＯ２測定である６６０／９４０ｎｍが、比率値にわたってより大きい範囲とより高い感度を示す４４２／４７２ｎｍと比較される。

上記ＰＩＣバージョンのいずれも、窒化シリコンＳＯＩ ＰＩＣプラットフォームを使用するＰＩＣによって置き換えることができ、窒化シリコンＳＯＩ ＰＩＣプラットフォームは、５００～１１００ｎｍの範囲の波長を支持し、これらの波長をカバーするゲイン帯域を有するハイブリッド集積ＲＳＯＡを組み込み、拡散反射分光光度法のより良好な感度と選択された用途に関して組織へのより深い侵入深さとを可能にする。

図面のＩｎＧａＡｓ ＰＤは次に、より高い検出感度のために、Ｓｉ ＣＣＤ検出器に置き換え得る。

ラマン散乱分光法

本発明の実施形態を図４７～６０を参照して以下に記載する。これらの実施形態は、詳細には、モジュールがポンプとプローブレーザ光源とを有し、したがってラマン散乱分光法測定を行うことができるように構成されたＰＩＣを有する光検出モジュールに関する。

誘導ラマン分光技術は、癌検出、疾患検出、非侵襲的な血糖測定、より最近では、インビボでの代謝フィンガープリント法及びハイパースペクトルイメージング等、広範な医療検出及び診断用途で有用な可能性があると当技術分野で報告されている。誘導ラマン散乱は、ラマンポンプ光と対象のストークスピークのプローブ光とで試料のターゲットエリアを照らすことを伴い、４～５桁、検出感度を引き上げることが分かった（例えば、ＵＳ６，５６０，４７８ Ｂ１、ＵＳ６，５６０，４７８ Ｂ１を参照）。

従来のラマン分光法は、８００または１０６４ｎｍ周囲のラマンポンプ波長を有するＮＩＲ波長で行われてきた。ラマン散乱は基本的に、ラマン散乱断面でのν４依存による、より低い波長でより強い散乱断面により、約８００ｎｍでより強くなる。検出器はまた、１１５０ｎｍを超える波長で、ノイズが多くなり、感度が低くなるので、これらの高い波長でラマン信号を検出することにさらなる課題を与える。他方、インビボで組織の分光光度法を行うと、特に、測定される信号が、ラマン分光法等の非線形分光法でのように弱い場合、光の組織内への浸透深さ、及び皮膚表面と測定される点との間の背後の組織による光の吸収が課題となる。より長い波長でのラマン分光法の課題は、より長い波長（最初は１８００ｎｍまで、または最終的には３０００ｎｍまで）は組織での吸収を少なくして、組織内へのより深い浸透を可能にし、測定のために検出器に戻るときのストークスシフト光の吸収及び散乱を少なくするという事実によって部分的に補償される。さらに、１１５０ｎｍを超えるＩＲ波長の目にとって安全なパワー制限は、より高く、より高いラマンポンプレーザパワーの使用が可能になる。

Ｓｉ光集積回路を使用してラマン分光計を作成するとき、１１２０ｎｍを超える光波長で、シリコンのバンドギャップを有する分光法を行うことが望ましいことが分かった。光集積回路においては、１２６０ｎｍ～１８５０ｎｍまでで動作するダイオードレーザ（ＤＢＲ、ＤＦＢ、またはＲＲ調整可能）は、簡単に入手でき、ハイブリッドレーザプラットフォームで既に利用可能なビルディングブロックを使用して、Ｓｉフォトニクスベースの集積回路内に一体化することができる（本書類に記載、及び、例えば、Ｐｏｗｅｒ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ＩＩＩ－Ｖ／Ｓｉｌｉｃｏｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃａｖｉｔｙ ＤＢＲ ｌａｓｅｒｓ，Ａ．Ｊ．Ｚｉｌｋｉｅ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ２０，（２１）ｐａｇｅ２３４５６（２０１２），Ｍｕｌｔｉ－Ｍｉｃｒｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ Ｈｉｇｈｌｙ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒａｂｌｅ ａｎｄ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，Ａ．Ｊ．Ｚｉｌｋｉｅ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｊ． Ｓｅｌ．ｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ２５，（５）（２０１９）にも記載）。ラマンフィンガープリントは、ｃｍ－１で測定されたポンプ格子エネルギーからｃｍ－１の単位のストークエネルギーのダウンシフトであり、インビボのバイオモニタリングのフィンガープリントは、グルコース［１］に対しての７３０ｃｍ－１からＣＨ２伸縮振動［４］に対しての２８４５ｃｍ－１までの範囲であり得る。

本発明のこれらの実施形態によって解決すべき問題は、通常はかさばるレーザ及び検出器と自由空間光学励起スキームとを用いて作成され、多くの生物医学的シグネチャを測定する（例えば、癌検出、疾患検出、非侵襲的な血糖測定、そして、最終的にはインビボでの代謝フィンガープリント法及びハイパースペクトルイメージングを行う）ために有用なラマン分光計及び／または撮像装置の利用の仕方と、その機能をチップに小型化することによって、サイズ、コストを劇的に減らし、パワー効率を増加させ、消費者デバイスでのユビキタスな配備を可能にする方法である。

人間集団のかなりの部分にユビキタスに配備され、クラウドに接続されると、ビッグデータを利用して、有用性を劇的に増加させることができ、他の人々から、及び個人の履歴からの他のデータセットに対してのパターン認識にＡＩを適用して、例えば、予防的な疾患または健康状態検出及び予防を実施することができる、すなわち、スマートフォン等のコンピューティングデバイスの任意のユーザからの（例えば、毎日、毎時間、何回も記録された）ラマンシグネチャデータストリームは、ユビキタスで、広く利用できる情報になる。

本発明のラマンフィンガープリントの特定の範囲を、例えば、誘導ラマン分光法（ＳＲＳ）を実行することによって測定することは、本明細書に開示のレーザプラットフォーム（高密度／コンパクトサイズのチップの複数の集積レーザ、複数の波長が複数のレーザのｅｐｉ帯域にわたる）を使用するＳｉ光集積回路を用いて達成されてよい。

Ｓｉフォトニック導波路プラットフォームが使用できるように、１１５０ｎｍを超える波長が使用されてよい。例えば、１３５０ｎｍのラマンポンプと、１４８０ｎｍ～１８６８ｎｍのラマンプローブ波長とを用いて、１３５０ｎｍ～１５００の範囲の組織の水（Ｈ_２Ｏ及びＣ０_２）吸収ピークを避けるように、波長が選択される。１２６０～１３６０ｎｍの範囲の追加のストークスプローブレーザ波長に関連付けられた第２のポンプレーザが、例えば、１２００ｎｍで、追加で使用されて、４００～１１００ｃｍ^－１の小さい波数をカバーすることができる。

前述の（図４４～６０に示す）光集積回路は、Ｓｉ導波路の代わりに、ＳｉＮ導波路を使用して、７００ｎｍ～１０６０ｎｍの標準／一般的波長でＳＲＳ分光法を可能にすることができる。

ＳＲＳラマンレーザはまた、同じＴｘ ＰＩＣ上で「普通の」分光光度計（ＳＰ）レーザと統合されて、ＳＲＳ＋ＳＰ Ｔｘ ＰＩＣの組み合わせを作ることができる（図５８～６０を参照）。

電気信号／ノイズ比が図４４～６０に示す変形形態に対して実施可能であることが、シミュレーションによって示された。

いくつかの実施形態では、標準的Ｇｅ検出器が使用されてよい。いくつかの実施形態では、ハイブリッドＩｎＧａＡｓ検出器が使用されてよい。いくつかの実施形態では、ロックイン検出が使用されてよい。いくつかの実施形態では、ヘテロダイン検出電子機器が使用されてよい。いくつかの実施形態では、正確な（ｔｒｕｅ）光コヒーレント検出が使用されてよい、すなわち、送信器レーザ出力は、分割され、一部が、局部発振器としてコヒーレント検出を実行するコヒーレント（平衡）検出器にフィードバックしてされてよい。

いくつかの実施形態では、高い光強度を維持しながら、組織の加熱を低減するために、ポンプレーザ及びプローブレーザは、低いデューティサイクルでパルス化させることができる。オプションで、ポンプレーザ及びプローブレーザは、好ましくは＜０．１％の低いデューティサイクルで、理想的には、持続時間中、１－１０ｎｓのオーダーのパルスが作成される周波数ｆｐで、例えば、～１ｅ－３～１ｅ－４％のデューティサイクルを提供するｆｐ＝～１ｋＨｚで、電気駆動変調で駆動されてよい。ポンプレーザ及びプローブレーザ駆動信号は次に、組織に入射するときにポンプパルスとプローブパルスが時間的に重なるように、同期（すなわち、位相を一致）される。

受信器では、ロックイン検出電子機器が、フォトダイオードに追加されて、周波数ｆｐでホモダイン検出を実行して信号対ノイズ比を改善してよい。

図４７は、別個の光検出器を有するラマン分光計送信器ＴｘＰＩＣ＋を示す。複数のレーザは、複数の固定波長ＤＢＲポンプレーザ４７０３と、複数の固定波長プローブレーザ４７３３とを含み、波長は、対象の共鳴で固定されている。単一のＲＳＯＡ ＩＩＩ－Ｖ空洞は、ＤＢＲの固定波長がＲＳＯＡゲインスペクトルの波長範囲内の波長に対応するように、複数のＤＢＲレーザを支持してよい。光操作段は、ポンプＤＢＲレーザの出力を統合する第１の多重化コンポーネント４７０５と、プローブＤＢＲレーザの出力を統合する第２の多重化コンポーネント４７３５とを含む。本実施形態では、ポンプレーザ４７０３は、１２５０～１７００ｎｍの範囲内の波長に対応し、プローブ波長は、１３００～１８５０ｎｍの範囲内の波長に対応する。

光検出モジュール４７０１は、ＰＩＣとは別個の１つまたは複数の光検出器４７０２－１、．．．、４７０２－Ｌを含む。光検出器は、帯域通過ＤＢＲフィルタ（例えば、プローブレーザと同じ範囲、例えば、１７００～１８００を透過する）を有する最高感度の広域（例えば、０．１～２ｍｍ＾２）例えば、ＩｎＧａＡｓのＩＩＩ－Ｖ垂直照射光検出器を有する第１の光検出器を含み得る。複数の光検出器は、１つまたは複数の追加の光検出器、例えば、帯域通過ＤＢＲフィルタを有する広域（例えば、０．１～２ｍｍ＾２）ＩＩＩＶ検出器も含み得る。使用時、一度に一対のポンプレーザとプローブレーザのみが使用される。別個のＲｘ検出器は、合計、ヘテロダイン、または別の方法で測定できる。単一の検出器で、複数のラマンピークを同時に一体化して、複数の対を同時にオンにすることができる。対は、時間内に循環されてよい。全部でＮ＊Ｍ個のラマン波長をプローブし得る。図４７の実施形態では、ＰＩＣからのポンプ出力とプローブ出力とがある。両方とも、皮膚（または、測定する他の表面）上に、レンズ素子を用いて集束される。集束されたスポットは、例えば、１～３ｕｍだけ、皮膚表面より下にあってよい。

光操作コンポーネントは、複数のＤＢＲレーザの出力を単一の導波路とレンズ内に統合する多重化素子（ＭＵＸ）を含み得る。ＭＵＸが存在しない場合、複数の導波路と出力が存在することになる（図５０を参照）。

図４８の実施形態は、１つまたは複数の固定ポンプレーザ４８０３（例えば、１３５０ｎｍ）と、（例えば、１４８０を含む個々の波長範囲をカバーする）対象の共鳴で固定の複数のプローブレーザ４８３３とを有するラマン分光計送信器Ｔｘ ＰＩＣ４８０１に関する。本実施形態は、２つのポンプビーム及び複数の帯域プローブビームが全て、多重化素子、この場合は、帯域ＭＵＸ４８４５によって、１つの出力導波路４８０２内に多重化されるという点で、前述の実施形態とは異なる。図４８に示す実施形態は、ポンプレーザ及びプローブレーザの両方の波長ロッカを含む。

図４９は、複数のポンプレーザ４９０３からのポンプビーム（例えば、１２５０～１７００ｎｍ）と複数のプローブレーザ４９３３からのプローブビーム（例えば、１３００～１８５０ｎｍ）を全て、単一の多重化素子４９０４によって単一の出力に多重化する別のラマン分光計である。システムの光検出モジュールは、送信器ＰＩＣ４９０１と別個の光検出器４９０２－１、．．．、４９０２－ｌを含む。図５０は、ＭＵＸがなく、よって、各レーザ出力は対応する出力導波路５０１２を有し、各出力導波路は、皮膚（または、他の表面）上にレンズを使用して集束される各出力を生成する代わりの変形形態を示す。

図５１、５２、及び５３は、送信器５１２１及び受信器５１２２が１つまたは複数のＰＩＣ上に配置される、本発明による光モジュール５１０１、５２０１、５３０１の例を示す。

送信器ＰＩＣ５１２１は、ポンプレーザ５１０３（例えば、１３５０ｎｍ）と複数のプローブレーザ５１３３とを含む。プローブレーザは、ＲＳＯＡまたはＤＦＢのアレイを含み得る。ＲＳＯＡの場合、ＤＢＲ格子は、固定波長のポンプレーザと、それぞれ、ＲＳＯＡゲインスペクトル範囲内の固定波長のプローブレーザとを提供し得る。プローブレーザのアレイの波長の例示の範囲は、１４８０～１８５０ｎｍである。微調整のためにポンプレーザまたはプローブレーザの格子に導波路ヒータが存在してよい。複数のプローブレーザの各々に、及び、ポンプレーザに、波長ロッカ５１０４も含まれてよい。エシェル格子等のプローブＭＵＸコンポーネント５１０５は、各プローブ出力を統合されたプローブ導波路に結合する。帯域ＭＵＸ５１３５は次に、ポンプレーザの出力を統合されたプローブ導波路からの出力と多重化して、送信器チップからの単一の光出力経路を形成する。出力５１０２を皮膚上に集束させるためのレンズが含まれてよい。レンズの焦点距離は、焦点スポットが実際に皮膚の下に（例えば、皮膚表面の下１～３ｍｍ）になるように選択されてよい。典型的には、ポンプと１つのレーザの対のみが一度にオンになる。対は、時間内に循環される。

ＰＩＣの受信器部分５１２２は、測定される表面（例えば、皮膚）２５０４から反射される光を測定するための検出器５１１１を含む。図示の実施形態では、検出器５１１１は、コヒーレント平衡検出器の形態を取る。これは、感度を向上させるために、ＩｎＧａＡｓ検出器であってよく、ＰＩＣ上にダイボンディングまたは転写印刷されてよい。

検出器で追加のポンプ抑制を提供するためにフィルタ５１３０が存在してよい。図示の実施形態では、このフィルタは、ポンプレーザの波長に対応する波長で、追加のノッチリング共振器ドロップフィルタ（「ＲＲフィルタ」）の形態を取る。ノッチフィルタの波長は、ＲＲ導波路上、またはその隣に配置された導波路ヒータへのバイアスを調整することにより、所望の波長（すなわち、プローブ信号が検出器で最大化される点）に熱的に調整することができる。代替のフィルタ機構は、ＲＲフィルタの代わりに、エシェル格子通過帯域フィルタを含み得る。追加で、または代替で、消光比と、プローブ波長以外の波長で背景光の抑制とをさらに改善するために、追加のエシェル通過帯域フィルタが、帯域ＤｅＭＵＸとＲＲフィルタとの間に追加されてよい。

受信器は、皮膚から反射された光を捉えるためにレンズ等の収集光学部品を含む。より大きい入力導波路５１５２からより小さいサイズの導波路プラットフォームに入力光を変換するために埋め込まれたインターポーザテーパ等のテーパ（例えば、ＵＳ１０６４３９０３を参照）が存在してよい。例えば、より大きいサイズが、１２×１２ｕｍに対応してよく、より小さいモードが典型的に、３×３ｕｍの導波路プラットフォームに対応する。存在する任意の光学部品（レンズ、テーパ等）を通過した後、受信された光は分離される。図５１に示す実施形態では、ＤｅＭＵＸは、３×３ｕｍ導波路からの光を取得し、コヒーレント平衡検出器への第１の出力と、吸収体へのさらなる出力とを生成する。コヒーレント検出器はまた、受信したプローブ信号から位相と周波数の情報を抽出するために、プローブＭＵＸの出力に結合される。

図５２の実施形態は、図５１の送信器及び受信器が（同じ基板上に配置され得る）別個のＰＩＣに配置され、図５２の送信器及び受信器が単一のＰＩＣ５２２１上に配置されるという点で、図５１の実施形態とは異なる。図５２の実施形態では、ＰＩＣの送信器部分の出力５２０２は、ＰＩＣの受信器部分５２５２として同じ位置に配置される。入力導波路と出力導波路があるが、単一のレンズが、送信された光を集束し、且つ、受信された光を集めるように働く。他の実施形態においてのように導波路サイズを変換するために埋め込まれたインターポーザテーパ（ＢＩＴ）が存在してよい（図示せず）。

図５３の実施形態５３０１は、プローブレーザが対象の共鳴で固定されるという点で、図５２の実施形態とは異なる。図５３に示す実施形態では、追加の送信器／受信器ＰＩＣ５３２１は、単一の入力／出力導波路を有し、ビームスプリッタ５３４２（例えば、５０／５０スプリッタは、入力／出力導波路からの光を捉えて、その光をコヒーレント帯域検出器に（ＤｅＭＵＸと、存在する任意の抑制機構とを介して）結合する。

代替バージョン（図示せず）では、プローブレーザを受信器（Ｒｘ）平衡コヒーレント光検出器に結合するのではなく、代わりに、ポンプレーザが、周波数ｆｐで追加の電気駆動変調で駆動されてよく、プローブレーザも周波数ｆｓで同様に駆動されてよい。次に、ビートトーンｆｐ－ｆｓにロックインするためにヘテロダイン検出を実行する追加のＲｘ電子機器が含まれてよい。あるいは、低周波数の振幅光変調器（例えば、電界吸収型変調器（ＥＡＭ）、可変光減衰器（ＶＯＡ）、半導体光増幅器（ＳＯＡ）、低速マッハツェンダ変調器（ＭＺＭ））を各レーザの出力部に追加して、ｆｐ周波数及びｆｓ周波数でレーザを変調することができる。あるいは、ｆｐ＝ｆｓ、すなわち、ポンプのみが変調される配置を選択することができる、また、単一のホモダイン（ロックイン）検出機器をＰＩＣの受信器部分に追加することができる。

図５４の実施形態は、誘導ラマン分光計（ＳＲＳ）が分光光度法ＴｘＰＩＣの前述の特徴と組み合わせられたＰＩＣ５４０１の例を示す。図示の実施形態では、固定ポンプレーザ５４０３と、対象の共鳴で固定されたプローブレーザ５４３３とがある。しかしながら、「普通の」（すなわち、ポンプ－プローブでない）分光法レーザとして動作する複数のレーザも存在する。図示の実施形態では、ＰＩＣのレーザは、固定波長ポンプレーザ「ｐ」、ポンプレーザ「ｐ」と対で働くプローブレーザ「ｅ」、及びポンプレーザとは別個に働く標準的な分光光度計「ｓ」レーザから構成される。ある期間が、ラマン分光法に使用され、その期間中は、ラマンレーザの対がオンにされ、他の期間は、ＳＰに使用され、その期間中、「ｓ」レーザが循環される。ラマンプローブレーザの一部はまた、ラマンポンプレーザを単純にオフにすることにより、ＳＰレーザとして働くことができる。図示の実施形態では、ポンプレーザは、例えば、１２５０ｎｍの波長のＤＢＲレーザであってよい。複数のプローブレーザ及び独立した分光光度計レーザは、ＤＢＲレーザであってよく、それぞれ、例えば、１３５０～１８５０ｎｍの範囲内の動作波長を有してよい。

ポンプレーザの出力を統合するためのポンプＭＵＸが存在してよい。プローブレーザの全てと独立した分光光度計レーザの全てとの出力を統合するためにプローブＭＵＸが存在してよい。ポンプＭＵＸの出力とプローブＭＵＸの出力とは次に、帯域ＭＵＸによって統合されてよい。プローブレーザの多重化された出力は、図５１～５３に示す結合器回路等の結合器回路（図５４には示さず）に送られてよい。

図５５は、ラマン分光計５５０１、５５０２が、別個のＰＩＣに配置され得る標準的な独立分光光度計５５０３と組み合わされる場合、どのように動作できるかを示す。本実施形態では、独立分光光度計５５２５の収集点は、送信器（Ｔｘ）ＰＩＣの励起スポット５５２０から横方向にずらされている。このようにして、光検出モジュール全体を、ラマン後方散乱光と、測定される皮膚（または、他の表面）からの拡散反射光のとの両方を捉えるように動作させることができる。

図５６は、例えば、Ｔｘ ＰＩＣからの光を６０度以下のオフ角で出力するように設計されたレンズ５６２０によって、光がオフ角で送信される代替実施形態を示す。本実施形態では、光は、ラマン受信器５５０２ＰＩＣと「標準」分光光度計ＰＩＣ５５０３の両方によって垂直角で収集することができる。ラマン後方散乱光は、オフ角で伝送された光が測定される表面（例えば、皮膚）と相互作用する点に対して垂直に測定される。

図５７は、１３５０ｎｍ～１８５０ｎｍの波長範囲の例示のラマン放射スペクトルの概略図である。プローブ光のラマン増幅は、プローブ波長を分子共鳴ピーク波長λ_ｅ３に合わせたときに、生じる。プローブ光のＳＲＳ増幅による信号の増加は、受信器（Ｒｘ）ＰＩＣで検出される。（コヒーレント検出を示す前述の実施形態で示すように）受信器でのプローブ出力を用いた光ホモダインまたはヘテロダインによって信号対ノイズ比を増加させることが可能である。

図５８は、ポンプ及びプローブレーザ光源として多重化されるのが可能な波長を示す例示の「ＭＵＸスペクトル」である。図５９Ａは、受信器光検出器の正面のフィルタの減衰応答の例を示す。図示の例においては、システムは、１５５５ｎｍのラマンフィンガープリントを検出するために、１５５５ｎｍのプローブ波長で設計される。ポンプ波長は、１５５５～ｘ ｎｍ未満に任意の値を有し得る（ここで、ｘは、フィルタの通過帯域の半分の幅である）。

図５９Ｂは、ＳＲＳ分光計のレーザスペクトルの例を示す。図示の例においては、ポンプレーザ、プローブレーザ、及びＭＵＸは、１３００ｎｍ～１６２５ｎｍをカバーするポンプレーザのアレイと、受信器光検出器の（固定の）通過帯域で入射する１６５０ｎｍの１つのプローブレーザのみとがあるように、構成される。１６５０～ｘ ｎｍ未満の任意の波長の任意のポンプ（ここで、ｘは、フィルタの通過帯域の半分の幅である）は、ｘ～１６５０－１２２０＝３５０ｎｍ（０～２８８９ｃｍ^－１に対応する）に及ぶポンプ－プローブ波長分離の範囲を励起するように作動することができる。

さらなる実施形態を図６０に開示されており、これはポンプレーザが（例えば、ＤＢＲ格子を熱的に調整可能なリング共振器と置き換えることによって）調整可能であり、したがって、可変波長λｐを生成するという点で、開示された前述のＳＲＳラマン分光計とは異なる。したがって、ポンプ波長コントローラが必要である。このようにして、調整可能レーザ６００３は、波長範囲（例えば、５５０～６３０ｎｍ）にわたって掃引されてよく、プローブレーザ６０３３は、所与の値（例えば、６３２ｎｍ）で固定であってよい。帯域ＭＵＸ６０４０は、ポンプレーザの制御された出力とプローブレーザの出力とを、分析される表面（例えば、皮膚）上にポンプ／プローブ光を集束させるレンズが存在し得るＰＩＣの単一の出力導波路に多重化する。プローブレーザは、固定波長λｅのＤＢＲレーザであってよい。前述の実施形態と同様、波長ロッカをプローブレーザＤＢＲに適用してよい。プローブレーザの出力もコヒーレント平衡検出器に供給されてよい。図６０に示す実施形態では、受信器ＰＩＣは、送信器ＰＩＣの出力部６０４２から横方向に分離された入力部６０７０を有する別個のチップである。前述の実施形態と同様、より広い断面（例えば、１２×１２ｕｍ）を有する入力点６０７０をより小さい断面（例えば、３×３ｕｍ）を有する導波路プラットフォームに変換するためにテーパ２２０７（例えば、埋め込まれたインターポーザテーパ）が存在してよい。

干渉計の実施形態を図６１を参照して以下に記載する。図６１は、深さ検出とハイパースペクトルラマンのための干渉計型検出（ＯＦＤＲ）を有するコヒーレントＣＷ励起ラマン分光法を含むＰＩＣ６１０１を示す。ポンプレーザ６１０３は、固定波長λ_ｐ（例えば、５７０ｎｍ）を有し、プローブレーザ６１３３は、ある波長範囲（例えば、８８４～６３２ｎｍ）で調整可能であり、例えば、ＲＲベースの調整可能レーザであってよい。前述の実施形態とは異なり、コントローラ６１４４は、今度は、ポンプレーザではなく、プローブレーザに取り付けられている。導波路ロッカは、ＤＢＲレーザの形態を取る固定ポンプレーザに配置される。帯域ＭＵＸは、ポンプ出力及びプローブ出力をＰＩＣからの単一の出力に統合する。本実施形態では、検出器は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）または単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）等の超高感度検出器である。プローブ波長がラマン反射スペクトルにわたって掃引されるときに時間の関数としてのコヒーレント検出器測定値を収集することにより、距離に対するスペクトルを与えるＯＦＤＲ（周波数領域後方散乱測定法）測定が可能になる。オプションで、スイッチを有するらせんバンクが、参照経路に組み込まれて、距離調節（ｒａｎｇｉｎｇ）を可能にしてよい。ＯＦＤＲ参照アームの位相の微調整と追加の細かい距離調節（ｒａｎｇｉｎｇ）を提供するために、長いらせん導波路ヒータを、らせん導波路の上、または近くに組み込むことができる。図示の実施形態では、導波路ヒータを有する導波路らせん等の経路長アダプタは、プローブレーザの制御された出力と、コヒーレント検出器の局部発振器入力との間の参照経路に配置されて、経路長をｄまでのアーム長に一致するように調整する（範囲を設定）。表面（例えば、皮膚）上の集束スポットと受信器部分の収集光学素子（例えば、収集レンズ）との間の距離は、ｄ／２となるように選択される。いくつかの実施形態では、ＰＩＣの送信器部分の出力レンズは回復またはスイープレンズであってよい。代替実施形態（図示せず）では、図６１のＰＩＣは、「普通の」分光光度計レーザと組み合わされてよい。

ラマンＳＲＳ光検出は、上記のように従来のラマン波長範囲８３０～１０６４ｎｍより強い。上記ＰＩＣバージョン及びポンプ－プローブ波長スキームはいずれも、５００～２５００ｎｍの波長範囲をサポートする窒化シリコンＳＯＩ ＰＩＣプラットフォームを使用するＰＩＣによって置き換えることができる。このようにして、範囲０～２９００ｃｍ－１波数をカバーするために、例えば、８３０ｎｍの従来のポンプ波長を使用することができ、８９０ｎｍ～１０６４ｎｍのプローブ波長を使用することができる。あるいは、プローブレーザは、１０６４ｎｍで固定であってよく、８３０ｎｍ～１０５０ｎｍの範囲のポンプレーザを使用することができる。他の実施形態のＩｎＧａＡｓ ＰＤは次に、より高い検出感度のために、Ｓｉ ＣＣＤ検出器に置き換えられる。

Claims (27)

1. ウェアラブルデバイスに適した光検出モジュールであって、
   シリコンまたは窒化シリコン送信器光集積回路（ＰＩＣ）を含み、前記送信器光集積回路（ＰＩＣ）は、
   各々が他のレーザの波長とは異なる波長で動作する複数のレーザと、
   光変調器、光マルチプレクサ（ＭＵＸ）、及び、追加の光操作素子のうちの１つまたは複数を含む光操作領域と、
   前記複数のレーザから生じる光のための１つまたは複数の光出力部と、
   を含む、光検出モジュール。
2. 前記追加の光操作素子が、パワータップ、１つまたは複数のレンズ、１つまたは複数のパワースプリッタ、１つまたは複数のフィルタ、１つまたは複数のミラー、及び１つまたは複数の偏光回転子のうちの１つまたは複数を含む、請求項１に記載の光検出モジュール。
3. 前記複数のレーザが、前記ＰＩＣにハイブリット集積されるＩＩＩ－Ｖ ＲＳＯＡゲイン、レーザチップまたはクーポンを有する１つまたは複数のレーザを含み、前記ＩＩＩ－Ｖ ＲＳＯＡまたはレーザ導波路の光モードが前記ＰＩＣの１つまたは複数の導波路にエッジ結合される、請求項１または２の記載の光検出モジュール。
4. 複数のＬＥＤをさらに含み、前記ＬＥＤは、前記複数のレーザとは異なる波長で動作し、各ＬＥＤは、前記複数のＬＥＤを構成する他のＬＥＤの波長とは異なる波長で動作する、請求項１から３のいずれか１項に記載の光検出モジュール。
5. 前記光操作領域が、前記光検出モジュールの前記複数のレーザの全てからの光を単一の光出力部で結合するためのミラーを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の光検出モジュール。
6. １つまたは複数の光検出器をさらに含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の光検出モジュール。
7. 前記光集積回路（ＰＩＣ）が送受信器光集積回路（ＰＩＣ）であるように、前記光検出器が前記送信器光集積回路（ＰＩＣ）に配置される、請求項６に記載の光検出モジュール。
8. 前記光検出器が、前記送信器光集積回路（ＰＩＣ）とは別個に配置される、請求項６に記載の光検出モジュール。
9. 前記光検出器が、前記送信器光集積回路（ＰＩＣ）と共有される同じ基板上に垂直に集積及び搭載される別個のチップに配置される、請求項８に記載の光検出モジュール。
10. 前記光検出器が、前記送信器光集積回路（ＰＩＣ）の横のキャリアに配置される、請求項８に記載の光検出モジュール。
11. 前記光検出器が、前記送信器光集積回路（ＰＩＣ）から光信号を受信して、コヒーレント検出器として動作する検出器を含む、請求項６から１０のいずれか１項に記載の光検出モジュール。
12. 前記送信器光集積回路（ＰＩＣ）の光出力部が、前記光検出器につながる光入力部から横方向にずれている、請求項６から１１のいずれか１項に記載の光検出モジュール。
13. 単一の導波路が、送信導波路及び受信器導波路として働く、請求項７に記載の光検出モジュール。
14. 前記光検出器は、複数含まれており、前記複数の光検出器の各々は、異なる波長範囲で動作する、請求項６から１３のいずれか１項に記載の光検出モジュール。
15. シリコンベースのプラットフォームが、窒化シリコン導波路を含む、請求項１から１３のいずれか１項に記載の光検出モジュール。
16. １つまたは複数のレーザドライバ、１つまたは複数の変調器ドライバ、１つまたは複数の位相コントローラ、１つまたは複数のＴＩＡ、１つまたは複数のパワー管理ＩＣ、マルチプレクサ回路、１つまたは複数のマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）、１つまたは複数のＦＰＧＡのうちの１つまたは複数をさらに含む、請求項１から１５のいずれか１項に記載の光検出モジュール。
17. シリコン導波路及びＳｉＮ導波路の両方を含む、請求項１から１６のいずれか１項に記載の光検出モジュール。
18. 前記複数のレーザは、フリップチップダイボンディングまたはマイクロ転写印刷によって前記ＰＩＣに配置される、請求項１から１７のいずれか１項に記載の光検出モジュール。
19. 前記送信器光集積回路（ＰＩＣ）の前記複数のレーザが、ポンプレーザとプローブレーザの１つまたは複数の対を含み、前記ポンプレーザとプローブレーザの対の各々は、検出器と共に動作してラマン分光計を形成するように構成される、請求項１から１８のいずれか１項に記載の光検出モジュール。
20. 前記複数のレーザは、単一のポンプレーザと複数のプローブレーザとを含み、前記プローブレーザの各々は、対象の共鳴に対応する波長を有する、請求項１から１８のいずれか１項に記載の光検出モジュール。
21. 前記複数のレーザが、複数のプローブレーザを含み、
    前記複数のプローブレーザの各々は、固定波長レーザである、請求項１から２０のいずれか１項に記載の光検出モジュール。
22. 前記複数のレーザが、調整可能ポンプレーザを含む、請求項１９から２１のいずれか１項に記載の光検出モジュール。
23. 前記複数のレーザが、ラマン分光法のための少なくとも１対のポンプレーザ及びプローブレーザを含み、また、対になっていない複数のレーザを含む、請求項１９から２２のいずれか１項に記載の光検出モジュール。
24. 前記光検出モジュールが、経時的な関数として記録を行うように構成された光検出器と、ラマン反射スペクトルに対応する波長範囲にわたって掃引するように構成された調整可能プローブレーザとを含む、請求項１７から２３のいずれか１項に記載の光検出モジュール。
25. 前記１つまたは複数の光検出器またはＬＥＤが、１つまたは複数のマイクロレンズのそれぞれの下に配置される、請求項３から２４のいずれか１項に記載の光検出モジュール。
26. 前記マイクロレンズの１つまたは複数が、ＤＢＲフィルタの薄膜スタックを含む、請求項２５に記載の光検出モジュール。
27. 吸水ピークに対応する波長で取得された反射率データに、事前に訓練されたアルゴリズムを適用して、反射率測定値を予測温度に変換するように構成されたプロセッサを含む、請求項１から２６のいずれか１項に記載の光検出モジュール。

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