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KR20220127820A - 광학 감지 모듈 - Google Patents

광학 감지 모듈 Download PDF

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KR20220127820A
KR20220127820A KR1020227023658A KR20227023658A KR20220127820A KR 20220127820 A KR20220127820 A KR 20220127820A KR 1020227023658 A KR1020227023658 A KR 1020227023658A KR 20227023658 A KR20227023658 A KR 20227023658A KR 20220127820 A KR20220127820 A KR 20220127820A
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KR
South Korea
Prior art keywords
sensing module
lasers
optical sensing
optical
pic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
KR1020227023658A
Other languages
English (en)
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아론 존 질키
후만 아베디아슬
크리스티아노 달비
제프리 드리스콜
알렉산더 곤다렌코
리차드 그로트
하이든 프레드릭 존스
션 메리트
루즈베 파르사
필립 페레아
앤드류 조지 릭만
아담 스코필드
고민 유
Original Assignee
록클리 포토닉스 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority claimed from PCT/IB2020/001037 external-priority patent/WO2021116766A1/en
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Abstract

웨어러블 디바이스에 적합한 광학 감지 모듈로서, 광학 감지 모듈은: 실리콘 또는 실리콘 질화물 송신기 광자 집적 회로(PIC)를 포함하고, 송신기 PIC는: 복수의 레이저들-여기서, 복수의 레이저들 중 각각의 레이저는 다른 레이저의 파장과 상이한 파장에서 동작함-; 광학 조작 영역-여기서, 광학 조작 영역은 광학 변조기, 광학 멀티플렉서(MUX), 및 추가 광학 조작 요소들을 포함함-; 및 복수의 레이저들로부터 발생하는 광에 대한 하나 이상의 광학 출력들을 포함한다.

Description

광학 감지 모듈
본 발명에 따른 실시예들의 하나 이상의 양태들은 웨어러블 디바이스(wearable device)들에 대한 감지 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 기판 상에 광자 집적 회로(PIC)를 포함하는 감지 모듈에 관한 것이다.
디지털 헬스케어(digital healthcare)는 다양한 목적들을 위한 다양한 바이오마커(biomarker)들의 실시간 및 주문형 분석에 대한 수요 증가와 함께 헬스케어 산업을 변화시키고 있다. 웨어러블 디바이스들("웨어러블들")은 이제 웰빙 및 헬스케어(예를 들어, 피트니스 추적, 일반 건강 모니터링, 및 메디컬 상태 관리 포함) 분야들에서 일반화되었다. 이들과 같은 디바이스들의 경우, 빠르고 비침습적이며 충분한 특이성, 감도 및 정확성의 생물학적 파라미터들의 감지 및 측정에 대한 요구가 있다. 결과적으로, 측정되어야 하는 생물학적 파라미터들에 필요한 기술적 요구사항들을 제공하지만, 또한 편리하게 작고 소비자 친화적인 가격대에 제조될 수 있는 비침습적 웨어러블 디바이스들에 사용하기에 적합한 컴포넌트들을 제공하고자 하는 요구가 있다. 비침습적 감지 모듈들은 예를 들어 로봇 공학 또는 원격 감지에서, 웨어러블 디바이스 시장의 외부 용도를 찾을 수 있는 것으로 알려져 있다.
웨어러블 디바이스들은 견고하고, 안정적이며 착용하기 쉬워야 하며, 피부 접촉 패치들, 손목 시계들, 반지들, 이어 버드들, 헤드 밴드들, 및 안경테들을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명은 제1 양태에 따른 웨어러블 디바이스에 적합한 광학 감지 모듈을 제공함으로써, 상기 문제점을 해결하는 것을 목적으로 하며, 광학 감지 모듈은 실리콘 또는 실리콘 질화물 송신기 광자 집적 회로(PIC)를 포함하고, 상기 송신기 PIC는: 복수의 레이저들-여기서, 상기 복수의 레이저들 중 각각의 레이저는 다른 레이저의 파장과 상이한 파장에서 동작함-; 광학 조작 영역-여기서, 상기 광학 조작 영역은 광학 변조기, 광학 멀티플렉서(MUX), 및 추가 광학 조작 요소들을 포함함-; 및 상기 복수의 레이저들로부터 발생하는 광에 대한 하나 이상의 광학 출력들을 포함한다.
이러한 방식으로, 웨어러블 디바이스에 적합한 개선된 광학 감지 모듈이 제공된다. 유리하게는, 감지 모듈은 다양한 광학 구성요소들이 집적된 소형 플랫폼을 제공할 수 있다. 다양한 구성요소들은 단일 플랫폼을 사용하여 재료(예를 들어, 생물학적 조직)에서 다양한 측정을 가능하게 하여, 다양한 생물물리학 및 생화학적 바이오마커의 감지 및 모니터링을 포함하는 소비자 및 전문 의료 분야 모두에서 다양한 어플리케이션에 사용할 수 있는 단일 제품을 생성한다.
따라서, 본 발명의 광학 감지 모듈은 적어도 2개의 파장들의 광을 생성하고 이 광을 연구될 표면으로 지향시킬 할 수 있다. 이는 피부 조직과 같은 생물학적 재료의 표면에 대응할 수 있다. 일반적인 웨어러블 디바이스에서, 광은 표면을 투과하여 산란되어 광의 일부가 센서 모듈로 되돌아온다. 생물학적 조직을 통한 경로를 따라 광은 바이오마커 자체 또는 바이오마커에 대한 프록시(proxy)에 대응할 수 있는 분석물에 의해 흡수될 수 있다. 이러한 절차를 확산 반사 분광광도법이라고 한다. 다른 형태의 감지는 라만 산란을 포함한다. 라만 분광법의 경우, 산란된 광은 입사광과 상이한 파장에 있다. 당업자는 여기서 분광법이라고 하는 이러한 기술의 많은 변형을 알고 있을 것이다.
이러한 분광법을 위해, 실리콘 포토닉스(SiPh) 칩이 사용될 수 있으며, 여기에는 광학 신호를 생성 및 송신하고 반환되는 광학 신호를 수신 및 해석하는 데 필요한 광학 기능의 전부 또는 대부분이 통합되어 있다. 송신(Tx) 및 수신(Rx) 부분들은 단일 송신기/수신기 칩을 형성하기 위해 하나의 칩에 있거나 별도의 Tx 및 Rx 칩 디바이스와 같이 둘 이상의 칩들에 있을 수 있다. 실리콘 포토닉스 칩은 하나의 매립(buried) 산화물 층이 있는 SOI 구조 또는 2개(또는 그 이상)의 매립 산화물 층들이 있는 이중 SOI 구조를 기반으로 할 수 있다.
흡수 분광법 또는 라만 분광법과 같은, 분광법은 재료 또는 검사 중인 샘플에 심문광(interrogating light)을 적용하고 "샘플 광"이라고 하는 샘플로부터 수신된 빛을 검출 및 분석함으로써 작동한다. 본 개시의 목적을 위해, 분광법이라는 용어의 의미는 심박수 및 혈압과 같은 생물학적 기능의 모니터링 및 측정을 포함할 수 있다. 기능은 직접 측정하거나 그 속성을 간접적으로 전가할 수 있다. 웨어러블의 경우 검사 중인 재료는 생물학적 조직일 수 있으며, 이는 사람의 피부 위에서 또는 피부를 통해 모니터링될 수 있다.
추가로, 또는 웨어러블 디바이스에 대한 대안으로서, 감지 모듈은 휴대용 디바이스에 사용될 수 있다.
본 발명은 파장 스캐닝 이외의 스위칭 가능하고 식별 가능한 복수의 레이저들이 사용될 수 있도록 한다. 이것의 장점은 기존의 실험실 분광광도법에서 기대할 수 있는 것처럼 스캔할 필요가 없다는 것이다. 따라서 파장에 구속되지 않는 검출기를 사용할 수 있다. 검출기는 범위에 걸쳐 다르게 반응할 수 있지만(즉, 파장 범위에 걸쳐 주어진 광의 강도에 대해 출력이 다를 수 있음) 이는 보상될 수 있다. 이는 단순한 광원과 복잡한 검출기보다 여러 개의 광원과 간단한 검출기를 갖는 것이 더 저렴하고 쉽기 때문에 상당한 상업적 이점에 기여한다. 또한 이러한 방식으로 더 높은 전력 펌프 소스(주어진 파장에서)를 사용할 수 있으므로 감도와 선택성이 향상된다.
본 발명의 선택적인 특징이 이제 설명될 것이다. 이들은 단독으로 또는 본 발명의 임의의 양태와 임의의 조합으로 적용가능하다.
선택적으로 레이저는 FP 레이저, 외부 공동 DBR(RSOA + 격자) 또는 DFB 레이저일 수 있다. 그들은 고정 파장 레이저일 수 있다.
유리하게는, 복수의 레이저는 III-V RSOA 이득을 갖는 하나 이상의 레이저, PIC에 하이브리드 집적된 레이저 칩 또는 쿠폰을 포함하여 III-V RSOA 또는 레이저 도파관의 광학 모드가 PIC의 하나 이상의 도파관에 에지 커플링되도록 한다. 이러한 방식으로, RSOA와 Si 또는 SiN PIC 도파관의 광은 동일한 평면에 유지된다.
선택적으로, 광학 멀티플렉서(MUX)는 에셸 격자(Echelle grating), 특히 집적 에셸 격자, 또는 배열된 도파관 격자(AWG)의 형태를 취할 수 있다.
광학 조작 요소들은 전력 탭들, 렌즈(들), 전력 스플리터(들), 필터(들), 미러(들) 및 편광 회전기(들) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
실리콘 또는 실리콘 질화물 집적 회로는 실리콘 기판 상에 위치될 수 있다.
복수의 레이저들은 DBR 격자 또는 다른 위상 조정 메커니즘 및 파장 잠금 장치 제어 회로 상의 히터를 통합할 수 있다.
선택적으로, 복수의 레이저들의 파장들은 400 내지 3000 nm 범위 내에 있다. 일부 실시예에서 레이저들은 모두 NIR 파장 = 1150nm 내지 2500nm에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서 모든 레이저 파장들은 다음 중 하나 또는 둘 모두에 속할 수 있다: 1150nm 이상(Si PIC 사용); 및 400-1150 nm(SiN PIC 사용).
선택적으로, 송신기 PIC는 30개 이상의 서로 다른 NIR 및/또는 가시 파장들에서 동작하는 레이저 어레이를 포함한다. 일부 실시예에서, 송신기 PIC는 최대 200개의 방출 파장들에서 동작하는 레이저 어레이를 포함한다.
광학 감지 모듈은 웨어러블 디바이스에 적합하지만, 다기능 감지 모듈이며 다른 상황에서 사용되거나 적응될 수 있다. 예를 들어 로봇 공학에서 유사한 센서가 필요하다. 인체의 바이오마커 및 파라미터를 분석하는 것 외에도 감지 모듈은 다른 어플리케이션, 특히 광학 출력에 매우 근접한 물체의 구성 재료를 분석하는 데 사용될 수 있다.
선택적으로, 광학 감지 모듈은 복수의 LED들을 더 포함하고, LED들은 복수의 레이저들과 다른 파장에서 동작하고 각 LED는 복수의 LED들을 구성하는 다른 LED의 파장과 다른 파장에서 동작한다.
선택적으로, LED는 각각 전자기 스펙트럼의 가시 또는 NIR 영역 내에 있는 동작 파장을 가질 수 있다. 가시 및 NIR 파장은 400nm 내지 950nm 범위에 속하는 것으로 이해해야 한다.
일부 실시예에서, 복수의 LED들을 12개 이상의 가시 파장들에서 동작하는 LED들을 포함한다. 이러한 방식으로 감지 모듈은 심박수(HR) 및 심박수 변동성(HRV), 혈류(맥박 진폭), 국소(LBT) 및 코어 체온(CBT), 혈압(BP)의 커프리스(cuff-less) 측정, 맥박 산소 측정기(SpO2), 호흡수(BR), 전신 수분(TBH) 및 피부 수분(SH), 혈중 알코올(BA)/에탄올(C2H6O) 및 혈중 젖산(BL) 함량, 카르복시헤모글로빈(HbC) 및 메트헤모글로빈(HbMet)과 포도당의 비침습적 측정이 가능한 단일 모듈이다.
선택적으로, 광학 조작 영역은 단일 광학 출력에서 광학 감지 모듈 외부의 복수의 레이저들 모두로부터의 광을 커플링하는 미러를 포함한다.
일부 실시예에서, 미러는 수동 미러이다. 수동 미러는 세그먼트화될 수 있다. 일부 실시예에서, 미러는 능동적으로 제어되는 MEMS 미러이다. 일부 실시예에서, 미러는 포물선형 오목 미러이다. 일부 실시예에서 미러는 송신기 PIC의 외부에 있고 PIC의 광학 출력 근처의 기판에 장착된다.
선택적으로, 광학 감지 모듈은 하나 이상의 광검출기들을 더 포함한다.
선택적으로, 광검출기는 PIC가 송신기/수신기 PIC가 되도록 송신기 PIC에 위치된다.
선택적으로, 미러 또는 격자는 PIC의 하나 이상의 층을 통해 레이저 광을 스티어링하기 위해 PIC에 통합될 수 있다.
선택적으로, 광검출기는 송신기 PIC와 별도로 위치된다.
선택적으로, 실리콘 포토닉스 수신기는 하나 이상의 도파관들이 실리콘으로 제조되도록 실리콘 플랫폼을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 실리콘 포토닉스 수신기는 하나 이상의 도파관들이 SiN으로부터 제조되도록 SiN 플랫폼을 포함할 수 있다.
하나 이상의 광검출기들은 하나 이상의 Si 기반 광검출기들 및/또는 하나 이상의 InGaAs 기반 광검출기들을 포함할 수 있다. 그것들은 또한 하나 이상의 게르마늄 광검출기들 및/또는 하나 이상의 애벌랜치(avalanche) 광다이오드들을 포함할 수 있다.
선택적으로, 하나 이상의 광검출기들은 수직으로 통합되고 송신기 PIC와 공유되는 동일한 기판에 장착되는 별도의 칩에 위치된다.
선택적으로, 하나 이상의 광검출기들은 송신기 PIC 옆의 캐리어에 위치된다.
선택적으로, 하나 이상의 광검출기들은 코히어런트(coherent) 검출기로서 동작하기 위해 송신기 PIC로부터 광학 신호를 수신하는 검출기를 포함한다.
결합기 네트워크는 일반적으로 송신기의 광학 신호를 코히어런트 검출기로 커플링하고 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 스위치, 네트워크 믹서 및/또는 통과(pass-through) 시스템.
선택적으로, 송신기 PIC의 광학 출력은 하나 이상의 광검출기로 이어지는 광학 입력으로부터 측 방향으로 변위된다. 이러한 방식으로, 송신 도파관과 수신 도파관은 광검출기에서 관심 파라미터의 신호 품질을 최대화하기 위해 특정 고정된 양만큼, 예를 들어 1-8mm만큼 이격된다(예를 들어 도 25 참조). 도 26 및 27에 도시된 바와 같이, 별도의 광검출기가 사용되는 경우, 송신 방출 포인트으로부터 광검출기 간격은 전략적으로 이격되며, 다시 1-8mm에 대응하는 합리적인 간격 값으로 이격된다.
선택적으로, 단일 도파관은 송신 도파관과 수신기 도파관의 역할을 한다.
선택적으로, 하나 이상의 광검출기들은 복수의 광검출기들을 포함하고, 복수의 광검출기들의 각각은 상이한 파장 범위에 걸쳐 동작한다.
선택적으로, 실리콘 기반 플랫폼은 실리콘 질화물 도파관을 포함한다.
선택적으로, 광학 감지 모듈은 다음 중 하나 이상을 더 포함한다: 레이저 드라이버(들), 변조기 드라이버(들), 위상 제어기(들), TIA(들), 전력 관리 IC(들), 멀티플렉서 회로, 마이크로 제어기 유닛(들)(MCU), FPGA(들). 감지 모듈은 다른 아날로그 프런트 엔드(AFE) 기능을 또한 포함할 수 있다.
선택적으로, 광학 감지 모듈은 실리콘 도파관과 SiN 도파관 모두를 포함한다. 이러한 방식으로 단일 플랫폼은 더 넓은 범위의 파장을 지원할 수 있다. 일부 실시예에서, Si 또는 SiN 도파관은 3μm 도파관이다.
선택적으로, 복수의 레이저들은 플립-칩 다이 접합 또는 마이크로 전사 인쇄를 통해 PIC에 배치된다. 마이크로 전사 인쇄(MTP)에 대한 상세한 설명은 WO 2020/030641 A1에서 찾을 수 있다.
선택적으로, 송신기 PIC의 복수의 레이저들은 펌프 및 프로브 레이저들의 하나 이상의 쌍들을 포함하고, 펌프 및 프로브 쌍들의 각각은 검출기와 함께 동작하여 라만 분광계를 형성하도록 구성된다. 검출기는 동일한 PIC의 일부를 형성하거나 분리될 수 있다. 라만 분광계로 동작하도록 구성될 때, 펌프 및 프로브 레이저들은 여기하도록 선택된 파장과 분석할 재료/바디의 라만 피크를 갖는다. 작동 파장을 선택할 때 또 다른 고려 사항은 PIC의 도파관 재료와의 호환성이다. 예를 들어, 펌프 레이저는 1250-1700nm의 파장 범위에서 동작할 수 있고, 프로브 레이저는 1300-1850nm의 파장 범위에서 동작할 수 있다. 다른 실시예에서, 프로브 레이저는 NIR 파장에서 동작할 수 있다.
선택적으로, 복수의 레이저들은 단일 펌프 레이저 및 복수의 프로브 레이저들을 포함하고, 각각의 프로브 레이저는 관심 공진에 대응하는 파장을 갖는다.
선택적으로, 복수의 레이저들은 복수의 프로브 레이저들을 포함하고, 복수의 프로브 레이저들의 각각은 고정 파장 레이저이고, 고정 파장은 관심 라만 공진에 대응한다.
선택적으로, 복수의 레이저들은 튜닝 가능한 펌프 레이저를 포함한다.
선택적으로, 복수의 레이저들은 라만 분광법을 위한 적어도 한 쌍의 펌프 프로브 레이저들 및 또한 복수의 쌍을 이루지 않은 레이저들을 포함한다. 이러한 방식으로 펌프-프로브 레이저 쌍을 사용하여 라만 분광법을 수행할 수 있으며 분광 광도법과 같은 다른 분광 기술을 쌍을 이루지 않은 레이저로 수행할 수 있다.
선택적으로, 광학 감지 모듈은 시간 경과에 따른 기능으로 기록하도록 구성된 광검출기 및 라만 반사 스펙트럼에 대응하는 파장 범위에 걸쳐 스위프하도록 구성된 튜닝가능한 프로브 레이저를 포함한다. 이러한 방식으로, 광검출기가 튜닝 가능한 레이저 광의 일부를 수집하는 탭에 직접 다시 커플링하는 기준 암(arm)에 커플링되면, 간섭계는 칩에서 외부에서 수집된 프로브 광으로 형성된다. 따라서 OFDR(optical frequency domain reflectometry) 측정이 수행될 수 있다.
선택적으로, 튜닝 가능한 범위를 허용하기 위해 스위치가 있는 나선 뱅크가 프로브 레이저와 광검출기 사이의 기준 암에 통합될 수 있다.
선택적으로, 하나 이상의 광검출기들 또는 LED들은 하나 이상의 개별 마이크로렌즈들 아래에 위치된다.
선택적으로, 하나 이상의 마이크로렌즈들은 DBR 필터의 박막 스택을 포함한다. 박막 스택은 SiO2/TiO2 또는 SiO2/SiN 층으로 구성될 수 있다. 그러나 TiO2 또는 SiN은 다른 고굴절률 필름으로 대체될 수 있다. 일반적으로 중간 레이어는
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의 m-배의 두께로 송신 파장에서 공진하도록 1/4 람다 이동된다. 일 예에는 21개의 층들이 있지만 다른 수의 층들도 가능하다. 마이크로렌즈는 수신기에 의한 수집을 증가시키는 역할을 한다.
선택적으로, 광학 감지 모듈은 사전 훈련된 알고리즘을 흡수 피크에 대응하는 파장에서 취한 반사율 데이터에 적용하여 반사율 측정값을 예측된 온도로 변환하도록 구성된 프로세서를 포함한다.
센서가 웨어러블 디바이스인 경우, 측정되는 온도는 코어 온도일 수 있다. SiN 플랫폼으로 온도를 측정하면 970nm 수위 피크에서 소형 웨어러블 측정이 가능하다. Si 플랫폼으로 온도를 측정하면 1450nm 수위 피크 부근에서 측정을 위한 소형 웨어러블 디바이스가 가능하다.
본 발명의 추가적인 선택적인 특징이 아래에 설명되어 있다.
이제 본 발명의 실시예들이 첨부 도면들을 참조하여 예로서 설명될 것이고, 여기서:
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 전면이다;
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 후면이다.
도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 단면도로서, 광학 감지 모듈은 보호 케이스를 포함한다;
도 2a는 송신된 광이 기판을 통과하는 실시예와 조직으로부터 후방산란된 광의 가능한 경로들을 보여주는, 본 발명의 실시예에 따라 집적 반사 미러를 구비한 광학 감지 모듈이다;
도 2b는 도 2a에 도시된 광학 감지 모듈의 추가 사시도이다;
도 3a는 송신기 PIC 외부의 기판에 장착된 반사 미러를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 추가 광학 감지 모듈의 측면도이다;
도 3b는 도 3a와 다른 각도로 반사된 광 및 송신기 PIC 외부의 기판에 장착된 반사 미러를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 추가 광학 감지 모듈의 측면도이다;
도 3c는 반사 미러 및 송신기 PIC 외부의 기판에 장착된 포커싱 렌즈 또는 렌즈들을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 추가 광학 감지 모듈의 측면도이다;
도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 송신기 PIC 외부의 기판에 장착된 조정 가능한(예를 들어, MEMS) 반사 미러 및 포커싱 렌즈 또는 렌즈들을 포함하는 추가 광학 감지 모듈의 측면도이다;
도 4는 집적 광검출기들을 갖는 단일 송신기/수신기 PIC를 포함하는, 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 개략도이다;
도 5는 송신기 PIC 및 개별 광검출기들을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 개략도이다;
도 6은 단일 송신기/수신기(TRx) PIC 및 집적 코히어런트 광검출기를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 개략도이다;
도 7은 디바이스의 작동 파장들이 전자기 스펙트럼의 가시 영역으로 확장하는 질화규소 SiN 플랫폼(silicon nitride SiN platform) 및 단일 송신기/수신기(TRx) PIC 및 집적 광검출기들을 포함하는, 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 개략도이다. 질화규소는 화학량론적 또는 비화학량론적 질화규소일 수 있지만, 이하 일반적으로 "SiN"으로 약칭될 것이다;
도 8은 단일 송신기/수신기(TRx) PIC 및 집적 코히어런트 광검출기 뿐만아니라 디바이스의 작동 파장들이 전자기 스펙트럼의 가시 영역으로 확장하는 SiN 플랫폼을 포함하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 개략도이다;
도 9는 송신기 PIC 및 별도의 광검출기들을 포함하는, 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 개략도이고, 별도의 광검출기들은 상이한 유형들의 광검출기들을 포함한다;
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 복수의 레이저들을 형성하는 레이저 네트워크(laser network)의 개략도이다;
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성하는 레이저 빔 처리 모듈의 개략도이다;
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 복사 구멍 모듈(radiation aperture module)의 개략도이다;
도 14a는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 단일 구멍 상에 송신기 및 수신기 구멍들을 결합하기 위한 개념의 예이다;
도 14b는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 단일 구멍 상에 송신기 및 수신기 구멍들을 결합하기 위한 개념의 추가 예이다;
도 14c는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 단일 구멍 상에 송신기 및 수신기 구멍들을 결합하기 위한 개념의 추가 예이다;
도 15a는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 결합기 네트워크(combiner network)의 예이다;
도 15a는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 결합기 네트워크의 추가 예이다;
도 15c는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 결합기 네트워크의 추가 예이다;
도 16a는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 광검출기 네트워크(photodetector network)의 예이다;
도 16b는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 광검출기 네트워크의 예이다;
도 16c는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 광검출기 네트워크의 예이다;
도 16d는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 광검출기 네트워크의 예이다;
도 17a는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 광검출기 어레이의 예이다;
도 17b는 도 17a의 광검출기 어레이에 대한 예시적인 파장 분포를 도시한다;
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 동작 방법이다;
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 단일 출력 구멍을 갖는 송신기 PIC의 예이다;
도 20a는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 SOI 플랫폼 상의 확산 반사 측정 분광 광도계 송신기 PIC(diffuse reflectometry spectrophotometer transmitter PIC)의 예이다;
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 하나 이상의 하이브리드 집적 광검출기들을 갖는 송신기/수신기 PIC이다;
도 22a는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 평형 코히어런트 광검출기를 갖는 송신기/수신기 PIC이다;
도 22b는 코히어런트 검출기 배열의 개략도를 도시한다;
도 22c는 도 22a에 도시된 PIC의 SiN 버전을 도시한다;
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 공통 Si 기판을 갖는 결합된 SOI 및 SiN 플랫폼 상의 확산 반사 측정 분광 광도계 송신기 PIC의 예를 도시한다;
도 24a는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 PIC의 일부를 형성할 수 있는 SiN 플랫폼의 단면도이다;
도 24b는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 PIC의 일부를 형성할 수 있는 SiN 플랫폼의 단면도이다;
도 25는 본 발명의 실시예에 따라 사용 중인 광학 감지 모듈의 단면도이다;
도 26은 본 발명의 실시예에 따라 사용 중인 추가 광학 감지 모듈의 단면도이다;
도 27은 PIC 상에 장착되기보다는 모듈 기판 상에 장착된 수직 광검출기(vertical photodetector)들을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 사용 중인 광학 감지 모듈의 단면도이다;
도 28은 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 마이크로렌즈 배열의 예이다;
도 29a는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 외부 광검출기를 위한 박막 DBR 필터(thin film DBR filter)의 예이다;
도 29b는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 도 29a의 것과 같은 박막 DBR 필터를 위한 O-대역 대역통과 설계(O-Band bandpass design)의 예이다;
도 30은 O-대역 대역통과 설계의 추가 예이다;
도 31은 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 것(b)과 같은 박막 DBR 필터에 대한 황색 통과 대역(a)의 예이다;
도 32는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 공진 공동 광검출기(resonant cavity photodetector)의 예이다;
도 33은 심박수, SPO2 및 온도 측정치들을 측정하는 데 사용되는 LED 및 레이저원들에 대한 드물게(sparsely) 변위된 타이밍 차트의 예이다;
도 34는 도 33의 데이터의 단일 사이클 줌을 도시한다;
도 35는 조직 측정 검출기 및 참조 검출기를 포함하는 2개의 데이터 스트림들로부터의 광원 다중화 패턴 예의 상세도를 도시한다;
도 36은 기준 검출기 및 3개의 공간적으로 배치된 측정 검출기들에 대한 4개의 광원들 시간 다중화 패턴의 상세도를 도시한다. 도 37a는 1100-1800nm 범위들에 걸쳐 다른 온도들에서 표준 분광 광도계(standard spectrophotometer)에서 측정된 흡수 스펙트럼 및 산란 솔루션(scattering solution)의 예이다;
도 37b는 도 37a의 플롯의 정규화된 버전이다;
도 38a는 도 37a의 데이터로부터 취한 1530nm에서의 온도의 함수로서 흡수 측정치들의 예이다;
도 38b는 도 37a의 데이터로부터 취한 1390nm에서의 온도의 함수로서 흡수 측정치들의 예이다;
도 39는 피부를 가열 및 냉각하는 동안 생체 내에서 피부 비임상약리(skin in-vivo)에 대해 이루어진 후방 산란 반사율 측정치(back-scattered reflectance measurement)들의 예이다;
도 40은 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈에 의해 수행될 수 있는 반사율 측정치들로부터 온도를 예측하기 위한 함수를 결정하기 위한 훈련 알고리즘의 예이다;
도 41은 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈에 의해 수행될 수 있는 예측된 온도를 결정하기 위한 알고리즘의 적용의 예이다;
도 42는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈에 의해 수행될 수 있는 예측된 온도를 결정하기 위한 알고리즘의 적용의 추가 예이다;
도 43은 요골 동맥(radial artery)에 대해 수집된 광혈량도(PPG) 데이터의 예를 도시한다;
도 44는 손가락 끝(fingertip)에서부터 후방산란된 청색 또는 녹색 가시 파장 광 및 요골 동맥으로부터 후방산란된 SWIR 파장을 사용하여 수집된 PPG 데이터의 추가 예를 도시한다. 요골 동맥 및 손가락 끝 PPG 신호들 모두는 심박수(HR) 및 심박수 가변성(HRV) 디지털 출력들을 생성하기 위해 후처리된다;
도 45는 파장의 함수로서 혈액 산소 포화도 감도(blood oxygen saturation sensitivity) 및 95% 포화 흡광도(saturation absorbance)에 대한 시뮬레이션된 데이터를 도시한다;
도 46은 660/940nm 대 442/472nm에 대한 교정 곡선 비교의 예를 도시한다;
도 47은 송신기 PIC 및 개별 광검출기들을 포함하는, 본 발명의 실시예에 따른 라만 분광계(Raman spectrometer)로서 사용하기 위한 광학 감지 모듈의 개략도이다;
도 48은 본 발명의 실시예에 따른 라만 분광계로서 사용하기 위한 추가 광학 감지 모듈에 대한 송신기 PIC의 개략도이다;
도 49는 송신기 PIC 및 개별 광검출기들을 포함하는, 본 발명의 실시예에 따른 라만 분광계로서 사용하기 위한 추가 광학 감지 모듈의 개략도이다;
도 50은 송신기 PIC 및 개별 광검출기들을 포함하는, 본 발명의 실시예에 따른 라만 분광계로서 사용하기 위한 추가 광학 감지 모듈의 개략도이다;
도 51은 집적 광검출기들을 갖는 송신기/수신기 PIC를 포함하는, 본 발명의 실시예에 따른 라만 분광계로서 사용하기 위한 추가 광학 감지 모듈의 개략도이다;
도 52는 집적 광검출기들을 갖는 송신기/수신기 PIC를 포함하는, 본 발명의 실시예에 따른 라만 분광계로서 사용하기 위한 또 다른 광학 감지 모듈의 개략도이다;
도 53은 집적 광검출기들을 갖는 송신기/수신기 PIC를 포함하는, 본 발명의 실시예에 따른 라만 분광계로서 사용하기 위한 또 다른 광학 감지 모듈의 개략도이다;
도 54는 본 발명의 실시예에 따른 결합된 분광 광도계 및 라만 분광계로서 사용하기 위한 광학 감지 모듈에 대한 PIC의 개략도이다;
도 55는 본 발명의 실시예에 따른 결합된 분광 광도계 및 라만 분광계로서 사용하기 위한 추가 광학 감지 모듈의 개략도이다;
도 56은 본 발명의 실시예에 따른 결합된 분광 광도계 및 라만 분광계로서 사용하기 위한 또 다른 광학 감지 모듈의 개략도이다;
도 57은 예시적인 라만 방출 스펙트럼의 개략도이다;
도 58은 펌프 및 프로브 레이저원들로서 다중화될 수 있는 가능한 파장들을 도시하는 예시적인 "MUX 스펙트럼"이다;
도 59a는 수신기 광검출기 앞의 필터에 대한 감쇠 응답(attenuation response)의 예를 도시한다;
도 59b는 SRS(시뮬레이션된 라만 분광법) 분광계에 대한 레이저 스펙트럼들의 예를 도시한다;
도 60은 본 발명의 실시예에 따른 SRS 라만 분광계로서 사용하기 위한 광학 감지 모듈의 개략도를 도시한다; 및
도 61은 깊이 검출 및 초분광 라만(hyper spectral Raman)을 위한 간섭계 검출(OFDR)을 갖는 코히어런트 CW 여기 라만 분광법으로 사용하기 위한 광학 감지 모듈의 개략도를 도시한다.
첨부된 도면들과 관련하여 아래에 설명된 상세한 설명은 본 발명에 따라 제공되는 감지 모듈의 예시적인 실시예들의 설명으로서 의도되고 본 발명이 구성되거나 활용될 수 있는 유일한 형태들을 나타내도록 의도되지는 않는다.
웨어러블 디바이스(wearable device)를 위한 광학 감지 모듈(1)이 도 1a, 1b 및 1c에 도시되어 있다. 광학 감지 모듈(1)은 기판(2) 상에 위치된 송신기 광자 집적 회로(PIC)(4)를 포함한다. PIC(4)는 복수의 레이저들을 포함하며, 복수의 레이저들 중 각각의 레이저는 또 다른 것들의 파장으로부터 다른 파장에서 동작한다. PIC는 또한 하나 이상의 광학 출력들(12)을 통해 분석될 표면으로의 송신 전에 요구되는 임의의 방식으로 광을 조작하기 위한 광학 조작 영역(optical manipulation region)을 포함한다. 미러(10)(예를 들어, 프리즘 미러)와 같은 광학 요소가 존재할 수 있다. 광학 조작 영역은 광학 변조기, 광학 멀티플렉서(MUX); 및 전원 탭들, 렌즈들 및 전원 스플리터들과 같은 추가적인 광학 조작 요소들을 포함한다.
광학 감지 모듈은 또한 LED들(5)(예를 들어, 가시광선 또는 근적외선 파장 LED들)과 같은 복수의 비레이저 광원들을 포함한다. 하나 이상의 광검출기들(3, 6)은 또한 광학 감지 모듈의 일부를 형성한다. 이 실시예에서, 광검출기들은 기판 상에 위치하지만 PIC의 일부가 아니다. 이후의 도면들과 관련하여 더 상세히 설명되는 바와 같이, 광검출기들이 송신기/수신기 PIC의 통합 부분으로서 위치되는 것이 가능하다. 도 1a에 도시된 실시예에서, 복수의 광검출기들은 실리콘 광검출기들(3) 및 InGaAs 광검출기들(6)을 포함한다. 일부 실시예에서는 게르마늄의 광검출기들이 사용될 수도 있다.
ASIC 또는 마이크로컨트롤러(11)는 광학 감지 모듈의 기판(2) 상에 위치된다. 전기 커넥터(13)는 광학 감지 모듈에 전기 신호들을 제공하고, 덮개(lid) 및 베이스를 포함하는 보호 케이스(7)는 사용 중 손상 위험을 최소화하기 위해 PIC 및 기타 컴포너트들을 덮는 역할을 한다.
일단 조작(예를 들어, 다중화)되면, 복수의 레이저들로부터의 광은 하나 이상의 광학 출력 포트들(12)을 통해 PIC(4) 및 따라서 광학 감지 모듈(1)을 빠져나간다. 본 개시에서 논의된 몇몇 기하학적 구조들은 적거나 없는 색수차(chromatic aberration)를 갖는 레이저원들의 효율적인 오프-칩 결합, 시준 및 포커싱을 가능하게 한다. 이 외에도, 그들은 웨어러블 디바이스에 맞게 소형화될 수 있는 컴팩트한 기하학적 구조로 후방산란광의 효율적인 수집을 가능하게 한다.
광은 광자 집적 회로(PIC)의 에지에서 또는 그 근처에서 도파관 패싯(waveguide facet)("발사 패싯")으로부터 자유 공간으로 발사될 수 있다. 미러(10)와 같은 광학 요소는 도파관 플랫폼의 평면으로부터 광을 취하고 표면을 조사하는 것에 대해 더 적합한 방향으로 변환하기 위해 존재할 수 있다. 방향은 PIC의 평면에 직교하거나 실질적으로 직교할 수 있다. 도 3a, 3b, 3c 및 3d에 도시된 바와 같이, 반사각이 고정된 수동 미러, 또는 더 넓은 표면적이 조사될 수 있는 각도들의 범위를 스윕하거나 조정되는 레이저 광의 반사를 허용하는 능동적으로 제어되는 MEMS 미러가 사용될 수 있다. 미러는 표면 실장 조립 공정을 통해 기판(2) 상에 배치될 수 있다. 또한 공초점 여기(confocal excitation) 및 수집은 도 3c 및 3d에 도시된 바와 같이 조정가능한 초점 렌즈 및 스캔 미러를 사용하여 수행될 수 있다. 이 기하학적 구조는 공유 여기 및 수집 경로를 사용하여, 검출을 위해 후방 산란 신호를 다시 온칩으로 가져올 수 있다. 광은 조정가능한(전원 공급형) 광학(또는 "초점 렌즈")을 통해 전파될 수 있고 조정가능한(예를 들어, 스티어링가능한) 미러(또는 "스캔 미러")에 의해 샘플(예를 들어, 디바이스(예를 들어, 시계)를 착용한 사람의 피부)에 반사될 수 있다.
피부 표면으로부터, 및 피부 표면 아래의 볼륨 내로부터 후방 산란된 광은 분석될 PIC 상의 발사 패싯(또는 일부 실시예들에서, 상이한 도파관 패싯)으로 되돌아간다. 빔 폭은 혈관들과 최적으로 상호작용하는 데 중요할 수 있다. 일부 실시예들에서, 적응형 광학은 피부의 한 지점에 초점을 맞추는 데 사용될 수 있다.
공초점 여기 및 수집은 또한 도2에 도시된 바와 같이 조정 가능한 초점, 팁 및 틸트 축외 포물선 미러를 사용하여 수행될 수 있다. 이러한 방식으로, 포커싱 렌즈와 스캔 미러의 기능은 렌즈 고유의 색수차를 겪지 않는 단일 요소로 결합되어져 있다. 제1 기하학적 구조와 제2 기하학적 구조에서, 조명광(및 센서)의 초점 위치를 조정하는 기능은 감지 시스템에 대한 샘플의 위치에 변동들을 보상하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 시계의 감지 시스템의 경우, 시계의 위치는 착용자가 움직일 때 착용자의 피부에 대해 이동할 수 있다. 포커싱 렌즈와 스캔 미러(또는 제2 기하학적 구조에서, 조정 가능한 초점, 팁 및 틸트 오프 축 포물선 미러)는 피부 표면에 대해 적절한 감지 지점으로 초점을 이동하는 데 사용될 수 있다(예를 들어, 감지를 위한 충분한 혈액이 존재하고, 중간 피부가 허용할 수 없는 광학 손실을 야기하지 않는 피부 아래 깊이). 일부 실시예들에서 포커싱 렌즈 및 스캔 미러(또는 제2 기하학적 구조에서, 조정가능한 초점, 팁 및 틸트 오프 축 포물선 미러)는 (i) 측정된 흡수 스펙트럼이 혈액에 대한 그럴듯한 스펙트럼인 지점에 대한 검색을 수행함으로써, 또는 (반사율에 의해) 피부의 표면을 찾은 다음 초점 지점을 피부로 이동함으로써(미리 결정된 거리만큼, 또는 혈액에 대한 그럴듯한 흡수 스펙트럼이 감지될 때까지)조정된다.
도 2a 및 2b에 도시된 광학 감지 모듈(1101)의 기하학적 구조에서 후방 산란 신호의 수집 효율은 더 작은 광검출기 픽셀들(1106)을 포함하는 대면적 검출기 어레이를 사용함으로써 개선될 수 있다. 초점 평면 어레이를 사용하는 것은 동일한 재료의 단일 대면적 검출기에 비해 다음과 같은 두 가지 이점을 갖는다: 1) 검출기 영역을 갖는 암전류 및 판독 노이즈 스케일들, 및 2) 개별 픽셀 판독은 입사각을 계산하는 데 사용할 수 있는 감지된 신호에 공간 정보를 추가한다. 본 명세서에 설명된 임의의 기하학적 구조들에서 열전 냉각기는 PIC의 온도를 제어하는 데 사용될 수 있다. 샘플을 비추는 광은 시준되거나, 수렴될 수 있거나(예를 들어, 피부의 표면 바로 아래 지점에 초점이 맞춰짐), 약간 발산될 수 있다. 광원들은 상이한 유형들의 LED들, 예를 들어, 하나 이상의 청색/녹색 LED들(5a) 및 하나 이상의 적색/IR LED들(5b)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 분광학 칩은 분석되는 물질의 분석 화학에 적응하기 위해 심문광(interrogating light)의 사양을 변경할 수 있다. 일부 관련된 기술 시스템들은 복잡한 수신기들을 갖고 신호대 잡음비(SNR)에 상대적으로 낮은 신호를 갖는다. 심문광을 제공하는 SiPh 칩은 전체 파장 스캐닝 기능이 없을 수 있지만 의도된 분석-예를 들어, 요구되는 정밀도와 정확성을 갖는 의학적으로 중요한 범위에 혈액 내 포도당-에 충분한 분광 데이터를 생성하기 위해 높은 파장 정밀도로 조사 파장들 범위를 제공할 수 있다. 이 시스템은 어느 날 하나(또는 한 세트)의 분석물들에 대해 분석하고 다른 시간에는 다른 세트에 대해 분석하도록 프로그래밍할 수 있도록 조정 가능할 수 있다.
일반적으로, 웨어러블 디바이스들의 실제 적용들을 위해 오직 선택된 파장만이 사용될 수 있다. 파장들의 선택은 분석 결정의 선택성, 감도 및 정확도에 영향을 미칠 수 있다. 선택된 파장들의 사용은 부분 스펙트럼의 구성을 허용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 분광계 칩은 스펙트럼의 근적외선 영역에서 작동하고 흡수 모드에서 작동한다. 다른 가능한 모드들은 라만 및 감쇠 전반사(ATR) 분광법이다. 근적외선 흡수 분광법(near infra-red absorption spectroscopy)에 대한 파장 범위는 780 nm - 2500 nm이다.
전체 스캐닝 기능이 없는 파장 유연성을 갖기 위해, 칩은 다중 파장들, 예를 들어 30개 파장들 또는 이상, 또는 200개 파장들 또는 이상을 방출할 수 있다. 높은 스펙트럼 식별을 달성하기 위해, 레이저 선폭은 예를 들어 1MHz 미만으로 좁을 수 있고, 또는 코히어런트 잡음(다중 경로 간섭 잡음)을 줄이기 위해, 레이저 선폭을 예를 들어, 최대 5THz까지 넓힐 수 있다.
광원들은 각각 대략 10mW 및 일부 실시예들에서 100mW 또는 그 이상까지의 전력 출력들을 갖는 에지 방출(edge-emitting) 레이저들이다. 레이저들은 분산 피드백(DFB) 레이저들(뿐만 아니라 분산 브래그 반사기(DBR) 레이저들, 또는 FP(Fabry Perot) 레이저들도 있음)일 수 있고 튜닝 가능하다. 일부 실시예들에서, 레이저들은 송신기(PIC)의 Si 기판 상에 또는 송신기(PIC) 외부 기판 상에 장착된 VCSEL들이다. VCEL을 기판 상에 장착하기 위한 메커니즘들은 기판 상에 하나 이상의 LED들을 장착하기 위해 본 명세서에 설명된 메커니즘들을 따를 수 있다. 레이저들은 예를 들어 디바이스들의 자연적인 파장 드리프트에 응답하여 단순히 파장을 조정하거나 잠그기 위해, 비교적 좁은 범위에서 조정될 수 있거나, 또는 분광법의 요구들에 응답하여 레이저의 작동 파장을 변경하기 위해 더 넓은 범위에서 조정할 수 있다. 수행될 분석에 따라, 레이저들의 수와 조정 범위 사이에 균형이 있다. 일부 실시예들에서, 레이저들의 수가 많을수록 그들의 튜닝 범위는 더 작아진다.
심문광은 진폭, 위상, 편광, 또는 다른 광학 속성들이나 이러한 광학 속성들의 조합이 다양할 수 있다. 광의 속성의 시간에 따른 임의의 그러한 변화는 본 명세서에서 광의 "동적(dynamic)" 또는 "변조(modulation)"로 지칭될 수 있다. 일반적으로, 변조는 특정 주파수에서 또는 데이터 신호를 발생시키는 패턴에서 규칙적인 변화들의 형태를 취할 수 있다. 이러한 변화 또는 패턴은 송신기(예를 들어, 여러 송신기들(각각은 개별 분광계의 일부일 수 있음)이 동일한 샘플을 조명하는 경우), 개별 파장 또는 송신 시간을 식별하는 데 사용될 수 있다. 광의 펄스는 또한 디바이스의 전력 소비를 줄이고 더 긴 배터리 수명으로 이어질 수 있다.
개시된 실시예들 중 임의의 2개 이상이 다중 기능들을 갖는 광학 감지 모듈을 생성하기 위해 결합될 수 있다는 것을 이해하는 것은 중요하다. 하나 이상의 실시예들에서, 광학 감지 모듈은 다음 중 하나 또는 그 이상 또는 모두를 수행하도록 구성된다:
Figure pct00002
비침습적 온도 측정; 코어 체온 측정(예를 들어, 모듈의 ASIC에 포함될 수 있는 온도 예측 알고리즘 포함);
Figure pct00003
피부 온도 측정(예를 들어, 반사율 측정 및 온도 예측 알고리즘);
Figure pct00004
피부 온도 구배 측정(예를 들어, 다중 소스 검출기 분리들 사용);
Figure pct00005
결합된 PPG, SPO2 및 온도(예를 들어, PPG용 청색 또는 녹색 LED와 같은 광원, 500 - 650nm 파장 범위를 포함할 수 있는 SPO2 측정들에 적합한 파장들의 광원들);
Figure pct00006
더 넓은 파장 범위에 대한 측정들(예를 들어, Si 및 SiN 플랫폼들 모두를 포함하는 PIC 상의 실리콘 포토닉스와 파장들의 더 넓은 범위를 갖는 복수의 레이저들의 구현에 의해); 및
Figure pct00007
자극된 라만 측정들(예를 들어, 복수의 레이저들 내에서 펌프 및 프로브 레이저들의 구현에 의해).
광자 집적 칩(PIC)
일부 실시예들에서, 분광법에 사용하기 위한, 광 트랜시버 칩의 전체 레이아웃이 도 4 내지 9에 도시되어 있다. 도 4 내지 8은 본 발명의 PIC의 다양한 예들의 블록도들을 도시한다. PIC는 상이한 파장들의 복수의 레이저들을 포함하며, 이들은 적절한 멀티플렉서(MUX)에 의해 결합되고 공유 도파관에 연결될 수 있다. 이러한 레이저들은 1150nm에서 2500nm까지의 광범위한 근적외선 및 단파장 적외선 파장들에 걸친 파장 출력을 생성하기 위해 한 번에 하나씩 구동될 수 있다. 예를 들어, 멀티플렉서는 AWG, echelle grating, MMI 또는 캐스케이드 MZI 기반 멀티플렉서일 수 있다. 도 6 및 8 및 또한 도 22, 51, 52 및 53에 개략적으로 도시된 바와 같이, 나가는 광의 일부는 (예를 들어, Y-브랜치 커플러, MMI 커플러 또는 방향성 결합기에 의해) 코히어런트 검출기를 위한 국부 발진기로서 작용하도록 우회될 수 있고, 이것은 또한 수신된 후방산란된 광(즉, 예를 들어, PIC 상의 공유 도파관에 결합된 후방산란된 광의 일부)을 수신할 수 있다. 수신된 후방산란광은 또한 발사 패싯이 수신된 후방산란광을 수신하는 데 사용되는 경우, 적절한 커플러에 의해, 멀티플렉서와 발사 패싯을 연결하는 도파관으로부터 우회될 수 있다. 수신된 후방산란광을 수신하기 위해 발사 패싯을 사용하는 것은 조명된 볼륨(피부 표면 아래)이 샘플링된 볼륨(광이 후방산란됨으로부터)과 일치하는 정도를 증가시키거나 방출 및 수집 광학을 단순화하는 이점이 있을 수 있다. 레이저는 코히어런트 검출기에서 무선 주파수 비트 신호가 형성되도록 처프(예를 들어, 레이저 구동 전류 변경에 의해)되거나 위상 또는 진폭 변조될 수 있고, 신호 대 잡음비의 증가 또는 도플러 이동들의 감지를 통해 샘플 거리, 속도 또는 진동을 측정하는 기능을 제공하는 호모다인(homodyne) 또는 FMCW 감지 방식들을 허용한다. 광학 기능들은 둘 이상의 칩에 걸쳐 분산될 수 있다는 점에 유의해야한다. 예를 들어, 레이저들은 별도의 칩에 있을 수 있으며 별도의 송신 및 수신 칩들이 있을 수 있다. 심문광은 다중 레이저 빔들을 다중화하여 배열된, 단일 빔 출력에 있을 수 있다. 디바이스의 전력 출력과 개별 파장의 상대 전력들은 가변 광 감쇠기들(VOA) 또는 변조기에 의해 제어될 수 있다. 디바이스의 출력은 하나 이상의 빔을 가질 수 있으며, 이를 통해 둘 이상의 분석물 또는 분석물들의 세트들의 분석이 가능할 수 있다. 각각의 빔은 하나 이상의 파장에서 광을 포함할 수 있다.
도 4는 집적 광검출기들을 가진 단일 송신기/수신기 PIC를 갖는 광학 감지 모듈(220)의 개략도를 도시한다. 송신기 기능과 관련하여, 복수의 레이저들(24)은 하나 이상의 광학 출력들(26)에서 출력되기 전에 광학 조작 영역(25)에 상이한 파장들의 광을 제공한다. 수신기 기능과 관련하여, 광은 하나 이상의 광검출기들(28)에 광학적으로 결합된 하나 이상의 입력 구멍들(27)에서 수신된다.
도 5는 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 광학 감지 모듈(230)의 개략도를 도시하며, 이는 PIC의 일부가 아닌 기판 상에 위치한 송신기(Tx) PIC(231) 및 별도의 광검출기들을 포함한다는 점에서 도 4의 것과 상이하다.
도 6은 단일 송신기/수신기(TRx) PIC 및 집적 코히어런트(균형) 광검출기를 포함하는 광학 감지 모듈의 개략도를 도시한다. 이는 나가는 광의 일부가 코히어런트 검출을 위한 국부 발진기로서 작용하도록 (예를 들어, Y-브랜치 커플러, MMI 커플러, 또는 지향성 커플러와 같은 적절한 커플러에 의해) 코히어런트 검출기로 우회된다는 점에서 도 4의 실시예와 상이하다. 이는 신호 대 잡음비의 증가 및/또는 도플러 이동들의 검출을 통해 샘플 거리, 속도 또는 진동을 측정하는 기능을 제공하는 호모다인 또는 FMCW 검출 방식들을 허용한다.
도 7은 단일 송신기/수신기(TRx) PIC 및 집적 광검출기들을 도시한다. 이것은 SOI 및 SiN 플랫폼을 포함하여 SiN 플랫폼에서, 디바이스의 작동 파장들이 전자기 스펙트럼의 가시 영역으로 확장된다는 점에서 도 4의 실시예와 상이하다. SiN 플랫폼은 SOI 플랫폼에 있는 기능들을 복제하지만 다른 파장들에서 작동하도록 선택된 도파관 설계들 및 컴포넌트들을 사용한다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, SOI 컴포넌트들은 1150-2500nm의 작동 파장 범위를 갖는 반면, SiN 플랫폼에서, 컴포넌트들은 400 내지 1150nm의 작동 파장 범위를 갖는다. SiN 플랫폼들은 PCT/EP2020/081949에서 더 자세히 논의된다.
도 8은 SOI 및 SiN 플랫폼을 갖는 단일 송신기/수신기(TRx) PIC를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 개략도이며, 각 플랫폼은 도 6에 도시된 실시예의 것과 같은 코히어런트 검출을 포함한다.
도 9는 송신기(Tx) PIC 및 별도의 광검출기들을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 광학 감지 모듈의 개략도이다. 이 실시예는 다른 유형들의 광검출기들, 이 경우에는, 예를 들어 InGaAs 및 실리콘 광검출기들의 광검출기 어레이를 포함하는 별도의 광검출기들(28)로 도5의 것과 상이하다. LED들(32)은 또한 광학 감지 모듈 내에 존재하지만, PIC와 별도로 위치된다.
가시 파장 LED는 PPG 신호들에 사용될 수 있다. 가시 VCSELS 또는 LED들은 산소 포화 용액에도 사용될 수 있다. 파장 선택성을 위한 개별 파장 필터들이 있는 실리콘 PD들을 갖는 광대역 가시광원(500-600nm)은 예를 들어 손목 뒤쪽에 웨어러블 옥시미터를 생성하는데 사용될 수 있다. 검출을 위한 소형 분광계가 있는 광대역 가시광원(500-600nm)은 또한 예를 들어 손목 뒤쪽에 웨어러블 옥시미터를 가능하게 하는데 구현될 수 있다. 자연 형광을 유도하기 위해 청색 광원(450 - 500nm)은 소형 분광계를 사용하여 PPG 신호를 측정하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 소형 분광계는 포토다이오드의 검출 표면들 상에 증착된 각각의 개별 파장 대역 필터들을 갖는 실리콘 포토다이오드에 의해 형성될 수 있다.
PIC의 제어는 복수의 레이저들(001)이 있는 도 10을 참조하여 더 잘 이해될 수 있으며; 개별 레이저는 멀티플렉서를 포함할 수 있는 빔 프로세서(003)에 대한 개별 입력에 레이저를 연결하는 각각의 레이저 출력 도파관(002)에 결합된다. 빔 프로세서의 출력은 도파관(004)을 통해 출력 섹션 또는 복사 구멍(005)으로 송신되며, 이는 차례로 렌즈 와 같은 출력 벌크 광학 디바이스에 결합될 수 있다.
빔 프로세서는 레이저 입력 도파관들(002) 각각에, VOA, 또는 하나 이상의 변조기들 또는 셔터들을 포함할 수 있다. 빔 프로세서는 멀티플렉서 출력 도파관(004) 상에, 셔터 또는 VOA를 더 포함할 수 있다. 도파관들 상의 요소들(예를 들어, VOA들, 변조기들, 및 셔터들)은 예를 들어, 광의 위상 또는 진폭을 변조(변조기의 경우)하거나 또는 광을 차단(셔터의 경우)하는 도파관들에서 전파하는 광에 영향을 미치도록 구성될 수 있다.
생체 조직과 같은 매질로 송신된 심문광은 다양하게 흡수, 확산 및 반사(또는 "산란")될 수 있다. 반사 분광계 측정은 주어진 파장, 일련의 파장들 또는 파장들의 범위에서 반사된 광으로 이루어진다. 웨어러블 디바이스에서, 분광계의 수광(light receiving) 구멍은 송신기 구멍에 가까울 수 있으며, 예를 들어 3mm 내지 5mm의 범위 내에 있으며, 또는 심지어 송신 개구와 동일할 수 있다. 따라서, 흡수 측정은 광의 산란, 흔히 다중 산란에 의존할 수 있으므로 확산 반사 분광법 또는 확산 반사 분광 광도법 측정을 수행한다. 따라서, 단일 반사 경로 길이가 아니라, 경로 길이들의 범위가 있을 수 있다. 이것은 특히 코히어런트 검출에 대해, 측정을 복잡하게 할 수 있다.
칩은 또한 샘플 광을 캡처하고 칩 표면(예를 들어, 패싯 또는 격자)에서 검출 장치로 전달하기 위한 수신 도파관을 가질 수 있다. 수신 도파관은 송신 도파관과 동일하거나 상이할 수 있다. 도 10은 수신 구멍(006)을 도시한다. 시스템이 코히어런트 검출을 사용하는 경우, 레이저원들로부터 탭핑된 국부 발진기 광을 샘플 광과 결합하는 결합기 네트워크(008)가 있을 수 있고 둘 다 균형 포토다이오드 네트워크(009)에서 감지 및 측정될 수 있다. 수신기는 일반적으로 게르마늄 광검출기 또는 애벌랜치(avalanche) 포토다이오드를 사용하여 파장에 구애받지 않을 수 있다. 검출기는 균형 검출기일 수 있다. 수신기는 수집된 샘플 광 외에 송신기의 레이저원들로부터 (국부 발진기) 광을 수신할 수 있는 코히어런트 검출기일 수 있다. 수신기와 송신기가 동일한 칩, 예를 들어, SiPh 칩에 통합된 경우 송신기와 수신기 간의 연결은 SiPh 도파관일 수 있다.
시스템은 한 번에 하나의 파장을 작동할 수 있으며, 이 경우, 파장은 시간적으로 식별될 수 있다. 하나 이상의 파장이 전송되는 경우 검출기 회로는 파장들 또는 파장들의 조합들을 구별할 수 있다. 이것은 변조(위에서 언급한 바와 같이), 예를 들어, 전송된 방사선의 주파수 톤들을 식별하기 위해 적용하고 모니터링함으로써 수행될 수 있다. 파장들의 그룹도 유사하게 식별될 수 있다. 일부 상황들에서는 수많은 파장들을 동시에 송신한 다음 파장들을 개별적으로 또는 파장들의 그룹으로 끄는 것이 유리할 수 있다. 이러한 방식으로, 낮은 강도들(예를 들어, 높은 산란 또는 높은 흡광도의 결과로서)에서 수신된 특정 파장들의 광의 강도들이 더 정확하게 결정될 수 있다. 이 어플리케이션의 다른 곳에서 설명된 광검출기들의 DBR 필터들은 유사한 목적을 제공한다.
분석 프로세스는 도 18과 관련하여 더 자세히 설명되어 있다. 시스템은 하나 이상의 부분 스펙트럼들을 측정하도록 설정될 수 있다. 부분 스펙트럼은 분석물들 중 하나 또는 조합의 진단을 제공하는 단일 파장을 포함할 수 있다. 각각의 스펙트럼에 대해 하나 이상의 데이터 지점들을 가질 수 있다. 부분 스펙트럼은 전체 스펙트럼의 영역, 예를 들어 NIR 스펙트럼 범위(1150nm - 2500nm)의 일부를 나타낼 수 있다. 농도 계산은 내부 또는 외부 보정을 기반으로 할 수 있으며, 스펙트럼 데이터의 절대 또는 비율들과 관련될 수 있다. 분석물의 농도 또는 내부 또는 외부 표준의 농도에 상대적인 분석물의 농도를 계산하기 위해 데이터 프로세서에 내장된 알고리즘들이 있을 수 있다. 도 18에 도시된 방법에서, 파장들은 부분 스펙트럼을 구성하기 위해 먼저 선택된다. 이러한 선택된 송신 파장들은 파장 잠금 장치(locker)들로 잠글 수 있다. 방사선은 이후에 검출기에서 수신된다. 이 경우, 검출기는 유리하게는 파장에 구애받지 않는다. 파장들은 검출기에서 식별되고 반사율은 각각의 파장에서 측정된다. 부분 스펙트럼은 반사율 측정에서 생성된다. 그러면 스펙트럼에서 분석물의 농도가 계산될 수 있다. 계산은 내장된 알고리즘을 통해 또는 온보드 컴퓨터, CPU 또는 FPGA에서 설정한 알고리즘을 통해 수행될 수 있다.
일부 실시예들에서, 총 광학 전력 출력은 10mW 미만이다. 일부 실시예들에서 총 전력 출력은 10mW보다 크다. 출력 도파관을 포함하는 도파관들은 큰 도파관들(낮은 손실로 높은 전력을 처리할 수 있음)이다. 그러한 도파관들은 0.5 미크론과 5 미크론 사이의 높이를 가질 수 있다(여기서, 예를 들어, SOI 웨이퍼 상에 제조된 SiPh 칩에서 높이는 매립 산화물(BOX) 층(하부 클래딩 층으로 작동할 수 있음)로부터 측정될 수 있고, 측정 방향은 SOI 웨이퍼의 평면에 수직이다.).
상대 전력들의 변화들은 관찰된 파장들의 강조를 변경함으로써 분광 기술로 사용될 수 있고 전체 전력은 심문의 물리적 깊이들을 변경하는 데 사용될 수 있다. 변조기들은 광을 거의 완전히 끄거나 차단할 수 있다. VOA들은 다른 유형들의 변조기들보다 훨씬 느리게 작동할 수 있다(예를 들어, VOA는 1kHz의 대역폭을 가질 수 있고 변조기는 10GHz의 대역폭을 가질 수 있음). 변조기들은 주어진 파장의 광에 신호(예를 들어, 의사 난수 비트 패턴 또는 주파수 톤과 같은 식별 변조)를 부과하여 수신 광검출기가 파장에 구애받지 않는 검출기에서 해당 광을 식별하는 것을 가능하게 하는데 사용할 수 있다(즉, 작동 파장 범위의 상당 부분에 걸쳐 실질적으로 일정한 감도를 가짐). 셔터는 PD 암전류는 보충되고 노이즈는 측정된 다음 취소되거나 오류 계산들에 사용될 수 있도록 광을 끄는데 사용될 수 있다.
레이저들은 Tx PIC 작동 파장 범위에서 튜닝 가능할 수 있다. 하나 이상의 고정 파장 레이저(들)는 참조 파장들일 수 있다. 레이저들은 순서대로 켜질 수 있거나(즉, 한 번에 하나씩 켜짐) 또는 일부 또는 모든 레이저들이 함께 켜질 수 있다. 레이저들은 Si로 만들어진 격자들을 가진 DFB 레이저들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저와 샘플 매체 사이에 절연체들이 배치될 필요가 없다. 이것은 절연체들을 필요로 할 수 있는 LED들에 비해 이점이 될 수 있다. 멀티플렉서 출력 도파관으로부터의 광은 하나 이상의 렌즈들에 의해 포커싱될 수 있고 미러에 의해 지향될 수 있다. 레이저들의 전력은 단독으로 또는 함께 조정될 수 있다. 일부 실시예들에서, SNR은 측정되고, 잡음을 보정하기 위해 사용된다. 일부 실시예들에서, 조명의 전력 또는 위치는 최대 SNR을 얻기 위해 변경된다. 본 명세서에서 설명된 여러 시스템들 및 방법들 중 하나를 통해, 심문광이 샘플에 결합될 수 있고, 샘플광이 수신기에 결합될 수 있다.
검출기에는 하나 이상의 파장 필터들이 있을 수 있다(또는 없을 수 있다). 검출은 가능한 향상된 SNR로 직접적이거나 코히어런트일 수 있다. 레이저들의 진폭, 위상 및 주파수 변조는 모두 사용가능하며 샘플에 대한 다양한 정보를 제공하거나 또는 SNR을 향상시킬 수 있다. 다양한 전력은 표면에서부터 깊이-예를 들어, 웨어러블 디바이스의 피부 아래 깊이에 따라 샘플의 심문을 가능하게 한다. 낮은 강도 방사선의 경우, (산란된) 샘플광은 더 깊은 산란의 효과적인 기여가 노이즈에 있거나 효과적으로 검출 임계값 미만일 수 있기 때문에 얕은 깊이에서만 감지될 수 있다. 깊이가 균일한 재료의 경우, 광원 강도가 증가함에 따라, 더 깊은 수준들의 광의 비율은 이론적으로 낮은 강도의 경우와 같을 수 있지만 더 깊은 수준들의 산란광을 감지될 수 있다. 깊이가 균일하지 않은 샘플의 경우, 결과가 더 복잡할 수 있다. 예를 들어, 흡광도, 산란 및 분석 물질 농도는 깊이에 따라 (단일 또는 다른 방식으로) 변할 수 있고 광원에서 광도를 변화시키면 검출기에서 비선형 결과를 생성할 수 있다. 산란 입자 크기와 광의 파장의 관계에 따라, 샘플광이 편광될 수 있으며 산란이 깊이에 따라 달라지면 편광도 달라질 수 있다.
(III-V 레이저들일 수 있는) 레이저들은 플립-칩 다이 접합 또는 MTP(micro transfer printing)에 의해 III-V 칩들을 SiPh 칩에 통합함으로써 만들어질 수 있다. SiPh 칩은 접합 또는 미세 전사 인쇄 공정 동안 정렬에 사용될 수 있는 기준점(fiducial)들을 가질 수 있다. 어플리케이션에 따라, SiPh 칩의 면적은 1 cm2 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파관들은 편광을 유지하는데, 이는 편광이 중요한 경우 유리할 수 있다(즉, TE 및 TM은 정보를 나타낼 수 있으며, 예를 들어 샘플로부터 산란 시 편광 상태의 변화가 샘플의 특성들에 대한 일부 정보를 나타내는 경우).
분광법 송신 칩(또는 "송신기")은 SiPh, 산화실리콘 칩(SOI(silicon on insulator) 칩이라고도 함)이거나 이중 SOI 칩일 수 있다-즉, 2개의 산화층들이 있음. 그것은 단일 출력/조명 지점/도파관을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 칩은 복수의 송신기들을 포함하거나, 송신기는 복수의 출력들을 가지며, 예를 들어, 각각의 출력은 상이한 분석 목적을 가질 수 있다. 각 송신기는 다중화된 다중 출력 파장들을 가질 수 있다. 심문광은 파장들과 시간 효과들의 조합일 수 있다(예를 들어, 다른 시간들에 다른 파장들).
제어 회로부 또는 알고리즘들은 하나 이상의 분석물을 분석할 수 있고 하나 이상의 파장을 연속적으로 또는 동시에 적용할 수 있다. 그들은 (i) 최적의 파장들의 조합, (ii) 선택한 분석물을 분석하기 위해 선택한 파장 범위 내에서 각각의 파장에서 송신되는 전력을 계산하는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 알고리즘들은 인공 지능(AI) 소프트웨어를 포함할 수 있다. 제어 회로부 또는 알고리즘들은 여러 분석물들을 분석하기 위한 소프트웨어를 포함할 수 있다. 알고리즘은 주어진 분석에 대해 최적의 파장들 수, 참조 또는 표준 파장들(즉, 우수한 성능을 제공할 것으로 예상되는 파장들)을 추정하고 정제할 수 있다. 분광계에 의해 측정된 부분 스펙트럼은 관심 있는 파장 범위 내에서 하나 이상의 서브-대역들 또는 하나 이상의 개별 파장들에 걸쳐 측정된 스펙트럼일 수 있다. 알고리즘들은 예를 들어, 부분 스펙트럼을 각각의 분석물들 및 다른 컴포넌트들에 대해 예상되는 스펙트럼들의 조합에 피팅함으로써, 샘플에서 하나 이상의 분석물들 및 하나 이상의 다른 컴포넌트들의 농도들을 추정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 또는 샘플에 연결된 시스템의 다른 특성들은 분석물 농도들을 추정하지 않고 측정될 수 있다. 예를 들어, 사람이나 동물의 피부 표면 바로 아래에 있는 혈액의 흡수 스펙트럼은 코어 온도에 따라 달라질 수 있는 혈액의 화학 성분의 변화들의 결과에 따라, 사람이나 동물의 코어 온도에 의해 영향을 받을 수 있다. 이러한 경우, 혈액의 화학적 구성이 코어 온도에 따라 어떻게 변하는지에 대한 지식 없이, 스펙트럼이 코어 온도에 따라 어떻게 변하는지에 대한 지식에서 코어 온도를 직접적으로 유추하는 것이 가능할 수 있다.
수신기 칩은 초점면 어레이 검출기를 포함할 수 있다. 그것은 코히어런트일 수 있으며, 예를 들어, 수신된 신호는 송신 신호의 일부(수신기에서 하나 이상의 국부 발진기(LO) 신호들을 형성하는 부분)와 혼합될 수 있다.
송신 칩 및 수신 칩(또는 송수신기 칩, 송신기와 수신기가 하나의 칩(예를 들어, 하나의 SiPh 칩)에 결합된 경우)은 다음과 같이, 다양한 기능들을 가질 수 있다. 대형 도파관 실리콘 포토닉스(SiPh) 플랫폼이 송신기 또는 수신기에 사용될 수 있으며, 도파관들의 높이는 약 1 내지 3 미크론이다. 송신기는 하나 이상의 출력들에서, 다중 적응 파장들로 송신할 수 있다. 레이저광은 심문광으로 사용하기에 적합한 필요한 출력과 (좁은) 선폭을 가질 수 있다. 사용되는 파장 조합은 분석 목적에 따라 조정될 수 있다. 각각의 파장의 전력은 분석 목적에 따라 조정될 수 있다. 개별 파장들 및 파장들의 조합들은 분석 목적으로 순서대로 송신(및 수신)될 수 있다. 이러한 모든 구성 파라미터들은 알고리즘(AI 알고리즘일 수 있음)에 의해 결정될 수 있다.
PIC의 구성 부분들은 도 10 및 도 11 내지 도 17b를 참조하여 아래에서 더 상세히 설명된다. 복수의 레이저들로 구성된 레이저 네트워크(110/001)는 개별적으로 제어되는, 상이한 레이저 라인들을 갖는 레이저원들을 포함할 수 있다. 레이저 빔 처리 모듈(111/003)은 광학 변조 영역(25)의 일부를 형성할 수 있고 레이저 네트워크(110/001)에 의해 생성된 광을 수신하도록 구성되며, 상이한 파장들을 단일 도파관으로 결합하거나 개별 파장들을 변조하여 그것들을 송신 수신 방사선 구멍 모듈(112/005)로 라우팅하고 레이저 네트워크(110/001)에 의해 생성된 광의 일부를 결합기 네트워크(114/008)로 분할할 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 빔 처리 모듈(111/003)은 하나 이상의 입력 도파관들(002)을 포함하고, 이들 각각은 레이저 네트워크(110/001)의 개별 출력 도파관에 연결되고, 이들 각각은 그 위에 하나 이상의 변조기들, 예를 들어, 진폭 변조기들, 위상 변조기들, 주파수 시프터들 또는 가변 광 감쇠기들(VOA)(이는 진폭 변조기들(예를 들어, 비교적 느린 진폭 변조기들)로 간주될 수 있음)을 갖는다. 본 명세서에서 사용된, "변조기"는 광을 수신하여 광을 재전송하고, 재전송된 광의 특성(예를 들어, 진폭, 위상, 주파수 또는 편광 상태)을 변경하여, 변조기에 의해 수신된 제어 신호(예를 들어, 전기 제어 신호)에 기초하여 시간에 따라 변화하는 방식으로 동적으로 만드는 임의의 디바이스이다. 빔 처리 모듈(111/003)은 입력 도파관들에서 전파하는 광을 단일 출력 도파관으로 결합하기 위한 멀티플렉서(또는, 일부 실시예들에서, 복수의 출력 도파관들(예를 들어, 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 3개의 출력 도파관들))을 더 포함할 수 있고 그것은 입력 또는 출력 도파관들 각각에 하나 이상의 변조기들을 포함할 수 있다. 빔 처리 모듈(111/003)은 광학 변조, 다중화(MUXing) 및 조작(25)을 형성할 수 있다. 그것은 결합기 네트워크(114/008)로 전송될 수 있는, 예를 들어, 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이 코히어런트 검출을 위한 광의 일부(하나 이상의 입력 도파관들로부터 또는 하나 이상의 출력 도파관들로부터)를 분할하기 위한 하나 이상의 스플리터들을 포함할 수 있다.
결합기 네트워크(114/008)는 PIC의 외부로부터(예를 들어, 송신 수신 방사 구멍 모듈(112/006)을 통해) 광을 수신하거나 칩을 떠나지 않은 광(예를 들어, 빔 처리 모듈(111/003)로부터)을 수신할 수 있다. 상이한 수신된 파장들 모두는 단일 도파관으로 결합되거나, 별도의 도파관들에 유지되거나, 2x2 스플리터들을 사용하여 도파관 쌍들로 혼합될 수 있다(예를 들어, 레이저 빔 처리 모듈(111/003)로부터 수신된 광과 간섭적으로 혼합됨). 포토다이오드 네트워크(115/009)는 단일 도파관으로부터 들어오는 광을 검출하는 하나의 검출기를 포함할 수 있다(예를 들어, 로 구성될 수 있다). 일부 실시예들에서 이것은 개별 도파관에서 전파하는 광을 각각 검출하는, 하나 이상의 포토다이오드들, 또는 하나 이상의 균형 검출기 쌍들(각각은 예를 들어, 직렬로 연결된 2개의 포토다이오드들을 포함함)을 포함한다. 포토다이오드 네트워크(115/009)에 공급하는 임의의 파장에서 수신된 광(104)은 (i) 외부에서 수신된 샘플 광(예를 들어, 샘플을 통해 송신, 산란, 또는 반사 후 송신 수신 방사 구멍 모듈(112/006)에 의해 수신된 광), (ii) 참조 광(예를 들어, 참조 경로를 따라, 또는 "참조 암(reference arm)"에서 전파하는 광, 이는 샘플과 고정된 위상 오프셋의 부재를 제외하고는 샘플을 포함하는 경로와 최대한 차이가 나도록 설계되었음), (iii) (레이저 빔 처리 모듈(111)로부터의) 국부 발진기 광(도 16의 목적들을 위한 참조 빔으로도 간주될 수 있음), 또는 (iv) 이러한 유형들의 광의 조합들일 수 있다. 예를 들어, 샘플 광의 코히어런트 검출을 수행하기 위해, 그것은 국부 발진기 광과 결합(예를 들어, 2x2 결합기에서)될 수 있고, 결합(즉, 2x2 결합기의 하나 또는 둘 모두의 출력들)은 포토다이오드 네트워크(115/009)의 포토다이오드로 감지될 수 있다. 다른 예로서, 균형 검출기 쌍의 포토다이오드들 쌍 중 하나는 외부에서 수신된 샘플 광을 감지할 수 있고 다른 하나는 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이 참조 광을 감지할 수 있다. 전자 수신 모듈(117)은 도 10에 도시된 바와 같이 하나 이상의 트랜스임피던스 증폭기들(TIA) 및 수신 전자장치들(예를 들어, 추가 증폭기 스테이지들)을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용된, "2x2 스플리터"는 "2x2 결합기"와 동의어이다.
일부 실시예들에서, PIC는 PIC의 온도를 측정하는 데 사용될 수 있는(예를 들어, 시스템에서 생성된 데이터의 교정 또는 수정에 사용하기 위한, 또는 PIC의 온도를 조절하기 위한 온도 조절 시스템에 사용하기 위한), 온도 측정 회로를 포함한다.
도 11은 레이저 네트워크(110)를 보다 상세히 도시한다. 레이저 네트워크(110)는 하나 이상의 반도체 레이저들을 포함하는 하나 이상의 III-V 레이저 다이 또는 쿠폰(또는 PIC 상의 하나 이상의 반사기들과 조합하여 레이저들을 형성하는 반도체 광학 증폭기들, 또는 반사형 반도체 광학 증폭기들)을 포함할 수 있다(예를 들어, 이들에 의해 구성될 수 있음). 레이저 네트워크(110)는 단일 다이 또는 쿠폰, 또는 개별 III-V 다이들 또는 쿠폰들 상에 다수의 레이저 공동들을 포함할 수 있다. 각각의 레이저 공동은 단일 모드, 또는 다중 모드, 또는 튜닝 가능하도록 설계될 수 있다. 레이저 네트워크(110)에 의해 생성된 광은 모두 하나의 도파관에 있거나, 또는 각각이 개별 파장에서 광을 운반하는 복수의 도파관들에 있거나, 각각이 복수의 파장들에서 광을 운반하는 복수의 도파관들에 있을 수 있다.
레이저 광은 예를 들어, 단일 파장 또는 이용 가능한 파장들의 서브세트의 광만이 레이저 네트워크(110)에 의해 생성되는 임의의 지점에서, 연속적으로 송신되거나 스위칭될 수 있다. 이 변조는 kHz 스케일 또는 더 빠른 스케일들일 수 있다. 레이저들은 예를 들어, 1MHz 정도 또는 더 높은 속도들(예를 들어, 10MHz 이상의 처프 반복 주파수) 또는 더 낮은 속도들(예를 들어, 100kHz 이하의 처프 반복 주파수)에서의 처프 반복 주파수(chirp repetition frequency) 파장에서 선형 주파수 스윕들을 생성하도록 처프될 수 있다. 진폭 비트 패턴들은 kHz 내지 GHz 속도로 레이저 네트워크(110)에 의해 생성된 광으로 변조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 대신에 이 변조는 레이저 빔 처리 모듈(111)에서 수행된다.
도 12는 레이저 빔 처리 모듈(111)을 더 상세히 도시한다. 레이저 빔 처리 모듈(111)은 송신/수신 방사선 구멍 모듈(112) 및 결합기 네트워크(114)에 하나 이상의 상이한 파장들의 광을 공급한다. 광은 각각 하나 이상의 파장들을 운반하는 하나 이상의 도파관들에서 레이저 빔 처리 모듈(111)에 의해 수신된다. 레이저 빔 처리 모듈(111)은 여러 파장들을 더 적은 도파관들로 결합하는 파장 멀티플렉서(303)(또는 "파장 멀티플렉서 모듈")를 포함할 수 있다. 상기 파장 멀티플렉서(303)는 삽입 손실을 최소화하거나 전자 제어 모듈(116)을 통해 적절한 레이저를 튜닝하기 위한 피드백 신호를 생성하기 위해 능동적으로 모니터링되거나 튜닝될 수 있다. 파장 멀티플렉서(303)에 의해 생성된 신호(321)는 파장 오류 신호일 수 있고, 이는 레이저 파장을 조절하기 위해 파장 잠금 장치로 신호들을 피드백하고, 통과대역 파장(들)을 조정하기 위해 파장 멀티플렉서로 피드백하고, 또는 사후 처리에서, 측정된 파장 오류의 예상되는 효과에 대한 분광계의 출력(예를 들어, 분석물의 예상 농도)을 수정하기 위해 사용될 수 있다.
상기 언급된 바와 같이, 광은 변조기(304)들에 의해 변조될 수 있다(예를 들어, 파장 멀티플렉서(303)가 존재하는 경우 파장 멀티플렉서(303) 이전 또는 이후에 변조됨). 연속 광원은 진폭 비트 패턴, 또는 그것이 생성하는 광에 인코딩된 위상 비트 패턴을 가질 수 있으며, 또는 측파대(sideband)는 일련의 위상 변조기들을 사용하여 생성될 수 있으며, 이러한 측파대들은 선형 램프들에 의해 처프될 수 있다. 각각의 입력 도파관들(레이저 네트워크(110)로부터 광이 수신됨) 상의 광학 전력 모니터링 회로(301, 302)(또는 "도파관 모니터 탭" 또는 "모니터링 모듈")는 이러한 도파관들 각각에서 수신된 전력의 양을 모니터링할 수 있고 대응하는 신호(322, 323)를 전자 제어 모듈(116)에 발송할 수 있고, 이는 각각의 도파관의 레이저 전력(예를 들어, 파장 각각의 전력)을 개별 미리 설정된 전력 수준 또는 "설정점(setpoint)"으로 유지하기 위해 레이저 구동 전류를 조절할 수 있다. 각각의 광학 전력 모니터링 회로(301, 302)는 레이저 네트워크(110)로부터 수신된 광의 작은 부분을 분할하기 위한 스플리터(예를 들어, 병렬 도파관 방향성 커플러), 및 분할된 광의 일부에서 광학 전력을 측정하기 위한 포토다이오드를 포함할 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 파장 멀티플렉서(303)를 도시한다. 이 실시예에서, 파장 멀티플렉서(303)는 파장 오류 모니터링을 갖는 에셸 격자(echelle grating)로 구성된다. 예시 파장들이 도시된다. 1280nm 파장의 광이 1280nm 포트에 입력되면, 대부분의 입력 광은 다중화된 출력 포트(312)에서 빠져나온다; 멀티플렉서는 추가 모니터링 광검출기들로 발송된, 및 신호(321)를 생성하는 데 사용된 광의 작은 부분(출력 평면에서 강도 분포의 테일들에 대응함, 각각의 테일은 다중화된 출력 포트에 해당하는 피크의 개별 측면에 있음)을 수신하는 테일 포트들을 포함할 수 있다. 그러나 입력 파장이 포트가 취하도록 설계된 지정된 값에서 벗어나면, 출력이 출력 포트에서부터 테일 포트들 중 하나로 드리프트 될 것이다. 테일 2 포트의 전력 대 테일 1 포트의 전력 비율은 지정된 포트 파장과 관련된 321에 대한 파장 오류 신호를 계산하는 데 사용될 수 있다. 에셸 격자의 설계에서, 다중화된 출력 포트(312) 및 각각의 테일 포트들로 송신되는 광의 비율은 그들의 상대적인 채널 통과대역 폭들을 설계하고, 예를 들어 히터로 멀티플렉서의 온도를 조정함으로써 조정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 멀티플렉서(303)(또는 본 명세서에서 언급된 다른 멀티플렉서들 또는 디멀티플렉서들)는 (i) 에셸 격자(위에서 언급됨), (ii) 배열 도파관 격자, 또는 (iii) 마하 젠더 캐스케이드(Mach Zehnder cascade)이다.
도 13은 송신/수신 방사 구멍 모듈(112)을 보다 상세하게 도시한다. 송신/수신 방사 구멍 모듈(112)은 PIC 상의 도파관들 내로(예를 들어, 자유 공간으로부터) 및 PIC 상의 도파관들 외부로(예를 들어, 자유 공간 내로) 광을 결합한다. 이를 위해, 이는 후면 반사를 최소화하기 위해 반사 방지 코팅이 된 도파관 에지 커플러들, 또는 도파관 격자 커플러들과 같은, 하나 이상의 이미터들을 포함할 수 있다. 단일 도파관은 단일 이미터에 결합될 수 있거나 MMI 또는 지향성 커플러들의 네트워크를 통해 복수의 이미터들(예를 들어, 전자 제어 모듈(116)에 의해, 상대 위상들 및 진폭들을 갖는, 이미터들의 위상 어레이를 형성할 수 있음)로 분할될 수 있다. 유사하게, 수신 도파관당 하나의 수신 구멍, 또는 복수의 수신 구멍들이 있을 수 있다.
일부 실시예들에서, 단일 구멍은 발송 및 수신을 위해 사용된다. 이러한 구멍을 통해 들어오고 나가는 광은 온칩 순환기(on-chip circulator)를 통해 또는 다중 편광 방식(도 14a)에 의해, 또는 2x2 스플리터(도 14b)를 사용함으로써 분리될 수 있다. 단일 패싯("런치 패싯"이라고 함)은 (i) 국부 발진기로 사용하기 위해 심문광의 일부를 전환하는 기능(도 12의 레이저 빔 처리 모듈(111)에 의해 수행됨) 및 (ii) 칩의 광을 결합하는 기능(예를 들어, 자유 공간으로)(도 13의 송신 수신 방사 구멍 모듈(112)에 의해 수행됨) 모두를 수행할 수 있다.
도 14a는 일 실시예에 따른 Tx/Rx 다중화 편광 방식을 도시한다. 송신되는 신호는 극성이다(도시된 예에서는 가로 전기장(TE) 편광을 갖는; 다른 실시예들에서는 나가는 광은 다른 편광 상태, 예를 들어, 횡단 자기(TM)에 있을 수 있음). 그것은 Rx/Tx 구멍에 대해 다중화된다. 무작위 산란 대상의 경우 수신된 샘플 광 신호는 편광 상태들의 혼합일 수 있다. 도 6b의 예에서, 샘플 광의 TM 성분은 출력 포트로 다중화되고, 샘플 광의 TE 성분은 입력 포트로 다시 발송된다.
도 14b는 일 실시예에 따른 2x2 스플리터를 사용하는 시스템을 도시한다. 2x2 스플리터의 제1 측(도 14b의 왼쪽)에 있는 입력 포트에서 수신된 광은 2x2 스플리터에 의해 2x2 스플리터의 제2 측 (도 14b의 오른쪽)에 있는 두 개의 출력들로 분할된다. 2x2 스플리터의 제2 측에 있는 출력들 중 하나 또는 각각은 개별 구멍에 연결될 수 있다. 반환된 신호는 2x2 스플리터의 제1 측에 있는 두 개의 포트들, 즉 2x2 스플리터의 제1 측에 있는 입력 포트와 출력 포트로 다시 균등하게 분배된다. 1x2 변형이 도 14c에 도시된다.
도 15a, 15b 및 15c는 개별 실시예들에서 결합기 네트워크를 보다 상세하게, 도시한다. 도 15a의 실시예에서, 결합기 네트워크(114a)는 원하는 파장
Figure pct00008
의 광을 포함하는 도파관 또는 빔 경로로부터의 광을 파장
Figure pct00009
의 수신된 샘플 광을 포함하는 도파관 또는 빔 경로와 결합하고 결합된 신호를 출력 포트로 보내고, i의 상이한 값들 사이에서 스위칭하는 전자적으로 제어되는 광 스위치를 포함하고(예를 들어, 구성됨), 여기서 i = 1 내지 NM(레이저 파장들의 전체 범위)이다. 이러한 일련의 스위치들은 다수의 파장들에 대한 스위칭을 처리하기위해 참조 입력 경로와 신호 입력 경로 모두에 병렬로 연결될 수 있고, 또는 하나의 스위치가 다중 참조 및 수신된 샘플 광 파장들을 결합할 수 있다. 도 15b의 실시예에서, 결합기 네트워크(114b)는 코히어런트 검출 혼합 네트워크를 포함(예를 들어, 구성됨)하고, 이는 샘플 광 신호들 및 참조(국부 발진기) 신호들(위에서 언급한 바와 같이, 레이저 빔 처리 모듈(111)로부터 수신될 수 있음)을 참조로 혼합하고, 및 신호 입력(104)들을 도 16b에 도시된 균형 PD 또는 PD 네트워크로 혼합하는 2x2 모듈의 시리즈 또는 어레이를 포함(예를 들어, 구성됨)한다. 도 15c의 실시예에서, 결합기 네트워크(114c)는 단지 실제 컴포넌트들이 없는 통과 시스템, 샘플 광을 갖는 도파관들의 세트 및 참조 광이 있는 도파관들의 세트이다. 이러한 실시예에서, 출력 도파관들의 수는 참조 도파관들의 수에 샘플 광 도파관들의 수를 더한 것이다.
도 16a 및 16b는 개별 실시예들에서, PD 네트워크를 보다 상세히 도시한다. 도 16a의 실시예에서 광다이오드 네트워크(115a)는 (i) 각각이 파장들의 특정 대역(도 17에 자세히 설명됨)을 검출하도록 최적화되고 해당 파장을 연속적으로 모니터링하는 다중 광다이오드들, 또는 (ii) 모든 파장들이 시간 영역에서 상이한 시간에 송신되는 단일 도파관을 측정하는 단일 포토다이오드와 함께 직접 검출 방식으로 사용된다. 다수의 파장들이 포토다이오드(들)에 동시에 입사될 수 있고 변조된 진폭, 또는 "초핑된(chopped)" 신호들은 전자 제어 모듈(116)에 의해 공급되고 식별될 수 있는 각 파장에 대해 상이한 시간 변화 전기 신호들을 생성할 수 있다. 전자 제어 모듈(116) 내에서, 검출된 AC 신호는 변조 구동 신호로 복조되거나, 또는 디지털 신호 처리를 위해 마이크로컨트롤러, FPGA 또는 ASIC에 연결된 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 디지털 신호로 변환될 수 있다.
도 16b의 실시예에서, 포토다이오드 네트워크(115b)는 코히어런트 믹서로부터 오는 2개의 광학 신호들 사이의 차이를 측정하기 위한 검출기 쌍(균형 검출기)을 포함한다. 검출기들의 감도는 예를 들어 포토다이오드들의 바이어스를 변경함으로써, 공통 모드 제거를 개선하기 위해 제조된 감도의 차이들을 완화하도록 능동적으로 튜닝될 수 있다. 일부 실시예들에서, 2x2 결합기의 불균형을 보상하기 위해 각 검출기 앞에 가변 광학 감쇠기(variable optical attenuator)가 있다. 도 16b 및 16c의 실시예에서 결합기 네트워크(114)의 2x2 결합기 또는 결합기들은 파장들의 특정 범위에서 최소 삽입 손실을 갖도록 최적화될 수 있고 파장의 동일한 특정 범위에 대해 최적화된 PD와 연관될 수 있으며; 이 협대역폭 믹서와 협대역폭 PD는 특정 파장 범위에서 하나 또는 몇 개의 채널들을 효율적으로 처리할 수 있다. 넓은 스펙트럼을 처리하는 시스템의 경우, 여러 (p) 개별 2x2 결합기들 및 PD들은 파장들의 전체 범위를 효율적으로 검출하기 위해 서로 병렬로 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 단일 디바이스가 전체 스펙트럼을 처리할 수 있도록 넓은 대역폭 2x2 결합기가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 튜닝가능한 결합기는 넓은 스펙트럼 대역폭 어플리케이션들을 위해 사용된다. 일부 실시예들에서, 포토다이오드 네트워크(115)는 그 입력에서 전체적으로 한 쌍의 도파관들을 가지며 상이한 파장들은 단일 쌍의 도파관들에서 수신된다. 검출기 쌍은 전자 제어 모듈(116)에 공급될 수 있는 라디오 또는 마이크로파 중간 주파수 전자 신호를 생성할 수 있다. 전자 제어 모듈(116) 내에서 검출된 AC 신호는 RF 헤테로다이닝(RF heterodyning), RF 호모다이닝(RF homodyning)에 의해 하향 변환되거나(down-converted), 또는 디지털 신호 처리를 위해 마이크로컨트롤러, FPGA 또는 ASIC에 연결된 아날로그-디지털 변환기로 발송될 수 있다. 도 16d의 실시예에서, 포토다이오드 네트워크의 p 포토다이오드들은 제어 모듈(116)에 연결되는 전기 신호 출력들의 수를 줄이기 위해 전기적으로 연결/공유된 전기 출력들을 가질 수 있다.
도 17a 및 17b는 상이한 차단 파장들을 갖는 다중 검출기 모듈들을 사용하는 검출기 네트워크를 도시한다. 상이한 검출기 유형들(예를 들어, InGaAs 또는 확장된(Extended)-InGaAs와 같은 상이한 재료들로 제작됨)은 상이한 감도들을 가지며 시스템은 주어진 파장 범위에 대해 최상의 검출기를 사용할 수 있다. 이 실시예에서 디멀티플렉서(DEMUX, 예를 들어, 에셸 격자, AWG, 또는 마하 젠더 캐스케이드)는 적절한 검출기로 광을 분할한다.
비침습적 온도 측정
도 19 내지 도 43과 관련하여 설명된 본 발명의 다음 실시예들은 특히 온도의 비침습적 측정들을 위한 디바이스 및 방법과 관련이 있다. 특히, 그들은 실리콘 광자 집적 회로들과 호환되는 파장들에서 비침습적 온도 측정들과 관련이 있다. 그러나, 이러한 실시예들과 관련하여 설명된 광학 감지 모듈은 다른 측정들을 위해 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
도 19 내지 도 43에 설명된 실시예들은 일반적으로 어플리케이션들 측정들을 가능하게 하는 작은 구멍 및 큰 파장 스펙트럼 범위로부터 나오는 레이저 라인들을 갖는 단일 칩 상에 다수의 개별적으로 어드레스가능한 레이저들을 포함하는 광학 감지 모듈들을 포함한다. 또한 그들은 동일한 기판에 Rx 검출기들을 갖는 단일 소형 기판 상에 개별 수직 이미터들(LEDs, VCSELS)의 어레이를 갖는 Si 광자 다중 레이저원의 조합과 관련이 있다. 이들 특징들은 이 어플리케이션 내에서 설명된 다른 실시예들 중 어느 하나에 적용될 수 있다.
도 19는 비침습적 온도 측정을 위한 광학 감지 모듈의 일부를 형성할 수 있는 단일 도파관 출력 구멍(1902)을 갖는 송신기 PIC(1901)의 예이다. 복수의 레이저들(1903)은 M개의 III-V 하이브리드 집적 RSOA 이득 칩들 또는 M개의 파장 대역들을 커버하는 쿠폰들(1908)(플립 칩 또는 MTP(micro transfer printed)에 의해 장착됨)로 구성된 복수의 하이브리드 DBR 레이저들의 형태를 취하며, 각 대역은 1..N개의 파장들을 갖는다. M개의 RSOA들 각각은 N개의 DBR 도파관들에 광학적으로 결합되고, 각각의 DBR 도파관(1909)은 M개의 파장 대역들 각각 내에서 N개의 파장들을 발생시키기 위해 RSOA의 파장 대역 내의 서브대역을 선택한다. 따라서 복수의 레이저들로부터의 출력 파장들의 총 수는 NxM개이다. 각 레이저에 대해, 고반사 미러들은 RSOA 내에, 레이저 공동의 한쪽 단부에 위치한다. III-V RSOA 이득 칩들 또는 쿠폰들은 RSOA 도파관의 광학 모드가 Si 또는 SiN PIC 도파관에 에지 결합되고, RSOAs 및 Si 또는 SiN PIC 도파관들의 광이 동일한 평면에 유지되도록 하이브리드 통합될 수 있다(A.J. Zilkie 등, 전력 효율적인 III-V/실리콘 외부 공동 DBR 레이저들, 등, Optics Express, Vol 20, (21) 페이지 23456 (2012); A.J. Zilkie 등, 고도로 제조 가능하고 다재다능한 광자 집적 회로들을 위한 멀티-미크론 실리콘 플랫폼, IEEE J. Sel. Topics in Quantum Electronics, Vol 25, (5) (2019), Loi R, 등, Si 기판들에 패싯 레이저들이 식각된 AlGaInAs/InP의 전송 인쇄. IEEE 포토닉스 Journal. Vol 8, (6) 페이지 1-10 (2016)). 일 실시예에서, 각 시간 윈도우에서 단 하나의 레이저만 켜지고, 그 시간 윈도우에서 검출기는 해당 파장에서 반사된 신호를 검출한다. 그런 다음 레이저들은 예를 들어 도 35에 도시된 순서를 사용하여 순환된다. 도 19에 도시된 PIC는 SOI 플랫폼을 갖는다. 또한 동일한 아키텍처는 레이저들의 작동 파장들에 따라 도파관 플랫폼의 선택인 SiN 플랫폼에 적용될 수 있다. 단일 플랫폼은 SOI 및 SiN 컴포넌트들을 포함할 수 있음이 예상될 수 있다.
복수의 레이저들(1903)로부터의 광은 1 um 내지 3.5 um 범위의 높이와 1 um 내지 3.5 um 범위의 너비를 갖는 SOI 덮개 또는 스트립 도파관(1906)의 형태를 취할 수 있는, 단일 도파관으로 에셸 격자와 같은 다중화 컴포넌트(MUX)(1905)에 의해 결합된다. 도파관은 선택적인 매립형 인터포저 테이퍼(buried interposer taper)(1907)를 통해 출력에 결합할 수 있으며, 이는 예를 들어 출력 모드를 12x12 um으로 확장하기 위해 이중 SOI 웨이퍼(2개의 매립된 산화물 층들을 갖는 웨이퍼)를 사용함으로써 활성화될 수 있다. 도파관 출력은 식각되고, 각지고 AR 코팅된 패싯일 수 있다. 테이퍼가 있거나 없이, 도파관 출력(1902)은 1x1um 내지 12x12um 범위의 크기를 갖도록 선택될 수 있다. 각각의 파장에 대해, 파장 잠금 장치 피드백 루프(1904)가 포함될 수 있다. 파장 잠금은 US10677989 및 US10739256에 설명된 바와 같을 수 있다.
도 20은 SOI 플랫폼 상의 확산 반사 측정 분광 광도계 송신기 PIC(2001)의 예이다. 이는 다중화 컴포넌트가 존재하지 않고 대신에 광학 감지 모듈의 출력이 작은 구멍(예를 들어, 0.1 내지 1mm)에 걸쳐 패싯들(2002)의 어레이의 형태를 취한다는 점에서 도 19의 실시예와 다르다. 일 실시예에서, 복수의 레이저들(1903) 중 하나 이하의 레이저가 각각의 시간 윈도우에서 켜지고, 그 시간 윈도우에서 검출기는 해당 파장으로부터 반사된 신호를 검출한다. NxM RSOA DBR들(1909) 각각으로부터의 레이저 출력들은 도파관들(2006)에 의해 레이저 대 레이저 도파관 간격이 5 미크론만큼 작은 광학 감지 모듈의 단일 구멍에서 도파관 패싯들의 어레이로 합쳐진다. 전체 구멍 크기는 1mm 이하, 또는 0.1mm 이하일 수 있다. 각각의 출력 도파관은 도파관 출력에서 더 큰 단면으로 변환하기 위해 테이퍼(2007) 또는 매립된 인터포저 테이퍼(1907)를 포함할 수 있다.
도 21은 하나 이상의 하이브리드 집적 광검출기들(2111) 또는 광검출기 어레이를 더 포함한다는 점에서 도 19의 것과 다른 확산 반사측정 분광계 송신기/수신기(TRx) PIC(2101)이다. 광검출기들은 PIC 상에 플립칩 장착되거나, 또는 MTP(micro-transfer printing)에 의해 증착될 수 있다.
도 22a 및 22b는 코히어런트 광검출기 또는 검출기 어레이(2211)를 갖는 송신기/수신기 PIC(2201)를 도시한다. 이는 집적(모놀리식 또는 이종) 균형 광검출기 또는 광검출기 어레이의 형태를 취할 수 있다. PIC의 동작은 도 22b에서 간단한 형태로 보여 질 수 있다. 스플리터(2202)(예를 들어, 90/10 스플리터) 및 도파관은 레이저 광(즉, 송신될 광)의 일부를 선택하고 코히어런트 검출 체계에서 국부 발진기 신호로 작동하도록 참조 암을 통해 관련 균형 광검출기에 그것을 공급한다. 도 22a에 도시된 예는 SOI 플랫폼 상에 형성된다. 본 명세서에 개시된 모든 SOI 플랫폼들과 마찬가지로, 동일한 아키텍처가 SiN 플랫폼(도 22c)에 동일하게 적용될 수 있다는 것이 예상된다. SiN 플랫폼의 경우, 테이퍼는 SiN 기반 지점 크기 확장기의 형태를 취할 수 있다(즉, 수평 테이퍼, 역 테이퍼 또는 수직으로 확장 모드를 위해 수직으로 적층된 SiN의 다중 층들, 수직은 SiN 표면에 수직인 방향).
도 23은 공통 Si 기판을 갖는 결합된 SOI 및 SiN 플랫폼 상의 확산 반사계 분광 광도계 송신기 PIC(2301)의 예를 도시한다. 결합된 플랫폼의 SOI 및 SiN 부분들 각각은 복수의 레이저들, 다중화 컴포넌트 및 출력을 포함한다. SOI 플랫폼은 1120nm(1903)보다 큰 파장들을 갖는 NIR 내지 MWIR 파장들에서 동작하는 반면 SiN 플랫폼은 400nm 내지 1120nm의 가시광선 내지 NIR 파장들(2203)에서 동작한다.
추가 실시예들(도시되지 않음)에서 결합된 SOI 및 SiN 플랫폼들을 갖는 송신기(Tx) PIC는 PIC로부터 분리되지만 공유 기판 상에 위치되는 통합된 광검출기들(InGaAs, InGaAsP 및 Si 기반 PD들(예를 들어, CCD 및 PD 어레이들) 중 하나 이상을 포함)을 포함하도록 적응될 수 있다. 더욱이, (도시되지 않은) 실시예들은 Si 및 SiN Tx 출력 도파관들의 탭오프(taps off)들 및 Si 및 SiN Rx 도파관들에 대한 결합기들을 포함할 수 있다.
도 24a 및 24b는 도 22c 및 도 23(도 23에 도시된 라인 A-A')에서 발견되는 것과 같은 SiN 도파관 플랫폼을 위한 복수의 레이저들 중 하나의 단면들을 도시한다. RSOA의 III-V 재료는 플랫폼 내의 공동에 위치되고 플랫폼의 SiN 도파관들에 광학적으로 결합된다. SiN 도파관들은 SiN 층으로 식각되는 DBR 격자들(또는 링 공진기들)이 포함한다. III-V 재료는 MTP 또는 플립칩 다이 접합에 의해 통합되고 땜납으로 부착될 수 있다. III-V 재료의 모드는 n3의 인덱스를 갖고 DBR 격자의 모드는 n1의 유효 인덱스를 갖는다는 것을 이해해야 한다. III-V 재료와 DBR 격자 사이의 계면에는 (III-V 측에서 시작하여),
Figure pct00010
의 인덱스를 갖는 제1 AR 코팅, 인덱스 n2를 갖는 채우기 층, 후속하여 인덱스
Figure pct00011
를 갖는 제2 AR 코팅이 있다. 대안적으로, III-V 다이 또는 쿠폰은 III-V 패싯과 Si 또는 SiN 패싯 사이의 갭이 광학적으로 무시할 수 있을 정도로 작고 필러 재료가 필요하지 않도록 Si 또는 SiN 도파관에 충분히 가깝게 부착될 수 있고, 이 경우
Figure pct00012
의 단일 AR 코팅층이 III-V 패싯 또는 Si 또는 SiN 패싯에 사용되고, 적용될 수 있다. 도 24b에 도시된 단면은 도파관에 통합된 금속("접이식 미러")으로 코팅된 각진 표면(Si, SiO2, 또는 SiN 재료로 제조됨)을 포함한다는 점에서 도 24a의 것과 상이하다. 이것은 BOX 층의 평면에 대해 45도의 각도 또는 54도 각도를 형성할 수 있다.
도 25는 피부에서 측정들을 수행하는 데 사용되는, 도 23의 것과 같은 광학 감지 모듈의 예를 도시한다. 결합된 SOI/SiN PIC(2301)에 더하여, 광학 감지 모듈은 가시 파장에서 제2 송신기(2501) 및 또한 복수의 검출기들(2502-1, 2502-N)를 제공하는 별도의 LED들을 포함한다. 수신된 빔에 대한 최적의 수집 위치는 Tx PIC 여기 지점으로부터 1-8mm만큼 측면으로(즉, 측정되는 피부(2504)의 표면에 평행한 평면을 따라) 변위된다는 것이 발견되었다. 상이한 소스 검출기 분리들 및/또는 레이저 전력들에 기초하여 상이한 깊이 침투들이 얻어질 수 있다. 도시된 실시예는 표피 및 진피의 다층들을 조사한다.
도 26은 사용 중인 추가 광학 감지 모듈의 단면도이다. 이 실시예에서, 수직 광검출기들(2611)은 SOI PIC에 통합된다. 광은 피부를 조명하기 위해 도파관 접이식 미러들(2615)(도 24b 참조)을 사용하여 수직으로 90도 위로(또는 일부 실시예들에서 아래로) 보내질 수 있고, 그런 다음 수직으로 조명된 PD들은 광을 수집하기 위해 PIC Si 기판의 상단(또는 하단)(예를 들어, 상단 Si 및 BOX 층들을 통해 식각된 공동)에 배치될 수 있다(예를 들어, 플립 칩 다이 접합 또는 전사 인쇄에 의해). 이 방식의 장점은 45도 미러 대신 54도 접이식 미러(플랫폼에 쉽게 존재)를 사용하여 여기 빔들이 도시된 바와 같이 비정규 조직에 입사하지만 훨씬 낮은 비정규 각도(예를 들어, 60도 대신 ~ 20도 오프 각도)를 가질 수 있다는 것이다. 또한 PD들을 PIC 기판에 부착하는 것은 PD에서 생성된 열이 상부 Si 층으로 흐르는 대신 Si 기판 층으로 직접 흐를 수 있도록 허용한다. 수신기 Rx 빔 수집 위치(2611)는 Tx PIC 여기 지점으로부터, 일반적으로 1-8mm와 같은 양만큼 변위된다.
도 27에 도시된 다른 예에서, 수직 광검출기들은 PIC가 아닌 기판에 장착된다. 자세한 내용은 US10641962에서 확인할 있다.
도 28은 시스템의 수집 구멍을 증가시키는 마이크로렌즈 배열의 예이다. 박막은 SiO2와 TiO2의 교대 층들 또는 SiO2와 SiN의 교대 층들을 갖는 하부 층(2801)으로 구성된다. 이러한 교대 층들은 "중간층"(2802)이, 그 다음에는 SiO2와 TiO2의 교대 층들(2803) 또는 SiO2와 SiN의 교대 층들의 추가 세트가 뒤따른다TiO2 또는 SiN은 다른 고굴절 인덱스 필름으로 대체될 수 있다. 중간층은
Figure pct00013
의 m-배의 두께인 투과 파장에서 공진하도록 1/4 람다 이동된다. 도시된 실시예에는 총 21개의 층들이 있다. 광검출기 어레이 내의 각 광검출기는 고유한 마이크로렌즈를 가지며, 각 마이크로렌즈는 위에서 설명한 구조를 갖는다.
도 29a는 외부 광검출기(2211)용 박막 DBR 필터의 예이다. 이것은 하부 층(2901), 공동 층(2902) 및 상부 층(2903)으로 형성된다. 하부 미러/필터 층은 고/저 인덱스
Figure pct00014
파장 쌍들로 제조될 수 있다. 중앙 공동 층은 일반적으로
Figure pct00015
의 두께를 갖는 저 인덱스 층이며, 여기서
Figure pct00016
는 필터 통과 대역의 중심 파장이고 m=1 이상의 값은 제조 가능성 및 두께 제어를 위해 바람직할 수 있다. 중앙층은 다른 공동 길이들을 만들기 위해 식각되고, 마지막으로 맨 위 층이 적용되고 패턴화된다. 단일 웨이퍼에는 임의의 수의 필터들이 있을 수 있다.
다양한 대역통과 필터들은 도 29a의 DBR 필터 메커니즘을 사용하여 생성될 수 있다. 도 29b는 도 29a의 것과 같은 박막 DBR 필터에 대한 O-대역 대역통과 설계의 예이고 O-대역 설계의 추가 예가 도 30에 도시된다.
도 31은 (b)에 도시된 굴절 인덱스의 플롯과 (a)에 도시된 파장의 함수로서의 결과 투과율을 갖는 황색 통과 대역을 대신 도시한다. 도 32는 600nm에서 피크를 도시하는 파장의 함수로서 공진 공동 광검출기 및 예시적인 투과/반사 스펙트럼의 예이다. 광검출기는:
- SiO2/TiO2 또는 SiO2/SiN 층들로 구성되는 상부 박막 스택(3201)
- 흡수 영역을 갖는 활성 PD에 대응하는 중간 층(3202)
- 교대로 III-V 층들을 갖는 하부 DBR 층(3203)으로 구성된다.
TiO2또는 SiN은 다른 고굴절 인덱스 필름으로 대체될 수 있다. 유일한 요구 사항은 가시 파장들을 흡수하는 것이므로, PD는 III-질화물 대신 III-비소로 제조될 수 있다. 하부 층들을 위한 재료들의 예들은: GaN/AlGaN, GaAs/AlGaAs 및 AlGaAs/AlGaA을 포함한다.
도 33은 심박수, SPO2 및 온도 측정들을 위한 타이밍 차트의 예를 도시한다. 도면은 타이밍에 대한 가능한 조합들을 묘사한다.
1 - HR, HRV, PI, PVI 등: 이러한 변수들은 연속적으로 계산되어야 하며, 그들은 단일 LED(G)를 사용하여 계산될 수 있다. 이 LED는 특정 샘플링 주파수, 예를 들어, 1%로 작고 박동 조직에 의해 감쇠된 후 PD를 여기시키기에 충분한 조명의 듀티 사이클을 갖는 25 내지 100 sps에서 다중화될 수 있다.
2 - SpO2, SpCO, SpMet: 이러한 변수들은 5-15분과 같이 더 긴 간격들로 계산되어야 한다. 그들은 짧은 획득 기간들, 예를 들어, 시스템의 샘플링 주파수(25~100sps)에서 1~3초에서 계산되기 위해 가시적인 WL(G1~Gn, Y1~Yn)의 세트를 요구한다. 더 나은 SNR의 요구 사항들은 2~4% 및 적절한 조직 조명과 같은, 더 큰 듀티 사이클을 요청할 것이다.
3 - 체온, 신체 수분: 이러한 변수들은 30분 내지 몇 시간과 같이 훨씬 더 긴 간격들로 계산될 수 있다. 그들은 정확도를 향상시키기 위해 특정 시간 동안 다중화되는 PIC 레이저들의 세트를 요구한다. 샘플링 주파수와 평균화는 시스템의 SNR과 요구되는 정확도에 의해 결정된다.
도 34는 도 33의 데이터의 단일 사이클 줌을 도시한다. 로우 1에서, 예를 들어, 복수의 가시 LED들(
Figure pct00017
G,
Figure pct00018
G1 ..
Figure pct00019
Gn,
Figure pct00020
Y1??
Figure pct00021
Yn) 다음에 복수의 SWIR 파장 PIC 레이저들(
Figure pct00022
P1..
Figure pct00023
Pn)을 포함하는 광학 소스들의 시퀀스가 도시된다. 각 광학 소스는 CPU 타이머에 의해 제어되는 듀티 사이클과 그것의 물리적 어드레스로 정의된 특정 시간 슬롯(컬럼 1)에서 순차적으로 시간 다중화되며 계산될 변수에 따라 원하는 패턴에 따른다. 이 표의 대각선 값들은 원하는 상대적 조명 강도를 나타낸다. 강도는 조직에 의해 감쇠된 광이 특정한 균일 강도에서 광검출기에 도달하는 방식으로 제어된다.
도 35 및 36은 각각 광원 다중화 패턴의 예를 도시한다. 도 35는 2개의 검출기들에서 검출된 3개의 레이저 파장들(1310, 1550 및 1650nm)의 다중 패턴이다: I는 조직을 통과한 광을 나타내고 Io는 조직을 통과하지 않고 기준 포토다이오드로 가는 광을 나타낸다. 도 36은 4개의 검출기들에서 검출되는 4개의 레이저 파장들의 다중화된 패턴이다. 이 경우 4개의 검출기들 중 3개는 검출기들이 소스에서 각각 0.62mm, 1.07mm 및 1.24mm 떨어져 있고 기준 포토다이오드는 그렇지 않은 다른 소스 검출기 간격에 있다.
신체의 물 흡수 스펙트럼은 온도가 물 분자들과 생체 내 다른 분자들의 수소 결합 영향으로 인한 온도의 함수이다. 이 감도는 진동 모드들(2898nm, 2766nm 및 6097nm)과 그 고조파들(1950nm, 1450nm, 1200nm 및 970nm)에서 발생하는 NIR의 다중 수분 흡수 피크들에 존재한다. 1300 - 2500nm 범위의 표준 분광 광도계 기술의 경우 ~1450nm 및 ~1950nm에 있는 두 개의 강력한 수분 흡수 피크들은 수분 흡수의 특성화를 통해 물의 온도에 대한 감도를 제공한다.
비침습적 조직 온도 측정들은 S. Merritt 등에 의해 970nm 대역의 흡수 변화를 통해 입증되었다(광대역 확산 광학 분광법(broadband Diffuse Optical Spectroscopy)을 사용하여 비침습적으로 모니터링된 온도, Merritt 등, Frontiers in Optics 2004 (OSA | 광대역 확산 광학 분광법을 사용하여 비침습적으로 모니터링된 온도 (doi.org), 근적외선 분광법(near-infrared spectroscopy)을 통한 뇌 조직 온도의 비침습적 모니터링), Hollis 등, SPIE Proceedings, Vol 4250 (2001) (10.1117/12.434506 (doi.org)).
본 발명의 하나 이상의 실시예들은 Si 광자 집적 회로들과 양립할 수 있는 파장들에서, 피부 온도와 직접적으로 상관되고 특정 실시예들에서 코어 체온으로 역추적될 수 있는 수온의 비침습적 측정에 관한 것이다. 측정은 광이 피부 속으로 몇 밀리미터를 침투하여 진피를 조사할 수 있도록 하는 1450nm에서 물 피크 주변의 파장들을 사용하여 발생할 수 있다. 이 파장에서 작동하는 것은 파장이 Si의 1120nm 흡수 대역 에지보다 높기 때문에 Si 광자 집적 회로들을 사용할 수 있게 한다. 벤치탑(benchtop) 실험실 측정들은 ~1390nm 및 ~1546nm에서 발생하는 물 곡선의 각 측의 온도 변화들에 대한 최대 감도로 온도에 대한 감도를 입증했으며(NIR 분광법 및 다변량 분석에 의한 모델 막의 물 검사 - 2018.pdf) 이러한 흡수의 변화들은 1450nm의 물 피크 근처에서 이들 사이의 등흡수점(isosbestic point)이 서로 반대이다. 물 피크의 각 측에 대한 다수의 파장들 및 하나 이상의 등흡수점들에서의 파장들을 선택함으로써 피부의 반사율 측정은 비침습적으로 피부 온도와 궁극적으로 일부 실시예들에 대한 코어 체온을 측정할 수 있게 한다.
광학 온도 측정 문제는 970nm 수분 흡수 피크에 대한 감도를 통해 900 - 1100nm 범위의 파장들을 사용하여 해결될 수도 있다. 이 특허는 또한 해당 파장들에서 조직을 조사할 수 있는 SiN PIC에 대해 설명한다.
각 파장 영역에는 장점들과 단점들이 있다. 예를 들어, 970nm 광은 광이 조직 깊숙이 침투하도록 하고 더 깊은 조직 구조들에 대한 조직 온도들을 측정하도록 한다. 970nm 광은 또한 더 높은 조직 산란과 헤모글로빈 및 지질들과 같은 다른 흡수체들로부터 더 많은 상대적 흡수를 가지고 있어 수온 피크 이동을 혼란스럽게 한다. 1450nm 물 피크는 높은 흡수율을 가지고 있어, 광이 조직 깊숙이 침투하지 않아 피부 온도의 측정에 최적이다. 1450nm 물 피크에서 물 흡수가 우세하고 조직 산란이 더 낮아, 물 흡수 스펙트럼의 온도 관련 변화들에 대한 감도에 유리하다.
SiN 플랫폼으로 온도를 측정하는 것은 970nm 물 피크에서 측정의 소형 웨어러블 가능을 가능하게 한다. Si 플랫폼으로 온도를 측정하는 것은 1450nm 물 피크 부근에서 측정의 소형 웨어러블 가능을 가능하게 한다.
본 발명의 광학 감지 모듈은 지속적인 분광 온도 측정, 지속적인 분광 수화 측정, 지속적인 분광 에탄올 측정, 지속적인 분광 젖산 측정, 온도, SpO2 및 PPG의 지속적인 분광 조합, 및 상기 중 둘 이상 또는 모두의 지속적인 분광 조합을 위한 비침습적 웨어러블을 제공한다.
해결된 문제들의 예시들(SpO 2 )
현재 시중에 나와 있는 SpO2(혈중 산소 포화도) 측정들의 일반적인 솔루션들은 적색 및 IR 파장들을 사용한다(예를 들어, https://blog.fitbit.com/track-your-spo2/). 이러한 광원들은 손가락 끝들과 같이 관류가 잘 되는 조직 위치들 및 투과 기하학적 구조에서 SpO2를 측정하는 데 잘 작동한다. 적색/IR SpO2 측정들은 낮은 관류(perfusion)와 열악한 신호 품질 때문에 손목 뒤쪽에서 작동하지 않는다. 본 발명은 500 - 650nm 영역의 개별 파장 대역들에서 PPG 신호들에 대한 솔루션을 제공한다. 이 솔루션은 SpO2 변화들에 더 큰 감도를 주어 적색/IR 파장들에 훨씬 더 큰 신호와 손목 뒤쪽에 웨어러블 센서를 사용하여 측정하는 능력을 제공한다.
저자가 아는 한, 누구도 레이저들이나 광대역 소스가 있는 소형 분광계를 통해 500 - 650nm 파장 범위에서 이산 파장 솔루션을 만들 수 없었다. 분광계 솔루션은 너무 크고 충분히 콤팩트하지 않다. 좁은 선폭 레이저원들은 또한 이용 가능하지 않고, 이는 일산화탄소 헤모글로빈 및 메트헤모글로빈과 같은 혈액의 교란 흡수제들을 통해 SpO2를 측정하는 데 필요하다.
해결된 문제들의 예들(PPG)
PPG 신호들은 웨어러블 디바이스들에서 심박수를 측정하기 위한 표준이다. 녹색 LED들은 최신 기술이며 낮은 관류 피부의 반사율 모드에서 우수한 신호 강도를 제공한다. 본 발명의 광학 감지 모듈은 SpO2와 조합하여 사용될 녹색 LED들/레이저들로부터 표준 PPG 신호들을 통합한다.
Si PIC는 또한 프로브가 손목의 요골동맥과 같은 표재성 동맥에 배치되면 1150 - 1350nm 범위의 파장들을 이용하여 PPG를 측정하는 방법을 갖는다. 이 위치 및 측정은 동맥의 맥박 파형을 측정하는 데 유리할 수 있으며 혈압 관련 측정들 및 혈액 점도와 같은 측정 파라미터들과 상관관계가 있다.
발명의 요소들 및 다른 실시예들(SpO 2 )
일부 실시예들에서, 하나 이상의 LED들(광대역 광원들) 또는 둘 이상의 별개의 파장 반도체 발광체들(VCSELS 또는 FP 레이저들)이 산소 포화도, 이산화탄소 헤모글로빈, 메트헤모글로빈 및 부분적 산소 포화도를 측정하기 위해 실리콘 포토다이오드와 함께 사용된다.
선호되는 파장들은 아래에 있지만, 근처에서 작동할 수 있다.
Figure pct00024
등흡수점들: 530nm, 545nm, 570nm, 584nm
Figure pct00025
피크들/밸리들: 515nm, 540nm, 562nm, 577nm, 600nm
일부 실시예들에서, 광대역 광원은 유리한 소형화 및 통합성을 위해 LED와 같은 것이 사용되거나, 그렇지 않으면 검출기들을 위해 형광(fluorescent), 백열(incandescent), 할로겐 소스들 및 다중 광다이오드들(PD)이 사용된다. 상이한 포토다이오드 솔루션들은 다음을 포한다:
Figure pct00026
파장 식별을 위해 개별 PD들에 대한 좁은 대역폭 스펙트럼 필터들이 있는 PD 어레이
Figure pct00027
스펙트럼 필터들은 유전체 박막 스택 DBR 필터들일 수 있으며, 싱귤레이션 전에 웨이퍼 레벨에서 모놀리식으로 증착되거나 별도의 기판에서 성장되며, 싱귤레이트되고, 전사 인쇄될 수 있다
Figure pct00028
박막 스택 DBR 필터들은 증착되거나 다른 방식으로 마이크로렌즈들의 표면에 적용될 수 있으며, 그런 다음 PD들에 별도로 적용된다
Figure pct00029
RCLED(Reverse biased resonant Cavity LED)는 RCPD(resonant cavity photodiode)로 사용될 수 있다
Figure pct00030
대안적으로 소형 분광계는 파장 식별을 위해 사용될 수 있다
일부 실시예들에서, PIC의 개별 VCSEL 또는 FP 레이저들은 LED들 대신 특정 분석물들을 측정하는데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 좁은 스펙트럼 RCLED들은 VCSEL/FP 레이저들 대신 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 스펙트럼 필터들을 갖는 LED들은 출력 파장 스펙트럼을 좁히기 위해 PD들 상의 스펙트럼 필터들 대신 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서 청색 파장 소스(LED/레이저 ~450nm)는 파장들을 구별하기 위해 분광계 또는 필터링된 PD들에 의해 캡처되는 500 - 600nm 범위의 파장들의 자연 형광을 유도하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 필터링된 파장 접근은 CMOS/CCD를 사용하여 수행될 수 있고 필터들(예를 들어, 유전체들 스택 필터들)은 넓은 조직 영역에 걸쳐 파장 신호들을 평균화하고 혼합하기 위해 상이한 패턴들로 개별 검출기들에 배치될 수 있다.
이 기술이 기존 온도 측정들에 비해 갖는 이점들의 예들은 다음을 포함한다:
- 이는 침습적 측정들과 비교해서 비침습적이다.
- 피부 표면에 대한 서미스터(thermistor) 측정과 비교하여, 이 측정은 실제로 피부에 침투하는 반면, 서미스터는 피부 표면을 측정하는 것을 시도하고 프로브 하우징에 대한 결합에 의해 강하게 영향을 받는다.
- 서미스터들 또는 비침습적 MIR 검출 방법들과 비교하여 이 방법은 각각 독립적인 온도 측정으로 존재하고 결합될 때 더 높은 정확도를 제공하는 다중 파장 측정들을 허용한다. 측정되고 분석될 더 많은 개별 스펙트럼에 대한 가능성은 더 정확한 측정을 허용한다.
- 이 방법은 상이한 소스 검출기 분리들에서 피부를 조사하도록 허용하고 그러므로 깊이 있는 피부에 걸쳐 온도의 자연적 구배의 특성화를 허용하는 상이한 깊이들에서 피부 온도에 대한 감도를 갖는다. 서미스터 측정이나 MIR 검출 방식은 피부 온도에 대한 깊이 감도를 갖지 않는다.
- 표준 실리콘 포토닉스 PIC 플랫폼과 결합될 때 이 방법은 드라마틱하게 줄어든 크기, 단순화된 패키징, 절감된 비용을 갖고, 웨어러블 될 수 있는 보다 통합된 모듈을 허용한다. 이전에는 요구되는 정확도를 위해 다중 파장들을 요구하는 이 측정이 웨어러블될 수 있는 콤팩트한 사이즈에서 실현 가능하지 않았다.
- 보다 정확한 웨어러블 온도 프로브를 갖는 이 기술은 시간 경과에 따른 사람의 체온을 지속적으로/실시간으로 추적가능하게 하며, 이는 몇 가지만 말하자면 발열 감지, 여성의 가임력 모니터링, 및 수면 주기들 모니터링과 같은 어플리케이션들에 사용될 수 있다.
- 모듈의 콤팩트한 크기는 신체 부위들에 웨어러블하는 기술을 허용하며, 여기서 코어 체온은 신체 코어(중앙부 또는 가슴)의 패치 또는 이어버드 또는 유리 프레임들에 내장된 것과 같은 머리에 웨어러블할 수 있는 패치와 같이 역추적될 수 있다.
본 발명의 광학 감지 모듈에 대한 잠재적인 어플리케이션들은 다음을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다:
- PPG
- 심박수
- 심박수 변동성
- 혈압
- 산소포화도
- 총 헤모글로빈
- 일산화탄소 헤모글로빈
- 메테모글로빈
- 뇌 산소측정
- 근육 산소측정
- 코어 체온
- 국소 체온
- 피부 수분공급
- 전신 수분공급
- 혈중 알코올 검출
- 피부암 검진/특성화
- 젖산 검출
- 혈당 모니터링
도 37a는 1100-1800nm 범위들에 걸쳐 표준 분광 광도계에서 측정된 순수한 물 및 산란 솔루션의 흡수 스펙트럼이다. 솔루션은 25 - 45C의 온도들에서 측정되었으며 스펙트럼 기능들의 두께는 온도 변화들로 인한 것이다.
도 37b는 상단 플롯의 데이터가 모두 37c에 의해 정규화되고 솔루션의 온도에 따라 상이한 파장들에서 선형 흡수 변화들을 도시하는 정규화된 버전이다. 흡수 측정들의 예는 1530nm에서 온도의 함수로 도 38a에서 도시된다. 도 38b는 1390nm에서 온도의 함수로서 흡수 측정들을 도시한다. 두 개의 플롯들은 두 개의 서로 다른 파장들에서 데이터의 선형성을 입증한다: 1530 및 1390nm. 데이터는 또한 절대 변화의 기울기들과 방향이 각 파장마다 상이하다는 것을 도시한다.
도 39는 생체내(in-vivo) 데이터의 예이다. 데이터는 4개의 파장과 3개의 검출기 섬유 결합 시스템을 사용하여 수집되었다. 사용된 모든 섬유들은 600um 직경 0.39 NA 섬유들이며 소스 검출기 분리들은 각 플롯의 상단에 나열된다: 0.62mm, 1.07mm 및 1.24mm. 플롯들의 상단 로우들은 반사율 프로브가 피부와 접촉하고 피부에서 발생하는 수분 흡수의 온도 변화들을 도시하기 위해 피부의 가열 및 냉각이 있는 동안 60초 기간에 측정된 유사 흡수 값들이다. 제2 로우는 온도에 따른 변화들이 유사 흡수 유닛들로 보여지도록 하는 데이터로부터의 차이가 사용된 처음 5초의 평균을 갖는 데이터이다. 상이한 파장들에 대한 유사 흡수의 방향 변화들은 분광 광도계에서 측정된 흡수 변화들과 일치한다.
반사율 측정들로부터 온도 측정들을 예측하기 위한 알고리즘은 도 40 내지 42를 참조하여 아래에서 설명된다. 알고리즘의 훈련 및 알고리즘의 어플리케이션은 온도 이외의 파라미터들에도 또한 적용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 처음에, 예측 온도를 입력들의 함수로 결정하기 위해, 알고리즘은 훈련된다. 이는 도 40의 흐름도에서 보여 질 수 있다.
반사율 데이터는 본 출원에 설명된 실시예들 중 어느 하나와 같은 광학 감지 모듈을 사용하여 수집된다(s1). 반사율 데이터 세트는 디바이스의 작동 파장 내에서 다중 파장들에 걸쳐 캡처된다. 동시에, 대응하는 온도 측정들이 수행된다(s2). 이는 코어 온도의 측정일 수 있거나, 또는 참조 사이트에서 온도와 관련될 수 있다. 바이어스 보정은 필요한 경우 측정 데이터에 적용될 수 있다(s3). 유사하게, 수집된 반사율 데이터는 조절되거나 또는 신호 처리가 적용될 수 있다(s4). 파장 드리프트 보정은 또한 정확도를 더욱 향상시키기 위해 적용될 수 있다(s5). 데이터 컨디셔닝은 다음 중 하나 이상을 포함하는 보조 입력들(s6)을 고려할 수 있다: 주변 온도, 보드 온도, 피부 표면 온도 또는 센서 위의 의류 또는 기타 절연체의 존재. 표면 온도는 서미스터에 의해 추론될 수 있다. 반사 스펙트럼의 특징들은 온도 측정에 매핑되고(s7) 이 매핑에서, 예측 온도 T(예측됨)와 반사 스펙트럼에서 측정된 값들 사이의 관계를 정의하고 알고리즘 입력 값들로 사용되는 함수가 추론된다(s8). 흡광도 대 온도의 예들은 도 38a 및 38b에서 도시된다.
측정된 반사율 데이터에 대한 온도 알고리즘의 어플리케이션은 2단계 알고리즘 프로세스를 설명하는 도 41 및 단일 단계 알고리즘 프로세스를 설명하는 도 42를 참조하여 아래에 설명된다. 두 프로세스들 모두에서, 초기 단계는 본 출원에 설명된 본 발명의 실시예들 중 임의의 것과 같은, 광학 감지 모듈 하드웨어를 사용하여 반사율 데이터 세트를 수집하는 것이다(s11). 이 데이터 수집은 상이한 파장들의 범위에서 수행된다. 도 40과 관련하여 위에 나열된 것과 같은 하나 이상의 보조 입력들(s13)을 인수분해(factoring)하는 것을 포함할 수 있는 데이터 컨디셔닝 및/또는 신호 처리가 적용된다(s12). 파장 드리프트 보정은 결과의 신뢰성을 향상시키기 위해 적용될 수 있다.
도 41의 2단계 프로세스에서, T(예측됨) 알고리즘은 사이트 온도 측정들을 사용하여 훈련되었다. 한번 데이터에 적용되면(s16) 이는 출력 예측 온도로 이어지지만, 이는 사이트 온도의 예측이다. 일반적으로, 사용자는 코어 온도에 관심이 있으므로, 추가 알고리즘은 예측된 사이트 온도를 예측 코어 온도의 출력으로 변환하기 위해(s19) 적용된다(s18). 도 42에 도시된 단일 단계 프로세스에서는 알고리즘이 코어 온도와 관련된 훈련 데이터로 훈련되었기 때문에 사이트 온도에서 코어 온도로의 변환이 필요하지 않으며, 따라서 이 경우 훈련된 알고리즘을 적용하는 단계(s14)는 코어 체온의 출력으로 직접 이어진다(s15).
온도 예측 프로세스와 관련하여, 특정 파장들에서 개발된 알고리즘은 사용될 수 있고 다음 중 하나 이상을 기반으로 파장을 선택할 수 있다: 흡수 곡선의 각 측에서 최대 온도 감도; 필요한 측정 정확도를 얻기 위해 선택한 파장들의 수; 온도와 관련이 없는 신호의 변화들을 모니터링하기 위한 온도 등방점 근처의 파장들의 선택; 피험자의 피부 산란에 기초하여 피험자별 등방광점 파장의 선택의 최적화; 온도와 관련이 없는 흡수 변화들을 설명하기 위해 온도 측정과 수화 측정의 조합; 온도에 대한 프록시를 찾기 위해 물 피크의 반대 측들에 있는 파장들 간의 차이들 확인; 수집된 반사율 데이터에서 온도에 맞게 다양한 알고리즘 기술들의 어플리케이션.
도 43은 1310nm 레이저를 사용하여 요골 동맥을 통해 피부에서 수집된 PPG 데이터의 예를 도시한다.
도 44는 청색광을 사용하여 수집된 PPG 데이터의 추가 예를 도시한다. 청색 파장 범위의 헤모글로빈의 높은 흡수율 때문에 강력한 PPG 신호는 손목 뒤쪽의 청색 광원에서 측정될 수 있다.
도 45는 95% 포화 혈액의 흡수뿐만 아니라 파장의 함수로서 산소 포화도에 대한 시뮬레이션된 데이터를 도시한다. 95% 포화 혈액의 흡수는 PPG 신호의 강도가 헤모글로빈 흡수와 상관 관계가 있기 때문에 주어진 파장에 대한 PPG 신호 강도를 나타낸다. 95%의 SpO2와 70%의 SpO2 비율로 표시되는 산소 포화도 감도는 이 두 포화 상태들 사이의 산소 포화도 변화들에 대한 파장 감도를 제공한다. 두 파장들의 비율에서 SpO2를 계산하기 위해서 선택된 두 파장들이 산소 포화 곡선의 등흡수점들을 나타내는 점선의 반대측들에 있어야한다. 두 점들이 등흡수점선에서 멀어질수록 SpO2 변화들에 대한 민감도가 높아진다. 플롯에서 660 및 950nm는 SpO2 변화들에 대한 가장 큰 민감도를 나타내지만 95% 산소 포화도 값들이 낮기 때문에 PPG신호는 손목 뒤쪽에서 데이터를 수집할 때 약하다. 도 45는 등흡수점선의 반대측들에 있는 442 및 472 nm와 같은 파장들이 적절한 SpO2 감도와 강력한 PPG 신호를 가지고 있음을 도시한다.
도 46은 660/940nm 대 442/472nm에 대한 교정 곡선 비교의 예를 도시한다. 교정 곡선은 두 파장들의 비율에 대한 SpO2에 대한 감도를 나타낸다. 좋은 감도를 가진 표준 SpO2 측정인 660/940nm는 442/472nm와 비교되고, 이는 비율 값과 더 높은 감도에 걸쳐 훨씬 더 넓은 범위를 도시한다.
위의 PIC 버전들 중 임의의 것은 이러한 파장들을 커버하는 이득 대역을 갖는 하이브리드 통합 RSOA들을 통합하는 500 - 1100 nm 범위의 파장을 지원하는 질화규소 SOI PIC 플랫폼을 사용하는 PIC로 대체되어, 확산 반사 분광 광도법에 대한 더 나은 감도 및 특정 어플리케이션을 위해 조직에 더 깊은 침투 깊이를 가능하게 한다.
도면들의 InGaAs PD는 더 높은 검출 감도를 위해 Si CCD 검출기로 대체될 것이다.
라만 산란 분광법
본 발명의 실시예들은 도 47 내지 도 60을 참조하여 아래에서 설명된다. 이러한 실시예들은 특히 모듈들이 펌프 및 프로브 레이저 소스를 갖고 따라서 라만 산란 분광법 측정들을 수행할 수 있도록 구성된 PIC들을 갖는 광학 감지 모듈들에 관한 것이다.
자극 라만 분광 기술들은 암 감지, 질병 감지, 비침습적으로 혈당 측정, 보다 최근에는 생체 내 대사 지문 및 초분광 영상과 같은 광범위한 의료 감지 및 진단 어플리케이션들에서 잠재적으로 유용한 것으로 당업계에 보고되었다. 자극 라만 산란은 관심 있는 스토크스 피크에서 프로브 광뿐만 아니라 라만 펌프 광으로 샘플 대상 영역을 비추는 것을 포함하며 검출 감도를 4-5배 정도 향상시키는 것으로 도시되었다(예를 들어, US 6,560,478 B1, US 6,560,478 B1 참조).
전통적인 라만 분광법은 약 800 또는 1064 nm의 라만 펌프 파장들로 NIR 파장들에서 수행되었다. 라만 산란은 라만 산란 단면적에 대한
Figure pct00031
4 의존성으로 인해 더 낮은 파장들에서 더 강한 산란 단면적 때문에 800nm 부근에서 근본적으로 더 강하다. 또한 1150nm 이상의 파장들에서 검출기들은 더 많은 노이즈와 더 낮은 감도를 가지고 있으며, 이런 더 높은 파장들에서 라만 신호들을 검출하기 위한 추가의 도전을 제공한다. 반면에 조직의 생체 내 분광 광도법을 수행할 때, 특히 측정되는 신호가 라만 분광법과 같은 비선형 분광법에서와 약할 때, 조직으로의 광의 깊이 침투, 및 피부 표면과 측정되는 지점 사이의 배경 조직에 의한 광의 흡수가 문제이다. 더 긴 파장에서 라만 분광법의 문제들은 더 긴 파장들(초기에는 최대 1800 nm 또는, 최종적으로는 3000 nm까지)은 조직에 덜 흡수되어 조직으로 더 깊이 침투할 수 있고 측정을 위해 검출기로 되돌아갈 때 스토크스 이동 광의 더 적은 흡수 및 산란을 갖는다는 사실에 의해 부분적으로 보상된다. 더욱이 1150nm 이상의 IR 파장들에 대한 눈 안전 출력 제한들이 더 높으며, 잠재적으로 더 높은 라만 펌프 레이저 전력들을 사용하도록 허용한다.
Si 광자 집적 회로들을 사용하여 라만 분광계를 만들 때, 실리콘 밴드 갭인, 1120nm 이상의 광 파장들로 분광법을 수행하는 것이 바람직하다는 것이 밝혀졌다. 광자 집적 회로들에서, 1260nm에서 1850nm까지 작동하는 다이오드 레이저들(DBR, DFB 또는 RR 튜닝가능한)을 쉽게 이용할 수 있으며 하이브리드 레이저 플랫폼에서 이미 이용 가능한 빌딩 블록들을 사용하여 Si 포토닉스 기반 집적 회로들에 통합될 수 있다 (본 문서에 설명된 바와 같이 및 또한 예를 들어: 전력-효율적인 III-V/실리콘 외부 공동 DBR 레이저들, A.J. Zilkie 등, Optics Express, Vol 20, (21) 페이지 23456 (2012), 고도로 제조가능하고 다재다능한 광자 집적 회로들을 위한 멀티-미크론 실리콘 플랫폼, A.J. Zilkie 등, IEEE J. Sel. Topics in Quantum Electronics, Vol 25, (5) (2019)). 라만 지문들은 cm-1로 측정된 펌프 광자 에너지에서 cm-1 단위의 스토크스 에너지 하향 이동들이며, 생체 내 생체 모니터링을 위한 지문들은 포도당의 경우 [1] 730cm-1에서 CH2 스트레치 진동들의 경우 [4] 최대 2845cm-1 범위일 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예들에 의해 해결되어야 하는 문제는 일반적으로 부피가 큰 레이저들 및 검출기들 및 자유 공간 광학 여기 방식들로 만들어지며 많은 생체의학적 특성들을 측정하고(예를 들어, 암 검출, 질병 검출, 비침습적으로 혈당 측정, 및 궁극적으로는 생체 내 대사 지문 및 초분광 영상화 수행), 기능을 칩으로 소형화하여 그러므로 극적으로 크기, 비용을 줄이고, 전력 효율성을 높이고, 소비자 디바이스들에 유비쿼터스 배포를 허용하는 데 유용한 라만 분광계 및/또는 이미저를 취하는 방법이다.
인구의 상당 부분에 유비쿼터스 배포되고, 클라우드에 연결되면, 빅 데이터는 극적으로 그것의 유용성을 증가하도록 활용될 수 있으며, AI는 예를 들어, 예방적 질병 또는 건강 상태 검출 및 예방을 구현하기 위해 다른 사람과 개인의 이력에서 가져온 다른 데이터 세트들에 대한 패턴 인식에 적용될 수 있고, 즉 라만 특성 데이터 스트림(예를 들어, 매일 시간당 여러 번 기록됨)은 스마트폰과 같은 컴퓨팅 디바이스를 사용하는 모든 사용자로부터 유비쿼터스되고 널리 이용가능한 정보가 된다.
예를 들어 SRS(Stimulated Raman Spectroscopy)를 수행함으로써, 본 발명에서 라만 지문들의 특정 범위를 측정하는 것은 본 명세서에 개시된 레이저 플랫폼들을 사용하는 Si 광자 집적 회로로 달성될 수 있다(고밀도/소형 크기 칩의 다중 집적 레이저들, 다중 레이저 에피 대역들에 걸친 다중 파장들).
Si 광자 도파관 플랫폼을 사용할 수 있도록 1150 nm 이상의 파장들이 사용될 수 있다. 파장들은 예를 들어 1350 nm에서 라만 펌프 및 1480 nm에서 1868 nm에서 라만 프로브 파장들을 갖는 1350 nm에서 1500 nm 범위의 조직에서 물(H2O 및 C02) 흡수 피크를 피하기 위해 선택된다. 1260 내지 1360nm 범위의 추가 스토크스 프로브 레이저들 파장들과 연관된, 제2 펌프 레이저(1200nm에서 말함)는 추가적으로 400-1100cm-1에서부터 작은 파수들을 커버할 수 있다.
위에서 설명된(그리고 도 44 내지 60에 도시된) 광자 집적 회로들은 700 nm 내지 1060 nm의 표준/공통 파장들에서 SRS 분광법을 가능하게 하기 위해 Si 도파관들 대신에 SiN 도파관들을 사용할 수 있다.
SRS 라만 레이저들은 또한 SRS + SP Tx PIC의 조합을 만들기 위해 동일한 Tx PIC에서 "일반" 분광 광도계(SP) 레이저들과 함께 결합될 수 있다(도 58 내지 60 참조).
시뮬레이션들은 전기 신호/잡음 비율들이 도 44 내지 도 60에 도시된 변형들에 대해 실현 가능함을 도시했다.
일부 실시예들에서 표준 Ge 검출기들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하이브리드 InGaAs 검출기들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 로크인(lock-in) 검출이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 헤테로다인 검출 전자장치들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 진정한 광학 코히어런트 검출이 사용될 수 있고, 즉 송신기 레이저 출력은 분할될 수 있고 코히어런트 검출을 수행하기 위해 일부가 국부 발진기로서 코히어런트(균형) 검출기로 피드백될 수 있다.
일부 실시예들에서, 높은 광학 강도들을 유지하지만 조직 가열을 감소시키기 위해, 펌프 및 프로브 레이저들은 낮은 듀티 사이클로 펄스될 수 있다. 선택적으로, 펌프 및 프로브 레이저들은 주파수 fp에서 바람직하게는 <0.1%인 낮은 듀티 사이클을 갖고, 이상적으로는 지속기간에 1-10ns 정도의 예를 들어, fp = ~ 1kHz, ~1e-3 -1e-4% 듀티 사이클인 펄스들이 생성될 수 있도록 전기 구동 변조로 구동될 수 있다. 그런 다음 펌프 및 프로브 레이저 구동 신호들이 동기화되어(즉, 위상 일치) 펌프 및 프로브 펄스들이 조직에 입사할 때 시간이 겹치게 된다.
수신기에서, 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 주파수 fp에서 호모다인 검출을 수행하기 위해, 로크인 검출 전자 장치들이 포토다이오드에 추가될 수 있다.
도 47은 별도의 광검출기들을 가진 라만 분광계 송신기 Tx PIC +를 도시한다. 복수의 레이저들은 관심 공진들에서 고정된 파장들을 갖는 복수의 고정 파장 DBR 펌프 레이저들(4703) 및 또한 복수의 고정 파장 프로브 레이저들(4733)을 포함한다. 단일 RSOA III-V 공동은 DBR의 고정 파장이 RSOA 이득 스펙트럼의 파장 범위 내의 파장에 대응하도록 둘 이상의 DBR 레이저를 지원할 수 있다. 광학 조작 스테이지는 펌프 DBR 레이저들의 출력들을 결합하는 제1 다중화 컴포넌트(4705) 및 프로브 DBR 레이저들의 출력들을 결합하는 제2 다중화 컴포넌트(4735)를 포함한다. 이 실시예에서, 펌프 레이저들(4703)은 1250-1700nm 범위 내의 파장들에 대응하고 프로브 파장들은 1300-1850nm 범위 내의 파장들에 대응한다.
광학 감지 모듈(4701)은 PIC와 별개인 하나 이상의 광검출기들(4702-1, 4702-L)을 포함한다. 광검출기들은 넓은 영역(예를 들어, 0.1-2.mm^2) III-V 수직 조명 광검출기를 가진 제1 광검출기, 예를 들어 최고 감도를 위한 대역 통과 DBR 필터를 갖는 InGaAs(예를 들어, 프로브 레이저들 ex 1700-1800과 동일한 범위 송신)를 포함할 수 있다. 복수의 광검출기들은 또한 하나 이상의 추가 광검출기들, 예를 들어 대역 통과 DBR 필터를 갖는 넓은 영역(예를 들어, 0.1-2. mm^2) IIIV 검출기를 포함할 수 있다. 사용 중에는, 한 번에 하나의 펌프 및 프로브 레이저 쌍만 켜져 있다. 별도의 Rx 검출기들은 합산되거나, 헤테로다인되거나 또는 이질적으로 측정될 수 있다. 두 개 이상의 쌍은 다중 라만 피크들을 동시에 통합하는 단일 검출기로 동시에 켤 수 있다. 쌍들은 시간이 지남에 따라 순환될 수 있다. 총 N*M 라만 파장들이 프로브될 수 있다. 도 47의 실시예에는 PIC로부터의 펌프 출력과 프로브 출력이 있다. 둘 다 렌즈 요소를 사용하여 피부(또는 측정될 다른 표면)에 포커싱된다. 포커싱된 지점은 피부 표면 아래, 예를 들어, 1-3um에 있을 수 있다.
광학 조작 컴포넌트들은 다중 DBR 레이저들의 출력들을 단일 도파관 및 렌즈로 결합하는 다중화 요소(MUX)를 포함할 수 있다. MUX가 없는 경우, 다중 도파관들과 출력들이 존재할 수 있을 것이다(도 50 참조).
도 48의 실시예는 하나 이상의 고정 펌프 레이저들(4803)(예를 들어, 1350nm), 및 관심 공진들(예를 들어, 1480을 포함하는 개별 파장들의 범위 커버하는)에서 복수의 고정 프로브 레이저들(4833)을 갖는 라만 분광계 송신기 Tx PIC 4801에 관한 것이다. 이 실시예는 2개의 펌프 및 다중-대역 프로브 빔들이 다중화 요소, 이 경우에는 대역 MUX(4845)에 의해 하나의 출력 도파관(4802)으로 모두 MUX된다는 점에서 이전의 실시예들과 상이하다. 도 48에 도시된 실시예는 펌프 레이저 및 프로브 레이저들 모두를 위한 파장 잠금장치들을 포함한다.
도 49는 단일 다중화 요소(4904)에 의해 단일 출력으로 모두 MUX된 복수의 펌프 레이저들(4903)(예를 들어, 1250-1700nm)로부터의 펌프 빔들과 복수의 프로브 레이저들(4933)(예를 들어, 1300-1850nm)로부터의 프로브 빔들을 갖는 또 다른 라만 분광계이다. 시스템의 광학 감지 모듈에는 송신기 PIC 4901과 별도의 광검출기들(4902-1, 4902-l)을 포함한다. 도 50은 MUX가 없는 대안적인 변형을 도시하며, 이에 의해 각각의 레이저 출력은 대응하는 출력 도파관(5012)을 갖고, 출력 도파관들은 각각 렌즈를 사용하여 피부(또는 다른 표면)에 포커싱되는 개별 출력을 생성한다.
도 51, 52 및 53은 송신기(5121) 및 수신기(5122)가 하나 이상의 PIC들에 위치되는 본 발명에 따른 광학 모듈들(5101, 5201, 5301)의 예들을 도시한다.
송신기 PIC(5121)는 펌프 레이저(5103)(예를 들어, 1350nm) 및 복수의 프로브 레이저들(5133)을 포함한다. 프로브 레이저들은 RSOA들 또는 DFB들의 어레이를 포함할 수 있다. RSOA들의 경우, DBR 격자들은 개별 RSOA 이득 스펙트럼의 범위 내에서 펌프 레이저의 고정 파장과 프로브 레이저들의 고정 파장들을 제공할 수 있다. 프로브 레이저들의 어레이의 파장들의 예 범위는 1480 내지 1850nm이다. 도파관 히터들은 미세 튜닝을 위해 펌프 또는 프로브 레이저들의 격자에 존재할 수 있다. 또한 파장 잠금장치들(5104)은 또한 펌프 레이저뿐만 아니라 복수의 프로브 레이저 각각에 포함될 수 있다. 에셸 격자와 같은 프로브 MUX 컴포넌트(5105)는 각각의 프로브 출력들을 결합된 프로브 도파관에 결합한다. 그런 다음 대역 MUX(5135)는 송신기 칩으로부터 단일 광학 출력 경로를 형성하기위해 결합된 프로브 도파관으로부터의 출력을 갖는 펌프 레이저의 출력을 다중화한다. 렌즈는 출력(5102)을 피부에 포커싱하기 위해 포함될 수 있다. 렌즈의 초점 거리는 포커스 지점이 실제로 피부 아래에 있도록 선택될 수 있다(예를 들어, 피부 표면 아래 1-3mm). 일반적으로 한 번에 펌프와 하나의 레이저 쌍만 켜져 있다. 쌍들은 시간에 따라 순환된다.
PIC의 수신기 부분(5122)은 측정되는 표면(예를 들어, 피부)(2504)으로부터 반사된 광을 측정하기 위한 검출기(5111)를 포함한다. 도시된 실시예들에서, 검출기(5111)는 코히어런트 균형 검출기의 형태를 취한다. 이는 InGaAs 검출기일 수 있으며 감도를 향상시키기 위해 PIC에 다이 본드 또는 전사 인쇄될 수 있다.
필터(5130)는 검출기에서 추가적인 펌프 억제를 제공하기 위해 존재할 수 있다. 도시된 실시예들에서, 이 필터는 펌프 레이저의 파장에 대응하는 파장에서 추가적인 노치 링 공진기 드롭 필터("RR 필터")의 형태를 취한다. 노치 필터의 파장은 RR 도파관들에 또는 인근에 배치된 도파관 히터들의 바이어스를 조정함으로써 원하는 파장(즉, 프로브 신호가 검출기에서 최대화되는 지점)으로 열적으로 튜닝될 수 있다. 대체 필터 메커니즘들은 RR 필터 대신 에셸 격자 통과대역 필터를 포함할 수 있다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 프로브 파장 이외의 파장들에서 배경광의 소광 비 및 억제를 더욱 증가시키기 위해, 추가 에셸 통과대역 필터들은 대역 DeMUX와 RR 필터 사이에 추가될 수 있다.
수신기는 피부에서 반사된 광을 픽업하는 렌즈와 같은 수집 광학들을 포함한다. 매립형 인터포저 테이퍼(예를 들어, US10643903 참조)와 같은 테이퍼는 더 큰 입력 도파관(5152)에서 더 작은 크기의 도파관 플랫폼으로 입력 광을 변환하기 위해 존재할 수 있다. 예를 들어, 더 큰 크기는 12x12um에 대응할 수 있고 더 작은 모드는 일반적으로 3x3um 도파관 플랫폼에 대응한다. 존재하는 광학 요소들(렌즈들, 테이퍼들 등)을 통과한 후, 수신된 광은 역다중화된다. 도 51에 도시된 실시예에서, DeMUX는 3x3um 도파관으로부터 광을 취하고 코히어런트 균형 검출기로 제1 출력 및 흡수기에 대한 추가 출력을 생성한다. 또한 코히어런트 검출기는 수신된 프로브 신호에서 위상 및 주파수 정보를 추출하기 위해 프로브 MUX의 출력에도 결합된다.
도 52의 실시예는 도 51의 송신기 및 수신기가 별도의 PIC들(동일한 기판에 위치할 수 있음)에 위치되는 반면 도 52의 송신기 및 수신기는 단일 PIC(5221)에 위치된다는 점에서 도 51의 실시예와 상이하다. 도 52의 실시예에서, PIC의 송신기 부분의 출력(5202)은 PIC의 수신기 부분(5252)과 동일한 위치에 위치된다. 단일 렌즈는 입력 및 출력 도파관들이 있지만 송신된 광을 포커싱하고 또한 수신된 빛을 모으는 역할을 한다. 매립형 인터포저 테이퍼(BIT)는 다른 실시예들에서와 같이 도파관 크기들을 변환하기 위해 존재할 수 있다(도시되지 않음).
도 53의 실시예(5301)는 프로브 레이저들이 관심 공진들에 고정된다는 점에서 도 52의 실시예와 상이하다. 도 53에 도시된 실시예에서, 추가 송신기/수신기 PIC(5321)는 단일 입력/출력 도파관과 빔 스플리터(5342)를 가진다(예를 들어, 50/50 스플리터는 입력/출력 도파관에서 광을 선택하여 코히어런트 대역 검출기에 그것을 결합한다(DeMUX 및 존재하는 억제 메커니즘을 통해)).
프로브 레이저들을 수신기(Rx) 균형 코히어런트 광검출기에 결합하는 대신 대안 버전(도시되지 않음)에서, 대신에 펌프 레이저들은 주파수 fp에서 추가 전기 구동 변조로 구동될 수 있고, 프로브 레이저들은 주파수 fs에서 유사하게 구동될 수 있다. 그런 다음 추가 Rx 전자 장치들은 비트 톤 fp-fs에 로크인(lock-in)하는 헤테로다인 검출을 수행하기 위해 포함될 수 있다. 그렇지않으면, 저주파 진폭 광학 변조기들(예를 들어, 전기 흡수 변조기들(EAMs), 가변 광학 감쇠기들(VOAs), 반도체 광학 증폭기(SOAs), 저속 마하 젠더 변조기들(MZMs))을 fp 및 fs 주파수들에서 레이저들을 변조하기 위해 각 레이저의 출력에 추가될 수 있다. 대안적으로, 배열은 fp = fs, 즉, 펌프만 변조되는 배열로 선택될 수 있고, PIC의 수신기 부분에서 더 간단한 호모다인(로크인) 검출 전자 장치들이 추가될 수 있다.
도 54의 실시예는 자극 라만 분광계(SRS) 라만 분광계가 분광 광도계 Tx PIC의 이전 기능들과 결합된 PIC(5401)의 예를 도시한다. 도시된 실시예에서, 관심 공진들에서 고정 펌프 레이저(5403), 및 고정 프로브 레이저들(5433)이 있다. 그러나, 또한 "일반" 분광 레이저들(즉, 펌프-프로브가 아님)로 작동하는 복수의 레이저들도 존재한다. 도시된 실시예에서, PIC의 레이저들은 고정 파장 펌프 레이저들 "p", 펌프 레이저들 "p"와 쌍들로 작동하는 프로브 레이저들 "e", 및 펌프 레이저들의 독립적으로 작동하는 표준 분광 광도계 "s" 레이저들로 구성된다. 일부 기간들은 라만 분광법에 사용되며, 그 동안 라만 레이저 쌍들이 켜지고, 다른 기간들은 SP에 사용되며, 그 동안 "s" 레이저들이 순환된다. 또한 일부 라만 프로브 레이저들은 단순히 라만 펌프 레이저를 끄면 SP 레이저들로 작동할 수 있다. 도시된 실시예에서, 펌프 레이저들은 파장이 예를 들어, 1250nm의 파장을 갖는 DBR 레이저일 수 있다. 복수의 프로브 레이저들 및 독립된 분광 광도계 레이저들은 DBR 레이저들일 수 있으며, 각각 예를 들어, 1350 내지 1850nm의 범위 내에 작동 파장을 가질 수 있다.
펌프 MUX는 펌프 레이저들의 출력을 결합하기 위해 존재할 수 있다. 프로브 MUX는 모든 프로브 레이저들과 모든 독립 분광 광도계 레이저들의 출력을 결합하기 위해 존재할 수 있다. 그런 다음 펌프 MUX의 출력과 프로브 MUX의 출력은 밴드 MUX에 의해 결합될 수 있다. 프로브 레이저들의 MUX 출력은 도 51 내지 53에 도시된 것과 같은 결합기 회로(도 54에 도시되지 않음)로 발송될 수 있다.
도 55는 개별 PIC에 위치될 수 있는, 라만 분광계(5501, 5502)가 표준 독립 분광 광도계(5503)와 결합될 때 어떻게 작동될 수 있는지를 도시한다. 이 실시예에서, 독립 분광 광도계(5525)의 수집 지점은 송신기(Tx) PIC의 여기 지점(5520)으로부터 측방향으로 변위된다. 이러한 방식으로 전체 광학 감지 모듈은 라만 후방 산란광을 모두 포착하기 위해 작동될 수 있고 또한 측정 중인 피부(또는 다른 표면)에서 반사광을 확산시킬 수 있다.
도 56은 광이 예를 들어, 최대 60도의 오프 앵글에서 Tx PIC로부터 광을 출력하도록 설계된 렌즈(5620)에 의해 오프 앵글 송신되는 대안적인 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 광은 라만 수신기(5502) PIC 및 또한 "표준" 분광 광도계 PIC(5503) 모두에 의해 수직 각도로 수집될 수 있다. 라만 후방 산란광은 오프앵글 송신 광이 측정할 표면(예를 들어, 피부)과 상호 작용하는 지점에 수직으로 측정된다.
도 57은 1350nm 내지 1850nm의 파장들의 범위에 대한 예시적인 라만 방출 스펙트럼의 개략도이다. 프로브 광의 라만 증폭은 프로브 파장이 분자 공명 피크 파장
Figure pct00032
에 정렬될 때 발생한다. 프로브 광의 SRS 증폭으로 인한 신호 증가는 수신기(Rx) PIC에서 검출된다. (코히어런트 검출을 나타내는 이전 실시예들에 도시된 바와 같이) 수신기에서 프로브 출력을 갖는 광학 호모다이닝 또는 헤테로다이닝에 의해 신호 대 잡음비를 증가시키는 것이 가능하다.
도 58은 펌프 및 프로브 레이저 원들로 다중화되는 가능한 파장들을 도시하는 "MUX 스펙트럼"의 예이다. 도 59a는 수신기 광검출기 앞의 필터에 대한 감쇠 응답의 예를 도시한다. 도시된 예에서, 시스템은 1555nm에서 라만 지문을 검출하기 위해, 1555nm의 프로브 파장으로 설계된다. 펌프 파장은 1555-x nm 미만의 값을 가질 수 있다(여기서 x는 필터 통과대역의 절반 너비임).
도 59b는 SRS 분광계에 대한 레이저 스펙트럼의 예를 도시한다. 도시된 예에서, 펌프 및 프로브 레이저들 및 MUX는 1300nm 내지 1625nm를 덮는 펌프 레이저들의 어레이가 있고, 수신기 광검출기의 (고정) 통과 대역에 입사하는 1650nm에서 단 하나의 프로브 레이저가 있도록 구성된다. 1650 - x nm(여기서 x는 필터 통과대역의 절반너비임)보다 작은 모든 파장의 모든 펌프는 x에서 1650-1220 = 350 nm(0 내지 2889 cm-1에 대응) 범위의 펌프-프로브 파장 분리의 범위를 여기할 수 있도록 활성화될 수 있다.
추가 실시예는 펌프 레이저가 튜닝 가능하고(예를 들어, DBR 격자를 열로 튜닝가능한 링 공진기들로 대체함으로써) 따라서 가변 파장
Figure pct00033
의 광을 생성한다는 점에서 개시된 이전의 SRS 라만 분광계들과 상이하다는 것이 도 60에 개시된다. 따라서 펌프 파장 제어기가 요구된다. 이러한 방식으로, 튜닝가능한 펌프 레이저(6003)는 파장 범위(예를 들어, 550 내지 630nm)에 걸쳐 스위프될 수 있고 프로브 레이저(6033)는 주어진 값(예를 들어, 632nm)으로 고정될 수 있다. 대역 MUX(6040)는 프로브 레이저의 출력을 갖는 펌프 레이저의 제어된 출력을 렌즈가 펌프/프로브 광을 분석될 표면(예를 들어, 피부)에 포커싱하기 위해 존재할 수 있는 PIC의 단일 출력 도파관으로 다중화한다. 프로브 레이저는 고정 파장
Figure pct00034
를 갖는 DBR 레이저일 수 있다. 이전의 실시예들과 같이, 파장 잠금장치(wavelength locker)가 프로브 레이저(DBR)에도 적용될 수 있다. 또한 프로브 레이저의 출력은 코히어런트 균형 검출기로 공급될 수 있다. 도 60에 도시된 실시예에서, 수신기 PIC는 송신기 PIC의 출력(6042)으로부터 측방향으로 분리된 입력(6070)을 갖는 별개의 칩이다. 이전 실시예들과 같이, 테이퍼(2207)(예를 들어, 매립된 인터포저 테이퍼)는 더 큰 단면(예를 들어, 12x12um)을 갖는 입력 포인트(6070)를 더 작은 단면(예를 들어, 3x3um)을 갖는 도파관 플랫폼으로 변환하기 위해 존재할 수 있다.
간섭계 실시예들은 깊이 검출 및 초분광 라만을 위한 간섭계 검출(OFDR)을 갖는 코히어런트 CW 여기 라만 분광법을 포함하는 PIC(6101)도시하는 도 61을 참조하여 아래에 설명된다. 펌프 레이저(6103)는 고정된 파장
Figure pct00035
(예를 들어, 570 nm)를 갖고 프로브 레이저(6133)는 파장들의 범위(예를 들어, 884 내지 632 nm)에 걸쳐 튜닝 가능하고, 예를 들어 RR 기반 튜닝가능 레이저일 수 있다. 이전 실시예와 대조적으로, 이번에는 제어기(6144)가 펌프 레이저가 아닌 프로브 레이저에 부착된다. 도파관 잠금장치는 DBR 레이저의 형태를 취하는 고정 펌프 레이저에 위치된다. 대역 MUX는 펌프 및 프로브 출력을 PIC의 단일 출력으로 결합한다. 이 실시예에서, 검출기는 애벌랜치 포토다이오드(APD) 또는 단일 광자 애벌랜치 검출기(SPAD)와 같은 초고감도 검출기이다. 프로브 파장이 라만 반사 스펙트럼을 스윕할 때 시간의 함수로 코히어런트 검출기 판독값을 수집하는 것은 스펙트럼 대 거리를 제공하는 OFDR(광학 주파수 영역 반사측정) 측정을 허용한다. 선택적으로, 스위치를 갖는 나선형의 뱅크는 조정 가능한 범위를 허용하기 위해 기준 경로에 포함될 수 있다. 긴 나선형 도파관 히터는 OFDR 기준 암의 미세 위상 조정 및 추가 미세 범위를 제공하기 위해 나선형 도파관 위에 또는 근접하게 통합될 수 있다. 도시된 실시예에서, 도파관 히터가 있는 도파관 나선과 같은 경로 길이 어댑터는 경로 길이가 암 길이와 d(범위 설정)에 일치하도록 조정하기 위해 프로브 레이저의 제어된 출력과 코히어런트 검출기의 국부 발진기 입력 사이의 기준 경로에 위치될 수 있다. 표면(예를 들어, 피부)의 포커싱된 지점과 수신기 부분의 수집 광학 장치들(예를 들어, 수집 렌즈) 사이의 거리는 d/2로 선택된다. 일부 실시예들에서, PIC의 송신기 부분에서 출력 렌즈는 복원 또는 스위핑 렌즈일 수 있다. 대안적인 실시예에서(도시되지 않음), 도 61의 PIC는 "일반" 분광 광도계 레이저와 결합될 수 있다.
라만 SRS 광 검출은 위에서 언급한 바와 같이 830 내지 1064nm의 보다 전통적인 라만 파장 범위에서 더 강력하다. 모든 위의 PIC 버전 및 펌프-프로브 파장 체계들은 500 - 2500nm 범위의 파장들을 지원하는 질화규소 SOI PIC 플랫폼을 사용하는 PIC들로 대체될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 830 nm의 전통적인 펌프 파장들은 사용될 수 있으며, 890 nm 내지 1064 nm의 프로브 파장들은 범위 0 내지 2900 cm-1 파수를 커버하는데 사용될 수 있다. 대안적으로, 프로브 레이저는 1064nm에 고정될 수 있고, 830nm에서 1050nm 범위의 펌프 레이저들의 어레이가 사용될 수 있다. 그런 다음 다른 실시예들에서 InGaAs PD는 더 높은 검출 감도를 위해 Si CCD 검출기로 대체될 것이다.

Claims (27)

  1. 웨어러블 디바이스(wearable device)에 적합한 광학 감지 모듈(optical sensing module)로서, 상기 광학 감지 모듈은:
    실리콘 또는 실리콘 질화물 송신기 광자 집적 회로(PIC)를 포함하고, 상기 송신기 PIC는:
    복수의 레이저(laser)들-여기서, 상기 복수의 레이저들 중 각각의 레이저는 다른 레이저의 파장과 상이한 파장에서 동작함-;
    광학 조작 영역-여기서, 상기 광학 조작 영역은 광학 변조기, 광학 멀티플렉서(MUX), 및 추가 광학 조작 요소들을 포함함-; 및
    상기 복수의 레이저들로부터 발생하는 광에 대한 하나 이상의 광학 출력들을 포함하는, 광학 감지 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 추가 광학 조작 요소들은 전력 탭, 렌즈(들), 전력 스플리터(들), 필터(들), 미러(들) 및 편광 회전기(들) 중 하나 이상을 포함하는, 광학 감지 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 레이저들은 III-V RSOA 이득을 갖는 하나 이상의 레이저들, 상기 PIC에 하이브리드 집적된 레이저 칩들 또는 쿠폰을 포함하여 상기 III-V RSOA 또는 레이저 도파관(waveguide)의 광학 모드가 상기 PIC의 하나 이상의 도파관들에 에지 커플링되는, 광학 감지 모듈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 LED들을 더 포함하고, 상기 LED들은 상기 복수의 레이저들과 상이한 파장에서 동작하고 각각의 LED는 상기 복수의 LED들을 구성하는 다른 LED의 파장과 상이한 파장에서 동작하는, 광학 감지 모듈.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 조작 영역은 단일 광학 출력에서 상기 광학 감지 모듈의 외부의 상기 복수의 레이저들 모두로부터의 광을 커플링하기 위한 미러(mirror)를 포함하는, 광학 감지 모듈.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 광검출기(photodetector)들을 더 포함하는, 광학 감지 모듈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 광검출기는 상기 PIC가 송신기/수신기 PIC가 되도록 상기 송신기 PIC 상에 위치되는, 광학 감지 모듈.
  8. 제6항에 있어서, 상기 광검출기는 상기 송신기 PIC와 별도로 위치하는, 광학 감지 모듈.
  9. 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 광검출기들은 수직으로 집적되고 상기 송신기 PIC와 공유되는 동일한 기판 상에 장착되는 별도의 칩 상에 위치되는, 광학 감지 모듈.
  10. 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 광검출기들은 상기 송신기 PIC 옆의 캐리어(carrier) 상에 위치되는, 광학 감지 모듈.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 광검출기들은 코히어런트 검출기(coherent detector)로서 동작하도록 상기 송신기 PIC로부터의 광학 신호를 수신하는 검출기를 포함하는, 광학 감지 모듈.
  12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신기 PIC의 광학 출력은 상기 하나 이상의 광검출기들로 이어지는 광학 입력으로부터 측 방향으로 변위되는, 광학 감지 모듈.
  13. 제7항에 있어서, 단일 도파관은 송신 도파관 및 수신기 도파관으로 작용하는, 광학 감지 모듈.
  14. 제6항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 광검출기들은 복수의 광검출기들을 포함하고, 상기 복수의 광검출기들의 각각은 상이한 파장 범위에 걸쳐 동작하는, 광학 감지 모듈.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 기반 플랫폼은 실리콘 질화물 도파관을 포함하는, 광학 감지 모듈.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 드라이버(들), 변조기 드라이버(들), 위상 컨트롤러(들), TIA(들), 전력 관리 IC(들), 멀티플렉서 회로, 마이크로 제어기 유닛(MCU), FPGA(들) 중 하나 이상을 더 포함하는, 광학 감지 모듈.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 실리콘 도파관들 및 SiN 도파관들 둘 모두를 포함하는, 광학 감지 모듈.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 레이저들은 플립-칩 다이 접합(flip-chip die bonding) 또는 마이크로 전사 인쇄(micro transfer printing)를 통해 상기 PIC 상에 배치되는, 광학 감지 모듈.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신기 PIC의 상기 복수의 레이저들은 펌프(pump) 및 프로브(probe) 레이저들의 하나 이상의 쌍들을 포함하고, 상기 펌프 및 프로브 쌍들의 각각은 검출기와 함께 동작하여 라만 분광계(Raman spectrometer)를 형성하도록 구성되는, 광학 감지 모듈.
  20. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 레이저들은 단일 펌프 레이저 및 복수의 프로브 레이저들을 포함하고, 상기 프로브 레이저들의 각각은 관심 공진에 대응하는 파장을 갖는, 광학 감지 모듈.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 레이저들은 복수의 프로브 레이저들을 포함하고, 상기 복수의 프로브 레이저들의 각각은 고정 파장 레이저인, 광학 감지 모듈.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 레이저들은 튜닝 가능한(tunable) 펌프 레이저를 포함하는, 광학 감지 모듈.
  23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 레이저들은 라만 분광법을 위한 적어도 한 쌍의 펌프 프로브 레이저들 및 또한 복수의 쌍을 이루지 않은 레이저들을 포함하는 광학 감지 모듈.
  24. 제17항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 감지 모듈은 시간에 따른 기능으로서 기록하도록 구성된 광검출기 및 라만 반사 스펙트럼에 대응하는 파장 범위에 걸쳐 스위프하도록 구성된 튜닝 가능한 프로브 레이저를 포함하는, 광학 감지 모듈.
  25. 제3항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 광검출기들 또는 LED들은 하나 이상의 개별 마이크로렌즈들 아래에 위치하는, 광학 감지 모듈.
  26. 제25항에 있어서, 하나 이상의 마이크로렌즈들은 DBR 필터들의 박막 스택을 포함하는, 광학 감지 모듈.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    사전 훈련된 알고리즘을 수분 흡수 피크(water absorption peak)에 대응하는 파장에서 취한 반사율 데이터에 적용하여 반사율 측정을 예측된 온도로 변환하도록 구성된 프로세서를 포함하는, 광학 감지 모듈.
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