RU2720063C1 - Spectrometer based on tunable laser on chip, and spectrum measuring method - Google Patents

Spectrometer based on tunable laser on chip, and spectrum measuring method Download PDF

Info

Publication number
RU2720063C1
RU2720063C1 RU2019134249A RU2019134249A RU2720063C1 RU 2720063 C1 RU2720063 C1 RU 2720063C1 RU 2019134249 A RU2019134249 A RU 2019134249A RU 2019134249 A RU2019134249 A RU 2019134249A RU 2720063 C1 RU2720063 C1 RU 2720063C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wavelength
resonators
tunable
resonator
filters
Prior art date
Application number
RU2019134249A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Дмитриевич Ланцов
Алексей Андреевич Щекин
Сергей Николаевич Коптяев
Алексей Григорьевич Аниканов
Максим Владимирович Рябко
Павел Александрович Ившин
Василий Викторович Григорьев
Татьяна Игоревна КОПЫСОВА
Original Assignee
Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
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
Application filed by Самсунг Электроникс Ко., Лтд. filed Critical Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority to RU2019134249A priority Critical patent/RU2720063C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2720063C1 publication Critical patent/RU2720063C1/en
Priority to KR1020200074450A priority patent/KR20210049660A/en
Priority to US17/021,157 priority patent/US20210121068A1/en
Priority to EP20199491.0A priority patent/EP3812722A1/en
Priority to CN202011077198.5A priority patent/CN112704494A/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0205Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0272Handheld
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0291Housings; Spectrometer accessories; Spatial arrangement of elements, e.g. folded path arrangements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/1256Generating the spectrum; Monochromators using acousto-optic tunable filter
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/30Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J2003/1204Grating and filter
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J2003/1282Spectrum tailoring
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/2803Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G01J2003/2816Semiconductor laminate layer

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: spectrometer based on a tunable laser on a chip, comprises a laser radiation source for irradiating biological tissue with laser radiation, a photodetector for receiving radiation reflected from the biological tissue, having passed through the optical system, and a control and processing unit for signals received from the photodetector. Laser radiation source used is a tunable laser on a chip comprising a semiconductor amplifier and connected through an optical splitter to two or more resonators (A, B, ..., N) connected to a control and signal processing unit, wherein the semiconductor amplifier has its amplification band for operation of the tunable laser on the chip in a given wavelength range. Each of the resonators has a waveguide and tunable filters (A1, A2, B1, B2, ..., N1, N2), which provides generation of light at its output at different wavelengths (λ1, λ2, ..., λn), in accordance with parameters of tunable filters of each of resonators, wherein one of resonators A is intended for coarse high-speed measurement of the reflection spectrum R (λ) of the target when exposed to light generated by the adjustable filters A1 and A2 of the resonator, and the other of the resonators B is intended for accurate measurement of the reflection spectrum R (λ) of the target when exposed to light generated by the adjustable filters B1 and B2 of the resonator.
EFFECT: disclosed is a spectrometer based on a tunable laser on a chip.
12 cl, 12 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение относится к измерительной технике, а более точно – к спектрометру, основанному на перестраиваемом лазере на чипе, и к способу измерения спектра.The present invention relates to measuring technique, and more specifically to a spectrometer based on a tunable chip laser, and to a method for measuring a spectrum.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Оптические устройства, предназначенные для использования в спектроскопических целях, должны обладать такой характеристикой, как свипирование длины волны света. Эта функция может быть реализована с помощью узкополосных перестраиваемых источников света, таких как лазеры, или с помощью широкополосных источников света, таких как светодиоды (LED), в сочетании с системой оптических фильтров. Оба эти варианта предполагают громоздкую общую конструкцию системы источника света, что приводит к увеличению размера всего спектрометра, который трудно вписать в носимый форм–фактор. Форм–фактор (от англ. form factor) или типоразмер – стандарт, задающий габаритные размеры технического изделия, а также описывающий дополнительные совокупности его технических параметров, например, форму. Optical devices intended for use in spectroscopic purposes should have the characteristic of sweeping light wavelengths. This function can be realized using narrow-band tunable light sources, such as lasers, or using wide-band light sources, such as light emitting diodes (LEDs), in combination with an optical filter system. Both of these options suggest a cumbersome overall design of the light source system, which leads to an increase in the size of the entire spectrometer, which is difficult to fit into a wearable form factor. Form factor (from the English form factor) or size - a standard that defines the overall dimensions of a technical product, as well as describing additional sets of its technical parameters, for example, shape.

В настоящее время существует три проблемы. Currently There are three problems.

Первая – это недостаточная компактность спектрометра. Известный спектрометр не может быть закреплен на руке в виде браслета. В существующих приборах, предназначенных для данной цели, такой компактности нет.The first is the insufficient compactness of the spectrometer. A known spectrometer cannot be mounted on a hand in the form of a bracelet. In existing devices designed for this purpose, such compactness is not.

Спектральное разрешение коммерчески доступных спектроскопических устройств, предназначенных для использования в переносном форм–факторе, не превышает ~ 20 нм. Однако для неинвазивного определения уровня глюкозы в крови требуются спектроскопические устройства, обладающие более высоким спектральным разрешением, которое должно быть намного меньше нескольких нанометров.The spectral resolution of commercially available spectroscopic devices intended for use in a portable form factor does not exceed ~ 20 nm. However, non-invasive determination of blood glucose levels requires spectroscopic devices with a higher spectral resolution, which should be much less than a few nanometers.

Вторая проблема – низкое спектральное разрешение известных спектрометров. The second problem is the low spectral resolution of known spectrometers.

При определении уровня глюкозы требуется измерять спектр отражения от объекта, это может быть реализовано либо в виде набора узкополосных источников света, таких как лазер, или при помощи широкополосного источника света, таких как светоизлучающие диоды, объединенные системой оптических фильтров, что подразумевает достаточно габаритную схему исполнения. When determining the glucose level, it is required to measure the reflection spectrum from the object, this can be realized either as a set of narrow-band light sources, such as a laser, or using a wide-band light source, such as light-emitting diodes, combined by an optical filter system, which implies a fairly large-scale design .

Если измерение спектра осуществляется при помощи набора узкополосных источников, то получают набор точек на этом спектре, расстояние между которыми и определяет разрешение прибора. Для существующих приборов разрешение оказывается недостаточно высоким, что не отвечает требованиям измерения такого параметра как глюкоза крови.If the spectrum is measured using a set of narrow-band sources, then a set of points is obtained on this spectrum, the distance between which determines the resolution of the device. For existing devices, the resolution is not high enough, which does not meet the requirements of measuring such a parameter as blood glucose.

Третья проблема – это дискретность перестроения длины волны. В существующих приборах с перестраиваемой длиной волны такое перестроение осуществляется дискретно, т.е. в каждый временной промежуток осуществляется перестроение на какой–то фиксированный шаг, и не обеспечивается перестроение длины волны, осуществляемое непрерывно и плавно.The third problem is the discreteness of wavelength tuning. In existing devices with tunable wavelength, such a rebuild is carried out discretely, i.e. in each time period, the tuning is performed to some fixed step, and the wavelength tuning, which is carried out continuously and smoothly, is not provided.

Для сканирования по длине волны в существующих оптических спектроскопических устройствах используются широкополосные светодиодные источники в сочетании с отдельными оптическими фильтрами или набором узкополосных лазеров. Эти элементы включаются и выключаются в заранее определенной последовательности, необходимой для измерений. Такие устройства не позволяют получить непрерывную развертку по длине волны, что важно для достижения максимальной точности измерений.For scanning along the wavelength in existing optical spectroscopic devices, broadband LED sources are used in combination with individual optical filters or a set of narrow-band lasers. These elements are turned on and off in a predetermined sequence necessary for measurements. Such devices do not allow to obtain a continuous scan along the wavelength, which is important to achieve maximum measurement accuracy.

Из публикации WO 2010/082852 (опубликован 22.07.2010) известен спектрометр кодового источника на основе LED, который содержит множество светодиодных источников света, которые способны формировать различные длины волн и ширину полосы частот, указанные источники света расположены любым удобным способом вокруг модуля детектора, причем оптические пути образца и эталонные оптические пути отличается друг от друга. В предпочтительных вариантах осуществления источники LED переключаются в кодированном шаблоне или шаблонах, соответствующих схеме дополнения Адамара или модифицированной схеме дополнения Адамара. From the publication WO 2010/082852 (published July 22, 2010), a LED-based code source spectrometer is known which comprises a plurality of LED light sources that are capable of generating different wavelengths and bandwidths, said light sources being arranged in any convenient manner around the detector module, wherein The optical paths of the sample and the reference optical paths are different from each other. In preferred embodiments, the LED sources are switched in an encoded pattern or patterns corresponding to a Hadamard complement scheme or a modified Hadamard complement scheme.

К недостаткам указанного спектрометра можно отнести свипирование дискретных длин волн и низкое спектральное разрешение.The disadvantages of this spectrometer include sweeping of discrete wavelengths and low spectral resolution.

В спектрометре используется большое количество светоизлучающих диодов и спектральное разрешение определяется количеством этих диодов. Если требуется повысить спектральное разрешение, нужно увеличить количество источников света, т.е. количество диодов. Но до бесконечности увеличивать нельзя, поскольку прибор ограничен габаритами.The spectrometer uses a large number of light emitting diodes and the spectral resolution is determined by the number of these diodes. If you want to increase the spectral resolution, you need to increase the number of light sources, i.e. number of diodes. But infinity cannot be increased, since the device is limited in size.

Известен также неинвазивный датчик глюкозы (см., например, US 7251516, опубликован 31.07.2007). Концентрация глюкозы неинвазивно измеряется путем измерения множества значений поглощения с использованием, по меньшей мере, одного излучателя, работающего на соответствующем множестве длин волн излучения через общий оптический объем образца, и получения концентрации глюкозы из значений измерения поглощения.A non-invasive glucose sensor is also known (see, for example, US 7251516, published July 31, 2007). The glucose concentration is non-invasively measured by measuring the plurality of absorption values using at least one emitter operating at the corresponding plurality of radiation wavelengths through the total optical volume of the sample, and obtaining the glucose concentration from the absorption measurement values.

Неинвазивный датчик глюкозы сконфигурирован, например, в виде шарика, прикрепленного к браслету, который люди с диабетом могут носить для непрерывных и неинвазивных измерений уровня глюкозы в крови. Датчик позволяет измерять глюкозу, воду и альбумин неинвазивно и непрерывно. Датчик может быть реализован в виде устройства малой мощности, небольшого размера и иметь низкую стоимость. Поверхностно–излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL) представляет собой тип полупроводникового лазера, который можно настроить в качестве перестраиваемого излучателя. Как правило, полупроводниковые лазеры с краевым излучением имеют меньшую точность и дешевле, чем (VCSEL).The non-invasive glucose sensor is configured, for example, in the form of a ball attached to a bracelet that people with diabetes can wear for continuous and non-invasive measurements of blood glucose. The sensor allows you to measure glucose, water and albumin non-invasively and continuously. The sensor can be implemented as a device of low power, small size and have a low cost. VCSEL Surface-Emitting Laser (VCSEL) is a type of semiconductor laser that can be configured as a tunable emitter. As a rule, semiconductor lasers with edge radiation have lower accuracy and are cheaper than (VCSEL).

В этом приборе используются в качестве источника света, так называемые, «виксели» – светоизлучающие источники с вертикальным резонатором, т.е. лазеры с вертикальным резонатором, излучающие с поверхности. В этом приборе не подразумевается перестроение по длине волны, здесь используется несколько лазеров, и количество этих лазеров определяет спектральное разрешение прибора. Кроме того, использование большого количества этих лазеров – достаточно дорогое решение.In this device, so-called “vixels” are used as a light source — light-emitting sources with a vertical resonator, i.e. vertical cavity lasers emitting from a surface. This instrument does not imply wavelength tuning, several lasers are used here, and the number of these lasers determines the spectral resolution of the device. In addition, the use of a large number of these lasers is a rather expensive solution.

Известна также перестраиваемая лазерная спектроскопическая система для неинвазивного измерения содержания воды в организме (см., например, US 2008/220512, опубликована 11.09.2008). Содержание воды в организме является одним из важных показателей здоровья, с помощью которого можно количественно контролировать уровень гидратации организма и определять, необходимо ли добавлять или уменьшать воду в организме. Раскрытые системы, устройства и/или способы позволяют улучшить точность длины волны, разрешение по длине волны, оптическую спектральную плотность мощности, соотношение сигнал/шум и доступные варианты реализации для системы спектроскопии. A tunable laser spectroscopic system is also known for non-invasive measurement of water content in the body (see, for example, US 2008/220512, published September 11, 2008). The water content in the body is one of the important indicators of health, with which you can quantitatively control the level of hydration of the body and determine whether it is necessary to add or reduce water in the body. The disclosed systems, devices and / or methods can improve the accuracy of the wavelength, resolution along the wavelength, the optical spectral power density, the signal-to-noise ratio and available implementations for the spectroscopy system.

Система содержит лазер, сконфигурированный и выполненный с возможностью освещения по меньшей мере части ткани тела, и один детектор, оптически связанный с по меньшей мере частью ткани тела. Например, система может включать в себя перестраиваемый лазер и/или один или несколько лазеров с фиксированной длиной волны. Система в некоторых вариантах осуществления может включать в себя датчик, содержащий первое оптическое волокно, имеющее первый конец, который сконфигурирован и выполнен с возможностью оптической связи с лазером, и имеющий второй конец, который сконфигурирован и выполнен с возможностью оптической связи с образцом ткани; и второе оптическое волокно, имеющее первый конец, который выполнен с возможностью оптической связи с детектором, и второй конец, который выполнен с возможностью оптической связи с образцом ткани. Система может дополнительно включать в себя мультиплексор с разделением по длине волны и/или оптический коммутатор в оптической связи с лазером и первым оптическим волокном. Система, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, может включать в себя детектор, содержащий фотодиод и/или оптический переключатель, находящийся в оптической связи с вторым оптическим волокном. Оптическое волокно, например, первое оптическое волокно и/или второе оптическое волокно, может содержать ответвитель. Датчик выполнен с возможностью одноразового или повторного использования. Датчик может включать в себя коллиматор, звездообразный ответвитель и/или расширитель луча, оптически связанный с лазером. В некоторых вариантах воплощения система может исключать дифракционную решетку и/или матрицу детекторов.The system comprises a laser configured and configured to illuminate at least a portion of body tissue, and one detector optically coupled to at least a portion of body tissue. For example, a system may include a tunable laser and / or one or more fixed wavelength lasers. The system in some embodiments, may include a sensor comprising a first optical fiber having a first end that is configured and configured to optically couple to a laser and having a second end that is configured and configured to optically communicate with a tissue sample; and a second optical fiber having a first end that is optically coupled to the detector, and a second end that is optically coupled to a tissue sample. The system may further include a wavelength division multiplexer and / or an optical switch in optical communication with the laser and the first optical fiber. A system, in accordance with some embodiments, may include a detector comprising a photodiode and / or an optical switch in optical communication with the second optical fiber. An optical fiber, for example, a first optical fiber and / or a second optical fiber, may comprise a coupler. The sensor is designed to be disposable or reused. The sensor may include a collimator, a star coupler and / or a beam expander optically coupled to the laser. In some embodiments, the system may exclude the grating and / or array of detectors.

К недостаткам указанного устройства можно отнести большой размер, который нельзя вписать в форм–фактор.The disadvantages of this device include the large size, which cannot be entered into the form factor.

В качестве ближайшего технического решения рассматривается спектрометр (см., например, US 2014/0168636, опубликован 19.06.2014), содержащий: вольфрамовую лампу (первый источник света), которая излучает свет без пиковой длины волны в диапазоне длин волн видимого света, и количество света, увеличивающееся с увеличением длины волны; фиолетовый светодиод (второй источника света), который излучает свет, имеющий максимальную длину волны (пиковую длину волны) в диапазоне длин волн видимого света; смеситель света, который смешивает свет, излучаемый лампой накаливания и фиолетовым светодиодом; блок приема света (эталон), который принимает свет, смешанный смесителем света, и пропускает свет, содержащийся в принятом смешанном свете и имеющий конкретную длину волны; блок приема света, который принимает свет, передаваемый эталоном; и блок управления измерением, который изменяет длину волны света, (т.е. характеристики тестового целевого света), которая может проходить через эталон, и измеряет спектральные характеристики света, прошедшего через эталон, на основе света, принятого блоком приема света.As the closest technical solution, a spectrometer is considered (see, for example, US 2014/0168636, published June 19, 2014), comprising: a tungsten lamp (first light source) that emits light without a peak wavelength in the wavelength range of visible light, and the number light increasing with increasing wavelength; a purple LED (second light source) that emits light having a maximum wavelength (peak wavelength) in the wavelength range of visible light; a light mixer that mixes the light emitted by an incandescent lamp and a violet LED; a light receiving unit (reference) that receives light mixed by the light mixer and transmits light contained in the received mixed light and having a specific wavelength; a light receiving unit that receives light transmitted by the reference; and a measurement control unit that changes the wavelength of the light (i.e., characteristics of the test target light) that can pass through the standard, and measures the spectral characteristics of the light transmitted through the standard based on the light received by the light receiving unit.

Когда используется только первый источник света, который не имеет пиковой длины волны в диапазоне длин волн видимого света, количество света в пределах определенного диапазона в диапазоне длин волн видимого света значительно уменьшается, как объяснено выше. Согласно этому аспекту изобретения, второй источник света, который излучает свет, имеющий пиковую длину волны, в частности, в диапазоне коротких волн (диапазон длин волн, в котором количество света от первого источника света уменьшается), может эффективно компенсировать количество света в коротковолновом диапазоне, где количество света от первого источника света значительно падает. Соответственно, точность измерения спектральных характеристик в диапазоне длин волн, где уменьшается количество света, может улучшиться, что способствует высокоточному измерению спектральных характеристики.When only the first light source is used that does not have a peak wavelength in the wavelength range of visible light, the amount of light within a certain range in the wavelength range of visible light is significantly reduced, as explained above. According to this aspect of the invention, a second light source that emits light having a peak wavelength, in particular in the short wavelength range (a wavelength range in which the amount of light from the first light source is reduced), can effectively compensate for the amount of light in the short wavelength range, where the amount of light from the first light source drops significantly. Accordingly, the accuracy of measuring spectral characteristics in the wavelength range where the amount of light decreases, can improve, which contributes to high-precision measurement of spectral characteristics.

К недостаткам указанного спектрометра можно отнести свипирование дискретных длин волн и низкое спектральное разрешение. Здесь осуществляется дискретное перестроение по длине волны. Плавного перестроения не осуществляется. Есть определенные шаги, которые определяют разрешение, и перестроение осуществляется минимальными участками, т.е. дискретно.The disadvantages of this spectrometer include sweeping of discrete wavelengths and low spectral resolution. Here, discrete wavelength tuning is performed. Smooth rebuilding is not carried out. There are certain steps that determine the resolution, and the rebuild is carried out with minimal sections, i.e. discretely.

Краткое изложение существа изобретения Summary of the invention

Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение спектроскопических измерений с высоким спектральным разрешением и непрерывным перестроением по длине волны с помощью средств, достаточно компактных, чтобы соответствовать носимому формфактору, поддерживая в то же время низкий уровень энергопотребления, что обеспечивается путем создания спектрометра, основанного на перестраиваемом лазере на чипе, который является компактным, чтобы его можно было закрепить на руке в виде браслета, имеет высокое спектральное разрешение и обеспечивает перестроение длины волны, осуществляемое непрерывно и плавно.An object of the present invention is to provide spectroscopic measurements with high spectral resolution and continuous wavelength tuning using means compact enough to fit the wearable form factor, while maintaining a low level of energy consumption, which is achieved by creating a spectrometer based on a tunable laser with the chip, which is compact so that it can be mounted on the arm in the form of a bracelet, has a high spectral resolution It provides rebuild wavelength, carried out continuously and smoothly.

Достигаемый технический эффект заявленного изобретения заключается в обеспечении компактности, т.е. удовлетворяющего требуемому форм–фактору, более высокой скорости измерений, высокого отношения сигнал/шум, благодаря использованию лазеров, и высокому спектральному разрешению и способности одновременно выполнять грубые и точные (при необходимости) измерения спектра.The technical effect achieved by the claimed invention is to ensure compactness, i.e. satisfying the required form factor, higher measurement speed, high signal to noise ratio due to the use of lasers, and high spectral resolution and the ability to simultaneously perform coarse and accurate (if necessary) spectrum measurements.

Поставленная задача решена путем создания спектрометра, основанного на перестраиваемом лазере на чипе и содержащего The problem is solved by creating a spectrometer based on a tunable laser on a chip and containing

источник лазерного излучения, сконфигурированный для облучения биологической ткани лазерным излучением, a laser radiation source configured to irradiate biological tissue with laser radiation,

фотодетектор, сконфигурированный для приема отраженного от биологической ткани излучения, прошедшего через оптическую систему, и блок управления и обработки сигналов, полученных от фотодетектора,a photodetector configured to receive radiation reflected from biological tissue that has passed through the optical system, and a control and processing unit for signals received from the photodetector,

при этом в качестве источника лазерного излучения использован перестраиваемый лазер на чипе, содержащий полупроводниковый усилитель и соединенный через оптический разветвитель с двумя и более резонаторами, связанными с блоком управления и обработки сигналов,in this case, a tunable chip laser containing a semiconductor amplifier and connected via an optical splitter with two or more resonators connected to a control and signal processing unit is used as a laser radiation source,

при этом полупроводниковый усилитель имеет свою полосу усиления для работы перестраиваемого лазера на чипе в заданном диапазоне длин волн, wherein the semiconductor amplifier has its own gain band for the operation of a tunable chip laser in a given wavelength range,

при этом каждый из резонаторов А, В … N содержит волновод и настраиваемые фильтры (А1, A2, B1, B2 … N1, N2), что обеспечивает генерацию света на его выходе на разных длинах волн (λ1, λ2, …, λn), в соответствии с параметрами настраиваемых фильтров каждого из резонаторов, each of the resonators A, B ... N contains a waveguide and tunable filters (A1, A2, B1, B2 ... N1, N2), which ensures the generation of light at its output at different wavelengths (λ1, λ2, ..., λn), in accordance with the parameters of the adjustable filters of each of the resonators,

при этом один из резонаторов А предназначен для грубого высокоскоростного измерения спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым с помощью настраиваемых фильтров A1 и А2 данного резонатора, а другой из резонаторов В предназначен для точного измерения спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым с помощью настраиваемых фильтров В1 и В2 данного резонатора.in this case, one of the resonators A is intended for coarse high-speed measurement of the reflection spectrum R (λ) of the target when it is irradiated with the light generated by the tunable filters A1 and A2 of this resonator, and the other of the resonators B is intended for accurate measurement of the reflection spectrum R (λ) of the target when it is irradiated with the light generated by the tunable filters B1 and B2 of this resonator.

Предпочтительно, чтобы волновод каждого из резонаторов был оконцован зеркалом Саньяка, что обеспечивает обратную связь между резонатором и полупроводниковым усилителем.Preferably, the waveguide of each of the resonators is terminated by a Sagnac mirror, which provides feedback between the resonator and the semiconductor amplifier.

Предпочтительно, чтобы спектрометр содержал металлические нагревательные элементы, размещенные в указанных одном и более резонаторах, и сконфигурированные для подачи на них напряжения от внешнего источника, и термооптический блок управления металлическими нагревательными элементами, сконфигурированными для перестроения длины волны резонаторов, при этом указанное перестроение длины волны выполняется путем подачи напряжения на металлические нагревательные элементы.Preferably, the spectrometer contains metal heating elements disposed in said one or more resonators and configured to supply voltage from an external source to them, and a thermo-optical control unit for metal heating elements configured to tune the resonator wavelength, wherein said wavelength rebuild is performed by applying voltage to the metal heating elements.

Предпочтительно, чтобы спектрометр содержал Preferably, the spectrometer contains

электрооптические блоки управления по количеству резонаторов, сконфигурированные для перестроения длины волны резонаторов путем приложения к резонаторам электрического поля, изменение которого вызывает изменение эффективного показателя преломления резонаторов и соответственно изменение спектра пропускания, что обеспечивает перестроение длины волны.electro-optical control units by the number of resonators, configured to tune the wavelength of the resonators by applying an electric field to the resonators, a change in which causes a change in the effective refractive index of the resonators and, accordingly, a change in the transmission spectrum, which ensures the reconstruction of the wavelength.

Предпочтительно, чтобы спектрометр содержал Preferably, the spectrometer contains

акустико–оптические блоки управления по количеству резонаторов, сконфигурированные для перестроения длины волны резонаторов, при этом перестроение длины волны выполняется путем воздействия на резонаторы ультразвуковыми колебаниями от внешнего источника, причем параметры ультразвуковых колебаний определяют спектр пропускания, что обеспечивает перестроение длины волны. acoustic-optical control units by the number of resonators configured to tune the wavelength of the resonators, while the wavelength is tuned by exposing the resonators to ultrasonic vibrations from an external source, and the parameters of the ultrasonic vibrations determine the transmittance spectrum, which ensures the tunable wavelength.

Предпочтительно, чтобы спектрометр содержал массив из полупроводниковых усилителей с разными полосами усиления, для обеспечения развертки по длине волны в расширенном диапазоне длин волн.Preferably, the spectrometer contains an array of semiconductor amplifiers with different gain bands to provide sweep along a wavelength in an extended wavelength range.

Предпочтительно, чтобы спектрометр дополнительно содержал модуль модуляции, сконфигурированный для управления шириной полосы усиления полупроводникового усилителя.Preferably, the spectrometer further comprises a modulation module configured to control the gain bandwidth of the semiconductor amplifier.

Предпочтительно, чтобы спектрометр содержал дополнительный блок управления с обратной связью и блоки калибровки длины волны для калибровки длины волны спектрометра в режиме реального времени.Preferably, the spectrometer comprises an additional feedback control unit and wavelength calibration units for calibrating the spectrometer wavelength in real time.

Поставленная задача решена также путем создания способа измерения отраженного излучения от биологического объекта посредством спектрометра, основанного на перестраиваемом лазере на чипе по п.1, содержащего шаги, на которыхThe problem is also solved by creating a method for measuring reflected radiation from a biological object by means of a spectrometer based on a tunable laser on a chip according to claim 1, containing steps in which

размещают спектрометр на руке пациента и облучают биологическую ткань лазерным излучением, формируемым двумя и более резонаторами, при этом один из резонаторов А предназначен для грубого высокоскоростного измерения спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым с помощью настраиваемых фильтров A1 и А2, другой из резонаторов В предназначен для точного низкоскоростного измерения спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым этим резонатором с помощью настраиваемых фильтров В1 и В2,place the spectrometer on the patient’s arm and irradiate the biological tissue with laser radiation generated by two or more resonators, while one of the resonators A is designed for coarse high-speed measurement of the reflection spectrum R (λ) of the target when it is irradiated with the light generated by the adjustable filters A1 and A2, the other of the resonators B is designed for accurate low-speed measurement of the reflection spectrum R (λ) of the target when it is irradiated with the light generated by this resonator using custom filters B1 and B2,

осуществляют грубое высокоскоростное измерение спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым с помощью настраиваемых фильтров A1 и А2 одним из резонаторов А путем перестроения длины волны источника посредством изменения коэффициента пропускания настраиваемых фильтров А1 и А2 резонатора А,carry out a coarse high-speed measurement of the reflection spectrum R (λ) of the target when it is irradiated with light generated by tunable filters A1 and A2 by one of the resonators A by tuning the wavelength of the source by changing the transmittance of tunable filters A1 and A2 of resonator A,

анализируют полученный спектр R (λ) и определяют области интереса для выявления артефактов, analyze the resulting spectrum of R (λ) and determine areas of interest to identify artifacts,

выполняют в областях, представляющих интерес, точные низкоскоростные измерения спектра отражения цели при облучении ее светом, генерируемым настраиваемыми фильтрами В1 и B2 другого резонатора В.perform in the areas of interest accurate low-speed measurements of the reflection spectrum of the target when it is irradiated the light generated by tunable filters B1 and B2 of another resonator B.

Предпочтительно, чтобы в способе осуществляли перестроение длины волны света в волноводе путем термооптического перестроения по длине волны оптических фильтров А и В, для чего осуществляли нагрев волновода в резонаторе, при этом длина волны источника изменяется от меньшей величины к большей, причем фильтрующая способность определяется показателем преломления материала, из которого изготовлены волноводы.It is preferable that in the method the wavelength of light in the waveguide is tuned by thermooptical tuning of the optical filters A and B along the wavelength, for which the waveguide is heated in the resonator, while the source wavelength changes from a smaller value to a larger one, and the filtering ability is determined by the refractive index the material from which the waveguides are made.

Предпочтительно, чтобы в способе осуществляли перестроение длины волны света в волноводе путем электрооптического перестроения по длине волны оптических фильтров, для чего осуществляли изменение эффективного показателя преломления волновода в резонаторе путем приложения внешнего электрического поля к волноводу резонатора, при этом длина волны источника изменяется от меньшей величины к большей, причем фильтрующая способность определяется показателем преломления материала, из которого изготовлены волноводы.Preferably, in the method, the wavelength of the light in the waveguide is tuned by electro-optical tuning along the wavelength of the optical filters, for which the effective refractive index of the waveguide in the resonator is changed by applying an external electric field to the resonator waveguide, the source wavelength changing from a smaller value to more, and the filtering ability is determined by the refractive index of the material from which the waveguides are made.

Предпочтительно, чтобы в способе осуществляли перестроение длины волны света в волноводе путем акустооптического перестроения по длине волны оптических фильтров, для чего осуществляют изменение спектра пропускания волновода в резонаторе путем воздействия ультразвуковыми колебаниями на указанный волновод, при этом длина волны источника изменяется от меньшей величины к большей, причем фильтрующая способность определяется показателем преломления материала, из которого изготовлены волноводы.It is preferable that in the method, the wavelength of the light in the waveguide is tuned by acousto-optic tuning of the optical filters along the wavelength, for which the transmission spectrum of the waveguide in the cavity is changed by applying ultrasonic vibrations to the specified waveguide, while the wavelength of the source changes from a smaller value to a larger one, moreover, the filtering ability is determined by the refractive index of the material from which the waveguides are made.

Предложенная конфигурация спектрометра позволяет:The proposed configuration of the spectrometer allows you to:

– упростить и миниатюризировать всю оптическую схему, где полупроводниковый усилитель является самым большим элементом;- simplify and miniaturize the entire optical circuit, where a semiconductor amplifier is the largest element;

– одновременно и независимо сканировать длины волн λ1, λ2 и т.д., что обеспечивает большую гибкость при получении спектра исследуемой биологической ткани, свипирование выполняется посредством изменения коэффициента пропускания перестраиваемых фильтров;- simultaneously and independently scan wavelengths λ1, λ2, etc., which provides greater flexibility in obtaining the spectrum of the biological tissue under study, sweeping is performed by changing the transmittance of tunable filters;

– использовать меньшее количество полупроводниковых усилителей, если требуется несколько длин волн, что позволяет снизить энергопотребление и рассеяние во всем устройстве; - use a smaller number of semiconductor amplifiers if several wavelengths are required, which reduces energy consumption and dispersion throughout the device;

– охватить расширенный диапазон длин волн, например, 1500–1800 нм, что важно для измерения уровня глюкозы в крови;- cover an extended range of wavelengths, for example, 1500-1800 nm, which is important for measuring blood glucose levels;

– обеспечить возможность реализации сложной модуляции выходной мощности, что важно для реализации в системах связи;- to provide the possibility of implementing complex modulation of the output power, which is important for implementation in communication systems;

– обеспечить более высокую точность контроля длины волны за счет калибровки в реальном времени.- provide higher accuracy of wavelength control due to real-time calibration.

Краткое описание чертежей Brief Description of the Drawings

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:The invention is further explained in the description of the preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, in which:

Фиг. 1 изображает общую блок–схему спектрометра;FIG. 1 shows a general block diagram of a spectrometer;

Фиг. 2 изображает общую блок–схему перестраиваемого лазера на чипе, содержащего множество резонаторов;FIG. 2 shows a general block diagram of a tunable chip laser containing a plurality of resonators;

Фиг. 2А изображает общий вид полупроводникового усилителя рядом с монеткой, FIG. 2A shows a general view of a semiconductor amplifier next to a coin,

Фиг. 3 изображает детальную схему перестраиваемого лазера на чипе, содержащую два резонатора;FIG. 3 is a detailed diagram of a tunable chip laser containing two resonators;

Фиг. 4 изображает блок–схему перестраиваемого лазера на чипе;FIG. 4 depicts a block diagram of a tunable chip laser;

Фиг. 5 изображает спектр излучения лазерного источника спектрометра, основанного на массиве перестраиваемых лазеров;FIG. 5 shows a radiation spectrum of a laser source of a spectrometer based on an array of tunable lasers;

Фиг. 6 изображает схему перестраиваемого лазера с термооптическими блоками управления резонаторами;FIG. 6 depicts a tunable laser circuit with thermo-optical resonator control units;

Фиг. 7 изображает схему перестраиваемого лазера с электрооптическими/акустооптическими блоками управления резонаторами;FIG. 7 depicts a tunable laser circuit with electro-optical / acousto-optical cavity control units;

Фиг. 8 изображает массив перестраиваемых лазеров на чипе, выполненных на единой подложке;FIG. 8 shows an array of tunable chip lasers made on a single substrate;

Фиг. 9 изображает схему перестраиваемого лазера, содержащего блок калибровки длины волны спектрометра в режиме реального времени;FIG. 9 is a diagram of a tunable laser comprising a real-time spectrometer wavelength calibration unit;

Фиг. 10 изображает типовой спектр отражения образца, полученный с применением спектрометра с лазерным источником с массивом перестраиваемых лазеров на чипе;FIG. 10 shows a typical reflection spectrum of a sample obtained using a spectrometer with a laser source with an array of tunable chip-based lasers;

Фиг. 11 изображает типовой спектр отражения образца, измеренный грубо и с высокой скоростью; FIG. 11 depicts a typical reflection spectrum of a sample, measured roughly and at high speed;

Фиг. 12 изображает типовой спектр отражения образца, измеренный точно и с низкой скоростью в выбранной области (B).FIG. 12 shows a typical reflection spectrum of a sample measured accurately and at a low speed in a selected region (B).

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретенияDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

Спектрометр 1 (фиг. 1), основанный на перестраиваемом лазере на чипе, согласно изобретению, содержит источник 2 лазерного излучения, сконфигурированный для облучения биологической ткани 3 лазерным излучением. Спектрометр 1 содержит также фотодетектор 4, сконфигурированный для приема отраженного от биологической ткани излучения 5, прошедшего через оптическую систему 6, обеспечивающую коллимацию попадающего в нее излучения и направление его на фотодетектор, и блок 7 управления и обработки сигналов, полученных от фотодетектора 4.The spectrometer 1 (Fig. 1), based on a tunable chip laser, according to the invention, comprises a laser radiation source 2 configured to irradiate biological tissue 3 with laser radiation. The spectrometer 1 also contains a photodetector 4, configured to receive radiation 5 reflected from the biological tissue, transmitted through the optical system 6, which ensures the collimation of the radiation incident on it and directs it to the photodetector, and a control unit 7 for processing and processing signals received from the photodetector 4.

В качестве источника 2 лазерного излучения использован перестраиваемый лазер на чипе (фиг. 2), содержащий полупроводниковый усилитель 8, объединенный с фотонным чипом–подложкой 9, и содержащий набор резонаторов 10, и системой охлаждения 11.As a source of laser radiation 2, a tunable chip laser (Fig. 2) was used, which contains a semiconductor amplifier 8, combined with a photonic chip-substrate 9, and containing a set of resonators 10, and a cooling system 11.

На фиг. 3 показана детальная схема перестраиваемого лазера на чипе, содержащая два резонатора. In FIG. Figure 3 shows a detailed diagram of a tunable chip laser containing two resonators.

На фиг. 4 показана блок–схема указанного перестраиваемого лазера на чипе, использующего N резонаторов 10. Полупроводниковый усилитель 8, характеризующийся определенной полосой усиления оптического излучения, соединен при помощи волноводов 12 (фиг. 3) через оптический разветвитель 13 с двумя или более резонаторами 10 (А, B … N), связанными с блоком 18 управления и блоком 19 питания. In FIG. 4 shows a block diagram of the indicated tunable chip laser using N resonators 10. A semiconductor amplifier 8, characterized by a certain amplification band of optical radiation, is connected using waveguides 12 (Fig. 3) through an optical splitter 13 with two or more resonators 10 (A, B ... N) associated with the control unit 18 and the power supply unit 19.

Каждый из резонаторов 10 (A, B … N), изготовленный на основе оптических волноводов 12, содержит перестраиваемые фильтры 14 (A, B, … N), на основе двух каскадно расположенных микрорезонаторов 16 (A и B), что обеспечивает генерацию света на его выходе на разных длинах волн (λ1, λ2, … λn) (фиг. 4), в соответствии с параметрами указанных перестраиваемых фильтров 14 (A, B, … N) в составе каждого из резонаторов 10 (A, B, … N). Each of the resonators 10 (A, B ... N), made on the basis of optical waveguides 12, contains tunable filters 14 (A, B, ... N), based on two cascade microresonators 16 (A and B), which ensures the generation of light on its output at different wavelengths (λ1, λ2, ... λn) (Fig. 4), in accordance with the parameters of these tunable filters 14 (A, B, ... N) in each of the resonators 10 (A, B, ... N) .

В предпочтительном варианте спектрометра и лазерного источника 2 (фиг. 3) используется два резонатора 10 A и 10 B, в отличие от общего варианта реализации, предусматривающего использование 2–х и более резонаторов до некоего произвольного количества N (фиг. 4). In a preferred embodiment of the spectrometer and laser source 2 (FIG. 3), two resonators 10 A and 10 B are used, in contrast to the general embodiment, involving the use of 2 or more resonators to some arbitrary number N (FIG. 4).

Перестраиваемый фильтр 14 A резонаторa 10 A предназначен для грубого высокоскоростного измерения спектра отражения R (λ) цели светом, генерируемым в резонаторе 10 А, а перестраиваемый фильтр 14 В резонатора 10 B предназначен для точного измерения спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым в резонаторе 10 B.The tunable 14 A filter of the resonator 10 A is designed for coarse high-speed measurement of the reflection spectrum R (λ) of the target with the light generated in the resonator 10 A, while the tunable filter 14 V of the resonator 10 B is designed to accurately measure the reflection spectrum of R (λ) of the target when it is irradiated with light generated in the resonator 10 B.

Волновод каждого из резонаторов 10 оконцован зеркалом Саньяка 15, что обеспечивает обратную связь между резонатором 10 и полупроводниковым усилителем 8.The waveguide of each of the resonators 10 is terminated by a Sagnac mirror 15, which provides feedback between the resonator 10 and the semiconductor amplifier 8.

Оптический разветвитель 13 делит энергию одного полупроводникового усилителя 8 между двумя резонаторами 10. Основной эффект от такой реализации – это простота изготовления. Поскольку эти резонаторы изготавливаются интегрально, по технологии SOI (silicon on insulator), т.е. кремний на изоляторе, либо нитрид кремния на изоляторе при помощи методов фотолитографии, изготовление указанной схемы в промышленных масштабах может быть весьма простым.An optical splitter 13 divides the energy of one semiconductor amplifier 8 between two resonators 10. The main effect of this implementation is the simplicity of manufacture. Since these resonators are manufactured integrally, using SOI (silicon on insulator) technology, i.e. silicon on the insulator, or silicon nitride on the insulator using photolithography methods, the manufacture of this scheme on an industrial scale can be very simple.

Спектрометр 1 (фиг. 1) содержит в составе лазерного источника 2 также металлические нагревательные элементы 17 (фиг. 3), размещенные на поверхности одного и более перестраиваемых фильтров 14 в составе резонаторов 10, и сконфигурированные для подачи на них напряжения от внешнего источника 19 (фиг. 4).The spectrometer 1 (Fig. 1) also contains metal heating elements 17 (Fig. 3) in the composition of the laser source 2, located on the surface of one or more tunable filters 14 as part of the resonators 10, and configured to supply voltage from an external source 19 ( Fig. 4).

Спектрометр 1 в предпочтительном вариант реализации содержит термооптический блок 17 управления металлическими нагревательными элементами (фиг. 3, 6), конфигурируемыми для перестроения длины волны резонаторов, при этом указанное перестроение длины волны выполняется путем подачи напряжения на металлические нагревательные элементы.The spectrometer 1 in a preferred embodiment comprises a thermo-optical control unit 17 for controlling metal heating elements (FIGS. 3, 6), which are configurable for tuning the wavelength of the resonators, wherein said tuning of the wavelength is performed by applying voltage to the metal heating elements.

В другом варианте реализации спектрометр 1 содержит электрооптические блоки 20 управления (фиг. 7) по количеству резонаторов, сконфигурированные для перестроения длины волны резонаторов путем приложения к резонаторам электрического поля, изменение которого вызывает изменение эффективного показателя преломления резонаторов и соответственно изменение спектра пропускания, что обеспечивает перестроение длины волны. In another embodiment, the spectrometer 1 contains electro-optical control units 20 (Fig. 7) by the number of resonators configured to tune the wavelength of the resonators by applying an electric field to the resonators, a change of which causes a change in the effective refractive index of the resonators and, accordingly, a change in the transmittance spectrum, which ensures a rebuild wavelengths.

В еще одном варианте реализации спектрометр содержит акустико–оптические блоки 20 управления (фиг. 7) по количеству резонаторов, сконфигурированные для перестроения длины волны резонаторов, при этом перестроение длины волны выполняется путем воздействия на резонаторы ультразвуковыми колебаниями от внешнего источника, причем параметры ультразвуковых колебаний определяют спектр пропускания, что обеспечивает перестроение длины волны. In yet another embodiment, the spectrometer comprises acoustic-optical control units 20 (Fig. 7) by the number of resonators configured to tune the wavelength of the resonators, while the tune of the wavelength is performed by exposing the resonators to ultrasonic vibrations from an external source, the parameters of ultrasonic vibrations being determined transmittance spectrum that provides wavelength tuning.

Возможен вариант выполнения, когда спектрометр 1 содержит массив из полупроводниковых усилителей 8 (фиг. 8) с разной шириной полосы усиления, для обеспечения развертки по длине волны в расширенном диапазоне длин волн, например, 1500–1800 нм.An embodiment is possible when the spectrometer 1 contains an array of semiconductor amplifiers 8 (Fig. 8) with different amplification bandwidths, to ensure sweep along the wavelength in the extended wavelength range, for example, 1500-1800 nm.

Как правило у одного полупроводникового усилителя есть своя полоса усиления и лазер не может работать вне этой полосы. Эта полоса ограничена. Если необходимо измерять спектр в полосе, которая превышает полосу усиления полупроводникового усилителя, следует использовать другой полупроводниковый усилитель с другой полосой усиления. Объединяя несколько перестраиваемых лазеров, каждый из которых основан на своем полупроводниковом усилителе со своей полосой, возможно просто объединять их полосы, т.е. пристыковывать одну к другой, чтобы в итоге покрыть весь диапазон.As a rule, one semiconductor amplifier has its own gain band and the laser cannot work outside this band. This strip is limited. If it is necessary to measure the spectrum in a band that exceeds the gain band of the semiconductor amplifier, a different semiconductor amplifier with a different gain band should be used. By combining several tunable lasers, each of which is based on its own semiconductor amplifier with its own band, it is possible to simply combine their bands, i.e. dock one to the other to eventually cover the entire range.

Возможен вариант выполнения, когда спектрометр 1 дополнительно содержит модуль 21 (фиг. 9) модуляции, сконфигурированный для управления шириной полосы усиления полупроводникового усилителя.An embodiment is possible when the spectrometer 1 further comprises a modulation module 21 (FIG. 9) configured to control the gain bandwidth of the semiconductor amplifier.

В еще одном варианте выполнения спектрометр 1 содержит дополнительный блок 23 (фиг. 9) управления с обратной связью и блоки 22 калибровки длины волны для калибровки длины волны спектрометра 1 в режиме реального времени.In yet another embodiment, spectrometer 1 comprises an additional feedback control unit 23 (FIG. 9) and wavelength calibration blocks 22 for calibrating the wavelength of spectrometer 1 in real time.

Способ измерения отраженного излучения от биологического объекта посредством спектрометра, основанного на перестраиваемом лазере на чипе, содержит следующие шаги.A method for measuring reflected radiation from a biological object by means of a spectrometer based on a tunable chip laser comprises the following steps.

Благодаря компактным размерам спектрометр можно разместить на руке пациента. После размещения спектрометра облучают биологическую ткань лазерным излучением, формируемым двумя и более резонаторами 10 (фиг 3), при этом перестраиваемый фильтр 14 А резонатора 10 А предназначен для грубого высокоскоростного измерения спектра отражения R (λ) (фиг. 10) цели при облучении ее светом, генерируемым резонатором 10 А (фиг. 3).Thanks to its compact size, the spectrometer can be placed on the patient’s arm. After placing the spectrometer, biological tissue is irradiated with laser radiation generated by two or more resonators 10 (Fig 3), while the tunable filter 14 A of the resonator 10 A is designed for coarse high-speed measurement of the reflection spectrum R (λ) (Fig. 10) of the target when it is irradiated with light generated by the resonator 10 A (Fig. 3).

Осуществляют грубое высокоскоростное измерение спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым в настраиваемом фильтре 14 A указанного одного или более резонаторов путем перестроения длины волны источника посредством изменения коэффициента пропускания настраиваемого фильтра 14 А резонатора 10 (фиг. 3).A coarse high-speed measurement of the reflection spectrum R (λ) of the target is carried out when it is irradiated with the light generated in a custom filter 14 A of the specified one or more resonators by tuning the wavelength of the source by changing the transmittance of the custom filter 14 A of the resonator 10 (Fig. 3).

Анализируют полученный спектр R (λ) (фиг. 11) и определяют области, представляющие интерес, для выявления артефактов. Область интереса, например, может представлять собой участок на спектре источника света, содержащий острый пик (фиг. 11, прямоугольник, показан пунктирной линией).The resulting spectrum of R (λ) is analyzed (FIG. 11) and areas of interest are identified to identify artifacts. The region of interest, for example, may be a portion on the spectrum of the light source containing a sharp peak (Fig. 11, a rectangle shown by a dashed line).

Выполняют в областях, представляющих интерес, точные низкоскоростные измерения спектра отражения цели при облучении ее светом, генерируемым резонатором 10 B на основе перестраиваемого фильтра 14 B.Perform accurate low-speed measurements of the reflection spectrum of the target when it is irradiated in areas of interest the light generated by the resonator 10 B based on a tunable filter 14 B.

Перестроение длины волны света в волноводе осуществляют путем термооптического перестроения по длине волны оптического фильтра А и В, для чего осуществляют нагрев волновода в резонаторе, при этом длина волны источника изменяется от меньшей величины к большей, причем фильтрующая способность определяется показателем преломления материала, из которого изготовлены волноводы.The rebuilding of the wavelength of light in the waveguide is carried out by thermo-optical rebuilding along the wavelength of the optical filter A and B, for which the waveguide is heated in the resonator, while the wavelength of the source changes from a smaller value to a larger one, and the filtering ability is determined by the refractive index of the material from which they are made waveguides.

Возможен также вариант, когда перестроение длины волны света в волноводе осуществляют путем электрооптического перестроения по длине волны оптического фильтра А и В, для чего осуществляют изменение эффективного показателя преломления волновода в резонаторе путем приложения внешнего электрического поля к волноводу резонатора, при этом длина волны источника изменяется от меньшей величины к большей, причем фильтрующая способность определяется показателем преломления материала, из которого изготовлены волноводы.It is also possible that the tuning of the wavelength of light in the waveguide is carried out by electro-optical tuning along the wavelength of the optical filter A and B, which involves changing the effective refractive index of the waveguide in the resonator by applying an external electric field to the resonator waveguide, while the wavelength of the source varies from smaller to larger, and the filtering ability is determined by the refractive index of the material from which the waveguides are made.

Возможен также вариант, когда перестроение длины волны света в волноводе осуществляют путем акустооптического перестроения по длине волны оптического фильтра А и В, для чего осуществляют изменение спектра пропускания волновода в резонаторе путем воздействия ультразвуковыми колебаниями на указанный волновод, при этом длина волны источника изменяется от меньшей величины к большей, причем фильтрующая способность определяется показателем преломления материала, из которого изготовлены волноводы.It is also possible that the reconstruction of the wavelength of light in the waveguide is carried out by acousto-optic reconstruction along the wavelength of the optical filter A and B, for which they change the transmission spectrum of the waveguide in the resonator by applying ultrasonic vibrations to the specified waveguide, while the wavelength of the source changes from a smaller value to a greater one, and the filtering ability is determined by the refractive index of the material from which the waveguides are made.

Плавное перестроение по длине волны осуществляется с применением двух микрорезонаторов 16 (фиг. 3), входящих в состав каждого из перестраиваемых фильтров 14 А и 14 В, работающих с применением эффекта Верньера. Smooth tuning along the wavelength is carried out using two microresonators 16 (Fig. 3), which are part of each of the tunable filters 14 A and 14 V, operating using the Vernier effect.

В данном случае этот эффект выражается в значительном увеличении диапазона перестроения резонатора за счет каскадного расположения двух микрорезонаторов 16А, 16В, обладающих отличающимися спектрами пропускания оптического излучения. In this case, this effect is expressed in a significant increase in the range of resonator tuning due to the cascade arrangement of two microcavities 16A, 16B, which have different transmission spectra of optical radiation.

Если расстояние между пиками пропускания (и, соответственно, диапазон перестроения длины волны проходящего оптического излучения) первого микрорезонатора определяется как FSR1, а второго как FSR2, то диапазон

Figure 00000001
перестроения резонатора, состоящего из двух микрорезонаторов, определяется согласно выражению If the distance between the transmission peaks (and, accordingly, the range of tuning of the wavelength of the transmitted optical radiation) of the first microcavity is defined as FSR 1 and the second as FSR 2, then the range
Figure 00000001
rebuilding a resonator consisting of two microresonators is determined according to the expression

Figure 00000002
,
Figure 00000002
,

что может значительно превосходить величины FSR1 и FSR2. which can significantly exceed the values of FSR 1 and FSR 2.

Как указано выше, если необходимо измерять спектр в полосе, которая превышает полосу усиления полупроводникового усилителя, используют другой полупроводниковый усилитель с другой полосой усиления. Объединяя несколько перестраиваемых лазеров, каждый из которых основан на своем полупроводниковом усилителе со своей полосой, возможно просто объединять их полосы, т.е. пристыковывать одну к другой, чтобы в итоге покрыть весь диапазон.As indicated above, if it is necessary to measure the spectrum in a band that exceeds the gain band of the semiconductor amplifier, another semiconductor amplifier with a different gain band is used. By combining several tunable lasers, each of which is based on its own semiconductor amplifier with its own band, it is possible to simply combine their bands, i.e. dock one to the other to eventually cover the entire range.

На фиг.5 показан некий эталонный спектр, на основе массива перестраиваемых лазеров. Figure 5 shows a certain reference spectrum based on an array of tunable lasers.

В какой–то начальный момент времени спектр излучения представляет собой набор узких полос длин волн, которые покрывают диапазон от 1500 до 1800 нм. Этот диапазон определяется объектом исследования. Если следует измерять биологические объекты, например, содержание глюкозы в человеческих тканях, необходимо делать измерение спектра в этом диапазоне, т.е. одним полупроводниковым усилителем, который покрывает примерно 50 нм, этого добиться невозможно. Нужно использовать несколько полупроводниковых усилителей.At some initial point in time, the emission spectrum is a set of narrow wavelength bands that cover the range from 1500 to 1800 nm. This range is determined by the object of study. If biological objects should be measured, for example, the glucose content in human tissues, it is necessary to measure the spectrum in this range, i.e. one semiconductor amplifier, which covers approximately 50 nm, this is impossible to achieve. You need to use several semiconductor amplifiers.

На фиг.10 показан демонстрационный вариант спектра отражения от объекта, который получится, если его измерить с помощью массива перестраиваемых лазеров. В результате получают кривую, на которой каждая точка соответствует спектру отражения своей длины волны от объекта. Figure 10 shows a demo version of the reflection spectrum from the object, which will turn out if measured using an array of tunable lasers. As a result, a curve is obtained on which each point corresponds to the reflection spectrum of its wavelength from the object.

Сплошной линией показан спектр источника, пунктирной линией показан спектр отражения объекта, например, биологической ткани. В данном случае показано, что можно получить некий очень грубый спектр, т.е. сколько длин волн, столько точек и получают – это ломаная кривая. Это может быть не очень информативно на начальном этапе, но позволяет оценить время и выделить участки, важные для более точного измерения в дальнейшем.The solid line shows the spectrum of the source, the dashed line shows the reflection spectrum of an object, for example, biological tissue. In this case, it is shown that it is possible to obtain a very rough spectrum, i.e. how many wavelengths, so many points they get - this is a broken curve. This may not be very informative at the initial stage, but it allows you to estimate the time and highlight areas that are important for more accurate measurement in the future.

Ниже отмечено, какую функцию выполняет резонатор:It is noted below what function the resonator performs:

– резонатор обеспечивает обратную связь, т.е. часть излучения, прошедшего через него, отправляется назад для усиления;- the resonator provides feedback, i.e. part of the radiation passing through it is sent back for amplification;

– резонатор обеспечивает фильтрацию излучения.- the resonator provides filtering of radiation.

Теоретически любой фильтр оптический или основанный на каком–либо ином эффекте, может выполнять эту функцию. Theoretically, any filter, optical or based on some other effect, can perform this function.

Заявленная конфигурация спектрометра позволяет, когда генерируется излучение с двумя различными длинами волн λ1 и λ2 одновременно, во–первых, значительно уменьшить размеры всей схемы, потому что есть один самый большой элемент – полупроводниковый усилитель. И если с помощью одного гейн–чипа получают две различных длины волны на выходе, то тем самым уменьшают схему вдвое по сравнению со схемой с двумя полупроводниковыми усилителями, которые обеспечивали бы две различные длины волны. Но энергия полупроводникового усилителя не может делиться до бесконечности.The claimed configuration of the spectrometer allows when radiation with two different wavelengths λ1 and λ2 is generated simultaneously, firstly, to significantly reduce the size of the entire circuit, because there is one biggest element - a semiconductor amplifier. And if using a single gain chip two different wavelengths are obtained at the output, then the circuit is halved compared to a circuit with two semiconductor amplifiers that would provide two different wavelengths. But the energy of a semiconductor amplifier cannot be divided forever.

И кроме того, такая схема дает возможность реализовать заявленный способ измерения спектра при помощи одновременной перестройки двух различных длин волн по какому–либо заданному алгоритму.And in addition, such a scheme makes it possible to implement the claimed method of measuring the spectrum by simultaneously tuning two different wavelengths using any given algorithm.

Таким образом, осуществляется выборочное измерение спектра. Два режима измерения спектра, т.е. грубое и точное измерение, непосредственно связаны с использованием двух длин волн, получаемых от одного полупроводникового усилителя. Поскольку есть две волны излучения, можно осуществить для одной длины волны измерение грубое, а для второй длины волны – измерение точное.Thus, a selective measurement of the spectrum. Two spectrum measurement modes, i.e. rough and accurate measurements are directly related to the use of two wavelengths obtained from a single semiconductor amplifier. Since there are two radiation waves, it is possible to carry out a rough measurement for one wavelength, and an accurate measurement for the second wavelength.

Это обеспечивается следующим образом. В начальный момент при помощи одного фильтра, одного резонатора на эффекте Верньера, обеспечивается перестроение по длине волны, когда длина волны источника изменяется от меньшей к большей с максимально возможной допустимой скоростью. Но чем больше скорость, тем ниже разрешение, тем ниже сигнал шума. В этом случае получают некий грубый спектр отражения от объекта. Он подвержен флуктуациям, он может быть зашумленным, потому что измерение осуществлялось очень быстро. При этом детектируется сравнительно небольшое количество энергии в каждый момент времени. This is provided as follows. At the initial moment, with the help of one filter, one resonator based on the Vernier effect, the wavelength tuning is provided when the wavelength of the source changes from shorter to greater with the maximum possible permissible speed. But the higher the speed, the lower the resolution, the lower the noise signal. In this case, a certain rough spectrum of reflection from the object is obtained. It is subject to fluctuations, it can be noisy, because the measurement was carried out very quickly. In this case, a relatively small amount of energy is detected at each moment in time.

После того как провели грубое измерение спектра, анализируют полученную кривую и находят на ней области, которые максимально интересны и важны.After a rough measurement of the spectrum has been carried out, the resulting curve is analyzed and the areas that are most interesting and important on it are found.

Как правило, при измерении глюкозы сам по себе спектр целиком не столь информативен как отдельные его части. Особенно это актуально в тех случаях, когда спектр используется для определения некоего относительного изменения глюкозы или какого–то химического вещества. Т.е. может быть актуально определение относительного измерения спектра. В этом случае следует рассматривать какие–то участки спектра и то, как они изменяются.As a rule, when measuring glucose, the spectrum itself is not entirely as informative as its individual parts. This is especially true in cases where the spectrum is used to determine some relative change in glucose or some chemical substance. Those. The definition of a relative spectrum measurement may be relevant. In this case, one should consider some parts of the spectrum and how they change.

Эти участки затем измеряют с более высокой точностью. Для этого используется режим точного измерения с использованием второй длины волны. Т.е. изменяют параметры второго резонатора таким образом, чтобы перестроение по длине волны осуществлялось с некой минимальной скоростью, но уже не во всем диапазоне, а в том диапазоне, который представляет интерес.These sections are then measured with higher accuracy. For this, the exact measurement mode using the second wavelength is used. Those. change the parameters of the second resonator in such a way that the wavelength tuning is carried out with a certain minimum speed, but not in the entire range, but in the range of interest.

Т.е. сначала при помощи одного фильтра быстро сканируют, определяют участок спектра, который представляет интерес, и в его пределах сканируют медленно при помощи второй длины волны.Those. First, with a single filter, they quickly scan, determine the portion of the spectrum that is of interest, and within it scan slowly using the second wavelength.

Преимущество использования двух длин волн заключается в следующем. Фильтрующая способность оптических фильтров определяется зависимостью эффективного показателя преломления материала, из которого они изготовлены, от температуры. Т.е. перестроение осуществляется при помощи нагрева этих резонаторов. Нагрев – это процесс инерционный и нагреть специальные металлические контакты гораздо проще, чем охладить, особенно в носимом устройстве, где не предусматриваются специальные системы активного охлаждения. В этом случае благодаря наличию двух отдельных наборов фильтров с двумя источниками излучения, можно обеспечить нагрев одного резонатора, грубую перестройку, а потом осуществить точную перестройку, нагревая второй резонатор, при этом не требуется охлаждать первый резонатор, ждать некоторое время, пока он достаточно охладиться, чтобы опять с его помощью осуществить перестройку. В этом случае повышается производительность и быстродействие всего устройства.The advantage of using two wavelengths is as follows. The filtering ability of optical filters is determined by the temperature dependence of the effective refractive index of the material from which they are made. Those. rebuilding is carried out by heating these resonators. Heating is an inertial process and heating special metal contacts is much easier than cooling, especially in a wearable device where special active cooling systems are not provided. In this case, due to the presence of two separate filter sets with two radiation sources, it is possible to provide heating of one resonator, coarse tuning, and then fine tuning, heating the second resonator, without the need to cool the first resonator, wait a while until it is sufficiently cooled, in order to carry out perestroika again with his help. In this case, the productivity and speed of the entire device is increased.

Главное преимущество в том, что, используя два источника, не требуется охлаждать каждый из них, можно сканировать дважды, первым и вторым, нагревая поочередно первый и второй.The main advantage is that, using two sources, it is not necessary to cool each of them, you can scan twice, the first and second, heating the first and second alternately.

Во втором случае перестроение микрорезонаторов может достигаться не только при изменении температуры, т.е. путем нагрева, но и при помощи различных электрооптических эффектов. Т.е. если для создания микрорезонаторов используется не обычный кремний, а различные материалы, которые обладают значительным электрооптическим эффектом, т.е. изменением эффективного показателя преломления в зависимости от прикладываемого к ним внешнего электромагнитного поля, к таким материалам относится, например, ниобат лития, то обеспечивается возможность не изменять температуру, а изменять прикладываемое электромагнитное поле. In the second case, the reconstruction of microresonators can be achieved not only with a change in temperature, i.e. by heating, but also with the help of various electro-optical effects. Those. if not ordinary silicon is used to create microresonators, but various materials that have a significant electro-optical effect, i.e. by changing the effective refractive index depending on the external electromagnetic field applied to them, for example, lithium niobate refers to such materials, it is possible not to change the temperature, but to change the applied electromagnetic field.

В случае, если используется блок 22 калибровки длины волны, работа осуществляется следующим образом.In case the wavelength calibration unit 22 is used, the operation is as follows.

Каждый из источников излучения генерирует свет, который попадает на блок 22 калибровки. Блок 22 калибровки определяет, действительно ли генерируемая длина волны соответствует таковой, заложенной в алгоритм управления резонатором 10. Перестроение осуществляется из предположения, что есть некая зависимость между сигналом управления и длиной волны результирующего излучения. Each of the radiation sources generates light that enters the calibration unit 22. Calibration unit 22 determines whether the generated wavelength really corresponds to that laid down in the resonator 10 control algorithm. Tuning is carried out on the assumption that there is a certain relationship between the control signal and the wavelength of the resulting radiation.

Однако эта зависимость подвержена внешнему влиянию, каким–то помехам. В случае температуры, могут быть какие–то эффекты, связанные с дополнительным нагревом всей подложки, на которой размещена схема. И длина волны может отличаться от желаемой, т.е. есть разница между истинной и требуемой длиной волны. Для компенсации этого эффекта используется дополнительный модуль калибровки по длине волны, который объединен с модулем обратной связи источника питания полупроводникового усилителя. However, this dependence is subject to external influence, some kind of interference. In the case of temperature, there may be some effects associated with additional heating of the entire substrate on which the circuit is placed. And the wavelength may differ from the desired, i.e. There is a difference between the true and the required wavelength. To compensate for this effect, an additional wavelength calibration module is used, which is combined with the feedback module of the power supply of the semiconductor amplifier.

Сравнивая длину волны и получая в этом блоке некий сигнал о разности между истинной и необходимой длиной волны, формируют сигнал обратной связи и изменяют питание полупроводникового усилителя, чтобы уменьшить сигнал и изменить требуемую длину волны.Comparing the wavelength and receiving in this block a signal about the difference between the true and the required wavelength, a feedback signal is generated and the power of the semiconductor amplifier is changed to reduce the signal and change the required wavelength.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Предложенный спектрометр может быть использован для: измерения изменение концентрации глюкозы в крови, измерения уровня оксигенации крови, т.е. насыщения крови кислородом, определения артериального давления, определение уровня подкожного жира, оценки состояния кожи человека для косметических целей, оценка уровня увлажненности кожи, а также для оценки качества пищи, оценки лекарственных препаратов, анализа питьевой бутилированной воды.The proposed spectrometer can be used for: measuring the change in the concentration of glucose in the blood, measuring the level of blood oxygenation, i.e. saturation of blood with oxygen, determination of blood pressure, determination of subcutaneous fat, assessment of human skin condition for cosmetic purposes, assessment of skin moisture level, as well as food quality assessment, drug evaluation, analysis of drinking bottled water.

Claims (29)

1. Спектрометр, основанный на перестраиваемом лазере на чипе, содержащий:1. A spectrometer based on a tunable chip laser, comprising: источник лазерного излучения, сконфигурированный для облучения биологической ткани лазерным излучением,a laser radiation source configured to irradiate biological tissue with laser radiation, фотодетектор, сконфигурированный для приема отраженного от биологической ткани излучения, прошедшего через оптическую систему, иa photo detector configured to receive radiation reflected from biological tissue that has passed through the optical system, and блок управления и обработки сигналов, полученных от фотодетектора,control unit and processing signals received from the photodetector, при этом в качестве источника лазерного излучения использован перестраиваемый лазер на чипе, содержащий полупроводниковый усилитель и соединенный через оптический разветвитель с двумя и более резонаторами (А, В, …, N), связанными с блоком управления и обработки сигналов,in this case, a tunable chip laser containing a semiconductor amplifier and connected through an optical splitter with two or more resonators (A, B, ..., N) connected to a control and signal processing unit is used as a laser radiation source, при этом полупроводниковый усилитель имеет свою полосу усиления для работы перестраиваемого лазера на чипе в заданном диапазоне длин волн,wherein the semiconductor amplifier has its own gain band for the operation of a tunable chip laser in a given wavelength range, при этом каждый из резонаторов содержит волновод и настраиваемые фильтры (А1, A2, B1, B2, …, N1, N2), что обеспечивает генерацию света на его выходе на разных длинах волн (λ1, λ2, …, λn), в соответствии с параметрами настраиваемых фильтров каждого из резонаторов, each resonator contains a waveguide and tunable filters (A1, A2, B1, B2, ..., N1, N2), which ensures the generation of light at its output at different wavelengths (λ1, λ2, ..., λn), in accordance with parameters of custom filters for each of the resonators, при этом один из резонаторов А предназначен для грубого высокоскоростного измерения спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым с помощью настраиваемых фильтров A1 и А2 данного резонатора, а другой из резонаторов В предназначен для точного измерения спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым с помощью настраиваемых фильтров В1 и В2 данного резонатора.in this case, one of the resonators A is intended for coarse high-speed measurement of the reflection spectrum R (λ) of the target when it is irradiated with the light generated by the tunable filters A1 and A2 of this resonator, and the other of the resonators B is intended for accurate measurement of the reflection spectrum R (λ) of the target when it is irradiated with the light generated by the tunable filters B1 and B2 of this resonator. 2. Спектрометр по п.1, в котором волновод каждого из резонаторов оконцован зеркалом Саньяка, что обеспечивает обратную связь между резонатором и полупроводниковым усилителем.2. The spectrometer according to claim 1, in which the waveguide of each of the resonators is terminated by a Sagnac mirror, which provides feedback between the resonator and the semiconductor amplifier. 3. Спектрометр по п.1, который содержит металлические нагревательные элементы, размещенные в указанных одном и более резонаторах и сконфигурированные для подачи на них напряжения от внешнего источника, и3. The spectrometer according to claim 1, which contains metal heating elements located in the specified one or more resonators and configured to supply voltage to them from an external source, and термооптический блок управления металлическими нагревательными элементами, сконфигурированными для перестроения длины волны резонаторов, при этом указанное перестроение длины волны выполняется путем подачи напряжения на металлические нагревательные элементы.thermo-optical control unit for metal heating elements configured to tune the wavelength of the resonators, while the specified wavelength tuning is performed by applying voltage to the metal heating elements. 4. Спектрометр по п.1, который содержит4. The spectrometer according to claim 1, which contains электрооптические блоки управления по количеству резонаторов, сконфигурированные для перестроения длины волны резонаторов путем приложения к резонаторам электрического поля, изменение которого вызывает изменение эффективного показателя преломления резонаторов и соответственно изменение спектра пропускания, что обеспечивает перестроение длины волны. electro-optical control units by the number of resonators, configured to tune the wavelength of the resonators by applying an electric field to the resonators, a change in which causes a change in the effective refractive index of the resonators and, accordingly, a change in the transmission spectrum, which ensures the reconstruction of the wavelength. 5. Спектрометр по п.1, который содержит5. The spectrometer according to claim 1, which contains акустико–оптические блоки управления по количеству резонаторов, сконфигурированные для перестроения длины волны резонаторов, при этом перестроение длины волны выполняется путем воздействия на резонаторы ультразвуковыми колебаниями от внешнего источника, причем параметры ультразвуковых колебаний определяют спектр пропускания, что обеспечивает перестроение длины волны. acoustic-optical control units by the number of resonators configured to tune the wavelength of the resonators, while the wavelength is tuned by exposing the resonators to ultrasonic vibrations from an external source, and the parameters of the ultrasonic vibrations determine the transmittance spectrum, which ensures the tunable wavelength. 6. Спектрометр по п.1, который содержит6. The spectrometer according to claim 1, which contains массив из полупроводниковых усилителей с разными полосами усиления для обеспечения развертки по длине волны в расширенном диапазоне длин волн.an array of semiconductor amplifiers with different gain bands to provide sweep along the wavelength in the extended wavelength range. 7. Спектрометр по п.1, который дополнительно содержит модуль модуляции, сконфигурированный для управления шириной полосы усиления полупроводникового усилителя.7. The spectrometer according to claim 1, which further comprises a modulation module configured to control the gain bandwidth of the semiconductor amplifier. 8. Спектрометр по п.1, который содержит дополнительный блок управления с обратной связью и блоки калибровки длины волны для калибровки длины волны спектрометра в режиме реального времени.8. The spectrometer according to claim 1, which contains an additional feedback control unit and wavelength calibration units for calibrating the spectrometer wavelength in real time. 9. Способ измерения отраженного излучения от биологического объекта посредством спектрометра, основанного на перестраиваемом лазере на чипе по п.1, содержащий шаги, на которых9. A method of measuring reflected radiation from a biological object by means of a spectrometer based on a tunable laser on a chip according to claim 1, comprising the steps of размещают спектрометр на руке пациента и облучают биологическую ткань лазерным излучением, формируемым двумя и более резонаторами, при этом один из резонаторов А предназначен для грубого высокоскоростного измерения спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым с помощью настраиваемых фильтров A1 и А2, другой из резонаторов В предназначен для точного низкоскоростного измерения спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым этим резонатором с помощью настраиваемых фильтров В1 и В2,place the spectrometer on the patient’s arm and irradiate the biological tissue with laser radiation generated by two or more resonators, while one of the resonators A is designed for coarse high-speed measurement of the reflection spectrum R (λ) of the target when it is irradiated with the light generated by the adjustable filters A1 and A2, the other of the resonators B is designed for accurate low-speed measurement of the reflection spectrum R (λ) of the target when it is irradiated with the light generated by this resonator using custom filters B1 and B2, осуществляют грубое высокоскоростное измерение спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым с помощью настраиваемых фильтров A1 и А2 одним из резонаторов А путем перестроения длины волны источника посредством изменения коэффициента пропускания настраиваемых фильтров А1 и А2 резонатора А,carry out a coarse high-speed measurement of the reflection spectrum R (λ) of the target when it is irradiated with light generated by tunable filters A1 and A2 by one of the resonators A by tuning the wavelength of the source by changing the transmittance of tunable filters A1 and A2 of resonator A, анализируют полученный спектр R (λ) и определяют области интереса для выявления артефактов, analyze the resulting spectrum of R (λ) and determine areas of interest to identify artifacts, выполняют в областях, представляющих интерес, точные низкоскоростные измерения спектра отражения цели при облучении ее светом, генерируемым настраиваемыми фильтрами В1 и B2 другого резонатора В.perform, in areas of interest, accurate low-speed measurements of the reflection spectrum of the target when it is irradiated with light generated by custom filters B1 and B2 of another resonator B. 10. Способ по п. 9, в котором 10. The method according to p. 9, in which осуществляют перестроение длины волны света в волноводе путем термооптического перестроения по длине волны оптических фильтров, для чего осуществляют нагрев волновода в резонаторе, при этом длина волны источника изменяется от меньшей величины к большей, причем фильтрующая способность определяется показателем преломления материала, из которого изготовлены волноводы.tuning the wavelength of light in the waveguide by thermooptical tuning along the wavelength of the optical filters, for which the waveguide is heated in the resonator, while the wavelength of the source changes from a smaller value to a larger one, and the filtering ability is determined by the refractive index of the material from which the waveguides are made. 11. Способ по п. 9, в котором 11. The method according to p. 9, in which осуществляют перестроение длины волны света в волноводе путем электрооптического перестроения по длине волны оптических фильтров, для чего осуществляют изменение эффективного показателя преломления волновода в резонаторе путем приложения внешнего электрического поля к волноводу резонатора, при этом длина волны источника изменяется от меньшей величины к большей, причем фильтрующая способность определяется показателем преломления материала, из которого изготовлены волноводы.the light wavelength in the waveguide is rebuilt by electro-optical reconstruction of the optical filters along the wavelength, for which the effective refractive index of the waveguide in the resonator is changed by applying an external electric field to the resonator waveguide, while the source wavelength changes from a smaller value to a larger one, and the filtering ability determined by the refractive index of the material from which the waveguides are made. 12. Способ по п.9, в котором осуществляют перестроение длины волны света в волноводе путем акустооптического перестроения по длине волны оптических фильтров, для чего осуществляют изменение спектра пропускания волновода в резонаторе путем воздействия ультразвуковыми колебаниями на указанный волновод, при этом длина волны источника изменяется от меньшей величины к большей, причем фильтрующая способность определяется показателем преломления материала, из которого изготовлены волноводы.12. The method according to claim 9, in which the reconstruction of the wavelength of light in the waveguide by acousto-optic reconstruction along the wavelength of the optical filters, for which they change the transmission spectrum of the waveguide in the cavity by ultrasonic vibrations on the specified waveguide, while the wavelength of the source varies from smaller to larger, and the filtering ability is determined by the refractive index of the material from which the waveguides are made.
RU2019134249A 2019-10-25 2019-10-25 Spectrometer based on tunable laser on chip, and spectrum measuring method RU2720063C1 (en)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019134249A RU2720063C1 (en) 2019-10-25 2019-10-25 Spectrometer based on tunable laser on chip, and spectrum measuring method
KR1020200074450A KR20210049660A (en) 2019-10-25 2020-06-18 Spectrometer based upon tunable on-chip laser and spectrum measurement method
US17/021,157 US20210121068A1 (en) 2019-10-25 2020-09-15 Spectrometer including tunable on-chip laser and spectrum measurement method
EP20199491.0A EP3812722A1 (en) 2019-10-25 2020-10-01 Spectrometer including tunable on-chip laser and spectrum measurement method
CN202011077198.5A CN112704494A (en) 2019-10-25 2020-10-10 Spectrometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019134249A RU2720063C1 (en) 2019-10-25 2019-10-25 Spectrometer based on tunable laser on chip, and spectrum measuring method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2720063C1 true RU2720063C1 (en) 2020-04-23

Family

ID=70415475

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019134249A RU2720063C1 (en) 2019-10-25 2019-10-25 Spectrometer based on tunable laser on chip, and spectrum measuring method

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20210049660A (en)
RU (1) RU2720063C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080220512A1 (en) * 2007-03-09 2008-09-11 Nellcor Puritan Bennett Llc Tunable laser-based spectroscopy system for non-invasively measuring body water content
WO2009070849A1 (en) * 2007-12-05 2009-06-11 The Australian National University Spectroscopic detection system and method
RU2406078C2 (en) * 2008-06-30 2010-12-10 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная компания "АМТ Новационные Технологии" Method for detection and identification of biological microobjects and their nanocomponents and related device for implementation thereof
US20140168636A1 (en) * 2010-11-25 2014-06-19 Seiko Epson Corporation Spectrometer
RU2649048C1 (en) * 2016-11-25 2018-03-29 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Compact spectrometer system intended for non-invasive measurement of spectra of absorption and transmission of specimens of biological material

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080220512A1 (en) * 2007-03-09 2008-09-11 Nellcor Puritan Bennett Llc Tunable laser-based spectroscopy system for non-invasively measuring body water content
WO2009070849A1 (en) * 2007-12-05 2009-06-11 The Australian National University Spectroscopic detection system and method
RU2406078C2 (en) * 2008-06-30 2010-12-10 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная компания "АМТ Новационные Технологии" Method for detection and identification of biological microobjects and their nanocomponents and related device for implementation thereof
US20140168636A1 (en) * 2010-11-25 2014-06-19 Seiko Epson Corporation Spectrometer
RU2649048C1 (en) * 2016-11-25 2018-03-29 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Compact spectrometer system intended for non-invasive measurement of spectra of absorption and transmission of specimens of biological material

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210049660A (en) 2021-05-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11313725B2 (en) Miniaturized Fourier-transform Raman spectrometer systems and methods
CA3161270A1 (en) Optical sensing module
US20210121068A1 (en) Spectrometer including tunable on-chip laser and spectrum measurement method
US7283242B2 (en) Optical spectroscopy apparatus and method for measurement of analyte concentrations or other such species in a specimen employing a semiconductor laser-pumped, small-cavity fiber laser
KR102498119B1 (en) Compact spectrometer system for non-invasive measurement of absorption and transmission spectra in biological tissue samples
US5122974A (en) Phase modulated spectrophotometry
US4972331A (en) Phase modulated spectrophotometry
TW201901150A (en) Adjustable hybrid III-V/IV laser sensor system wafer for instantaneous monitoring of blood composition concentration
US20220413143A1 (en) Sensing system
US20230375525A1 (en) Optical sensing module
US11766216B2 (en) Optical sensing module
JP6180657B2 (en) Tunable filter for spectrum detection
US11846545B2 (en) Device and method for the spectroscopic analysis of Brillouin scattered light
WO2022029486A1 (en) Optical sensing module
US20060280216A1 (en) Semiconductor laser-based spectrometer
JP2006509210A (en) Tunable light source for spectroscopic analysis with stable output and method of operating the same
US6625480B2 (en) Apparatus and method for measuring a concentration of a component of a target material
CN116669629A (en) Raman probes and devices and methods for non-invasive in vivo measurement of the presence or concentration of an analyte
RU2720063C1 (en) Spectrometer based on tunable laser on chip, and spectrum measuring method
KR101792584B1 (en) Apparatus and method of Homodyne-based multi-channel body composition analyzing
WO2005067110A2 (en) A semiconductor laser-pumped, small-cavity fiber laser and an optical spectroscopy apparatus and method for measurement of analyte concentrations or other such species in a specimen employing such a laser
JP2015059800A (en) Raman spectroscopic measuring method and raman spectroscopic measuring apparatus
JP2004147706A (en) Apparatus and method for determining non-invasive biomedical component
US20230277062A1 (en) Optical sensing module
US20240130677A1 (en) Optical sensing module