CN105890750B - 双耦合器器件、光谱仪和无创生物计量传感器 - Google Patents

双耦合器器件、光谱仪和无创生物计量传感器 Download PDF

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Abstract

提供了配置为接收不同偏振分量的光的双耦合器器件、包括该双耦合器器件的光谱仪以及包括该光谱仪的无创生物计量传感器。双耦合器器件可以包括例如配置为接收入射光当中的第一偏振分量的光的第一耦合器层以及配置为接收入射光当中的第二偏振分量的光的第二耦合器层，其中第一偏振分量的光的偏振方向垂直于第二偏振分量的光的偏振方向。第一耦合器层和第二耦合器层可以彼此分隔开并沿着其中光在第一耦合器层和第二耦合器层中传播的方向延伸。

Description

双耦合器器件、光谱仪和无创生物计量传感器
技术领域
与示范性实施例一致的装置和方法涉及配置为接收不同偏振分量的光的双耦合器器件(dual coupler device)、包括该双耦合器器件的光谱仪以及包括该光谱仪的无创(non-invasive)生物计量传感器。
背景技术
无创血糖测量可以通过对当入射光被反射离开人类受试者的皮肤时获得的生物计量信号的光谱分析来进行。随着诸如移动电话的移动设备的性能改进，可以尝试将无创生物计量传感器集成到移动设备中。为此，微型光谱仪可以被安装在移动设备中。
例如，微型光谱仪可以被实施为基于线性渐变滤光片(LVF)的光谱仪或基于滤光片阵列的光谱仪。基于LVF的光谱仪可以具有以下结构，其中具有逐渐变化的厚度的分隔物设置在多个光电二极管像素上使得基于LVF的光谱仪的厚度连续变化或分步变化。基于LVF的光谱仪中的各个光电二极管像素可以感测不同波长带的光，因为透射波长随分隔物的厚度而变化。基于滤光片阵列的光谱仪可以具有其中不同透射带的带通滤光片(BPF)设置在相应的光电二极管像素中的结构。
发明内容
一个或多个示范性实施例提供双耦合器器件，该双耦合器器件被使用在基于硅光子学的光谱仪中并被配置为接收不同偏振分量的光。
此外，一个或多个示范性实施例提供包括该双耦合器器件的光谱仪。
此外，一个或多个示范性实施例提供包括该光谱仪的无创生物计量传感器。
根据示范性实施例的一个方面，提供一种双耦合器器件，该双耦合器器件包括：第一耦合器层，配置为接收入射光当中的第一偏振分量的光；以及第二耦合器层，配置为接收入射光当中的第二偏振分量的光，其中第一偏振分量的光的偏振方向垂直于第二偏振分量的光的偏振方向，并且第一耦合器层和第二耦合器层彼此间隔开并沿着其中入射光在第一耦合器层和第二耦合器层中传播的方向延伸。
第一耦合器层和第二耦合器层可以彼此平行。
此外，第一耦合器层和第二耦合器层可以设置为彼此面对。
双耦合器器件还可以包括其中可埋设第一耦合器层和第二耦合器层的透明介电层。
第一耦合器层和第二耦合器层可以具有比透明介电层高的折射率。
第一耦合器层和第二耦合器层可以每个包括具有周期性光栅结构的光栅型耦合器。
第一耦合器层的周期性光栅结构可以配置为相对于第一偏振分量的光具有选择性，并且第二耦合器层的周期性光栅结构可以配置为相对于第二偏振分量的光具有选择性。
第一耦合器层的周期性光栅结构可以配置为相对于第一波长带的光具有选择性，并且第二耦合器层的周期性光栅结构可以配置为相对于第二波长带的光具有选择性，该第二波长带与第一波长带至少部分重叠。
这里，第一波长带和第二波长带可以基本上彼此相同。
双耦合器器件还可以包括反射器，该反射器配置为将入射光当中的穿过第一耦合器层和第二耦合器层的光朝向第一耦合器层和第二耦合器层反射。
反射器可以设置为与第一耦合器层分隔开第一距离，该第一距离在第一耦合器层中产生对于第二偏振分量的光的相消干涉以及对于第一偏振分量的光的相长干涉。
反射器可以设置为与第二耦合器层分隔开第二距离，该第二距离在第二耦合器层中产生对于第一偏振分量的光的相消干涉以及对于第二偏振分量的光的相长干涉。
根据另一个示范性实施例的一方面，提供一种光谱仪，该光谱仪包括：第一耦合器层，配置为接收入射光当中的第一偏振分量的光；第二耦合器层，配置为接收该入射光当中的第二偏振分量的光；以及光检测器，配置为检测由第一耦合器层和第二耦合器层的每个接收的光，其中第一偏振分量的光的偏振方向垂直于第二偏振分量的光的偏振方向，并且第一耦合器层和第二耦合器层彼此分隔开并沿着其中入射光在第一耦合器层和第二耦合器层中传播的方向延伸。
这里，第一耦合器层可以包括：第一输入耦合器，配置为选择性地耦合第一偏振分量的光；第一波导，由第一输入耦合器耦合的第一偏振分量的光沿着第一波导传播；第一谐振器，配置为谐振由第一输入耦合器耦合的第一偏振分量的光；以及第一输出耦合器，配置为将由第一谐振器谐振的第一偏振分量的光输出到光检测器。
此外，第二耦合器层可以包括：第二输入耦合器，配置为选择性地耦合第二偏振分量的光；第二波导，由第二输入耦合器耦合的第二偏振分量的光沿着第二波导传播；第二谐振器，配置为谐振由第二输入耦合器耦合的第二偏振分量的光；以及第二输出耦合器，配置为将由第二谐振器谐振的第二偏振分量的光输出到光检测器。
第一耦合器层可以包括配置为分别谐振不同波长光的至少两个第一谐振器，并且第二耦合器层可以包括分别配置为谐振不同波长光的至少两个第二谐振器。
第一耦合器层的至少两个第一谐振器中的一个和第二耦合器层的至少两个第二谐振器中的一个可以配置为谐振基本上相同波长的光。
配置为谐振相同波长的光的第一耦合器层的第一谐振器和第二耦合器层的第二谐振器可以设置为彼此面对。
第一耦合器层可以包括配置为分别选择性地耦合不同波长的光的至少两个第一输入耦合器，并且第二耦合器层可以包括配置为分别选择性耦合不同波长的光的至少两个第二输入耦合器。
第一输入耦合器可以光学地连接到至少两个第一谐振器，并且第二输入耦合器可以光学地连接到至少两个第二谐振器。
第一耦合器层可以包括分别光学地连接到所述至少两个第一谐振器的至少两个第一波导，并且第二耦合器层可以包括分别光学地连接到所述至少两个第二谐振器的至少两个第二波导。
第一输出耦合器和第二输出耦合器可以分别在第一波导和第二波导中设置在光传播方向上彼此不重叠的位置。
光谱仪还可以包括第一反射器，该第一反射器设置为面对第一输入耦合器和第二输入耦合器并被配置为将入射光当中的穿过第一耦合器层和第二耦合器层的光朝向第一耦合器层和第二耦合器层反射。
第一反射器可以设置为与第一耦合器层分隔开第一距离，该第一距离在第一输入耦合器中产生对于第二偏振分量的光的相消干涉以及对于第一偏振分量的光的相长干涉。
此外，第一反射器设置为与第二耦合器层分隔开第二距离，该第二距离在第二输入耦合器中产生对于第一偏振分量的光的相消干涉以及对于第二偏振分量的光的相长干涉。
此外，光谱仪还可以包括第二发射器，该第二反射器设置为面对第一输出耦合器和第二输出耦合器并被配置为将从第一输出耦合器和第二输出耦合器输出的光反射到光检测器。
根据另一个示范性实施例的一个方面，提供一种无创生物计量传感器，该无创生物计量传感器包括：光源，配置为向物体辐射激发光；以及光谱仪，配置为测量由激发光从物体产生的散射光的光谱分布。光谱仪可以包括：第一耦合器层，配置为接收入射光当中的第一偏振分量的光；第二耦合器层，配置为接收入射光当中的第二偏振分量的光；以及光检测器，配置为检测由第一耦合器层和第二耦合器层的每个接收的光，其中第一偏振分量的光的偏振方向垂直于第二偏振分量的光的偏振方向，并且第一耦合器层和第二耦合器层彼此间隔开并沿着其中入射光在第一耦合器层和第二耦合器层中传播的方向延伸。
根据另一个示范性实施例的一个方面，提供一种光谱仪，该光谱仪包括：第一耦合器层，配置为通过第一输入耦合器接收p偏振分量的光；第二耦合器层，配置为通过第二输入耦合器接收s偏振分量的光并设置为在第一方向上与第一耦合器层分隔开，该第一方向垂直于其中p偏振分量的光和s偏振分量的光分别在第一耦合器层和第二耦合器层中传播的第二方向；以及反射器，设置为在第一方向上与第一耦合器层和第二耦合器层分隔开，在第二方向上与第一输入耦合器和第二输入耦合器对准，并配置为将从第一输入耦合器和第二输入耦合器入射的光反射回到第一输入耦合器和第二输入耦合器。
第一耦合器层可以朝向设置在第一耦合器层中的第一输出耦合器传播p偏振分量的光，第二耦合器层可以朝向设置在第二耦合器层中的第二输出耦合器传播s偏振分量的光，并且第一输出耦合器可以设置为在第二方向上不与第二输出耦合器重叠。
光谱仪还可以包括另一个反射器，该另一个反射器设置为在第一方向上与第一耦合器层和第二耦合器层分隔开，并被定位以使从第一输出耦合器和第二输出耦合器入射的光反射(bounce off)回到第一输出耦合器和第二输出耦合器。
附图说明
通过参照附图描述某些示范性实施例，以上和/或其它的方面将更加明显，附图中：
图1是根据示范性实施例的光谱仪的示意性透视图；
图2是根据另一个示范性实施例的光谱仪的示意性透视图；
图3是根据示范性实施例的耦合器器件的示意性截面图；
图4是根据另一个示范性实施例的耦合器器件的示意性截面图；
图5是根据示范性实施例的无创生物计量传感器的示意性方框图；
图6示出图5所示的无创生物计量传感器的光学布置的示例；
图7示出图5所示的无创生物计量传感器的光学布置的另一个示例；以及
图8示出图5所示的无创生物计量传感器的光学布置的另一个示例。
具体实施方式
下面参照附图更详细地描述示范性实施例。
在下面的描述中，同样的附图标记用于同样的元件，即使在不同的附图中。在描述中限定的事项，诸如具体结构和元件，被提供来帮助对示范性实施例的全面理解。然而，显然的，示范性实施例可以在没有这些具体限定的事项的情况下实施。此外，已知的功能或结构没有被详细描述，因为它们可能以不必要的细节而使描述模糊。
如这里所用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意和全部组合。诸如“…中的至少一个”的表述在一列元件之后时修饰整列元件而不修饰该列表的个别元件。
在下文，将参照附图详细描述根据示范性实施例的双耦合器器件、包括该双耦合器器件的光谱仪以及包括该光谱仪的无创生物计量传感器。附图中，为了描述的清楚和方便起见，元件的尺寸可以被夸大。将理解，当一个层被称为在另一个层“上”时，它可以直接在该另一个层上，或者还可以存在一个或多个插入层。
图1是根据示范性实施例的光谱仪的示意性透视图。参照图1，光谱仪100可以包括基于硅光子学的耦合器器件140和光检测器150。例如，耦合器器件140可以从物体接收散射光LS，根据波长将散射光LS分开，并将分开的光提供到光检测器150。光检测器150可以检测由耦合器器件140根据波长分开的多个光束的强度。例如，光检测器150可以包括电荷耦合器件(CCD)图像传感器、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器或光电传感器阵列。光谱仪100可以分析相关波长带中的散射光LS的光谱分布。
耦合器器件140可以包括：输入耦合器111，配置为将入射光耦合到耦合器器件140；波导112，由输入耦合器111耦合的光沿着其传播；谐振器113，配置为谐振由输入耦合器111耦合的光；以及输出耦合器114，配置为将由谐振器113谐振的光输出到光检测器150。谐振器113可以包括设置在波导112中的两个谐振器反射镜121和122。在此结构中，由输入耦合器111耦合的光可以沿着波导112传播。此外，光可以在谐振器113的两个谐振器反射镜121和122之间谐振，并且仅具有谐振器113的谐振波长的光可以从谐振器113输出。从谐振器113输出的光可以从耦合器器件140通过输出耦合器114传播到光检测器150。
为了将入射光根据波长分开，耦合器器件140可以包括至少两个输入耦合器111、至少两个波导112、至少两个谐振器113和至少两个输出耦合器114。该至少两个输入耦合器111可以配置为分别耦合不同波长的光。例如，该至少两个输入耦合器111中的一个可以配置为选择性耦合第一波长带λ1的光，并且该至少两个输入耦合器111中的另一个可以配置为选择性耦合第二波长带λ2的光。此外，该至少两个谐振器113可以配置为分别谐振不同波长的光。例如，该至少两个谐振器113中的一个可以配置为谐振第一波长带λ1的光，并且该至少两个谐振器113中的另一个可以配置为谐振第二波长带λ2的光。谐振器113的谐振波长可以通过两个谐振器反射镜121和122之间的距离调整。谐振器113可以光学地连接到该至少两个输入耦合器111中的对应一个，并谐振与连接到其的输入耦合器111的选择波长带基本上相同波长带的光。例如，配置为选择性耦合第一波长带λ1的光的输入耦合器111可以光学地连接到具有第一波长带λ1的谐振波长的谐振器113。
如图1所示，输入耦合器111、波导112、谐振器113和输出耦合器114可以彼此平行地设置在耦合器器件140的宽度方向上的不同位置。根据本示范性实施例，不同波长的光可以分别从设置在耦合器器件140的宽度方向的不同位置的输出耦合器114入射在光检测器150上。然后，不同波长的光可以分别入射在光检测器150的不同位置上。因此，入射光的光谱分布可以通过测量分别入射在光检测器150的不同位置上的光的强度来分析。
图1示范性地示出五个输入耦合器111、五个波导112、五个谐振器113和五个输出耦合器114。因此，光谱仪100可以将入射光分成五个波长带λ1、λ2、λ3、λ4和λ5。然而，图1所示的输入耦合器111、波导112、谐振器113或输出耦合器114的数量仅是示范性的。例如，十个或更多输入耦合器111、波导112、谐振器113和输出耦合器114可以设置为根据从活体透射或散射的生物计量光学信号分析期望的生物计量信息。
此外，尽管图1示出输入耦合器111、谐振器113和输出耦合器114通过一个波导112物理地连接，但是这仅是示范性的。也就是，输入耦合器111、谐振器113和输出耦合器114可以不是通过一个波导112物理地连接，而是任何器件可以用于将来自输入耦合器111的光传输到谐振器113并将来自谐振器113的光传输到耦合器114。例如，空的空间可以存在于谐振器113和输出耦合器114之间，并且波导112可以仅部分地存在于其中。因此，输入耦合器111、波导112、谐振器113和输出耦合器114可以被光学地连接，尽管没有被物理地连接。此外，从输入耦合器111到输出耦合器114的光路可以不必为直线。
图2是根据另一个示范性实施例的光谱仪的示意性透视图。图2所示的光谱仪200可以包括单个输入耦合器111和单个输出耦合器114。输入耦合器111和输出耦合器114可以光学地连接到至少两个波导112和至少两个谐振器113。除了输入耦合器111和输出耦合器114的数量之外，图2所示的光谱仪200的配置可以与图1所示的光谱仪100的配置相同。在图2所示的示范性实施例中，输入耦合器111和输出耦合器114可以不具有波长选择性。例如，输入耦合器111可以耦合所有波长带的光并将耦合的光分别提供到波导112。此外，分别具有不同谐振波长的谐振器113可以仅将相应波长的光输出到输出耦合器114。
此外，尽管图2示出光谱仪200包括一个输入耦合器111和一个输出耦合器114，但是根据另一个示范性实施例可以包括具有波长选择性的至少两个输入耦合器111和不具有波长选择性的一个输出耦合器114。此外，根据另一个示范性实施例可以包括不具有波长选择性的一个输入耦合器111和具有波长选择性的至少两个输出耦合器114。
通常，输入耦合器111包括具有周期性光栅结构的光栅型耦合器，并且光栅型耦合器具有偏振选择性。例如，输入耦合器111可以耦合入射到输入耦合器111上的光的p偏振分量(也被称为横向磁(TM)分量)或s偏振分量(也被称为横向电(TE)分量)。当入射光的某些偏振分量没有被耦合时，输入耦合器11的耦合效率会降低并且会发生光损失。在此情况下，光谱仪的稳定的光谱分析会是困难的。根据本示范性实施例的耦合器器件140可以配置为具有两层结构，该两层结构相对于p偏振分量和s偏振分量具有选择性，以通过耦合所有偏振分量的光而改善耦合效率。
例如，图3是根据示范性实施例的耦合器器件的示意性截面图。参照图3，耦合器器件140可以包括第一耦合器层110a和第二耦合器层110b。此外，耦合器器件140还可以包括其中埋设第一耦合器层110a和第二耦合器层110b的透明介电层101。第一耦合器层110a和第二耦合器层110b可以通过透明介电层101固定并分别设置在不同的层中。这里，第一耦合器层110a和第二耦合器层110b可以包括具有比其周围的透明介电层101高的折射率的材料。例如，透明介电层101可以包括SiO2或基于硅氧烷的旋涂玻璃(SOG)，并且第一耦合器层110a和第二耦合器层110b可以包括高折射率材料，诸如TiO2、SiN3、ZnS、ZnSe或Si3N4。此外，第一耦合器层110a和第二耦合器层110b可以包括相同的材料或者可以包括不同的材料以改善波长选择性。
如图3所示，第一耦合器层110a和第二耦合器层110b可以沿着透明介电层101中的入射光传播方向分别设置在不同的层中。第一耦合器层110a和第二耦合器层110b可以具有相反的偏振选择性。例如，第一耦合器层110a可以配置为相对于p偏振分量的光具有选择性，并且第二耦合器层110b可以配置为相对于s偏振分量的光具有选择性。这样，耦合器器件140可以为具有双层结构的双耦合器器件。
第一耦合器层110a可以包括设置在相同的层中的第一输入耦合器111a、第一波导112a、第一谐振器113a和第一输出耦合器114a。尽管图3中没有示出，但是如图1和图2所示，第一耦合器层110a可以包括至少两个第一输入耦合器111a、至少两个第一波导112a、至少两个第一谐振器113a和至少两个第一输出耦合器114a，它们具有不同的波长选择性。此外，每个第一谐振器113a可以包括设置在第一波导112a中的两个谐振器反射镜121a和122a。这里，第一输入耦合器111a可以例如为具有周期性光栅结构的光栅型耦合器，其配置为相对于p偏振分量的光具有选择性。因此，入射光当中的p偏振分量的光可以通过第一输入耦合器111a提供到第一波导112a。
此外，第二耦合器层110b可以包括设置在相同的层中的第二输入耦合器111b、第二波导112b、第二谐振器113b和第二输出耦合器114b。与第一耦合器层110a一样，第二耦合器层110b可以包括至少两个第二输入耦合器111b、至少两个第二波导112b、至少两个第二谐振器113b和至少两个第二输出耦合器114b，它们具有不同的波长选择性。每个第二谐振器113b可以包括设置在第二波导112b中的两个谐振器反射镜121b和122b。第二输入耦合器111b可以例如为具有周期性光栅结构的光栅型耦合器，其配置为相对于s偏振分量的光具有选择性。因此，入射光当中的s偏振分量的光可以通过第二输入耦合器111b提供到第二波导112b。
第一耦合器层110a和第二耦合器层110b可以设置在不同的层中以彼此平行且彼此面对。例如，第一耦合器层110a的第一输入耦合器111a、第一波导112a、第一谐振器113a和第一输出耦合器114a可以平行于第二耦合器层110b的第二输入耦合器111b、第二波导112b、第二谐振器113b和第二输出耦合器114b布置。此外，第一耦合器层110a的布置在耦合器器件140的宽度方向上的至少两个第一输入耦合器111a、至少两个第一波导112a和至少两个第一谐振器113a可以设置为分别面对第二耦合器层110b的至少两个第二输入耦合器111b、至少两个第二波导112b和至少两个第二谐振器113b。当这两个元件彼此面对时，当在高度方向上观看时这两个元件看起来彼此重叠，该高度方向也就是透明介电层101的顶表面的垂直方向。
设置为彼此面对的第一输入耦合器111a和第二输入耦合器111b可以配置为相对于相同的波长带具有不同的偏振选择性。例如，配置为选择性耦合具有p偏振分量的第一波长带λ1的光的第一输入耦合器111a可以设置为面对配置为选择性耦合具有s偏振分量的第一波长带λ1的光的第二输入耦合器111b。然而，由彼此面对的第一输入耦合器111a和第二输入耦合器111b分别耦合的光的波长带可以不必彼此相同。而是，由第一输入耦合器111a耦合的光的波长带可以与由面对第一输入耦合器111a的第二输入耦合器111b耦合的光的波长带部分地重叠。例如，由第一输入耦合器111a耦合的光的波长带可以为λ1±Δλ,，并且由面对第一输入耦合器111a的第二输入耦合器111b耦合的光的波长带可以为λ1±Δλ’。
类似地，设置为彼此面对的第一谐振器113a和第二谐振器113b可以配置为具有基本上相同的谐振波长。例如，配置为谐振第一波长带λ1的光的第一谐振器113a可以设置为面对配置为谐振第一波长带λ1的光的第二谐振器113b。设置为彼此面对的第一谐振器113a和第二谐振器113b中的两个谐振器反射镜121a和122a之间的距离以及两个谐振器反射镜121b和122b之间的距离可以彼此相等。
如图3所示，第一输出耦合器114a和第二输出耦合器114b可以分别在第一波导112a和第二波导112b中设置在纵向方向上(也就是，在光传播方向上)彼此不重叠的位置。这样做使得从第一输出耦合器114a输出并朝向光检测器150传播的光可以不经过第二输出耦合器114b。因此，从第一输出耦合器114a朝向光检测器150传播的光可以到达光检测器150而不被第二输出耦合器114b阻挡。
尽管上面已经描述了设置至少两个第一输入耦合器111a、至少两个第二输入耦合器111b、至少两个第一输出耦合器114a和至少两个第二输出耦合器114b，但是图3所示的耦合器器件140可以应用于图1所示的光谱仪100以及图2所示的光谱仪200。例如，仅一个第一输入耦合器111a可以光学地连接到至少两个第一波导112a和至少两个第一谐振器113a。此外，仅一个第二输入耦合器111b可以光学地连接到至少两个第二波导112b和至少两个第二谐振器113b。
耦合器器件140的耦合效率可以通过采用如上所述的彼此独立操作的第一耦合器层110a和第二耦合器层110b而改善。例如，第一耦合器层110a可以被设计为优化p偏振分量的光的接收，并且第二耦合器层110b可以被设计为优化s偏振分量的光的接收。因此，耦合器器件140可以以高效率接收包括在入射光中的p偏振分量的光和s偏振分量的光两者。因此，可以改善包括耦合器器件140的光谱仪100和200的光谱分析精确性。此外，第一耦合器层110a和第二耦合器层110b可以布置在不同高度的层中而不增加耦合器器件140的面积。因此，包括耦合器器件140的光谱仪100和200可以被小型化。
图4是根据另一个示范性实施例的耦合器器件的示意性截面图。如图4所示，耦合器器件140还可以包括第一反射器131和第二反射器132。第一反射器131可以设置为面对第一输入耦合器111a和第二输入耦合器111b，并且第二反射器132可以设置为面对第一输出耦合器114a和第二输出耦合器114b。
第一反射器131配置为将穿过第一输入耦合器111a和第二输入耦合器111b而没有被第一输入耦合器111a和第二输入耦合器111b吸收的光反射到第一输入耦合器111a和第二输入耦合器111b。当光被投射到第一输入耦合器111a和第二输入耦合器111b上时，某些光穿过第一输入耦合器111a和第二输入耦合器111b而没有被吸收并到达第一反射器131。入射在第一反射器131上的光可以反射回它所来自的方向。第一输入耦合器111a和第二输入耦合器111b可以接收反射离开第一反射器131的光。因此，耦合器器件140的耦合效率可以通过重新利用剩余的没有被吸收的光而被进一步改善。第一反射器131可以设置在与耦合器器件140的其上入射光的光入射表面相反的一侧上。例如，当光入射在耦合器器件140的顶表面上时，第一反射器131可以设置在耦合器器件140的底表面和第二输入耦合器111b之间。
特别地，第一输入耦合器111a和第二输入耦合器111b的耦合效率可以通过利用当光以小于布鲁斯特角的角度入射在第一反射器131上时在p偏振分量的反射光和s偏振分量的反射光之间发生相位差的事实而被进一步改善。通常，当第一反射器131是良好的导体时，p偏振分量的反射光和s偏振分量的反射光之间的相位差为180°，并且相同的效果也可以实现在电介质布拉格反射器中。因此，第一输入耦合器111a和第一反射器131之间的距离可以被设定为在第一输入耦合器111a中对于s偏振分量的光引起入射光和反射光之间的相消干涉以及对于p偏振分量的光引起入射光和反射光之间的相长干涉。因而，第一输入耦合器111a中的p偏振分量的光的选择性可以被进一步改善。此外，第二输入耦合器111b和第一反射器131之间的距离可以被设定为在第二输入耦合器111b中对于p偏振分量的光引起入射光和反射光之间的相消干涉以及对于s偏振分量的光引起入射光和反射光之间的相长干涉。因而，第二输入耦合器111b中的s偏振分量的光的选择性可以被进一步改善。
例如，进行时域有限差分(FDTD)模拟以证实图1所示的光谱仪100的效果。在FDTD模拟中，假设输入耦合器111的光栅节距尺寸为600～700nm，波导112由Si3N4形成，透明介电层101由SiO2形成，第一耦合器层110a和第二耦合器层110b之间的距离为2.2μm，并且第二耦合器层110b和第一反射器131之间的距离为540nm。作为FDTD模拟的结果，当不设置第一反射器131时，p偏振分量的光的约25％被第一输入耦合器111a吸收，并且p偏振分量的光的约6％被第二输入耦合器111b吸收。此外，s偏振分量的光的约4％的光被第一输入耦合器111a吸收，并且s偏振分量的光的约11％被第二输入耦合器111b吸收。另一方面，当设置第一反射器131时，p偏振分量的光的约60％被第一输入耦合器111a吸收，并且p偏振分量的光的约1％被第二输入耦合器111b吸收。此外，s偏振分量的光的约2％被第一输入耦合器111a吸收，并且s偏振分量的光的约50％被第二输入耦合器111b吸收。因此，耦合器器件140的信噪比和耦合效率可以被极大地提高。
此外，第二反射器132配置为将散射而没有从第一输出耦合器114a和第二输出耦合器114b传播的光反射到光检测器150。通过利用第二反射器132增加输出到光检测器的光的量，输出耦合效率可以被改善。第二反射器132可以设置在与光检测器150相反的一侧上。例如，当光检测器150设置为面对耦合器器件140的底表面时，第二反射器132可以设置在耦合器器件140的顶表面和第一输出耦合器114a之间。
光谱仪100和200可以以半导体芯片的形式被制造为微小尺寸同时具有高分辨率和精确性。因此，安装在移动设备中的无创生物计量传感器可以通过采用以上的光谱仪100和200实现。
例如，图5是根据示范性实施例的包括图1的光谱仪的无创生物计量传感器的示意性方框图。参照图5，无创生物计量传感器1000可以包括配置为向物体OBJ辐射激发光LE的光源单元(例如，光发射器)300以及配置为对由物体OBJ产生的散射光LS进行光谱分析的光谱仪100。这里，物体OBJ可以包括人体、动物的活体或食物。例如，物体OBJ可以为用于血糖测量的人体或者新鲜度测量的食物，并可以为用于空气污染或水污染的分析的样品。
光源单元300可以包括光源并且还可以包括用于将来自光源的光引导到物体OBJ的期望位置的至少一个光学构件。光源可以配置为辐射根据物体OBJ的分析目标特性而预定的波长带的光。例如，光源可以辐射约0.8μm至约2.5μm的波长带的近红外光。光源可以包括例如发光二极管(LED)或激光二极管(LD)。
此外，无创生物计量传感器1000还可以包括控制单元(例如，控制器或硬件计算装置)600，该控制单元600被配置为根据由光谱仪100感测的信号分析物体OBJ的特性并产生对应的控制信号。控制单元600可以包括用户界面500和信号处理单元(例如，信号处理器)400。用户界面500可以包括输入单元和显示器。信号处理单元400可以根据由光谱仪100感测的信号分析物体OBJ的特性。例如，信号处理单元400可以通过拉曼光谱或近红外(NIR)吸收光谱分析来分析物体OBJ的特性。拉曼光谱可以利用其中输入到物体OBJ中的光通过与包括在物体OBJ中的分子或原子碰撞而被散射在不同方向上的散射(scattering)(特别地，非弹性散射)。在非弹性散射中，不是从分子或原子的表面被简单地反射，入射光在被吸收到分子或原子中之后被发射，其中被散射的光可以具有比入射光更长的波长，并且被散射的光和入射光之间的波长差异可以为约200nm或更小。各种特性诸如物体OBJ中的分子结构和分子振动可以通过分析被散射的光的光谱而检测。
信号处理单元400可以将分析结果处理成视频信号以在用户界面500的显示器上显示。此外，信号处理单元400可以根据来自用户界面500的输入而将控制信号传输到光源单元300。例如，信号处理单元400可以由微处理器实施。
光谱仪100和控制单元600可以通过导线或无线通讯连接到彼此。例如，无创生物计量传感器1000可以被实施为其中光谱仪100和控制单元600通过导线连接的迷你便携式装置。作为另一个示例，控制单元600可以被安装在便携式移动通讯设备上以与光谱仪100无线通讯。
图6示出图5所示的无创生物计量传感器1000的光学布置的示例。参照图6，无创生物计量传感器1000可以被实施为反射型。无创生物计量传感器1000的光学系统可以配置为使得光谱仪100可以感测从物体OBJ反射的散射光LS。例如，光源单元300可以包括光源310、光路转换器320和光圈330。尽管光路转换器320被示出为棱镜型，但是这仅是示范性的，光路转换器320也可以为分束器(beam splitter)型或平面反射镜型。光路转换器320可以根据光源310的位置而省略。此外，光源单元300还可以包括光学透镜350，光学透镜350配置为将来自物体OBJ的散射光LS聚焦在光谱仪100上。
从光源310辐射的激发光LE与物体OBJ中的分子结构碰撞。进而，激发光被吸收到分子结构中并从其发射，使得被波长转换的散射光LS从物体OBJ输出。散射光LS(也就是，生物计量的光学信号)可以包括根据物体OBJ中的分子状态而具有不同的波长转换程度的各种光谱。无创生物计量传感器1000包括光学系统结构，其中沿着与激发光LE到物体OBJ的输入路径相同的路径输出的散射光LS被输入到光谱仪100。此外，无创生物计量传感器1000还可以包括将散射光LS分支到光谱仪100的额外光学器件。
图7示出图5所示的无创生物计量传感器1000的光学布置的另一个示例。参照图7，无创生物计量传感器1000可以被实施为透射型。无创生物计量传感器1000的光学系统可以被配置为使得光谱仪100可以感测透射穿过物体OBJ的散射光LS。例如，光源单元300可以包括光源310、光路转换器320和光圈330。尽管光路转换器320被示出为棱镜形式，但是这仅是示范性的，光路转换器320也可以为分束器型或平面反射镜型。光路转换器320可以根据光源310的位置而省略。光源单元300还可以包括光学透镜350，光学透镜350配置为将来自物体OBJ的散射光LS聚焦在光谱仪100上。
从光源310辐射的激发光LE与物体OBJ中的分子结构碰撞。进而，激发光LE被吸收到分子结构中并从其发射，使得被波长转换的散射光LS从物体OBJ输出。散射光LS(也就是，生物计量的光学信号)可以包括根据物体OBJ中的分子状态而具有不同的波长转换程度的各种光谱。无创生物计量传感器1000包括光学系统结构，其中穿过物体OBJ输出的散射光LS被输入到光谱仪100。
图8示出图5所示的无创生物计量传感器1000的光学布置的另一个示例。参照图8，无创生物计量传感器1000还可以包括基底380，并且光源310和光谱仪100可以设置在基底380的相同表面上或者在基底380的不同表面上。例如，基底380可以由透明材料形成，并且光源310和光谱仪100可以设置在基底380的相同表面上，同时彼此间隔开。在此情况下，光源310可以设置为使激发光LE穿过基底380辐射到物体OBJ。光谱仪100可以设置为感测从物体OBJ穿过基底380输入的散射光LS。此外，在基底380的另一个表面上，光学透镜360可以被进一步设置以将来自光源310的激发光LE聚焦在物体OBJ上并将来自物体OBJ的散射光LS聚焦在光谱仪100上。
基底380可以由柔性材料形成。在此情况下，无创生物计量传感器1000可以被配置为可穿戴在物体OBJ上。例如，无创生物计量传感器1000可以被实施为臂环(armlet)型的无创血糖传感器。在此情况下，控制单元600可以与光谱仪100一起设置在基底380上。作为另一个示例，无创生物计量传感器1000可以以这样的方式实施，使得仅光源310和光谱仪100形成在臂环型的可穿戴结构中并且控制单元600被安装在移动设备上。
前述的示范性实施例仅是示范性的而不应被解释为进行限制。本教导可以容易地应用到其它类型的装置。此外，示范性实施例的描述旨在是说明性的，而不限制权利要求的范围，并且许多替换、修改和变化对本领域技术人员来说将是明显的。
本申请要求于2015年2月17日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2015-0024020的优先权，其公开内容通过引用整体结合于此。

Claims (24)

1.一种双耦合器器件，包括：
第一耦合器层，配置为从入射光接收第一偏振分量的光，所述第一耦合器层包括配置为选择性耦合所述第一偏振分量的光的第一输入耦合器；和
第二耦合器层，配置为从所述入射光接收第二偏振分量的光，所述第二耦合器层包括配置为选择性耦合所述第二偏振分量的光的第二输入耦合器，
其中所述第一输入耦合器和所述第二输入耦合器配置为使得所述第一偏振分量的光的偏振方向垂直于所述第二偏振分量的光的偏振方向，并且
其中所述第一耦合器层和所述第二耦合器层彼此分隔开并沿着所述入射光在所述第一耦合器层和所述第二耦合器层中传播的方向延伸。
2.如权利要求1所述的双耦合器器件，其中所述第一耦合器层和所述第二耦合器层彼此平行且彼此面对。
3.如权利要求1所述的双耦合器器件，还包括其中埋设所述第一耦合器层和所述第二耦合器层的透明介电层，
其中所述第一耦合器层和所述第二耦合器层具有比所述透明介电层的折射率高的折射率。
4.如权利要求1所述的双耦合器器件，其中所述第一耦合器层和所述第二耦合器层中的每个包括具有周期性光栅结构的光栅型耦合器。
5.如权利要求4所述的双耦合器器件，其中所述第一耦合器层的所述周期性光栅结构被配置为相对于所述第一偏振分量的光具有选择性，并且所述第二耦合器层的所述周期性光栅结构被配置为相对于所述第二偏振分量的光具有选择性。
6.如权利要求4所述的双耦合器器件，其中所述第一耦合器层的所述周期性光栅结构被配置为相对于第一波长带的光具有选择性，并且所述第二耦合器层的所述周期性光栅结构被配置为相对于与所述第一波长带至少部分重叠的第二波长带的光具有选择性。
7.如权利要求6所述的双耦合器器件，其中所述第一波长带和所述第二波长带彼此相同。
8.如权利要求1所述的双耦合器器件，还包括反射器，该反射器配置为将所述入射光当中的穿过所述第一耦合器层和所述第二耦合器层的光朝向所述第一耦合器层和所述第二耦合器层反射。
9.如权利要求8所述的双耦合器器件，其中所述反射器设置为与所述第一耦合器层分隔开第一距离，该第一距离在所述第一耦合器层中对所述第二偏振分量的光产生相消干涉并对所述第一偏振分量的光产生相长干涉，该反射器被设置为与所述第二耦合器层分隔开第二距离，该第二距离在所述第二耦合器层中对所述第一偏振分量的光产生相消干涉并对所述第二偏振分量的光产生相长干涉。
10.一种光谱仪，包括：
第一耦合器层，配置为从入射光接收第一偏振分量的光，所述第一耦合器层包括配置为选择性耦合所述第一偏振分量的光的第一输入耦合器；
第二耦合器层，配置为从所述入射光接收第二偏振分量的光，所述第二耦合器层包括配置为选择性耦合所述第二偏振分量的光的第二输入耦合器；以及
光检测器，配置为检测由所述第一耦合器层和所述第二耦合器层中的每个接收的光，
其中所述第一输入耦合器和所述第二输入耦合器配置为使得所述第一偏振分量的光的偏振方向垂直于所述第二偏振分量的光的偏振方向，并且
其中所述第一耦合器层和所述第二耦合器层彼此分隔开并沿着其中所述入射光在所述第一耦合器层和所述第二耦合器层中传播的方向延伸。
11.如权利要求10所述的光谱仪，其中所述第一耦合器层还包括：
第一波导，由所述第一输入耦合器耦合的所述第一偏振分量的光沿着该第一波导传播；
第一谐振器，配置为谐振由所述第一输入耦合器耦合的所述第一偏振分量的光；以及
第一输出耦合器，配置为将由所述第一谐振器谐振的所述第一偏振分量的光输出到所述光检测器，并且
所述第二耦合器层还包括：
第二波导，由所述第二输入耦合器耦合的所述第二偏振分量的光沿着所述第二波导传播；
第二谐振器，配置为谐振由所述第二输入耦合器耦合的所述第二偏振分量的光；以及
第二输出耦合器，配置为将由所述第二谐振器谐振的所述第二偏振分量的光输出到所述光检测器。
12.如权利要求11所述的光谱仪，其中所述第一耦合器层包括被配置为分别谐振不同波长的光的至少两个第一谐振器，并且所述第二耦合器层包括被配置为分别谐振不同波长的光的至少两个第二谐振器。
13.如权利要求12所述的光谱仪，其中所述第一耦合器层的所述至少两个第一谐振器中的一个和所述第二耦合器层的所述至少两个第二谐振器中的一个被配置为谐振相同波长的光。
14.如权利要求12所述的光谱仪，其中所述第一耦合器层包括被配置为分别选择性地耦合不同波长的光的至少两个第一输入耦合器，并且所述第二耦合器层包括被配置为分别选择性地耦合不同波长的光的至少两个第二输入耦合器。
15.如权利要求12所述的光谱仪，其中所述第一输入耦合器光学地连接到所述至少两个第一谐振器，并且所述第二输入耦合器光学地连接到所述至少两个第二谐振器。
16.如权利要求12所述的光谱仪，其中所述第一耦合器层包括分别光学地连接到所述至少两个第一谐振器的至少两个第一波导，并且所述第二耦合器层包括分别光学地连接到所述至少两个第二谐振器的至少两个第二波导。
17.如权利要求11所述的光谱仪，其中所述第一输出耦合器和所述第二输出耦合器分别在所述第一波导和所述第二波导中设置在光传播方向上彼此不重叠的位置。
18.如权利要求11所述的光谱仪，还包括第一反射器，该第一反射器被设置为面对所述第一输入耦合器和所述第二输入耦合器并被配置为将所述入射光当中的穿过所述第一耦合器层和所述第二耦合器层的光朝向所述第一耦合器层和所述第二耦合器层反射。
19.如权利要求18所述的光谱仪，其中所述第一反射器设置为与所述第一耦合器层分隔开第一距离，该第一距离在所述第一输入耦合器中对所述第二偏振分量的光产生相消干涉并对所述第一偏振分量的光产生相长干涉，并且该第一反射器设置为与所述第二耦合器层分隔开第二距离，该第二距离在所述第二输入耦合器中对所述第一偏振分量的光产生相消干涉并对所述第二偏振分量的光产生相长干涉。
20.如权利要求18所述的光谱仪，还包括第二反射器，该第二反射器设置为面对所述第一输出耦合器和所述第二输出耦合器并配置为将从所述第一输出耦合器和所述第二输出耦合器输出的光反射到所述光检测器。
21.一种无创生物计量传感器，包括：
光源，配置为向物体辐射激发光；和
光谱仪，配置为测量通过所述激发光从所述物体产生的散射光的光谱分布，
所述光谱仪包括：
第一耦合器层，配置为从入射光接收第一偏振分量的光，所述第一耦合器层包括配置为选择性耦合所述第一偏振分量的光的第一输入耦合器；
第二耦合器层，配置为从所述入射光接收第二偏振分量的光，所述第二耦合器层包括配置为选择性耦合所述第二偏振分量的光的第二输入耦合器；以及
光检测器，配置为检测由所述第一耦合器层和所述第二耦合器层中的每个接收的光，
其中所述第一输入耦合器和所述第二输入耦合器配置为使得所述第一偏振分量的光的偏振方向垂直于所述第二偏振分量的光的偏振方向，并且
其中所述第一耦合器层和所述第二耦合器层彼此分隔开并沿着所述入射光在所述第一耦合器层和所述第二耦合器层中传播的方向延伸。
22.一种光谱仪，包括：
第一耦合器层，配置为通过第一输入耦合器接收p偏振分量的光；
第二耦合器层，配置为通过第二输入耦合器接收s偏振分量的光并设置为在第一方向上与所述第一耦合器层分隔开，所述p偏振分量的光和所述s偏振分量的光在第二方向上分别在所述第一耦合器层和所述第二耦合器层中传播，所述第一方向垂直于所述第二方向；以及
反射器，设置为在所述第一方向上与所述第一耦合器层和所述第二耦合器层分隔开，在所述第二方向上与所述第一输入耦合器和所述第二输入耦合器对准，并配置为将从所述第一输入耦合器和所述第二输入耦合器入射的光反射回到所述第一输入耦合器和所述第二输入耦合器。
23.如权利要求22所述的光谱仪，其中所述第一耦合器层将所述p偏振分量的光朝向设置在所述第一耦合器层中的第一输出耦合器传播，
所述第二耦合器层将所述s偏振分量的光朝向设置在所述第二耦合器层中的第二输出耦合器传播，并且
所述第一输出耦合器设置为在所述第二方向上不与所述第二输出耦合器重叠。
24.如权利要求23所述的光谱仪，还包括另一个反射器，该另一个反射器设置为在所述第一方向上与所述第一耦合器层和所述第二耦合器层分隔开并被定位为将从所述第一输出耦合器和所述第二输出耦合器入射的光反射回到所述第一输出耦合器和所述第二输出耦合器。
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