CN110913762A - 用于实时监视血液成分浓度水平的可调谐混合iii-v/iv激光传感器片上系统 - Google Patents

用于实时监视血液成分浓度水平的可调谐混合iii-v/iv激光传感器片上系统 Download PDF

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Abstract

一种基于混合III‑V/IV片上系统技术的光谱激光传感器。激光传感器被配置为或者(i)与连接到静脉/动脉内光学导管的光纤探针一起使用，以进行直接侵入式血液分析物浓度水平测量，或者(ii)用于通过附接到例如人的皮肤或指甲床的光学接口而非侵入式地测量血液分析物浓度水平。该传感器包括III‑V增益芯片(例如基于AlGaInAsSb/GaSb的增益芯片)和光子集成电路，其中通过将基于IV的半导体基板与基于倒装芯片AlGaInAsSb/GaSb的光电检测器以及用于信号处理的嵌入式电子器件相结合，在芯片上实现激光波长滤波、激光波长调谐、激光波长监视、激光信号监视和信号输出部分。本发明的实施例可以用于实时监视关键血液分析物浓度水平，诸如乳酸、尿素、葡萄糖、氨、白蛋白等。

Description

用于实时监视血液成分浓度水平的可调谐混合III-V/IV激光 传感器片上系统
相关应用
本申请要求于2017年5月22日提交的美国临时申请序列No.62/509,301、于2017年8月1日提交的美国临时申请序列No.62/539,759和于2017年12月6日提交的美国临时申请序列No.62/595,283的优先权的权益，这些申请中的每一个通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明的实施例一般而言涉及基于混合III-V/IV片上系统技术的基于半导体的光谱传感器，该光谱传感器用于实时连续监视人体中的血液分析物浓度水平，诸如血乳酸(blood lactate)和血糖(blood glucose)浓度水平监视。
背景技术
根据美国临床化学协会(AACC)，血液分析物(诸如葡萄糖、乳酸、尿素、肌酐、氨、白蛋白等)被认为是重症监护医学中最重要的血液分析物，需要对这些分析物进行监视，以便诊断和治疗诸如败血症、器官功能障碍和衰竭、缺氧、糖尿病、脱水等严重疾病。
在一些情况下，诸如具有超过30％的高死亡率的败血症，时间是关键因素并且对重要血液分析物(诸如乳酸)的实时监视至关重要，并且能够直接影响患者的生存能力。据报道，在败血症的情况下，每延迟治疗一小时，死亡率就会增加8％；因此，及时诊断至关重要。仅在美国，单败血症就导致超过25万例导致死亡的病例，这是美国第三大最常见的死亡原因。而且，败血症是2014年美国医院最昂贵的住院费用，每年近240亿美元。参见www.sepsis.com/definition和http://www.sepsis.org/faq/，在2017年3月10日访问，其通过引用整体并入本文。及时诊断败血症并进行适当治疗是能够挽救患者生命的关键因素。乳酸是败血症的预后标志物并且实时监视血乳酸水平对于预警和治疗效果至关重要。
早期的工作报道了各种监视技术，包括利用光的监视技术。参见美国专利公开No.2014/0176958和2012/0226118，以及美国专利No.6,442,413和5,945,676，这些通过引用整体并入本文。但是，这些报告的系统或者是可植入的、使用诸如MEMS反射镜之类的移动零件，和/或使用与III-V/IV技术无关的宽带源。可植入的传感器常常带来与生物相容性相关的额外风险和额外感染的风险，并且在直接监视植入位置方面具有局限性，在一些应用中这会是个限制因素。宽带源具有较差的光谱功率密度，并且需要复杂的波长区分方案，诸如波导阵列和光电检测器阵列(2×12或与美国专利公开No.2012/0226118中的类似)。
发明内容
根据本发明实施例的传感器能够进入现有血管内，即，具有光纤接口的静脉内或动脉内导管，从而允许将传感器用于实时的直接血液代谢物水平测量。这在其中血液代谢物浓度水平的准确性至关重要的重症监护(诸如重症监护室和手术室)中特别有用，尤其是在诸如败血症之类的其中体内的血液代谢物水平会不同的特定情况下。
本文描述的配置的实施例提供了显著的优点。例如，现有的乳酸水平测量方法通常在护理点处或远程实验室测试处实现。这导致测试周转时间的范围从几分钟到几小时。特别地，护理点测试通常需要几分钟周转时间用于非实时的测试—即，血液必须从患者抽取并由仪器处理，从而提供单个数据点。根据本发明的实施例，实时测量允许跨一段时间连续收集多个数据点，从而提供历史趋势的重要信息，这对于评估治疗效果会至关重要。
对于准确性不那么关键并且体内血液代谢物水平差异不那么重要的应用，诸如在竞技和职业体育的情况下，可以使用从外部通过组织发送光的非侵入性解决方案。后一个解决方案可以被医疗诊所用于重症监护室(ICU)和手术室外的患者，与其它现有的测量(诸如血氧定量法(oximetry))一起作为预警系统，而无需患者的过多负担。而且，改善对这种复杂病例(如败血症)的预警预防有望在治疗和住院方面节省大量费用。
本发明的实施例包括基于以III-V/IV技术实现的宽可调谐激光器概念的传感器，III-V是指基于AIGInNAsSbP及其不同组合的半导体材料，本领域技术人员通常称为III-V半导体。IV是指基于IV族的半导体基板以及它们的技术平台，诸如硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上锗(GOI)、硅上锗、硅上氮化硅、绝缘体上氮化硅和绝缘体上硅上氮化硅。IV族技术使用作为微电子工业中使用的标准工业CMOS制造步骤的工艺，并允许基于IV族材料及其衍生物实现光子集成电路。不可植入的传感器没有任何移动的机械零件，并且借助于激光吸收光谱法提供实时的直接血液代谢物浓度水平测量。一种示例性的宽可调谐激光器可以通过混合组合基于GaSb的增益芯片有源介质和在硅、氮化硅、绝缘体上硅、绝缘体上硅上氮化硅、绝缘体上氮化硅或绝缘体上锗平台芯片中实现的外部滤波器来制造。参见例如R.Wang等人的Optics Express，24(25)，28977-28986(2016)，其公开内容具体旨在作为本公开内容的一部分整体并入本文，以例示宽可调谐激光器的制造和使用。这种激光器与简单的波长控制电路系统和一些基于GaSb的用于信号检测的光电二极管结合在一起，以提供高信号亮度，从而提供高灵敏度。
在一个方面，本发明的实施例涉及一种用于实时监视受试者的血液成分浓度水平的基于激光的传感器片上系统。该片上系统包括：(i)可调谐的混合III-V/IV激光传感器；以及(ii)耦合到激光传感器的光纤接口，该接口包括探针。在使用期间，激光传感器远离受试者，并且探针与受试者光学连通。
可以包括以下特征中的一个或多个。IV包括基于IV族的半导体基板，诸如硅、绝缘体上硅、绝缘体上硅上氮化硅、绝缘体上锗和硅上氮化硅。可调谐激光传感器可以包括部署在诸如绝缘体上硅、氮化硅、绝缘体上硅上氮化硅、锗硅或绝缘体上锗基板之类的IV族半导体上的光子集成电路和III-V增益芯片，光子集成电路(i)被配置为基于游标效应(Verniereffect)来执行波长滤波和调谐功能，以及(ii)限定用于III-V增益芯片的外腔。该光子集成电路可以包括光斑尺寸模式转换器、相位控制部分，以及具有第一自由光谱范围的第一谐振器，该第一谐振器耦合到具有第二自由光谱范围的第二谐振器。第一谐振器和第二谐振器可以是例如微环谐振器、采样布拉格(Bragg)反射器或分布式反馈反射器。第一自由光谱范围可以与第二自由光谱范围不同。
耦合的第一谐振器和第二谐振器、III-V增益芯片、光斑尺寸模式转换器和相位控制部分可以协作，以实现可调谐激光传感器的基于游标效应的调谐。可调谐激光传感器可以被配置为使得在操作中将电流或热量中的至少一种施加到耦合的谐振器中的至少一个以改变其有效折射率，从而影响由增益芯片生成的激光的波长的改变。
可以例如通过光栅耦合器将III-V增益芯片边缘耦合到光子集成电路。
激光传感器可以包括至少一个III-V光电二极管，其通过倒装芯片键合、胶合、转移印刷技术或侧面耦合中的至少一种来耦合到光子集成电路。
分立的III-V光电二极管可以远离可调谐激光传感器部署，其中，在使用中，来自受试者的反射的信号由分立的III-V光电二极管收集。该光子集成电路可以包括信号和波长监视部分。信号和波长监视部分可以包括(i)马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪或耦合的环形谐振器的集合中的至少一个，以及(ii)至少一个倒装芯片III-V光电二极管。激光传感器还可以包括激光驱动电子器件和信号处理微控制器。微控制器可以被配置为(i)控制激光驱动电子器件、(ii)调谐电流，以及(iii)使用来自波长和信号监视部分的信息来对从分立的III-V光电二极管获得的数据进行信号处理。
激光传感器可以被配置为随时间跨调谐范围执行波长扫描，并且激光传感器可以包括被配置为将从受试者反射的光转换成电信号的光电二极管。
光纤接口可以连接到光学导管，并且被配置为(i)将来自传感器的光信号发送到受试者的血液，以及(ii)将来自受试者的血液的反射光发送到传感器。
光纤接口可以与波束整形光学器件光学连通，该波束整形光学器件被配置为通过受试者的皮肤或外部组织非侵入式地照射受试者的血液样本。
在另一方面，本发明的实施例涉及一种制造可调谐混合III-V/IV激光传感器的方法。该方法包括以下步骤：(i)制造III-V半导体增益芯片；(ii)通过CMOS技术在基于IV的半导体基板上制造光子集成电路以限定IV族半导体芯片；以及(iii)混合集成III-V增益芯片和IV族半导体芯片。光子集成电路被配置为基于游标效应执行波长滤波和调谐功能，并且限定用于III-V增益芯片的外腔。
可以包括以下功能中的一个或多个。混合集成III-V增益芯片和IV族半导体芯片可以包括将III-V增益芯片边缘耦合到IV族半导体芯片，主动对准两个芯片以及将两个芯片胶合在一起。
混合集成芯片可以包括将III-V增益芯片的p侧向下翻转并将增益芯片键合到在IV族半导体芯片中限定的沟槽中，以边缘耦合到光子集成电路。
制造III-V半导体增益芯片可以包括通过MBE或MOVPE生长中的至少一种在基板上外延生长激光层结构。
可以将基板上的激光层结构处理成包括预定波导角和接触垫的增益芯片设备。
可以将基板上的激光层结构解理(cleave)成条。可以将条解理成多个单独的III-V半导体增益芯片。
可以在输出刻面上形成抗反射涂层，在输出刻面处的功率反射小于0.1％。可以在背刻面上形成高反射率涂层，并且在背刻面上的功率反射率为至少90％或更高。
可以根据III-V增益芯片的特性来设计光子集成电路，该光子集成电路包括光斑尺寸转换器和游标滤波器中的至少一种。
传感器可以包括单元格的阵列，每个单元格包括如上所述的基于激光的传感器片上系统，每个阵列单元格针对不同的光谱区域和分离的目标分子。
每个阵列单元格的波长扫描激光信号可以在不同的时间发射，并且可以通过用单个光电二极管的同步检测来实现信号收集。
光纤接口可以包括具有芯的出耦合(out-coupling)光纤。阵列的输出端可以由来自各个阵列单元格的光栅耦合器的组形成，这些光栅耦合器被路由到片上系统的相同部分。由光栅耦合器的组限定的总面积小于出耦合光纤芯的横截面积。
传感器还可以包括单个输出部分、被配置为在阵列单元格的输出端之间切换的波长开关以及单个光电二极管。传感器阵列的输出端由单个输出部分和波长开关形成。在每个单独的单元格的输出端之间切换导致在给定时间处将一个阵列单元格的单个输出端出耦合到目标。通过用单个光电二极管进行的同步检测来实现信号收集。
权利要求的传感器可以包括至少一个阵列单元格，该至少一个阵列单元格针对与选自
Figure BDA0002284713860000061
以及
Figure BDA0002284713860000062
组成的组的至少一个水吸收峰对应的光谱区域，以及(ii)至少一个其它阵列单元格针对与血液成分目标分子的至少一个吸收峰对应的光谱区域。
传感器还可以包括至少一个中央处理单元，该中央处理单元被编程为基于用该至少一个阵列单元格测得的至少一个水吸收峰来确定水浓度水平和水吸收光谱。
中央处理单元还可以被编程为去除基线并且分解由与该至少一个阵列单元格相邻的阵列单元格覆盖的光谱区域中的复杂吸收率光谱，以揭示底层的目标分子吸收特征。
中央处理单元还可以被编程为将漫反射率光谱转换成吸收率。吸收率可以包括收集的吸收率光谱，该收集的吸收率光谱具有多个单独的吸收率光谱分量，该多个单独的吸收率光谱分量通过使用来自在不存在与其它分子吸收重叠的不同光谱区域中操作的相邻阵列单元格的信息来解耦。中央处理单元还可以被编程为校正和去除其中多于一种目标分子的吸收光谱特征重叠的光谱区域中的基线。中央处理单元还可以被编程为使用各个吸收率光谱分量中的至少一个来确定经校准的浓度水平。可以基于给定波长处的多种单独的分子中的每一种的单独的吸收率值和经校准的衰减系数来确定经校准的浓度水平。中央处理单元还可以被编程为独立于特定的样本体积来确定目标分子浓度。
在另一方面，本发明的实施例涉及一种用于实时监视受试者的血液成分浓度水平的基于激光的传感器片上系统。该片上系统包括：(i)可调谐的混合III-V/IV激光传感器；以及(ii)耦合到激光传感器的光学接口，该接口包括波束整形光学器件。在使用期间，激光传感器远离受试者，并且光学接口被配置为通过受试者的皮肤或外部组织非侵入性地照射受试者的血液样本。
可以包括以下特征中的一个或多个。传感器可以包括单元格的阵列，每个单元格包括基于激光的传感器片上系统，该系统包括如上所述的可调谐激光传感器和光学接口。每个阵列单元格可以针对不同的光谱区域和分离的目标分子。
每个阵列单元格的单独的输出可以被聚焦以照射受试者的单个区域，并且通过波束整形光学器件从被照射的区域收集每个反射的信号。波束整形光学器件可以包括至少一个光学元件，例如透镜、反射镜的集合和/或抛物面反射镜。
在又另一方面，本发明的实施例涉及一种实时监视受试者的血液成分水平的方法，包括提供片上系统。该片上系统包括可调谐混合III-V/IV激光传感器、耦合到激光传感器的光纤接口(表面包括探针)、用于传感器控制和信号处理的传感器控制电子器件以及信号处理微控制器。激光传感器远离受试者部署并且探针与受试者光学连通。通过将扫描激光信号发送到光纤接口，指示片上系统监视受试者的血液成分水平。利用光纤接口将信号引导到受试者的血液。在信号与血液交互之后，光纤接口从血液中收集反射的信号。反射的信号被引导到反射光光电二极管，反射的信号是光信号。该反射的信号被传感器控制电子器件从光信号转换成电信号。用微控制器处理电信号，以将电信号转换成经校准的血液成分水平。
可以包括以下特征中的一个或多个。探针可以连接到静脉内光学导管或动脉内光学导管中的至少一个，以用于侵入性血液分析物浓度水平测量。光学接口可以附接到受试者以用于非侵入性血液分析物浓度水平测量。血液成分可以包括例如乳酸、白蛋白、葡萄糖、氨、肌酐和/或尿素或基本上由它们组成。
上述各种实施例表示本发明的各个特征，这些特征一般而言能够应用于本发明的系统。这些特征可以被单独地视为优选特征，或者这些优选特征中的多于一个能够以任何组合彼此组合。
附图说明
图1A、图1B和图1C是根据本发明实施例的用于血液分析物浓度水平的连续监视系统的示意性框图；
图2是根据本发明实施例的混合III-V/IV片上系统的示意图，该片上系统包括混合宽可调谐外腔激光器以及激光信号和波长监视部分；
图3A是根据本发明实施例的实验获得的在用于模拟血液环境的含BSA的溶液中不同乳酸分子浓度的特征吸收光谱，光谱是基线校正后的；
图3B是示出预测的和实际的乳酸分子浓度之间的相关性的图，其中预测是使用多变量PLS获得的；
图4是根据本发明实施例的为基于AlGaInAsSb/GaSb增益芯片的外腔激光器获得的实验激光波长调谐光谱，其中编号的光谱属于嵌入在外腔配置中的不同的III-V增益芯片；
图5是根据本发明实施例的III-V/IV宽可调谐外腔激光器的详细示意性框图；
图6是根据本发明实施例的混合III-V/IV片上系统的详细示意性框图；
图7是根据本发明实施例的混合III-V/IV片上系统的详细示意性框图的替代版本；
图8是根据本发明实施例的III-V增益芯片功能层结构的示意性横截面图；
图9是根据本发明实施例的具有绝缘体上硅功能层结构的示例性IV族半导体芯片的示意性横截面图；
图10是根据本发明实施例的III-V增益芯片与基于IV族半导体的光子集成电路的混合集成的示意性表示；
图11是根据本发明实施例的III-V增益芯片与基于IV族半导体的光子集成电路的混合集成的示意性表示；
图12是根据本发明实施例的III-V增益芯片与基于IV族半导体的光子集成电路的混合集成的示意性表示；
图13是根据本发明实施例的片上系统光子电路系统的俯视图的示意性表示；
图14是根据本发明的实施例的具有附加特征的图13的布局的示意性表示；
图15是根据本发明实施例的III-V增益芯片与绝缘体上硅光子集成电路的混合集成的示意性表示；
图16是根据本发明实施例的在侵入式传感器的情况下的光纤探针的示意性表示，例示了基于漫反射的基本操作原理；
图17是根据本发明实施例的在非侵入式感测的情况下的光纤探针的示意性表示，为清楚起见示出了光纤探针的2D横截面；
图18是根据本发明实施例的形成用于多分子检测的片上系统的阵列的示意性表示；
图19是根据本发明实施例的使用基于混合片上系统的激光器的阵列和单个分立的光电二极管的同步检测的示意性表示；
图20是根据本发明实施例的用于使用单个输出光纤和多个表面光栅耦合器进行多分子检测的片上系统的阵列的示意性表示；
图21是根据本发明实施例的用于使用单个输出光纤、波长开关和单个光栅耦合器进行多分子检测的片上系统的阵列的示意性表示；
图22是根据本发明实施例的用于使用波长开关和单个端射输出光纤配置进行多分子检测的片上系统的阵列的示意性表示；
图23是通过FTIR测量获得的水的漫反射率光谱；
图24是根据本发明实施例的通过FTIR测量获得的具有乳酸的tris缓冲盐水(TBS)溶液的漫反射率光谱；
图25是根据本发明实施例的经处理的光谱，其中减去了TBS光谱分量，揭示了乳酸分子的光谱分量；
图26是根据本发明实施例的被配置用于非侵入式测量的基于激光的片上系统传感器的简化框图；
图27是根据本发明实施例的基于激光的片上系统传感器的简化框图，其中光纤接口用分立的波束整形光学器件实现，用于以非侵入方式聚焦光学信号并收集来自受试者血液的漫反射；
图28是根据本发明实施例的传感器配置的实施例的框图，其中传感器包括具有单独的聚焦光学器件以照射样本的片上系统的阵列，以及具有用于反射信号收集的分立的光电二极管的单个收集透镜，其中片上系统阵列与反射光光电二极管处于线性配置；
图29是根据本发明实施例的传感器配置的实施例的框图，其中传感器包括具有单独的聚焦光学器件以照射样本的片上系统的阵列，以及具有部署在片上系统阵列的中心的用于反射信号收集的分立的光电二极管的单个收集透镜；
图30A-图30D是使用宽可调谐激光传感器测得的不同分子溶液的透射光谱以及用商用台式FTIR光谱仪进行的参考测量；
图31A-图31B是当双芯光纤尖端被直接浸入血液液滴中时使用商用台式FTIR光谱仪对人血液样本进行的光谱测量；以及
图32A-图32C是例示根据本发明实施例的使用激光进行的经由皮肤通过非侵入式血液测量获得的实验数据的图。
具体实施方式
本发明的实施例包括用于实时连续血液成分监视的混合III-V/IV片上系统传感器。所描述的实施例允许在红外波长范围内在没有任何移动零件的情况下在单个芯片上实现具有波长、相位和功率控制的基于宽波长扫描激光的传感器，用来直接分子感测血液成分(诸如乳酸、白蛋白、葡萄糖、氨、肌酐、尿素等)。通过跨目标分子的吸收带扫描激光波长，用直接激光吸收光谱法来执行感测。由于光谱吸收特征对于个体分子是唯一的，因此所描述的实施例具有直接感测的优点。取决于上下文，以下描述的具体实施例可以组合使用或互换使用。在本公开中，具体地意图是，关于任何以上附图所公开的本发明的传感器系统的各个特征可以被更一般地认为整体上表示本发明的特征。因此，例如，图1中描述的传感器的特定特征可以与如图18、图20、图21和图22中描述的关于片上系统的特征的特定特征组合。类似地，例如，图1中描述的传感器的特定特征可以与如图5至图12等中描述的关于III-V/VI芯片的特定特征组合。同样，片上系统的特定特征可以与III-V/VI芯片体系架构等的特定特征组合。
使用混合半导体技术，其中有源增益介质以耦合到无源光子集成电路的增益芯片或半导体光学放大器的形式在III-V半导体结构中实现，该无源光子集成电路在基于IV族的半导体基板(诸如硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上锗(GOI)、硅上锗、硅上氮化硅、绝缘体上氮化硅、绝缘体上硅上氮化物)上实现。IV族技术使用作为微电子工业中使用的标准工业CMOS制造步骤的工艺，并允许基于IV族材料及其衍生物来实现光子集成电路。这种方法使得所描述的传感器技术具有可扩展性、非常低的外形因子、低成本并适用于大众市场应用，诸如个性化的健康监视、借助于可穿戴技术的运动或通过进入夹式非侵入式床边系统的个人患者健康监视。另外，准确的传感器能够通过进入基于光纤的血管内光学导管或其它侵入式探针以直接接触患者的血液来提供有价值的信息。
本发明的实施例包括激光传感器，该激光传感器包括光子片上系统、用于信号递送和反射光收集的光纤接口、反射信号光电二极管以及用于传感器控制和信号处理的数字信号处理器(参见图1A-图1C和相关讨论)。
光子片上系统包括宽波长可调谐激光腔，具有例如被设计为在1800nm-3500nm波长范围内发射的AlGaInAsSb宽带增益芯片，该增益芯片被边缘耦合到基于IV组半导体的光子集成电路，在光子集成电路中，实现了波长调谐、滤波、监视和出耦合(参见下面关于图2的讨论)。
传感器原理基于可调谐激光吸收光谱法，其中跨存在分子吸收带的光谱范围执行激光波长扫描，其中分子吸收带由于分子的旋转振动状态而引起。波长被目标分子的振动吸收，从而导致反射信号中的改变(光子-声子交互)。随时间扫描波长。因此，与诸如美国专利公开No.2012/0226118中公开的方法之类的现有技术方法相比，光谱信息由单个检测器恢复。此外，波长和信号控制部分使得能够随时了解激光波长调谐曲线，并允许区分基于系统的失真与基于样本的失真。
在本发明的实施例中，生成具有已知特性(确切的波长、功率和调谐曲线)的光，并可以将该光耦合到光纤，光通过该光纤耦合到样本上–或者使光纤探针尖端直接接触包含关注的分子的血液或者通过皮肤朝向包含血管/组织的血液。
如下面关于图3所讨论的，通过选择正确的激光器设计，可以选择激光发射光谱以选择性地针对关注的分子。例如，关注的分子可以是乳酸分子，其具有与2260nm和2300nm附近的C-H和O-H分子伸缩振动泛音组合带相关的不同的光谱吸收带。取决于应用需求，需要将外腔激光器设计为具有大于50nm的激光调谐带宽，以恢复具体吸收特征的形状。
如关于图4所讨论的，所公开的基于激光的传感器具有以10Hz到几kHz范围的速率跨50nm或更大的带宽扫描波长的能力，并允许实时监视。基于AlGaInAsSb的增益芯片提供了超过150nm的增益带宽，并且可以被设计为通过更改外延层设计而针对1700-2500nm范围内的任何中心波长。其它材料(诸如AlGaInAsP和AlGaInAsSbP)能够被用于进一步加宽从1000nm到3500nm甚至更高的波长覆盖。在基于IV族半导体的光子集成电路芯片中实现波长选择、调谐和监视。
在所描述的实施例中，波长调谐要求使得能够以高达几kHz的速率跨几十纳米进行波长扫描。这是通过使外腔能够形成游标滤波器来实现的，在游标滤波器中，自由光谱范围值略有不同的耦合谐振器耦合在一起。关于游标调谐的理论及实现游标调谐的不同方法的讨论可以在例如以下文献中找到：J.Buus、M.–C.Amann、D.J.Blumenthal的TunableLaser Diodes and Related Optical Sources，第二版，John Willey&Sons，Inc.，2005年。该文献的公开内容，特别是其中描述的原理，具体通过引用整体并入本文，并且意在形成本公开的一部分。
这种游标滤波器激光器的最大调谐范围受到游标滤波器的自由光谱范围的限制：
Figure BDA0002284713860000141
其中FSR1、FSR2分别是第一谐振器和第二谐振器的自由光谱范围。这种滤波器的传输函数在各个谐振器的谐振峰重叠的位置具有最大值，从而确定激光器发射波长。通过向其中至少一个谐振器施加热量和/或电流来扫描波长，施加热量和/或电流引起折射率改变并因此引起透射重叠位置改变。换句话说，改变谐振器的有效折射率影响由增益芯片生成的激光的波长的改变。这种滤波器可以通过组合具有不同腔体长度或采样光栅分布式布拉格反射器(DBR)设计的耦合微环谐振器来实现。参见例如Oh等人的美国专利申请公开No.20040228384，其通过引用整体并入本文，并且该公开中描述的制造具体地旨在形成本公开的一部分。
如关于图5所讨论的，宽可调谐外腔激光器可以包括III-V(AlGaInAsSb、AlGaInAsP、AlGaInAsSbP、AlGaInAsNSbP等)增益芯片、光斑尺寸模式转换器、相移部分、具有不同的自由光谱范围值的耦合谐振器、一个或多个宽带反射器以及用于谐振器和相移部分中的每一个的单独电热加热器。为了免校准操作，从外腔激光器发射的激光信号通过分路器。
如图6中所示，示例性分路器是1×2马赫-曾德干涉仪(MZI)，其中一个臂耦合到或者用于表面出耦合的表面光栅耦合器或者光斑尺寸模式转换器和端射耦合器(边缘出耦合)，以耦合到光纤接口，而MZI的第二臂用于将信号传递到波长和信号控制部分，这是通过添加例如具有已知光程差并在每个臂处具有光电二极管的非平衡1×2MZI形式的附加滤波器来实现的，以提供振荡传递函数，该函数可以用于在任何给定的时刻恢复激光的发射波长和波长偏移，从而提供激光传感器的免校准操作。
如关于图7所讨论的，也可以通过单个耦合环形谐振器来实现类似的波长控制，由此可以通过用单个光电二极管监视滤波器的传输函数来恢复信号和波长控制。
在波长控制的两个实施例中，片上系统均由驱动电子器件控制，而驱动电子器件由微处理器控制，该微处理器考虑了从波长控制、信号控制和反射信号光电二极管接收的数据，并相应地调整驱动参数。这确保激光波长扫描函数是已知的，并且能够在处理反射光信号时加以考虑。使用开发的算法处理反射光信号，该算法使得能够将光电二极管时间信号转换到光谱域中，以恢复血液成分浓度水平数据。
用于传感器的光纤接口包括至少两个分离的芯，其中一个芯(信号芯)用于将激光信号从传感器发送到样本，第二芯(收集芯)用于收集来自样本的反射光并将其引导到传感器处的光电二极管。光可以通过表面光栅耦合器或经由端射配置的边缘耦合而耦合进出片上系统。在这两种情况下，光纤纤芯可以是多模的或者单模的。
现在参考图1A，在本发明的实施例中，基于激光的传感器包括混合III-V/IV光子片上系统(SoC)10，其包括宽可调谐激光器以及具有倒装芯片键合的、胶合的、转移印刷的或边缘耦合的集成光电二极管的激光器波长和振幅监视部分。传感器还包括光学接口以及反射信号(光)光电二极管40，光学接口诸如是光纤接口20，用于经由诸如光纤12之类的光通信链路递送信号，并经由诸如光纤31之类的光通信链路收集反射光。因而，SoC包括至少一个用于波长/功率监视的光电二极管，以及用于监视从血液反射的信号的另一个分立的光电二极管。这些部件将在下面更详细地描述。
除了光学接口之外，传感器还包括负责传感器控制和信号处理的电子接口。一般而言，传感器的控制电子器件包括中央处理单元(CPU)50、放大器和模数转换器部分52、驱动器和数模转换器部分53以及为所有电子和光子部件供电的电源电子器件部分54。适用于本发明实施例的微控制器是来自STMicroelectronics的STM32F100、来自TexasInstruments的MSP430或其它类似的微控制器。
由于CPU 50仅能够处理数字信号，而SoC 10和反射信号光电二极管40固有地提供模拟信号，因此需要用于将数字信号转换成模拟信号53以及将模拟信号转换成数字信号52的附加接口。基于经由通过模数转换器部分52的电接口51从SoC 10接收的信号，CPU 50经由接口15控制SoC 10的驱动信号。驱动信号包括增益芯片驱动电流、加热器电流、光电二极管偏置等。CPU的驱动信号通过数模转换器部分53，该数模转换器部分53将驱动信号转换成SoC及其元件可接受的形式。此外，CPU经由电接口546与电源电子器件部分54电通信，以经由电接口541、542、543、544将必要的电源值设置给其余的传感器元件。这种控制方案使CPU精确地控制SoC并实时监视输出信号。因此，当从传感器出耦合的光信号与血液中的目标分子交互时，光信号由于交互而被修改，并经由光纤接口20反射回去并被引导到分立的反射光光电二极管40，所收集的信号被放大并经由电接口41通过模数接口52被转换成数字形式，并由CPU处理，以基于与出耦合信号的比较来恢复光谱和强度信息。信号处理包括将时间信号转换到波长/频域，以及应用特定于目标分子的数据处理算法。这允许恢复和评估目标分子的浓度水平，并作为数字输出经由电接口56提供给输出显示器60，该输出显示器60将信号转换到经校准的单位，诸如mmol/l或g/l。
在所描述的实施例中，光子片上系统10、反射信号光电二极管40和电子部件CPU50、模数接口52、数模接口53和电源电子器件部分54远离受试者30并且借助于经由光纤接口20的光通信进行交互，该光纤接口20还包括探针。
如本文所使用的，探针是具有至少两个纤芯的光纤设备，其中一个芯适用于将激光信号递送到样本，而另一个芯适用于检测来自样本的反射光。在侵入式测量的情况下，光纤接口需要连接到血管内光学导管，该导管中除其它探针外还包含至少两个连接到SoC光纤接口的光纤芯，以便传送和收集发送和反射的激光信号。探针的两个纤芯终止于远端，在使用中，该远端直接与血液接触。端接的纤芯尖端充当孔，光通过该孔被递送到血液并且随后被收集。在非侵入式测量的情况下，探针也具有远端，在使用中，该远端与外部皮肤/组织直接接触，纤芯孔用于通过外部组织递送和收集光。
在使用中，光子片上系统10由嵌入式微处理器CPU驱动和控制。指示片上系统10将扫描波长激光信号发送到光纤接口20，该激光信号由波长对时间扫描组成。激光信号被耦合到光纤接口20，该光纤接口20将该信号引导到在所示的实施例中是活体的血液的目标对象被测设备(DUT)30。激光信号与活体的血液交互，并由于这种交互而被修改，这在从血液反射的信号中提供特性特征。反射光信号经由光纤接口20收集，并被引导回到反射光(信号收集)光电二极管40。光电二极管40将光信号转换成电信号。时域信号由CPU处理，CPU考虑来自光子SoC的特性和数据分析算法，并将光电二极管信号转换成以mmol/l为单位的经校准的浓度水平(即，血液成分水平)，并经由电接口56提供作为模拟或数字输出。
图1B示出了其中探针从光纤接口20连接到光学血管内导管或侵入式探针22的实施例，该探针与目标对象30物理接触。导管22被配置为(i)将来自传感器的光信号发送到受试者的血液，以及(ii)将来自受试者的血液的反射光发送到传感器。
图1C示出了其中由光递送和光收集芯以及附加的光学器件(例如，波束整形光学器件)组成的光学接口被配置为通过受试者的皮肤或外部组织23非侵入式地照射受试者的血液样本30的实施例。优选地可以将非侵入性探针放置在外部组织具有相对小厚度的位置(诸如指尖、指甲床、手腕等)处。
参考图2，光子片上系统10包括向系统提供光学增益的III-V(例如，AlGaInAsSb/GaSb或AlGaInAsP/InP或AlGaInAs/GaAs)半导体增益芯片211。增益芯片211耦合到在IV族半导体芯片(在特定情况下，选择绝缘体上硅)中实现的无源光子集成电路。典型的光子电路220包括光斑尺寸转换器212，其增加了芯片之间的光耦合的效率。典型的光子电路还包括波长滤波部分213，该波长滤波部分213在与III-V增益芯片211组合时形成混合III-V/IV外腔激光器。光子集成电路220还包括信号/波长监视部分214和信号出耦合部分215，下面相对于图6和图7更详细地讨论。
波长滤波部分213优选地通过形成游标滤波器的宽带反射器和耦合谐振器来实现。耦合谐振器具有不同的自由光谱范围值，当耦合时，会导致宽的可访问带宽。例如，耦合谐振器腔可以由两个微环谐振器形成：环半径为27.5微米的第一环和半径为28.5微米的第二环形谐振器。对于工作波长为2300nm的GaSb材料系统，有效模态折射率为3.59。这导致第一环形谐振器的自由光谱范围为4.26nm和第二环形谐振器的自由光谱范围为4.11nm。当耦合时，游标滤波器的调谐带宽为117nm。这些值可以通过使用以下等式来计算。
在环形谐振器的情况下，模式间隔可以被定义为：
Figure BDA0002284713860000181
其中λ是中心波长，n是模态有效折射率，R是环半径。
总调谐带宽可以通过下式估计：
Figure BDA0002284713860000182
可调谐带宽可以通过以不同的自由光谱范围偏移和耦合系数的形式进行设计来调整。这样的带宽足以耦合到宽带III-V增益芯片以覆盖用于血液代谢物浓度水平监视的必要光谱范围。
就应用重要性以及在红外范围内表达良好的光学签名(optical signature)两方面而言，乳酸分子是目标分子的良好示例。图3A例示了乳酸分子的实验吸收光谱。可以清楚地看到，由于目标的液相，光谱宽并且具有两个不同的吸收峰，中心在2260nm和2300nm。对于浓度水平计算而言，具有吸收信号的形状是有益的。而且，如从同一附图可以看出的，在乳酸分子的情况下，所需的可访问光学带宽大约为100nm。图3B中示出了用于不同浓度水平的实验浓度校准曲线。
除了无源电路系统光学响应外，光学有源部件也有必要能够覆盖所需的带宽。例如在AlGaInAsSb/GaSb材料平台中实现的中红外宽带增益芯片的典型波长调谐光谱能够具有超过170nm的光学增益带宽，如图4中所示。光谱400、410、420、430、440中的每一个是由嵌入在外腔配置中的不同的III-V增益芯片生成的。使用本领域技术人员已知的方法，增益芯片发射的光谱位置可以通过改变层厚度和成分来通过芯片设计进行调谐，以匹配目标分子的所需光谱响应和IV族半导体芯片上光子集成电路的光学响应。图4清楚地展示了在整个1700nm-2500nm范围内Ill-V芯片设计的灵活性，而没有权衡性能。
参考图5，混合III-V/IV宽可调谐外腔激光器500包括III-V，在这种特定情况下，是AlGaInAsSb/GaSb增益芯片501，它可以用作有源光学介质并且可以经由光斑尺寸转换器502边缘耦合到硅光子集成电路520，该光斑尺寸转换器502转换从增益芯片发射的模式并将其匹配到适合于基于IV族半导体的波导的尺寸，该波导用在光子集成电路中。借助于游标效应滤波器530来实现波长调谐，其中微调用相位控制部分531来控制，该相位控制部分531可以包括具有分离的电热加热器5311的直线或折叠波导部分。宽调谐由耦合谐振器腔来控制，其中具有自由光谱范围FSR1的第一谐振器532耦合到具有自由光谱范围FSR2的第二谐振器533，其中FSR1和FSR2不相等。每个谐振器的有效模态折射率经由电热加热器5321和5331单独控制。激光谐振器腔由宽带反射器534完成，该宽带反射器534被设计为对于所需的调谐范围足够宽。通常，反射器具有超过50nm或更大的反射带宽。反射器可以通过例如分布式布拉格反射器或折叠式马赫-曾德干涉仪(MZI)或任何其它典型的宽带反射器(诸如金属反射镜)来实现。对于由传感器执行的典型操作，增益芯片驱动电流是固定的，并且波长扫描是通过对加热器5311、5321、5331电流的受控扫描来执行的。
游标波长滤波技术在光通信领域是众所周知的，并且不限于微环谐振器，还可以通过由采样光栅分布式布拉格反射器或采样光栅分布式反馈反射器限定的耦合谐振器来实现。最终选择取决于设计人员的偏好和芯片布局的几何考虑。在耦合谐振器的所有情况下，工作波长由两个波长梳的重叠限定。通过同时改变一个或两个耦合谐振器的折射率来改变重叠位置。实际上，这或者通过直流注入或者通过加热造成折射率以及因此发射波长的改变来实现。在所描述的示例中，波长的改变由每个微环谐振器上方的沉积的电阻加热器控制。宽带反射器能够以分布式布拉格光栅、折叠式平衡马赫-曾德干涉仪或类似的高Q反射器的形式实现。优选地，系统的调谐频带由游标滤波器或宽带反射器的带宽来限定，取决于两者中的哪一个更小。
参考图6和图7以及图2，由增益芯片211和波长滤波器213形成的外腔激光器的波长和激光功率监视能够以其中每个输出耦合到具有集成光电二极管(倒装芯片、胶合等)的分离的光栅耦合器的非平衡马赫-曾德干涉仪或者耦合到具有集成光电二极管的光栅耦合器的单环谐振器的形式实现。这被称为信号/波长监视部分214。非平衡MZI和单环谐振器均具有非常明确定义的波长相关传输函数，假定驱动信号是已知的，则可以对该传输函数进行表征和校准以在任何给定时刻提供发射波长和输出功率的确切值。这是有利的，因为可以经由单个光电二极管高度准确地跟踪信号功率和信号波长二者。因此，所描述的混合片上系统的组合不仅包括宽可调谐激光器，而且还包括相同芯片内的监视波长计和功率计。
参考图6，更具体而言，图5中描述的混合III-V/IV宽可调谐外腔激光器500耦合到1×2马赫-曾德干涉仪(MZI)分路器600，其中一个臂用于将激光信号或者经由顶部光栅耦合器或者模式尺寸转换器和端射出耦合器6412出耦合到片上系统出耦合部分641，片上系统出耦合部分641进一步将光出耦合到光纤接口。1×2MZI分路器600的第二臂连接到非平衡的第二1×2MZI 642。该干涉仪的一个臂连接到光栅耦合器6421，光栅耦合器6421将光引导到倒装芯片键合的光电二极管64211中，以进行激光信号监视。干涉仪的第二臂被引导到第二光栅耦合器6422，该第二光栅耦合器6422将光耦合到第二光电二极管64221，该第二光电二极管64221监视MZI 642传递函数以精确地跟踪波长。
增益芯片、单独的加热器调谐和相移调谐的驱动信号由CPU 5控制，CPU 5使用来自信号/波长监视部分光电二极管的信息来确定必要的驱动信号形式和振幅。典型的SoC可能需要考虑至少五个不同的控制电流才能生成连续可调谐波长激光脉冲。在所描述的实施例中，CPU提供驱动信号扫描，该驱动信号扫描由SoC的各个驱动电流的某种扫描组成，以在传感器输出处提供随时间变化的连续波长扫描。由于CPU始终与SoC信号和波长监视部分光电二极管64211和64221电通信，因此一般任何的任意驱动信号都会导致能够始终在振幅和波长方面进行恢复的SoC输出。在实际情况场景中，可以对CPU进行编程，以提供尽可能简单的信号输出-例如，尽可能接近随时间变化的线性波长扫描-以实现基于来自分立的光电二极管40的恢复信号的简单数据处理。了解所发送的光脉冲内的激光信号振幅和波长允许从时域到频域简单重构从血液中采集到的信号，并消除非线性和由于传感器本身引起的信号变化，以这种方式允许直接访问光学信号的由于与目标分子的交互而产生的扰动。
参考图7，在另一个实施例中，图5中描述的混合III-V/IV宽可调谐外腔激光器500耦合到1×2马赫-曾德干涉仪(MZI)分路器600，其中一个臂用于将激光信号或者经由顶部光栅耦合器或者模式尺寸转换器和端射出耦合器6412出耦合到片上系统出耦合部分641，片上系统出耦合部分641进一步将光出耦合到光纤接口。1×2MZI分路器600的第二臂耦合到环形谐振器742，该环形谐振器为通过的光提供特征波长传递函数。在滤波器之后，光被引导到光栅耦合器7422，光栅耦合器7422将光耦合到监视信号传递函数的倒装芯片光电二极管74221。传递函数能够用于仅用一个控制光电二极管，而不是例如图6所示的多个光电二极管，同时确定光的波长和激光的相对强度。
在所描述的实施例中，考虑了III-V半导体芯片和IV族半导体芯片技术的混合集成。增益芯片以诸如脊波导边缘发射器之类的边缘发射设备的形式在诸如AlGaInAsSb/GaSb、AlGaInAs/GaAs或AlGaInAsP/lnP或其组合之类的III-V材料系统中实现。通过将载流子电注入到未掺杂的量子阱中而生成光，在未掺杂的量子阱中，载流子重新组合发射光子。这种结构的光学增益在光谱上宽，并且通常可以取决于外延设计的光子能量而横跨从几十nm到200nm或更多。如半导体光电子领域的技术人员所众所周知的，可以通过选择适当的层合金成分和厚度来限定光谱区域。
图8中示出了III-V增益芯片800的典型示意性横截面。在III-V基板810上外延生长III-V增益芯片，该III-V基板810取决于期望的工作波长而可以是GaAs、InP、GaSb或InAs。在基板的顶部上，生长其余的结构层，即，下部包覆层820、下部波导层830、基于量子阱的有源区840，然后是或多或少对称的上部波导层850和上部包覆层860。可以例如通过分子束外延(MBE)或金属有机气相外延(MOVPE)来外延生长这些层。该结构由高掺杂的接触层870完成，接触层870形成与顶部金属接触层880的欧姆接触。底部接触层805由沉积在基板的底部上的金属层形成。发射波长由层840的成分限定。选择结构层820、830、850和860以提供对称的波导和与有源区层840的良好的光学模式重叠。通常，有源区由至少一个量子阱组成以提供足够的增益。
为了形成增益芯片，将外延结构处理成脊波导边缘发射设备，其中模式由通过等离子体或湿法蚀刻形成的限定的脊波导来引导。脊的高度和宽度取决于个体设计，一个重要的特征是波导是单模的。单模波导的设计是常见的过程并且是本领域技术人员已知的。增益芯片的腔体可以通过将经处理的晶片解理成条来实现，该条由边缘发射增益芯片的线性阵列组成，并且经解理的晶体刻面形成腔体反射镜，这在制造诸如半导体激光器之类的边缘发射设备中是常见的。光发射来自芯片的边缘，即，垂直于生长方向。
为了外腔激光器配置中的最优性能，背刻面可以涂覆有高反射率镜面涂层，典型的镜面反射率为至少>90％，例如>95％。芯片的前刻面(即，输出刻面)最好涂覆有非常低反射率的涂层，典型反射率＜0.1％，以避免来自前刻面平面的光反馈。光反馈可以通过使用弯曲波导设计来进一步减少，其中增益芯片的脊具有预确定的弯曲半径以减少反射。由于脊的弯曲，出耦合的光被折射，并且发射相对于输出平面成固定角度。从设计和模态有效折射率知道该预定的波导角，并且当在IV族半导体平台上设计无源光子电路时需要考虑该预定的波导角。特别地，光斑尺寸转换器优选地被设计为匹配增益芯片发射的角度和出耦合模式的尺寸，以减小两个芯片之间的耦合损耗。
对于最佳设计实践，III-V增益芯片的主要特性(诸如模式尺寸和形状、发射波长、增益带宽、发射角度、发散度等)是实验上已知的，用于适应和定制IV族半导体上的无源光子集成电路。特别地，了解增益芯片的实验参数允许优化主要的SoC元件(诸如光斑尺寸转换器、耦合谐振腔、宽带反射器、多模干涉器件(MMI)、干涉仪和其它功能元件)。
通常，在增益芯片条上执行刻面涂覆，并且在刻面涂覆过程之后通过划刻和断裂来分离各个增益芯片。这可以通过许多方式来完成，最常见的是沿着垂直于芯片解理刻面的晶体平面形成机械划线，并从顶部或底部施加机械断裂力，以实现沿着限定线的晶体解理。各个增益芯片然后能够容易地与IV族电路系统集成在一起。
对于大多数常见的电子器件技术(诸如CMOS)，基于IV族的半导体平台是典型的。III-V光学部件与IV族半导体平台的混合集成为以与调整(scale)CMOS技术相同的方式的调整技术提供了机会。IV族半导体平台包括硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上锗(GOI)、硅上锗、硅上氮化硅、绝缘体上氮化硅、绝缘体上硅上氮化硅及其衍生物。
图9中示出了典型的硅，特别是绝缘体上硅(SOI)芯片横截面。在所示的实施例中，SOI芯片900比增益芯片更简单，并且包括基于IV的半导体基板905，例如，具有掩埋氧化物(称为BOX)层910的硅基板，取决于制造设施(fabrication facility)，BOX层910可以具有不同的厚度，典型厚度为2-3微米。如本领域技术人员所众所周知的，BOX层通过例如离子注入和晶片键合形成。BOX层910之后是硅波导层920。该层用作实现所有无源光子部件的功能层，诸如光栅耦合器、单模和多模波导、环形谐振器、多模干涉器件、光斑尺寸转换器等。该层的厚度可以取决于制造设施而有所不同，并且通常为100nm-500nm厚；在一些制造设施中，其厚度可以高达几微米。典型的硅光子平台包括220nm波导层920。波导层920进一步用可以通过其它技术热生长或沉积的氧化硅层930封盖。取决于所使用的IV族平台，可以使用其它绝缘材料，例如氮化硅。BOX层910的主要目的是防止光学模式从波导层920耦合到基板905中，并且以与顶部氧化硅层930相同的方式用作低折射率包覆层。硅波导层920的折射率改变能够通过经由电阻式电加热器的热信号实现，其中电阻式电加热器是沉积在上部氧化物层的顶部上的金属电极940的形式。除加热器之外，金属电极还可以用作收集从光栅耦合器出耦合的信号的倒装芯片光电二极管。
在图10中示出混合集成的示意性原理。在此，III-V增益芯片800和IV族半导体(在特定示例中是绝缘体上硅芯片)900，通过边缘耦合而集成，其中III-V增益芯片是p侧向上并且边缘耦合到IV族芯片。在增益芯片的有源区层840中生成的光被耦合到其中实现无源光子集成电路系统的硅波导层920。集成的关键要求之一是光在两个芯片之间的高效耦合。这可以通过使用有源对准技术来实现，即，在对准处理期间使III-V增益芯片发射光并且经由IV族芯片上的光栅耦合器来监视耦合效率。一旦信号被最大化，就通过可固化胶或环氧树脂将两个芯片键合在一起。
当在IV族半导体晶片上预定义III-V增益芯片的位置时，能够实现更高的准确度。这可以通过如图11所示的深沟槽来实现。沟槽1100不仅限定了大致位置，而且同时还能够确切地匹配两个芯片在垂直方向上的高度。为了最大的准确度，需要翻转III-V增益芯片，以使III-V芯片的高度由被非常精确控制的外延层厚度来限定。需要经由主动对准来对准平面内位置，以实现最佳准确度。借助于在顶部金属接触层880和金属电极层940之间的界面处的胶、环氧树脂或诸如铟或AuSn之类的金属焊料，芯片被固定在一起。所示的III-V增益芯片翻转到p侧向下的位置，并且边缘耦合经由IV族晶片中的预定义的沟槽来实现，该沟槽使得能够将光耦合到无源光子电路系统。
在图12中示出包括III-V增益芯片、IV族半导体芯片和倒装芯片光电二极管的完整混合系统，例示了光如何能够耦合到IV族半导体芯片中以及从IV族半导体芯片中耦合出来。将III-V增益芯片翻转到p侧向下的位置，并且边缘耦合经由在IV族半导体晶片中的预定义沟槽来实现，以使得能够将光耦合到无源光子电路系统。还示出倒装芯片光电二极管结构，用于经由表面光栅耦合器收集光信号。特别地，耦合出经由在光栅耦合器950的顶部的倒装芯片光电二极管实现。光电二极管能够由在所关注的波长处具有所需的光电响应的任何相关的半导体材料形成。在这个实施例中，典型的光电二极管是由与III-V增益芯片相同的材料平台设计的III-V p-i-n光电二极管。光电二极管1200形成在III-V基板1205上，随后形成n或p型的掺杂层1210、未掺杂吸收层1220，其中未掺杂吸收层1220具有未掺杂的材料成分以使其吸收从IV族半导体芯片耦合出的光。吸收层厚度针对不同的波长进行优化，典型的厚度为2微米，并且典型的最小厚度为至少500nm。吸收层之后是掺杂层1230，该掺杂层可以是p型或者n型，但是需要具有与层1210相反的掺杂剂极性以形成pn结。阳极和阴极优选地在芯片的同一侧实现，以促进倒装芯片处理。在示例性图中，通过蚀刻沟槽并沉积金属层1250以形成金属欧姆接触来对掺杂层1210进行偏置。如本领域技术人员众所周知的，合适的金属包括钛、铂、金、镍、铬和金锗和/或其组合。金属层1250仅在沟槽的底部处与掺杂层1210接触。其它光电二极管层通过介电隔离器1240与金属层隔离。第二触点在光电二极管二极管台面的顶部上形成，并且在顶部金属焊盘1260和顶部接触半导体掺杂层1230之间具有类欧姆接触。光电二极管如下利用倒装芯片技术耦合到光子集成电路。光电二极管被翻转，使得孔朝下并与在IV族半导体芯片上形成的表面光栅耦合器的一部分重叠。光电二极管被对准以最大化来自光栅耦合器的信号收集，并借助于铟、AuSn或其它标准焊接技术被键合到适当的位置。
在图13和图14中示出了基于边缘耦合的示意性混合片上系统的俯视图。III-V增益芯片800经由光斑尺寸转换器1300边缘耦合到IV族半导体芯片，该光斑尺寸转换器1300以最小的光学损耗将模式尺寸从III-V波导转换到硅波导。光斑尺寸转换器耦合到由直线或折叠波导和电加热器组成的相移部分1310。这个部分用于在窄光谱范围内精确控制发射波长，而没有模式跳变。该相移部分还连接到由两个微环谐振器1320、1330限定的耦合谐振器腔，这两个微环谐振器1320、1330具有略微不同的腔体长度以及因此不同的自由光谱范围。耦合微环谐振器腔用宽带反射器1340闭合。在附图所示的实施例中，宽带反射器440被表示为折叠的(闭环)2×2马赫-曾德干涉仪(MZI)。特征800、1300、1310、1320、1330和1340的组合形成宽可调谐外腔激光器。这个外腔连接到1×2马赫-曾德干涉仪1350，其中一个臂用于经由光栅耦合器1380出耦合来自片上系统的激光信号，其中光栅耦合器1380连接到光纤接口。为了始终了解激光波长和信号强度，波长/信号监视部分1360连接到1350 1×2马赫-曾德干涉仪的另一个臂。
在图13和图14中，波长/信号监视部分1360被示为非平衡1×2马赫-曾德干涉仪，其中上臂的光路与下臂的光路不同。两个输出连接到用于系统功率和波长跟踪的分离的表面光栅耦合器1390和1395。这些光栅耦合器直接耦合到键合在顶部的倒装芯片光电二极管。一般而言，还可以添加额外的光栅耦合器1370以监视片上系统的不同部分内的光学信号。在所示的示例中，光栅耦合器1370用于在第一微环谐振器之后监视来自增益芯片的光学信号。
所描述的片上系统还以电阻加热器的形式受到电信号的控制，如图14所示。在此，加热器1400用于可调谐激光器的恒定相移控制。加热器1410、1420用于控制耦合微环腔体的激光发射波长并控制波长改变。加热器1440用于控制宽带反射器的反射率，并且加热器1430用于控制1×2MZI 1350上臂和下臂之间的光学信号分路比。加热器连接到芯片一侧的接触垫1450，该侧通常与实现光栅耦合器的一侧相对。驱动信号由微处理器控制，在该微处理器中进行完整的信号处理。
参考图15，混合片上系统还能够通过经由表面光栅耦合器(代替边缘耦合)将III-V增益芯片耦合到IV族半导体芯片来实现。在此，增益芯片800被键合到基座(submount)，基座可以是陶瓷或金属载体1500，并且与准直透镜1510和反射棱镜1520预对准，从而形成微光学器件平台。然后将整个组件在光栅耦合器950上方对准，并用焊料或环氧树脂固定到IV族半导体芯片900的顶表面。来自增益芯片的光经由收集和准直光学器件1510收集，并经由棱镜或反射镜1520反射到表面光栅耦合器中。光栅耦合器将反射光耦合到硅波导920中，在那里实现片上系统的其余部分。虽然这种混合集成通常更直接，但是边缘耦合配置一般可以更高效。
在实施例中，来自片上系统的激光信号经由光栅耦合器耦合到光纤接口，该光栅耦合器诸如是图13中所示的光栅耦合器1380。光纤接口可以由光纤组成，即，光纤探针，光通过该光纤探针从传感器被引导到与目标(例如，患者的血液)光学连通的探针尖端。在侵入式测量的情况下，光纤探针可以包括两个纤芯并且连接到进入患者的静脉或动脉的光学导管。
在图16中示出与血液直接接触的导管探针1600。在此，探针1600包括至少两个纤芯。第一芯1610用于发送来自人体外部的片上系统的光。光与血液成分分子交互，并经历许多散射和吸收过程。这是个随机过程，并且光的散射是方向无关的。还参考图1A-图1C和图2，散射光的部分被反射回到探针中，并经由第二纤芯1620被收集，第二纤芯1620将收集的光引导到分立的光电二极管40。在所描述的实施例中，当跨增益带宽随时间扫描激光发射波长时，片上系统发送时间信号。在与血液一致性分子的散射过程中，如果激光发射频率与目标分子的旋转振动频率匹配，那么发生谐振吸收过程。这种过程导致由分立的光电二极管40收集的时间信号的改变。由于始终精确地知道激光发射波长，因此能够将收集的时间信号重构到波长空间中并能够确定分子吸收光谱，并且能够评估目标分子的浓度水平。
对于非侵入式传感器，包括探针的光纤接口不连接到血管内导管；而是使其与皮肤接触，如图17所示。它也可以连接到患者的指甲。光纤探针1600的结构与在侵入情况下使用的探针非常相似。同样，使用至少两个纤芯。第一纤芯1610用于耦合来自片上系统的光。从纤芯1610出耦合的光穿过诸如表皮之类的外部皮肤层1730，并且与真皮和皮下组织中在表皮之下的血液成分分子交互。经由第二纤芯1620收集反向散射的光，该第二纤芯1620将光引导到传感器处的分立的光电二极管40。激光信号将根据时间进行转换，然后转换到波长空间中，分子吸收光谱被恢复并且浓度水平被确定。
对于接近且长于2微米的红外波长，典型的穿透深度为几毫米。但是，这足以到达外部皮肤层足够薄处的目标血液分子，例如在指甲、耳垂、手腕等下方的目标血液分子。
所描述的本发明的实施例采用不使用机械可移动零件的先进集成技术，并且所有驱动信号均基于电子学和光子学。片上系统经由标准微控制器控制，该微控制器基于从信号和波长监视部分收集的信号信息来控制增益芯片驱动电流、SoC加热器电流，并比较从传感器出耦合的激光信号与收集的信号。这允许消除由于系统引起的系统误差，从而能够识别由于与目标分子交互而引起的信号改变。
而且，能够容易地调整本发明的实施例以形成多分子传感器。这可以通过形成如图18所示的光学片上系统的阵列来实现。在此，无源集成光学电路阵列是在同一基于硅的晶片内实现的。在具有独特吸收特征的不同目标分子处于不能在单个III-V增益芯片的增益带宽内访问的不同光谱区域中的情况下，在基于硅的芯片中的光子集成电路可以被设计为线性阵列的形式，其中每个阵列单元格被设计用于所关注的具体波长，例如，阵列单元格1810被设计为围绕中心波长λ1，阵列单元格1820被设计为围绕中心波长λ2等。每个单独的激光单元格经由单独的光栅耦合器出耦合到单独的输出光纤。这些光纤可以在光纤探针端处形成光纤束。假设每个激光单元格波长扫描以不同的已知时间间隔发射，并且检测是同步的，那么可以用单个分立的光电二极管收集反射信息，该反射信号携带关于每个目标分子的信息，如图19中所示。
为了进一步优化，可以将SoC阵列的输出组织成耦合到单个纤芯，如图20、图21和图22中所示。参考图20，阵列包括四个阵列单元格1810、1820、1830、1840，每个单独的单元格输出端可以由单独的光栅耦合器形成，这些光栅耦合器被路由到芯片的能够用单个多模纤芯2000覆盖光栅耦合器的区域。在这种实施例中，阵列中可以用单个纤芯从其收集输出的单元格的数量受到纤芯横截面积的限制。另一种可能性是使用波长开关和单个光栅耦合器，如图21中所示。在此，示出了四个不同的单元格1810、1820、1830、1840的阵列，其中这些单元格在四个不同的波长带处发射。每个单元格被路由到波长开关2100，波长开关2100可以例如通过平衡马赫-曾德干涉仪2110、2120、2130的集合来实现。第一MZI 2110可以用于在由第一SoC单元格1810和第二SoC单元格1820生成的波长λ1和λ2之间切换(使用例如集成在MZI的臂上的加热器)。以相同的方式，第二平衡MZI 2120可以用于在由第三SoC单元格1830和第四SoC单元格1840生成的波长λ3和λ4之间切换。第三MZI 2130在第一MCI 2110和第二MCI 2120的输出之间切换，以控制在任何给定的时刻四个单元格中的哪个单元格经由单个光栅耦合器出耦合。这个概念可以扩展到任意数量的单独的单元格，同时仍然为阵列的输出维持单个光栅耦合器。
以相同的方式，可以使用如图22所示的端射耦合配置中的单个输出端和单个输出光纤2000来实现SoC阵列。
为了获得目标代谢物的经校准的浓度水平数据，必须知道对光谱特征(spectralsignature)有贡献的其它干扰分子物质的浓度。到目前为止，最主要的重叠光谱特征是水分子的光谱特征，其贡献了总信号的95％以上。在本发明的实施例中，传感器阵列具有至少两个传感器单元格，其中至少一个单元格被设计为在水吸收峰附近具有光谱波长调谐带宽。参考图23，水吸收峰出现在
Figure BDA0002284713860000301
Figure BDA0002284713860000302
或
Figure BDA0002284713860000303
处。因此，取决于最终的传感器体系架构，单元格的光谱波长调谐带宽能够接近这些峰之一，在这些峰处，水分子吸收(具有众所周知的光谱)占主导。
使用这个传感器体系架构的漫反射率测量可以用于收集漫反射率光谱R(λ)，进而可以通过以下关系式将漫反射率光谱R(λ)转换成吸收率A(λ)：
Figure BDA0002284713860000311
收集的吸收率光谱由作贡献的分子物质的各个吸收率光谱分量的总和组成：
Figure BDA0002284713860000312
使用所提出的传感器阵列体系架构，可以设计传感器，使得每个单元格针对不同的目标分子，并且每个目标分子的单独的吸收率光谱通过使用来自在不发生多重干扰的不同光谱区域中操作的相邻单元格的信息来解耦。以这种方式，能够监视血液中的一个或多于一个目标分量。
参考图24-图25，光谱分解可以如下执行。图24是tris缓冲盐水(TBS)溶液的漫反射率光谱，其中溶液中放置有乳酸，该光谱已经通过FTIR测量来获得。图25是经处理的光谱，其中减去了TBS光谱分量，从而揭示出乳酸分子的光谱分量。
因而，来自非常复杂的散射基质(诸如人类组织)的非常复杂的吸收率光谱能够被分解成各个分子吸收率分量，并且进而可以通过应用Lambert-Beer定律将这个吸收率转换成经校准的浓度水平：
A(λ)＝ε1(λ)c1+ε2(λ)c2+…
其中εi是经校准的摩尔(molar)衰减系数，并且ci是浓度。
每个单独的分子的经校准的衰减系数被预确定，并且值被存储在CPU中以执行经校准的算法，以处理实验获得的漫反射率光谱，即，将光谱分解成各个吸收率光谱分量并计算经校准的浓度水平。
特别地，在实施例中，传感器可以包括单元格的阵列，其中至少一个阵列单元格针对与至少一个水吸收峰(即，
Figure BDA0002284713860000313
Figure BDA0002284713860000315
或
Figure BDA0002284713860000314
)对应的光谱区域。阵列中的另一个单元格可以针对与血液成分目标分子的至少一个吸收峰对应的光谱区域。传感器可以包括CPU，该CPU被编程为基于用该至少一个阵列单元格测得的至少一个水吸收峰来确定水浓度水平和水吸收光谱。CPU还可以被编程为去除基线并且分解由与该至少一个阵列单元格相邻的阵列单元格覆盖的光谱区域中的复杂吸收率光谱，以揭示底层的目标分子吸收特征。另外，CPU还可以被编程为将漫反射率光谱转换成吸收率。吸收率可以包括收集的吸收率光谱，其包括多个单独的吸收率光谱分量，该多个单独的吸收率光谱分量通过使用来自在不存在与其它分子吸收的重叠的不同光谱区域中操作的相邻阵列单元格的信息而解耦。
由于毛细管网的深度和密度在不同的身体部位中发生变化，因此样本体积也发生变化，并且因此反射率信号也发生变化。可以通过所描述的方法来克服这个挑战，所描述的方法中使用传感器阵列，该传感器阵列包括在没有干扰的光谱区域中针对水或其它已知分子的传感器单元格。因此，能够与人体内的传感器位置无关地获得与样本体积成比例的水浓度水平，并且所获得的数据能够进一步用于去除基线并分解在由相邻传感器单元格覆盖的光谱区域中的复杂吸收率光谱。
所描述的算法与本文描述的传感器体系架构相结合允许将具有任意复杂度的吸收光谱分解成单独的分量，从而评估每个单独的成分的浓度。通过具有在给定波长处的每个单独的干扰物质的单独的衰减系数的先验知识可以促进这一点。在其中一些干扰物质的衰减系数未知的情况下，减去任何已知或可能的光谱贡献的能力大大提高了信号处理算法(诸如多变量部分最小二乘和主成分回归方法)的准确性，以获得目标分子的经校准的浓度水平。
所描述的传感器体系架构技术允许将复杂的吸收光谱分解成单独的分量。当每个单独的分子的单独的衰减系数已知时，这种技术提供了非常直接的方式来获取每个光谱分量的经校准的浓度水平。但是，血液的复杂性会带来挑战。在这种情况下，典型的方法可以包括使用多变量PLS，它不要求所有底层分量是已知的。即使对于PLS，减去主要干扰分量(如水)的能力也大大提高了算法的准确性。因而，在优选实施例中，传感器具有几种主要分子的衰减系数数据，并将这个信息与水信号一起使用以去除基线，并使用多变量PLS获得目标分子的经校准的浓度。
参考图1C、图26和图27，所描述的传感器可以用于非侵入式浓度测量，其中光学接口(例如，光纤接口20)与附加的波束整形光学器件一起使用以经由光学链路2721照射在外部皮肤层或组织下的真皮层中的血液。来自血液的反射信号经由光学链路2711收集，并被引导到反射光光电二极管40。在图27中更详细地示出了这种情况，其中光学接口(例如，光纤接口20)被描绘为包括聚焦光学器件光学链路2721和收集光学器件光学链路2711。
在一些实施例中，光通信链路2721和2711是光纤，例如，光纤12和31。在其它实施例中，每条光通信链路2721和2711可以是形成光通信链路的光学元件，即，透镜或透镜的集合、反射镜的集合和/或抛物面反射镜。
例如，传感器阵列可以将其输出光栅耦合器路由到光学芯片内相同位置中的紧密堆积的组(closely packed group)，如图20中所示，不同之处在于多模纤芯2000可以用单个聚焦透镜代替，该单个聚焦透镜将每个光栅耦合器的输出非侵入式地聚焦到受试者的皮肤外层下的血液上。反射光由分离的透镜收集，选择该透镜使其特性允许收集来自发送聚焦光的相同深度和位置的光，从而实现感测。然后将收集的反射光聚焦到反射光光电二极管40的光敏孔。
参考图28，在使用片上系统传感器阵列期间，光子片上系统阵列单元格1810、1820、...、18XX(每个单元格围绕不同的中心波长提供扫描波长激光信号)的各个输出可以被路由到光子芯片的一侧。每个单独的输出光栅耦合器2810、2820、...2XXX由单独的聚焦光学元件(例如，透镜3010、3020、...、3XXX)单独聚焦，以便在最优情况下每个输出的波束光斑重叠并在受试者的皮肤下形成单个光斑，从而确保来自传感器的光与受试者的血液之间的交互被定位在皮肤下的限定位置。典型的光穿透深度在皮肤下达到1mm，到达第一血管化层—真皮层。然后用透镜4000收集漫反射光，选择透镜4000以使其数值孔径和聚焦深度允许从光聚焦到的位置收集反射光。这个反射光携带关于光-血液交互的信息并由透镜4000收集并聚焦到反射光光电二极管40的光敏孔2841上。光敏孔2841被顶部电触点2842围绕，该顶部电触点2842能够与第二电极2844组合，用作阴极或阳极(取决于实际的光电二极管外延结构层序列)。两个电极以隔离间隙2843分开。为了操作，选择电极2842和2844之间的极性，使得pn结反向偏置。
聚焦光学透镜和收集光学透镜的确切布置并不关键，只要聚焦和收集是从受试者内的相同位置(即，相同光斑)实现的即可。这在图29中示出，其中在光子芯片阵列的中心实现收集透镜4000和光电二极管40，而样本的照射是经由路由到光子传感器芯片的周边的输出来执行的。
分析的示例
图30a-图30d示出了用基于宽可调谐激光的传感器记录的四种分子(葡萄糖、乳酸、牛血清白蛋白和尿素)的吸收光谱(曲线a)，并与用商用台式FTIR光谱仪记录的光谱(曲线b)进行了比较。特别地，测试溶液是a)30mmol/l葡萄糖、b)50mmol/l乳酸、c)50g/l牛血清白蛋白(BSA)以及d)30mmol/l尿素。可以看到分子特异性吸收光谱测量值的明确相关性。
CPU可以被进一步编程，以校正和去除在多于一种目标分子的吸收光谱特征重叠的光谱区域中的基线。在图31a和图31b中清楚地例示了基线校正和去除。这些图例示了当双芯光纤尖端被直接浸入血液液滴中时使用商用台式FTIR光谱仪对人体血液样本进行的光谱测量。图31a描绘了血液液滴的透射光谱(曲线d)和拟合的水反射光谱(曲线c)。图31(b)描绘了从血液透射测量中减去水之后的血液光谱。结果所得的曲线被描绘为曲线f，其包括除水(被减去)以外的所有血液成分分子。作为指导，曲线e是牛血清白蛋白(BSA)的测得的透射曲线，它与人血清白蛋白(HSA)非常相似。两条曲线的比较清楚地指示HSA对血液测量的光谱调制。中央处理单元还可以被编程为使用各个吸收率光谱分量中的至少一个(诸如水或白蛋白)来确定经校准的浓度水平。可以基于在给定波长处的多种单独的分子中的每种分子的单独的吸收率值和经校准的衰减系数来确定经校准的浓度水平。中央处理单元可以被进一步编程为独立于特定样本体积来确定目标分子浓度。
在非侵入式测量的情况下，传感器发送激光信号通过皮肤，在那里光散射并与组织基质交互。激光信号到达上部毛细血管层(表皮下方约0.2-0.3mm)，在那里光与血液交互。一般而言，反射有两种类型：漫反射和镜面反射。当光与组织交互时，漫反射是主要的反射。图32a和图32b中示出了来自对人的非侵入式测量的漫反射率信号，其中将经由两个不同人的皮肤非侵入式测量的复杂反射率光谱(图32a的曲线g和h)的形状与当光纤探针被直接浸入血液中时对血液液滴的侵入式直接测量(图32a的曲线i和j)进行比较，清楚地证明了非侵入式测量的能力。此外，以与图31类似的方式，可以应用光谱分解来揭示血液中底层分子的信号，如图32b和32c中可以看到的，其中用人血清白蛋白进行的血液信号调制在通过台式FTIR光谱仪进行测量(图32b)以及用本文所述的宽可调谐激光传感器进行非侵入式测量这两种情况下示出。在2170nm附近明显可见来自主导HSA分子的调制。
上面提到的具体芯片布置仅仅是本发明的许多可能的实施例的几个示例。所描述的本发明的实施例仅仅旨在是示例性的，并且许多变化和修改对于本领域技术人员将是清楚的。所有这种变化和修改都旨在落入所附权利要求书中所限定的本发明的范围内。
本发明的传感器系统还包含以下条款中阐明的以下特征：
1.一种基于激光的传感器片上系统，用于实时监视受试者的血液成分浓度水平，该片上系统包括：
可调谐混合III-V/IV激光传感器；以及
耦合到激光传感器的光纤接口，该接口包括探针，
其中在使用期间，激光传感器远离受试者并且探针与受试者光学连通。
2.如条款1所述的基于激光的传感器片上系统，其中IV包括选自硅、绝缘体上硅、绝缘体上硅上的氮化硅、绝缘体上锗以及硅上氮化硅组成的组的基于IV的半导体基板。
3.如条款1所述的基于激光的传感器片上系统，其中可调谐激光传感器包括部署在基于IV的基板上的光子集成电路和llI-V增益芯片，该光子集成电路(i)被配置为基于游标效应执行波长滤波和调谐功能，以及(ii)为III-V增益芯片限定外腔。
4.如条款3所述的基于激光的传感器片上系统，其中光子集成电路包括光斑尺寸模式转换器、相位控制部分和耦合到具有第二自由光谱范围的第二谐振器的、具有第一自由光谱范围的第一谐振器。
5.如条款4所述的基于激光的传感器片上系统，其中第一谐振器和第二谐振器选自微环谐振器、采样布拉格反射器和分布式反馈反射器组成的组。
6.根据如条款4所述的基于激光的传感器片上系统，其中第一自由光谱范围不同于第二自由光谱范围。
7.如条款4所述的基于激光的传感器片上系统，其中耦合的第一谐振器和第二谐振器、III-V增益芯片、光斑尺寸模式转换器和相位控制部分协作以实现可调谐激光传感器的基于游标效应的调谐。
8.如条款4所述的基于激光的传感器片上系统，其中可调谐激光传感器被配置为使得在操作中将电流或热量中的至少一种施加到耦合的谐振器中的至少一个以改变其有效折射率，影响由增益芯片生成的激光的波长的改变。
9.如条款3所述的基于激光的传感器片上系统，其中III-V增益芯片被边缘耦合到光子集成电路。
10.如条款9所述的基于激光的传感器片上系统，其中III-V增益芯片通过光栅耦合器来耦合到光子集成电路。
11.如条款1所述的基于激光的传感器片上系统，其中激光传感器包括至少一个III-V光电二极管，其通过倒装芯片键合、胶合、转移印刷技术或侧面耦合中的至少一种来耦合到光子集成电路。
12.如条款1所述的基于激光的传感器片上系统，还包括远离可调谐激光传感器部署的分立的III-V光电二极管，其中，在使用中，来自受试者的反射信号由该分立的III-V光电二极管收集。
13.如条款12所述的基于激光的传感器片上系统，其中光子集成电路包括信号和波长监视部分。
14.如条款13所述的基于激光的传感器片上系统，其中信号和波长监视部分包括：(i)马赫-曾德干涉仪或耦合的环形谐振器的集合中的至少一个，以及(ii)至少一个倒装芯片III-V光电二极管。
15.如条款14所述的基于激光的传感器片上系统，其中激光传感器还包括：
传感器控制电子器件；以及
信号处理微控制器，
其中微控制器被配置为(i)控制激光驱动电子器件，(ii)调谐电流，以及(iii)使用来自波长和信号监视部分的信息来对从分立的III-V光电二极管获得的数据进行信号处理。
16.如条款1所述的基于激光的传感器片上系统，其中激光传感器被配置为随时间跨调谐范围执行波长扫描，并且激光传感器包括被配置为将从受试者反射的光转换成电信号的光电二极管。
17.如条款1所述的基于激光的传感器片上系统，其中光纤接口连接到光学导管，并且被配置为(i)将来自传感器的光信号发送到受试者的血液，以及(ii)将来自受试者的血液的反射光发送到传感器。
18.如条款1所述的基于激光的传感器片上系统，其中光纤接口与波束整形光学器件光学连通，该波束整形光学器件被配置为通过受试者的皮肤或外部组织非侵入式地照射受试者的血液样本。
19.一种制造基于激光的传感器片上系统的方法，该片上系统用于实时监视受试者的血液成分浓度水平，该方法包括以下步骤：
制造可调谐的混合llI-V/IV激光传感器，该制造是通过
制造III-V半导体增益芯片，
通过CMOS技术在基于IV族的半导体基板上制造光子集成电路以限定IV族半导体芯片，以及
混合集成III-V增益芯片和IV族半导体芯片，
其中光子集成电路(i)被配置为基于游标效应执行波长滤波和调谐功能，并且(ii)限定用于III-V增益芯片的外腔；以及
将光纤接口耦合到激光传感器，该接口包括探针，其中在使用期间，激光传感器远离受试者并且探针与受试者光学连通。
20.如条款19所述的方法，其中混合集成III-V增益芯片和IV族半导体芯片包括将III-V增益芯片边缘耦合到IV族半导体芯片、主动对准两个芯片以及将两个芯片胶合在一起。
21.如条款19所述的方法，其中混合集成芯片包括将III-V增益芯片的p侧向下翻转并将增益芯片键合到在IV族半导体芯片中限定的沟槽中，以边缘耦合到光子集成电路。
22.如条款19所述的方法，其中制造III-V半导体增益芯片包括通过MBE或MOVPE生长中的至少一种在基板上外延生长激光层结构。
23.如条款22所述的方法，还包括将基板上的激光层结构处理成包括预定波导角和接触垫的增益芯片设备。
24.如条款23所述的方法，还包括将基板上的激光层结构解理成条。
25.如条款24所述的方法，还包括在输出刻面上形成抗反射涂层，其中在输出刻面处的功率反射小于0.1％。
26.如条款25所述的方法，还包括在背刻面上形成高反射率涂层，其中在背刻面上的功率反射率为至少90％或更高。
27.如条款26所述的方法，还包括将每个条解理成多个单独的III-V半导体增益芯片。
28.如条款27所述的方法，还包括根据III-V增益芯片的特性来设计光子集成电路，该光子集成电路包括光斑尺寸转换器和游标滤波器中的至少一种。
29.一种包括单元格的阵列的传感器，每个单元格包括如条款1所述的基于激光的传感器片上系统，其中每个阵列单元格针对不同的光谱区域和分离的目标分子。
30.如条款29所述的传感器，其中每个阵列单元格的波长扫描激光信号在不同的时间发射，并且通过用单个光电二极管的同步检测来实现信号收集。
31.如条款29所述的传感器，其中(i)光纤接口包括具有芯的出耦合光纤，(ii)阵列的输出端由来自各个阵列单元格的光栅耦合器的组形成，这些光栅耦合器被路由到片上系统的相同部分，以及(iii)由光栅耦合器的组限定的总面积小于出耦合光纤芯的横截面积。
32.如条款29所述的传感器，还包括：
单个输出部分；以及
波长开关，被配置为在阵列单元格的输出端之间切换；以及
单个光电二极管，
其中(ii)传感器阵列的输出端由单个输出部分和波长开关形成，(ii)在每个单独的单元格的输出端之间切换导致在给定时间处将一个阵列单元格的单个输出端出耦合到目标，以及(iii)通过用单个光电二极管进行的同步检测来实现信号收集。
33.如条款29所述的传感器，其中(i)至少一个阵列单元格针对与选自
Figure BDA0002284713860000391
以及
Figure BDA0002284713860000392
组成的组的至少一个水吸收峰对应的光谱区域，以及(ii)至少一个其它阵列单元格针对与血液成分目标分子的至少一个吸收峰对应的光谱区域。
34.如条款33所述的传感器，还包括至少一个中央处理单元，该中央处理单元被编程为基于用该至少一个阵列单元格测得的至少一个水吸收峰来确定水浓度水平和水吸收光谱。
35.如条款34所述的传感器，其中中央处理单元还被编程为去除基线并且分解由与该至少一个阵列单元格相邻的阵列单元格覆盖的光谱区域中的复杂吸收率光谱，以揭示底层的目标分子吸收特征。
36.如条款33所述的传感器，其中中央处理单元还被编程为将漫反射率光谱转换成吸收率。
37.如条款36所述的传感器，其中吸收率包括收集的吸收率光谱，该收集的吸收率光谱包括多个单独的吸收率光谱分量，该多个单独的吸收率光谱分量通过使用来自在不存在与其它分子吸收重叠的不同光谱区域中操作的相邻阵列单元格的信息来解耦。
38.如条款37所述的传感器，其中中央处理单元还被编程为校正和去除其中多于一种目标分子的吸收光谱特征重叠的光谱区域中的基线。
39.如条款38所述的传感器，其中中央处理单元还被编程为使用各个吸收率光谱分量中的至少一个来确定经校准的浓度水平。
40.如条款39所述的传感器，其中基于在给定波长处的多种单独的分子中的每一种的单独的吸收率值和经校准的衰减系数来确定经校准的浓度水平。
41.如条款33-39中任一项所述的传感器，其中中央处理单元还被编程为独立于特定的样本体积来确定目标分子浓度。
42.一种用于实时监视受试者的血液成分浓度水平的基于激光的传感器片上系统，该片上系统包括：
可调谐混合III-V/IV传感器；以及
与激光传感器耦合的光学接口，该光学接口包括波束整形光学器件，
其中，在使用期间，激光传感器远离受试者，并且光学接口被配置为通过受试者的皮肤或外部组织非侵入性地照射受试者的血液样本。
43.一种包括单元格的阵列的传感器，每个单元格包括如条款42所述的基于激光的传感器片上系统，其中每个阵列单元格针对不同的光谱区域和分离的目标分子。
44.如条款43所述的传感器阵列，其中每个阵列单元格的单独的输出被聚焦以照射受试者的单个区域，并且通过波束整形光学器件从被照射的区域收集每个反射的信号。
45.如条款42所述的传感器阵列，其中波束整形光学器件包括至少一个光学元件。
46.如条款45所述的传感器阵列，其中光学元件包括透镜、反射镜的集合和抛物面反射镜中的至少一种。
47.一种实时监视受试者的血液成分水平的方法，包括以下步骤：
提供片上系统，片上系统包括
可调谐混合Ill-V/IV激光传感器，
耦合到激光传感器的光纤接口，表面包括探针，
传感器控制电子器件，用于传感器控制和信号处理，以及
信号处理微控制器，使激光传感器远离受试者部署并且探针与受试者光学连通；
通过将扫描激光信号发送到光纤接口，指示片上系统监视受试者的血液成分水平；
利用光纤接口将信号引导到受试者的血液；
在信号与血液交互之后，用光纤接口收集来自血液的反射的信号；
将反射的信号引导到反射光光电二极管，其中反射的信号是光信号；
将反射的信号从光信号转换成电信号；以及
用微控制器处理电信号，以将电信号转换成经校准的血液成分水平。
48.如条款47所述的方法，其中探针连接到静脉内光学导管或动脉内光学导管中的至少一个，用于侵入性血液分析物浓度水平测量。
49.如条款47所述的方法，其中光学接口附接到受试者以用于非侵入性血液分析物浓度水平测量。
50.如条款47所述的方法，其中血液成分选自乳酸、白蛋白、葡萄糖、氨、肌酐和尿素组成的组。

Claims (50)

1.一种用于实时监视受试者的血液成分浓度水平的基于激光的传感器片上系统，该片上系统包括：
可调谐混合III-V/IV激光传感器；以及
耦合到激光传感器的光纤接口，该接口包括探针，
其中在使用期间，激光传感器远离受试者并且探针与受试者光学连通。
2.如权利要求1所述的基于激光的传感器片上系统，其中IV包括选自硅、绝缘体上硅、绝缘体上硅上的氮化硅、绝缘体上锗以及硅上氮化硅组成的组中的基于IV的半导体基板。
3.如权利要求1所述的基于激光的传感器片上系统，其中可调谐激光传感器包括部署在基于IV的基板上的光子集成电路和llI-V增益芯片，该光子集成电路(i)被配置为基于游标效应执行波长滤波和调谐功能，以及(ii)为III-V增益芯片限定外腔。
4.如权利要求3所述的基于激光的传感器片上系统，其中光子集成电路包括光斑尺寸模式转换器、相位控制部分以及耦合到具有第二自由光谱范围的第二谐振器的、具有第一自由光谱范围的第一谐振器。
5.如权利要求4所述的基于激光的传感器片上系统，其中第一谐振器和第二谐振器选自微环谐振器、采样布拉格反射器和分布式反馈反射器组成的组。
6.如权利要求4所述的基于激光的传感器片上系统，其中第一自由光谱范围不同于第二自由光谱范围。
7.如权利要求4所述的基于激光的传感器片上系统，其中耦合的第一谐振器和第二谐振器、III-V增益芯片、光斑尺寸模式转换器以及相位控制部分协作以实现可调谐激光传感器的基于游标效应的调谐。
8.如权利要求4所述的基于激光的传感器片上系统，其中可调谐激光传感器被配置为使得在操作中将电流或热量中的至少一种施加到耦合的谐振器中的至少一个以改变其有效折射率，影响由增益芯片生成的激光的波长的改变。
9.如权利要求3所述的基于激光的传感器片上系统，其中III-V增益芯片被边缘耦合到光子集成电路。
10.如权利要求9所述的基于激光的传感器片上系统，其中III-V增益芯片通过光栅耦合器来耦合到光子集成电路。
11.如权利要求1所述的基于激光的传感器片上系统，其中激光传感器包括至少一个III-V光电二极管，该至少一个III-V光电二极管通过倒装芯片键合、胶合、转移印刷技术或侧面耦合中的至少一种来耦合到光子集成电路。
12.如权利要求1所述的基于激光的传感器片上系统，还包括远离可调谐激光传感器部署的、分立的III-V光电二极管，其中，在使用中，来自受试者的反射信号由该分立的III-V光电二极管收集。
13.如权利要求12所述的基于激光的传感器片上系统，其中光子集成电路包括信号和波长监视部分。
14.如权利要求13所述的基于激光的传感器片上系统，其中信号和波长监视部分包括：(i)马赫-曾德干涉仪或耦合的环形谐振器的集合中的至少一个，以及(ii)至少一个倒装芯片III-V光电二极管。
15.如权利要求14所述的基于激光的传感器片上系统，其中激光传感器还包括：
传感器控制电子器件；以及
信号处理微控制器，
其中微控制器被配置为(i)控制激光驱动电子器件，(ii)调谐电流，以及(iii)使用来自波长和信号监视部分的信息对从分立的III-V光电二极管获得的数据进行信号处理。
16.如权利要求1所述的基于激光的传感器片上系统，其中激光传感器被配置为随时间跨调谐范围执行波长扫描，并且激光传感器包括被配置为将从受试者反射的光转换成电信号的光电二极管。
17.如权利要求1所述的基于激光的传感器片上系统，其中光纤接口连接到光学导管，并且被配置为(i)将来自传感器的光信号发送到受试者的血液，以及(ii)将来自受试者的血液的反射光发送到传感器。
18.如权利要求1所述的基于激光的传感器片上系统，其中光纤接口与波束整形光学器件光学连通，该波束整形光学器件被配置为通过受试者的皮肤或外部组织非侵入式地照射受试者的血液样本。
19.一种制造基于激光的传感器片上系统的方法，该片上系统用于实时监视受试者血液成分浓度水平，该方法包括以下步骤：
制造可调谐混合llI-V/IV激光传感器，该制造通过
制造III-V半导体增益芯片，
通过CMOS技术在基于IV族的半导体基板上制造光子集成电路以限定IV族半导体芯片，以及
混合集成III-V增益芯片和IV族半导体芯片，
其中光子集成电路(i)被配置为基于游标效应执行波长滤波和调谐功能，并且(ii)限定用于III-V增益芯片的外腔；以及
将光纤接口耦合到激光传感器，该接口包括探针，其中在使用期间，激光传感器远离受试者并且探针与受试者光学连通。
20.如权利要求19所述的方法，其中混合集成III-V增益芯片和IV族半导体芯片包括将III-V增益芯片边缘耦合到IV族半导体芯片、主动对准两个芯片以及将两个芯片胶合在一起。
21.如权利要求19所述的方法，其中混合集成芯片包括将III-V增益芯片的p侧向下翻转并将增益芯片键合到在IV族半导体芯片中限定的沟槽中，以边缘耦合到光子集成电路。
22.如权利要求19所述的方法，其中制造III-V半导体增益芯片包括通过MBE或MOVPE生长中的至少一种在基板上外延生长激光层结构。
23.如权利要求22所述的方法，还包括将基板上的激光层结构处理成包括预定波导角和接触垫的增益芯片设备。
24.如权利要求23所述的方法，还包括将基板上的激光层结构解理成条。
25.如权利要求24所述的方法，还包括在输出刻面上形成抗反射涂层，其中在输出刻面处的功率反射小于0.1％。
26.如权利要求25所述的方法，还包括在背刻面上形成高反射率涂层，其中在背刻面上的功率反射率为至少90％或更高。
27.如权利要求26所述的方法，还包括将每个条解理成多个单独的III-V半导体增益芯片。
28.如权利要求27所述的方法，还包括根据III-V增益芯片的特性来设计光子集成电路，该光子集成电路包括光斑尺寸转换器和游标滤波器中的至少一种。
29.一种包括单元格的阵列的传感器，每个单元格包括如权利要求1所述的基于激光的传感器片上系统，其中每个阵列单元格针对不同的光谱区域和分离的目标分子。
30.如权利要求29所述的传感器，其中每个阵列单元格的波长扫描激光信号在不同的时间发射，并且通过用单个光电二极管的同步检测来实现信号收集。
31.如权利要求29所述的传感器，其中(i)光纤接口包括具有芯的出耦合光纤，(ii)阵列的输出端由来自各个阵列单元格的光栅耦合器的组形成，这些光栅耦合器被路由到片上系统的相同部分，以及(iii)由光栅耦合器的组限定的总面积小于出耦合光纤芯的横截面积。
32.如权利要求29所述的传感器，还包括：
单个输出部分；以及
波长开关，被配置为在阵列单元格的输出端之间切换；以及
单个光电二极管，
其中(ii)传感器阵列的输出端由单个输出部分和波长开关形成，(ii)在每个单独的单元格的输出端之间切换导致在给定时间处一个阵列单元格的单个输出端被出耦合到目标，以及(iii)通过用单个光电二极管进行的同步检测来实现信号收集。
33.如权利要求29所述的传感器，其中(i)至少一个阵列单元格针对与选自～1460nm、～1900-2000nm以及～3000nm组成的组的至少一个水吸收峰对应的光谱区域，以及(ii)至少一个其它阵列单元格针对与血液成分目标分子的至少一个吸收峰对应的光谱区域。
34.如权利要求33所述的传感器，还包括至少一个中央处理单元，该中央处理单元被编程为基于用所述至少一个阵列单元格测得的所述至少一个水吸收峰来确定水浓度水平和水吸收光谱。
35.如权利要求34所述的传感器，其中中央处理单元还被编程为去除基线并且分解由与所述至少一个阵列单元格相邻的阵列单元格覆盖的光谱区域中的复杂吸收率光谱，以揭示底层的目标分子吸收特征。
36.如权利要求33所述的传感器，其中中央处理单元还被编程为将漫反射率光谱转换成吸收率。
37.如权利要求36所述的传感器，其中吸收率包括收集的吸收率光谱，该光谱包括多个单独的吸收率光谱分量，所述多个单独的吸收率光谱分量通过使用来自在不存在与其它分子吸收重叠的不同光谱区域中操作的相邻阵列单元格的信息来解耦。
38.如权利要求37所述的传感器，其中中央处理单元还被编程为校正和去除其中多于一种目标分子的吸收光谱特征重叠的光谱区域中的基线。
39.如权利要求38所述的传感器，其中中央处理单元还被编程为使用各个吸收率光谱分量中的至少一个来确定经校准的浓度水平。
40.如权利要求39所述的传感器，其中基于在给定波长处的多种单独的分子中的每一种的单独的吸收率值和经校准的衰减系数来确定经校准的浓度水平。
41.如权利要求33-39中任一项所述的传感器，其中中央处理单元还被编程为独立于特定的样本体积来确定目标分子浓度。
42.一种用于实时监视受试者的血液成分浓度水平的基于激光的传感器片上系统，该片上系统包括：
可调谐混合III-V/IV传感器；以及
与激光传感器耦合的光学接口，该光学接口包括波束整形光学器件，
其中，在使用期间，激光传感器远离受试者，并且光学接口被配置为通过受试者的皮肤或外部组织非侵入性地照射受试者的血液样本。
43.一种包括单元格的阵列的传感器，每个单元格包括如权利要求42所述的基于激光的传感器片上系统，其中每个阵列单元格针对不同的光谱区域和分离的目标分子。
44.如权利要求43所述的传感器阵列，其中每个阵列单元格的单独的输出被聚焦以照射受试者的单个区域，并且通过波束整形光学器件从被照射的区域收集每个反射的信号。
45.如权利要求42所述的传感器阵列，其中波束整形光学器件包括至少一个光学元件。
46.如权利要求45所述的传感器阵列，其中光学元件包括透镜、反射镜的集合和抛物面反射镜中的至少一种。
47.一种实时监视受试者的血液成分水平的方法，包括以下步骤：
提供片上系统，片上系统包括
可调谐混合Ill-V/IV激光传感器，
耦合到激光传感器的光纤接口，表面包括探针，
传感器控制电子器件，用于传感器控制和信号处理，以及
信号处理微控制器，使激光传感器远离受试者部署并且探针与受试者光学连通；
通过将扫描激光信号发送到光纤接口，指示片上系统监视受试者的血液成分水平；
利用光纤接口将信号引导到受试者的血液；
在信号与血液交互之后，用光纤接口收集来自血液的反射的信号；
将反射的信号引导到反射光光电二极管，其中反射的信号是光信号；
将反射的信号从光信号转换成电信号；以及
用微控制器处理电信号，以将电信号转换成经校准的血液成分水平。
48.如权利要求47所述的方法，其中探针连接到静脉内光学导管或动脉内光学导管中的至少一个，用于侵入性血液分析物浓度水平测量。
49.如权利要求47所述的方法，其中光学接口附接到受试者以用于非侵入性血液分析物浓度水平测量。
50.如权利要求47所述的方法，其中血液成分选自乳酸、白蛋白、葡萄糖、氨、肌酐和尿素组成的组。
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