CN116472489A - 光学感测模块 - Google Patents

Abstract

一种用于漫反射组织监测的传感器系统，所述传感器系统包括：一个或多个集成光子硅或氮化硅宽带收发器电路，所述一个或多个收发器电路用于多波长漫反射组织监测，其中所述一个或多个收发器电路包括发射器光子集成电路(PIC)，所述发射器PIC包括光学相控阵列(OPA)，所述OPA包括引导机构以在所述组织上引导所发射的光。

Description

光学感测模块

技术领域

根据本发明的实施方案的一个或多个方面涉及用于可穿戴装置的感测模块，并且更具体地涉及在硅衬底上包括光子集成电路(PIC)的感测模块。

背景技术

数字健康护理正在改变健康护理行业，伴随着对用于多种目的的各种生物标记物进行实时和按需分析的需求增加。可穿戴装置(“可穿戴物”)现在在健康和保健(包括例如健身跟踪、一般健康监测和医疗状况管理)领域中十分常见。对于诸如这些的装置，希望生物参数的感测和测量是快速、非侵入性的并且具有足够的特异性、灵敏度和准确性。因此，希望提供适用于非侵入式可穿戴装置的部件，这些部件为待测量的生物参数提供必要的技术要求，而且这些部件方便小巧并且可以消费者友好的价格制造。已知非侵入式感测模块可在可穿戴装置市场之外找到用途，例如在机器人或远程感测领域。

可穿戴装置应稳健、可靠且易于佩戴，并且可包括皮肤接触贴片、腕表、戒指、耳塞式耳机、头带和眼镜架。

发明内容

因此，本发明旨在通过根据第一方面提供一种适用于可穿戴装置的光学感测模块来解决以上问题，该光学感测模块包括：硅或氮化硅发射器光子集成电路(PIC)，该发射器PIC包括：多个激光器，该多个激光器中的每个激光器在与其他激光器的波长不同的波长下工作；光学操纵区域，该光学操纵区域包括以下各项中的一者或多者：光调制器、光学多路复用器(MUX)和附加光学操纵元件；以及针对源自多个激光器的光的一个或多个光学输出。

这样，提供了一种适用于穿戴装置的改进的光学感测模块。有利地，该感测模块能够提供集成有各种光学部件的紧凑平台。各种部件使得能够使用单个平台根据材料(例如生物组织)进行大范围的不同测量，从而产生能够用于消费者和专业医疗保健两个领域的多种应用(包括各种生物物理和生物化学生物标记物的感测和监测)的单个产品。

因此，本发明的光学感测模块可产生至少两个波长的光并将该光引导到待研究的表面。这可对应于生物材料诸如皮肤组织的表面。在典型的可穿戴装置中，光穿透表面并被散射，使得光的一部分返回传感器模块。沿着其穿过生物组织的路径，光可被可对应于生物标记物本身或生物标记物的代理的分析物吸收。此类程序被称为漫反射分光光度法。另一种感测形式涉及拉曼(Raman)散射。在拉曼光谱学的情况下，散射光与入射光的波长不同。本领域的技术人员将意识到这些技术的许多变型，在此称为光谱学。

对于此类光谱学，可使用硅光子(SiPh)芯片，其上集成有产生和传输光信号以及接收和解释返回光信号所必需的全部或大部分光学功能。发射(Tx)部分和接收(Rx)部分可位于一个芯片上以形成单个发射器/接收器芯片，或位于多于一个芯片上，诸如单独的Tx和Rx芯片装置。硅光子芯片可基于其中存在一个掩埋氧化物层的SOI结构或基于其中存在两个(或更多个)掩埋氧化物层的双SOI结构。

诸如吸收光谱学或拉曼光谱学的光谱学的工作原理是向被检查的材料或样品施加询问光并检测和分析从样品接收的光，其可被称为“样品光”。对于本公开的目的，术语“光谱学”的含义可包括诸如心率和血压的生物功能的监测和测量。可直接测量这些功能，或间接估算其属性。对于可穿戴物，被检查的材料可以是可在人的皮肤上或穿过人的皮肤进行监测的生物组织。

此外，或作为可穿戴装置的另选方案，可在手持装置中使用感测模块。

本发明允许使用多个激光器，这些激光器可以是能够切换的并且能够通过波长扫描以外的方式识别。这样做的优点是不需要像传统实验室分光光度法那样进行扫描。因此可以使用一个或多个波长未知检测器。检测器可在整个范围内不同地响应(即，对于整个波长范围内的给定光强度，输出可变化)，但这可得到补偿。由于具有多个光源和简单检测器而不是简单光源和复杂检测器更便宜且更容易，因此这具有相当大的商业优势。此外，这种方式可使用更高功率的泵浦源(在给定波长下)，从而改善灵敏度和选择性。

根据本发明的实施方案的第二方面，提供了一种用于漫反射组织监测的传感器系统，该传感器系统包括：用于多波长漫反射组织监测的一个或多个集成光子硅或氮化硅宽带收发器电路，其中一个或多个收发器电路包括发射器光子集成电路(PIC)，该发射器PIC包括光学相控阵列(OPA)，该OPA包括引导机构以在整个组织上引导所发射的光。

根据本发明的实施方案的第三方面，提供了一种发射器PIC，该发射器PIC包括：用于多波长漫反射组织监测的一个或多个集成光子硅或氮化硅宽带发射器电路，其中发射器PIC包括光学相控阵列(OPA)，该OPA包括引导机构以在整个组织上引导所发射的光。

根据本发明的实施方案的第三方面，提供了一种适用于可穿戴装置的光学感测模块，该光学感测模块包括：硅或氮化硅发射器光子集成电路(PIC)，该发射器PIC包括：多个激光器，该多个激光器中的每个激光器在与其他激光器的波长不同的波长下工作；光学操纵区域，该光学操纵区域包括以下各项中的一者或多者：光调制器、光学多路复用器(MUX)和附加光学操纵元件；以及针对源自多个激光器的光的一个或多个光学输出；其中发射器PIC包括光学相控阵列(OPA)，该OPA包括引导机构以在待分析的表面上引导来自一个或多个光学输出的所发射的光。

现在将陈述本发明的任选特征。这些可单独应用或与本发明的任何方面任意组合应用。

任选地，激光器可以是FP激光器、外腔DBR式(RSOA+光栅)或DFB激光器。它们可以是固定波长激光器。

有利地，多个激光器包括具有III-V RSOA增益激光芯片或芯片小方块的一个或多个激光器，该激光芯片或芯片小方块混合集成到PIC，使得III-VRSOA或激光波导中的光学模式边缘耦合到PIC的一个或多个波导。这样，RSOA中以及Si或SiN PIC波导中的光保持在同一平面中。

任选地，光学多路复用器(MUX)可采用中阶梯(echelle)光栅的形式，特别是集成中阶梯光栅，或阵列波导光栅(AWG)。

光学操纵元件可包括以下各项中的一者或多者：功率分接头、透镜、功率分配器、滤波器、镜和偏振旋转器。

硅或氮化硅集成电路可位于硅衬底上。

多个激光器可在DBR光栅上结合加热器或其他相位调谐机构以调谐激光器的波长，并且结合波长锁定器控制电路。

任选地，多个激光器的波长在400nm至3000nm的范围内。在一些实施方案中，激光器可全部对应于NIR波长＝1150nm至2500nm。在一些实施方案中，全部激光波长可落在以下范围中的一者或两者内：1150nm以上(使用Si PIC)；以及400nm至1150nm(使用SiN PIC)。

任选地，发射器PIC包括在30个以上不同NIR和/或可见波长下工作的激光器阵列。在一些实施方案中，发射器PIC包括在最多200个发射波长下工作的激光器阵列。

尽管光学感测模块适用于可穿戴装置，但它是多功能感测模块并且可在其他情况下使用或调整后使用。例如，在机器人中需要类似的传感器。除了分析人体的生物标记物和参数之外，感测模块还可用于其他应用，特别是分析非常接近光学输出的对象的组成材料。

任选地，光学感测模块还包括多个LED，这些LED在与多个激光器不同的波长下工作，并且每个LED在与组成多个LED的其他LED的波长不同的波长下工作。

任选地，LED可各自具有位于电磁光谱的可见或NIR区域内的工作波长。可见波长和NIR波长应被理解为在400nm至950nm的范围内。

在一些实施方案中，多个LED包括在12个或更多可见波长下工作的LED。这样，感测模块是能够非侵入式地测量心率(HR)和心率变异性(HRV)、血流(脉冲幅度)、局部体温(LBT)和核心体温(CBT)、无袖带测量血压(BP)、脉搏血氧饱和度(SpO2)、呼吸频率(BR)、全身水合(TBH)和皮肤水合(SH)、血液酒精(BA)/乙醇(C2H6O)和血乳酸(BL)含量、碳氧血红蛋白(HbC)和高铁血红蛋白(HbMet)以及葡萄糖的单一模块。

任选地，光学操纵区域包括镜，以将来自所有多个激光器的光以单个光学输出耦合出光学感测模块。

在一些实施方案中，镜是无源镜。无源镜可以是分段的。在一些实施方案中，镜是有源控制的MEMS镜。在一些实施方案中，镜是抛物面凹面镜。在一些实施方案中，镜在发射器PIC的外部并且安装在衬底上，位于PIC的光学输出附近。

任选地，光学感测模块还包括一个或多个光电检测器。

任选地，光电检测器位于发射器PIC上，使得PIC是发射器/接收器PIC。

任选地，镜或光栅可集成到PIC中以引导激光穿过PIC的一个或多个层。

任选地，光电检测器与发射器PIC分开定位。

任选地，硅光子接收器可包括硅平台，使得一个或多个波导由硅制成。在其他实施方案中，硅光子接收器可包括SiN平台，使得一个或多个波导由SiN制成。

一个或多个光电检测器可包括一个或多个基于硅的光电检测器和/或一个或多个基于InGaAs的光电检测器。它们还可包括一个或多个锗光电检测器和/或一个或多个雪崩光电二极管。

任选地，一个或多个光电检测器位于垂直集成并安装在与发射器PIC共用的同一衬底上的单独芯片上。

任选地，一个或多个光电检测器位于发射器PIC旁边的承载件上。

任选地，一个或多个光电检测器包括从发射器PIC接收光信号以作为相干检测器操作的检测器。

组合器网络通常将来自发射器的光信号耦合到相干检测器，并且可包括以下各项中的一者或多者：交换机、网络混频器和/或直通系统。

任选地，发射器PIC的光学输出从通向一个或多个光电检测器的光学输入横向移位。这样，发射波导和接收波导间隔一定固定量，例如1mm至8mm，以最大化光电检测器处感兴趣参数的信号质量(参见例如图25)。如图26和图27所示，在使用单独的光电检测器的情况下，光电检测器与发射排放点的间隔有策略地间隔开，同样具有对应于1mm至8mm的可感测间隔值。

任选地，单个波导充当发射波导、接收波导。

任选地，一个或多个光电检测器包括多个光电检测器，多个光电检测器中的每个光电检测器在不同的波长范围内工作。

任选地，基于硅的平台包括氮化硅波导。

任选地，光学感测模块还包括以下各项中的一者或多者：激光器驱动器、调制器驱动器、相位控制器、TIA、功率管理IC、多路复用器电路、微控制器单元(MCU)、FPGA。感测模块还可包括其他模拟前端(AFE)功能。

任选地，光学感测模块包括硅波导和SiN波导两者。这样，单个平台可支持更宽范围的波长。在一些实施方案中，Si或SiN波导是3μm波导。

任选地，多个激光器通过倒装芯片管芯结合或微转印置于PIC上。微转印(MTP)的详细描述可参见WO 2020/030641A1)。

任选地，发射器PIC的多个激光器包括一对或多对泵浦激光器和探针激光器，泵浦和探针对中的每一对被配置为与检测器一起操作以形成拉曼光谱仪。检测器可形成同一PIC的一部分或者可为分离的。在被配置为作为拉曼光谱仪工作时，泵浦激光器和探针激光器具有被选择成激发待分析材料/物体中的拉曼峰的波长。选择工作波长时的另一个考虑是与PIC的波导的材料的兼容性。例如，泵浦激光器可在1250nm至1700nm的波长范围工作，并且探针激光器可在1300nm至1850nm的波长范围工作。在其他实施方案中，探针激光器可在NIR波长下工作。

任选地，多个激光器包括单个泵浦激光器和多个探针激光器，探针激光器中的每一个具有对应于感兴趣谐振的波长。

任选地，多个激光器包括多个探针激光器，其中多个探针激光器中的每一个是固定波长激光器，固定波长对应于感兴趣的拉曼谐振。

任选地，多个激光器包括可调谐泵浦激光器。

任选地，多个激光器包括用于拉曼光谱学的至少一对泵浦探针激光器，以及多个不成对激光器。这样，可使用激光器的泵浦探针对来执行拉曼光谱学，并且可通过不成对激光器来执行诸如分光光度法的另一种光谱技术。

任选地，光学感测模块包括被配置为随着时间的推移进行记录的光电检测器和被配置为在对应于拉曼反射光谱的波长范围内进行扫描的可调谐探针激光器。这样，如果光电检测器耦合到直接耦合回收集可调谐激光的一部分的分接头的参考臂，则利用从芯片外部收集的探针光形成干涉仪。因此，可进行光频域反射计(OFDR)测量。

任选地，可在探针激光器与光电检测器之间的参考臂中结合具有开关的一排螺旋，以实现可调节的测距。

任选地，一个或多个光电检测器或LED位于一个或多个相应的微透镜下方。

任选地，微透镜中的一个或多个包括DBR滤波器的薄膜叠层。该薄膜叠层可由SiO₂/TiO₂或SiO₂/SiN层组成。然而，TiO₂或SiN可由另一种高折射率膜代替。通常，中间层偏移四分之一λ以在传输波长处谐振，其中厚度为λ/2的m倍数。在一个示例中，存在21个层，但其他数量的层也是可能的。微透镜用于增加接收器的收集。

任选地，光学感测模块包括处理器，该处理器被配置为：将预训练的算法应用于在对应于水吸收峰的波长处获取的反射率数据，以将反射率测量值转换为预测温度。

在传感器是可穿戴装置的情况下，被测量的温度可以是核心温度。用SiN平台测量温度实现970nm水峰处的小型可穿戴式测量。用Si平台测量温度实现1450nm水峰处的小型可穿戴式测量。

任选地，发射器PIC包括OPA。

任选地，该OPA包括：光分配器，其被配置为从一个或多个相干光源中的一者接收光并将光分离到多个分配器输出波导中；以及引导机构，其中光分配器输出波导被配置为生成发射器PIC的组合光学输出光束，并且其中当引导机构在组织表面上引导输出光束时，PIC产生从组织反射的统计上不相关的散斑图案。

任选地，光分配器包括以下各项中的一者或多者：光分配器、星形耦合器和/或1xMMMI。

任选地，引导机构包括移相器。

任选地，引导机构包括波长调谐。

任选地，引导机构包括延迟线。

任选地，PIC还包括MEMS镜，其中OPA被配置为在第一轴上引导光束，并且MEMS镜被配置为在与第一轴正交的第二轴上引导光束，使得可在两个维度上扫描表面。

任选地，发射器PIC的组合光学输出光束在自由传播区域FPR内生成。

任选地，FPR是未蚀刻硅的区域。

任选地，FPR具有50μm或更长的长度。

任选地，发射器PIC还包括反射减少机构。

任选地，反射减少机构包括多个掺杂圆以吸收残余反射。

任选地，反射减少机构包括用于散射残余反射的多个蚀刻区域。

任选地，一个或多个集成光子硅或氮化硅宽带收发器电路除了发射器PIC之外还包括接收器PIC。

任选地，接收器PIC位于与发射器PIC分开的芯片上。

任选地，接收器PIC是光电二极管。

本发明的其他任选特征如下所述。

附图说明

现在将参考附图通过示例描述本发明的实施方案，在附图中：

图1A是根据本发明的实施方案的光学感测模块的正面；

图1B是根据本发明的实施方案的光学感测模块的背面；

图1C是根据本发明的实施方案的光学感测模块的横截面，该光学感测模块包括保护外壳；

图2A是根据本发明的实施方案的结合有反射镜的光学感测模块，示出了其中透射光穿过衬底以及来自组织的反向散射光的可能路径的实施方案；

图2B是图2A所示的光学感测模块的另一个透视图；

图3A是根据本发明的实施方案的另一个光学感测模块的侧视图，该光学感测模块包括安装在衬底上在发射器PIC外部的反射镜；

图3B是根据本发明的实施方案的另一个光学感测模块的侧视图，该光学感测模块包括安装在衬底上在发射器PIC外部的反射镜和以不同于图3A中的角度反射的光；

图3C是根据本发明的实施方案的另一个光学感测模块的侧视图，该光学感测模块包括安装在衬底上在发射器PIC外部的反射镜和一个或多个聚焦透镜；

图3D是根据本发明的实施方案的另一个光学感测模块的侧视图，该光学感测模块包括安装在衬底上在发射器PIC外部的可调(例如MEMS)反射镜和一个或多个聚焦透镜；

图4是根据本发明的实施方案的光学感测模块的示意图，该光学感测模块包括具有集成光电检测器的单个发射器/接收器PIC；

图5是根据本发明的实施方案的光学感测模块的示意图，该光学感测模块包括发射器PIC和单独的光电检测器；

图6是根据本发明的实施方案的光学感测模块的示意图，该光学感测模块包括单个发射器/接收器(TRx)PIC和集成相干光电检测器；

图7是根据本发明的实施方案的光学感测模块的示意图，该光学感测模块包括单个发射器/接收器(TRx)PIC和集成光电检测器以及氮化硅SiN平台，使得装置的工作波长延伸到电磁光谱的可见部分。氮化硅可以是化学计量的或非化学计量的氮化硅，但在下文中通常缩写为“SiN”；

图8是根据本发明的实施方案的光学感测模块的示意图，该光学感测模块包括单个发射器/接收器(TRx)PIC和集成相干光电检测器以及SiN平台，使得装置的工作波长延伸到电磁光谱的可见部分；

图9是根据本发明的实施方案的光学感测模块的示意图，该光学感测模块包括发射器PIC和单独的光电检测器，该单独的光电检测器包括不同类型的光电检测器；

图10是根据本发明的实施方案的光学感测模块的示意图；

图11是形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的多个激光器的激光器网络的示意图；

图12是形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的激光束处理模块的示意图；

图13是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的辐射孔口模块的示意图；

图14A是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的用于将发射器孔口和接收器孔口组合成单个孔口的概念的示例；

图14B是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的用于将发射器孔口和接收器孔口组合成单个孔口的概念的另一个示例；

图14C是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的用于将发射器孔口和接收器孔口组合成单个孔口的概念的另一个示例；

图15A是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的组合器网络的示例；

图15B是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的组合器网络的另一个示例；

图15C是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的组合器网络的另一个示例；

图16A是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的光电检测器网络的示例；

图16B是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的光电检测器网络的示例；

图16C是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的光电检测器网络的示例；

图16D是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的光电检测器网络的示例；

图17A是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的光电检测器阵列的示例；

图17B示出了图17A的光电检测器阵列的示例性波长分布；

图18是根据本发明的实施方案的光学感测模块的操作方法；

图19是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的具有单个输出孔口的发射器PIC的示例；

图20是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的SOI平台上的漫反射分光光度计发射器PIC的示例；

图21是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的具有一个或多个混合集成光电检测器的发射器/接收器PIC；

图22A是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的具有平衡相干光电检测器的发射器/接收器PIC；

图22B示出了相干检测器布置的示意图；

图22C示出了图22A所示的PIC的SiN型式；

图23示出了可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的具有公共Si衬底的组合SOI和SiN平台上的漫反射分光光度计发射器PIC的示例；

图24A是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的PIC的一部分的SiN平台的横截面；

图24B是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的PIC的一部分的SiN平台的横截面；

图25是根据本发明的实施方案的使用中的光学感测模块的横截面；

图26是根据本发明的实施方案的使用中的另一个光学感测模块的横截面；

图27是根据本发明的实施方案的使用中的光学感测模块的横截面，该光学感测模块包括安装在模块衬底上而不是安装在PIC上的垂直光电检测器；

图28是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的微透镜布置的示例；

图29A是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的用于外部光电检测器的薄膜DBR滤波器的示例；

图29B是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的用于薄膜DBR滤波器(诸如图29A的滤波器)的O波段带通设计的示例；

图30是O波段带通设计的另一个示例；

图31是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的用于薄膜DBR滤波器(诸如(b)的滤波器)的黄色通带(a)的示例；

图32是可形成根据本发明的实施方案的光学感测模块的一部分的谐振腔光电检测器的示例；

图33是用于测量心率、SPO2和温度测量的LED和激光源的稀疏移位时序图的示例；

图34示出了图33中的数据的单循环缩放；

图35示出了来自包括组织测量检测器和参考检测器的两个数据流的光源复用图案示例的详细视图；

图36示出了在参考检测器和三个空间放置的测量检测器上的四个光源时间复用图案的详细视图。图37A是用标准分光光度计在1100nm至1800nm范围内且在不同温度下测量的吸收光谱和散射溶液的示例；

图37B是图37A的曲线图的归一化版本；

图38A是从图37A中的数据获得的作为1530nm处的温度的函数的吸收测量的示例；

图38B是从图37A中的数据获得的作为1390nm处的温度的函数的吸收测量的示例；

图39是在加热和冷却皮肤时在体内皮肤上进行的反散射反射率测量的示例；

图40是可由根据本发明的实施方案的光学感测模块执行的训练算法的示例，该训练算法用于确定用于根据反射率测量结果来预测温度的函数；

图41是可由根据本发明的实施方案的光学感测模块执行的算法的应用的示例，该算法用于确定预测温度；

图42是可由根据本发明的实施方案的光学感测模块执行的算法的应用的另一个示例，该算法用于确定预测温度；

图43示出了在桡动脉上收集的光电容积描记图(PPG)数据的示例；

图44示出了使用从指尖反向散射的蓝色或绿色可见波长光和从桡动脉反向散射的SWIR波长收集的PPG数据的另一个示例。对桡动脉和指尖PPG信号两者进行后处理以生成心率(HR)和心率变异性(HRV)数字输出；

图45示出了作为波长的函数的血氧饱和度灵敏度和95％饱和度吸收率的模拟数据；

图46示出了660nm/940nm与442nm/472nm的校准曲线比较的示例；

图47是根据本发明的实施方案的用作拉曼光谱仪的光学感测模块的示意图，该光学感测模块包括发射器PIC和单独的光电检测器；

图48是根据本发明的实施方案的用作拉曼光谱仪的另一个光学感测模块的发射器PIC的示意图；

图49是根据本发明的实施方案的用作拉曼光谱仪的另一个光学感测模块的示意图，该光学感测模块包括发射器PIC和单独的光电检测器；

图50是根据本发明的实施方案的用作拉曼光谱仪的另一个光学感测模块的示意图，该光学感测模块包括发射器PIC和单独的光电检测器；

图51是根据本发明的实施方案的用作拉曼光谱仪的另一个光学感测模块的示意图，该光学感测模块包括具有集成光电检测器的发射器/接收器PIC；

图52是根据本发明的实施方案的用作拉曼光谱仪的又一个光学感测模块的示意图，该光学感测模块包括具有集成光电检测器的发射器/接收器PIC；

图53是根据本发明的实施方案的用作拉曼光谱仪的又一个光学感测模块的示意图，该光学感测模块包括具有集成光电检测器的发射器/接收器PIC；

图54是根据本发明的实施方案的用作组合的分光光度计和拉曼光谱仪的光学感测模块的PIC的示意图；

图55是根据本发明的实施方案的用作组合的分光光度计和拉曼光谱仪的另一个光学感测模块的示意图；

图56是根据本发明的实施方案的用作组合的分光光度计和拉曼光谱仪的又一个光学感测模块的示意图；

图57是示例性拉曼发射光谱的示意图；

图58是示例性“MUX光谱”，示出了作为泵浦激光器源和探针激光器源被多路复用的可能波长；

图59A示出了针对接收器光电检测器前方的滤波器的衰减响应的示例；

图59B示出了SRS(受激拉曼光谱学)光谱仪的激光光谱的示例；

图60示出了根据本发明的实施方案的用作SRS拉曼光谱仪的光学感测模块的示意图；

图61示出了用作具有用于深度检测和高光谱拉曼的干涉检测(OFDR)的相干CW激发拉曼光谱学的光学感测模块的示意图；

图62示出了根据本发明的实施方案的PIC，该PIC包括OPA形式的光束引导，用于样品表面/组织的1D光束扫描；

图63示出了根据本发明的实施方案的PIC，该PIC包括OPA形式的光束引导，用于样品表面/组织的2D光束扫描；

图64示出了根据本发明的实施方案的PIC，以及在PIC外部的镜，用于样品表面/组织的2D光束扫描；

图65描绘了通过在样品表面/组织上扫描发射光束而实现的散斑抑制；

图66示出了根据本发明的实施方案的PIC，该PIC包括诸如光学相控阵列的光束引导装置；

图67示出了根据本发明的实施方案的PIC，该PIC包括光束引导和多模波导；以及

图68示出了根据本发明的实施方案的PIC的自由传播区域(FPR)的示意图。

具体实施方式

下面结合附图阐述的详细描述旨在作为根据本发明提供的感测模块的示例性实施方案的描述，而并非旨在代表可构造或利用本发明的唯一形式。

图1A、图1B和图1C示出了用于可穿戴装置的光学感测模块1。光学感测模块1包括位于衬底2上的发射器光子集成电路(PIC)4。PIC 4包括多个激光器，该多个激光器中的每个激光器在与其他激光器的波长不同的波长下工作。PIC还包括光学操纵区域，用于在经由一个或多个光学输出12传输到待分析的表面之前以任何所需的方式操纵光。可存在诸如镜10(例如棱镜镜)的光学元件。光学操纵区域包括以下各项中的一者或多者：光调制器、光学多路复用器(MUX)和附加光学操纵元件，诸如功率分接头、透镜和功率分配器。

光学感测模块还包括多个非激光光源，诸如LED 5(例如可见或近红外波长LED)。一个或多个光电检测器3、6也形成光学感测模块的一部分。在该实施方案中，光电检测器位于衬底上，但不是PIC的一部分。如将关于后续附图中所详述，光电检测器可以作为发射器/接收器PIC的一体部分来定位。在图1A所示的实施方案中，多个光电检测器包括硅光电检测器3和InGaAs光电检测器6。在一些实施方案中也可使用采用锗的光电检测器。

ASIC或微控制器11位于光学感测模块的衬底2上。电连接器13向光学感测模块提供电信号，并且包括盖和基部的保护外壳7用于覆盖PIC和其他部件以最小化使用期间的损坏风险。

一旦被操纵(例如被多路复用)，来自多个激光器的光经由一个或多个光学输出端口12离开PIC 4并因此离开光学感测模块1。在本公开中讨论的几种几何形状能够实现激光源的有效片外耦合、准直和聚焦，并且具有很少色差或没有色差。除此之外，它们使得能够以可被小型化以适合可穿戴装置的紧凑几何形状有效地收集反向散射光。

光可在光子集成电路(PIC)的边缘处或边缘附近从波导小平面(“发射小平面”)发射到自由空间中。可存在诸如镜10的光学元件，以从波导平台的平面获取光并将光平移到更适于询问表面的方向。该方向可与PIC的平面正交或基本上正交。如图3A、图3B、图3C和图3D所示，可使用具有固定反射角的无源镜，或允许在一定角度范围内调节或扫描激光的反射的有源控制的MEMS镜，使得可研究更大的表面积。可经由表面安装装配工艺将镜置于衬底2上。此外，可使用如图3C和图3D所示的可调节聚焦透镜和扫描镜来执行共焦激发和收集。该几何形状可使用共用的激发和收集路径，从而将反向散射信号带回片上供检测。光可传播穿过可调节(电动)光学器件(或“聚焦透镜”)，并且被可调节(例如，可引导)镜(或“扫描镜”)反射到样品(例如，穿戴装置(例如，手表)的人的皮肤)中。

来自皮肤表面以及来自皮肤表面下方体积内的反向散射光返回到待分析的PIC上的发射小平面(或者，在一些实施方案中，不同的波导小平面)。光束宽度对于最佳地与血管相互作用可能是重要的。在一些实施方案中，可使用可适配光学器件聚焦到皮肤中的点。

共焦激发和收集也可使用如图2所示的可调焦点、尖端和倾斜离轴抛物面镜来执行。这样，聚焦透镜和扫描镜的功能组合到不受透镜中固有的色差影响的单个元件中。在第一几何形状和第二几何形状中，调节照明光(和传感器)的焦点位置的能力可用于补偿样品相对于感测系统的位置的变化。例如，对于手表中的感测系统，当穿戴者移动时，手表的位置可能相对于穿戴者的皮肤移动。然后可使用聚焦透镜和扫描镜(或者，在第二几何形状中，可调焦点、尖端和倾斜离轴抛物面镜)将焦点相对于皮肤表面移动到合适的感测点(例如，在皮肤下方的一定深度处，在该深度处存在足够的血液供感测，并且在该深度处介入皮肤不会导致不可接受的光学损失)。在一些实施方案中，聚焦透镜和扫描镜(或者，在第二几何形状中，可调焦点、尖端和倾斜离轴抛物面镜)通过以下方式调节：(i)执行搜索，寻找所测量的吸收光谱是血液的似真光谱的点，或者找到皮肤的表面(通过其反射率)，然后将焦点移动到皮肤中(移动预定距离，或直到感测到血液的似真吸收光谱)。

在图2A和图2B所示的光学感测模块1101的几何形状中，可通过使用包括较小光电检测器像素1106的大面积检测器阵列来提高反向散射信号的收集效率。与等效材料的单个大面积检测器相比，使用焦平面阵列具有两个优点：1)暗电流和读出噪声与检测器面积成比例，以及2)单个像素读出将空间信息添加到可用于计算入射角的检测信号。可使用热电冷却器控制本文所述任何几何形状的PIC的温度。照射样品的光可以是准直的，或者可以是会聚的(例如，聚焦在皮肤表面正下方的点处)，或者可以是略微发散的。光源可包括不同类型的LED，例如一个或多个蓝色/绿色LED 5a和一个或多个红色/IR LED 5b。

在一些实施方案中，光谱学芯片能够改变询问光的规格以适应被分析材料的分析化学。一些相关技术系统具有复杂的接收器并且具有相对低的信噪比(SNR)。提供询问光的SiPh芯片可能不具有全波长扫描能力，但可能够提供具有高波长精度的询问波长范围，以产生对于预期分析(例如，具有所需精度和准确度的医学意义上重要范围内的血液中的葡萄糖)而言足够的光谱数据。该系统可以是可适配的，使得有一天，其被编程为分析一种(或一组)分析物，并且在另一时间分析另一组。

一般来讲，对于可穿戴装置中的实际应用，仅可使用所选波长。波长的选择可能影响分析测定的选择性、灵敏度和准确度。使用所选波长可允许构造部分光谱。

在一些实施方案中，光谱仪芯片在光谱的近红外区域中操作并且以吸收模式工作。其他可能的模式是拉曼和衰减全反射(ATR)光谱学。近红外吸收光谱学的波长范围是780nm至2500nm。

为了在没有全扫描能力的情况下具有波长灵活性，芯片可发射多个波长，例如30个波长或更多，或者200个波长或更多。为了实现高光谱区分，激光线宽可以是窄的，例如小于1Mhz，或者为了降低相干噪声(多径干扰噪声)，激光线宽可以是宽的，例如高达5THz。

光源是边缘发射激光器，每个激光器的功率输出为约10mW，并且在一些实施方案中高达100mW或更高。激光器可以是分布式反馈(DFB)激光器(但也可以是分布式布拉格反射器(DBR)激光器或FP(法布里珀罗)激光器)，并且可以是可调谐的。在一些实施方案中，激光器是安装在发射器PIC的硅衬底上或安装在发射器PIC外部的衬底上的VCSEL。用于将VCEL安装到衬底上的机构可遵循在本文描述的用于将一个或多个LED安装到衬底上的机构。激光器可以在相对窄的范围内是可调谐的，例如简单地响应于装置的自然波长漂移来调谐或锁定波长，或者它们可以在较宽的范围内是可调谐的，以便响应于光谱学要求来改变激光器的工作波长。取决于要完成的分析，激光器数量与调谐范围之间存在平衡。在一些实施方案中，激光器数量越大，它们的调谐范围越小。

询问光可在振幅、相位、偏振或其他光学特性或此类光学特性的组合方面变化。光的特性随时间的任何此类变化在本文中可称为光的“动态”或“调制”。一般来讲，调制可采取在某一频率或以产生数据信号的图案的规则变化的形式。此类变化或图案可用于识别发射器(例如，如果多个发射器(每个发射器可为相应光谱仪的一部分)照射同一样品)、单个波长或传输时间。光的脉动还可降低装置的功耗并实现更长的电池寿命。

重要的是理解可组合所公开的实施方案中的任何两个或更多个实施方案，以便得到具有多种功能的光学感测模块。在一个或多个实施方案中，光学感测模块被配置为执行以下功能中的一种或多种或全部：

·非侵入式温度测量；核心体温测量(例如，通过包括温度预测算法，该算法可包括在模块的ASIC上)；

·皮肤温度测量(例如，反射率测量和温度预测算法)；

·皮肤温度梯度测量(例如，使用多个源检测器间隔)；

·组合的PPG、SPO2和温度(例如，用于PPG的光源诸如蓝色或绿色LED，用于可能包括500nm至650nm波长范围的SPO2测量的合适波长的光源)；

·较宽波长范围上的测量(例如，通过在包括Si平台和SiN平台两者以及具有较大波长范围的多个激光器的PIC上实现硅光子)，以及

·受激拉曼测量(例如，通过在多个激光器中实现泵浦激光器和探针激光器)

光子集成芯片(PIC)

在一些实施方案中，在光谱学中使用的光收发器芯片的总体布局示于图4至图9中。图4至图8示出了本发明的PIC的各种示例的框图。PIC包括多个不同波长的激光器，并且这些激光器可组合并通过合适的多路复用器(MUX)连接到共用波导。这些激光器可一次驱动一个，以产生跨越从1150nm至2500nm的宽泛范围的近红外和短波红外波长的波长输出。多路复用器可以是例如AWG、中阶梯光栅、MMI或基于级联MZI的多路复用器。如图6和图8以及图22、图51、图52和图53中示意性示出的，出射光的一部分可被转向(例如通过合适的耦合器，诸如Y分支耦合器，MMI耦合器或定向耦合器)以充当相干检测器的本地振荡器，相干检测器还可接收所接收的反向散射光(即，反向散射光的耦合到例如PIC上的共用波导中的部分)。如果发射小平面用于也接收所接收的反向散射光，则所接收的反向散射光也可通过合适的耦合器从连接多路复用器和发射小平面的波导转向。使用发射小平面接收所接收的反向散射光可具有增大被照射体积(在皮肤表面下方)与采样体积(光从其反向散射)重合的程度或简化发射和收集光学器件的优点。可对激光器进行线性调频(例如，通过改变激光器驱动电流)或者相位或振幅调制，使得在相干检测器处形成射频拍频信号，从而得到提供增大的信噪比或能够经由多普勒频移检测来测量样品距离、速度或振动的零差或FMCW检测方案。应当注意，光学功能可分布在多于一个芯片上。例如，激光器可位于单独的芯片上，并且可存在单独的发射芯片和接收芯片。询问光可存在于单个光束输出中，通过多路复用多个激光器光束来布置。装置的功率输出和各个波长的相对功率可由可变光衰减器(VOA)或调制器控制。装置的输出可具有多于一个光束，这可使得能够分析多于一个分析物或分析物的组。每个光束可包括具有多于一个波长的光。

图4示出了包括具有集成光电检测器的单个发射器/接收器PIC的光学感测模块220的示意图。关于发射器功能，多个激光器24在一个或多个光学输出端26处输出之前向光学操纵区域25提供不同波长的光。关于接收器功能，在光学耦合到一个或多个光电检测器28的一个或多个输入孔口27处接收光。

图5示出了根据本发明的另选实施方案的光学感测模块230的示意图，该光学感测模块与图4的光学感测模块的不同之处在于其包括发射器(Tx)PIC 231和位于衬底上的分离的光电检测器，该光电检测器不是PIC的一部分。

图6示出了包括单个发射器/接收器(TRx)PIC和集成相干(平衡)光电检测器的光学感测模块的示意图。这与图4的实施方案的不同之处在于出射光的一部分被转向(例如通过合适的耦合器，诸如Y分支耦合器、MMI耦合器或定向耦合器)到相干检测器，以充当用于相干检测的本地振荡器。这得到提供增大的信噪比和/或能够经由多普勒频移检测来测量样品距离、速度或振动的零差或FMCW检测方案。

图7示出了单个发射器/接收器(TRx)PIC和集成光电检测器。这与图4的实施方案的不同之处在于其包括SOI和SiN平台，使得在SiN平台上，装置的工作波长延伸到电磁光谱的可见部分。SiN平台复制了SOI平台中存在的特征，但波导设计和部件被选择为在不同波长下工作。例如，在所示的实施方案中，SOI部件具有1150nm至2500nm的工作波长范围，而在SiN平台上，部件具有400nm至1150nm的工作波长范围。SiN平台在PCT/EP2020/081949有更详细的讨论。

图8是根据本发明的实施方案的光学感测模块的示意图，该光学感测模块包括具有SOI和SiN平台的单个发射器/接收器(TRx)PIC，每个平台包括相干检测(诸如图6所示实施方案的相干检测)。

图9是根据本发明的实施方案的光学感测模块的示意图，该光学感测模块包括发射器(Tx)PIC和单独的光电检测器。该实施方案与图5的实施方案的不同之处在于单独的光电检测器28包括不同类型的光电检测器，在本例中，是包括例如InGaAs光电检测器和硅光电检测器的光电检测器阵列。LED 32也存在于光学感测模块内，但与PIC分开定位。

可见波长LED可用于PPG信号。可见VCSEL或LED也可用于氧饱和溶液。可使用具有硅PD的宽带可见光源(500nm至600nm)来产生例如位于腕部背面上的可穿戴血氧计，所述硅PD具有用于波长选择性的离散波长滤波器。还可实现具有适于检测的小型光谱仪的宽带可见光源(500nm至600nm)，例如，以得到位于腕部背面上的可穿戴血氧计。诱发自然荧光的蓝色源(450nm至500nm)可用于例如使用小型光谱仪来测量PPG信号。在一些实施方案中，小型光谱仪可由具有沉积在光电二极管的检测表面上的相应离散波段滤波器的硅光电二极管形成。

参照图10可更好地理解PIC的控制，其中存在多个激光器001；每个激光器耦合到相应的激光器输出波导002，其将激光器连接到可包括多路复用器的光束处理器003的相应输入端。光束处理器的输出经由波导004传输到继而可耦合到输出大体积光学器件诸如透镜的输出截面或辐射孔口005。

光束处理器可在每个激光输入波导002上包括VOA或一个或多个调制器或快门。光束处理器还可在多路复用器输出波导004上包括快门或VOA。波导上的元件(例如VOA、调制器和快门)可被配置为影响在波导中传播的光，例如调制光的相位或振幅(在调制器的情况下)或阻挡光(在快门的情况下)。

传输到介质诸如生物组织中的询问光可被不同地吸收、漫射和反射(或“散射”)。用在给定波长、一系列波长或波长范围反射的光进行反射光谱仪测量。在可穿戴装置中，光谱仪的光接收孔口可接近发射器孔口，例如在3mm至5mm的范围内，或甚至与发射孔口相同。因此，吸收的测量可依赖于光的散射，通常是多重散射，从而实现漫反射光谱学或漫反射分光光度法测量。因此，可能不存在单个反射路径长度，而是存在一个路径长度范围。这可能使得测量复杂化，尤其是对于相干检测而言。

芯片还可具有接收波导，以捕获样品光并将其从芯片表面(例如，小平面或光栅)传送到检测设备。接收波导可与发射波导相同或不同。图10示出了接收孔口006。在系统采用相干检测的情况下，可存在将从激光源分接的本地振荡器光与样品光组合的组合器网络008，并且两种光都可在平衡光电二极管网络009处进行检测和测量。接收器可以是波长未知的，通常使用锗光电检测器或雪崩光电二极管。检测器可以是平衡检测器。接收器可以是相干检测器，在这种情况下，除了所收集的样品光之外，其还可接收来自发射器中的激光源的(本地振荡器)光。在接收器和发射器都集成在同一芯片(例如SiPh芯片)上的情况下，发射器与接收器之间的连接可以是SiPh波导。

系统可一次操作一个波长，在这种情况下，可按时间来识别波长。如果多于一个波长被传输，则检测器电路可区分波长或波长的组合。这可通过应用和监测来实现，从而识别调制(如上所述)，例如所发射辐射上的频率音调。可类似地识别波长组。在某些情况下，可能有利的是同时传输多个波长，然后单个地或以波长组形式关闭波长。这样，可更准确地确定以低强度(例如，由于高散射或高吸收)接收的某些波长的光的强度。本申请中别处描述的光电检测器上的DBR滤波器用于类似目的。

分析过程结合图18有更详细的描述。系统可被设置成测量一个或多个部分光谱。部分光谱可包括提供分析物中的一种或组合的诊断的单一波长。对于每个光谱，它可具有一个或多个数据点。部分光谱可表示整个光谱的区域，例如NIR光谱范围(1150nm至2500nm)的一部分。浓度的计算可基于内部或外部校准，可关于光谱数据的绝对值或比率。可在数据处理器中构建算法来计算分析物的浓度或分析物相对于内部或外部标准的浓度的浓度。在图18所示的方法中，首先选择波长来构造部分光谱。这些所选择的发射波长可用波长锁定器来锁定。随后在检测器处接收辐射。在这种情况下，检测器有利地是波长未知的。在检测器处识别波长并且在每个波长处测量反射率。利用反射率测量得到部分光谱。可随后利用光谱计算出分析物的浓度。可经由嵌入的算法或利用由板载计算机、CPU或FPGA设置的算法来实现计算。

在一些实施方案中，总光学功率输出小于10mW。在一些实施方案中，总功率输出大于10mW。包括输出波导的波导是大型波导(其可以低损耗处理高功率)。此类波导可具有介于0.5微米和5微米之间的高度(其中例如，在SOI晶圆上制造的SiPh芯片中，可测量从掩埋氧化物(BOX)层(其可用作下覆盖层)到波导顶部的高度，测量方向垂直于SOI晶圆的平面)。

相对功率的变化可通过改变所观察波长的重点而用作一种光谱技术，并且总功率可用于改变询问的物理深度。调制器可几乎完全关闭或遮挡光。VOA可比其他类型的调制器慢得多地工作(例如，VOA可具有1kHz的带宽，并且调制器可具有10GHz的带宽)。调制器可用于对给定波长的光施加信号(例如识别调制，诸如伪随机位模式或频率音调)，以使得能够在检测器处识别到该光，其中接收光电检测器不知道波长(即，在工作波长范围的大部分上具有基本上恒定的灵敏度)。可使用快门来关闭光，使得可补偿PD暗电流，并且可测量噪声，然后在误差计算中消除或使用噪声。

激光器可以是在Tx PIC工作波长范围内可调谐的。一个或多个固定波长激光器可以是参考波长。激光器可顺序切换(即，一次接通一个)，或者可一起接通一些或所有激光器。激光器可以是具有由硅制成的光栅的DFB激光器。在一些实施方案中，不需要在激光器与样品介质之间放置隔离器。这可能优于可能需要隔离器的LED。来自多路复用器输出波导的光可被一个或多个透镜聚焦并且可被镜引导。可单个地或一致地调节激光器的功率。在一些实施方案中，测量SNR并将其用于校正噪声。在一些实施方案中，改变照明的功率或位置以获得最大SNR。通过本文所述的若干系统和方法中的任一种，询问光可耦合到样品，并且样品光可耦合到接收器。

检测器可具有一个或多个波长滤波器(或没有)。检测可以是直接的或与可能的增强SNR相干。激光器的振幅、相位和频率调制都是可用的，并且可提供关于样品的各种信息或增强SNR。改变功率可使得能够按距表面的深度(例如，可穿戴装置的皮肤下方的深度)来询问样品。对于低强度辐射，可能仅从浅深度检测到(散射的)样品光，原因是较深散射的有效贡献可能存在于噪声中或实际上低于检测阈值。对于深度均匀的材料，随着光源光强度增加，来自较深层的光的比例在理论上可与低强度的情况相同，但来自较深层的散射光是可检测到的。对于深度不均匀的样品，结果可能更复杂。例如，吸收、散射和分析物浓度可随深度而(单独地或以其他方式)变化，因此改变光源处的光强度可在检测器处产生非线性结果。取决于散射颗粒尺寸与光波长的关系，样品光可能被偏振，并且如果散射随着深度而变化，则可偏振。

可通过倒装芯片管芯结合或微转印(MTP)将III-V芯片集成到SiPh芯片中来制造激光器(可为III-V激光器)。SiPh芯片可具有可用于在结合或微转印工艺期间进行对准的基准。取决于应用，SiPh芯片的面积可小于1cm²。在一些实施方案中，波导保持偏振，如果偏振重要(即，TE和TM可揭示信息，例如，如果在从样品散射时偏振状态的变化揭示关于样品特性的一些信息)，则这可能是有利的。

光谱学传输芯片(或“发射器”)可以是SiPh、氧化物上硅芯片(也被称为绝缘体上硅(SOI)芯片)，或者它可以是双SOI芯片(即，具有两个氧化物层)。它可包括单个输出/照明点/波导。在一些实施方案中，芯片包括多个发射器，或发射器具有多个输出，并且例如每个输出可具有不同的分析目的。每个发射器可具有多路复用的多个输出波长。询问光可以是波长和时间效应的组合(例如，不同时间的不同波长)。

控制电路或算法可能够分析多于一种分析物，并且能够连续或同时应用多于一个波长。它们可包括软件，以得到(i)波长的最佳组合，和(ii)待在所选波长范围内的每个波长处发射的功率，从而分析所选分析物。算法可包括人工智能(AI)软件。控制电路或算法可包括分析多种分析物的软件。对于给定的分析，算法可估计并随后优化最佳波长数、参考或标准波长(即，预期提供良好性能的波长)。由光谱仪测量的部分光谱可以是在感兴趣波长范围内的一个或多个子带或一个或多个离散波长上测量的光谱。算法可估计样品中一种或多种分析物和一种或多种其他组分的浓度，例如，通过将部分光谱拟合为针对分析物和其他组分中的每一者的预期光谱的组合。在一些实施方案中，可在不估计分析物浓度的情况下测量样品或连接到样品的系统的其他特性。例如，这可能是人或动物的皮肤表面正下方的血液的吸收光谱受人或动物的核心温度的影响，原因是血液化学组成的变化，这可能取决于核心温度。在这种情况下，可以直接从光谱如何随核心温度变化的知识来推断核心温度，而无需知道血液的化学成分如何随核心温度变化。

接收器芯片可包括焦平面阵列检测器。它可以是相干的，例如，接收信号可与发射信号的一部分(该部分形成接收器中的一个或多个本地振荡器(LO)信号)混合。

发射芯片和接收芯片(或者如果发射器和接收器组合在一个芯片(例如，一个SiPh芯片)上，则为收发器芯片)可具有如下各种特征。大型波导硅光子(SiPh)平台可用于发射器或接收器中，其中波导具有约1微米至3微米的高度。发射器可能够在一个或多个输出端处以多个自适应波长发射。激光可具有必要的功率和(窄)线宽以适合用作询问光。可针对分析目的调整所使用的波长组合。可针对分析目的调整每个波长的功率。可针对分析目的顺序地传输(和接收)各个波长和波长的组合。所有这些配置参数可由算法(其可为AI算法)确定。

下面参照图10以及图11至图17B更详细地描述了PIC的组成部分。由多个激光器组成的激光器网络110/001可包括具有不同激光线的受到单独控制的激光源。激光束处理模块111/003可形成光调制区域25的一部分并且被配置为接收由激光器网络110/001产生的光，并且可将不同的波长组合成单个波导或调制各个波长并且将它们路由到发射接收辐射孔口模块112/005，并且可将由激光器网络110/001产生的光的一部分分离到组合器网络114/008中。在一些实施方案中，例如，光束处理模块111/003包括一个或多个输入波导002，每个输入波导连接到激光器网络110/001的相应输出波导，并且每个输入波导在其上具有一个或多个调制器，例如振幅调制器、相位调制器、频移器或可变光衰减器(VOA)(其可被视为振幅调制器(例如相对慢的振幅调制器))。如本文所用，“调制器”是任何装置，其接收光并重新发射该光并且基于由该调制器接收的控制信号(例如，电控制信号)改变重新发射的光的特性(例如，其振幅、相位、频率或偏振状态)，从而使其以时间变化的方式成为动态的。光束处理模块111/003还可包括多路复用器，用于将在输入波导中传播的光组合成单个输出波导(或在一些实施方案中，多个输出波导(例如，三个输出波导，如下文所详述))，并且它可在输入波导或输出波导中的每一者上包括一个或多个调制器。光束处理模块111/003可包括光学调制、多路技术和/或操纵区域。它可包括一个或多个分配器，用于分离可被发送到组合器网络114/008的光的一部分(来自一个或多个输入波导或来自一个或多个输出波导)，例如用于相干检测，如下文所详述。

组合器网络114/008接收来自PIC外部的光(例如，通过发射接收辐射孔口模块112/006)，或它可接收从未离开芯片的光(例如，来自光束处理模块111/003)。所有不同的接收波长可组合到单个波导，保持在单独的波导中，或使用2x2分配器混合(例如，与从激光束处理模块111/003接收的光相干混合)到波导对。光电二极管网络115/009可包括一个检测器(例如，由其组成)，该检测器检测来自单个波导的入射光。在一些实施方案中，其包括一个或多个光电二极管(每个光电二极管检测在相应波导中传播的光)或一个或多个平衡检测器对(每个平衡检测器对包括例如串联连接的两个光电二极管)。在馈送光电二极管网络115/009的任何波长上接收的光104可以是(i)外部接收的样品光(例如，在从样品散射、从样品反射或透射穿过样品之后，由发射接收辐射孔口模块112/006接收的光)，(ii)参考光(例如，沿着参考路径或在“参考臂”中传播的光，参考臂被设计成与包括样品在内的路径相差尽可能小，除了缺少样品和固定的相位偏移，(iii)本地振荡器光(来自激光束处理模块111)(其也可被视为用于图16的目的的参考光束)，或(iv)这些类型的光的组合。例如，为了执行样品光的相干检测，可将样品光与本地振荡器光组合(例如，组合在2x2组合器中)，并且可利用光电二极管网络115/009的光电二极管来检测该组合(即，2x2组合器的一个或两个输出)。又如，平衡检测器对的一对光电二极管中的一个光电二极管可检测外部接收的样品光，并且另一个光电二极管可检测参考光，如下文所详述。电子接收模块117可包括一个或多个跨阻放大器(TIA)和接收电子器件(例如，附加的放大器级)，如图10所示。如本文所用，“2x2分配器”与“2x2组合器”同义。

在一些实施方案中，PIC包括温度测量电路，其可用于测量PIC的温度(例如，用于校准或校正由系统产生的数据，或在温度控制系统中使用，用于调节PIC的温度)。

图11更详细地示出了激光器网络110。激光器网络110可包括一个或多个III-V激光器管芯或芯片小方块(例如，由其组成)，该激光器管芯或芯片小方块包括一个或多个半导体激光器(或半导体光放大器，或反射半导体光放大器，它们与PIC上的一个或多个反射器组合形成激光器)。激光器网络110可在单个管芯或芯片小方块上或在单独的III-V管芯或芯片小方块上包括多个激光腔。每个激光腔可被设计成单模的或多模的或可调谐的。由激光器网络110产生的光可全部在一个波导中，或在其中每个波导承载相应波长的光的多个波导中，或在其中每个波导承载多个波长的光的多个波导中。

激光可连续地发射或切换，使得例如在任何时间点，激光器网络110仅产生单个波长或可用波长的一个子集的光。该调制可发生在kHz级别或在更快级别上。可对激光器进行线性调频以对波长进行线性频率扫描，例如，具有1Mhz量级的线性调频重复频率或以更高的速率(例如，具有10Mhz或更高的线性调频重复频率)或以更低的速率(例如，具有100kHz或更低的线性调频重复频率)。振幅位模式可被调制到由激光器网络110以kHz至GHz速度产生的光上。在一些实施方案中，该调制改为在激光束处理模块111中执行。

图12更详细地示出了激光束处理模块111。激光束处理模块111向发射/接收辐射孔口模块112和组合器网络114提供一个或多个不同波长的光。在其中每个波导承载一个或多个波长的一个或多个波导中，由激光束处理模块111接收光。激光束处理模块111可包括将若干波长组合到较少波导的波长多路复用器303(或“波长多路复用器模块”)。可主动地监测或调谐所述波长多路复用器303，以最小化插入损耗或生成反馈信号以通过电子控制模块116调谐适当的激光器。由波长多路复用器303生成的信号321可以是波长误差信号，其可用于将信号反馈到波长锁定器以调节激光波长，反馈到波长多路复用器以调节其通带波长，或在后处理中针对所测量的波长误差的预期效应校正光谱仪的输出(例如，分析物的估计浓度)。

如上所述，光可由调制器304调制(例如，如果存在波长多路复用器303，则在波长多路复用器303之前或之后调制)。连续光源可具有对其产生的光进行编码的振幅位模式或相位位模式，或者可通过使用一系列相位调制器产生边带，可按线性斜坡对此类边带进行线性调频。每个输入波导(在其上从激光器网络110接收光)上的光学功率监测电路301、302或“波导监测分接头”或“监测模块”可监测在这些波导中的每个波导上接收的功率量，并且向电子控制模块116发送对应的信号322、323，电子控制模块可调节激光器驱动电流以便将每个波导中的激光功率(例如，每个波长处的功率)保持在相应的预设功率电平或“设定点”。每个光学功率监测电路301、302可包括用于分离从激光器网络110接收的一小部分光的分配器(例如，平行波导定向耦合器)，以及用于测量光的被分离的该部分中的光学功率的光电二极管。

图12示出了根据一个实施方案的波长多路复用器303。在该实施方案中，波长多路复用器303被构造为具有波长误差监测的中阶梯光栅。示出了示例性波长。如果波长为1280nm的光被输入到1280nm端口，则大部分输入光将离开多路复用输出端口312；多路复用器可包括尾部端口，其将接收光的一小部分(对应于输出平面中强度分布的尾部，每个尾部在峰值的相应侧，峰值落在多路复用输出端口上)，所述一小部分发送到附加的监测光电检测器，并用于生成信号321。然而，如果输入波长偏离被设计为供端口采用的指定值，则输出将漂移离开输出端口并进入尾部端口中的一个尾部端口。尾部2端口处的功率与尾部1端口处的功率之比可用于计算相对于指定端口波长的波长误差信号321。在中阶梯光栅的设计中，光的传输到多路复用输出端口312和尾部端口中的每个尾部端口的部分可通过设计它们的相对信道通带宽度以及通过例如用加热器调节多路复用器的温度来调节。在一些实施方案中，多路复用器303(或这里提到的其他多路复用器或解多路复用器)是(i)中阶梯光栅(如上所述)、(ii)阵列波导光栅或(iii)马赫曾德级联。

图13更详细地示出了发射/接收辐射孔口模块112。发射/接收辐射孔口模块112将光(例如，从自由空间)耦合到PIC上的波导中并耦合出PIC上的波导(例如，耦合到自由空间中)。为此，它可包括一个或多个发射器，诸如具有抗反射涂层以最小化背反射的波导边缘耦合器，或波导光栅耦合器。单个波导可耦合到单个发射器，或可经由MMI或定向耦合器的网络分离成多个发射器(其可形成发射器的相控阵列，具有例如由电子控制模块116控制的相对相位和振幅)。类似地，每个接收波导可存在一个接收孔口或多个接收孔口。

在一些实施方案中，使用单个孔口进行发送和接收。穿过此类孔口的入射光和出射光可经由片上循环器或通过多路复用偏振方案(图14A)或通过使用2x2分配器(图14B)分离。单个小平面(称为“发射小平面”)可执行以下两个功能：(i)使询问光的一部分转向以用作本地振荡器的功能(由图12中的激光束处理模块111执行)，以及(ii)将光耦合离开芯片(例如，耦合到自由空间中)的功能(由图13中的发射接收辐射孔口模块112执行)。

图14A示出了根据一个实施方案的Tx/Rx多路复用偏振方案。要发射的信号被偏振(在所示的示例中，使用横向电场(TE)偏振；在其他实施方案中，输出光可处于不同的偏振状态，例如横向磁(TM))。将其多路复用到Rx/Tx孔口。在随机散射目标的情况下，所接收的样品光信号可以是偏振状态的混合。在图6B的示例中，样品光的TM分量被多路复用到输出端口，并且样品光的TE分量被发送回输入端口。

图14B示出了根据一个实施方案的使用2x2分配器的系统。在2x2分配器的第一侧(图14B中的左侧)的输入端口处接收的光被2x2分配器分离到2x2分配器的第二侧(图14B中的右侧)的两个输出端中。2x2分配器的第二侧上的输出端中的每个输出端或一个输出端可连接到相应的孔口。返回的信号被均匀地分配回2x2分配器的第一侧上的两个端口，即2x2分配器的第一侧上的输入端口和输出端口。图14C示出了1x2变型。

图15A、图15B和图15C在相应的实施方案中更详细地示出了组合器网络。在图15A的实施方案中，组合器网络114a包括电子控制的光学开关(例如，由其组成)，该光学开关将来自包含期望波长λ_i的光的波导或光束路径的光与包含所接收的波长为λ_i的样品光并将组合信号发送到输出端口的波导或光束路径组合，并且该光学开关在i的不同值之间切换，其中i＝1至NM(激光波长的全范围)。一系列此类开关可在参考输入路径和信号输入路径两者上并联连接，以处理在大量波长上的切换，或者一个开关可组合多个参考和接收的样品光波长。在图15B的实施方案中，组合器网络114b包括相干检测混合网络(例如，由其组成)，其包括2x2模块的系列或阵列(例如，由其组成)，该模块将样品光信号和参考(本地振荡器)信号(可从激光束处理模块111接收，如上所述)混入参考和信号输入(104)中进入图16B所示的平衡PD或PD网络。在图15C的实施方案中，组合器网络114c只是没有真实部件的直通系统，具有一组使用样品光的波导和一组使用参考光的波导。在此类实施方案中，输出波导的数量是参考波导的数量加上样品光波导的数量。

图16A和图16B在相应的实施方案中更详细地示出了PD网络。在图16A的实施方案中，光电二极管网络115a用于直接检测方案，具有(i)各自被优化以检测波长的特定波段(如图17中详述)并连续监测那些波长的多个光电二极管，或(ii)测量单个波导的单个光电二极管，所有波长在时域中的不同时间通过该波导传输。多个波长可同时入射到光电二极管上，并且经过振幅调制或“斩波”的信号可针对每个波长生成不同的时变电信号，这些信号可被馈送到电子控制模块116中并由其识别。在电子控制模块116内，检测到的AC信号可用调制驱动信号解调，或用连接到微控制器、FPGA或ASIC的模数转换器转换为数字信号以用于数字信号处理。

在图16B的实施方案中，光电二极管网络115b包括用于测量来自相干混频器的两个光信号之间的差的检测器对(平衡检测器)。例如通过改变光电二极管上的偏置，可主动地调谐检测器的灵敏度以减轻制造响应度的差异，从而改善共模抑制。在一些实施方案中，在每个检测器之前存在可变光衰减器以补偿2x2组合器中的不平衡。在图16B和图16C的实施方案中，组合器网络114中的2x2组合器或组合器可被优化为在特定波长范围具有最小插入损耗并且与针对相同特定波长范围进行优化的PD相关联；该窄带宽混频器和窄带宽PD可随后在特定波长范围内有效地处理一个或几个信道。对于处理宽光谱的系统，可彼此平行地使用若干(p)个单独的2x2组合器和PD，以有效地检测全波长范围。在其他实施方案中，可使用宽带宽2x2组合器，使得单个装置可处理整个光谱。在一些实施方案中，可调谐组合器用于宽光谱带宽应用。在一些实施方案中，光电二极管网络115在其整个输入端具有一对波导，并且在单个波导对上接收不同的波长。检测器对可生成无线电或微波中频电子信号，该信号可被馈送到电子控制模块116中。在电子控制模块116内，检测到的AC信号可通过RF外差法、RF零差法降频，或被发送到连接到微控制器、FPGA或ASIC的模数转换器以用于数字信号处理。在图16D的实施方案中，光电二极管网络中的p个光电二极管可具有电连接/共用的电输出，以减少连接到控制模块116的电信号输出的数量。

图17A和图17B示出了使用具有不同截止波长的多个检测器模块的检测器网络。不同的检测器类型(例如，由诸如InGaAs或扩展型InGaAs的不同材料制成)具有不同的灵敏度，并且系统可针对给定波长范围使用最佳检测器。在该实施方案中，解多路复用器(DEMUX，例如中阶梯光栅、AWG或马赫曾德级联)将光分离到适当的检测器中。

非侵入式温度测量

结合图19至图43描述的本发明的以下实施方案具体涉及用于非侵入式温度测量的装置和方法。具体地，它们涉及在与硅光子集成电路兼容的波长处的非侵入式温度测量。然而，应当理解，关于这些实施方案提出的光学感测模块可用于其他测量。

图19至图43描述的实施方案通常涉及在单个芯片上包括大量可单独寻址的激光器的光学感测模块，该单个芯片具有从小孔口和大波长光谱范围出射的激光线，使得能够进行应用测量。它们还涉及硅光子多激光器源与各个垂直发射器(LED、VCSEL)的阵列在单个紧凑衬底上的组合，其中Rx检测器在同一衬底上。这些特征可应用于本申请中描述的其他实施方案中的任一个实施方案。

图19是可形成用于非侵入式温度测量的光学感测模块的一部分的具有单个波导输出孔口1902的发射器PIC 1901的示例。多个激光器1903采用多个混合DBR激光器的形式，包括覆盖M个波段的M个III-V混合集成RSOA增益芯片或芯片小方块1908(通过倒装芯片或微转印(MTP)安装)，每个波段具有1和N(1..N)个波长之间的任意数量。M个RSOA中的每一者光耦合到N个DBR波导，每个DBR波导1909选择RSOA的波段内的子波段，以在M个波段中的每一者内产生N个波长。因此，来自多个激光器的输出波长的总数是Nx M。对于每个激光器，高度反射镜位于RSOA内的激光腔的一端处。III-VRSOA增益芯片或芯片小方块可以是混合集成的，使得RSOA波导中的光模边缘耦合到Si或SiN PIC波导，使得RSOA中的光和Si或SiNPIC波导中的光保持在相同的平面中(A.J.Zilkie等人，Power-efficient III-V/Siliconexternal cavity DBR lasers，Optics Express，第20卷，(21)，第23456页(2012年)；A.J.Zilkie等人，Multi-Micron Silicon Platform for Highly Manufacturable andVersatile Photonic Integrated Circuits，IEEE J.Sel.Topics in QuantumElectronics，第25卷，(5)(2019年)；Loi R等人，Transfer printing of AlGaInAs/InPetched facet lasers to Si substrates.IEEE Photonics Journal.第8卷，(6)，第1-10页(2016年))。在一个实施方案中，在每个时间窗口中仅接通一个激光器，并且在该时间窗口中，检测器检测来自该波长的反射信号。然后使用例如图35所示的顺序来循环激光器。图19所示的PIC具有SOI平台。同样的架构也可应用在SiN平台，波导平台的选择取决于激光器的工作波长。可以设想单个平台可包括SOI部件和SiN部件。

来自多个激光器1903的光通过多路复用部件(MUX)1905(诸如阶梯光栅)组合到单个波导中，其可采用SOI肋或条形波导1906的形式，其中高度在1um至3.5um的范围内，并且宽度在1um至3.5um的范围内。波导可经由任选的掩埋内插器光锥1907耦合到输出端，该掩埋内插器光锥例如可通过使用双SOI晶圆(具有两个掩埋氧化物层的晶圆)来实现，以将输出模式扩展到12um x 12um。波导输出端可以是蚀刻的、成角度的和AR涂覆的小平面。在有或没有光锥的情况下，可将波导输出端1902选择为具有1um x 1um至12um x 12um的尺寸范围。对于每个波长，可包括波长锁定器反馈回路1904。波长锁定可如US10677989和US10739256中所述。

图20是SOI平台上的漫反射分光光度计发射器PIC 2001的示例。它与图19的实施方案的不同之处在于不存在多路复用部件，而是光学感测模块的输出端采取小孔口(例如0.1mm至1mm)上的小平面2002的阵列的形式。可存在聚焦透镜。在一个实施方案中，在每个时间窗口中接通多个激光器1903中的不多于一个激光器，并且在该时间窗口中，检测器检测来自该波长的反射信号。来自Nx M个RSOA DBR 1909中的每一者的激光输出由波导2006集合到光学感测模块的单个孔口处的波导小平面的阵列，其中激光到激光波导间隔小至5微米。总体孔口尺寸可以不大于1mm，或甚至不大于0.1mm。每个输出波导可包括光锥2007或掩埋内插器光锥1907，以在波导输出端处转换成更大横截面。

图21是漫反射光谱仪发射器/接收器(TRx)PIC 2101，它与图19的不同之处在于它还包括一个或多个混合集成光电检测器2111或光电检测器阵列。光电检测器可倒装安装在PIC上，或通过微转印(MTP)沉积。

图22A和图22B示出了具有相干光电检测器或检测器阵列2211的发射器/接收器PIC 2201。这可采用集成(单片或异质)平衡光电检测器或光电检测器阵列的形式。PIC的操作可在图22B中以简化形式看到。分配器2202(例如，90/10分配器)和波导用于拾取激光的一部分(即，待发射的光)，并经由参考臂将其馈送到相关的平衡光电检测器，以在相干检测方案中用作本地振荡器信号。图22A所示的示例形成于SOI平台上。与本文公开的所有SOI平台一样，设想相同的架构可等同地应用于SiN平台(图22C)。对于SiN平台，光锥可采用基于SiN的光斑尺寸扩展器的形式(即水平光锥、倒光锥或垂直堆叠以垂直扩展模式的多层SiN，垂直是正交于SiN表面的方向)。

图23示出了具有公共硅衬底的组合SOI和SiN平台上的漫反射分光光度计发射器PIC 2301的示例。组合平台的SOI部分和SiN部分中的每一者包括多个激光器、多路复用部件和输出端。SOI平台在波长大于1120nm的NIR至MWIR波长1903下工作，而SiN平台在400nm至1120nm的可见光至NIR波长2203下工作。

在另外的实施方案(未示出)中，具有组合的SOI和SiN平台的发射器(tx)PIC可适于包括集成光电检测器(包括一个或多个InGaAs、InGaAsP和基于硅的PD(例如，CCD和PD阵列)，该集成光电检测器与PIC分离，但位于共用衬底上。此外，(未示出的)实施方案可包括Si和SiNTx输出波导的分接头以及Si和SiNRx波导的组合器。

图24A和图24B示出了用于诸如图22C和图23(图23中示出的线A-A')所示的SiN波导平台的多个激光器中的一个激光器的横截面。RSOA的III-V材料位于平台内的腔中并且光学耦合到平台的SiN波导。SiN波导包括蚀刻到SiN层中的DBR光栅(或环形谐振器)。III-V材料可通过MTP或倒装芯片管芯结合来集成并且用焊料来附接。应当理解，III-V材料中的模式具有n3的折射率并且DBR光栅处的模式具有n1的有效折射率。在III-V材料与DBR光栅之间的界面处(从III-V侧开始)是折射率为√(n3*n2)的第一AR涂层、折射率为n2的填充层，然后是折射率为√(n2*n1)的第二AR涂层。另选地，III-V管芯或芯片小方块可足够靠近Si或SiN波导附接，使得III-V小平面与Si或SiN小平面之间的间隙小到在光学上可忽略，并且不需要填充材料，在这种情况下，折射率为√(n3*n1)的单个AR涂层可用于、应用于III-V小平面或Si或SiN小平面。图24B中所示的横截面与图24A的横截面的不同之处在于它包括结合到波导中的涂覆有金属(“折叠镜”)的倾斜表面(由Si、SiO₂或SiN材料制成)。这可与BOX层的平面形成45度或54度角。

图25示出了在皮肤处进行测量时使用中的光学感测模块(诸如图23的光学感测模块)的示例。除了组合的SOI/SiN PIC 2301之外，该光学感测模块包括提供可见波长的第二发射器2501的单独的LED，以及多个检测器2502-1,2502-N。已经发现，接收光束的最佳收集位置从Tx PIC激发点横向移位(即，沿着平行于被测量的皮肤2504的表面的平面)1nm至8mm。基于不同的源检测器间隔和/或激光功率可获得不同的深度穿透。所示的实施方案探测表皮和多层真皮。

图26是使用中的另一光学感测模块的横截面。在该实施方案中，垂直光电检测器2611集成到SOI PIC上。可用波导折叠镜2615(参见图24B)垂直90度向上(或在一些实施方案中向下)发送光以照射皮肤，然后可将垂直照射的PD放置(例如通过倒装芯片管芯接合或转印)在PIC硅衬底的顶部(或底部)上(例如在蚀穿顶部Si和BOX层的腔中)以收集光。该方案的优点在于可使用54度折叠镜(容易存在于平台中)而不是45度镜，以具有如图所示偏离法线但以小得多的偏离法线角(例如，约20度斜角而不是60度)入射到组织的激发光束。此外，将PD附接到PIC衬底允许PD产生的热量直接流入硅衬底层，而不是流入顶部Si层。接收器Rx光束收集位置2611从Tx PIC激发点偏移，通常偏移诸如1nm至8mm的量。

在图27所示的另一个示例中，垂直光电检测器安装在衬底上而不是PIC上。更多细节可见于US10641962中。

图28是增加系统的收集孔口的微透镜布置的示例。薄膜由具有SiO₂和TiO₂的交替层或SiO₂和SiN的交替层的底层2801组成。这些交替层之后是“中间层”2802，然后是另一组SiO₂和TiO₂的交替层2803或SiO₂和SiN的交替层。TiO₂或SiN可由其他高折射率膜代替。中间层偏移四分之一λ以在传输波长处谐振，厚度为λ/2的m倍。在所示的实施方案中，总共有21层。光电检测器阵列内的每个光电检测器具有其自己的相应微透镜，每个微透镜具有上述结构。

图29A是用于外部光电检测器2211的薄膜DBR滤波器的示例。它由底层2901、腔体层2902和顶层2903形成。底部镜/滤波层可由高/低折射率1/4波长对制成。中心腔体层通常是厚度为m*λ/2n_low的低折射率层，其中λ是滤波器通带的中心波长，并且m＝1或更大的值对于可制造性和厚度控制可能是优选的。向下蚀刻中心层以形成不同的腔长度，最后施加并图案化顶层。单个晶圆中可存在任意数量的滤波器。

可使用图29A的DBR滤波器机制来形成各种带通滤波器。图29B是用于薄膜DBR滤波器(诸如图29A的滤波器)的O波段带通设计的示例，并且在图30中示出了O波段设计的另一个示例。

图31示出了具有(b)中所示的折射率和(a)中所示的作为波长的函数的所得透射率的曲线的黄色通带。图32是谐振腔光电检测器的示例和作为波长的函数的示例性透射/反射光谱，示出了600nm处的峰值。该光电检测器由以下组成：

-由SiO₂/TiO₂或SiO₂/SiN层构成的顶部薄膜叠层3201

-对应于具有吸收区域的有源PD的中间层3202

-具有交替的III-V层的底部DBR层3203

TiO₂或SiN可由其他高折射率膜代替。由于其唯一的要求是吸收可见波长，因此PD可由III族砷化物而不是III族氮化物制成。用于底部层的材料的示例包括：GaN/AlGaN、GaAs/AlGaAs和AlGaAs/AlGaAs。

图33示出了心率、SPO₂和温度测量的时序图的示例。该图描述了时机的可能组合。

1-HR、HRV、PI、PVI等：假设连续地计算这些变量，并且可通过使用单个LED(G)来计算这些变量。该LED可以一定采样频率被多路复用，例如25sps至100sps，具有小至1％的占空比，并且照明足以在被脉动组织衰减之后激发PD。

2–SpO₂、SpCO、SpMet：这些变量应以更长的时间间隔计算，诸如5分钟至15分钟。它们要求从短采集周期(例如系统采样频率(25sps至100sps)下为1秒至3秒)中计算出一组可见波长(G1至Gn，Y1至Yn)。更好SNR的要求将需要更大的占空比(诸如2％至4％)和足够的组织照明。

3-体温、身体水合：这些变量可以长得多的时间间隔计算，诸如30分钟至数小时。它们要求在一定时间期间多路复用一组PIC激光器以提高精度。采样频率和求平均值由系统的所需精度和SNR确定。

图34示出了图33中的数据的单循环缩放。在第1行中，显示光源序列包括例如多个可见光LED(λG,λG1..λGn,λY1…λYn)，后接多个SWIR波长PIC激光器(λP1..λPn)。每个光源在由其物理地址和由CPU定时器控制的占空比定义的某个时隙(第1列)处顺序地进行时间多路复用，遵循取决于要计算的变量的期望模式。该表的对角线的值表示期望的相对照明强度。强度以被组织衰减的光将以特定均衡强度到达光电检测器的方式进行控制。

图35和图36各自示出了光源多路复用图案的示例。图35是在两个检测器上检测到的三个激光波长(1310nm、1550nm和1650nm)的多路复用图案：I，其表示已穿过组织的光，和Io，其表示未穿过组织并到达参考光电二极管的光。图36是在4个检测器上检测到的4个激光波长的多路复用图案。在这种情况下，四个检测器中的三个检测器处于不同的源检测器间距，其中检测器分别与源间隔0.62mm、1.07mm和1.24mm，并且参考光电二极管不与源间隔。

由于温度对水分子彼此和体内其他分子的氢键的影响，身体的水吸收光谱是温度的函数。该灵敏度存在于NIR中源自振动模式(2898nm、2766nm和6097nm)及其谐波(1950nm、1450nm、1200nm和970nm)的多个水吸收峰处。对于跨1300nm至2500nm的标准分光光度计技术，在约1450nm和约1950nm处的两个强水吸收峰通过水吸收的表征提供对水温的灵敏度。

S.Merritt等人通过970nm波段的吸收变化证明了非侵入式组织温度测量(Monitoring temperature non-invasively using broadband Diffuse OpticalSpectroscopy，Merritt等人，Frontiers in Optics 2004(OSA|Monitoring temperature non-invasively using broadband Diffuse Optical Spectroscopy(doi.org)，Noninvasive monitoring of brain tissue temperature by near-infraredspectroscopy，Hollis等人，SPIE Proceedings，第4250卷(2001年)(10.1117/12.434506 (doi.org))。

本发明的一个或多个实施方案涉及在与硅光子集成电路兼容的波长下的水温的非侵入式测量，在某些实施方案中，该水温可与皮肤温度直接相关并追溯回核心体温。测量可使用1450nm水峰附近的波长进行，这允许光穿透几毫米进入皮肤并探测真皮。由于波长高于硅的1120nm吸收带边缘，因此在该波长下工作使得能够使用硅光子集成电路。台式实验室测量已经证明了对温度的灵敏度(Examining water in model membranes by NIRspectroscopy and multivariate analysis–2018.pdf)，其中在约1390nm和约1546nm处出现的水曲线的每一侧对温度变化具有最大灵敏度，并且这些吸收变化彼此相反，它们之间的等吸收点接近1450nm处的水峰。对于一些实施方案，通过选择水峰每一侧上的多个波长和一个或多个等吸收点处的波长，皮肤的反射率测量将允许非侵入性地测量皮肤温度并最终测量核心体温。

还可使用900nm至1100nm范围内的波长通过对970nm水吸收峰的灵敏度来解决光学温度测量问题。本专利还描述了也能够在这些波长探测组织的SiN PIC。

每个波长区域具有其优点和缺点。例如，970nm光允许光更深地穿透进入组织并测量更深组织结构的组织温度。970nm光还具有更高的组织散射和来自将使水温峰值偏移模糊的其他吸收体(诸如血红蛋白和脂质)的更多相对吸收。1450nm水峰具有较高的吸收，因此光不能深入穿透组织，并且对于皮肤温度的测量是理想的。在1450nm水峰处，水吸收占主导并且组织散射较低，这对于水吸收光谱中对温度相关变化的灵敏度是有利的。

用SiN平台测量温度实现970nm水峰处的小型可穿戴式测量。用Si平台测量温度实现1450nm水峰处的小型可穿戴式测量。

本发明的光学感测模块提供了用于以下目的的可穿戴的非侵入式光学感测模块：连续光谱温度测量；连续光谱水合测量；连续光谱乙醇测量；

连续光谱乳酸盐测量；温度、SpO₂和PPG的连续光谱组合；以及上述各项中两项或更多项或全部的连续光谱组合。

已解决的问题的示例(SpO₂)

目前市场上常见的SpO₂(血氧饱和度)测量解决方案使用红色和IR波长(例如，https://blog.fitbit.com/track-your-spo2/)。这些波长在诸如指尖的灌注良好的组织位置处以及在透射几何形状中测量SpO₂时工作良好。由于低灌注和较差的信号质量，无法在腕部背面进行红色/IR SpO₂测量。本发明为来自500nm至650nm区域中的离散波段的PPG信号提供了解决方案。该解决方案提供了比红光/IR波长大得多的信号，从而对SpO₂变化具有更大灵敏度并且提供使用腕部背面上的可穿戴传感器进行测量的能力。

据作者所知，没有人能够通过激光器或具有宽带源的小型光谱仪提供500nm至650nm波长范围内的离散波长解决方案。光谱仪解决方案太大并且不够紧凑。窄线宽激光源也是不可用的，这对于通过血液中的混杂吸收体(诸如碳氧血红蛋白和高铁血红蛋白)来测量SpO₂是必需的。

要解决的问题的示例(PPG)

PPG信号是用于在可穿戴装置中测量心率的标准。绿色LED是现有技术并且在低灌注皮肤上以反射模式提供良好的信号强度。本发明的光学感测模块结合了来自与SpO₂结合使用的绿色LED/激光器的标准PPG信号。

硅PIC还具有当探针被置于表面动脉(诸如腕部上的桡动脉)上时使用1150nm至1350nm范围内的波长测量PPG的方法。这种定位和测量对于测量动脉的脉搏波形是有利的并且与诸如血压相关测量和血液粘度的测量参数相关。

本发明的要素和不同实施方案(SpO₂)

在一些实施方案中，一个或多个LED(宽带光源)或两个或多个不同波长的半导体光发射器(VCSEL或FP激光器)与硅光电二极管结合使用，以测量氧饱和度、羧基血红蛋白、高铁血红蛋白和部分氧饱和度。

优选波长如下，但在优选波长附近也可以工作。

·等吸收点：530nm、545nm、570nm、584nm

·峰/谷：515nm、540nm、562nm、577nm、600nm

在一些实施方案中，使用宽带光源诸如LED以获得有利的紧凑性和可集成性，或另选地，使用荧光、白炽灯、卤素光源和用于检测器的多个光电二极管(PD)。不同的光电二极管解决方案包括：

·用于波长区分的在各个PD上具有窄带宽光谱滤波器的PD阵列

·光谱滤波器可以是电介质薄膜叠层DBR滤波器，在单片化之前以晶圆级单片地沉积，或在单独的衬底上生长、单片化并转印

·薄膜叠层DBR滤波器可沉积或以其他方式施加到微透镜的表面，然后单独施加到PD

·反向偏压谐振腔LED(RCLED)可用作谐振腔光电二极管(RCPD)

·另选地，小型光谱仪可用于波长区分

在一些实施方案中，可使用PIC中的各个VCSEL或FP激光器代替LED来测量特定分析物

在一些实施方案中，可使用窄光谱RCLED来代替VCSEL/FP激光器。

在一些实施方案中，可使用具有光谱滤波器的LED来代替PD上的光谱滤波器以使输出波长光谱变窄。

在一些实施方案中，可使用蓝色波长源(LED/激光器，约450nm)来诱发500nm至600nm波长范围内的自然荧光，然后用分光计或经滤波的PD来捕获该自然荧光以区分波长。

在一些实施方案中，可使用CMOS/CCD来执行经滤波的波长方案，并且可将滤波器(例如，电介质堆叠滤波器)以不同图案置于各个检测器上以平均并混合较大组织面积上的波长信号。

该技术具有优于现有温度测量的优点的示例包括：

-与侵入式测量相比，它是非侵入式的。

-与皮肤表面上的热敏电阻测量相比，该测量实际上在热敏电阻试图测量皮肤表面时穿透皮肤并且受到与探针外壳的耦合的强烈影响。

-与热敏电阻或非侵入式MIR检测方法相比，该方法允许多个波长测量，每个波长测量作为独立的温度测量存在并且在组合时提供更高准确度。测量和分析更多单个光谱的可能性允许更精确的测量。

-该方法允许探测不同源检测器间隔处的皮肤，因此对不同深度处的皮肤温度具有灵敏度，这允许对皮肤上的自然温度梯度进行深度表征。热敏电阻测量或MIR检测方法对皮肤温度没有深度灵敏度。

-当与标准硅光子PIC平台耦合时，该方法允许集成度更高的模块，该模块具有显著减小的尺寸、简化的封装和降低的成本，并且可以是可穿戴的。之前，无法以可以是可穿戴的紧凑尺寸来实现这种需要多个波长以达到期望的精度的测量。

-利用更精确的可穿戴温度探针，该技术使得能够随时间恒定/实时地跟踪人的温度，这可用于诸如发热检测、女性生育力监测和睡眠周期监测等应用。

-模块的紧凑尺寸允许该技术可穿戴在身体的核心体温可被追溯的区域中，诸如在身体核心(中段或胸部)上的贴片中，或可穿戴在头部上，诸如耳塞式耳机或内置于玻璃框架中。

本发明的光学感测模块的潜在应用包括但不限于：

-PPG

-心率

-心率变异性

-血压

-氧饱和度

-总血红蛋白

-碳氧血红蛋白

-高铁血红蛋白

-脑血氧测定

-肌肉血氧测定

-核心体温

-局部体温

-皮肤水合

-全身水合

-血液酒精检测

-皮肤癌筛查/表征

-乳酸盐检测

-葡萄糖监测

图37A是用标准分光光度计在1100nm至1800nm范围内测量的纯水和散射溶液的吸收光谱。在25℃至45℃的温度下测量溶液，并且光谱特征的厚度是由于温度变化所致。

图37B是归一化版本，其中来自顶部曲线的数据全部按37C归一化，并且显示了在不同波长下线性吸收随溶液温度的变化。图38A示出了作为1530nm处的温度的函数的吸收测量的示例。图38B示出了作为1390nm处的温度的函数的吸收测量。这两条曲线证明了数据在两个不同波长1530nm和1390nm处的线性。数据还说明绝对变化的斜率和方向对于每个波长是不同的。

图39是体内数据的示例。使用四波长和三检测器光纤耦合系统收集数据。使用的所有光纤都是直径为600um的0.39NA光纤，并且源检测器间距显示在每条曲线的顶部：0.62mm、1.07mm和1.24mm。曲线的顶部行是在60秒时间段内测量的伪吸收值，在该时间段期间反射探针与皮肤交接并且存在皮肤的加热和冷却以证明皮肤中发生的水吸收具有温度变化。第二行是数据，其中前五秒的平均值用于区分数据，使得可以伪吸收单位来查看随温度发生的变化。不同波长的伪吸收的方向性变化与分光光度计中测量的吸收变化一致。

下面参照图40至图42描述了用于从反射率测量值来预测温度测量值的算法。应当理解，该算法的训练和该算法的应用也可适用于除温度之外的参数。初始，为了确定作为输入的函数的预测温度，对算法进行训练。这可在图40的流程图中看到。

使用诸如本申请中描述的实施方案中的任一者的光学感测模块来收集(s1)反射率数据。在装置的工作波长内的多个波长上捕获反射率数据集。同时，进行对应的温度测量(s2)。这可为核心温度的测量，或可涉及参考部位处的温度。如果需要，可对所测量的数据应用偏置校正(s3)。类似地，可对所收集的反射率数据进行调节或应用信号处理(s4)。还可应用波长漂移校正以进一步提高准确度(s5)。数据调节可考虑辅助输入(s6)，包括以下各项中的一者或多者：环境温度、板温度、皮肤表面温度或传感器上存在衣物或任何其他绝缘体。表面温度可通过热敏电阻来推导。然后将反射光谱的特征映射到温度测量值(s7)，并从该映射推导出定义预测温度T(预测)与从反射光谱测量并用作算法输入值的值之间的关系的函数(s8)。吸收率对温度的示例示于图38A和图38B中。

下面参照图41和图42描述了将温度算法应用于所测量的反射率数据，图41描述了两阶段算法过程，并且图42描述了单阶段算法过程。在这两个过程中，初始步骤是使用光学感测模块硬件来收集(s11)反射率数据集，诸如本申请中描述的本发明实施方案中的任一者。该数据收集在不同波长范围内进行。应用数据调节和/或信号处理(s12)，这可包括考虑一个或多个辅助输入(s13)，诸如上文关于图40列出的那些。可应用波长漂移校正来改善结果的可靠性。

在图41的两步过程中，使用部位温度测量来训练T(预测)算法。一旦应用于数据(s16)，这导致输出预测温度，但这是部位温度的预测。通常，用户对核心温度感兴趣，因此应用另一个算法(s18)以将预测的部位温度转换成预测的核心温度的输出(s19)。在图42所示的单阶段过程中，不需要从部位温度到核心温度的转换，因为用与核心温度相关的训练数据对算法进行了训练，所以在这种情况下，应用训练算法的步骤(s14)直接导致核心体温的输出s15。

关于温度预测过程，可使用从特定波长开发的算法，并且波长的选择基于以下各项中的一者或多者：吸收曲线的每一侧上的峰值温度灵敏度；选择获得所需测量准确度的波长数量；选择温度等吸收点附近的波长，以监测与温度无关的信号变化；基于受试者的皮肤散射来优化每个受试者的等吸收点波长的选择；将温度测量值与水合测量值结合，说明吸收变化与温度无关；查看水峰的相对两侧上的波长之间的差异，找到温度的代替物；应用各种算法技术来拟合来自所收集的反射率数据的温度。

图43示出了使用1310nm激光器从桡动脉上的皮肤收集的PPG数据的示例。

图44示出了使用蓝光收集的PPG数据的另一个示例。由于血红蛋白在蓝色波长范围内具有高吸收率，因此可从腕部背面上的蓝光光源测量到强PPG信号。

图45示出了作为波长的函数的氧饱和度以及95％饱和血液的吸收的模拟数据。95％饱和血液的吸收率指示给定波长的PPG信号强度，因为PPG信号强度与血红蛋白吸收率相关。由95％的SpO2和70％的SpO2的比率表示的氧饱和度灵敏度提供了对这两个饱和状态之间的氧饱和度变化的波长灵敏度。为了从两个波长的比率计算SpO2，所选择的两个波长应在虚线的相对侧，虚线表示氧饱和度曲线中的等吸收点。两个点距等吸收点线越远，对SpO2变化的灵敏度越高。曲线660和950nm表示对SpO2变化的最大灵敏度，但因为95％氧饱和度值较低，所以当在腕部背面采集数据时PPG信号较弱。图45示出了等吸收点线的相对侧上的波长(诸如442nm和472nm)具有合适的SpO2灵敏度并且还具有强PPG信号。

图46示出了660nm/940nm与442nm/472nm的校准曲线比较的示例。校准曲线表示两个波长的比率对SpO2的灵敏度。660nm/940nm是具有良好灵敏度的标准SpO2测量值，442nm/472nm则显示出甚至更大跨度范围的比值以及更高的灵敏度。

任何上述PIC型式都可由使用氮化硅SOI PIC平台的PIC代替，该平台支持500nm至1100nm的波长范围，结合了具有覆盖这些波长的增益带的混合集成RSOA，使得对于漫反射分光光度法具有更好的灵敏度并且对于所选择的应用具有更深的组织穿透深度。

为了得到更高的检测灵敏度，附图中的InGaAs PD将被Si CCD检测器代替。

拉曼散射光谱学

下文参照图47至图60描述了本发明的实施方案。这些实施方案尤其涉及具有PIC的光学感测模块，该PIC被配置为使得模块具有泵浦和探针激光源并且因此能够执行拉曼散射光谱学测量。

本领域中已报道过受激拉曼光谱技术在广泛的医学感测和诊断应用中具有潜在用途，诸如癌症检测、疾病检测、非侵入式血糖测量以及最近的体内代谢指纹和高光谱成像。受激拉曼散射涉及用拉曼泵浦光以及用感兴趣的斯托克斯峰处的探针光照射样品目标区域，并且已经显示出将检测灵敏度提高4至5个量级(参见例如US 6,560,478B1、US 6,560,478 B1)。

传统拉曼光谱学在NIR波长下执行，其中拉曼泵浦波长为约800nm或1064nm。拉曼散射在800nm附近基本上较强，这是因为由于ν4依赖于拉曼散射截面，因此在较小波长处具有较强的散射截面。在1150nm以上的波长处的检测器还具有更多噪声和更低灵敏度，因而对于在这些更高波长处检测拉曼信号带来了进一步挑战。另一方面，当对组织进行体内分光光度测定时，光对组织的穿透深度，以及皮肤表面与被测点之间的背景组织对光的吸收是一个问题，特别是当被测信号很弱时，如在诸如拉曼光谱学的非线性光谱学中。拉曼光谱学在较长波长下的挑战部分地由以下事实补偿：较长波长(初始最长1800nm或最终最长3000nm)在组织中被较少地吸收，从而允许更深地穿透到组织中，并且随着斯托克斯位移光行进回到检测器用于测量时而具有较少的斯托克斯位移光吸收和散射。此外，对于高于1150nm的IR波长的眼睛安全功率限制更高，从而可能允许使用更高的拉曼泵浦激光学功率。

当使用硅光子集成电路来制造拉曼光谱仪时，已发现希望硅带隙大于1120nm的光波长来执行光谱学。在光子集成电路中，在1260nm直到1850nm下工作的二极管激光器(可调谐DBR、DFB或RR)是容易获得的，并且可使用在混合激光器平台中已经可用的构造块集成到基于硅光子的集成电路中(如本文档中以及例如以下文献中所述：Power-efficient III-V/Silicon external cavity DBR lasers，A.J.Zilkie等人，Optics Express，第20卷(21)，第23456页(2012年)，Multi-Micron Silicon Platform for HighlyManufacturable and Versatile Photonic Integrated Circuits，A.J.Zilkie等人，IEEEJ.Sel.Topics in Quantum Electronics，第25卷(5)(2019年))。拉曼指纹是从泵浦光子能量(以cm-1为单位测量)的斯托克斯能级下移(以cm-1为单位)，并且用于体内生物监测的指纹的范围可从对于葡萄糖的730cm-1[1]到对于CH2伸缩振动的2845cm-1[4]。

本发明的这些实施方案要解决的问题是如何采用拉曼光谱仪和/或成像器，该拉曼光谱仪和/或成像器通常由庞大的激光器和检测器以及自由空间光学激发方案制成，并且可用于测量许多生物医学特征(例如，执行癌症检测、疾病检测、非侵入式血糖测量以及最终体内代谢指纹和高光谱成像)，并且将功能小型化到芯片中，因此显著减小了尺寸、成本，增大了功率效率，从而能够广泛地部署在消费者装置中。

一旦被广泛地部署在相当大部分的人群中并且连接到云，大数据就可被用来显著提高其实用性，并且AI可被应用于针对来自其他人以及来自个体自己的历史的其他数据集的模式识别，以实现例如预防性疾病或健康状况检测和预防，即，拉曼特征数据流(例如每天每小时记录多次)成为来自拥有计算装置诸如智能电话的任何用户的无处不在且广泛可用的信息。

例如通过执行受激拉曼光谱学(SRS)在本发明中测量特定范围的拉曼指纹可通过使用本文所公开的激光平台(高密度/采用紧凑尺寸芯片的多个集成激光器，跨多个激光外延带的多个波长)的硅光子集成电路来实现。

可使用大于1150nm的波长，使得可使用硅光子波导平台。选择波长以避免组织中的水(H₂O和C0₂)吸收峰在1350nm至1500nm的范围内，其中拉曼泵浦波长例如为1350nm并且拉曼探针波长为1480nm至1868nm。与1260nm至1360nm范围内的附加斯托克斯探针激光波长相关联的第二泵浦激光(例如1200nm)可附加地用于覆盖400至1100cm^-1的小波数。

上述(并且在图44至图60中示出的)光子集成电路可使用SiN波导而不是硅波导来实现700nm至1060nm的标准/公共波长下的SRS光谱。

SRS拉曼激光器还可在同一Tx PIC上与“常规”分光光度计(SP)激光器组合在一起，以形成组合SRS+SPTx PIC(参见图58至图60)。

模拟显示电信号/噪声比对于图44至图60所示的变型是可行的。

在一些实施方案中，可使用标准锗检测器。在一些实施方案中，可使用混合InGaAs检测器。在一些实施方案中，可使用锁定检测。在一些实施方案中，可使用外差检测电子器件。在一些实施方案中，可使用真正的光学相干检测，即可分离发射器激光输出并且将一部分反馈到相干(平衡)检测器中作为本地振荡器来执行相干检测。

在一些实施方案中，为了保持高光强度但减少组织加热，可以低占空比对泵浦激光器和探针激光器进行脉冲调制。任选地，可用频率为fp的电驱动调制来驱动泵浦激光器和探针激光器，理想地具有低占空比，优选地<0.1％，使得产生持续时间为约1ns至10ns的脉冲，并且例如fp＝约1kHz，得到约1e-3％至1e-4％的占空比。然后使泵浦激光和探针激光驱动信号同步(即相位匹配)，使得泵浦脉冲和探针脉冲在入射到组织中时在时间上重叠。

在接收器处，可将锁定检测电子器件添加到光电二极管，以在频率fp处执行零差检测，从而改进信噪比。

图47示出了具有分离的光电检测器的拉曼光谱仪发射器Tx PIC+。多个激光器包括多个固定波长DBR泵浦激光器4703，以及波长固定在感兴趣谐振处的多个固定波长探针激光器4733。单个RSOA III-V腔可支持多于一个DBR激光器，使得DBR的固定波长对应于RSOA增益光谱的波长范围内的波长。光学操纵阶段包括组合泵浦DBR激光器的输出的第一多路复用部件4705和组合探针DBR激光器的输出的第二多路复用部件4735。在该实施方案中，泵浦激光器4703对应于1250nm至1700nm范围内的波长，并且探针波长对应于1300nm至1850nm范围内的波长。

光学感测模块4701包括与PIC分离的一个或多个光电检测器4702-1、4702-L。光电检测器可包括第一光电检测器，该第一光电检测器具有宽区域(例如0.1至2.mm^2)III-V垂直照明的光电检测器，例如具有带通DBR滤波器的用于最高灵敏度的InGaAs(例如，发射范围与探针激光器相同，例如1700至1800)。多个光电检测器还可包括一个或多个附加光电检测器，例如具有带通DBR滤波器的宽区域(例如0.1至2.mm^2)IIIV检测器。在使用时，一次仅一个泵浦激光器和探针激光器对开启。可对单独的Rx检测器进行求和、外差处理或差分测量。多于一对可同时开启，其中单个检测器对多个拉曼峰同时积分。这些对可在时间上循环。可探测总共N*M个拉曼波长。在图47的实施方案中，存在来自PIC的泵浦输出以及探针输出。使用透镜元件将两者聚焦到皮肤(或待测的其他表面)上。聚焦的光斑可位于皮肤表面下方例如1um至3um。

光学操纵部件可包括多路复用元件(MUX)以将多个DBR激光器的输出组合到单个波导和透镜。在不存在MUX的情况下，将存在多个波导和输出(参见图50)。

图48的实施方案涉及拉曼光谱仪发射器Tx PIC 4801，其具有一个或多个固定泵浦激光器4803(例如1350nm)以及感兴趣谐振处(覆盖包括例如1480的各个波长的范围)的多个固定探针激光器4833。该实施方案与先前实施方案的不同之处在于两个泵浦光束和多波段探针光束全部被多路复用元件(在本例中是波段MUX 4845)多路复用到一个输出波导4802中。图48所示的实施方案包括用于泵浦激光器和探针激光器两者的波长锁定器。

图49是另一个拉曼光谱仪，其具有来自多个泵浦激光器4903的泵浦光束(例如1250nm至1700nm)和来自多个探针激光器4933的探针光束(例如1300nm至1850nm)，这些光束全部被单个多路复用元件4904多路复用到单个输出。系统的光学感测模块包括发射器PIC 4901和单独的光电检测器4902-1、4902-l。图50示出了没有被多路复用的另选变型，由此每个激光器输出具有对应的输出波导5012，输出波导各自产生使用透镜聚焦到皮肤(或其他表面)上的相应输出。

图51、图52和图53描绘了根据本发明的光学模块5101、5201、5301的示例，其中发射器5121和接收器5122位于一个或多个PIC上。

发射器PIC 5121包括一个泵浦激光器5103(例如1350nm)和多个探针激光器5133。探针激光器可包括RSOA或DFB的阵列。在RSOA的情况下，DBR光栅可提供位于其相应RSOA增益光谱的范围内的泵浦激光器的固定波长和探针激光器的固定波长。探针激光器阵列的示例性波长范围是1480nm至1850nm。波导加热器可存在于泵浦激光器或探针激光器的光栅处，用于进行微调。波长锁定器5104也可包括在多个探针激光器中的每个探针激光器上以及用于泵浦激光器。探针MUX部件5105诸如中阶梯光栅将探针输出中的每个探针输出耦合到组合探针波导。波段MUX 5135随后将泵浦激光器的输出与来自组合探针波导的输出多路复用，以形成来自发射器芯片的单个光学输出路径。可包括透镜以将输出5102聚焦到皮肤上。可选择透镜的焦距，使得焦点实际上位于皮肤之下(例如皮肤表面下方1mm至3mm)。通常一次仅开启泵浦和一个激光器对。这些对在时间上循环。

PIC的接收器部分5122包括用于测量从被测量的表面(例如皮肤)2504反射的光的检测器5111。在所示的实施方案中，检测器5111采用相干平衡检测器的形式。这可以是InGaAs检测器，并且可管芯结合到或转印到PIC上以提高灵敏度。

可存在滤波器5130以在检测器处提供附加的泵浦抑制。在所示的实施方案中，该滤波器采用波长对应于泵浦激光器的波长的附加陷环谐振器下话路滤波器(“RR滤波器”)的形式。通过调整置于RR波导上或相邻处的波导加热器上的偏置，陷波滤波器的波长可被热调谐到期望的波长(即，探针信号在检测器处达到最大的点)。另选的滤波器机制可包括中阶梯光栅通带滤波器来代替RR滤波器。另外地或另选地，为了进一步增大消光比并抑制波长不是探针波长的背景光，可在波段DeMUX与RR滤波器之间添加附加的中阶梯通带滤波器。

接收器包括收集光学器件诸如透镜以拾取来自皮肤的反射光。可存在光锥诸如掩埋内插器光锥(例如参见US10643903)，以将来自较大输入波导5152的输入光转换为较小尺寸的波导平台。例如，较大尺寸可对应于12um x 12um，并且较小模式通常对应于3um x 3um波导平台。在穿过存在的任何光学元件(透镜、光锥等)之后，所接收的光被解多路复用。在图51所示的实施方案中，DeMUX从3um x 3um波导获得光并且产生到相干平衡检测器的第一输出和到吸收体的另一输出。相干检测器还耦合到探针MUX的输出，以便它从所接收的探针信号中提取任何相位和频率信息。

图52的实施方案与图51的实施方案的不同之处在于图51的发射器和接收器位于单独的PIC(其可位于同一衬底上)上，而图52的发射器和接收器位于单个PIC 5221上。在图52的实施方案中，PIC的发射器部分的输出5202位于与PIC的接收器部分5252相同的位置。单个透镜用于聚焦所发射的光并且还用于收集所接收的光，尽管存在输入波导和输出波导。可存在掩埋内插器光锥(BIT)(未示出)，以如在其他实施方案中那样转换波导尺寸。

图53的实施方案5301与图52的实施方案的不同之处在于探针激光器固定在感兴趣谐振处。在图53所示的实施方案中，附加的发射器/接收器PIC 5321具有单个输入/输出波导和光束分配器5342(例如，50/50分配器拾取来自输入/输出波导的光并将其耦合到相干波段检测器(经由DeMUX和任何存在的抑制机制)。

在另选形式(未示出)中，不是将探针激光器耦合到接收器(Rx)平衡相干光电检测器，而是可用频率为fp的附加电驱动调制来驱动泵浦激光器，以及类似地用频率fs来驱动探针激光器。可随后包括额外的Rx电子器件以执行外差检测，从而锁定到拍音fp-fs。另选地，可将低频振幅光调制器(例如，电吸收调制器(EAM)、可变光衰减器(VOA)、半导体光放大器(SOA)、低速马赫曾德调制器(MZM))添加到每个激光器的输出，以在fp和fs频率下调制激光器。另选地，可选择其中fp＝fs的布置，即仅对泵浦进行调制，并且可在PIC的接收器部分添加更简单的零差(锁定)检测电子器件。

图54的实施方案示出了PIC 5401的示例，其中受激拉曼光谱仪(SRS)拉曼光谱仪与先前的分光光度测量Tx PIC的特征组合。在所示的实施方案中，存在固定泵浦激光器5403以及感兴趣谐振处的固定探针激光器5433。然而，还存在用作“常规”光谱激光器(即，非泵浦探针)的多个激光器。在所示的实施方案中，PIC的激光器由以下组成：固定波长泵浦激光器“p”；与泵浦激光器“p”成对工作的探针激光器“e”；以及独立于泵浦激光器工作的标准分光光度计激光器“s”。一些时间周期用于拉曼光谱学，在此期间拉曼激光器对开启，而其他时间周期用于SP，在此期间循环“s”激光器。通过简单地关闭拉曼泵浦激光器，拉曼探针激光器中的一些也可用作SP激光器。在所示的实施方案中，泵浦激光器可以是具有例如1250nm波长的DBR激光器。多个探针激光器和独立分光光度计激光器可以是DBR激光器，并且可各自具有在例如1350nm至1850nm范围内的工作波长。

可存在泵浦MUX来组合泵浦激光器的输出。可存在探针MUX以组合所有探针激光器和所有独立分光光度计激光器的输出。泵浦MUX的输出和探针MUX的输出可随后由波段MUX组合。可将探针激光器的多路复用输出发送到诸如图51至图53所示的组合器电路(图54中未示出)。

图55示出当与可能位于单独PIC上的标准独立分光光度计5503结合时，拉曼光谱仪5501、5502如何工作。在该实施方案中，独立分光光度计5525的收集点从发射器(Tx)PIC的激发点5520横向移位。这样，可将整个光学感测模块操作成从被测量的皮肤(或其他表面)拾取拉曼反向散射光和漫反射光。

图56示出了另选实施方案，其中例如通过被设计成以最大60度的离开角从Tx PIC输出光的透镜5620，以斜角发射光。在该实施方案中，光可由拉曼接收器5502PIC和“标准”分光光度计PIC 5503两者以法线角收集。正交于斜角发射光与待测量的表面(例如皮肤)相互作用的点来测量拉曼反向散射光。

图57是波长范围从1350nm至1850nm的示例性拉曼发射光谱的示意图。当探针波长在分子谐振峰值波长λ_e3处对准时，发生探针光的拉曼放大。在接收器(Rx)PIC处检测到由于探针光的SRS放大而引起的信号增加。可以通过利用接收器处的探针输出的光学零差或外差(如表现出相干检测的先前实施方案中所示)来增大信噪比。

图58是示例性“MUX光谱”，示出了作为泵浦激光器源和探针激光器源被多路复用的可能波长。图59A示出了针对接收器光电检测器前方的滤波器的衰减响应的示例。在所示的示例中，系统被设计为具有1555nm的探针波长，用于检测1555nm处的拉曼指纹。泵浦波长可具有小于1555-x nm的任何值(其中x是滤波器的通带的半宽度)。

图59B示出了SRS光谱仪的激光光谱的示例。在所示的示例中，泵浦激光器和探针激光器以及MUX被配置为使得存在覆盖1300nm至1625nm的泵浦激光器的阵列和仅一个入射在接收器光电检测器的(固定)通带上的1650nm探针激光器。可激活任何波长小于1650-xnm(其中x是滤波器的通带的半宽度)的任何泵浦，以激发范围从x至1650-1220＝350nm(对应于0至2889cm^-1)的一系列泵浦-探针波长分离。

图60中公开了另一个实施方案，其与先前公开的SRS拉曼光谱仪的不同之处在于泵浦激光器是可调谐的(例如，用可热调谐的环形谐振器代替DBR光栅)，并且因此产生可变波长λ_p的光。因此需要泵浦波长控制器。这样，可调谐的泵浦激光器6003可扫过一定波长范围(例如550nm至630nm)，并且探针激光器6033可固定在给定值(例如632nm)。波段MUX6040将泵浦激光器的受控输出与探针激光器的输出多路复用到PIC的单个输出波导，其中可存在透镜以将泵浦光/探针光聚焦到待分析的表面(例如皮肤)上。探针激光器可以是具有固定波长λe的DBR激光器。与前面的实施方案一样，可将波长锁定器应用于探针激光器DBR。也可将探针激光器的输出馈送到相干平衡检测器。在图60所示的实施方案中，接收器PIC是具有与发射器PIC的输出6042横向分离的输入6070的单独芯片。与前面的实施方案一样，可存在光锥2207(例如，掩埋插入器光锥)，以将具有较大横截面(例如，12um x 12um)的输入点6070转换成具有较小横截面(例如，3um x 3um)的波导平台。

下面参照图61描述了干涉测量实施方案，示出了包括具有用于深度检测和超光谱拉曼的干涉测量检测(OFDR)的相干CW激发拉曼光谱学的PIC 6101。泵浦激光器6103具有固定波长λ_p(例如570nm)，并且探针激光器6133在一定波长范围(例如884nm至632nm)内是可调谐的并且可以是例如基于RR的可调谐激光器。与前面的实施方案相反，控制器6144此时附接到探针激光器而不是泵浦激光器。波导锁定器位于采用DBR激光器形式的固定泵浦激光器处。波段MUX将泵浦输出和探针输出组合成来自PIC的单个输出。在该实施方案中，检测器是超灵敏检测器，诸如雪崩光电二极管(APD)或单光子雪崩检测器(SPAD)。在探针波长扫过拉曼反射光谱时收集作为时间的函数的相干检测器读数允许进行给出光谱与距离的OFDR(光频域反射计)测量。任选地，可在参考路径中结合具有开关的一排螺旋，以实现可调节的测距。长螺旋波导加热器可集成在螺旋波导的顶部或紧邻螺旋波导的地方，以提供OFDR参考臂的精细相位调谐以及附加的精细测距。在所示的实施方案中，路径长度适配器(诸如具有波导加热器的波导螺旋)可位于探针激光器的受控输出与相干检测器的本地振荡器输入之间的参考路径中，以将路径长度匹配臂长度调整到d(设定范围)。表面(例如皮肤)上的聚焦光斑与接收器部分的收集光学器件(例如收集透镜)之间的距离被选择为d/2。在一些实施方案中，PIC的发射器部分处的输出透镜可以是恢复或扫描透镜。在另选实施方案(未示出)中，图61的PIC可与“常规”分光光度计激光器组合。

如上所述，拉曼SRS光检测在830nm至1064nm的更传统拉曼波长范围内更强。任何上述PIC型式和泵浦探针波长方案都可由使用支持500nm至2500nm波长范围的氮化硅SOIPIC平台的PIC代替。这样，可使用例如830nm的传统泵浦波长，并且可使用890nm至1064nm的探针波长来覆盖0至2900cm-1波数的范围。另选地，探针激光器可固定在1064nm，并且可使用范围从830nm至1050nm的泵浦激光器的阵列。为了得到更高的检测灵敏度，其他实施方案中的InGaAs PD将被Si CCD检测器代替。

使用光学相控阵列(OPA)对组织表面上的信号进行空间调制

下文参照图62至图68讨论了具有OPA的PIC的各种示例。通常，这些将是发射器PIC，但它们也可以在同一芯片或单独的芯片上结合接收器元件，从而形成单个收发器芯片/电路，或一起形成收发器PIC电路的多个单独的PIC。本文档中描述的任何PIC，特别是与图1至图61相关的，可被修改以包括OPA或类似的光束引导装置，如下文关于图62至图68所述。

如图62所示，PIC 6201可包括被配置为在一个维度上跨组织表面扫描的OPA，或如图63所示，PIC 6301可包括被配置为在两个维度上跨组织表面扫描的OPA。在通过OPA实现二维引导的情况下，可使用波长引导在第一维度上引导，然后可使用相位引导在与第一维度正交或近似正交的第二维度上引导。

如图64所示，可使用片上OPA与片上/片外镜的组合来实现样品表面上的2D光束扫描。光束的OPA引导在一个轴6403上执行，并且外部镜在正交轴6404上引导光束以在样品上的2D表面上创建光栅扫描。在一些实施方案中，外部镜是MEMS镜。不同的引导机制导致不同的扫描速度，因此装置可使用形成较快轴的OPA扫描轴进行操作，OPA可在例如>10kHz下调制并且外部镜在作为较慢轴的正交轴上引导光束，其中镜可在例如约1kHz下调制，以在样品上的2D表面上创建光栅扫描。

如图65、图66和图67所示，通过将OPA添加到本文所述的任何发射器PIC，还可以执行散斑抑制。当跨正在研究的组织(或其他样品)的表面扫描光束时，组织/样品产生的散斑图案被调制。当光束跨皮肤/表面移动一定距离时，例如约1um，这产生统计上不相关的散斑图案。因此，跨组织在空间上移动光束调制漫反射的相位，从而调制Rx上的散斑干涉图案。通过在给定的Rx积分时间内对多个散斑图案进行平均，可以对随机强度波动进行平均以提高SNR。信号处理和后续的数据分析和滤波可由发射器PIC的ASIC执行。

参考图66和图67，可以理解OPA可包括移相器或延迟线。对于光束引导机制，OPA波导可包括有源移相器(诸如pn、热光、电光等)，以主动控制OPA输出相位分布，从而控制从PIC发射的光束方向和分布和/或其输出相位分布可通过DBR激光器的波长调谐来控制的固定延迟线。

关于2D扫描实施方案，在2D空间中在第二正交维度上扫描或移动光束实现了另一种程度的散斑抑制。因此，例如，1D OPA可通过在皮肤上扫过100um来对超过100个散斑图案进行平均。通过也在正交维度上扫描(例如通过使用MEMS镜)，可对超过100x 100＝10,000个散斑图案进行平均。

在图67的实施方案中，OPA包括光束引导6701和多模波导6702。更具体地，PIC包括被配置为从一个或多个相干光源中的一者接收光并将光分配到连接到OPA波导的多个分配器输出波导的光分配器，以及引导机构。OPA波导被配置为生成组合光输出光束，并且PIC生成光束，然后当引导机构在组织或样品的表面上引导输出光束时，该光束产生统计上不相关的散斑图案。此外，OPA波导中的每一者结合移相器和/或延迟线中的一者或两者；但也可包括以下项中的一者或多者或两者：光锥区域6703；和/或多模波导区域。波导中的每一者耦合到提供PIC的光学输出的自由光谱区域6704。波导中的每一者可结合弧形、螺旋形或起伏的壁以促进模式混合。

本文所述实施方案中的任一者可结合耦合到OPA波导阵列的输出并形成PIC的单个光输出(即FPR发射器)的FPR 6805。此类区域的示例示于图68中。OPA输出波导以法线角度发射到FPR区域中，以消除发射角对波长的依赖性(与我们的POR小平面相比，其在LA_CAVP蚀刻的约6度至约15度处)。这种方法允许紧凑的波导放置，从布局和工艺角度来看风险较低。通过控制FPR长度，可以控制背向反射。FPR 6805的长度可为至少50μm长以抑制背向反射。可针对波导阵列6806的一系列参数来控制波束形状6808，包括波导的间距、数量和宽度。FPR可采用材料区域的形式，例如未蚀刻的硅。

掺杂圆/蚀刻散射体6802可位于OPA波导阵列附近、FPR之前和/或FPR周围，以吸收/散射残余反射。

可穿戴技术可具有几个源或检测器，它们间隔开以同时对不同组织区域进行采样。在一些实施方案中，光学相控阵列(OPA)技术的集成允许通过引导光束以覆盖更大的皮肤区域并获得更好的信号质量来以创新的方式解决此问题。

在一些实施方案中，OPA包括波束引导；另外地或另选地，在一些实施方案中，OPA包括可包括引导或多波束发射或接收。

Claims (21)

1.一种用于漫反射组织监测的传感器系统，所述传感器系统包括：

一个或多个集成光子硅或氮化硅宽带收发器电路，所述一个或多个收发器电路用于多波长漫反射组织监测，

其中所述一个或多个收发器电路包括发射器光子集成电路(PIC)，所述发射器PIC包括光学相控阵列(OPA)，所述OPA包括引导机构以在所述组织上引导所发射的光。

2.如权利要求1所述的传感器系统，其中所述OPA包括：

光分配器，所述光分配器被配置为从一个或多个相干光源中的一者接收光并将所述光分配到多个分配器输出波导中；以及

所述引导机构；

其中所述光分配器输出波导被配置为生成所述发射器PIC的组合光学输出光束，并且其中当所述引导机构在所述组织的表面上引导所述输出光束时，所述PIC产生从所述组织反射的统计上不相关的散斑图案。

3.如权利要求1所述的传感器系统，其中所述光分配器包括以下各项中的一者或多者：光分配器、星形耦合器和/或1xM MMI。

4.如前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中所述引导机构包括移相器。

5.如前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中所述引导机构包括波长调谐。

6.如前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中所述引导机构包括延迟线。

7.如前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其还包括MEMS镜，其中所述OPA被配置为在第一轴上引导所述光束，并且所述MEMS镜被配置为在与所述第一轴正交的第二轴上引导所述光束，使得能够在两个维度上扫描所述表面。

8.如权利要求2至7中任一项所述的传感器系统，其中所述发射器PIC的所述组合光学输出光束在自由传播区域FPR内生成。

9.如权利要求8所述的传感器系统，其中所述FPR是未蚀刻硅的区域。

10.如权利要求8或权利要求9所述的传感器系统，其中所述FPR具有50μm或更大的长度。

11.如前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中所述发射器PIC还包括反射减少机构。

12.如权利要求11所述的传感器系统，其中所述反射减少机构包括多个掺杂圆以吸收残余反射。

13.如权利要求11或权利要求12所述的传感器系统，其中所述反射减少机构包括用于散射残余反射的多个蚀刻区域。

14.如前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中所述一个或多个集成光子硅或氮化硅宽带收发器电路除了所述发射器PIC之外还包括接收器PIC。

15.如权利要求14所述的传感器系统，其中所述接收器PIC位于与所述发射器PIC分开的芯片上。

16.如权利要求14或权利要求15所述的传感器系统，其中所述接收器PIC是光电二极管。

17.一种发射器PIC，其包括：

一个或多个集成光子硅或氮化硅宽带发射器电路，所述一个或多个发射器电路用于多波长漫反射组织监测，

其中所述发射器PIC包括光学相控阵列(OPA)，所述OPA包括引导机构以在所述组织上引导所发射的光。

18.一种适用于可穿戴装置的光学感测模块，所述光学感测模块包括：

硅或氮化硅发射器光子集成电路(PIC)，所述发射器PIC包括：

多个激光器，所述多个激光器中的每个激光器在与其他激光器的波长不同的波长下工作；

光学操纵区域，所述光学操纵区域包括以下各项中的一者或多者：光调制器、光学多路复用器(MUX)和附加光学操纵元件；以及

针对源自所述多个激光器的光的一个或多个光学输出；

其中所述发射器PIC包括光学相控阵列(OPA)，所述OPA包括引导机构以在待分析的表面上引导来自所述一个或多个光学输出的所发射的光。

19.如权利要求18所述的光学感测模块，其中所述多个激光器包括具有III-V RSOA增益激光芯片或芯片小方块的一个或多个激光器，所述激光芯片或芯片小方块混合集成到所述PIC，使得III-VRSOA或激光波导中的光学模式边缘耦合到所述PIC的一个或多个波导。

20.如权利要求18或权利要求19所述的光学感测模块，其中所述多个激光器中的一者或多者包括在所述发射器PIC的硅或氮化硅波导内的腔体镜。

21.如权利要求18至20中任一项所述的光学感测模块，其还包括多个LED，所述LED在400nm至950nm范围内的波长下工作，并且所述多个激光器在1150nm至2500nm范围内的波长下工作，每个LED在与组成所述多个LED的其他LED的波长不同的波长下工作。