KR20200020671A - 혈액 구성성분 농도 레벨의 실시간 모니터링을 위한 튜닝가능형 하이브리드 iii-v/iv 레이저 센서 시스템 온 칩 - Google Patents

혈액 구성성분 농도 레벨의 실시간 모니터링을 위한 튜닝가능형 하이브리드 iii-v/iv 레이저 센서 시스템 온 칩 Download PDF

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크리스티요나스 비즈바라스
이에바 시모니테
군터 로엘켄스
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브로리스 센서 테크놀로지, 유에이비
유니버시테이트 젠트
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Abstract

분광 레이저 센서는 하이브리드 III-V/IV 시스템 온 칩 기술에 기초한다. 레이저 센서는(i) 직접 침습 혈액 분석물 농도 레벨 측정을 위해 정맥 내/동맥 내 광학 카테터에 연결된 광섬유 프로브와 함께 사용되거나, (ii) 예를 들어, 인간의 피부 또는 손톱 베드에 부착된 광학 인터페이스를 통해 비침습적으로 혈액 분석물 농도 레벨을 측정하는 데 사용되도록 구성된다. 센서는 lll-V 이득 칩, 예를 들어 AlGalnAsSb/GaSb 기반 이득 칩 및 레이저 파장 필터링, 레이저 파장 튜닝, 레이저 파장 모니터링, 레이저 신호 모니터링, 및 IV 기반 반도체 기판 및 플립 칩 AlGalnAsSb/GaSb 기반 광 검출기와 신호 처리를 위해 내장된 전자 장치를 결합함으로써 칩 상에서 실현된 신호 출력 섹션 칩을 갖는 광자 집적 회로를 포함한다. 본 발명의 실시예는 젖산, 우레아, 포도당, 암모니아, 알부민 등과 같은 중요한 혈액 분석물 농도 레벨의 실시간 모니터링에 적용될 수 있다.

Description

혈액 구성성분 농도 레벨의 실시간 모니터링을 위한 튜닝가능형 하이브리드 III-V/IV 레이저 센서 시스템 온 칩
본 출원은 2017년 5월 22일자로 출원된 미국 가출원 시리얼 No. 62/509,301, 2017년 8월 1일자로 출원된 미국 가출원 시리얼 No. 62/539,759 및 2017년 12월 6일자로 출원된 미국 가출원 시리얼 No. 62/595,283에 대한 우선권의 이득을 주장하며, 각각의 가출원은 그 전문이 본 출원에 참조로 포함된다.
발명의 분야
본 발명의 실시예는 일반적으로 혈중 젖산(blood lactate) 및 혈중 포도당(blood glucose) 농도 레벨 모니터링과 같이 인체에서 혈액 분석의 실시간 연속 모니터링을 위한 하이브리드 IIV-V/IV 시스템 온 칩(system-on-a-chip) 기술에 기초한 반도체 기반 분광 센서(semiconductor-based spectroscopic sensor)에 관한 것이다.
미국 임상 화학 협회(American Association for Clinical Chemistry)(AACC)에 따르면, 포도당, 젖산, 우레아, 크레아티닌, 암모니아, 알부민 등과 같은 혈액 분석물은 패혈증, 장기 기능 부전 및 손상, 저산소증, 당뇨병, 탈수증 등과 같은 중요한 사례를 진단하고 치료하기 위해 모니터링해야 하는 중환자 관리 의학(critical care medicine)의 가장 중요한 혈액 분석물로 간주된다.
30 %를 초과하는 사망률이 높은 패혈증과 같은 일부 경우에서, 시간은 중요한 인자이고 젖산과 같은 중요한 혈액 분석물의 실시간 모니터링은 다른 무엇보다 중요하며 환자의 생존율에 직접 영향을 미칠 수 있다. 패혈증의 경우, 매 시간의 치료 지연으로 사망률이 8 %씩 증가하며; 그래서, 적시에 진단하는 것이 무엇보다 중요하다. 미국에서만, 패혈증은 단독으로 250,000 건 이상의 사망을 초래하는 원인이며, 이것은 미국에서 세 번째로 가장 흔한 사망의 원인이다. 더욱이, 패혈증은 2014년 미국 병원에서 매년 거의 240 억 USD로 가장 비싼 입원 환자 비용이었다. 본 명세서에서 그 전문이 참조로 포함되는, 2017년 3월 10일 접속한 www.sepsis.com/definition 및 http://www.Sepsis.org/faq/를 참조할 것. 적절한 치료와 결합된 적시에 진단되는 패혈증은 환자의 생명을 구할 수 있는 중요한 인자이다. 젖산은 폐혈증의 경우에 예후 징후 표시자(prognostic marker)이고 혈중 젖산 레벨의 실시간 모니터링은 치료 효과뿐만 아니라 조기 경보에 중요하다.
이전의 연구들은 광을 이용하는 기술을 비롯한 다양한 모니터링 기술에 관해 보고하였다. 본 명세서에서 그 전문이 참조로 포함되는 U.S. 특허 공개 No. 2014/0176958 및 2012/0226118 및 U.S. 특허 No. 6,442,413 및 5,945,676을 참고할 것. 그러나, 보고된 이들 시스템은 이식 가능하고, MEMS 미러와 같은 가동 부품을 사용하고, 및/또는 III-V/IV 기술과 관련되지 않은 광대역 소스를 사용한다. 이식 가능한 센서는 종종 생체 적합성 및 추가 감염의 위험과 관련된 부가적인 위험을 수반할 뿐만 아니라 이들 센서는 일부 응용에서 제한 인자가 될 수 있는 직접적인 모니터링을 위한 이식 위치의 관점에서 제한이 있을 수 있다. 광대역 소스는 열악한 스펙트럼 전력 밀도를 겪으며 도파관 어레이 및 광검출기 어레이(2x12 또는 U.S. 특허 공개 No. 2012/0226118에서와 유사함)와 같은 복잡한 파장 구별 체계를 필요로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 센서는 기존의 혈관 내에, 즉 광섬유 인터페이스를 갖는 정맥 또는 동맥 내 카테터에 들어갈 수 있고, 그래서 센서가 실시간으로 직접적인 혈중 대사 산물(blood metabolite) 레벨 측정에 사용될 수 있게 한다. 이것은 혈중 대사 산물 농도 레벨 정확도가 집중 치료실 및 수술실과 같은 중환자 관리 구역에서 특히 유용하며 특히 혈중 대사 산물 레벨이 체내에서 다를 수 있는 패혈증과 같은 특별한 경우에 특히 유용하다.
본 명세서에 설명된 구성의 실시예는 중요한 장점을 제공한다. 예를 들어, 기존의 젖산 레벨 측정 방법은 전형적으로 현장 치료 또는 원격 실험실 테스트에서 구현된다. 이것은 수 분에서부터 수 시간까지를 범위로 하는 테스트 소요 시간을 초래한다. 특히, 현장 치료 테스트는 전형적으로 테스트에 실시간이 아닌 수 분의 소요 시간을 필요로 한다 - 즉, 혈액이 환자로부터 채취되어 단일 데이터 포인트(single data point)를 제공하는 기기에 의해 처리되어야 한다. 본 발명의 실시예에 따른 실시간 측정은 치료 효과를 평가하는 데 필수적일 수 있는 과거 추세의 중요한 정보를 제공하는 기간에 걸쳐 다수의 데이터 포인트들의 연속적인 수집을 가능하게 한다.
정확도가 덜 중요하고 운동 및 프로 스포츠의 경우에서와 같이 신체 내 혈액 대사 산물 레벨 차이가 덜 중요한 응용의 경우, 외부로부터 조직을 통해 광을 보내는 비침습적 솔루션이 사용될 수 있다. 후자의 솔루션은 진료소에 의해 집중 치료실(intensive care unit)(ICU) 및 수술실 외부의 환자를 위해, 환자에게 과도한 부담을 주지 않고, 산소 측정법과 같은 기존의 다른 조치와 함께 조기 경보 시스템으로서 사용될 수 있다. 더욱이, 패혈증과 같이 그러한 복잡한 경우의 조기 경보 예방을 개선하는 것이 치료 및 입원의 측면에서 상당한 비용을 절감할 것으로 예상된다.
본 발명의 실시예는 III-V/IV 기술로 실현된 광범위 튜닝가능형 레이저(tunable laser) 개념에 기초한 센서를 포함하며, III-V는 AlGInNAsSbP 및 이들의 상이한 조합, 전형적으로는 III-V 반도체로서 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 알려진 반도체 재료를 지칭한다. IV는 IV족 기반 반도체 기판 및 이들의 기술 플랫폼, 이를테면 실리콘, 실리콘 온 절연체(silicon-on-insulator)(SOI), 게르마늄 온 절연체(germanium-on-insulator)(GOI), 게르마늄 온 실리콘(germanium on silicon), 실리콘 질화물 온 실리콘(silicon nitride on silicon), 실리콘 질화물 온 절연체(silicon nitride-on-insulator) 및 실리콘 질화물 온 실리콘 온 절연체(silicon nitride-on-silicon-on-insulator)를 지칭한다. IV족 기술은 마이크로 전자 산업에서 사용되는 표준 산업용 CMOS 제조 단계이면서 IV족 재료 및 그 파생물에 기초한 광자 통합 회로(photonic integrated circuit)를 실현할 수 있게 하는 프로세스를 사용한다. 이식 가능하지 않은 센서는 임의의 가동 기계 부품을 갖고 있지 않으며, 레이저 흡수 분광법(laser absorption spectroscopy)에 의해 실시간으로 직접적인 혈액 대사 산물 농도 레벨 측정을 제공하다. 예시적인 광범위 튜닝가능형 레이저는 GaSb 기반 이득 칩 능동 매체와, 실리콘, 실리콘 질화물, 실리콘 온 절연체, 실리콘 질화물 온 절연체, 실리콘 질화물 온 절연체 또는 갈륨 온 절연체 플랫폼 칩과의 하이브리드 조합에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, Wang et al., Optics Express, 24 (25), 28977-28986 (2016)를 참고하며, 그 개시내용은 그 전문이 개시내용의 일부로서 본 명세서에 포함되어 광범위 튜닝가능형 레이저의 제조 및 사용을 설명하는 것으로 구체적으로 의도된다. 이러한 레이저는 간단한 파장 제어 회로 및 신호 검출을 위한 소수 개의 GaSb 기반 포토다이오드와 조합되어 높은 신호 밝기 및 이로 인한 감도를 제공된다.
양태에서, 본 발명의 실시예는 피험자의 혈액 구성성분 농도를 실시간으로 모니터링하기 위한 레이저 기반의 센서 시스템 온 칩(laser-based sensor system-on-a-chip)에 관한 것이다. 시스템 온 칩은 (i) 튜닝가능형 IIIV/IV 레이저 센서; 및 (ii) 레이저 센서에 결합된 광섬유 인터페이스를 포함하며, 인터페이스는 프로브를 포함한다. 사용 중에, 레이저 센서는 피험자와 멀리 떨어져 있으며 프로브는 피험자와 광 통신한다.
다음의 특징들 중 하나 이상이 포함될 수 있다. IV는 실리콘, 실리콘 온 절연체, 실리콘 질화물 온 실리콘 온 절연체, 게르마늄 온 절연체 및 실리콘 질화물 온 실리콘과 같은 IV족 기반 반도체 기판을 포함한다. 튜닝가능형 레이저 센서는 III-V 이득 칩(lll-V gain-chip) 및 실리콘 온 절연체, 실리콘 질화물, 실리콘 질화물 온 실리콘 온 절연체, 게르마늄 실리콘 또는 게르마늄 온 절연체 기판과 같은 IV족 반도체상에 배치된 광자 통합 회로를 포함할 수 있으며, 광자 통합 회로는 (i) 버니어 효과(Vernier effect) 효과에 기초하여 파장 필터링 및 튜닝 기능을 수행하도록 구성되고 (ii) lll-V 이득 칩에 대한 외부 캐버티를 규정한다.
광자 통합 회로는 스폿 사이즈 모드 변환기(spot-size mode converter), 위상 제어 섹션, 및 제 2 자유 스펙트럼 범위를 갖는 제 2 공진기에 커플링된 제 1 자유 스펙트럼 범위를 갖는 제 1 공진기를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 공진기는 예를 들어 마이크로 링 공진기(micro ring resonator), 샘플링된 브래그 반사기(sampled Bragg reflector), 또는 분산 피드백 반사기(distributed feedback reflector)일 수 있다. 제 1 자유 스펙트럼 범위는 제 2 자유 스펙트럼 범위와 상이할 수 있다.
커플링된 제 1 및 제 2 공진기, III-V 이득 칩, 스폿 사이즈 모드 변환기 및 위상 제어 섹션은 튜닝가능형 레이저 센서의 버니어 효과 기반 튜닝을 가능할 수 있게 하기 위해 협력할 수 있다. 튜닝가능형 레이저 센서는, 동작시 전류 또는 열 중 적어도 하나를 커플링된 공진기 중 적어도 하나에 인가하여 그의 유효 굴절율을 변화시킴으로써 이득 칩에 의해 생성된 레이저의 파장의 변화를 가져오도록 구성될 수 있다.
III-V 이득 칩은 예를 들어, 격자 커플러(grating coupler)에 의해 광자 통합 회로에 에지 커플링될 수 있다.
레이저 센서는 플립 칩 본딩, 접착, 전사 인쇄 기술 또는 사이드 커플링(side coupling) 중 적어도 하나에 의해 광자 통합 회로에 커플링된 적어도 하나의 lll-V 포토다이오드를 포함할 수 있다.
이산 III-V 포토다이오드가 튜닝가능형 레이저 센서로부터 원격으로 배치될 수 있고, 여기서 사용시, 피험자로부터의 반사된 신호는 이산 III-V 포토다이오드에 의해 수집된다. 광자 통합 회로는 신호 및 파장 모니터링 섹션을 포함할 수 있다. 신호 및 파장 모니터링 섹션은, (i) 한 세트의 마하 젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer) 또는 커플링된 링 공진기 중 적어도 하나, 및 (ii) 적어도 하나의 플립 칩(flip-chip) lll-V 포토다이오드를 포함할 수 있다. 레이저 센서는 센서 구동 전자 장치; 및 신호 처리 마이크로 제어기를 더 포함할 수 있다. 마이크로 제어기는, (i) 레이저 구동 전자 장치를 제어하고, (ii) 전류를 튜닝하고, (iii) 파장 및 신호 모니터 섹션으로부터의 정보를 사용하여 이산 III-V 포토다이오드로부터 획득된 데이터를 신호 처리하도록 구성될 수 있다.
레이저 센서는 시간의 함수로서 튜닝 범위에 걸쳐 파장 스위프(wavelength sweep)를 수행하도록 구성될 수 있으며, 레이저 센서는 피험자로부터 반사된 광을 전기 신호로 변환하도록 구성된 포토다이오드를 포함할 수 있다.
광섬유 인터페이스는 광학 카테터에 연결되고, (i) 센서로부터 피험자의 혈액으로 광 신호를 투과시키고; (ii) 피시험자의 혈액으로부터 반사된 광을 센서로 투과시키도록 구성될 수 있다.
광섬유 인터페이스는 피험자의 피부 또는 외곽 조직을 통해 피험자의 혈액 샘플을 비침습적으로 조명하도록 구성된 빔 성형 광학계와 광학 통신할 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명의 실시예는 튜닝가능형 하이브리드 III-V/IV 레이저 센서를 제조하는 방법에 관한 것이다. 방법은 (i) lll-V 반도체 이득 칩을 제조하는 단계; (ii) CMOS 기술에 의해 IV족 기반 반도체 기판(group IV semiconductor substrate) 상에 광자 통합 회로를 제조하여 IV족 반도체 칩을 규정하는 단계; 및 (iii) lll-V 이득 칩과 IV족 반도체 칩을 하이브리드로 통합하는 단계를 포함한다. 광자 통합 회로는 버니어 효과에 기초하여 파장 필터링 및 튜닝 기능을 수행하도록 구성되고, lll-V 이득 칩에 대한 외부 캐버티를 규정한다.
다음의 특징들 중 하나 이상이 포함될 수 있다. III-V 이득 칩과 IV족 반도체 칩을 하이브리드로 통합하는 단계는 III-V 이득 칩을 IV족 반도체 칩에 에지 커플링하는 단계, 두 칩들을 능동적으로 정렬하는 단계, 및 두 칩들을 함께 접착하는 단계를 포함할 수 있다.
칩들을 하이브리드로 통합하는 단계는 III-V 이득 칩 p-측을 아래쪽으로 뒤집는 단계 및 이득 칩을 IV족 반도체 칩에서 규정된 트렌치에 본딩하여 광자 통합 회로에 에지 커플링하는 단계를 포함할 수 있다.
III-V 반도체 이득 칩을 제조하는 단계는 MBE 또는 MOVPE 성장 중 적어도 하나에 의해 기판 상에 레이저 층 구조물을 에피택셜 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.
기판 상의 레이저 층 구조물은 미리 규정된 도파관 각도 및 접점 패드를 포함하는 이득 칩 디바이스 쪽으로 가공될 수 있다.
기판 상의 레이저 층 구조물은 바아(bar)로 절단될 수 있다. 바아는 복수의 개별 lll-V 반도체 이득 칩들로 절단될 수 있다.
반사 방지 코팅이 출력 면(output facet) 상에 형성될 수 있고, 전력 반사는 출력 면에서 0.1 % 미만이다. 고 반사율 코팅이 후면(back facet) 상 형성될 수 있고, 전력 반사율은 후면 상에서 적어도 90 % 이상이다.
III-V 이득 칩의 특성에 따라 광자 통합 회로를 설계될 수 있고, 광자 통합 회로는 스폿 크기 변환기 및 버니어 필터 중 적어도 하나를 포함한다.
센서는 셀들의 어레이를 포함할 수 있고, 각각의 셀은 위에서 설명된 바와 같은 레이저 기반 센서 시스템 온 칩을 포함하고, 각각의 어레이 셀은 상이한 스펙트럼 영역 및 별개의 타겟 분자를 타겟으로 한다.
각각의 어레이 셀의 파장 스위프된 레이저 신호(wavelength swept laser signal)가 상이한 시간에 방출될 수 있으며, 단일 포토다이오드와의 동기화된 검출에 의해 신호 수집이 실현될 수 있다.
광섬유 인터페이스는 코어를 갖는 아웃 커플링 섬유(out-coupling fiber)를 포함할 수 있다. 어레이의 출력은 시스템 온 칩의 동일 부분으로 라우팅된 개별 어레이 셀들로부터의 격자 커플러들의 그룹에 의해 형성될 수 있다. 격자 커플러 그룹에 의해 규정된 전체 면적은 아웃 커플링 섬유 코어의 단면적보다 작다.
센서는 단일 출력 섹션, 어레이 셀의 출력과 단일 포토다이오드 사이를 스위칭하도록 구성된 파장 스위치, 및 단일 포토다이오드를 더 포함할 수 있다. 센서 어레이의 출력은 단일 출력 섹션 및 파장 스위치에 의해 형성된다. 각각의 개별 셀의 출력들 사이를 스위칭함으로써 하나의 어레이 셀의 단일 출력이 주어진 시간에서 타겟과 아웃 커플링되는 결과를 가져온다. 단일 포토다이오드와의 동기화된 검출에 의해 신호 수집이 실현된다.
청구범위의 센서는 적어도 하나의 어레이 셀이 ~1460 nm, ~1900-2000 nm 및 ~3000 nm 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물 흡수 피크에 대응하는 스펙트럼 영역을 타겟으로 하는 것, 및 (ii) 적어도 하나의 다른 어레이 셀이 혈액 구성성분 타겟 분자의 적어도 하나의 흡수 피크에 대응하는 스펙트럼 영역을 타겟으로 하는 것을 포함할 수 있다.
센서는 적어도 하나의 어레이 셀로 측정된 적어도 하나의 물 흡수 피크에 기초하여 물 농도 레벨 및 물 흡수 스펙트럼을 결정하도록 프로그램된 적어도 하나의 중앙 처리 유닛을 더 포함할 수 있다.
중앙 처리 유닛은 또한 기준선(baseline)을 제거하고 적어도 하나의 어레이 셀에 인접한 어레이 셀에 의해 커버되는 스펙트럼 영역에서 복잡한 흡광도 스펙트럼(complex absorbance spectrum)을 분해하여 기본 타겟 분자 흡수 특징을 드러내 보이도록 프로그램될 수 있다.
중앙 처리 유닛은 또한 확산 반사 스펙트럼을 흡광도로 변환하도록 프로그램될 수 있다. 흡광도는 다른 분자 흡수와 겹치지 않고 존재하는 상이한 스펙트럼 영역에서 동작하는 인접 어레이 셀로부터의 정보를 사용함으로써 디커플링된 복수의 개별 흡광도 스펙트럼 컴포넌트들을 갖는 수집된 흡광도 스펙트럼을 포함할 수 있다. 중앙 처리 유닛은 또한 하나 초과의 타겟 분자의 흡수 스펙트럼 특징이 겹치는 스펙트럼 영역에서 기준선을 교정하고 제거하도록 프로그램될 수 있다. 중앙 처리 유닛은 또한 개별 흡광도 스펙트럼 컴포넌트들 중 적어도 하나를 사용하여 교정된 농도 레벨을 결정하도록 프로그램될 수 있다. 교정된 농도 레벨은 주어진 파장에서 복수의 개별 분자들 각각의 개별 흡광도 값 및 교정된 감쇠 계수에 기초하여 결정될 수 있다. 중앙 처리 유닛은 또한 특정 샘플 부피와 상관없이 타겟 분자 농도를 결정하도록 프로그램될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명의 실시에는 피험자의 혈액 구성성분 농도 레벨을 실시간으로 모니터링하기 위한 레이저 기반 센서 시스템 온 칩에 관한 것이다. 시스템 온 칩은 (i) 튜닝가능형 하이브리드 lll-V/IV 센서; 및 (ii) 레이저 센서에 커플링된 광학 인터페이스를 포함하고, 인터페이스는 빔 성형 광학계를 포함한다. 사용 중에 레이저 센서는 피험자로부터 멀리 떨어져 있으며, 광학 인터페이스는 피험자의 피부 또는 외곽 조직을 통해 피험자의 혈액 샘플을 비침습적으로 조명하도록 구성된다.
다음의 특징들 중 하나 이상이 포함될 수 있다. 센서는 셀들의 어레이를 포함할 수 있고, 각각의 셀은 위에서 설명된 바와 같은 튜닝가능형 레이저 센서 및 광섬유 인터페이스를 포함하는 레이저 기반 센서 시스템 온 칩을 포함한다. 각각의 어레이 셀은 상이한 스펙트럼 영역 및 별개의 타겟 분자를 타겟으로 한다.
각각의 어레이 셀의 개별 출력은 피험자의 단일 영역을 조명하도록 포커싱될 수 있으며, 각각의 반사된 신호는 빔 성형 광학계에 의해 조명된 영역으로부터 수집된다. 빔 성형 광학계는 적어도 하나의 광학 요소, 예를 들어, 한 세트의 거울 및/또는 포물선 거울을 포함할 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명의 실시예는 피험자의 혈액 구성성분 레벨의 실시간 모니터링 방법에 관한 것으로, 시스템 온 칩을 제공하는 단계를 포함한다. 시스템 온 칩은 튜닝가능형 하이브리드 lll-V/IV 레이저 센서, 레이저 센서에 커플링된 광섬유 인터페이스 - 표면은 프로브, 센서 제어 및 신호 처리를 위한 센서 제어 전자 장치를 포함함 -, 및 신호 처리 마이크로 제어기를 포함한다. 레이저 센서는 피험자와 멀리 떨어져 배치되고 프로브는 피험자와 광학 통신한다. 시스템 온 칩은 스위프된 레이저 신호를 광섬유 인터페이스로 전송함으로써 피험자의 혈액 구성성분 레벨을 모니터링하도록 지시 받는다. 신호는 광섬유 인터페이스를 이용하여 피험자의 혈액으로 안내된다. 신호가 혈액과 상호작용한 이후에, 광섬유 인터페이스는 혈액으로부터 반사된 신호를 수집한다. 반사된 신호는 반사광 포토다이오드(reflected light photodiode)로 안내되며, 반사된 신호는 광학 신호이다. 반사된 신호는 센서 제어 전자 장치에 의해 광학 신호로부터 전기 신호로 변환된다. 전기 신호는 마이크로 제어기를 이용하여 처리되어 전기 신호를 교정된 혈액 구성성분 레벨로 변환된다.
다음의 특징들 중 하나 이상이 포함될 수 있다. 프로브는 침습 혈액 분석물 농도 레벨 측정을 위한 정맥 내 광학 카테터 또는 동맥 내 광학 카테터 중 적어도 하나에 연결될 수 있다. 광학 인터페이스는 비침습 혈액 분석물 농도 레벨 측정을 위해 피험자에 부착될 수 있다. 혈액 구성성분은 예를 들어 젖산, 알부민, 포도당, 암모니아, 크레아티닌 및/또는 우레아를 포함하거나 본질적으로 이들로 이루어질 수 있다.
위에서 설명된 다양한 실시예는 일반적으로 본 발명의 시스템에 적용될 수 있는 본 발명의 개별 특징을 나타낸다. 이들 특징은 개별적으로 바람직한 특징으로서 취급될 수 있거나, 이러한 바람직한 특징들 중 하나를 초과하는 특징들이 임의의 조합으로 서로 결합될 수 있다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른, 혈액 분석물 농도 레벨에 대한 연속 모니터링 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 하이브리드 광범위 튜닝가능형 외부 캐버티 레이저 및 레이저 신호 및 파장 모니터링 섹션을 포함하는 하이브리드 III-V/IV 시스템 온 칩의 개략도이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른, 혈액 환경을 시뮬레이션하기 위해 BSA 함유 용액 내 상이한 젖산 분자 농도의 실험적으로 획득한 특성 흡수 스펙트럼으로, 스펙트럼은 기준선 정정(baseline correction) 이후이다.
도 3b는 예측과 실제 젖산 분자 농도 사이의 상관 관계를 나타내는 그래프로서, 예측은 다변량 PLS를 사용하여 획득된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, AlGalnAsSb/GaSb 이득 칩 기반 외부 캐버티 레이저에 대해 획득된 실험적인 레이저 파장 동조 스펙트럼이며, 번호가 붙은 스펙트럼은 외부 캐버티 구성에 내장된 상이한 lll-V 이득 칩에 속한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, lll-V/IV 광범위 튜닝가능형 외부 캐버티 레이저의 상세한 개략적인 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 하이브리드 III-V/IV 시스템 온 칩의 상세한 개략적인 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른, 하이브리드 III-V/IV 시스템 온 칩의 대안 버전의 상세한 개략적인 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른, lll-V 이득 칩 기능 층 구조물의 개략적인 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른, 실리콘 온 절연체 기능 층 구조물을 갖는 예시적인 IV족 반도체 칩의 개략적인 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른, III-V 이득 칩을 IV족 반도체 기반 광자 통합 회로에 하이브리드 통합하는 것을 나타내는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른, III-V 이득 칩을 IV족 반도체 기반 광자 통합 회로에 하이브리드 통합하는 것을 나타내는 개략도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른, III-V 이득 칩을 IV족 반도체 기반 광자 통합 회로에 하이브리드 통합하는 것을 나타내는 개략도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른, 시스템 온 칩 광자 회로의 평면도를 나타내는 개략도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른, 추가 특징을 갖는 도 13의 레이아웃을 나타내는 개략도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른, lll-V 이득 칩을 실리콘 온 절연체 광자 통합 회로에 하이브리드 통합하는 것을 나타내는 개략도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른, 확산 반사에 기초한 기본 동작 원리를 도시하는, 침습 센서의 경우의 섬유 프로브를 나타내는 개략도이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른, 비침습 감지의 경우의 광섬유 프로브를 나타내는 개략도이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른, 다중 분자 검출을 위한 시스템 온 칩 어레이를 형성하는 것을 나타내는 개략도이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른, 하이브리드 시스템 온 칩 및 단일 이산 포토다이오드에 기초한 레이저들의 어레이를 이용한 동기화된 검출을 나타내는 개략도이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른, 단일 출력 섬유 및 다중 표면 격자 커플러를 사용하여 다중 분자 검출을 위한 시스템 온 칩의 어레이를 나타내는 개략도이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른, 단일 출력 섬유, 파장 스위치 및 단일 격자 커플러를 사용하여 다중 분자 검출을 위한 시스템 온 칩의 어레이를 나타내는 개략도이다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른, 파장 스위치 및 단일 엔드 파이어(end-fire) 출력 섬유 구성을 사용하여 다중 분자 검출을 위한 시스템 온 칩의 어레이를 나타내는 개략도이다.
도 23은 FTIR 측정에 의해 획득된 물의 확산 반사 스펙트럼이다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른, FTIR 측정에 의해 젖산이 획득된 트리스 완충 식염수(tris buffer saline)(TBS) 용액의 확산 반사 스펙트럼이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른, TBS 스펙트럼 컴포넌트가 빼내어져서 젖산 분자의 스펙트럼 컴포넌트를 드러내 보이는 처리된 스펙트럼이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른, 비침습 측정을 위해 구성된 레이저 기반 시스템 온 칩 센서의 간략화된 블록도이다.
도 27은 본 발명의 실시예에 따른, 광섬유 인터페이스가 광학 신호를 포커싱하고 비침습적으로 피험자의 혈액으로부터 확산 반사를 수집하기 위한 이산 빔 성형 광학계(discrete beam shaping optics)로 실현되는 레이저 기반 시스템 온 칩 센서의 간략화된 블록도이다.
도 28은 본 발명의 실시예에 따른, 센서가 반사 신호 수집을 위해 이산 포토다이오드로 샘플 및 단일 수집 렌즈를 조명하는 개별 포커싱 광학계를 갖는 시스템 온 칩의 어레이를 포함하는 센서 구성의 실시예의 블록도이며, 시스템 온 칩 어레이는 반사광 포토다이오드(reflected light photodiode)와 선형 구성으로 되어 있다.
도 29는 본 발명의 실시예에 따른, 센서가 시스템 온 칩 어레이의 중앙에 배치된 반사 신호 수집을 위한 이산 포토다이오드로 샘플 및 단일 수집 렌즈를 조명하는 개별 포커싱 광학계를 갖는 시스템 온 칩의 어레이를 포함하는 센서 구성의 실시예의 블록도이다.
도 30a 내지 도 30d는 광범위 튜닝가능형 레이저 센서를 사용하여 측정된 상이한 분자 용액 및 상업용 탁상형(commercial table-top) FTI 분광계를 이용한 기준 측정의 투과 스펙트럼이다;
도 31a 내지 도 31b는 본 발명의 실시예에 따른, 이중 코어 섬유 팁이 직접적으로 혈액 방울에 침지될 때, 인간 혈액 샘플의 상업용 탁상형 FTIR 분광계를 사용하여 수행된 분광 측정이다.
도 32a 내지 도 32c는 본 발명의 실시예에 따른, 레이저를 사용하여 이루어진 피부를 통한 비침습 혈액 측정에 따라 획득된 실험 데이터를 도시하는 그래프이다.
본 발명의 실시예는 실시간 연속 혈액 구성성분 모니터링을 위한 하이브리드 III-V/IV 시스템 온 칩 센서를 포함한다. 설명된 실시예는 젖산, 알부민, 포도당, 암모니아, 크레아티닌, 우레아 등과 같은 혈액 구성성분의 직접적인 분자 감지를 위한 적외선 파장 범위에서, 어떠한 가동 부품도 없이, 단일 칩 상에서 파장, 위상 및 전력을 제어하는 광범위 파장 스위프된 레이저 기반 센서(widely wavelength-swept laser-based sensor)를 실현할 수 있게 한다. 레이저 파장을 타겟 분자의 흡수 대역을 가로 질러 스캐닝함으로써 직접적 레이저 흡수 분광법으로 감지가 수행된다. 분광 흡수 시그니처는 개별 분자에 고유하기 때문에, 설명된 실시예는 직접 감지한다는 장점을 갖는다. 이하에 설명되는 특정 실시예는 상황에 따라 조합하여 또는 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 위의 도면들 중 임의의 도면과 관련하여 설명되는 본 발명의 센서 시스템의 개별 특징이 본 발명의 특징을 전체로서 보다 일반적으로 나타내는 것으로 고려될 수 있다는 것이 본 개시내용에서 구체적으로 의도된다. 따라서, 예를 들어, 도 1에 설명된 센서의 특정한 특징은 도 18, 도 20, 도 21 및 도 22에 설명된 바와 같이 시스템 온 칩의 특징에 관한 특정한 특징과 조합될 수 있다. 유사하게, 도 1에서 설명된 센서는 도 5 내지 도 12 등에 설명된 바와 같은 lll-V/VI 칩에 관한 특정한 특징과 조합될 수 있다. 마찬가지로, 시스템 온 칩의 특정한 특징은 lll-V/IV 칩 아키텍처 등의 특정한 특징과 조합될 수 있다.
하이브리드 반도체 기술이 사용되며, 이 기술에서 능동 이득 매체는 실리콘, 실리콘 온 절연체(SOI), 게르마늄 온 절연체(GOI), 게르마늄 온 실리콘, 실리콘 질화물 온 실리콘, 실리콘 질화물 온 절연체, 실리콘 질화물 온 실리콘 온 절연체와 같은 IV족 기반 반도체 기판상에서 실현된 수동형 광자 통합 회로에 커플링된 이득 칩 또는 반도체 광학 증폭기의 형태로 lll-V 반도체 구조물에서 실현된다. IV족 기술은 마이크로 전자 산업에서 사용되는 표준 산업용 CMOS 제조 단계이면서 IV족 재료 및 그 파생물에 기초한 광자 통합 회로를 실현할 수 있게 하는 프로세스를 사용한다. 이러한 접근법은 설명된 센서 기술을 확장 가능하게 하고, 폼 팩터를 매우 낮게 하고, 저 비용으로 하며, 개인 맞춤형 건강 모니터링, 웨어러블 기술에 의한 운동, 또는 클립 온 비침습 베드사이드 시스템(clip-on non-invasive bedside system)에 넣음으로써 개별 환자 건강 모니터링과 같은 대량의 시장 응용에 적용할 수 있게 한다. 또한, 정확한 센서가 환자의 혈액에 직접 접촉하기 위해 광섬유 기반 혈관 내 광학 카테터 또는 다른 침습 프로브에 들어감으로써 귀중한 정보를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예는 광자 시스템 온 칩, 신호 전달 및 반사 광의 수집을 위한 광섬유 인터페이스, 반사 신호 포토다이오드, 및 센서 제어 및 신호 처리를 위한 디지털 신호 프로세서를 포함하는 레이저 센서를 포함한다(도 1a 내지 도 1c 및 관련 설명 참조).
광자 시스템 온 칩은, 예를 들어 파장 튜닝, 필터링, 모니터링 및 아웃 커플링(out-coupling)이 실현되는 IV족 반도체 기반 광자 통합 회로에 에지 커플링된 1800 nm 내지 3500nm 파장 범위에서 방출하도록 설계된 AlGalnAsSb 광대역 이득 칩을 갖는 광역 파장 튜닝가능형 레이저 캐버티를 포함한다(도 2와 관련한 아래의 논의 참조).
센서 원리는 튜닝가능형 레이저 흡수 분광법을 기초로 하며, 분자의 회전-진동 상태로 인한 분자 흡수 대역이 존재하는 스펙트럼 범위에 걸쳐 레이저 파장 스위프가 수행된다. 파장은 타겟 분자의 진동에 의해 흡수되어 반사 신호의 변동을 초래한다(광자-광자 상호작용). 파장은 시간의 함수로서 스위프된다. 그러므로 스펙트럼 정보는 U.S. 특허 공개 No. 2012/0226118에 개시된 방법과 같은 종래 기술 방법과는 대조적으로 단일 검출기에 의해 복구된다. 또한, 파장 및 신호 제어 섹션은 언제나 레이저 파장 튜닝 곡선을 알 수 있게 하고 시스템 기반 왜곡을 샘플 기반 왜곡과 구별할 수 있게 한다.
본 발명의 실시예에서, 알려진 특성(정확한 파장, 전력 및 튜닝 곡선)을 가진 광이 생성되고 샘플에 커플링되는 섬유에 커플링 - 관심 분자를 포함하는 혈액에 섬유 프로브 팁을 직접 접촉 또는 혈관/조직을 포함하는 혈액을 향해 피부를 통해 접촉 - 될 수 있다.
아래에서 도 3과 관련하여 논의되는 바와 같이, 올바른 레이저 설계를 선택함으로써, 레이저 방출 스펙트럼이 선택되어 관심 분자를 선택적으로 타겟으로 할 수 있다. 예를 들어, 관심 분자는 젖산 분자일 수 있는데, 젖산 분자는 대략 2260 nm 및 2300 nm의 C-H 및 O-H 분자 스트레치 진동 오버톤 조합 대역(molecular stretch vibration overtone combination band)과 관련된 뚜렷이 구별되는 스펙트럼 흡수 밴드를 갖는다. 응용 요건에 따라, 외부의 캐버티 레이저는 특정 흡수 특징의 형상을 복구하기 위해 레이저 튜닝 대역폭이 >50 nm가 되도록 설계되어야 한다.
도 4와 관련하여 논의되는 바와 같이, 개시된 레이저 기반 센서는 10 Hz 내지 수 kHz 범위의 속도로 50 nm 이상의 대역폭에 걸쳐 파장을 스위프할수 있고 실시간 모니터링을 가능하게 한다. AlGalnAsSb 기반 이득 칩은 150 nm를 초과하는 이득 대역폭을 제공하며 에피택셜 층 설계를 변경함으로써 1700 내지 2500 nm 내의 모든 중심 파장을 타겟으로 하도록 설계될 수 있다. AlGalnAsP 및 AlGalnAsSbP와 같은 다른 재료는 파장 커버리지를 1000 nm 내지 3500 nm 및 그 이상으로 더 넓힐 수 있다. 파장 선택, 튜닝 및 모니터링은 IV족 반도체 기반 광자 통합 회로 칩에서 실현된다.
개시된 실시에에서, 파장 튜닝 요건은 최대 수 kHz의 속도로 수십 nm에 걸쳐 파장 스위프를 할 수 있게 한다. 이것은 외부 캐버티로 하여금 약간 상이한 자유 스펙트럼 범위 값을 갖는 커플링된 공진기들이 함께 커플링되어 있는 버니어 필터(Vernier-filter)를 형성하게 함으로써 달성된다. 버니어 튜닝에 관한 이론 및 이것을 달성하는 다른 방식의 논의는 예를 들어 J. Buus, M. -C. Amann, D.J Blumenthal, Tunable Laser Diodes and Related Optical Sources, 2nd Edition, John Willey & Sons, Inc., 2005에서 찾아 볼 수 있다. 이 문서의 개시내용 및 특히 본 명세서에서 설명된 원리는 본 명세서에서 그 전문이 참조로 포함되며 본 개시내용의 일부를 형성하는 것으로 의도된다.
이러한 버니어 필터 레이저의 최대 튜닝 범위는 버니어 필터의 자유 스펙트럼 범위에 의해 제한된다:
Figure pct00001
여기서 FSR1, FSR2는 각각 제 1 공진기 및 제 2 공진기의 자유 스펙트럼 범위이다. 이러한 필터의 투과 기능은 개별 공진기의 공진 피크가 겹치는 경우 최대치를 갖고, 이는 레이저 방출 파장을 결정한다. 공진기들 중 적어도 하나에 열 및/또는 전류를 인가함으로써 파장이 스위프되고, 이것은 굴절률 변화를 유도하고 이에 따라 투과 겹침 위치(transmission overlap position)를 유도한다. 다시 말해서, 공진기의 유효 굴절률을 변경시키면 이득 칩에 의해 생성된 레이저의 파장의 변화에 영향을 미친다. 이러한 필터는 상이한 캐버티 길이 또는 샘플링된 격자 분산 브래그 반사기(distributed Bragg reflector)(DBR) 설계를 가진 커플링된 마이크로 링 공진기(micro-ring resonator)의 조합에 의해 실현될 수 있다. 예를 들어, Oh 등의 U.S. 특허 출원 공개 No. 20040228384를 참조하며, 이 특허 출원 공개는 본 명세서에서 그 전문이 참조로 포함되고 이 개시내용에 개시된 제조물은 본 개시내용의 일부를 형성하는 것으로 의도된다.
도 5와 관련하여 논의되는 바와 같이, 광범위 튜닝가능형의 외부 캐버티 레이저는 lll-V(AlGalnAsSb, AlGalnAsP, AlGalnAsSbP, AlGalnAsNSbP 등) 이득 칩, 스폿 크기 모드 변환기(spot-size mode converter), 위상 시프트 섹션, 자유 스펙트럼 범위 값이 상이한 커플링된 공진기, 광대역 반사기 또는 반사기 및 각각의 공진기와 위상 시프트 섹션마다의 개별 전-열 히터(electro-thermal heater)를 포함할 수 있다. 교정 없는 동작을 위해, 외부 캐버티 레이저로부터 방출된 레이저 신호는 빔 스플리터를 통과한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 예시적인 빔 스플리터는 1x2 마하 젠더 간섭계(Mach Zehnder interferometer)(MZI)이며, 마하 젠더 간섭계에서 하나의 아암은 표면 아웃 커플링을 위한 표면 격자 커플러(surface grating coupler) 또는 스폿 크기 모드 변환기 및 엔드 파이어 커플러(end-fire coupler) 중 어느 하나에 커플링되어(에지 아웃 커플링) 광섬유 인터페이스에 커플링되고, 반면에 MZI의 제 2 아암은 예를 들어 알려진 광학 경로 차이가 있고 각각의 아암에 포토다이오드가 있는 불평형 1x2 MZI 형태의 추가 필터를 추가함으로써 실현되는 파장 및 신호 제어 섹션으로 신호를 전달하는 데 사용되어 임의의 주어진 순간에 레이저의 방출 파장 및 파장 시프트를 복구하기 위해 사용될 수 있는 발진 전달 함수(oscillating transfer function)를 제공하고, 이에 따라 레이저 센서의 교정 없는 동작을 제공한다.
도 7과 관련하여 논의되는 바와 같이, 유사한 파장 제어가 또한 단일 결합 링 공진기에 의해서도 실현될 수 있고, 이에 따라 필터의 투과 기능을 단일 포토다이오드로 모니터링함으로써 신호 및 파장 제어가 복구될 수 있다.
파장 제어의 두 실시예들 모두에서, 시스템 온 칩은 구동 전자 장치에 의해 제어되고 - 구동 전자 장치는 차례로 파장 제어, 및 신호 제어 및 반사 신호 포토다이오드들로부터 수신된 데이터를 고려하는 마이크로프로세서에 의해 제어됨 -, 이에 따라 구동 파라미터를 조정한다. 이것은 레이저 파장 스위프 기능이 알려져 있고 반사된 광 신호를 처리할 때 감안될 수 있다는 것을 보장한다. 반사된 광 신호는 포토다이오드 시간 신호를 스펙트럼 도메인으로 변환하여 혈액 구성성분 레벨 데이터를 복구할 수 있는 개발된 알고리즘을 사용하여 처리된다.
센서에 사용되는 섬유 인터페이스는 적어도 두 개의 별개의 코어들을 포함하는데, 하나의 코어(신호 코어)는 센서로부터의 레이저 신호를 샘플로 투과하는 데 사용되고 제 2 코어(수집 코어)는 샘플로부터 반사된 광을 수집하고 이것을 센서에 있는 포토다이오드로 유도하는 데 사용된다. 광은 표면 격자 커플러 또는 에지 커플드 비아 엔드 파이어 구성에 의해 시스템 온 칩에 커플링되거나 아웃 커플링된다. 두 경우들 모두에서, 섬유 코어는 다중 모드 또는 단일 모드일 수 있다.
이제 도 1a를 참조하면, 본 발명의 실시예에서, 레이저 기반 센서는 하이브리드 III-V/IV 광자 시스템 온 칩(SoC)(10)을 포함하며, 하이브리드 III-V/IV 광자 시스템 온 칩은 광범위 튜닝가능형 레이저, 및 통합된 포토다이오드가 플립 칩 본딩되거나, 접착되거나, 전사 프린팅되거나, 또는 에지 커플링된 레이저 파장 및 진폭 모니터링 섹션을 포함한다. 센서는 또한 섬유(12)와 같은 광학 통신 링크를 통한 신호 전달을 위한 그리고 섬유(31)와 같은 광학 통신 링크를 통한 반사된 광의 수집을 위한 광섬유 인터페이스(20)와 같은 광섬유 인터페이스, 및 반사 신호(광) 포토다이오드(40)를 포함한다. 따라서, SoC는 파장/전력 모니터링을 위한 적어도 하나의 포토다이오드, 및 혈액으로부터 반사된 신호를 모니터링하기 위한 다른 이산 포토다이오드를 포함한다. 이러한 컴포넌트는 아래에 더 상세히 설명된다.
광학 인터페이스 외에도, 센서는 센서 제어 및 신호 처리를 담당하는 전자 인터페이스를 포함한다. 일반적으로, 센서의 제어 전자 장치는 중앙 처리 유닛(central processing unit)(CPU)(50), 증폭기 및 아날로그-디지털 변환기 섹션(52), 드라이버 및 디지털-아날로그 변환기 섹션(53), 및 모든 전자 및 광자 컴포넌트들에 전력을 공급하는 전원 공급 전자 장치 섹션(54)을 포함한다. 본 발명의 실시예와 함께 사용하기에 적합한 마이크로 제어기는 STMicroelectronics의 STM32F100, Texas Instruments의 MSP430 또는 다른 유사한 마이크로 제어기이다.
CPU(50)는 디지털 신호 만을 처리할 수 있는 반면에, SoC(10) 및 반사 신호 포토다이오드(40)는 본질적으로 아날로그 신호를 제공하기 때문에, 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하기 위한 추가 인터페이스(53) 및 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 추가 인터페이스(52)가 필요하다. SoC(10)로부터 수신된 신호에 기초하여, 아날로그-디지털 변환기 섹션(52)을 통과하는 전기 인터페이스(51)를 통해, CPU(50)는 인터페이스(15)를 통해 SoC(10)의 구동 신호를 제어한다. 구동 신호는 이득 칩 구동 전류, 히터 전류, 포토다이오드 바이어스 등을 포함한다. CPU의 구동 신호는 구동 신호를 SoC 및 그 요소에 의해 수용 가능한 형태로 변환하는 디지털-아날로그 변환기 섹션(53)을 통과한다. 또한, CPU는 전기 인터페이스(546)를 통해 전원 공급 전자 장치 섹션(54)과 전기 통신하여 전기 인터페이스(541, 542, 543, 544)를 통해 나머지 센서 요소들에 필요한 전원 공급 값을 설정한다. 이러한 제어 체제는 CPU가 SoC를 정밀하게 제어하고 출력 신호를 실시간으로 모니터링할 수 있게 한다. 따라서, 혈액 내의 타겟 분자와의 센서 상호작용으로부터 아웃 커플링된 광 신호가 상호 작용으로 인해 변형되고 광섬유 인터페이스(20)를 통해 다시 반사되고 이산 반사광 포토다이오드(40)로 안내될 때, 수집된 신호는 증폭되고 전기 인터페이스(41)를 통해 아날로그-디지털 인터페이스(52)에 의해 디지털 형태로 변환되며, CPU에 의해 아웃 커플링된 신호와의 비교에 기초하여 스펙트럼 및 강도 정보를 복구하도록 처리된다. 신호 처리는 시간 신호를 파장/주파수 도메인으로 변환하는 것 및 타겟 분자에 고유한 데이터 처리 알고리즘을 적용하는 것을 포함한다. 이것은 타겟 분자의 농도 레벨의 복구 및 평가를 가능하게 하며, 신호를 mmol/l 또는 g/l와 같은 교정된 단위로 변환하는 전기 인터페이스(56)를 통해 디지털 출력으로서 출력 디스플레이(60)에 제공한다.
설명된 실시예에서, 광자 시스템 온 칩(10), 반사 신호 포토다이오드(40) 및 전자 컴포넌트 CPU(50), 아날로그-디지털 인터페이스(52), 디지털-아날로그 인터페이스(53) 및 전원 공급 전자 장치 섹션(54)은 피험자(30)로부터 멀리 떨어져 있으며, 상호작용은 프로브를 또한 포함하는 광섬유 인터페이스(20)를 통해 광학 통신에 의해 이루어진다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 프로브는 적어도 두 개의 섬유 코어를 갖는 광섬유 디바이스이며, 하나의 코어는 레이저 신호를 샘플에 전달하는 데 사용하기에 적합하고 다른 코어는 샘플로부터 반사된 광을 검출하는 데 적합하다. 침습 측정의 경우, 광섬유 인터페이스는 다른 프로브들 중에서, 전송되고 반사되는 레이저 신호를 전달하고 수집하기 위해 SoC 섬유 인터페이스에 연결되는 적어도 두 개의 광섬유 코어를 포함하는 혈관 내 광학 카테터에 연결되어야 한다. 프로브의 두 개의 섬유 코어는 사용시 혈액과 직접 접촉하는 말단 단부(distal end)에서 종료된다. 종료된 섬유 코어 팁은 광이 혈액으로 전달되고 이후에 수집되는 개구의 역할을 하다. 비침습 측정의 경우, 프로브는 또한 사용시 외곽 피부/조직에 직접 접촉하는 말단 단부를 가지며, 섬유 코어 개구는 외곽 조직을 통해 광을 전달하고 수집하는 데 사용된다.
사용시, 광자 시스템 온 칩(10)은 내장된 마이크로프로세서 CPU에 의해 구동되고 제어된다. 시스템 온 칩(10)은 스위프된 파장 레이저 신호를 광섬유 인터페이스(20)로 전송하도록 지시를 받으며, 레이저 신호는 파장 대 시간 스위프로 이루어진다. 레이저 신호는 도시된 실시예에서 생체의 혈액인 타겟 피험자 피시험 디바이스(device under test)(DUT)(30)로 신호를 안내하는 광섬유 인터페이스(20)에 커플링된다.
레이저 신호는 생체의 혈액과 상호작용하며, 혈액으로부터 반사된 신호에서 특징적인 특징을 제공하는 이러한 상호작용의 결과로서 변형된다. 반사된 광 신호는 광섬유 인터페이스(20)를 통해 수집되고, 반사 광(신호 수집) 포토다이오드(40)로 다시 안내된다. 포토다이오드(40)는 광학 신호를 전기 신호로 변환한다. 시간 도메인 신호는 CPU에 의해 처리되며, CPU는 광자 SoC 및 데이터 분석 알고리즘으로부터 특성을 고려하고, 포토다이오드 신호를 mmol/l의 교정된 농도 레벨(즉, 혈액 구성성분 레벨)로 변환하고, 전기 인터페이스(56)를 통해 아날로그 또는 디지털 출력으로서 제공한다.
도 1b는 프로브가 광섬유 인터페이스(20)로부터 타겟 피험자(30)와 물리적으로 접촉하는 광학 혈관 내 카테터 또는 침습 프로브(22)에 연결된 실시예를 도시한다. 카테터(22)는 (i) 광 신호를 센서로부터 피험자의 혈액으로 투과시키고 (ii) 반사된 광을 피험자의 혈액으로부터 센서로 투과시키도록 구성된다.
도 1c는 광 전달 및 광 수집 코어들 및 부가적인 광학계, 예를 들면 빔 성형 광학계(beam shaping optics)로 구성된 광학 인터페이스가 피험자의 피부 또는 외곽 조직(23)을 통해 피험자의 혈액 샘플(30)을 비침습적으로 조명하도록 구성된 실시예를 도시한다. 우리는 손가락 끝, 손톱 밑, 손목 등과 같이 외곽 조직이 상대적으로 작은 두께를 갖는 위치에 비침습 프로브를 두는 것이 바람직할 수 있다.
도 2를 참조하면, 광자 시스템 온 칩(10)은 시스템에 광학 이득을 제공하는 III-V(예를 들어, AlGalnAsSb/GaSb 또는 AlGalnAsP/InP 또는 AlGalnAs/GaAs) 반도체 이득 칩(211)을 포함한다. 이득 칩(211)은 IV족 반도체 칩 - 특정한 경우 실리콘 온 절연체가 선택됨 - 에서 실현되는 수동형 광자 통합 회로에 커플링된다. 전형적인 광자 회로(220)는 칩들 사이에서 광 커플링의 효율을 증가시키는 스폿 크기 변환기(212)를 포함한다. 전형적인 광자 회로는 또한 III-V 이득 칩(211)과 커플링될 때 하이브리드 III-V/IV 외부 캐버티 레이저를 형성하는 파장 필터링 섹션(213)을 포함한다. 광자 통합 회로(220)는 또한 아래의 도 6 및 도 7과 관련하여 더 상세히 논의되는, 신호/파장 모니터링 섹션(214) 및 신호 아웃 커플링 섹션(215)을 포함한다.
파장 필터링 섹션(213)은 바람직하게는 버니어 필터(Vernier filter)를 형성하는 커플링된 공진기 및 광대역 반사기에 의해 실현된다. 커플링된 공진기는 커플링되었을 때 광역 액세스 가능 대역폭으로 이어지는 상이한 자유 스펙트럼 범위 값을 갖는다. 예를 들어, 커플링된 공진기 캐버티는 두 개의 마이크로 링 공진기들, 즉 27.5 미크론의 링 반경을 갖는 제 1 링 및 28.5 미크론의 반경을 갖는 제 2 링 공진기로부터 형성될 수 있다. 동작 파장이 2300 nm인 GaSb 재료 시스템의 경우, 유효 모달 굴절률(effective modal refractive index)은 3.59이다. 이것은 제 1 링 공진기의 자유 스펙트럼 범위가 4.26 nm가 되게 하고 제 2 링 공진기의 자유 스펙트럼 범위가 4.11 nm가 되게 한다. 커플링되었을 때, 버니어 필터는 117 nm의 튜닝 대역폭을 갖는다. 이들 값은 다음의 수학식을 사용하여 계산될 수 있다.
링 공진기의 경우에 있어서, 모드 간격은 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure pct00002
여기서 λ는 중심 파장이고, n은 모달 유효 굴절률이며 R은 링 반경이다.
전체 튜닝 대역폭은 다음과 같이 추정될 수 있다.
Figure pct00003
튜닝가능 대역폭은 상이한 자유 스펙트럼 범위 오프셋 및 커플링 계수의 형태로 설계에 의해 조정될 수 있다. 이러한 대역폭은 광대역 lll-V 이득 칩에 커플링되어 혈액 대사 산물 농도 레벨 모니터링에 필요한 스펙트럼 범위를 커버하기에 충분하다.
젖산 분자는 적외선의 범위에서 잘 표현되는 광학적 시그니처뿐만 아니라 응용의 중요성이라는 두 가지 측면 모두에서 타겟 분자의 좋은 예이다. 도 3a는 젖산 분자의 실험적인 흡수 스펙트럼을 도시한다. 타겟이 액상이기 때문에, 스펙트럼은 넓으며 2260 nm와 2300 nm를 중심으로 두 개의 뚜렷이 다른 흡수 피크들을 특징으로 한다는 것을 분명히 알 수 있다. 농도 레벨 계산을 위해, 흡수 신호의 형상을 갖는 것이 이롭다. 또한, 동일한 도면에서부터 알 수 있는 바와 같이, 젖산 분자의 경우, 필요한 접근 가능한 광대역폭은 약 100 nm이다. 상이한 농도 레벨에 대한 실험적인 농도 교정 곡선은 도 3b에 도시된다.
수동형 회로 광학 응답 외에도, 광학적으로 능동적인 부품은 필요한 대역폭을 커버할 수 있어야 한다. 예를 들어, AlGalnAsSb/GaSb 재료 플랫폼에서 실현되는 중 적외선(mid-infrared) 광대역 이득 칩의 전형적인 파장 튜닝 스펙트럼은 도 4에 도시된 바와 같이, 170 nm를 초과하는 광학 이득 대역폭을 가질 수 있다. 각각의 스펙트럼(400, 410, 420, 430, 440)은 외부 캐버티 구성에 내장된 상이한 lll-V 이득 칩에 의해 생성되었다. 이득 칩 방출의 스펙트럼 위치는 칩 설계에 의해 타겟 분자의 필요한 스펙트럼 응답 및 IV족 반도체 칩 상의 광자 통합 회로의 광학 응답에 매칭하도록 층 두께 및 조성을 변경함으로써 조정될 수 있다. 도 4는 성능의 상쇄 관계(trade-off)없이 전체 1700 nm 내지 2500 nm 범위에서 III-V 칩 설계의 유연성을 보여준다.
도 5를 참조하면, 하이브리드 III-V/IV 광범위 튜닝가능형 외부 캐버티 레이저(500)는 능동형 광학 매체로서 기능할 수 있고 스폿 크기 변환기(502)를 통해 실리콘 광자 통합 회로(520)에 에지 커플링될 수 있는 III-V, 이러한 특정한 경우에는 AlGalnAsSb/GaSb 이득 칩(501)을 포함하며, 스폿 크기 변환기는 이득 칩으로부터 방출된 모드를 변환하고 이를 광자 통합 회로에서 사용된 IV족 반도체 기반 도파관에 적합한 크기로 매칭시킨다. 파장 튜닝은 버니어 효과 필터(530)에 의해 실현되며, 여기서 미세 튜닝은 별개의 전-열 히터(5311)를 갖는 직선 또는 폴디드 도파관 섹션을 포함할 수 있는 위상 제어 섹션(531)에 의해 제어된다. 넓은 튜닝은 커플링된 공진기 캐버티에 의해 제어되며, 커플링된 공진기 캐버티에서 FSR1이라는 자유 스펙트럼 범위를 갖는 제 1 공진기(532)는 자유 스펙트럼 범위(FSR2)를 갖는 제 2 공진기(533)에 커플링되며, 여기서 FSR1 및 FSR2는 동일하지 않다. 각 공진기의 유효 모달 굴절률은 전-열 히터(5321, 5331)를 통해 개별적으로 제어된다. 레이저 공진기 캐버티는 요구되는 튜닝 범위에 대해 충분히 넓게 설계된 광대역 반사기(534)로 완성된다. 전형적으로 반사기는 50 nm를 초과하는 반사율 대역폭을 갖는다. 반사기는, 예를 들어 분산 브래그 반사기(distributed Bragg reflector) 또는 폴디드 마하 젠더 간섭계(folded Mach-Zehnder interferometer)(MZI) 또는 임의의 다른 전형적인 넓은 광대역 반사기, 이를테면 금속 거울에 의해 실현될 수 있다. 센서에 의해 수행되는 전형적인 동작을 위해, 이득 칩 구동 전류는 고정되고, 파장 스위프는 히터(5311, 5321, 5331) 전류의 제어된 스위프에 의해 수행된다.
버니어 파장 필터링 기술은 광통신 분야에서 잘 알려져 있으며 마이크로 링 공진기로 제한되지 않고 샘플링된 격자 분산 브래그 반사기 또는 샘플링된 격자 분산 피드백 반사기에 의해 규정된 커플링된 공진기들에 의해서도 또한 실현될 수 있다. 최종 선택은 설계자의 선호도 및 칩 레이아웃의 기하학적 고려 사항에 따라 달라진다. 모든 경우의 커플링된 공진기에서, 동작 파장은 두 개의 파장 콤들(wavelength combs)의 겹침에 의해 규정된다. 겹침 위치는 커플링된 하나 또는 둘 모두의 공진기들의 굴절률을 동시에 변화시킴으로써 변경된다. 실제로, 이것은 직류 주입에 의해 또는 열 가열에 의해 달성되어 굴절률의 변화 및 이에 따른 방출 파장의 변화를 야기한다. 설명된 예에서, 파장의 변화는 각각의 마이크로 링 공진기 위에 증착된 저항성 히터에 의해 제어된다. 광대역 반사기는 분산 브래그 격자, 폴디드 평형 마하 젠더 간섭계 또는 유사한 하이 Q 반사기의 형태로 실현될 수 있다. 바람직하게는, 시스템의 튜닝 대역은 버니어 필터 또는 광대역 반사기의 광대역폭에 의해, 둘 중 더 작은 것에 따라 규정된다.
도 2뿐만 아니라 도 6 및 도 7을 참조하면, 이득 칩(211) 및 파장 필터(213)에 의해 형성된 외부 캐버티 레이저의 파장 및 레이저 전력 모니터링은 각각의 출력이 통합된 포토다이오드(플립 칩, 접착형 등)를 갖는 별개의 격자 커플러에 커플링되거나 또는 단일 링 공진기가 통합된 포토다이오드를 갖는 격자 커플러에 커플링된 불평형 마하 젠더 간섭계의 형태로 실현될 수 있다. 이것은 단일/파장 모니터링 섹션(214)이라 부른다. 불평형 MZI 및 단일 링 공진기 둘 모두는 아주 잘 규정된 파장 종속 투과 기능(wavelength dependent transmission function)을 가지고 있으며, 이 기능은 구동 신호를 알고 있다고 추정하면, 임의의 주어진 순간에 정확한 방출 파장 및 출력 전력의 값을 제공하도록 특성화되고 교정될 수 있다. 이것은 신호 전력 및 신호 파장이 둘 모두 높은 정밀도의 포토다이오드를 통해 추적될 수 있으므로 유리하다. 따라서, 설명된 하이브리드 시스템 온 칩의 조합은 광범위 튜닝가능형 레이저뿐만 아니라 동일한 칩 내에서 모니터링 파장계 및 전력계를 포함한다.
도 6을 참조하면, 보다 구체적으로, 도 5에서 설명된 하이브리드 lll-V/IV 광범위 튜닝가능형 외부 캐버티 레이저(500)는 1x2 마하 젠더 간섭계(MZI) 스플리터(600)에 커플링되며, 스플리터에서 하나의 아암은 광섬유 인터페이스로의 광을 또한 아웃 커플링하는 상단의 격자 커플러 또는 모드 크기 변환기 및 엔드 파이어 아웃 커플러(6412)를 통해 시스템 온 칩 아웃 커플링 섹션(641)으로의 레이저 신호를 아웃 커플링하는데 사용된다. 1x2 MZI 스플리터(600)의 제 2 아암은 불평형을 이루는 제 2 1x2 MZI(642)에 연결된다. 간섭계의 하나의 아암은 레이저 신호 모니터링을 위해 광을 플립 칩 본딩된 포토다이오드(64211)로 안내하는 격자 커플러(6421)에 연결된다. 간섭계의 제 2 아암은 정확한 파장 추적을 위해 MZI(642) 전달 함수를 모니터링하는 제 2 포토다이오드(64221)로 광을 커플링하는 제 2 격자 커플러(6422)로 안내된다.
이득 칩, 개별 히터 튜닝 및 위상 시프트 튜닝을 위한 구동 신호는 신호/파장 모니터링 섹션 포토다이오드로부터의 정보를 사용하여 필요한 구동 신호 형태 및 진폭을 결정하는 CPU(5)에 의해 제어된다. 전형적인 SoC는 연속 튜닝가능형형 레이저 펄스(continuously tunable wavelength laser pulse)를 생성하기 위해 적어도 다섯 개의 상이한 제어 전류들을 감안하는 것이 필요하다. 설명된 실시예에서, CPU는 SoC에 필요한 개별 구동 전류의 특정 스위프로 구성된 구동 신호 스위프를 제공하여, 센서 출력에서 시간의 함수로서 연속 파장 스위프를 제공한다. CPU는 언제나 SoC 신호 및 파장 모니터링 섹션 포토다이오드(64211 및 64221)와 전기 통신하기 때문에, 일반적으로 임의의 구동 신호는 언제나 진폭 및 파장의 관점에서 복구될 수 있는 SoC 출력을 만들어 낼 수 있다. 실제의 상황에서, CPU는 가능한 가장 간단한 신호 출력 - 예를 들어 시간의 함수로서 가능한 한 선형 파장 스위프에 가까움 - 을 제공하여 이산 포토다이오드(40)로부터 복구된 신호에 기초하여 간단한 데이터 처리를 가능하게 한다. 전송된 광 펄스 내의 레이저 신호 진폭 및 파장에 대해 알고 있다면, 타겟 분자와의 상호 작용으로 인한 광학 신호의 섭동(perturbation)에 직접 접근할 수 있게 하는 방식으로, 혈액으로부터 수집된 신호를 시간으로부터 주파수 도메인으로 간단하게 재구성할 수 있게 하고 센서 자체로 인한 비선형성 및 신호 변동을 제거할 수 있게 한다.
도 7을 참조하면, 다른 실시예에서, 도 5에서 설명된 하이브리드 lll-V/IV 광범위 튜닝가능형 외부 캐버티 레이저(500)는 1x2 마하 젠더 간섭계(MZI) 스플리터(600)에 커플링되며, 스플리터에서 하나의 아암은 광섬유 인터페이스로의 광을 또한 아웃 커플링하는 상단의 격자 커플러 또는 모드 크기 변환기 및 엔드 파이어 아웃 커플러(6412)를 통해 시스템 온 칩 아웃 커플링 섹션(641)으로의 레이저 신호를 아웃 커플링하는데 사용된다. 1x2 MZI 스플리터(600)의 제 2 아암은 통과하는 광에 특성 파장 전달 함수를 제공하는 링 공진기(742)에 커플링된다. 필터 이후에, 광은 격자 커플러(7422)로 안내되고, 격자 커플러는 광을 플립 칩 포토다이오드(74221)에 커플링하고, 플립 칩 포토다이오드는 신호 전달 함수를 모니터링한다. 전달 함수는 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같은 다수의 포토다이오드들이 아닌, 하나의 제어 포토다이오드 만으로 광의 파장 및 레이저의 상대 강도를 동시에 결정하는 데 사용될 수 있다.
설명된 실시에에서, lll-V 반도체 칩과 IV족 반도체 칩 기술의 하이브리드 통합이 고려된다. 이득 칩은 AlGalnAsSb/GaSb, AlGalnAs/GaAs 또는 AlGalnAsP/InP 또는 이들의 조합과 같은 lll-V 재료 시스템에서, 릿지 파장 에지 방출기(ridge waveguide edge emitter)와 같은 에지 방출 디바이스의 형태로 실현된다. 광은 도핑되지 않은 양자 우물에 캐리어를 전기적으로 주입하여 양자 우물에서 캐리어가 방출되는 광자를 재결합함으로써 생성된다. 이러한 구조물의 광학적 이득은 스펙트럼적으로 넓으며 전형적으로는 광자 에너지 및 에피택셜 설계에 따라 수 10 nm 내지 200 nm 또는 그 이상까지 이어질 수 있다. 스펙트럼 영역은 반도체 광전자의 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 바와 같이 적절한 층 합금 조성 및 두께를 선택함으로써 규정될 수 있다.
lll-V 이득 칩(800)의 전형적인 개략적인 단면이 도 8에 도시된다. lll-V 이득 칩은 원하는 동작 파장에 따라 GaAs, InP, GaSb 또는 InAs일 수 있는 lll-V 기판(810) 상에서 에피택셜 성장된다. 기판 상단에서, 나머지 구조 층들, 즉 하부 클래딩 층(820), 하부 도파관 층(830), 양자 우물 기반 활성 영역(840)이 성장되고, 뒤이어 다소 대칭적인 상부 도파관 층(850) 및 상부 클래딩 층(860)이 성장된다. 층들은, 예를 들어, 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy)(MBE) 또는 금속 유기 기상 에피택시(metalorganic vapor phase epitaxy)(MOVPE)에 의해 에피택셜 성장될 수 있다. 구조물은 상단의 금속 접점 층(880)과 오믹 접촉을 형성하는 하이 도핑된 접점 층(870)에 의해 완결된다. 하부 접점 층은 기판(805)의 하단에 증착된 금속 층에 의해 형성된다. 방출 파장은 층(840)의 조성에 의해 규정된다. 구조 층(820, 830, 850 및 860)은 대칭적인 파 안내(wave-guiding) 및 활성 영역 층(840)과의 양호한 광학 모드 겹침을 제공하도록 선택된다. 전형적으로, 활성 영역은 충분한 이득을 제공하기 위해 적어도 하나의 양자 우물로 구성된다.
이득 칩을 형성하기 위해, 에피택셜 구조물은 릿지 도파관 에지 방출 디바이스 쪽으로 가공되며, 릿지 도포관 에지 방출 디바이스에서 모드는 플라즈마 또는 습식 에칭에 의해 형성된 규정된 릿지 도파관에 의해 안내된다. 릿지의 높이 및 너비는 개별 설계에 따라 달라지며, 중요한 특징은 도파관이 단일 모드인 것이다. 단일 모드 도파관의 설계는 일반적인 절차이며 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있다. 이득 칩의 캐버티는 가공된 웨이퍼를 에지 방출 이득 칩의 선형 어레이로 이루어지는 바아(bar)로 절단함으로써 실현될 수 있으며, 반도체 레이저와 같은 에지 방출 디바이스를 만드는 데 일반적인 것으로서, 절단된 결정 면(crystal facet)은 캐버티 거울을 형성한다. 광학 방출은 칩의 에지로부터, 즉 성장 방향에 수직이다.
외부 캐버티 레이저 구성에서 최적한 성능을 위해, 후면(back facet)은 고 반사율 거울 코팅으로 코팅될 수 있으며, 전형적인 거울 반사율은 적어도 >90 %, 예를 들어 >95 %를 갖는다. 칩의 전면, 즉 출력 면은 바람직하게는 매우 낮은 반사율 코팅으로 코팅되며, 전형적인 반사율은 전면 평면으로부터의 광학적 피드백을 피하기 위해 전형적으로 < 0.1 %를 갖는다. 릿지의 굽음으로 인해, 아웃 커플링된 광은 굴절되며 출력 평면의 관점에서 방출은 고정된 각도로 이루어진다. 이러한 미리 규정된 파장 각도는 설계 및 모달 유효 굴절률로부터 알려져 있으며, IV족 반도체 플랫폼 상에 수동형 광전 회로를 설계할 때 고려되어야 한다. 특히, 스폿 크기 변환기는 바람직하게는 두 칩들 사이의 커플링 손실을 감소시키기 위해 이득 칩 방출의 각도 및 아웃 커플링된 모드의 크기와 매칭하도록 설계된다.
최상의 설계 실시를 위해, lll-V 이득 칩의 모드 크기 및 형상, 방출 파장, 이득 대역폭, 방출 각도, 발산 등과 같은 주요 특성들은 실험적으로 알려져 있으며 수동형 광자 통합 회로를 IV족 반도체 상에 맞추고 주문제작하는 데 사용된다. 특히, 이득 칩의 실험 파라미터를 알면 스폿 크기 변환기, 커플링된 공진기 캐버티, 광대역 반사기, 다중 모드 간섭 디바이스(multimode interference device)(MMI), 간섭계 및 다른 기능 요소와 같은 주요 SoC 요소를 최적화할 수 있다.
전형적으로, 면 코팅(facet coating)은 이득 칩 바에 대해 수행되며, 개별 이득 칩은 면 코팅 절차 이후에 스크라이빙 및 전단(breaking)에 의해 분리된다. 이것은 여러 방법으로 수행될 수 있으며, 가장 일반적인 것은 칩 절단 면에 수직인 결정 평면을 따라 기계적 스크라이브 라인을 형성하고 상단 또는 하단으로부터 기계적 전단력을 가하여 규정된 라인을 따라 결정 절단을 가능하게 하는 것이다. 그런 다음 개별 이득 칩은 IV족 회로와 용이하게 통합될 수 있다.
IV족 기반 반도체 플랫폼은 CMOS와 같은 가장 일반적인 전자 디바이스 기술에 전형적이다. IV족 반도체 플랫폼과 lll-V 광학 컴포넌트의 하이브리드 통합은 CMOS 기술이 확장되는 것과 동일한 방식으로 기술을 확장할 수 있는 기회를 열어준다. IV족 반도체 플랫폼은 실리콘, 실리콘 온 절연체(SOI), 게르마늄 온 절연체(GOI), 게르마늄 온 실리콘, 실리콘 질화물 온 실리콘, 실리콘 질화물 온 절연체, 실리콘 질화물 온 실리콘 온 절연체 및 그 파생물을 포함한다.
전형적인 실리콘, 특히 실리콘 온 절연체(SOI) 칩 단면이 도 9에 도시된다. 도시된 실시예에서, SOI 칩(900)은 이득 칩보다 단순하고 IV 기반 반도체 기판(905), 예를 들어, 전형적인 두께가 2-3 미크론인, 제조 시설에 따라 상이한 두께를 가질 수 있는 매립된 산화물 층(buried oxide layer)(BOX라 부름)(910)을 갖는 실리콘 기판을 포함한다. BOX 층은, 예를 들어, 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 바와 같은, 이온 주입 및 웨이퍼 접합에 의해 형성된다. BOX 층(910) 다음에는 실리콘 도파관 층(920)이 이어진다. 이 층은 격자 커플러, 단일 모드 및 다중 모드 도파관, 링 공진기, 다중 모드 간섭 디바이스, 스폿 크기 변환기 등과 같은 모든 수동형 광자 컴포넌트가 실현되는 기능 층으로서 역할을 한다. 층 두께는 제조 시설에 따라 달라질 수 있고, 전형적으로는 100 nm 내지 500 nm 두께이며; 일부 제조 시설에서 이것은 수 미크론만큼의 두께일 수 있다. 전형적인 실리콘 광자 플랫폼은 220 nm 도파관 층(920)을 포함한다. 도파관 층(920)은 또한 다른 기술에 의해 열적으로 성장되거나 증착될 수 있는 실리콘 산화물 층(930)으로 캡핑된다. 사용되는 IV족 플랫폼에 따라, 실리콘 질화물과 같은 다른 절연 재료가 사용될 수 있다. BOX 층(910)의 주요 목적은 도파관 층(920)으로부터 기판(905)으로의 광학 모드 커플링을 방지하고 상단의 실리콘 산화물 층(930)과 동일한 방식으로 저 굴절률 클래딩 층으로서 역할을 하는 것이다. 실리콘 도파관 층(920)의 굴절률 변화는 상부 산화물 층의 상단에 증착된 금속 전극(940) 형태의 저항성 전기 히터를 통한 열 신호에 의해 달성될 수 있다. 히터 이외에, 금속 전극이 또한 격자 커플러로부터 아웃 커플링된 신호를 수집하는 플립 칩 포토다이오드로서 역할을 할 수 있다.
하이브리드 통합의 개략적인 원리가 도 10에 도시된다. 여기서 lll-V 이득 칩(800) 및 IV족 반도체, 특정 예에서는 실리콘 온 절연체 칩(900)은 에지 커플링에 의해 통합되며, lll-V 이득 칩은 p 측 위쪽에 있고 에지는 IV족 칩에 커플링된다. 이득 칩의 활성 영역 층(840)에서 생성된 광은 수동형 광자 통합 회로가 실현되는 실리콘 도파관 층(920)에 커플링된다. 통합을 위한 중요한 요건들 중 하나는 두 칩들 사이에서 광의 효율적인 커플링이다. 이것은 능동 정렬 기술(active alignment technique)을 사용함으로써 달성될 수 있으며, 정렬 공정 동안 lll-V 이득 칩 방출 광 및 커플링 효율은 IV족 칩 상의 격자 커플러를 통해 모니터링된다. 일단 신호가 최대화되면, 두 칩들은 함께 경화성 접착제 또는 에폭시로 접합된다.
III-V 이득 칩의 위치가 IV족 반도체 웨이퍼 상에서 미리 규정되어 있을 때 더 높은 정확도가 달성할 수 있다. 이것은 도 11에 도시된 바와 같이 깊은 트렌치(deep trench)에 의해 실현될 수 있다. 트렌치(1100)는 대략적인 위치를 규정할 뿐만 아니라 동시에 두 칩들의 수직 방향의 높이를 수직 방향으로 정확하게 매칭시킬 수 있다. 최대의 정확도를 위해, lll-V 칩의 높이가 극히 정확하게 제어되는 에피택셜 층 두께에 의해 규정되도록 lll-V 이득 칩이 뒤집어 져야 한다. 평면 내 위치는 최상의 정확도를 위해 능동 정렬을 통해 정렬되어야 한다. 칩은 상단의 금속 접점 층(880)과 금속 전극 층(940) 사이의 계면에서 접착제, 에폭시 또는 인듐 또는 AuSn과 같은 금속 땜납에 의해 함께 고정된다. 도시된 lll-V 이득 칩은 p 측 아래쪽 위치로 뒤집어지고, IV족 웨이퍼에서 미리 규정된 트렌치를 통해 수동형 광 회로와의 광 커플링을 가능할 수 있게 하는 에지 커플링이 실현된다.
lll-V 이득 칩, IV족 반도체 칩 및 플립 칩 포토다이오드를 포함하는 완전한 하이브리드 시스템은 어떻게 광이 IV족 반도체 칩에 커플링되고 IV족 반도체에서 커플링 아웃될 수 있는지를 보여주는 도 12에 도시된다. lll-V 이득 칩이 p 측 아래쪽 위치로 뒤집어지고 IV족 반도체 웨이퍼에서 미리 규정된 트렌치를 통해 에지 커플링이 실현되어 수동형 광자 회로로의 광 커플링을 가능할 수 있게 한다. 표면 격자 커플러를 통해 광학 신호를 수집하는 데 사용되는 플립 칩 포토다이오드 구조물이 또한 도시된다.
특히, 커플링 아웃은 격자 커플러(950) 상단의 플립 칩 포토다이오드를 통해 달성된다. 포토다이오드는 관심 파장에서 필요한 광 응답을 갖는 임의의 관련 있는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 이러한 실시에에서, 전형적인 포토다이오드는 lll-V 이득 칩과 동일한 재료 플랫폼으로 설계된 lll-V p-i-n 포토다이오드이다. 포토다이오드(1200)는 III-V 기판(1205) 상에 형성되고, 이어서 n 또는 p 형 중 하나인 도핑된 층(120)이 형성되고, IV족 반도체 칩으로부터 커플링 아웃된 광을 흡수하도록 도핑되지 않은 재료 조성을 갖는 도핑되지 않은 흡수 층(1220)이 형성된다. 흡수 층 두께는 상이한 파장에 대해 최적화되며, 전형적인 두께는 2 미크론이고 전형적인 최소 두께는 적어도 500 nm 이다. 흡수 층에 뒤이어 p 형 또는 n 형 중 어느 하나일 수 있지만 pn 접합을 형성하기 위해서는 층(1210)과 반대의 도펀트 극성을 가져야 하는 도핑된 층(1230)이 형성된다. 애노드 및 캐소드는 바람직하게는 플립 칩 공정을 용이하게 하기 위해 칩의 동일한 면 상에서 실현된다. 예시적인 도면에서, 도핑된 층(1210)은 트렌치를 에칭하고 금속 층(1250)을 증착하여 금속성 오믹 접촉을 형성함으로써 바이어스된다. 적합한 금속은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 바와 같이, 티타늄, 백금, 금, 니켈, 크롬 및 금-게르마늄 및/또는 이들의 조합을 포함한다. 금속 층(1250)은 트렌치의 하단에서만 도핑된 층(1210)과 접촉한다. 다른 포토다이오드 층은 유전체 아이솔레이터(dielectric isolator)(1240)에 의해 금속 층으로부터 분리된다. 제 2 접점은 포토다이오드 다이오드 메사의 상단에 형성되고 상단의 금속 패드(1260)와 상단의 접점 반도체 도핑된 층(1230) 사이에 오믹 유사 접촉을 갖게 한다. 포토다이오드는 다음과 같이 플립 칩 기술로 광자 통합 회로에 커플링된다. 포토다이오드는 아래쪽을 향하고 있으면서 IV족 반도체 칩 상에 형성된 표면 격자 커플러의 일부분과 겹치는 뒤집어진 개구이다. 포토다이오드는 격자 커플러에서 나오는 최대 신호 수집을 위해 정렬되며 인듐, AuSn 또는 다른 표준 납땜 기술에 의해 제 위치에 접합된다.
에지 커플링에 기초한 개략적인 하이브리드 시스템 온 칩의 평면도가 도 13 및 도 14에 도시된다. III-V 이득 칩(800)은 광 손실을 최소화하면서 lll-V 도파관으로부터 실리콘 도파관으로의 모드 크기를 변환하는 스폿 크기 변환기(1300)를 통해 IV족 반도체 칩에 에지 커플링된다. 스폿 크기 변환기는 직선형 또는 폴디드 도파관 및 전기 히터로 구성된 위상 시프트 섹션(1310)에 커플링된다. 이러한 섹션은 모드 홉(mode-hop) 없는 좁은 스펙트럼 범위 내에서 방출 파장을 정밀하게 제어하는 데 사용된다. 위상 섹션은 또한 약간 상이한 캐버티 길이를 갖고 그래서 상이한 자유 스펙트럼 범위를 갖는 두 개의 마이크로 링 공진기들(1320, 1330)에 의해 규정된 커플링된 공진기 캐버티에 커플링된다. 커플링된 마이크로 링 공진기 캐버티는 광대역 반사기(1340)에 의해 폐쇄된다. 도면에 도시된 실시예에서, 광대역 반사기(440)는 폴디드(폐 루프) 2x2 마하 젠더 간섭계(MZI)로서 대표된다. 특징부들(800, 1300, 1310, 1320, 1330 및 1340)의 조합은 광범위 튜닝가능형 외부 캐버티 레이저를 형성한다. 이러한 외부 캐버티는 1x2 마하 젠더 간섭계(1350)에 커플링되며, 간섭계에서 하나의 아암은 광섬유 인터페이스에 연결된 격자 커플러(1380)를 통해 시스템 온 칩으로부터의 레이저 신호를 아웃 커플링하는 데 사용된다. 언제나 레이저 파장 및 신호 강도를 알기 위해, 파장/신호 모니터링 섹션(1360)은 1350 1x2 마하 젠더 간섭계의 다른 아암에 연결된다.
도 13 및 도 14에서, 파장/신호 모니터링 섹션(1360)은 비평형 1x2 마하 젠더 간섭계로서 도시되며 - 여기서 상부 아암의 광학 경로는 하부 아암의 광학 경로와 상이하다. 두 출력들은 모두 시스템 전력 및 파장 추적에 사용되는 별개의 표면 격자 커플러(1390 및 1395)에 연결된다. 이들 격자 커플러는 바로 상단에 접합된 플립 칩 포토다이오드에 커플링된다. 일반적으로 추가의 격자 커플러(1370)를 추가하여 시스템 온 칩의 상이한 섹션들 내의 광학 신호를 모니터링하는 것 또한 가능하다. 도시된 예에서, 격자 커플러(1370)는 제 1 마이크로 링 공진기 다음에 이득 칩으로부터의 광학 신호를 모니터링하는 데 사용된다.
설명된 시스템 온 칩은 또한 도 14에 도시된 바와 같이 저항성 히터 형태의 전기 신호에 의해 제어된다. 여기서, 히터(1400)는 튜닝가능형 레이저의 일정한 위상 시프트 제어를 위해 사용된다. 히터(1410, 1420)는 커플링된 마이크로 링 캐버티의 레이징 파장을 제어하고 파장 변화를 제어하기 위해 사용된다. 히터(1440)는 광대역 반사기의 반사율을 제어하는데 사용되고, 히터(1430)는 1x2 MZI(1350)의 상부 및 하부 아암들 사이의 광학 신호 분할 비율을 제어하는데 사용된다. 히터는 칩의 전형적으로 격자 커플러가 실현되는 측에 반대쪽인 일측 상의 접점 패드(1450)에 연결된다. 구동 신호는 완전한 신호 처리가 이루어지는 마이크로프로세서에 의해 제어된다.
도 15를 참조하면, 에지 커플링 대신에 표면 격자 커플러를 통해 III-V 이득 칩을 IV족 반도체 칩에 커플링하는 하이브리드 시스템 온 칩이 실현될 수 잇다. 여기서, 이득 칩(800)은 세라믹 또는 금속 캐리어(1500)일 수 있고 시준 렌즈(1510) 및 반사기 프리즘(1520)과 미리 정렬되어 마이크로 광학 벤치(micro-optics bench)를 형성할 수 있는 서브마운트(submount)에 본딩된다. 그 다음에 전체 어셈블리는 격자 커플러(950) 위에 정렬되고 IV족 반도체 칩(900)의 상단 표면에 땜납 또는 에폭시로 고정된다. 이득 칩으로부터의 광은 수집 및 시준 광학계(1510)를 통해 수집되고 프리즘 또는 거울(1520)을 통해 표면 격자 커플러 쪽으로 반사된다. 격자 커플러는 반사된 광을 시스템 온 칩의 나머지 부분이 실현되는 실리콘 도파관(920)에 커플링시킨다. 이러한 하이브리드 통합은 전형적으로 보다 간단하지만, 에지 커플링 구성은 일반적으로 보다 효율적일 수 있다.
실시예에서, 시스템 온 칩으로부터의 레이저 신호는 도 13에 도시된 격자 커플러(1380)와 같은 격자 커플러를 통해 광섬유 인터페이스에 커플링된다. 광섬유 인터페이스는 광섬유, 즉 광이 센서로부터 타겟, 예를 들어 환자의 혈액과 광학적으로 통신하는 프로브 팁으로 안내되는 섬유 프로브로 구성될 수 있다. 침습 측정의 경우, 섬유 프로브는 두 개의 섬유 코어들을 포함하고 환자의 정맥 또는 동맥에 들어가는 광학 카테터에 연결된다.
혈액과 직접 접촉하는 카테터 프로브(1600)가 도 16에 도시된다. 여기서, 프로브(1600)는 적어도 두 개의 섬유 코어들을 포함한다. 제 1 코어(1610)는 인체의 외부에 있는 시스템 온 칩으로부터의 광을 투과시키는데 사용된다. 광은 혈액 구성성분 분자와 상호작용하고 수많은 산란 및 흡수 과정을 겪는다. 이것은 확률적 과정이며 광의 산란은 방향에 무관하다. 도 1a 내지 도 1c 및 도 2를 또한 참조하면, 산란된 광의 일부가 다시 프로브 쪽으로 반사되고 제 2 섬유 코어(1620)를 통해 수집되며, 제 2 섬유 코어는 수집된 광을 이산 포토다이오드(40)로 안내한다. 설명된 실시예에서, 시스템 온 칩은 레이저 방출 파장이 이득 대역폭에 걸쳐 시간의 함수로서 스위프될 때 시간 신호를 전송한다. 혈액 일관성 분자(blood-consistent molecule)를 통한 산란 과정 동안, 레이저 방출 주파수가 타겟 분자의 회전-진동 주파수와 매칭하면 공진 흡수 과정이 일어난다. 이러한 과정은 이산 포토다이오드(40)에 의해 수집된 시간 신호의 변화를 초래한다. 레이저 방출 파장은 언제나 정확하게 알려져 있기 때문에, 수집된 시간 신호는 파장 공간으로 재구성될 수 있고 분자 흡수 스펙트럼이 결정될 수 있으며, 타겟 분자의 농도 레벨이 평가될 수 있다.
비침습 센서의 경우, 프로브를 포함하는 광섬유 인터페이스는 혈관 내 카테터에 연결되지 않으며, 그러기 보다는 도 17에 도시된 바와 같이 피부와 접촉한다. 이것은 또한 환자의 손톱에 연결될 수도 있다. 섬유 프로브(1600)의 구조물은 침습의 경우에서 사용된 것과 매우 유사하다. 되풀이 하자면, 적어도 두 개의 섬유 코어가 사용된다. 제 1 섬유 코어(1610)는 시스템 온 칩으로부터의 광을 커플링시키기 위해 사용된다. 섬유 코어(1610)로부터 아웃 커플링된 광은 표피와 같은 외곽 피부 층(1730)을 관통하여 표피 아래의 진피 및 피하 조직에 있는 혈액 구성성분 분자와 상호작용한다. 후방 산란된 광은 제 2 섬유 코어(1620)을 통해 수집되고, 제 2 섬유 코어는 광을 센서에 있는 이산 포토다이오드(40)로 안내한다. 레이저 신호가 시간의 함수로서 변환된 다음 파장 공간으로 변환되며 분자 흡수 스펙트럼이 복구되고 농도 레벨이 식별된다.
2 미크론에 가까우며 그보다 긴 적외선 파장의 경우, 전형적인 침투 깊이는 수 밀리미터이다. 그러나, 이것은 외곽 피부 층이 충분히 얇은 곳, 예를 들어 손톱, 귓볼, 손목 등 아래의 타겟 혈액 분자에 도달하기에 충분하다.
본 발명의 설명된 실시예는 기계적으로 가동 가능한 부품을 사용하지 않는 진보된 통합 기술을 채용하며, 모든 구동 신호들은 전자 및 광자에 기초한다. 시스템 온 칩은 표준 마이크로 제어기를 통해 제어되며, 표준 마이크로 제어기는 신호 및 파장 모니터링 섹션으로부터 모은 신호 정보에 기초하여 이득 칩 구동 전류, SoC 히터 전류를 제어하고, 센서로부터 아웃 커플링된 레이저 신호를 수집된 신호와 비교한다. 이것은 시스템으로 인한 시스템적 오류를 제거할 수 있게 하여 타겟 분자와의 상호작용으로 인한 신호 변화가 식별될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 실시예는 쉽게 확장되어 다중 분자 센서(multiple molecule sensor)를 형성할 수 있다. 이것은 도 18에서와 같이 광학 시스템 온 칩의 어레이를 형성함으로써 달성될 수 있다. 여기서 수동형 통합 광학 회로 어레이는 동일한 실리콘 기반 웨이퍼 내에서 실현된다. 상이한 타겟 분자가 단일 III-V 이득 칩의 이득 대역폭 내에서 접근될 수 없는 상이한 스펙트럼 영역에서 특유한 흡수 특징을 갖는 경우, 실리콘 기반 칩의 광자 통합 회로는 선형 어레이의 형태로 설계될 수 있으며, 선형 어레이에서 각각의 어레이 셀은 특정의 관심 파장에 대해 설계되는데, 예를 들면, 어레이 셀(1810)은 중심 파장(λ1)을 중심으로 설계되고, 어레이 셀(1820)은 λ2를 중심으로 하는 파장을 중심으로, 기타 등등으로 설계된다. 각각의 개별 레이저 셀은 개별 격자 커플러를 통해 개별 출력 파이버와 아웃 커플링된다. 이들 섬유는 섬유 프로브 단부에서 섬유 다발로 형성될 수 있다. 각각의 타겟 분자에 관한 정보를 운반하는 반사된 신호는, 도 19에 도시된 바와 같이, 각각의 레이저 셀 파장 스위프가 알려진 상이한 시간 간격으로 방출되고 검출이 동기화된다는 것을 고려하면, 단일의 이산 포토다이오드로 수집될 수 있다.
더 이상의 최적화를 위해, SoC 어레이의 출력은 도 20, 도 21 및 도 22에 도시된 바와 같이 단일 섬유 코어에 커플링되는 것으로 구성될 수 있다. 도 20을 참조하면, 어레이는 네 개의 어레이 셀들(1810, 1820, 1830, 1840)을 포함하며, 각각의 개별 셀 출력은 개개의 격자 커플러에 의해 형성될 수 있으며, 개개의 격자 커플러는 격자 커플러들이 단일의 멀티 모드 섬유 코어(2000)로 커버될 수 있는 칩의 영역으로 라우팅된다. 이러한 실시예에서, 출력이 단일 섬유 코어로 수집될 수 있는 어레이 내 셀의 수는 섬유 코어 단면적에 의해 제한된다.
다른 가능성은 도 21에 도시된 바와 같이 파장 스위치 및 단일 격자 커플러를 사용하는 것이다. 여기서, 네 개의 상이한 셀들(1810, 1820, 1830, 1840)의 어레이가 도시되며, 셀은 네 개의 상이한 파장 대역에서 방출한다. 각각의 셀은, 예를 들어, 한 세트의 평형 마하 젠더 간섭계들(2110, 2120, 2130)에 의해 실현될 수 있는 파장 스위치(2100)로 라우팅된다. 제 1 MZI(2110)는 (예를 들어, MZI의 아암 상에 통합된 히터를 이용하여) 제 1 및 제 2 SoC 셀(1810 및 1820)에 의해 생성된 파장(λ1 및 λ2) 사이를 스위칭하는 데 사용될 수 있다. 동일한 방식으로, 제 2 평형 MZI(2120)는 제 3 및 제 4 SoC 셀(1830 및 1840)에 의해 생성된 파장(λ3 및 λ4) 사이를 스위칭하는 데 사용될 수 있다. 제 3 MZI(2130)는 제 1 및 제 2 MCI(2110 및 2120)의 출력 사이를 스위칭하여, 임의의 주어진 순간에 단일 격자 커플러를 통해 네 개 중 어느 셀이 아웃 커플링되는지를 제어한다. 이러한 개념은 어레이의 출력에 단일 격자 커플러를 그대로 유지하면서 임의의 수의 개별 셀들로 확장될 수 있다.
동일한 방식으로, SoC 어레이는 도 22에 도시된 바와 같이 단일 출력 및 단일 출력 섬유(2000)를 사용하여 엔드 파이어 커플링 구성에서 실현될 수 있다.
타겟 대사 산물에 대해 교정된 농도 레벨 데이터를 획득하기 위해, 스펙트럼 시그니처에 기여하는 다른 간섭 분자 종들(interfering molecular species)의 농도가 알려져 있어야 한다. 단연코 가장 지배적인 겹침 스펙트럼 시그니처는 총 신호의 95 %를 넘어 기여하는 물 분자의 스펙트럼 시그니처이다. 본 발명의 실시예에서, 센서 어레이는 적어도 두 개의 센서 셀들을 가지며, 셀들 중 적어도 하나의 셀은 물 흡수 피크의 부근에서 스펙트럼 파장 튜닝 대역폭을 갖도록 설계된다. 도 23을 참조하면, 물 흡수 피크는 ~1460 nm, ~1900-2000 nm 또는 ~3000 nm에서 일어난다. 따라서, 최종 센서 아키텍처에 따라, 셀의 스펙트럼 파장 튜닝 대역폭은 매우 잘 알려진 스펙트럼을 갖는 물 분자 흡수가 지배적인 이러한 피크들 중 하나에 가까울 수 있다.
이러한 센서 아키텍처를 사용한 확산 반사 측정은 확산 반사 스펙트럼 R(λ)을 수집하는 데 사용될 수 있으며, 확산 반사 스펙트럼은 차례로 다음과 같은 관계에 의해 흡광도 A(λ)로 변환될 수 있다.
Figure pct00004
　
수집된 흡광도 스펙트럼은 기여하는 분자 종의 개별 흡광도 스펙트럼 컴포넌트들의 합으로 구성된다.
Figure pct00005
제안된 센서 어레이 아키텍처를 사용하여, 센서는 각각의 셀이 상이한 타겟 분자를 타겟으로 하고, 그리고 어떠한 다중 간섭도 발생하지 않는 상이한 스펙트럼 영역에서 동작하는 인접한 셀로부터의 정보를 사용함으로써 각 타겟 분자의 개별 흡광도 스펙트럼이 분리되도록 설계될 수 있다. 이러한 방식으로, 혈액에서 하나 이상의 타겟 컴포넌트가 모니터링될 수 있다.
도 24 및 도 25를 참조하면, 스펙트럼 분해는 다음과 같이 수행될 수 있다. 도 24는 용액 내에 젖산이 배치된 트리스 완충 식염수(TBS) 용액의 확산 반사 스펙트럼이며, 스펙트럼은 FTIR 측정에 의해 획득되었다. 도 25는 TBS 스펙트럼 컴포넌트가 빼내어져서 젖산 분자의 스펙트럼 컴포넌트를 드러나게 한 가공된 스펙트럼이다.
따라서, 인간 조직과 같은 매우 복잡한 산란 매트릭스로부터의 매우 복잡한 흡광도 스펙트럼은 개별 분자 흡광도 컴포넌트로 분해될 수 있으며 이러한 흡광도는 차례로 다음과 같은 람베르트-비어(Lambert-Beer) 법칙을 적용함으로서 교정된 농도 레벨로 전환될 수 있다:
Figure pct00006
여기서 εi는 교정된 몰 감쇠 계수(calibrated molar attenuation coefficient)이고 ci는 농도이다.
각각의 개별 분자마다 교정된 감쇠 계수가 미리 결정되며, 실험적으로 획득된 확산 반사 스펙트럼을 처리하기 위해, 즉 스펙트럼을 개별 흡광도 스펙트럼 컴포넌트로 분해하고 교정된 농도 레벨을 계산하기 위해 교정 알고리즘을 실행하기 위한 CPU에 값들이 저장된다.
특히, 실시예에서, 센서는 셀들의 어레이를 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 어레이 셀은 적어도 하나의 물 흡수 피크, 즉 ~1460 nm, ~1900-2000 nm, 또는 ~3000 nm에 대응하는 스펙트럼 영역을 타겟으로 한다. 어레이의 다른 셀은 혈액 구성성분 타겟 분자의 하나 이상의 흡수 피크에 대응하는 스펙트럼 영역을 타겟으로 한다. 센서는 적어도 하나의 어레이 셀로 측정된 적어도 하나의 물 흡수 피크에 기초하여 물 농도 레벨 및 물 흡수 스펙트럼을 결정하도록 프로그램된 CPU를 포함할 수 있다. CPU는 또한 기준선을 제거하고 적어도 하나의 어레이 셀에 인접한 어레이 셀에 의해 커버되는 스펙트럼 영역의 복잡한 흡광도 스펙트럼을 분해하여 기본 타겟 분자 흡수 특성을 드러내도록 프로그래램될 수 있다. 또한, CPU는 확산 반사 스펙트럼을 흡광도로 변환하도록 프로그래램될 수 있다. 흡광도는 다른 분자 흡수와 겹치지 않고 존재하는 상이한 스펙트럼 영역에서 동작하는 인접한 어레이 셀로부터의 정보를 사용함으로써 디커플링된 복수의 개별 흡광도 스펙트럼 컴포넌트를 포함하는 수집된 흡광도 스펙트럼을 포함할 수 있다.
모세관 네트워크의 깊이와 밀도는 상이한 신체 부위 내에서 달라지기 때문에, 샘플 부피도 역시 달라지고 따라서 반사 신호도 달라진다. 이러한 과제는 물 또는 간섭 없는 스펙트럼 영역 내의 다른 알려진 분자를 타겟으로 하는 센서 셀을 포함하는 센서 어레이가 사용되는 설명된 접근법을 통해 극복할 수 있다. 따라서, 샘플 부피에도 또한 비례하는 물 농도 레벨은 인체 내의 센서 위치와 관계 없이 획득될 수 있으며, 획득된 데이터는 또한 기준선을 제거하고 인접한 센서 셀에 의해 커버되는 스펙트럼 영역에서 복잡한 흡광도 스펙트럼을 분해하는 데 사용된다.
본 명세서에 설명된 센서 아키텍처와 조합하여 설명된 알고리즘은 우리가 임의의 복잡도를 갖는 흡수 스펙트럼을 개별 컴포넌트로 분해할 수 있게 하고 이에 따라 각각의 개별 구성성분의 농도를 평가할 수 있게 한다. 이것은 주어진 파장에서 각각의 개별 간섭 종의 개별 감쇠 계수에 관한 사전 지식을 가짐으로써 용이해질 수 있다. 간섭 종 중 일부의 감쇠 계수가 알려지지 않은 상황에서, 임의의 알려진 또는 가능한 스펙트럼 기여를 빼내는 기능은 타겟 분자의 교정된 농도 레벨을 획득하는 다변량 부분 최소 제곱(multivariate partial least square) 및 주 컴포넌트 회귀 방법(principle component regression method)과 같은 신호 처리 알고리즘의 정확도를 크게 개선한다.
설명된 센서 아키텍처 기술은 복잡한 흡수 스펙트럼을 개별 컴포넌트로 분해할 수 있게 한다. 모든 개별 분자에 대한 개별 감쇠 계수가 알려져 있을 때, 이러한 기술은 각 스펙트럼 컴포넌트의 교정된 농도 레벨을 얻는 매우 간단한 방식을 제공한다. 그러나 혈액의 복잡도로 인해 어려운 문제가 발생할 수 있다. 이러한 경우, 전형적인 접근법은 모든 기본 컴포넌트들을 알 필요 없는 다변량 PLS의 사용을 포함할 수 있다. PLS의 경우조차도, 물과 같은 주요 간섭 컴포넌트를 빼내는 기능은 알고리즘의 정확도를 크게 개선한다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 센서는 몇몇 주요 분자에 대한 감쇠 계수 데이터를 가지며, 이 정보를 물 신호와 함께 사용하여 기준선을 제거하고 다변량 PLS를 사용하여 타겟 분자의 교정된 농도를 얻는다.
도 1c, 도 26 및 도 27을 참조하면, 설명된 센서는 비침습 농도 측정에 사용될 수 있으며, 광학 인터페이스, 예를 들어, 광섬유 인터페이스(20)는 광학 링크(2721)를 통해 외곽 피부 층 또는 조직 아래의 진피 층 내 혈액을 조명하는 추가의 빔 성형 광학계와 함께 사용된다. 혈액으로부터의 반사된 신호는 광학 링크(2711)를 통해 수집되어 반사 광 포토다이오드(40)로 안내된다. 이러한 상황은 도 27에 더 상세히 도시되어 있으며, 도 27에서 광학 인터페이스, 예를 들어, 광섬유 인터페이스(20)는 포커싱 광학계 광학 링크(2721) 및 수집 광학계 광학 링크(2711)로 구성되는 것으로 도시된다.
일부 실시예에서, 광학 통신 링크(2721 및 2711)는 섬유, 예를 들어, 광섬유(12 및 31)이다. 다른 실시예에서, 각각의 광학 통신 링크(2721 및 2711)는 광학 요소, 즉 광학 통신 링크를 형성하는 렌즈 또는 렌즈 세트, 거울 세트일 수 있다.
예를 들어, 다중 모드 섬유 코어(2000)가 각각의 격자 커플러의 출력을 피부의 외곽 층 아래의 피험자의 혈액을 향해 비침습적으로 포커싱하는 단일 포커싱 렌즈로 대체될 수 있는 것을 제외하고, 센서 어레이는, 도 20에 도시된 바와 같이, 광학 칩 내의 동일한 위치에서 밀집하게 패킹된 그룹으로 라우팅되는 그의 출력 격자 커플러를 가질 수 있다. 반사된 광은 별개의 렌즈에 의해 수집되고 선택되므로 그 속성은 포커싱된 광이 전송되는 동일한 깊이 및 위치로부터의 광을 수집할 수 있게 하여 감지를 가능하게 한다. 그런 다음 수집된 반사광은 반사광 포토다이오드(40)의 감광성 개구에 포커싱된다.
도 28을 참조하면, 시스템 온 칩 센서 어레이를 사용하는 동안, 광자 시스템 온 칩 어레이 셀(1810, 1820, ... 18XX)의 개별 출력 - 각각의 출력은 상이한 중심 파장을 중심으로 스위프된 파장 레이저 신호를 제공함 - 은 광자 칩의 일측으로 라우팅될 수 있다. 각각의 개별 출력 격자 커플러(2810, 2820, ... 2XXX)는 개별적으로 개별 포커싱 광학 요소, 예를 들어, 렌즈(3010, 3020, ..., 3XXX)를 이용하여 포커싱되므로, 최적의 경우에, 각각의 출력의 빔 스폿은 겹쳐져서 피험자의 피부 아래에서 단일 스폿을 형성하여, 센서로부터의 광과 피험자의 혈액 사이의 상호작용이 피부 아래의 규정된 위치에 확실하게 국한되게 한다. 전형적인 광 침투 깊이는 제 1 혈관 층 - 진피 층에 도달하는 피부 아래 최대 1 mm이다. 그 다음 확산하여 반사된 광은 렌즈(4000)에 의해 수집되고, 렌즈는 광이 포커싱된 위치로부터 반사된 광을 수집할 수 있도록 렌즈의 개구 수 및 포커싱 깊이가 선택된다. 이러한 반사된 광은 광-혈액 상호작용에 관한 정보를 운반하고 렌즈(4000)에 의해 수집되며 반사광 포토다이오드(40)의 감광성 개구(2841)에 포커싱된다. 감광성 개구(2841)는 상단의 전기 접점(2842)에 의해 둘러싸여 있으며, 전기 접점은 제 2 전극(2844)과 조합하여 - 실제 포토다이오드 에피택셜 구조 층 시퀀스에 따라 - 캐소드 또는 애노드로서 작용할 수 있다. 두 전극들은 격리 갭(2884)에 의해 분리된다. 동작을 위해, 전극들(2842 및 2844) 사이의 극성은 pn-접합이 역 바이어스되도록 선택된다.
포커싱 광학 렌즈 및 수집 광학 렌즈의 정확한 배열은 피험자 내에서 동일한 위치 - 즉, 동일한 지점 - 에서 포커싱 및 수집이 실현되는 한 중요하지 않다. 이것은 도 29에 도시되는데, 도 29에서 수집 렌즈(4000) 및 포토다이오드(40)는 광자 칩 어레이의 중심에서 실현되는 반면, 샘플의 조명은 광자 센서 칩의 주변으로 라우팅되는 출력을 통해 수행된다.
분석의 예
도 30a 내지 도 30d는 광범위 튜닝가능형 레이저 기반 센서(곡선 a)으로 기록되고, 상업용의 탁상형 FTI 분광계(곡선 b)로 기록된 스펙트럼과 비교된 네 개의 분자 - 포도당, 젖산, 소 혈청 알부민 및 우레아 - 의 흡수 스펙트럼을 도시한다. 특히, 테스트되는 용액은 a) 30 mmol/l 글루코스 b) 50 mmol/l 젖산 c) 50 g/l 소 혈청 알부민(bovine serum albumin)(BSA) 및 d) 30 mmol/l 우레아였다. 분자 특정 흡수 스펙트럼 측정의 명확한 상관 관계가 눈에 보인다.
CPU는 또한 하나 초과의 타겟 분자의 흡수 스펙트럼 특징이 겹치는 스펙트럼 영역에서 기준선을 정정하고 제거하도록 프로그램될 수 있다. 기준선 정정 및 제거는 도 31a 및 도 31b에 명확하게 도시된다. 이들 도면은 이중 코어 섬유 팁이 직접 혈액 방울에 침지될 때, 인간 혈액 샘플의 상업용의 탁상형 FTIR 분광계를 사용하여 수행된 분광 측정을 도시한다. 도 31a는 혈액 방울의 투과 스펙트럼(곡선 d) 및 이에 맞추어진 물 반사 스펙트럼(곡선 c)을 도시한다. 도 31b는 혈액 투과 측정에서 물을 빼낸 혈액 스펙트럼을 도시한다. 결과적인 곡선은 물을 제외한(빼낸) 모든 혈액 구성성분 분자를 포함하는 곡선(f)으로서 도시된다. 가이드 라인으로서, 곡선(e)은 소 혈청 알부민(BSA)의 측정된 투과 곡선으로, 인간 혈청 알부민(human serum albumin)(HSA)과 매우 유사하다. 두 곡선의 비교는 혈액 측정 시 HSA로부터 스펙트럼 변조를 명확하게 나타낸다. 중앙 처리 유닛은 또한 물 또는 알부민과 같은 개별 흡광도 스펙트럼 컴포넌트 중 적어도 하나를 사용하여 교정된 농도 레벨을 결정하도록 프로그램될 수 있다. 교정된 농도 레벨은 주어진 파장에서 복수의 개별 분자 각각에 대한 개별 흡광도 값 및 교정된 감쇠 계수에 기초하여 결정될 수 있다. 중앙 처리 유닛은 또한 특정 샘플 부피와 상관 없이 타겟 분자 농도를 결정하도록 프로그램될 수 있다.
비침습 측정의 경우, 센서는 레이저 신호를 피부를 통해 전송하며, 피부에서 광이 산란되어 조직 매트릭스와 상호작용한다. 레이저 신호는 상부 모세관 층(표피 아래 ~0.2 내지 0.3 mm)에 도달하고, 이곳에서 광이 혈액과 상호작용한다. 일반적으로, 확산 및 정반사성(specular)이라는 두 가지 유형의 반사가 있다. 확산 반사는 광이 조직과 상호작용할 때 지배적인 반사이다. 인간의 비침습 측정을 형성하는 확산 반사 신호는 도 32a 및 도 32b에 도시되어 있으며, 여기서 두 명의 서로 다른 사람의 피부를 통해 비침습적으로 측정된 복잡한 반사 스펙트럼의 형상(도 32a의 곡선(g 및 h))은 섬유 프로브가 혈액에 직접 침지될 때 혈액 방울의 침습 직접 측정(도 32a 곡선(i 및 j))와 비교되어, 비침습 측정의 능력을 명확하게 보여준다. 뿐만 아니라, 도 31에서와 유사한 방식으로, 스펙트럼 분해가 적용되어 혈액 내 기본 분자의 신호를 드러내 보일 수 있는데, 이것은 도 32b 및 도 32c에서 볼 수 있고, 이들 도면에서 인간 혈청 알부민에 의한 혈액 신호 변조는 탁상형 FTIR 분광계에 의해 측정된 경우 및 본 명세서에서 설명된 대로 광범위 튜닝가능형 레이저 센서를 이용하여 비침습적으로 측정된 경우의 두 경우들 모두에서 보인다. 약 2170 nm에서 지배적인 HSA 분자로부터의 변조가 명확하게 눈에 보인다.
전술한 특정 칩 배열은 본 발명의 많은 가능한 실시예들 중의 단지 몇 개의 예일 뿐이다. 설명된 본 발명의 실시예는 단지 예시적인 것으로 의도되며, 많은 변형 및 수정이 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백해질 것이다. 이러한 모든 변형 및 수정은 첨부된 청구 범위에서 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
본 발명의 센서 시스템은 또한 아래의 조항에서 제시되는 바와 같은 다음의 특징을 포함한다:
1. 피험자의 혈액 구성성분 농도 레벨을 실시간으로 모니터링하기 위한 레이저 기반 센서 시스템 온 칩(laser-based sensor system-on-a-chip)으로서,
튜닝가능형 하이브리드 lll-V/IV 레이저 센서(tunable hybrid lll-V/IV laser sensor); 및
상기 레이저 센서에 연결된 광섬유 인터페이스 - 상기 인터페이스는 프로브를 포함함 - 를 포함하고,
사용 중에 상기 레이저 센서는 상기 피험체로부터 멀리 떨어져 있고 상기 프로브는 상기 피험자와 광학 통신하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
2. 제 1 조항에 있어서,
상기 IV는 실리콘, 실리콘 온 절연체(silicon-on-insulator), 실리콘 질화물 온 실리콘 온 절연체(silicon nitride on silicon-on-insulator), 게르마늄 온 절연체(germanium-on-insulator) 및 실리콘 질화물 온 실리콘(silicon nitride on silicon)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 IV 기반 반도체 기판을 포함하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
3. 제 1 조항에 있어서,
상기 튜닝가능형 레이저 센서는 III-V 이득 칩(lll-V gain-chip) 및 IV 기반 기판 상에 배치된 광자 통합 회로(photonic integrated circuit)를 포함하고, 상기 광자 통합 회로는(i) 버니어 효과(Vernier effect) 효과에 기초하여 파장 필터링 및 튜닝 기능을 수행하도록 구성되고(ii) 상기 lll-V 이득 칩에 대한 외부 캐버티를 규정하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
4. 제 3 조항에 있어서,
상기 광자 통합 회로는 스폿 사이즈 모드 변환기(spot-size mode converter), 위상 제어 섹션, 및 제 2 자유 스펙트럼 범위를 갖는 제 2 공진기에 커플링된 제 1 자유 스펙트럼 범위를 갖는 제 1 공진기를 포함하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
5. 제 4 조항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 공진기는 마이크로 링 공진기(micro ring resonator), 샘플링된 브래그 반사기(sampled Bragg reflector) 및 분산 피드백 반사기(distributed feedback reflector)로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
6. 제 4 조항에 있어서,
상기 제 1 자유 스펙트럼 범위는 상기 제 2 자유 스펙트럼 범위와 상이한, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
7. 제 4 조항에 있어서,
상기 커플링된 제 1 및 제 2 공진기, 상기 III-V 이득 칩, 스폿 사이즈 모드 변환기 및 위상 제어 섹션은 상기 튜닝가능형 레이저 센서의 버니어 효과 기반 튜닝을 가능할 수 있게 하기 위해 협력하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
8. 제 4 조항에 있어서,
상기 튜닝가능형 레이저 센서는, 동작시 전류 또는 열 중 적어도 하나를 상기 커플링된 공진기 중 적어도 하나에 인가하여 그의 유효 굴절율을 변화시킴으로써 상기 이득 칩에 의해 생성된 레이저의 파장의 변화를 가져오도록 구성되는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
9. 제 3 조항에 있어서,
상기 III-V 이득 칩은 상기 광자 통합 회로에 에지 커플링되는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
10. 제 9 조항에 있어서,
상기 III-V 이득 칩은 격자 커플러(grating coupler)에 의해 상기 광자 통합 회로에 커플링되는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
11. 제 1 조항에 있어서,
상기 레이저 센서는 플립 칩 본딩, 접착, 전사 인쇄 기술 또는 사이드 커플링(side coupling )중 적어도 하나에 의해 광자 통합 회로에 커플링된 적어도 하나의 lll-V 포토다이오드를 포함하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
12. 제 1 조항에 있어서,
상기 튜닝가능형 레이저 센서로부터 원격으로 배치된 이산 lll-V 포토다이오드를 더 포함하고, 사용시, 상기 피험자로부터의 반사된 신호는 상기 이산 III-V 포토다이오드에 의해 수집되는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
13. 제 12 조항에 있어서,
상기 광자 통합 회로는 신호 및 파장 모니터링 섹션을 포함하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
14. 제 13 조항에 있어서,
상기 신호 및 파장 모니터링 섹션은(i) 한 세트의 마하 젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer) 또는 커플링된 링 공진기 중 적어도 하나, 및(ii) 적어도 하나의 플립 칩(flip-chip) lll-V 포토다이오드를 포함하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
15. 제 14 조항에 있어서,
상기 레이저 센서는,
센서 제어 전자 장치; 및
신호 처리 마이크로 제어기를 더 포함하고,
상기 마이크로 제어기는(i) 레이저 구동 전자 장치를 제어하고, (ii) 전류를 튜닝하고, (iii) 상기 파장 및 신호 모니터 섹션으로부터의 정보를 사용하여 상기 이산 III-V 포토다이오드로부터 획득된 데이터를 신호 처리하도록 구성되는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
16. 제 1 조항에 있어서,
상기 레이저 센서는 시간의 함수로서 튜닝 범위에 걸쳐 파장 스위프(wavelength sweep)를 수행하도록 구성되며, 상기 레이저 센서는 상기 피험자로부터 반사된 광을 전기 신호로 변환하도록 구성된 포토다이오드를 포함하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
17. 제 1 조항에 있어서,
상기 광섬유 인터페이스는 광학 카테터에 연결되고, (i) 상기 센서로부터 상기 피험자의 혈액으로 광 신호를 투과시키고;(ii) 상기 피시험자의 혈액으로부터 반사된 광을 상기 센서로 투과시키도록 구성되는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
18. 제 1 조항에 있어서,
상기 광섬유 인터페이스는 상기 피험자의 피부 또는 외곽 조직을 통해 상기 피험자의 혈액 샘플을 비침습적으로 조명하도록 구성된 빔 성형 광학계와 광학 통신하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
19. 피험자의 혈액 구성성분 농도 레벨을 실시간으로 모니터링하기 위한 레이저 기반 센서 시스템 온 칩을 제조하는 방법으로서,
lll-V 반도체 이득 칩을 제조하고,
CMOS 기술에 의해 IV족 기반 반도체 기판(group IV semiconductor substrate) 상에 광자 통합 회로를 제조하여 IV족 반도체 칩을 규정하고,
상기 lll-V 이득 칩과 상기 IV족 반도체 칩을 하이브리드로 통합함으로써,
튜닝가능형 하이브리드 lll-V/IV 레이저 센서를 제조하는 단계
- 상기 광자 통합 회로는(i) 버니어 효과에 기초하여 파장 필터링 및 튜닝 기능을 수행하도록 구성되고(ii) 상기 lll-V 이득 칩에 대한 외부 캐버티를 규정함 -; 및
광섬유 인터페이스 - 상기 인터페이스는 프로브를 포함함 - 를 상기 레이저 센서에 커플링하는 단계를 포함하고,
사용 중에 상기 레이저 센서는 상기 피험자로부터 멀리 떨어져 있고 상기 프로브는 상기 피험자와 광학 통신하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
20. 제 19 조항에 있어서,
상기 III-V 이득 칩과 상기 IV족 반도체 칩을 하이브리드로 통합하는 단계는 상기 III-V 이득 칩을 상기 IV족 반도체 칩에 에지 커플링하는 단계, 상기 두 칩들을 능동적으로 정렬하는 단계, 및 상기 두 칩들을 함께 접착하는 단계를 포함하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
21. 제 19 조항에 있어서,
상기 칩들을 하이브리드로 통합하는 단계는 상기 III-V 이득 칩 p-측을 아래쪽으로 뒤집는 단계 및 상기 이득 칩을 상기 IV족 반도체 칩에서 규정된 트렌치에 본딩하여 상기 광자 통합 회로에 에지 커플링하는 단계를 포함하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
22. 제 19 조항에 있어서,
상기 III-V 반도체 이득 칩을 제조하는 단계는 MBE 또는 MOVPE 성장 중 적어도 하나에 의해 기판 상에 레이저 층 구조물을 에피택셜 성장시키는 단계를 포함하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
23. 제 22 조항에 있어서,
상기 기판 상의 상기 레이저 층 구조물을 미리 규정된 도파관 각도 및 접점 패드를 포함하는 이득 칩 디바이스 쪽으로 가공하는 단계를 더 포함하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
24. 제 23 조항에 있어서,
상기 기판 상의 상기 레이저 층 구조물을 바아(bar)로 절단하는 단계를 더 포함하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
25. 제 24 조항에 있어서,
출력 면(output facet) 상에 반사 방지 코팅을 형성하는 단계를 더 포함하고, 전력 반사는 상기 출력 면에서 0.1 % 미만인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
26. 제 25 조항에 있어서,
후면(back facet) 상에 고 반사율 코팅을 형성하는 단계를 더 포함하고, 전력 반사율은 상기 후면 상에서 적어도 90 % 이상인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
27. 제 26 조항에 있어서,
각각의 바아를 복수의 개별 lll-V 반도체 이득 칩들로 절단하는 단계를 더 포함하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
28. 제 27 조항에 있어서,
상기 III-V 이득 칩의 특성에 따라 광자 통합 회로를 설계하는 단계를 더 포함하고, 상기 광자 통합 회로는 스폿 크기 변환기 및 버니어 필터 중 적어도 하나를 포함하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
29. 셀들의 어레이를 포함하는 센서로서,
각각의 셀은 제 1 항의 레이저 기반 센서 시스템 온 칩을 포함하고, 각각의 어레이 셀은 상이한 스펙트럼 영역 및 별개의 타겟 분자를 타겟으로 하는, 센서.
30. 제 29 조항에 있어서,
각각의 어레이 셀의 파장 스위프된 레이저 신호(wavelength swept laser signal)가 상이한 시간에 방출되며, 단일 포토다이오드와의 동기화된 검출에 의해 신호 수집이 실현되는, 센서.
31. 제 29 조항에 있어서,
(i) 상기 광섬유 인터페이스는 코어를 갖는 아웃 커플링 섬유(out-coupling fiber)를 포함하고, (ii) 상기 어레이의 출력은 상기 시스템 온 칩의 동일 부분으로 라우팅된 상기 개별 어레이 셀들로부터의 격자 커플러들의 그룹에 의해 형성되며, 상기 격자 커플러 그룹에 의해 규정된 전체 면적은 상기 아웃 커플링 섬유 코어의 단면적보다 작은, 센서.
32. 제 29 조항에 있어서,
단일 출력 섹션;
상기 어레이 셀의 출력과 단일 포토다이오드 사이를 스위칭하도록 구성된 파장 스위치를 더 포함하고,
(ii) 상기 센서 어레이의 출력은 상기 단일 출력 섹션 및 상기 파장 스위치에 의해 형성되고, (ii) 각각의 개별 셀의 출력들 사이를 스위칭함으로써 하나의 어레이 셀의 단일 출력이 주어진 시간에서 상기 타겟과 아웃 커플링되게 하며; (iii) 상기 단일 포토다이오드와의 동기화된 검출에 의해 신호 수집이 실현되는, 센서.
33. 제 29 조항에 있어서,
(i) 적어도 하나의 어레이 셀은 ~1460 nm, ~1900-2000 nm 및 ~3000 nm 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물 흡수 피크에 대응하는 스펙트럼 영역을 타겟으로 하며, (ii) 적어도 하나의 다른 어레이 셀은 혈액 구성성분 타겟 분자의 적어도 하나의 흡수 피크에 대응하는 스펙트럼 영역을 타겟으로 하는, 센서.
34. 제 33 조항에 있어서,
상기 적어도 하나의 어레이 셀로 측정된 상기 적어도 하나의 물 흡수 피크에 기초하여 물 농도 레벨 및 물 흡수 스펙트럼을 결정하도록 프로그램된 적어도 하나의 중앙 처리 유닛을 더 포함하는, 센서.
35. 제 34 조항에 있어서,
상기 중앙 처리 유닛은 또한 기준선(baseline)을 제거하고 상기 적어도 하나의 어레이 셀에 인접한 어레이 셀에 의해 커버되는 스펙트럼 영역에서 복잡한 흡광도 스펙트럼(complex absorbance spectrum)을 분해하여 기본 타겟 분자 흡수 특징을 드러내 보이도록 프로그램되는, 센서.
36. 제 33 조항에 있어서,
상기 중앙 처리 유닛은 또한 확산 반사 스펙트럼을 흡광도로 변환하도록 프로그램되는, 센서.
37. 제 36 조항에 있어서,
상기 흡광도는 다른 분자 흡수와 겹치지 않고 존재하는 상이한 스펙트럼 영역에서 동작하는 인접 어레이 셀로부터의 정보를 사용함으로써 디커플링된 복수의 개별 흡광도 스펙트럼 컴포넌트들을 포함하는 수집된 흡광도 스펙트럼을 포함하는, 센서.
38. 제 37 조항에 있어서,
상기 중앙 처리 유닛은 또한 하나 초과의 타겟 분자의 흡수 스펙트럼 특징이 겹치는 스펙트럼 영역에서 기준선을 교정하고 제거하도록 프로그램되는, 센서.
39. 제 38 조항에 있어서,
상기 중앙 처리 유닛은 또한 상기 개별 흡광도 스펙트럼 컴포넌트들 중 적어도 하나를 사용하여 교정된 농도 레벨을 결정하도록 프로그램되는, 센서.
40. 제 39 조항에 있어서,
상기 교정된 농도 레벨은 주어진 파장에서 복수의 개별 분자들 각각의 개별 흡광도 값 및 교정된 감쇠 계수에 기초하여 결정되는, 센서.
41. 제 33 항 내지 제 39 항 중 어느 한 조항에 있어서,
상기 중앙 처리 유닛은 또한 특정 샘플 부피와 상관없이 타겟 분자 농도를 결정하도록 프로그램되는, 센서.
42. 피험자의 혈액 구성성분 농도 레벨을 실시간으로 모니터링하기 위한 레이저 기반 센서 시스템 온 칩으로서,
튜닝가능형 하이브리드 lll-V/IV 센서; 및
상기 레이저 센서에 커플링된 광학 인터페이스 - 상기 광학 인터페이스는 빔 성형 광학계를 포함함 - 를 포함하고,
사용 중에 상기 레이저 센서는 상기 피험자로부터 멀리 떨어져 있으며, 상기 광학 인터페이스는 상기 피험자의 피부 또는 외곽 조직을 통해 상기 피험자의 혈액 샘플을 비침습적으로 조명하도록 구성되는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
43. 셀들의 어레이를 포함하는 센서로서,
각각의 셀은 제 42 항의 레이저 기반 센서 시스템 온 칩을 포함하고, 각각의 어레이 셀은 상이한 스펙트럼 영역 및 별개의 타겟 분자를 타겟으로 하는, 센서.
44. 제 43 조항에 있어서,
각각의 어레이 셀의 개별 출력은 상기 피험자의 단일 영역을 조명하도록 포커싱되며, 각각의 반사된 신호는 상기 빔 성형 광학계에 의해 상기 조명된 영역으로부터 수집되는, 센서 어레이.
45. 제 42 조항에 있어서,
상기 빔 성형 광학계는 적어도 하나의 광학 요소를 포함하는, 센서 어레이.
46. 제 45 조항에 있어서,
상기 광학 요소는 렌즈, 한 세트의 거울 및 포물선 거울 중 적어도 하나를 포함하는, 센서 어레이.
47. 피험자의 혈액 구성성분 레벨의 실시간 모니터링 방법으로서,
시스템 온 칩 -
튜닝가능형 하이브리드 lll-V/IV 레이저 센서,
상기 레이저 센서에 커플링된 광섬유 인터페이스 - 상기 표면은 프로브, 센서 제어 및 신호 처리를 위한 센서 제어 전자 장치를 포함함 -, 및,
상기 레이저 센서를 상기 피험자와 멀리 떨어지게 배치하고 상기 프로브가 상기 피험자와 광학 통신하게 배치하는 신호 처리 마이크로 컨트롤러를 포함함 - 을 제공하는 단계;
상기 시스템 온 칩에게 스위프된 레이저 신호를 상기 광섬유 인터페이스로 전송함으로써 상기 피험자의 상기 혈액 구성성분 레벨을 모니터링하도록 지시하는 단계;
상기 신호를 상기 광섬유 인터페이스를 이용하여 상기 피험자의 상기 혈액으로 안내하는 단계;
상기 신호가 상기 혈액과 상호작용한 이후에, 상기 광섬유 인터페이스를 이용하여 상기 혈액으로부터 반사된 신호를 수집하는 단계;
상기 반사된 신호 - 상기 반사된 신호는 광학 신호임 - 를 반사광 포토다이오드로 안내하는 단계;
상기 반사된 신호를 광학 신호로부터 전기 신호로 변환하는 단계; 및
상기 전기 신호를 상기 마이크로 제어기를 이용하여 처리하여 상기 전기 신호를 교정된 혈액 구성성분 레벨로 변환하는 단계를 포함하는, 피험자의 혈액 구성성분 레벨의 실시간 모니터링 방법.
48. 제 47 조항에 있어서,
상기 프로브는 침습 혈액 분석물 농도 레벨 측정을 위한 정맥 내 광학 카테터 또는 동맥 내 광학 카테터 중 적어도 하나에 연결되는, 피험자의 혈액 구성성분 레벨의 실시간 모니터링 방법.
49. 제 47 조항에 있어서,
상기 광학 인터페이스는 비침습 혈액 분석물 농도 레벨 측정을 위해 상기 피험자에 부착되는, 피험자의 혈액 구성성분 레벨의 실시간 모니터링 방법.
50. 제 47 조항에 있어서,
상기 혈액 구성성분은 젖산, 알부민, 포도당, 암모니아, 크레아티닌 및 우레아로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 피험자의 혈액 구성성분 레벨의 실시간 모니터링 방법.

Claims (50)

  1. 피험자의 혈액 구성성분 농도 레벨을 실시간으로 모니터링하기 위한 레이저 기반 센서 시스템 온 칩(laser-based sensor system-on-a-chip)으로서,
    튜닝가능형 하이브리드 lll-V/IV 레이저 센서(tunable hybrid lll-V/IV laser sensor); 및
    상기 레이저 센서에 연결된 광섬유 인터페이스 - 상기 인터페이스는 프로브를 포함함 -
    를 포함하고,
    사용 중에 상기 레이저 센서는 상기 피험체로부터 멀리 떨어져 있고, 상기 프로브는 상기 피험자와 광학 통신하는 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 IV는, 실리콘, 실리콘 온 절연체(silicon-on-insulator), 실리콘 질화물 온 실리콘 온 절연체(silicon nitride on silicon-on-insulator), 게르마늄 온 절연체(germanium-on-insulator) 및 실리콘 질화물 온 실리콘(silicon nitride on silicon)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 IV 기반 반도체 기판을 포함하는 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜닝가능형 레이저 센서는, III-V 이득 칩(lll-V gain-chip) 및 IV 기반 기판 상에 배치된 광자 통합 회로(photonic integrated circuit)를 포함하고, 상기 광자 통합 회로는, (i) 버니어 효과(Vernier effect) 효과에 기초하여 파장 필터링 및 튜닝 기능을 수행하도록 구성되고, (ii) 상기 lll-V 이득 칩에 대한 외부 캐버티를 규정하는 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광자 통합 회로는, 스폿 사이즈 모드 변환기(spot-size mode converter), 위상 제어 섹션, 및 제 2 자유 스펙트럼 범위를 갖는 제 2 공진기에 커플링된 제 1 자유 스펙트럼 범위를 갖는 제 1 공진기를 포함한 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 공진기와 상기 제 2 공진기는, 마이크로 링 공진기(micro ring resonator), 샘플링된 브래그 반사기(sampled Bragg reflector), 및 분산 피드백 반사기(distributed feedback reflector)로 구성된 그룹으로부터 선택된 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 자유 스펙트럼 범위는 상기 제 2 자유 스펙트럼 범위와 상이한 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 커플링된 제 1 공진기와 제 2 공진기, 상기 III-V 이득 칩, 스폿 사이즈 모드 변환기, 및 위상 제어 섹션은 상기 튜닝가능형 레이저 센서의 버니어 효과 기반 튜닝을 가능할 수 있게 하기 위해 협력하는 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 튜닝가능형 레이저 센서는, 동작시 전류 또는 열 중 적어도 하나를 상기 커플링된 공진기 중 적어도 하나에 인가하여 상기 커플링된 공진기의 유효 굴절율을 변화시킴으로써 상기 이득 칩에 의해 생성된 레이저의 파장의 변화를 가져오도록 구성된 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 III-V 이득 칩은 상기 광자 통합 회로에 에지 커플링된 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 III-V 이득 칩은 격자 커플러(grating coupler)에 의해 상기 광자 통합 회로에 커플링된 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 센서는 플립 칩 본딩, 접착, 전사 인쇄 기술, 또는 사이드 커플링(side coupling )중 적어도 하나에 의해 광자 통합 회로에 커플링된 적어도 하나의 lll-V 포토다이오드를 포함한 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜닝가능형 레이저 센서로부터 원격으로 배치된 이산 lll-V 포토다이오드를 더 포함하고, 사용시, 상기 피험자로부터의 반사된 신호는 상기 이산 III-V 포토다이오드에 의해 수집되는 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 광자 통합 회로는 신호 및 파장 모니터링 섹션을 포함한 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 신호 및 파장 모니터링 섹션은, (i) 한 세트의 마하 젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer) 또는 커플링된 링 공진기 중 적어도 하나, 및 (ii) 적어도 하나의 플립 칩(flip-chip) lll-V 포토다이오드를 포함한 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 레이저 센서는,
    센서 제어 전자 장치; 및
    신호 처리 마이크로 제어기
    를 더 포함하고,
    상기 마이크로 제어기는, (i) 레이저 구동 전자 장치를 제어하고, (ii) 전류를 튜닝하고, (iii) 상기 파장 및 신호 모니터 섹션으로부터의 정보를 사용하여 상기 이산 III-V 포토다이오드로부터 획득된 데이터를 신호 처리하도록 구성된 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 센서는 시간의 함수로서 튜닝 범위에 걸쳐 파장 스위프(wavelength sweep)를 수행하도록 구성되며, 상기 레이저 센서는 상기 피험자로부터 반사된 광을 전기 신호로 변환하도록 구성된 포토다이오드를 포함한 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유 인터페이스는 광학 카테터에 연결되고, (i) 상기 센서로부터 상기 피험자의 혈액으로 광 신호를 투과시키고; (ii) 상기 피시험자의 혈액으로부터 반사된 광을 상기 센서로 투과시키도록 구성된 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유 인터페이스는 상기 피험자의 피부 또는 외곽 조직을 통해 상기 피험자의 혈액 샘플을 비침습적으로 조명하도록 구성된 빔 성형 광학계와 광학 통신하는 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  19. 피험자의 혈액 구성성분 농도 레벨을 실시간으로 모니터링하기 위한 레이저 기반 센서 시스템 온 칩을 제조하는 방법으로서,
    lll-V 반도체 이득 칩을 제조하고, CMOS 기술에 의해 IV족 기반 반도체 기판(group IV semiconductor substrate) 상에 광자 통합 회로를 제조하여 IV족 반도체 칩을 규정하고, 상기 lll-V 이득 칩과 상기 IV족 반도체 칩을 하이브리드로 통합함으로써, 튜닝가능형 하이브리드 lll-V/IV 레이저 센서를 제조하는 단계 - 상기 광자 통합 회로는, (i) 버니어 효과에 기초하여 파장 필터링 및 튜닝 기능을 수행하도록 구성되고, (ii) 상기 lll-V 이득 칩에 대한 외부 캐버티를 규정함 -; 및
    광섬유 인터페이스 - 상기 인터페이스는 프로브를 포함함 - 를 상기 레이저 센서에 커플링하는 단계
    를 포함하고,
    사용 중에 상기 레이저 센서는 상기 피험자로부터 멀리 떨어져 있고, 상기 프로브는 상기 피험자와 광학 통신하는 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 III-V 이득 칩과 상기 IV족 반도체 칩을 하이브리드로 통합하는 단계는, 상기 III-V 이득 칩을 상기 IV족 반도체 칩에 에지 커플링하는 단계, 상기 두 칩들을 능동적으로 정렬하는 단계, 및 상기 두 칩들을 함께 접착하는 단계를 포함한 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 칩들을 하이브리드로 통합하는 단계는, 상기 III-V 이득 칩 p-측을 아래쪽으로 뒤집는 단계, 및 상기 이득 칩을 상기 IV족 반도체 칩에서 규정된 트렌치에 본딩하여 상기 광자 통합 회로에 에지 커플링하는 단계를 포함한 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 III-V 반도체 이득 칩을 제조하는 단계는, MBE 또는 MOVPE 성장 중 적어도 하나에 의해 기판 상에 레이저 층 구조물을 에피택셜 성장시키는 단계를 포함한 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 기판 상의 상기 레이저 층 구조물을 미리 규정된 도파관 각도 및 접점 패드를 포함하는 이득 칩 디바이스 쪽으로 가공하는 단계
    를 더 포함하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 기판 상의 상기 레이저 층 구조물을 바아(bar)로 절단하는 단계
    를 더 포함하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    출력 면(output facet) 상에 반사 방지 코팅을 형성하는 단계
    를 더 포함하고, 전력 반사는 상기 출력 면에서 0.1 % 미만인 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    후면(back facet) 상에 고 반사율 코팅을 형성하는 단계
    를 더 포함하고, 전력 반사율은 상기 후면 상에서 적어도 90 % 이상인 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    각각의 바아를 복수의 개별 lll-V 반도체 이득 칩들로 절단하는 단계
    를 더 포함하는, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 III-V 이득 칩의 특성에 따라 광자 통합 회로를 설계하는 단계
    를 더 포함하고, 상기 광자 통합 회로는 스폿 크기 변환기 및 버니어 필터 중 적어도 하나를 포함한 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩 제조 방법.
  29. 셀들의 어레이를 포함하는 센서로서,
    각각의 셀은 제 1 항의 레이저 기반 센서 시스템 온 칩을 포함하고, 각각의 어레이 셀은 상이한 스펙트럼 영역 및 별개의 타겟 분자를 타겟으로 하는 것인, 센서.
  30. 제 29 항에 있어서,
    각각의 어레이 셀의 파장 스위프된 레이저 신호(wavelength swept laser signal)는 상이한 시간에 방출되며, 단일 포토다이오드와의 동기화된 검출에 의해 신호 수집이 실현되는 것인, 센서.
  31. 제 29 항에 있어서,
    (i) 상기 광섬유 인터페이스는 코어를 갖는 아웃 커플링 섬유(out-coupling fiber)를 포함하고, (ii) 상기 어레이의 출력은 상기 시스템 온 칩의 동일 부분으로 라우팅된 상기 개별 어레이 셀들로부터의 격자 커플러들의 그룹에 의해 형성되며, 상기 격자 커플러 그룹에 의해 규정된 전체 면적은 상기 아웃 커플링 섬유 코어의 단면적보다 작은 것인, 센서.
  32. 제 29 항에 있어서,
    단일 출력 섹션;
    상기 어레이 셀의 출력과 단일 포토다이오드 사이를 스위칭하도록 구성된 파장 스위치
    를 더 포함하고,
    (ii) 상기 센서 어레이의 출력은 상기 단일 출력 섹션 및 상기 파장 스위치에 의해 형성되고, (ii) 각각의 개별 셀의 출력들 사이를 스위칭함으로써 하나의 어레이 셀의 단일 출력이 주어진 시간에서 상기 타겟과 아웃 커플링되게 하며; (iii) 상기 단일 포토다이오드와의 동기화된 검출에 의해 신호 수집이 실현되는 것인, 센서.
  33. 제 29 항에 있어서,
    (i) 적어도 하나의 어레이 셀은 ~1460 nm, ~1900-2000 nm 및 ~3000 nm 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물 흡수 피크에 대응하는 스펙트럼 영역을 타겟으로 하며, (ii) 적어도 하나의 다른 어레이 셀은 혈액 구성성분 타겟 분자의 적어도 하나의 흡수 피크에 대응하는 스펙트럼 영역을 타겟으로 하는 것인, 센서.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 어레이 셀로 측정된 상기 적어도 하나의 물 흡수 피크에 기초하여 물 농도 레벨 및 물 흡수 스펙트럼을 결정하도록 프로그램된 적어도 하나의 중앙 처리 유닛
    을 더 포함하는, 센서.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 중앙 처리 유닛은 또한, 기준선(baseline)을 제거하고 상기 적어도 하나의 어레이 셀에 인접한 어레이 셀에 의해 커버되는 스펙트럼 영역에서 복잡한 흡광도 스펙트럼을 분해하여 기본 타겟 분자 흡수 특징을 드러내 보이도록 프로그램된 것인, 센서.
  36. 제 33 항에 있어서,
    상기 중앙 처리 유닛은 또한, 확산 반사 스펙트럼을 흡광도로 변환하도록 프로그램된 것인, 센서.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 흡광도는 다른 분자 흡수와 겹치지 않고 존재하는 상이한 스펙트럼 영역에서 동작하는 인접 어레이 셀로부터의 정보를 사용함으로써 디커플링된 복수의 개별 흡광도 스펙트럼 컴포넌트들을 포함하는 수집된 흡광도 스펙트럼을 포함한 것인, 센서.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 중앙 처리 유닛은 또한, 하나 초과의 타겟 분자의 흡수 스펙트럼 특징이 겹치는 스펙트럼 영역에서 기준선을 교정하고 제거하도록 프로그램된 것인, 센서.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 중앙 처리 유닛은 또한, 상기 개별 흡광도 스펙트럼 컴포넌트들 중 적어도 하나를 사용하여 교정된 농도 레벨을 결정하도록 프로그램된 것인, 센서.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 교정된 농도 레벨은 주어진 파장에서 복수의 개별 분자들 각각의 개별 흡광도 값 및 교정된 감쇠 계수에 기초하여 결정된 것인, 센서.
  41. 제 33 항 내지 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙 처리 유닛은 또한 특정 샘플 부피와 상관없이 타겟 분자 농도를 결정하도록 프로그램된 것인, 센서.
  42. 피험자의 혈액 구성성분 농도 레벨을 실시간으로 모니터링하기 위한 레이저 기반 센서 시스템 온 칩으로서,
    튜닝가능형 하이브리드 lll-V/IV 센서; 및
    상기 레이저 센서에 커플링된 광학 인터페이스 - 상기 광학 인터페이스는 빔 성형 광학계를 포함함 -
    를 포함하고,
    사용 중에 상기 레이저 센서는 상기 피험자로부터 멀리 떨어져 있으며, 상기 광학 인터페이스는 상기 피험자의 피부 또는 외곽 조직을 통해 상기 피험자의 혈액 샘플을 비침습적으로 조명하도록 구성된 것인, 레이저 기반 센서 시스템 온 칩.
  43. 셀들의 어레이를 포함하는 센서로서,
    각각의 셀은 제 42 항의 레이저 기반 센서 시스템 온 칩을 포함하고, 각각의 어레이 셀은 상이한 스펙트럼 영역 및 별개의 타겟 분자를 타겟으로 하는 것인, 센서.
  44. 제 43 항에 있어서,
    각각의 어레이 셀의 개별 출력은 상기 피험자의 단일 영역을 조명하도록 포커싱되며, 각각의 반사된 신호는 상기 빔 성형 광학계에 의해 상기 조명된 영역으로부터 수집된 것인, 센서 어레이.
  45. 제 42 항에 있어서,
    상기 빔 성형 광학계는 적어도 하나의 광학 요소를 포함한 것인, 센서 어레이.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 광학 요소는, 렌즈, 한 세트의 거울 및 포물선 거울 중 적어도 하나를 포함한 것인, 센서 어레이.
  47. 피험자의 혈액 구성성분 레벨의 실시간 모니터링 방법으로서,
    시스템 온 칩을 제공하는 단계 -
    상기 시스템 온 칩은,
    튜닝가능형 하이브리드 lll-V/IV 레이저 센서,
    상기 레이저 센서에 커플링된 광섬유 인터페이스 - 상기 표면은 프로브, 센서 제어 및 신호 처리를 위한 센서 제어 전자 장치를 포함함 -, 및
    상기 레이저 센서를 상기 피험자와 멀리 떨어지게 배치하고, 상기 프로브를 상기 피험자와 광학 통신하도록 배치하는 신호 처리 마이크로 컨트롤러
    를 포함함 -;
    상기 시스템 온 칩에게 스위프된 레이저 신호를 상기 광섬유 인터페이스로 전송함으로써 상기 피험자의 상기 혈액 구성성분 레벨을 모니터링하도록 지시하는 단계;
    상기 신호를 상기 광섬유 인터페이스를 이용하여 상기 피험자의 상기 혈액으로 안내하는 단계;
    상기 신호가 상기 혈액과 상호작용한 이후에, 상기 광섬유 인터페이스를 이용하여 상기 혈액으로부터 반사된 신호를 수집하는 단계;
    상기 반사된 신호를 반사광 포토다이오드로 안내하는 단계 - 상기 반사된 신호는 광학 신호임 -;
    상기 반사된 신호를 광학 신호로부터 전기 신호로 변환하는 단계; 및
    상기 전기 신호를 상기 마이크로 제어기를 이용하여 처리하여 상기 전기 신호를 교정된 혈액 구성성분 레벨로 변환하는 단계
    를 포함하는, 피험자의 혈액 구성성분 레벨의 실시간 모니터링 방법.
  48. 제 47 항에 있어서,
    상기 프로브는 침습 혈액 분석물 농도 레벨 측정을 위한 정맥 내 광학 카테터 또는 동맥 내 광학 카테터 중 적어도 하나에 연결된 것인, 피험자의 혈액 구성성분 레벨의 실시간 모니터링 방법.
  49. 제 47 항에 있어서,
    상기 광학 인터페이스는 비침습 혈액 분석물 농도 레벨 측정을 위해 상기 피험자에 부착된 것인, 피험자의 혈액 구성성분 레벨의 실시간 모니터링 방법.
  50. 제 47 항에 있어서,
    상기 혈액 구성성분은 젖산, 알부민, 포도당, 암모니아, 크레아티닌 및 우레아로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것인, 피험자의 혈액 구성성분 레벨의 실시간 모니터링 방법.
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