TW201901150A - 用於即時監測血液組成濃度之可調式混合iii-v/ iv雷射感測器系統晶片 - Google Patents

用於即時監測血液組成濃度之可調式混合iii-v/ iv雷射感測器系統晶片 Download PDF

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Abstract

本發明係關於基於混合III-V/IV系統晶片技術之光譜雷射感測器。該雷射感測器經構形以(i)與連結至靜脈內/動脈內光學導管之光纖探針一起用於直接侵入性血液分析物濃度量測，或(ii)用於經由附接至例如人類之皮膚或指甲床之光學界面以非侵入性方式量測血液分析物濃度。該感測器包含III-V增益晶片及光子積體電路，其中在晶片上藉由組合基於IV之半導體基板及基於AlGaInAsSb/GaSb之倒裝晶片光檢測器以及用於信號處理之嵌入式電子器件來實現雷射波長濾波、雷射波長調諧、雷射波長監測、雷射信號監測及信號輸出區段。本發明實施例可應用於即時監測關鍵血液分析物濃度。

Description

用於即時監測血液組成濃度之可調式混合III-V/ IV雷射感測器系統晶片
本發明實施例概言之係關於基於混合III-V/IV系統晶片技術之基於半導體之光譜感測器，其用於即時性連續監測人體中之血液分析物濃度(例如監測血液乳酸鹽及血糖之濃度)。
根據美國臨床化學協會(American Association for Clinical Chemistry，AACC)，血液分析物(例如葡萄糖、乳酸鹽、尿素、肌酸酐、氨、白蛋白及其他物質)可視為危急護理醫學中之最重要血液分析物，需要監測該等分析物以診斷及治療諸如敗血症、器官功能障礙及衰竭、低氧症、糖尿病、去水及其他症狀等之危急病例。
在一些病例(例如敗血症，其具有超高30%之高死亡率)中，時間係關鍵因素且即時監測重要血液分析物(例如乳酸鹽)至關重要且可直接影響患者之存活性。據報導，在敗血症之情形下，每延遲治療一小時死亡率即增加8%；因此，即時診斷至關重要。僅在美國，敗血症獨自引起超高250 000個導致死亡之病例，其在美國係第三最常見死亡病因。此外，敗血症在2014年於美國醫院中具有最昂貴住院成本，每年接近24十億美元。參見www.sepsis.com/definition及http://www.sepsis.org/faq/，該等信息係於2017年3月10日存取且其全部內容以引用方式併入本文中。即時診斷敗血症且進行適當治療係可拯救患者生命之關鍵因素。乳酸鹽係敗血症情形下之預後標記物且即時監測血液乳酸鹽含量對於早期警告以及治療有效性較為關鍵。
早期工作已報導各種監測技術(包含利用光者)。參見美國專利公開案第2014/0176958號及第2012/0226118號及美國專利第6,442,413號及第5,945,676號，該等專利之全部內容以引用方式併入本文中。然而，該等報導系統可植入，使用移動部件(例如MEMS鏡)，及/或使用與III-V/IV技術不相關之寬帶源。可植入感測器通常攜帶與生物相容性相關之額外風險及額外感染風險且其受限於用於直接監測之植入位置，此可為一些應用中之限制因素。寬帶源具有較差光譜功率密度且需要複雜波長識別方案，例如波導陣列及光檢測器陣列(2×12或類似於美國專利公開案第2012/0226118號)。
本發明實施例之感測器可進入具有光纖界面之現有血管內(亦即靜脈內或動脈內)導管中，由此容許感測器用於直接即時量測血液代謝物含量。此尤其可用於血液代謝物濃度準確度較為關鍵之危急護理(例如加護)病房及手術室中，且尤其用於血液代謝物含量可身體內有所不同之特定病例(例如敗血症)。
本文所闡述構形之實施例提供顯著優點。舉例而言，現有乳酸鹽含量量測方法通常係在定點護理或遠程實驗室測試處實施。此使得測試周轉時間介於數分鐘至數小時之間。特定而言，定點護理測試通常需要數分鐘周轉時間來進行非即時測試，亦即，必須自患者抽取血液並藉由提供單一數據點之儀器進行處理。根據本發明實施例，即時量測容許在一定時間段內連續收集多個數據點，從而提供可對於評估治療有效性極其重要之歷史趨勢之重要資訊。
對於準確度較不關鍵且身體內之血液代謝物含量差異較不顯著之應用而言(例如在競技及職業運動之情形下)，可使用自外側經由組織發送光之非侵入性解決方案。後一解決方案可在醫學診所中作為早期警告系統與其他現有量測(例如血氧測定法)一起用於加護病房(ICU)及手術室外部之患者且對患者並無過量負擔。此外，改良該等複雜病例(如敗血症)之早期警告預防預計可節約顯關於治療及住院之大量成本。
本發明實施例包含基於以III-V/IV技術實現之廣泛可調式雷射概念之感測器，III-V係指基於AlGInNAsSbP及其不同組合之半導體材料且由通常熟習此項技術者稱為III-V半導體。IV係指基於第IV族之半導體基板及其技術平臺(例如矽、絕緣體上矽(SOI)、絕緣體上鍺(GOI)、矽上鍺、矽上氮化矽、絕緣體上氮化矽及絕緣體上矽上氮化矽)。第IV族技術所使用之製程係用於微電子工業中之標準工業CMOS製作步驟且容許實現基於第IV族材料及其衍生物之光子積體電路。不可植入性感測器不具有任何移動機械部件，且藉助雷射吸收光譜術來直接即時量測血液代謝物濃度。實例性廣泛可調式雷射可藉由基於GaSb之增益晶片主動介質及外部濾波器(在矽、氮化矽、絕緣體上矽、絕緣體上矽上氮化矽、絕緣體上氮化矽或絕緣體上鍺平臺晶片中實現)之混合組合來製得。例如參見R. Wang等人，Optics Express, 24 (25), 28977-28986 (2016)，該文獻之全部內容以引用方式併入本文中。 將此雷射與簡單波長控制電路及數個用於檢測信號之基於GaSb之光二極體組合以提供高信號光亮度且由此提供高敏感性。
在一態樣中，本發明實施例係關於用於即時監測個體中之血液組成濃度之基於雷射之感測器系統晶片。系統晶片包含(i)可調式混合III-V/IV雷射感測器；及(ii)耦合至雷射感測器之光纖界面，該界面包含探針。在使用期間，雷射感測器遠離個體且探針與個體光學通信。
可包含下列特徵中之一或多者。IV包含基於第IV族之半導體基板，例如矽、絕緣體上矽、絕緣體上矽上氮化矽、絕緣體上鍺及矽上氮化矽。可調式雷射感測器可包含III-V增益晶片及光子積體電路(其佈置於第IV族半導體(例如絕緣體上矽、氮化矽、絕緣體上矽上氮化矽、矽上鍺或絕緣體上鍺基板)上)，光子積體電路(i)經構形以基於標效應(Vernier effect)實施波長濾波及調諧功能且(ii)定義III-V增益晶片之外腔。
光子積體電路可包含光點大小模態轉換器、相控制區段及具有第一自由光譜範圍之第一共振器，該第一共振器耦合至具有第二自由光譜範圍之第二共振器。第一共振器及第二共振器可為(例如)微環共振器、取樣布拉格反射器(sampled Bragg reflector)或分布式回饋反射器。第一自由光譜範圍可不同於第二自由光譜範圍。
耦合之第一共振器及第二共振器、III-V增益晶片、光點大小模態轉換器及相控制區段可協同運作以使得可調式雷射感測器能夠進行基於標效應之調諧。可構形可調式雷射感測器，從而在操作時，將電流或熱量中之至少一者施加至至少一個耦合共振器以改變其有效折射率可使得改變由增益晶片生成之雷射波長。
III-V增益晶片可(例如)藉由光柵耦合器邊緣耦合至光子積體電路。
雷射感測器可包含至少一個藉由倒裝晶片結合、膠黏、轉移印刷技術或側耦合中之至少一者耦合至光子積體電路之III-V光二極體。
離散III-V光二極體可遠離可調式雷射感測器進行佈置，其中在使用時，藉由離散III-V光二極體收集來自個體之反射信號。光子積體電路可包含信號及波長監測區段。信號及波長監測區段可包含(i)一組馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer)或耦合環共振器中之至少一者，及(ii)至少一個倒裝晶片III-V光二極體。雷射感測器可進一步包含雷射驅動電子裝置及信號處理微控制器。微控制器可經構形以(i)控制雷射驅動電子裝置，(ii)調諧電流，且(iii)使用來自波長及信號監測區段之資訊來對自離散III-V光二極體獲得之數據進行信號處理。
雷射感測器可經構形以隨時間變化在調諧範圍內實施波長掃掠，且雷射感測器可包含經構形以將自個體反射之光轉換成電信號之光二極體。
光纖界面可連結至光學導管且經構形以(i)將來自感測器之光信號傳輸至個體血液且(ii)將來自個體血液之反射光傳輸至感測器。
光纖界面可與光束塑形光學器件光學通信，該光束塑形光學器件經構形以經由個體之皮膚或外組織以非侵入性方式照射個體血樣。
在另一態樣中，本發明實施例係關於製造可調式混合III-V/IV雷射感測器之方法。該方法包含以下步驟：(i)製造III-V半導體增益晶片；(ii)藉由CMOS技術在基於IV之半導體基板上製作光子積體電路以界定第IV族半導體晶片；及(iii)以混合方式整合III-V增益晶片及第IV族半導體晶片。光子積體電路經構形以基於標效應來實施波長濾波及調諧功能，且定義III-V增益晶片之外腔。
可包含下列特徵中之一或多者。以混合方式整合III-V增益晶片及第IV族半導體晶片可包含將III-V增益晶片邊緣耦合至第IV族半導體晶片，有效對準兩個晶片，且將兩個晶片膠黏至一起。
以混合方式整合晶片可包含使III-V增益晶片p側向下翻轉且使增益晶片結合至第IV族半導體晶片中所界定之溝槽以邊緣耦合至光子積體電路。
III-V半導體增益晶片之製造可包含藉由MBE或MOVPE生長中之至少一者在基板上磊晶生長雷射層結構。
可將基板上之雷射層結構處理成包含預定波導角度及接觸墊之增益晶片裝置。
可將基板上之雷射層結構切割成條。可將該等條切割成複數個個別III-V半導體增益晶片。
可在輸出小面上形成抗反射塗層，其中輸出小面處之功率反射小於0.1%。可在背部小面上形成高反射率塗層，其中背部小面上之功率反射率為至少90%或更高。
可根據III-V增益晶片之性質來設計光子積體電路，光子積體電路包括光點大小轉換器及標濾波器中之至少一者。
感測器可包含單元陣列，每一單元包含如上文所闡述之基於雷射之感測器系統晶片，每一陣列單元靶向不同光譜區及個別靶分子。
可在不同時間發射每一陣列單元之波長掃掠雷射信號，且可藉由同步檢測使用單一光二極體來實現信號收集。
光纖界面可包含具有核心之輸出耦合光纖。可藉由一組自個別陣列單元路由至系統晶片之相同部分之光柵耦合器來形成陣列之輸出。由光柵耦合器組界定之總面積小於輸出耦合光纖核心之橫截面面積。
感測器可進一步包含單一輸出區段、經構形以在陣列單元之輸出之間切換之波長切換器及單一光二極體。感測器陣列之輸出係藉由單一輸出區段及波長切換器所形成。在每一個別單元之輸出之間切換使得一個陣列單元之單一輸出在給定時間下輸出耦合至靶。使用單一光二極體藉由同步檢測來實現信號收集。
所主張感測器可包含至少一個靶向對應於至少一個選自由以下組成之群之水吸收峰之光譜區的陣列單元：約1460 nm、約1900 - 2000 nm及約3000 nm，及(ii)至少一個靶向對應於血液組成靶分子之至少一個吸收峰之光譜區之其他陣列單元。
感測器可進一步包含至少一個經程式化以測定水濃度及水吸收光譜(基於使用至少一個陣列單元量測之至少一個水吸收峰)之中央處理單元。
中央處理單元可進一步經程式化以去除基線且分解由毗鄰至少一個陣列單元之陣列單元涵蓋之光譜區中之複雜吸收光譜以揭示潛在靶分子吸收特徵。
中央處理單元可進一步經程式化以將漫反射光譜轉換成吸光度。吸光度可包含具有複數個個別吸收光譜分量之所收集吸光度光譜，該等分量係藉由使用來自在不同光譜區(其中不存在與其他分子吸收之重疊)中操作之毗鄰陣列單元之資訊去耦合。中央處理單元可進一步經程式化以校正且去除一種以上靶分子之吸收光譜特徵重疊之光譜區中之基線。中央處理單元可進一步經程式化以使用至少一種個別吸收光譜分量來測定校準濃度。可基於個別吸光度值及複數種個別分子中之每一者在給定波長下之經校準衰減係數來測定校準濃度。中央處理單元可進一步經程式化以獨立於特定試樣體積來測定靶分子濃度。
在另一態樣中，本發明實施例係關於用於即時監測個體中之血液組成濃度之基於雷射之感測器系統晶片。系統晶片包含(i)可調式混合III-V/IV雷射感測器；及(ii)耦合至雷射感測器之光學界面，該界面包含光束塑形光學器件。在使用期間，雷射感測器遠離個體且光學界面經構形以經由個體之皮膚或外組織以非侵入性方式照射個體之血樣。
可包含下列特徵中之一或多者。感測器可包含單元陣列，每一單元包括如上文所闡述包含可調式雷射感測器及光學界面之基於雷射之感測器系統晶片。每一陣列單元可靶向不同光譜區及個別靶分子。
可聚焦每一陣列單元之個別輸出以照射個體之單一區域，且藉由光束塑形光學器件自照射區域收集每一反射信號。光束塑形光學器件可包含至少一個光學元件，例如透鏡、一組鏡子及/或抛物面鏡。
在再一態樣中，本發明實施例係關於即時監測個體中之血液組成含量之方法，其包含提供系統晶片。系統晶片包含可調式混合III-V/IV雷射感測器、耦合至雷射感測器之光纖界面(該表面包含探針)、用於感測器控制及信號處理之感測器控制電子裝置及信號處理微控制器。雷射感測器佈置於遠離個體處且探針與個體光學通信。藉由將掃掠雷射信號發送至光纖界面來引導系統晶片監測個體中之血液組成含量。使用光纖界面將信號引導至個體血液中。在信號與血液相互作用之後，光纖界面自血液收集反射信號。將反射信號引導至反射光光二極體，反射信號係光學信號。藉由感測器控制電子裝置將反射信號自光學信號轉換成電信號。使用微控制器處理電信號以將電信號轉換成經校準血液組成含量。
可包含下列特徵中之一或多者。探針可連結至靜脈內光學導管或動脈內光學導管中之至少一者以用於侵入性血液分析物濃度量測。光學界面可附接至個體以用於非侵入性血液分析物濃度量測。血液組成可包含(例如)乳酸鹽、白蛋白、葡萄糖、氨、肌酸酐及/或尿素或基本上由其組成。
相關申請案 本申請案主張以下申請案之優先權權益：2017年5月22日提出申請之美國臨時申請案第62/509,301號、2017年8月1日提出申請之美國臨時申請案第62/539,759號及2017年12月6日提出申請之美國臨時申請案第62/595,283號，其中之每一者之全部內容以引用方式併入本文中。
本發明實施例包含用於即時連續血液組成監測之混合III-V/IV系統晶片感測器。所闡述實施例容許實現用於血液組成(例如乳酸鹽、白蛋白、葡萄糖、氨、肌酸酐、尿素等)之直接分子感測之寬波長掃掠之基於雷射之感測器，該等感測器在單一晶片上具有波長、相及功率控制且在紅外波長範圍內並無任何移動部件。使用直接雷射吸收光譜術藉由掃描靶分子吸收帶中之雷射波長來實施感測。因光譜吸收印記對個別分子具有獨特性，故所闡述實施例具有直接感測之優點。
使用混合半導體技術，其中在III-V半導體結構中以增益晶片或半導體光學放大器之形式來實現主動增益介質，該增益晶片或半導體光學放大器耦合至實現於基於第IV族之半導體基板(例如矽、絕緣體上矽(SOI)、絕緣體上鍺(GOI)、矽上鍺、矽上氮化矽、氮化絕緣體上矽、絕緣體上矽上氮化矽)上之被動光子積體電路。第IV族技術所使用之製程係用於微電子工業中之標準工業CMOS製作步驟且容許實現基於第IV族材料及其衍生物之光子積體電路。此方式使得所闡述感測器技術能夠對於大眾市場應用(例如個性化健康監測、藉助可穿戴技術之競技或藉由進入夾固式非侵入性床邊系統進行之個體患者健康監測)而言可擴展、形狀因子極低、成本較低且較為適用。另外，準確感測器可藉由進入光纖基質血管內光學導管或其他用於直接接觸患者血液之侵入性探針來提供有價值資訊。
本發明實施例包含一種雷射感測器，該雷射感測器包含光子系統晶片、用於信號遞送及收集反射光之光纖界面、反射信號光二極體及用於感測器控制及信號處理之數位信號處理器(參見圖1A-1C及相關論述)。
光子系統晶片包含具有(例如) AlGaInAsSb寬帶增益晶片之寬波長可調式雷射腔，該增益晶片經設計以在1800 nm - 3500 nm波長範圍內發射且邊緣耦合至在其中實現波長調諧、濾波、監測及輸出耦合之基於第IV族半導體之光子積體電路(參見下文關於圖2之論述)。
感測器原理係基於可調式雷射吸收光譜術，其中在存在源自分子旋轉-振動狀態之分子吸收帶之光譜範圍內實施雷射波長掃掠。波長因靶分子之振動而被吸收，從而改變反射信號(光子-聲子相互作用)。隨時間變化掃掠波長。因此，與先前技術方法(例如揭示於美國專利公開案第2012/0226118號之方法)相對比，藉由單一檢測器來恢復光譜資訊。另外，波長及信號控制區段使得能夠知曉所有時間下之雷射波長調諧曲線且使得可區分基於系統之失真與基於試樣之失真。
在本發明實施例中，生成具有已知性質(確切波長、功率及調諧曲線)之光且可使其耦合至纖維，經由纖維光可耦合至試樣，其中纖維探針尖端直接接觸含有所關注分子之血液或穿過皮膚指向含有血液之血管/組織。
如下文關於圖3所論述，藉由選擇正確雷射設計，可選擇雷射發射光譜以選擇性靶向所關注分子。舉例而言，所關注分子可為乳酸鹽分子，其在約2260 nm及2300 nm下具有與C-H及O-H分子伸縮振動泛音組合帶相關之獨特光譜吸收帶。端視應用需求，外腔雷射需要經設計具有＞ 50 nm之雷射調諧帶寬以恢復特定吸收特徵之形狀。
如關於圖4所論述，所揭示基於雷射之感測器能夠以10 Hz至數kHz範圍之速率掃掠50 nm或更大帶寬中之波長且容許即時監測。基於AlGaInAsSb之增益晶片提供大於150 nm之增益帶寬且可經設計以藉由改變磊晶層設計來靶向1700 - 2500 nm內之任一中心波長。可使用其他材料(例如AlGaInAsP及AlGaInAsSbP)來進一步將波長覆蓋增寬至1000 nm - 3500 nm及更大波長。在基於第IV族半導體之光子積體電路晶片中實現波長選擇、調諧及監測。
在所闡述實施例中，波長調諧需求使得能夠以最高數kHz之速率掃掠數十nm之波長。此係藉由使得外腔能夠形成標濾波器來達成，其中具有輕微不同之自由光譜範圍值之耦合共振器耦合至一起。關於標調諧及達成其之不同方式之理論之論述可參見(例如) J. Buus, M. -C. Amann, D. J. Blumenthal, Tunable Laser Diodes and Related Optical Sources，第2版，John Willey & Sons, Inc., 2005，該文獻之全部內容以引用方式併入本文中。
該標濾波器雷射之最大調諧範圍受限於標濾波器之自由光譜範圍：(式1) 其中FSR1、2分別係第一共振器及第二共振器之自由光譜範圍。該濾波器之透射功能具有最大值(其中個別共振器之共振峰發生重疊)，從而確定雷射發射波長。藉由向至少一個共振器施加熱量及/或電流來掃掠波長，此會誘導折射率變化且由此誘導透射重疊位置。換言之，改變共振器之有效折射率可改變由增益晶片生成之雷射之波長。可藉由具有不同空腔長度之耦合微環共振器或採樣光柵分布式布拉格反射器(DBR)設計之組合來實現此一濾波器。例如參見頒予Oh等人之美國專利申請案公開案第20040228384號，其全部內容以引用方式併入本文中。
如關於圖5所論述，廣泛可調式外腔雷射可包含III-V (AlGaInAsSb、AlGaInAsP、AlGaInAsSbP、AlGaInAsNSbP等)增益晶片、光點大小模態轉換器、相移區段、具有不同自由光譜範圍值之耦合共振器、一或多個寬帶反射器及用於共振器及相移區段中之每一者之個別電熱加熱器。對於無校準操作而言，使自外腔雷射發射之雷射信號通過光束分離器。
如圖6中所展示，實例性光束分離器係1×2馬赫-曾德爾干涉儀(Mach Zehnder interferometer，MZI)，其中一個臂耦合至表面光柵耦合器(用於表面輸出耦合)或光點大小模態轉換器及端射耦合器(邊緣輸出耦合)以耦合至光纖界面，而MZI之第二臂用於將信號傳送至波長及信號控制區段，此係藉由添加呈(例如)非平衡1×2 MZI形式之額外濾波器來實現，該MZI具有已知光學路徑差異且在每一臂處具有光二極體以提供振盪轉移函數，該振盪轉移函數可用於在任一給定時刻下恢復雷射之發射波長及波長位移，由此提供雷射感測器之無校準操作。
如關於圖7所論述，亦可藉由單一耦合環共振器來實現類似波長控制，藉此可藉由使用單一光二極體監測濾波器之透射功能來恢復信號及波長控制。
在波長控制之兩個實施例中，藉由驅動電子裝置來控制系統晶片，該驅動電子裝置繼而由微處理器控制，微處理器對自波長控制及信號控制以及反射信號光二極體接收之數據進行分析並相應地調節驅動參數。此確保雷射波長掃掠功能係已知的且可在處理反射光信號時考慮使用。使用使得能夠將光二極體時間信號轉換成光譜域以恢復血液組成濃度數據之所研發算法來處理反射光信號。
用於感測器之纖維界面包含至少兩個單獨核心，其中一個核心(信號核心)用於將雷射信號自感測器傳輸至試樣且第二核心(收集核心)用於收集來自試樣之反射光且將其引導至感測器處之光二極體。可藉由表面光柵耦合器使光耦合進出系統晶片或經由端射構形進行邊緣耦合。在兩種情形下，纖維核心可為多模式或單一模式。
現參照圖1A，在本發明一實施例中，基於雷射之感測器包含混合III-V/IV光子系統晶片(SoC)10 ， 該系統晶片包含廣泛可調式雷射及雷射波長及幅值監測區段以及倒裝晶片結合、膠黏、轉移印刷或邊緣耦合之整合式光二極體。感測器亦包含光學界面(例如光纖界面20 )，其用於經由光學通信鏈路(例如纖維12 )來遞送信號且經由光學通信鏈路(例如纖維31 )收集反射光；及反射信號(光)光二極體40 。因此，SoC包含至少一個光二極體用於波長/功率監測，且包含另一離散光二極體用於監測自血液反射之信號。該等組件更詳細闡述於下文中。
除光學界面外，感測器亦包含負責感測器控制及信號處理之電子界面。通常，感測器控制電子裝置包含中央處理單元(CPU)50 、 放大器及類比至數位轉換器區段52 、驅動器及數位至類比轉換器區段53 及電力供應電子裝置區段54 (其向所有電子及光子組件供應電力)。適用於本發明實施例之微控制器係來自STMicroelectronics之STM32F100、來自Texas Instruments之MSP430或其他類似微控制器。
因CPU50 僅能夠處理數位信號，而SoC10 及反射信號光二極體40 固有地提供類比信號，故需要其他界面來將數位信號轉換成類比信號53 且將類比信號轉換成數位信號52 。基於經由電界面51 自SoC10 接收之通過類比至數位轉換器區段52 之信號，CPU50 經由界面15 來控制SoC10 之驅動信號。 驅動信號包含增益晶片驅動電流、加熱器電流、光二極體偏壓等。CPU之驅動信號通過數位至類比轉換器區段53 以將該等驅動信號轉換成由SoC及其元件可接受之形式。另外，CPU與電力供應電子裝置區段54 經由電界面546 電通信以經由電界面541 、542 、543 、544 及545 將所需電力供應值設定至剩餘感測器元件。此一控制方案容許CPU精確地控制SoC且即時監測輸出信號。因此，在自感測器輸出耦合之光信號與血液靶中之分子相互作用時，光信號因該相互作用而發生改變且經由光纖界面20 反射回並引導至離散反射光光二極體40 ，將收集信號放大且經由電界面41 藉由類比至數位界面52 轉換成數位形式並藉由CPU進行處理以基於與輸出耦合信號之對比恢復光譜及強度資訊。信號處理包含將時間信號轉換成波長/頻率域且向靶分子應用特定數據處理算法。此容許恢復並評估靶分子濃度且經由電界面56 向輸出顯示器60 提供數位輸出，該輸出顯示器將信號轉換成校準單位(例如mmol/l或g/l)。
在所闡述實施例中，光子系統晶片10 、 反射信號光二極體40 及電子組件CPU50 、類比至數位界面52 、數位至類比界面53 及電力供應電子裝置區段54 遠離個體30 且經由光纖界面20 ( 其亦包含探針)藉助光學通信來發生相互作用。
如本文中所使用，探針係具有至少兩個纖維核心之光纖裝置，其中一個核心適用於將雷射信號遞送至試樣且另一核心適於檢測來自試樣之反射光。在侵入性量測之情形下，光纖界面需要連結至血管內光學導管，該血管內光學導管含有(除其他探針外)至少兩個連結至SoC纖維界面以轉移且收集所發送及反射之雷射信號之光纖核心。探針之兩個纖維核心止於在使用時與血液直接接觸之遠端。末端纖維核心尖端用作將光遞送至血液且然後收集光之孔口。在非侵入性量測之情形下，探針亦具有在使用時與外皮膚/組織直接接觸之遠端，其中使用纖維核心孔口經由外組織來遞送及收集。
在使用時，藉由嵌入式微處理器CPU來驅動並控制光子系統晶片10 。引導系統晶片10 將所掃掠波長雷射信號發送至光纖界面20 ，其中雷射信號由波長與時間掃掠組成。將雷射信號耦合至光纖界面20 以將信號引導至靶對象待測件(DUT)30 ， 該靶對象待測件在所闡釋實施例中係活體之血液。雷射信號與活體之血液發生相互作用且因該相互作用而有所改變，此會提供自血液反射之信號之特徵。經由光纖界面20 收集反射光信號，且引導回反射光(信號收集)光二極體40 。光二極體40 將光學信號轉換成電信號。藉由CPU處理時間域信號，該CPU考慮來自光子SoC之性質及數據分析算法，且將光二極體信號轉換成校準濃度(以mmol/l表示，亦即血液組成含量)，且經由電界面56 提供為類比或數位輸出。
圖1B展示探針自光纖界面20 連結至與靶對象30 物理接觸之光學血管內導管或侵入性探針22 之實施例。導管22 經構形以(i)將光信號自感測器傳輸至個體血液且(ii)將來自個體血液之反射光傳輸至感測器。
圖1C展示光學界面(由光遞送及光收集核心以及諸如光束塑形光學器件等其他光學裝置組成)經構形以經由個體皮膚或外組織23 以非侵入性方式照射個體之血樣30 之實施例。可較佳地將非侵入性探針置於外組織具有相對較小厚度之位置(例如指尖、指甲床、手腕等)。
參照圖2，光子系統晶片10 包含向系統提供光學增益之III-V (例如AlGaInAsSb/GaSb或AlGaInAsP/InP或AlGaInAs/GaAs)半導體增益晶片211 。增益晶片211 耦合至實現於第IV族半導體晶片(在特定情形下選擇絕緣體上矽)中之被動光子積體電路。典型光子電路220 包含增加晶片之間之光耦合效率之光點大小轉換器212 。典型光子電路亦包含波長濾波區段213 ，該波長濾波區段在與III-V增益晶片211 組合時形成混合III-V/IV外腔雷射。光子積體電路220 亦包含信號/波長監測區段214 及信號輸出耦合區段215 ，如下文關於圖6及7更詳細論述。
較佳地藉由形成標濾波器之耦合共振器及寬帶反射器來實現波長濾波區段213 。耦合共振器具有不同自由光譜範圍值，該等不同自由光譜範圍值在耦合時可產生寬可存取帶寬。舉例而言，可自兩個微環共振器形成耦合共振器腔：第一環之環半徑為27.5微米且第二環共振器之半徑為28.5微米。對於操作波長為2300 nm之GaSb材料系統而言，有效模態折射率為3.59。此使得第一環共振器之自由光譜範圍為4.26 nm且第二環共振器之自由光譜範圍為4.11 nm。在耦合時，標濾波器具有117 nm之調諧帶寬。該等值可藉由使用下列方程式來計算。
在環共振器之情形下，模式間隔可定義為：其中λ係中心波長，n 係模態有效折射率且R 係環半徑。
可藉由下式來估計整體調諧帶寬：可藉由設計成不同自由光譜範圍補償及耦合係數之形式來調節可調帶寬。此一帶寬足以耦合至寬帶III-V增益晶片以涵蓋用於血液代謝物濃度監測之所需光譜範圍。
乳酸鹽分子係靶分子之良好實例，不論在應用意義方面抑或在紅外範圍中之充分表現之光學印記方面。圖3A闡釋乳酸鹽分子之實驗吸收光譜。可顯而易見，因靶為液相，故光譜較寬且展示兩個定中心於2260 nm及2300 nm之獨特吸收峰。對於濃度計算而言，吸收信號之形狀較為有益。同樣，如可自同一圖看到，在乳酸鹽分子之情形下，所需可存取光學帶寬約為100 nm。不同濃度之實驗濃度校準曲線展示於圖3B中。
除被動電路光學反應外，需要光學活性部件能夠涵蓋所需帶寬。中紅外寬帶增益晶片(例如實現於AlGaInAsSb/GaSb材料平臺中)之典型波長調諧光譜可具有超過170 nm之光學增益帶寬，如圖4中所展示。藉由嵌入於外腔構形中之不同III-V增益晶片來生成光譜400、410、420、430、440中之每一者。可根據晶片設計藉由使用熟習此項技術者已知之方法改變層厚度及組成以匹配靶分子之所需光譜反應及第IV族半導體晶片上光子積體電路之光學反應來調諧增益晶片發射的光譜位置。圖4明確顯示在整個1700 nm - 2500 nm範圍內III-V晶片設計之撓性且並無性能折衷。
參照圖5，混合III-V/IV廣泛可調式外腔雷射500包含III-V (在該特定情形下係AlGaInAsSb/GaSb)增益晶片501 ，該增益晶片可用作主動光學介質且可經由光點大小轉換器502 邊緣耦合至矽光子積體電路520 ，該光點大小轉換器轉換自增益晶片發射之模式且使其匹配至適用於光子積體電路中所用基於第IV族半導體之波導之大小。藉助標效應濾波器530 來實現波長調諧，其中使用相控制區段531 來控制精細調諧，該相控制區段可包含具有單獨電熱加熱器5311 之直立或摺疊波導區段。藉由耦合共振器空腔來控制寬調諧，其中具有自由光譜範圍FSR1之第一共振器532 耦合至具有具有自由光譜範圍FSR2之第二共振器533 ，其中FSR1及FSR2不相等。個別地經由電熱加熱器5321 及5331 來控制每一共振器之有效模態折射率。使用寬帶反射器534 來完成雷射共振器腔，該寬帶反射器經設計對於所需調諧範圍而言足夠寬。通常，反射器具有超過50 nm或更大之反射率帶寬。可藉由(例如)分布式布拉格反射器或摺疊式馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)或任一其他典型寬帶反射器(例如金屬鏡)來實現反射器。對於藉由感測器實施之典型操作而言，固定增益晶片驅動電流，且藉由加熱器5311 、5321 、5331 電流之受控掃掠來實施波長掃掠。
標波長濾波技術在光學通信領域中已眾所周知且不限於微環共振器，且亦可藉由由採樣光柵分佈布拉格反射器或採樣光柵分布式回饋反射器定義之耦合共振器來實現。最終選擇取決於設計者之偏好及晶片佈置之幾何考慮。在耦合共振器之所有情形下，藉由兩種波長梳之重疊來定義操作波長。藉由改變一或二個耦合共振器(同時)之折射率來改變重疊位置。在實踐中，此係藉由直接電流注入或熱加熱以改變折射率且由此改變發射波長來達成。在所闡述實例中，藉由每一微環共振器上方之所沈積電阻加熱器來控制波長變化。寬帶反射器可以分佈布拉格光柵、摺疊平衡馬赫-曾德爾干涉儀或類似高-Q反射器之形式來實現。較佳地，系統之調諧帶係藉由標濾波器或寬帶反射器之帶寬來定義，此取決於二者中之較小者。
參照圖6及7以及圖2，藉由增益晶片211 及波長濾波器213 形成之外腔雷射之波長及雷射功率監測可以非平衡馬赫-曾德爾干涉儀(其中每一輸出耦合至具有整合式光二極體(倒裝晶片、膠黏等)之單獨光柵耦合器)或單環共振器(耦合至具有整合式光二極體之光柵耦合器)之形式來實現。此稱為信號/波長監測區段214 。非平衡MZI及單環共振器具有極充分定義之波長依賴性透射功能，可表徵並校準該功能以提供任一給定時刻下之發射波長及輸出功率之確切值，且假設已知驅動信號。此方式較為有利，此乃因可經由具有高準確度之單一光二極體來追蹤信號功率及信號波長。因此，混合系統晶片之所闡述組合不僅包含廣泛可調式雷射，且亦在相同晶片內包含監測波長計及功率計。
參照圖6，更具體而言，圖5中所闡述之混合III-V/IV廣泛可調式外腔雷射500 耦合至1×2馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)分離器600 ，其中一個臂用於經由頂部光柵耦合器或模式大小轉換器及端射輸出耦合器6412 (其進一步將光輸出耦合至光纖界面)將雷射信號輸出耦合至系統晶片輸出耦合區段641 。1×2 MZI分離器600 之第二臂連結至第二1×2非平衡MZI642 。干涉儀之一個臂連結至光柵耦合器6421 ，該光柵耦合器將光引導至倒裝晶片結合性光二極體64211 中以用於雷射信號監測。干涉儀之第二臂引導至第二光柵耦合器6422 ，該第二光柵耦合器將光耦合至第二光二極體64221 中，該第二光二極體監測MZI642 轉移函數以用於精確波長追蹤。
藉由CPU 5來控制增益晶片之驅動信號、個別加熱器調諧及相移調諧，該CPU使用來自信號/波長監測區段光二極體之資訊來確定所需驅動信號形式及幅值。典型SoC可能需要考慮至少5個不同控制電流以生成連續可調式波長雷射脈衝。在所闡述實施例中，CPU提供由用於SoC之個別驅動電流之某一掃掠組成之驅動信號掃掠，從而在感測器輸出處提供隨時間變化之連續波長掃掠。因CPU與SoC信號及波長監測區段光二極體64211 及64221 總是電通信，故通常任一任意驅動信號產生可在所有時間下以幅值及波長形式恢復之SoC輸出。在實際情景中，CPU可經程式化以提供最簡單之可能信號輸出(例如隨時間變化儘可能接近線性波長掃掠)以使得能夠基於來自離散光二極體40 之恢復信號進行簡單數據處理。所發送光脈衝內雷射信號幅值及波長之知識容許自時間簡單重構至來自血液之所收集信號之頻率域且消除由感測器本身所致的非線性及信號變化，由此容許直接獲知由與靶分子之相互作用所致之光學信號之擾動。
參照圖7，在另一實施例中，圖5中所闡述之混合III-V/IV廣泛可調式外腔雷射500 耦合至1×2馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)分離器600 ，其中一個臂用於經由頂部光柵耦合器或模式大小轉換器及端射輸出耦合器6412 (其進一步將耦合光輸出至光纖界面)將雷射信號輸出耦合至系統晶片輸出耦合區段641 。1×2 MZI分離器600 之第二臂耦合至環共振器742 ，該環共振器提供所通過光之特徵性波長轉移函數。在濾波之後，將光引導至光柵耦合器7422 ，該光柵耦合器將光耦合至監測信號轉移函數之倒裝晶片光二極體74221 。可使用轉移函數利用僅一個對照光二極體而非多個光二極體來同時測定光波長及相對雷射強度，如(例如)圖6中所圖解說明。
在所闡述實施例中，可考慮混合整合III-V半導體晶片及第IV族半導體晶片技術。在III-V材料系統(例如AlGaInAsSb/GaSb、AlGaInAs/GaAs或AlGaInAsP/InP或其組合)中以邊緣發射裝置(例如隆脊波導邊緣發射器)之形式來實現增益晶片。藉由將載流子電注入未摻雜量子井(其中其重組發射光子)中來生成光。此一結構之光學增益在光譜上較寬且端視光子能量及磊晶設計通常可跨越數十nm至200 nm或更大。可藉由選擇適當層合金組合物及厚度來界定光譜區，如藉由熟習半導體光電子裝置技術者所熟知。
III-V增益晶片800 之典型示意性橫截面展示於圖8中。III-V增益晶片磊晶生長於III-V基板810 上， 該III-V基板端視期望操作波長可為GaAs、InP、GaSb或InAs。在基板頂部，生長剩餘結構層，亦即下包覆層820 、下波導層830 、基於量子井之主動區840 ， 隨後係或多或少地對稱之上波導層850 及上包覆層860 。該等層可(例如)藉由分子束磊晶(MBE)或金屬有機氣相磊晶(MOVPE)來磊晶生長。該結構終結於形成歐姆接觸之高度摻雜性接觸層870 及頂部金屬接觸層880 。底部接觸層係藉由沈積於基板底部805 之金屬層所形成。發射波長係由層840 之組成界定。選擇結構層820 、 830 、 850 及860 以提供對稱波導及與主動區層840 之良好光學模式重疊。通常，主動區係由至少一個量子井構成以提供足夠增益。
為形成增益晶片，將磊晶結構處理成隆脊波導邊緣發射裝置，其中使用藉由電漿或濕式蝕刻形成之界定隆脊波導來引導模式。隆脊之高度及寬度取決於個別設計，一重要特徵在於波導係單一模式。單一模式波導之設計係常用程序且為熟習此項技術者所習知。可藉由將經處理晶圓切割成由線性陣列之邊緣發射增益晶片組成之條來實現增益晶片之空腔，其中切割晶體小面形成空腔鏡，如在製備邊緣發射裝置(例如半導體雷射)時所常見。光學發射係來自晶片邊緣，亦即垂直於生長方向。
為達成外腔雷射構形中之最佳性能，可使用典型鏡反射率至少＞90% (例如＞ 95%)之高反射率鏡塗層塗覆背部小面。晶片之前小面(亦即輸出小面)較佳地經典型反射率＜ 0.1%之極低反射率塗層塗覆以避免來自前小平面之光學回饋。可藉由使用彎曲波導設計來進一步減小光學回饋，其中增益晶片之隆脊具有預定彎曲半徑以減小反射。因隆脊發生彎曲，故輸出耦合光發生折射且以相對於輸出平面以固定角度發生發射。此預定波導角度根據設計及模態有效折射率可已知，且需要在設計第IV族半導體平臺上之被動光子電路時加以考慮。特定而言，光點大小轉換器較佳地經設計以匹配增益晶片發射角度及輸出耦合模式大小以減小兩個晶片之間之耦合損失。
對於最佳設計實踐而言，根據實驗已知III-V增益晶片之主要性質(例如模式大小及形狀、發射波長、增益帶寬、發射角度、散度等)且用於使被動光子積體電路適用於且定製於第IV族半導體上。特定而言，知曉增益晶片之實驗參數容許最佳化主要SoC元件(例如光點大小轉換器、耦合共振器腔、寬帶反射器、多模式干擾裝置(MMI)、干涉儀及其他功能元件)。
通常，在增益晶片條上實施小面塗覆，且在小面塗覆程序之後藉由雕繪及斷裂來分離個別增益晶片。此可以許多方式進行，其中最常見方式係沿垂直於晶片切割小面之晶體平面形成機械雕繪線並自頂部或底部施加機械斷裂力以使得能夠沿界定線切割晶體。個別增益晶片然後可易於與第IV族電路整合。
基於第IV族之半導體平臺通常用於最常見電子裝置技術(例如CMOS)。混合整合III-V光學組件與第IV族半導體平臺為縮放技術提供機會，該技術之方式與縮放CMOS技術相同。第IV族半導體平臺包含矽、絕緣體上矽(SOI)、絕緣體上鍺(GOI)、矽上鍺、矽上氮化矽、氮化絕緣體上矽、絕緣體上矽上氮化矽及其衍生物。
典型矽、尤其絕緣體上矽(SOI)晶片橫截面展示於圖9中。在所闡釋實施例中，SOI晶片900 比增益晶片簡單且包含基於IV之半導體基板905 (例如具有埋入式氧化物層(稱為BOX)910 之矽基板，該埋入式氧化物層可端視製作設施而具有不同厚度且典型厚度為2-3微米)。BOX層係藉由(例如)離子植入及晶圓結合所形成，如熟習此項技術者所熟知。在BOX層910 之後係矽波導層920 。此層用作功能層，其中實現所有被動光子組件(例如光柵耦合器、單一模式及多模式波導、環共振器、多模式干擾裝置、光點大小轉換器等)。層厚度可端視製作設施而有所變化，且通常為100 nm - 500 nm厚；在一些製作設施中，其可厚達數微米。典型矽光子平臺包含220 nm波導層920 。波導層920 進一步經可熱生長或藉由其他技術沈積之氧化矽層930 封端。端視所用第IV族平臺，可使用其他絕緣材料(例如氮化矽)。BOX層910 之主要目的係防止自波導層920 光學模式耦合至基板905 且以與頂部氧化矽層930 相同之方式用作低折射率包覆層。可經由電阻電加熱器(呈沈積於上氧化物層頂部之金屬電極940 形式)藉由熱信號來改變矽波導層920 之折射率。除加熱器外，金屬電極亦可用作收集自光柵耦合器輸出耦合之信號之倒裝晶片光二極體。
混合整合之示意性原理展示於圖10中。此處，藉由邊緣耦合來整合III-V增益晶片800 及第IV族半導體、在特定實例中絕緣體上矽晶片900 ，其中III-V增益晶片p側向上且邊緣耦合至第IV族晶片。在增益晶片之主動區層840 中生成之光耦合至實現被動光子積體電路之矽波導層920 。關鍵整合需求之一係在兩個晶片之間有效耦合光。此可藉由使用主動對準技術(亦即在對準過程期間使用III-V增益晶片發射光)來達成且經由第IV族晶片上之光柵耦合器監測耦合效率。在信號最大化後，立即藉由可固化膠或環氧樹脂將兩種晶片結合至一起。
在III-V增益晶片之位置預定於第IV族半導體晶圓上時，可達成較高準確度。此可藉由深溝槽來實現，如圖11中所展示。溝槽1100 不僅界定近似位置，但同時可準確匹配兩個晶片在垂直方向上之高度。為獲得最大準確度，需要翻轉III-V增益晶片，從而III-V晶片之高度由極準確控制之磊晶層厚度所界定。需要經由主動對準來對準平面內位置以達成最佳準確度。在頂部金屬接觸層880 與金屬電極層940 之間之界面處藉助膠、環氧樹脂或金屬焊料(例如銦或AuSn)將晶片固定至一起。將所圖解說明III-V增益晶片翻轉至p側向下位置，且經由第IV族晶圓中之預定溝槽來實現邊緣耦合以使得能夠使光耦合至被動光子電路。
包含III-V增益晶片、第IV族半導體晶片及倒裝晶片光二極體之完整混合系統展示於圖12中，其顯示可如何使光耦合至第IV族半導體晶片中並耦合出第IV族半導體晶片。使III-V增益晶片翻轉至p側向下位置且經由第IV族半導體晶圓中之預定溝來實現邊緣耦合以使得能夠使光耦合至被動光子電路。亦展示倒裝晶片光二極體結構，該結構用於經由表面光柵耦合器來收集光學信號。
特定而言，經由光柵耦合器950 頂部之倒裝晶片光二極體來達成耦合輸出。光二極體可自之任一在所關注波長下具有所需照片反應之相關半導體材料形成。在此實施例中，典型光二極體係自與III-V增益晶片相同之材料平臺設計之III-V p-i-n光二極體。光二極體1200 係形成於III-V基板1205 上，在基板之後係n型或p型摻雜層1210 、未摻雜吸收層1220 ，該未摻雜吸收層具有未摻雜材料組成以便其吸收自第IV族半導體晶片耦合出之光。使吸收層厚度針對不同波長最佳化，其中典型厚度為2微米且典型最小厚度為至少500 nm。在吸收層之後係摻雜層1230 ，該摻雜層可為p型或n型，但需要具有與層1210 相反之摻雜劑極性以形成pn-接面。陽極及陰極較佳地實現於晶片之同一側以促進倒裝晶片製程。在實例性圖中，藉由蝕刻溝槽並沈積金屬層1250 以形成金屬歐姆接觸來偏置摻雜層1210 。適宜金屬包含鈦、鉑、金、鎳、鉻及金-鍺及/或其組合，如熟習此項技術者所熟知。金屬層1250 與摻雜層1210 僅在溝槽底部接觸。其他光二極體層與金屬層由介電隔離體1240 分隔。第二觸點形成於光二極體二極體檯面頂部且在頂部金屬墊1260與頂部接觸半導體摻雜層1230 之間具有歐姆樣接觸。如下所述使用倒裝晶片技術使光二極體耦合至光子積體電路。使光二極體以孔口向下進行翻轉且與形成於第IV族半導體晶片上之表面光柵耦合器之一部分重疊。使光二極體對準最大程度地收集出自光柵耦合器之信號且藉助銦、AuSn或其他標準焊接技術結合於適當位置。
基於邊緣耦合之示意性混合系統晶片之俯視圖展示於圖13及14中。III-V增益晶片800 經由光點大小轉換器1300 邊緣耦合至第IV族半導體晶片，該光點大小轉換器將模式大小自III-V波導轉換成矽波導且具有最小光學損失。光點大小轉換器耦合至由直立或摺疊波導及電加熱器組成之相移區段1310 。此區段用於在無模式跳躍下精確控制窄光譜範圍內之發射波長。相區段進一步連結至界定由兩種微環共振器1320 、 1330 之耦合共振器腔，該兩個微環共振器具有略微不同之空腔長度且由此具有不同之自由光譜範圍。耦合微環共振器腔經寬帶反射器1340 閉合。在圖中所圖解說明之實施例中，寬帶反射器440表示為摺疊(閉環) 2 × 2馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)。特徵800 、1300 、1310 、1320 、1330 及1340 之組合形成廣泛可調式外腔雷射。此外腔連結至1 × 2馬赫-曾德爾干涉儀1350 ，其中一個臂用於經由連結至光纖界面之光柵耦合器1380 自系統晶片輸出耦合雷射信號。為時刻知曉雷射波長及信號強度，使波長/信號監測區段1360 連結至1350 1 × 2馬赫-曾德爾干涉儀之另一臂。
在圖13及14中，波長/信號監測區段1360 展示為非平衡1 × 2馬赫-曾德爾干涉儀，其中上臂之光學路徑與下臂不同。兩個輸出連結至用於系統功率及波長追蹤之單獨表面光柵耦合器1390 及1395 。該等光柵耦合器耦合至直接結合於頂部之倒裝晶片光二極體。一般而言，亦可增加額外光柵耦合器1370 以監測系統晶片之不同區段內之光學信號。在所圖解說明實例中，使用光柵耦合器1370 來監測在第一微環共振器之後來自增益晶片之光學信號。
藉由在電阻加熱器中形成之電信號來進一步控制所闡述系統晶片，如圖14中所展示。此處，使用加熱器1400 來對可調式雷射進行恆定相移控制。使用加熱器1410 、 1420 來控制耦合微環空腔之雷射波長並控制波長變化。使用加熱器1440 來控制寬帶反射器之反射率，且使用加熱器1430 來控制1 × 2 MZI1350 之上下臂之間之光學信號分離比率。加熱器在晶片中通常相對於實現光柵耦合器之側之一側連結至接觸墊1450 。藉由微處理器來控制驅動信號，其中發生完整信號處理。
參照圖15，亦可經由表面光柵耦合器代替邊緣耦合使III-V增益晶片耦合至第IV族半導體晶片來實現混合系統晶片。此處，增益晶片800 結合至基台，基台可為陶瓷或金屬載體1500 ，且與準直透鏡1510 及反射稜鏡1520 預對準，從而形成微光學台。然後使整個總成在光柵耦合器950 上對準並使用焊料或環氧樹脂固定至第IV族半導體晶片900 之頂部表面 。 經由收集及準直光學裝置1510 收集來自增益晶片之光並經由稜鏡或鏡1520 反射至表面光柵耦合器上。光柵耦合器使反射光耦合至實現剩餘部分之系統晶片之矽波導920 。儘管此混合整合通常較為簡單，但邊緣耦合構形可通常更為有效。
在一實施例中，使來自系統晶片之雷射信號經由光柵耦合器(例如圖13中所圖解說明之光柵耦合器1380 )耦合至光纖界面。光纖界面可由光纖(亦即纖維探針)組成，光經由該光纖自感測器引導至與靶(例如患者血液)光學通信之探針尖端。在侵入性量測之情形下，纖維探針可包含兩個纖維核心並連結至進入患者之靜脈或動脈之光學導管。
與血液直接接觸之導管探針1600 展示於圖16中。此處，探針1600 包含至少兩個纖維核心。第一核心1610 用於傳輸來自人體外側之系統晶片之光。光與血液組成分子相互作用並發生諸多散射及吸收過程。此係隨機過程且光散射具有方向獨立性。亦參照圖1A-1C及2，一部分散射光反射回探針中且經由第二纖維核心1620 收集以將所收集光引導至離散光二極體40 中。在所闡述實施例中，在隨時間變化在增益帶寬中掃掠雷射發射波長時，系統晶片發送時間信號。在使用血液組成分子之散射過程期間，若雷射發射頻率匹配靶分子之旋轉-振動頻率，則發生共振吸收過程。此一過程使得藉由離散光二極體40 收集之時間信號發生改變。因雷射發射波長總是精確已知，故可將所收集時間信號重構成波長空間且可測定分子吸收光譜，且可評估靶分子之濃度。
對於非侵入性感測器而言，包含探針之光纖界面並不連結至血管內導管；而是，其與皮膚接觸，如圖17中所展示。其亦可連結至患者之指甲。纖維探針1600 之結構極類似於在侵入性情形下所使用者。同樣，使用至少兩個纖維核心。使用第一纖維核心1610 來耦合來自系統晶片之光。自纖維核心1610 輸出耦合之光滲透外皮膚層1730 ( 例如表皮)並與在表皮下方於真皮及皮下組織中之血液組成分子發生相互作用。經由第二纖維核心1620 收集背向散射光以將光引導至感測器處之離散光二極體40 中。隨時間變化轉換雷射信號且然後轉換成波長空間並恢復分子吸收光譜，且鑑別濃度。
對於接近及長於2微米之紅外波長而言，典型滲透深度為數毫米。然而，此足以到達靶血液分子，其中外皮膚層足夠薄，例如在指甲、耳垂、手腕等下。
所闡述本發明實施例採用不使用機械可移動部件之先進整合技術，且所有驅動信號皆係基於電子裝置及光子裝置。經由標準微控制器來控制系統晶片，該標準微控制器基於自信號及波長監測區段所採集之信號資訊來控制增益晶片驅動電流、SoC加熱器電流，且比較自感測器輸出耦合之雷射信號與所收集信號。此使得可消除由系統所致之系統性誤差，從而可鑑別由與靶分子之相互作用所致之信號變化。
此外，本發明實施例可容易地縮放以形成多分子感測器。此可藉由形成如圖18中之光學系統晶片陣列來達成。此處，在同一基於矽之晶圓內實現被動積體光學電路陣列。倘若在單一III-V增益晶片之增益帶寬內不能獲取不同光譜區中具有獨特吸收特徵之不同靶分子，則可將基於矽之晶片中之光子積體電路設計成線性陣列形式，其中每一陣列單元經設計用於特定所關注波長，舉例而言，陣列單元1810 經設計用於中心波長λ1 ，陣列單元1820 經 設計用於中心波長λ2 ，等等。每一個別雷射單元經由個別光柵耦合器輸出耦合至個別輸出纖維。該等纖維可在纖維探針端形成為纖維束。考慮到在不同已知時間間隔下發射每一雷射單元波長掃掠，可使用單一離散光二極體收集攜載關於每一靶分子之資訊之反射信號，且同步檢測，如圖19中所展示。
為進一步最佳化，SoC陣列之輸出可組織耦合至單一纖維核心，如圖20、21及22中所展示。參照圖20，陣列包含4個陣列單元1810 、1820 、1830 、1840 ，且可藉由個別光柵耦合器來形成每一個別單元輸出，該等個別光柵耦合器路由至光柵耦合器可經單一多模式纖維核心2000 覆蓋之晶片區域。在此一實施例中，可使用單一纖維核心自其收集輸出之陣列單元之數量受限於纖維核心橫截面面積。
另一可能性係使用如圖21中所展示之波長切換器及單一光柵耦合器。此處，圖解說明4個不同單元1810 、1820 、1830 、1840 之陣列，其中該等單元在4個不同波長帶下進行發射。每一單元路由至波長切換器2100 ，該波長切換器可(例如)藉由一組平衡馬赫-曾德爾干涉儀2110 、2120 、2130 來實現。第一MZI2110 可用於在藉由第一及第二SoC單元1810 及1820 生成之波長λ1 與λ2 之間進行切換(例如使用整合於MZI之臂上之加熱器)。以相同方式，第二平衡MZI2120 可用於在藉由第三及第四SoC單元1830 及1840 生成之波長λ3 與λ4 之間進行切換。第三MZI2130 在第一及第二MCI2110 及2120 之輸出之間進行切換，從而控制在任一給定時刻經由單一光柵耦合器輸出耦合4個單元中之哪一者。此概念可縮放至任意數量之個別單元，同時仍維持單一光柵耦合器以用於陣列輸出。
以相同方式，可使用單一輸出及呈端射耦合構形之單一輸出纖維2000 來實現SoC陣列，如圖22中所展示。
為獲得靶代謝物之校準濃度數據，必須知曉有助於光譜印記之其他干擾分子物質之濃度。迄今為止，最顯著重疊光譜印記係水分子之印記，其貢獻了總信號之95%以上。在本發明一實施例中，感測器陣列具有至少兩個感測器單元，其中至少一個單元經設計以具有在水吸收峰附近之光譜波長調諧帶寬。參照圖23，水吸收峰發生出現約1460 nm、約1900-2000 nm或約3000 nm處。因此，端視最終感測器架構，單元之光譜波長調諧帶寬可靠近該等峰中之一者，其中具有極熟知光譜之水分子吸收較為明顯。
可使用使用此感測器架構之漫反射量測來收集漫反射光譜R( λ) ，漫反射光譜繼而可藉由以下關係式轉換成吸光度A( λ) ：。 所收集吸收光譜係由貢獻分子物質之個別吸收光譜分量之總和構成：使用所提出感測器陣列架構，可設計感測器，從而每一單元靶向不同靶分子且藉由使用來自在不同光譜區(其中不發生多次干涉)中操作之毗鄰單元之資訊將每一靶分子之個別吸收光譜去耦合。
參照圖24-25，可如下所述來實施光譜分解。圖24係tris緩衝液鹽水(TBS)溶液(其中在溶液中佈置有乳酸鹽)之漫反射光譜，該光譜係藉由FTIR量測所獲得。圖25係經處理光譜，其中扣除TBS光譜分量，從而揭示乳酸鹽分子之光譜分量。
因此，可將來自極複雜散射基質(例如人類組織)之極複雜吸收光譜分解成個別分子吸收分量且可繼而藉由應用朗伯-比爾定律(Lambert-Beer law)來將此吸收轉換成校準濃度：其中εi 係經校準莫耳衰減係數且ci 係濃度。
每一個別分子之經校準衰減係數係預定的且將該等值儲存於CPU中用於執行校準算法以處理以實驗方式獲得之漫反射光譜(亦即將光譜分解成個別吸收光譜分量)並計算校準濃度。
特定而言，在一實施例中，感測器可包含單元陣列，其中至少一個陣列單元靶向於對應於至少一個水吸收峰之光譜區，亦即約1460 nm、約1900-2000 nm或約3000 nm。陣列中之另一單元可靶向於對應於血液組成靶分子之至少一個吸收峰之光譜區。感測器可包含CPU，該CPU經程式化以基於使用至少一個陣列單元量測之至少一個水吸收峰來測定水濃度及水吸收光譜。CPU亦可經程式化以去除基線並分解由毗鄰至少一個陣列單元之陣列單元所涵蓋之光譜區中之複雜吸收光譜以揭示潛在靶分子吸收特徵。另外，CPU可經程式化以將漫反射光譜轉換成吸光度。吸光度可包含含有複數個個別吸收光譜分量之所收集吸收光譜，該等分量係藉由使用來自在不同光譜區(其中不存在與其他分子吸收之重疊)中操作之毗鄰陣列單元之資訊去耦合。
因毛細管網絡之深度及密度在不同身體部分內有所變化，故試樣體積亦有所變化，且反射信號亦有所變化。可使用所闡述方式來克服此攻擊，其中使用包含在無干涉下靶向光譜區中之水或其他已知分子之感測器單元之感測器陣列。因此，可獨立於人體內之感測器位置來獲得水濃度(其亦與比試樣體積成正比)，且可進一步使用所獲得數據去除基線並分解由毗鄰感測器單元涵蓋之光譜區中之複雜吸收光譜。
所闡述算法與本文所闡述感測器架構之組合之容許將任意複雜度之吸收光譜分解成個別分量並由此評估每一個別組分之濃度。此方式可來藉由預先知曉每一個別干擾物質在給定波長下之個別衰減係數來予以促進。在一些干擾物質之衰減係數未知之情況下，扣除任何已知或可能光譜貢獻之能力大大改良了信號處理算法(例如多變量偏最小二乘法及主組分回歸方法)之準確度以獲得靶分子之校準濃度。
所闡述感測器架構技術容許將複雜吸收光譜分解成個別分量。在已知每一個別分子之個別衰減係數時，此技術提供獲取每一光譜分量之校準濃度之極直接方式。然而，血液之複雜性可產生難題。在該等情形下，典型方式可包含使用多變量PLS，其無需已知所有潛在組分。即使對於PLS而言，扣除主要干擾組分(例如水)之能力大大改良了算法之準確度。因此，在一較佳實施例中，感測器具有若干主要分子之衰減係數數據，且使用此資訊以及水信號來去除基線並使用多變量PLS來獲取靶分子之校準濃度。
參照圖1C、26及27，所闡述感測器可用於非侵入性濃度量測，其中光學界面(例如光纖界面20 )與額外光束塑形光學器件一起使用以經由光學鏈路2721 來照射外皮膚層或組織下之真皮層中之血液。經由光學鏈路2711 收集來自血液之反射信號並引導至反射光光二極體40 。 此情形更詳細展示於圖27中，其中光學界面(例如光纖界面20 )繪示為由聚焦光學器件光學鏈路2721 及收集光學器件光學鏈路2711 組成。
在一些實施例中，光學通信鏈路2721 及2711 係纖維(例如光纖12 及31 )。在其他實施例中，每一光學通信鏈路2721 及2711 可為光學元件，亦即形成光學通信鏈路之透鏡或透鏡組、一組鏡子及/或抛物面鏡。
舉例而言，感測器陣列之輸出光柵耦合器可路由至光學晶片內之相同位置中之緊密堆積組，如圖20中所展示，只是多模式纖維核心2000 可經單一聚焦透鏡代替，該單一聚焦透鏡將每一光柵耦合器之輸出以非侵入性方式聚焦至皮膚外層下之個體血液。藉由單獨透鏡收集反射光，該單獨透鏡經選擇以便其性質容許收集來自發送聚焦光之相同深度及位置之光，從而使得能夠進行感測。然後使所收集反射光聚焦至反射光光二極體40 之光敏性孔口。
參照圖28，在使用系統晶片感測器陣列期間，光子系統晶片陣列單元1810 、1820……18XX (其各自提供不同圍繞中心波長之掃掠波長雷射信號)之個別輸出可路由至光子晶片之一側。每一個別輸出光柵耦合器2810 、2820……2XXX 個別地經個體聚焦光學元件(例如透鏡3010 、3020 ……3XXX )聚焦，從而在最佳情形下每一輸出之束斑發生重疊並在個體皮膚下形成單一斑點，從而確保來自感測器之光與個體血液之間之相互作用局部化至皮膚下之界定位置。典型光穿透深度為皮膚下最多1 mm，此可達到第一血管化層-真皮層。然後使用透鏡4000 收集漫反射光，該透鏡經選擇以便其數值孔徑及聚焦深度容許收集來自光聚焦位置之反射光。此反射光攜載關於光-血液相互作用之資訊且由透鏡4000 收集並聚焦於反射光光二極體40 之光敏性孔口2841 上。 光敏性孔口2841 由頂部電觸點2842 環繞，該頂部電觸點可端視實際光二極體磊晶結構層序列用作陰極或陽極且與第二電極2844 組合。 兩個電極由隔離間隙2843 分隔。在操作中，選擇電極2842 及2844 之間之極性，從而pn-接面反向偏置。
聚焦光學透鏡及收集光學透鏡之確切配置並不重要，只要自個體內之相同位置(亦即相同斑點)實現聚焦及收集即可。此圖解說明於圖29中，其中收集透鏡4000 及光二極體40 實現於光子晶片陣列之中心，而經由路由至光子感測器晶片之周邊之輸出來照射試樣。
分析實例 圖30a-30d展示4種分子-葡萄糖、乳酸鹽、牛血清白蛋白及尿素之吸收光譜，該等光譜係使用基於雷射之廣泛可調式感測器所記錄(曲線a)，且與使用商業臺式FTIR光譜儀記錄之光譜(曲線b)進行比較。特定而言，測試溶液為a) 30 mmol/l葡萄糖、b) 50 mmol/l乳酸鹽、c) 50 g/l牛血清白蛋白(BSA)及d) 30 mmol/l尿素。可看到分子特異性吸收光譜量測之顯著關聯性。
CPU可進一步經程式化以校正且去除一種以上靶分子之吸收光譜特徵發生重疊之光譜區中之基線。基線校正及去除明確圖解說明於圖31a及31b中。該等圖圖解說明在將雙核心纖維尖端直接浸泡至血滴中時使用商業臺式FTIR光譜儀進行之人類血樣之光譜量測。圖31a繪示血滴之透射光譜(曲線d)及經擬合水反射光譜(曲線c)。圖31(b)繪示自血液透射量測扣除水之血液光譜。將所得曲線繪示為曲線f，其包含除水(扣除)外之所有血液組成分子。作為導則，曲線e係極其類似於人類血清白蛋白(HSA)之牛血清白蛋白(BSA)之所量測透射曲線。兩條曲線之對比明確指示血液量測中來自HSA之光譜調節。中央處理單元可進一步經程式化以使用至少一個個別吸收光譜分量(例如水或白蛋白)來測定校準濃度。可基於個別吸光度值及複數種個別分子中之每一者在給定波長下之經校準衰減係數來測定校準濃度。中央處理單元可進一步經程式化以獨立於特定試樣體積來測定靶分子濃度。
在非侵入性量測之情形下，感測器經由皮膚發送雷射信號，其中光發生散射並與組織基質相互作用。雷射信號到達上毛細管層(在表皮下方約0.2-0.3 mm)，其中光與血液相互作用。通常，存在兩類反射：漫反射及鏡反射。漫反射係在光與組織相互作用時之主要反射。來自人類非侵入性量測之漫反射信號展示於圖32a及32b中，其中對經由兩個不同人員之皮膚以非侵入性方式量測之複雜反射光譜之形狀(圖32a曲線g及h)與在將纖維探針直接浸漬至血液中時血滴的侵入性直接量測(圖32a曲線i及j)進行比較，其明確顯示非侵入性量測之能力。另外，以與圖31中類似之方式，可實施光譜分解以揭示血液中之潛在分子之信號，其可見於圖32b及32c中，其中使用人類血清白蛋白之血液信號調節展示於藉由臺式FTIR光譜儀(圖32b)及以非侵入性方式使用如本文所闡述之廣泛可調式雷射感測器量測之兩種情形中。2170 nm周圍之來自主要HSA分子之調節顯而易見。
上文所提及之具體晶片配置僅係本發明之許多可能實施例中之幾個實例。所闡述本發明實施例意欲僅係實例性且熟習此項技術者應明瞭諸多變化及修改。所有該等變化及修改皆意欲在如在隨附申請專利範圍中所定義之本發明範圍內。
10‧‧‧混合III-V/IV光子系統晶片(SoC)
12‧‧‧光纖
15‧‧‧界面
20‧‧‧光纖界面
22‧‧‧光學血管內導管或侵入性探針
23‧‧‧個體皮膚或外組織
30‧‧‧個體/靶對象待測件(DUT)/血樣
31‧‧‧光纖
40‧‧‧反射信號(光)光二極體
41‧‧‧電界面
50‧‧‧中央處理單元(CPU)
51‧‧‧電界面
52‧‧‧放大器及類比至數位轉換器區段
53‧‧‧驅動器及數位至類比轉換器區段
54‧‧‧電力供應電子裝置區段
56‧‧‧電界面
60‧‧‧輸出顯示器
211‧‧‧III-V半導體增益晶片
212‧‧‧光點大小轉換器
213‧‧‧波長濾波區段
214‧‧‧信號/波長監測區段
215‧‧‧信號輸出耦合區段
220‧‧‧光子積體電路
400‧‧‧光譜
410‧‧‧光譜
420‧‧‧光譜
430‧‧‧光譜
440‧‧‧光譜
500‧‧‧混合III-V/IV廣泛可調式外腔雷射
501‧‧‧AlGaInAsSb/GaSb增益晶片
502‧‧‧光點大小轉換器
520‧‧‧矽光子積體電路
530‧‧‧標效應濾波器
531‧‧‧相控制區段
532‧‧‧第一共振器
533‧‧‧第二共振器
534‧‧‧寬帶反射器
541‧‧‧電界面
542‧‧‧電界面
543‧‧‧電界面
544‧‧‧電界面
545‧‧‧電界面
546‧‧‧電界面
600‧‧‧1×2馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)分離器
641‧‧‧系統晶片輸出耦合區段
642‧‧‧第二1×2 MZI
742‧‧‧環共振器
800‧‧‧III-V增益晶片
805‧‧‧基板底部
810‧‧‧III-V基板
820‧‧‧下包覆層
830‧‧‧下波導層
840‧‧‧基於量子井之主動區
850‧‧‧上波導層
860‧‧‧上包覆層
870‧‧‧高度摻雜性接觸層
880‧‧‧頂部金屬接觸層
900‧‧‧SOI晶片
905‧‧‧基於IV之半導體基板
910‧‧‧埋入式氧化物層
920‧‧‧矽波導層
930‧‧‧氧化矽層
940‧‧‧金屬電極
1100‧‧‧溝槽
1200‧‧‧光二極體
1205‧‧‧III-V基板
1210‧‧‧摻雜層
1220‧‧‧未摻雜吸收層
1230‧‧‧摻雜層
1240‧‧‧介電隔離體
1250‧‧‧金屬層
1260‧‧‧頂部金屬墊
1300‧‧‧光點大小轉換器
1310‧‧‧相移區段
1320‧‧‧微環共振器
1330‧‧‧微環共振器
1340‧‧‧寬帶反射器
1350‧‧‧1 × 2馬赫-曾德爾干涉儀
1360‧‧‧波長/信號監測區段
1370‧‧‧光柵耦合器
1380‧‧‧光柵耦合器
1390‧‧‧表面光柵耦合器
1395‧‧‧表面光柵耦合器
1400‧‧‧加熱器
1410‧‧‧加熱器
1420‧‧‧加熱器
1430‧‧‧加熱器
1440‧‧‧加熱器
1450‧‧‧接觸墊
1500‧‧‧基台
1510‧‧‧準直透鏡
1520‧‧‧反射稜鏡
1600‧‧‧導管探針
1610‧‧‧第一纖維核心
1620‧‧‧第二纖維核心
1730‧‧‧外皮膚層
1810‧‧‧陣列單元
1820‧‧‧陣列單元
1830‧‧‧陣列單元
1840‧‧‧陣列單元
18xx‧‧‧陣列單元
2000‧‧‧單一多模式纖維核心/單一輸出纖維
2100‧‧‧波長切換器
2110‧‧‧平衡馬赫-曾德爾干涉儀
2120‧‧‧平衡馬赫-曾德爾干涉儀
2130‧‧‧平衡馬赫-曾德爾干涉儀
2711‧‧‧收集光學鏈路/光學通信鏈路
2721‧‧‧聚焦光學鏈路/光學通信鏈路
2810‧‧‧輸出光柵耦合器
2820‧‧‧輸出光柵耦合器
2830‧‧‧輸出光柵耦合器
2840‧‧‧輸出光柵耦合器
2841‧‧‧光敏性孔口
2842‧‧‧頂部電觸點/電極
2843‧‧‧隔離間隙
2844‧‧‧第二電極
2XXX‧‧‧輸出光柵耦合器
3010‧‧‧透鏡
3020‧‧‧透鏡
3030‧‧‧透鏡
3040‧‧‧透鏡
3XXX‧‧‧透鏡
4000‧‧‧透鏡
5311‧‧‧加熱器
5321‧‧‧加熱器
5331‧‧‧加熱器
6412‧‧‧頂部光柵耦合器或模式大小轉換器及端射輸出耦合器
6421‧‧‧光柵耦合器
6422‧‧‧第二光柵耦合器
7422‧‧‧光柵耦合器
64211‧‧‧倒裝晶片結合性光二極體
64221‧‧‧第二光二極體
74221‧‧‧倒裝晶片光二極體
圖1A、1B及1C係根據本發明實施例用於血液分析物濃度之連續監測系統之示意性方塊圖； 圖2係根據本發明實施例之混合III-V/IV系統晶片之示意圖，該混合III-V/IV系統晶片包含混合廣泛可調式外腔雷射以及雷射信號及波長監測區段； 圖3A係根據本發明一實施例以實驗方式獲得之用以模擬血液環境之含BSA溶液中之不同乳酸鹽分子濃度之特徵吸收光譜，其中具有基線校正後之光譜； 圖3B係展示預測及實際乳酸鹽分子濃度之間之關聯之圖形，其中預測係使用多變量PLS獲得； 圖4係根據本發明一實施例針對基於AlGaInAsSb/GaSb增益晶片之外腔雷射所獲得之實驗雷射波長調諧光譜，其中編號光譜屬嵌入於外腔構形中之不同III-V增益晶片； 圖5係根據本發明一實施例III-V/IV廣泛可調式外腔雷射之詳細示意性方塊圖； 圖6係根據本發明一實施例混合III-V/IV系統晶片之詳細示意性方塊圖； 圖7係根據本發明一實施例混合III-V/IV系統晶片之詳細示意性方塊圖之替代形式； 圖8係根據本發明一實施例III-V增益晶片功能層結構之示意性橫截面； 圖9係根據本發明一實施例具有絕緣體上矽功能層結構之實例性第IV族半導體晶片之示意性橫截面； 圖10係根據本發明一實施例混合整合III-V增益晶片與基於第IV族半導體之光子積體電路之示意圖示； 圖11係根據本發明一實施例混合整合III-V增益晶片與基於第IV族半導體之光子積體電路之示意圖示； 圖12係根據本發明一實施例混合整合III-V增益晶片與基於第IV族半導體之光子積體電路之示意圖示； 圖13係根據本發明一實施例系統晶片光子電路之俯視圖之示意圖示； 圖14係根據本發明一實施例具有其他特徵之圖13之佈置之示意圖示； 圖15係根據本發明一實施例混合整合III-V增益晶片與絕緣體上矽光子積體電路之示意圖示； 圖16係根據本發明一實施例在侵入性感測器情形下之纖維探針之示意圖示，其圖解說明基於漫反射之基本操作原理； 圖17係根據本發明一實施例在非侵入性感測情形下之光纖探針之示意圖示，其中為清晰起見展示纖維探針2D橫截面； 圖18係根據本發明一實施例形成用於多分子檢測之系統晶片陣列之示意圖示； 圖19係根據本發明一實施例使用基於混合系統晶片及單一離散光二極體之雷射陣列之同步檢測之示意圖示； 圖20係根據本發明一實施例用於使用單一輸出纖維及多個表面光柵耦合器進行多分子檢測之系統晶片陣列之示意圖示； 圖21係根據本發明一實施例用於使用單一輸出纖維、波長切換器及單一光柵耦合器進行多分子檢測之系統晶片陣列之示意圖示； 圖22係根據本發明一實施例用於使用波長切換器及單一端射輸出纖維構形進行多分子檢測之系統晶片陣列之示意圖示； 圖23係藉由FTIR量測獲得之水漫反射光譜； 圖24係根據本發明一實施例藉由FTIR量測獲得之含有乳酸鹽之tris緩衝液鹽水(TBS)溶液之漫反射光譜； 圖25係根據本發明一實施例扣除TBS光譜分量之經處理光譜，其揭示乳酸鹽分子之光譜分量； 圖26係根據本發明一實施例用於非侵入性量測之基於雷射之系統晶片感測器構形之簡化方塊圖； 圖27係根據本發明一實施例之基於雷射之系統晶片感測器之簡化方塊圖，其中使用離散光束塑形光學器件來實現光纖界面，該離散光束塑形光學器件用於聚焦光學信號且以非侵入性方式收集來自個體血液之漫反射； 圖28係根據本發明一實施例感測器構形之一實施例之方塊圖，其中該感測器包含系統晶片陣列(其具有個別聚焦光學裝置以照射試樣)及單一收集透鏡(其具有離散光二極體以用於收集反射信號)，其中系統晶片陣列與反射光光二極體呈線性構形； 圖29係根據本發明一實施例感測器構形之一實施例之方塊圖，其中該感測器包含系統晶片陣列(其具有個別聚焦光學裝置以照射試樣)及單一收集透鏡(其具有用於收集反射信號之離散光二極體且佈置於系統晶片陣列之中心)； 圖30a-30d係使用廣泛可調式雷射感測器量測之不同分子溶液之透射光譜及使用商業臺式FTIR光譜儀之參考量測的之透射光譜； 圖31a-31b係在將雙核心纖維尖端直接浸泡至血滴中時使用商業臺式FTIR光譜儀進行之人類血樣之光譜量測；且 圖32a-32c係圖解說明使用非侵入性血液量測獲得之實驗數據之圖形，該等非侵入性血液量測係經由皮膚使用本發明實施例之雷射來進行。

Claims (50)

  1. 一種用於即時監測個體中之血液組成濃度之基於雷射之感測器系統晶片，該系統晶片包括： 可調式混合III-V/IV雷射感測器；及 耦合至該雷射感測器之光纖界面，該界面包括探針， 其中在使用期間，該雷射感測器遠離該個體且該探針與該個體光學通信。
  2. 如請求項1之基於雷射之感測器系統晶片，其中該IV包括選自由以下組成之群之基於IV之半導體基板：矽、絕緣體上矽、絕緣體上矽上氮化矽、絕緣體上鍺及矽上氮化矽。
  3. 如請求項1之基於雷射之感測器系統晶片，其中該可調式雷射感測器包括III-V增益晶片及佈置於基於IV之基板上之光子積體電路，該光子積體電路(i)經構形以基於標效應(Vernier effect)實施波長濾波及調諧功能且(ii)界定該III-V增益晶片之外腔。
  4. 如請求項3之基於雷射之感測器系統晶片，其中該光子積體電路包括光點大小模態轉換器、相控制區段及具有第一自由光譜範圍之第一共振器，該第一共振器耦合至具有第二自由光譜範圍之第二共振器。
  5. 如請求項4之基於雷射之感測器系統晶片，其中該第一共振器及該第二共振器係選自由以下組成之群：微環共振器、取樣布拉格反射器(sampled Bragg reflector)及分布式回饋反射器。
  6. 如請求項4之基於雷射之感測器系統晶片，其中該第一自由光譜範圍與該第二自由光譜範圍不同。
  7. 如請求項4之基於雷射之感測器系統晶片，其中該等耦合之第一共振器及第二共振器、該III-V增益晶片、光點大小模態轉換器及相控制區段協作以能夠進行該可調式雷射感測器之基於標效應之調諧。
  8. 如請求項4之基於雷射之感測器系統晶片，其中該可調式雷射感測器經構形，從而在操作時向該等耦合共振器中之至少一者施加電流或熱量中之至少一者以改變其有效折射率而產生由該增益晶片所生成雷射之波長變化。
  9. 如請求項3之基於雷射之感測器系統晶片，其中該III-V增益晶片邊緣耦合至該光子積體電路。
  10. 如請求項9之基於雷射之感測器系統晶片，其中該III-V增益晶片藉由光柵耦合器耦合至該光子積體電路。
  11. 如請求項1之基於雷射之感測器系統晶片，其中該雷射感測器包括至少一個III-V光二極體，該III-V光二極體藉由倒裝晶片結合、膠黏、轉移印刷技術或側耦合中之至少一者耦合至光子積體電路。
  12. 如請求項1之基於雷射之感測器系統晶片，其進一步包括遠離該可調式雷射感測器佈置之離散III-V光二極體，其中在使用時來自該個體之反射信號由該離散III-V光二極體收集。
  13. 如請求項12之基於雷射之感測器系統晶片，其中該光子積體電路包括信號及波長監測區段。
  14. 如請求項13之基於雷射之感測器系統晶片，其中該信號及波長監測區段包括(i)一組馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer)或耦合環共振器中之至少一者，及(ii)至少一個倒裝晶片III-V光二極體。
  15. 如請求項14之基於雷射之感測器系統晶片，其中該雷射感測器進一步包括： 感測器控制電子器件；及 信號處理微控制器， 其中該微控制器經構形以(i)控制雷射驅動電子器件，(ii)調諧電流，且(iii)使用來自該波長及信號監測區段之資訊來對自該離散III-V光二極體獲得之數據進行信號處理。
  16. 如請求項1之基於雷射之感測器系統晶片，其中該雷射感測器經構形以隨時間變化在調諧範圍內實施波長掃掠，且該雷射感測器包括經構形以將自該個體反射之光轉換成電信號之光二極體。
  17. 如請求項1之基於雷射之感測器系統晶片，其中該光纖界面連結至光學導管且經構形以(i)將來自該感測器之光信號傳輸至該個體之血液及(ii)將來自該個體之血液之反射光傳輸至該感測器。
  18. 如請求項1之基於雷射之感測器系統晶片，其中該光纖界面與光束塑形光學器件光學通信，該光束塑形光學器件經構形以經由該個體之皮膚或外組織以非侵入性方式照射該個體之血樣。
  19. 一種製造用於即時監測個體中之血液組成濃度之基於雷射之感測器系統晶片之方法，該方法包括以下步驟： 藉由以下方式製造可調式混合III-V/IV雷射感測器： 製造III-V半導體增益晶片，在基於第IV族之半導體基板上藉由CMOS技術來製作光子積體電路以界定第IV族半導體晶片，及以混合方式整合該III-V增益晶片及該第IV族半導體晶片，其中該光子積體電路(i)經構形以基於標效應實施波長濾波及調諧功能且(ii)界定該III-V增益晶片之外腔；及使光纖界面耦合至該雷射感測器，該界面包括探針， 其中在使用期間，該雷射感測器遠離該個體且該探針與該個體光學通信。
  20. 如請求項19之方法，其中以混合方式整合該III-V增益晶片及該第IV族半導體晶片包括將該III-V增益晶片邊緣耦合至該第IV族半導體晶片，主動地對準該兩個晶片，及將該兩個晶片膠黏在一起。
  21. 如請求項19之方法，其中以混合方式整合該等晶片包括使該III-V增益晶片p側向下翻轉且使該增益晶片結合至該第IV族半導體晶片中所界定之溝槽以用於邊緣耦合至該光子積體電路。
  22. 如請求項19之方法，其中製造該III-V半導體增益晶片包括藉由MBE或MOVPE生長中之至少一者在基板上磊晶生長雷射層結構。
  23. 如請求項22之方法，其進一步包括將該基板上之該雷射層結構處理成包括預定波導角度及接觸墊之增益晶片裝置。
  24. 如請求項23之方法，其進一步包括將該基板上之該雷射層結構切割成條。
  25. 如請求項24之方法，其進一步包括在輸出小面上形成抗反射塗層，其中該輸出小面處之功率反射小於0.1%。
  26. 如請求項25之方法，其進一步包括在背部小面上形成高反射率塗層，其中該背部小面上之功率反射率為至少90%或更高。
  27. 如請求項26之方法，其進一步包括將每一條切割成複數個個別III-V半導體增益晶片。
  28. 如請求項27之方法，其進一步包括根據該III-V增益晶片之性質設計光子積體電路，該光子積體電路包括光點大小轉換器及標濾波器中之至少一者。
  29. 一種包括單元陣列之感測器，每一單元包括如請求項1之基於雷射之感測器系統晶片，其中每一陣列單元靶向不同光譜區及個別靶分子。
  30. 如請求項29之感測器，其中每一陣列單元之波長掃掠雷射信號係在不同時間發射，且使用單一光二極體藉由同步檢測來實現信號收集。
  31. 如請求項29之感測器，其中(i)該光纖界面包括具有核心之輸出耦合光纖，(ii)該陣列之輸出係藉由來自路由至該系統晶片之相同部分之該等個別陣列單元之一組光柵耦合器形成，且(iii)由該組光柵耦合器界定之總面積小於該輸出耦合光纖核心之橫截面面積。
  32. 如請求項29之感測器，其進一步包括： 單一輸出區段； 波長切換器，其經構形以在該等陣列單元之輸出之間進行切換；及 單一光二極體， 其中(ii)該感測器陣列之輸出係藉由該單一輸出區段及該波長切換器形成，(ii)在每一個別單元之輸出之間之切換使得一個陣列單元之單一輸出在給定時間下輸出耦合至該靶；及(iii)使用該單一光二極體藉由同步檢測實現信號收集。
  33. 如請求項29之感測器，其中(i)至少一個陣列單元靶向對應於至少一個選自由約1460 nm、約1900 nm至2000 nm及約3000 nm組成之群之水吸收峰之光譜區，且(ii)至少一個其他陣列單元靶向對應於血液組成靶分子之至少一個吸收峰之光譜區。
  34. 如請求項33之感測器，其進一步包括至少一個中央處理單元，該中央處理單元經程式化以基於使用該至少一個陣列單元量測之該至少一個水吸收峰來測定水濃度及水吸收光譜。
  35. 如請求項34之感測器，其中該中央處理單元進一步經程式化以去除基線並分解由毗鄰該至少一個陣列單元之陣列單元涵蓋之光譜區中之複雜吸收光譜以揭示潛在靶分子吸收特徵。
  36. 如請求項33之感測器，其中該中央處理單元進一步經程式化以將漫反射光譜轉換成吸光度。
  37. 如請求項36之感測器，其中該吸光度包括包含複數個個別吸光度光譜分量之所收集吸光度光譜，該等分量藉由使用來自在不存在與其他分子吸收之重疊之不同光譜區中操作之毗鄰陣列單元之資訊去耦合。
  38. 如請求項37之感測器，其中該中央處理單元進一步經程式化以校正並去除一種以上靶分子之吸收光譜特徵重疊之光譜區中之基線。
  39. 如請求項38之感測器，其中該中央處理單元進一步經程式化以使用該等個別吸光度光譜分量中之至少一者來測定校準濃度。
  40. 如請求項39之感測器，其中該校準濃度係基於個別吸光度值及複數種個別分子中之每一者在給定波長下之經校準衰減係數所測定。
  41. 如請求項33至39中任一項之感測器，其中該中央處理單元進一步經程式化以獨立於特定試樣體積來測定靶分子濃度。
  42. 一種用於即時監測個體中之血液組成濃度之基於雷射之感測器系統晶片，該系統晶片包括： 可調式混合III-V/IV感測器；及 耦合至該雷射感測器之光學界面，該光學界面包括光束塑形光學器件， 其中在使用期間，該雷射感測器遠離該個體，且該光學界面經構形以經由該個體之皮膚或外組織以非侵入性方式照射該個體之血樣。
  43. 一種包括單元陣列之感測器，每一單元包括如請求項42之基於雷射之感測器系統晶片，其中每一陣列單元靶向不同光譜區及個別靶分子。
  44. 如請求項43之感測器陣列，其中使每一陣列單元之個別輸出聚焦以照射該個體之單一區域，且藉由該光束塑形光學器件自該照射區域收集每一反射信號。
  45. 如請求項42之感測器陣列，其中該光束塑形光學器件包括至少一個光學元件。
  46. 如請求項45之感測器陣列，其中該光學元件包括透鏡、一組鏡子及抛物面鏡中之至少一者。
  47. 一種即時監測個體中之血液組成含量之方法，其包括以下步驟： 提供包括以下項之系統晶片： 可調式混合III-V/IV雷射感測器，耦合至該雷射感測器之光纖界面，該表面包括探針，感測器控制電子器件，其用於感測器控制及信號處理，及信號處理微控制器，遠離該個體佈置該雷射感測器且使該探針與該個體光學通信； 藉由以下方式指示該系統晶片監測該個體中之血液組成含量： 將掃掠雷射信號發送至該光纖界面；使用該光纖界面將該信號引導至該個體之血液；在該信號與該血液相互作用之後，使用該光纖界面收集來自該血液之反射信號；將該反射信號引導至反射光光二極體，其中該反射信號係光學信號；將該反射信號自光學信號轉換成電信號；及使用該微控制器處理該電信號以將該電信號轉換成經校準血液組成含量。
  48. 如請求項47之方法，其中該探針連結至靜脈內光學導管或動脈內光學導管中之至少一者以用於侵入性血液分析物濃度量測。
  49. 如請求項47之方法，其中該光學界面附接至該個體以用於非侵入性血液分析物濃度量測。
  50. 如請求項47之方法，其中該血液組成係選自由以下組成之群：乳酸鹽、白蛋白、葡萄糖、氨、肌酸酐及尿素。
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