CN118076293A - 光子集成电路 - Google Patents
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Abstract
一种光子集成装置，包括：光子集成芯片(PIC)，其适于研究用户的组织的部分处的血流，所述PIC包括：具有光学输出的激光器，或用于引导来自外部激光器的光学输出的波导，所述光学输出被分离为第一光学分量和第二光学分量；其中所述第一光学分量被布置成被传送到所述用户的组织的所述部分并且在所述部分处生成散斑；所述光子集成装置进一步包括：一个或多个检测器，每个检测器配置成接收由组织的所述部分处的所述第一光学分量所生成的所述散斑；以及一个或多个光学分离器，所述一个或多个光学分离器将所述第二光学分量光学地耦合到所述一个或多个检测器的一个或多个相应输入；其中所述光子集成装置进一步适于在由所述第一光学分量形成的样本臂与由所述第二光学分量形成的参考臂之间的所述一个或多个检测器处测量干扰。
Description
技术领域
根据本发明的实施例的一个或多个方面涉及光子集成电路/芯片(PIC)，以及更特别涉及供散斑体积描记术(SPG)中使用的PIC。
背景技术
已知能够比较在组织处采取的散斑图案，以观察诸如血流之类的生物医学参数。这类***的示例能够见于：US10357165(Samsung)；US10568527(Samsung)；US11045103(Samsung)；US10750956(ContinUse Biometrics Ltd)；以及US9848787(White等人)。
散斑体积描记术是一种给出作为时间的函数的血流指数的技术。
光体积描记术是一种给出作为时间的函数的血量的技术。
市场上的可穿戴装置典型地使用PPG信号分析(具有或没有ECG)来提取血压。很少的可穿戴物针对散斑的使用。针对散斑的使用的那些可穿戴物通常测量散斑图案的改变。
发明内容
相应地，本发明旨在通过根据第一方面提供一种光子集成装置来解决以上问题，所述光子集成装置包括：光子集成电路(PIC)，其适于研究用户的组织的部分处的血流，所述PIC包括：具有光学输出的激光器，或用于引导来自外部激光器的光学输出波导，所述光学输出被分离为第一光学分量和第二光学分量；其中所述第一光学分量被布置成被传送到所述用户的组织的所述部分并且在所述部分处生成散斑；所述光子集成装置进一步包括：一个或多个检测器，每个检测器配置成接收由组织的所述部分处的所述第一光学分量所生成的所述散斑；以及一个或多个光学分离器，所述一个或多个光学分离器将所述第二光学分量光学地耦合到所述一个或多个检测器的一个或多个相应输入；其中所述光子集成装置进一步适于在由所述第一光学分量形成的样本臂与由所述第二光学分量形成的参考臂之间的所述一个或多个检测器处测量干扰。
以这种方式，可提供一种装置，所述装置能够使用PIC(所述PIC可包括激光器和检测器)经由以可穿戴形式因素使用自相关(干涉)技术的SPG测量来测量血压，其中具有用于相干检测的分离器和片上波导。这使低成本光电二极管能够被使用。同样地，时间自相关可在定制的专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)中被执行，所述ASIC或FPGA可以是可位于PIC上的完整硬件栈的部分。
典型地，激光器位于PIC上。备选地，激光器可位于片外、PIC外部，在此情况下，PIC包括波导，所述波导能够被耦合到片外激光器的光学输出，以便引导PIC内的激光器的光学输出。
本发明还旨在通过根据第二方面提供一种用于散斑体积描记术(SPG)测量的光子集成装置来解决以上问题，所述光子集成装置包括一个激光器和多个检测器。
本发明还旨在通过根据第三方面提供一种用于扩散相关光谱学(DCS)的光子集成装置来解决以上问题。
本发明还旨在通过根据第四方面提供一种可穿戴装置来解决以上问题，所述可穿戴装置包括光子集成装置和/或根据本文中描述的任何实施例的PIC。
现在将陈述本发明的可选特征。这些单独地或者以与本发明的任何方面的任何组合是可适用的。
可选地，所述装置包括ASIC或FPGA，所述ASIC或FPGA配置成计算检测的强度的时间自相关。所述ASIC或FPGA可配置成控制第一分量与第二分量之间的时滞，由此控制自相关。在检测器处发生的干扰可以是空间或时间干扰。时间自相关可在由第一分量形成的样本臂与由第二分量形成的参考臂之间的检测器处被执行。
可选地，由激光器生成的光从组织部分被收集，并且由单模波导和/或孔径来输送到一个或多个检测器中的相应检测器。
可选地，光从组织部分被收集，并且由多模波导和/或孔径来输送到一个或多个检测器中的相应检测器。
可选地，每个检测器仅接收来自更大的散斑图案内的散斑的单个颗粒的光。
可选地，PIC是硅光子芯片。
可选地，激光器具有1280nm以上的操作波长。
可选地，PIC包括一个或多个附加激光器。
一个或多个检测器可位于与激光器物理分开的芯片上。定时可被控制以用于检测器样本获取。一个或多个检测器与激光器之间的空间间隔可以是固定的。
PIC可包括多个激光器。例如，两个激光器可用于计算光学性质(例如，诸如血红蛋白之类的分子的吸收系数)。
在一个或多个实施例中，一个或多个检测器位于与激光器相同的PIC上。然而，在其他实施例中，一个或多个检测器可与PIC分开定位。在这种情况下，检测器可位于第二PIC上，或者可被直接接合到印刷电路板，并且被布置成直接收集来自组织处的散斑的光。设想一个或多个激光器可位于片外(即，不直接位于PIC上，而是被光学地耦合到PIC的光学输入)。
在一些实施例中，激光器是固定波长激光器。备选地，在一些实施例中，激光器是可调谐激光器。PIC可包括多个激光器，以及所述多个激光器可包括固定波长激光器、可调谐激光器或两者的混合。在多个激光器存在的情况下，光子集成装置典型地例如由开关机构配置成每次操作一个激光器。
能够存在每次操作一个激光器的优点。例如，峰值功率消耗、安全极限以及使用单个直接检测PD的能力。一个或多个复用器可存在，以复用多个激光器输出。
在包括多个激光器的实施例中，如果存在位于检测器之前的波长解复用器，则可同时操作所有激光器。PD之前的解复用器(诸如Echelle光栅)将使PD能够单次检测所有波长。如果存在许多波长以及每波长许多PD，则所述***的复杂度开始增长，但是操作的原理保持相同。
下面陈述本发明的另外的可选特征。
附图说明
现在将参照所附附图作为示例来描述本发明的实施例，在所述所附附图中：
图1是根据本发明的实施例的PIC；
图2是根据本发明的实施例的PIC；
图3是根据本发明的实施例的PIC；
图4是根据本发明的实施例的PIC；
图5是根据本发明的实施例的PIC；
图6是根据本发明的实施例的使用中的PIC的示意图；
图7是根据本发明的实施例的使用中的PIC的示意图；以及
图8是根据本发明的实施例的PIC的使用方法的示例。
具体实施方式
以下结合所附的附图所提出的详细描述旨在作为对根据本发明所提供的装置的示例性实施例的描述，以及不是旨在表示可构成或利用本发明的唯一形式。
如图中所示，根据本发明的实施例的PIC可包括一个激光器和N个检测器。激光从PIC输出到样本。离开样本(或者从表面反射)的光被输入回到PIC检测器。对于一些实施例，SPG测量被执行，以及每个检测器配置成测量一个散斑颗粒或者大约一个散斑颗粒(例如少于5个散斑颗粒，优选地少于两个散斑颗粒，其中每个散斑颗粒可以是干扰节点；例如，散斑颗粒可以是散斑图案上的亮光斑(相长干扰的区域)，或者散斑颗粒可以是散斑图案上的暗光斑(相消干扰的区域))。通过使用诸如单模光纤之类的单模收集部件，有可能确保来自单个散斑颗粒的光被收集，而不管收集部件所放置的位置。备选地，“少模”或多模光纤或波导可用来收集多于一个散斑颗粒。少模可对应于25个以下的模式。虽然组合来自多个散斑的信息通过相干性中的减少来减少有效信号，但信号仍然可高于噪声或背景。
来自样本的光能够通过孔径或者经由波导直接到达检测器。孔径大小或波导能够是多模、“少模”或单模的。如果是多模，则来自波导的光可被散布到多个检测器上，以仍然获得每检测器/像素大约一个散斑(即，散斑颗粒)，或者可被收集到单个检测器上以用于强度的增加，但是具有如先前所描述的有效信号的减少。
来自激光器的光中的一些光能够在PIC中被分离，并且被发送到从样本到检测器的单模波导中的每个单模波导。这能够实现光学外差(相干)检测，有时被称为干涉检测。这对于SPG是重要的，因为来自单模光纤的信号电平能够非常低。诸如光学组合器之类的附加装置典型地存在，以将来自激光器的光以及从皮肤所反射的光组合为单个波导。组合器可例如采取3dB耦合器(例如，2×1Y结或2×1MMI)的形式。
检测器能够收集来自单个小区域的光，或者能够被隔开并且被聚集以收集来自若干小区域的光。后一种情况能够实现来自样本表面的多个区域的SPG波形。
检测器信号能够每次一个地被处理，并且然后跨N个检测器被平均以用于时间SPG。或者，来自单个区域的检测器信号能够被共同处理以用于空间SPG。
波长(时间自相关)：
散斑能够在任何波长下被测量。对于组织中的测量，可利用t个绿色、黄色、红色、NIR I、NIR II、NIR III/SWIR I和SWIR II频带，其中每个频带中的波长指代如本领域中的科学论文和文本中例示的已知频带。
操作的模式(时间自相关)：
连续波或脉冲。对于脉冲操作，理想脉冲持续期应当比散斑时间解相关时间明显更长或者比散斑解相关时间明显更短。
数据采样率(时间自相关)：
对于散斑时间自相关，数据收集应当为至少100kHz、至少500kHz，典型地为1MHz并且至多为10MHz。更快采样是可接受的，但是数据可能将被平均，从而引起时间自相关计算。
光源要求(时间自相关)：
多个波长能够用来收集散斑数据。这样做允许多参数拟合，包括组织光学性质连同血流指数。
多个波长可在相同检测器上被依次检测，或者以每检测器一个波长被同时检测
孔径要求(时间自相关)：
对于散斑时间自相关测量，在一些情况下，应当同时检测不多于“几个”散斑，理想地仅一个或者可能少于一个散斑。尽管能以来自相干性中的减少的有效信号的减少来收集更多散斑以用于增加强度。
如果单模光纤或波导用来收集来自组织的光，则只有一个散斑通过它是单模的定义而被捕获。
备选地，散斑大小可在没有使用成像光学器件(例如没有透镜)的情况下通过下式被近似计算：
d＝λz/D
其中d是散斑的直径，λ是波长，z是从孔径(或者波导的直径)到检测器的距离，以及D是孔径(或波导)的直径
例如，对于1300nm光以及将从孔径到检测器的距离限制到1mm的期望，并且对于至少等于检测器大小(其中检测器的直径为70um)的散斑大小，孔径大小D应当不大于D＝1300e-9*1e-3/70e-6＝18um。由于光在光纤覆层中被部分传播的方式，这个孔径直径略大于单模光纤的芯大小。孔径或者单少模波导可用来向检测器输送光。
还存在使用成像光学器件来输送光的可能性。在此情况下，散斑直径被计算为
d≈1.2(1+M)λf#
其中
NA＝nsin(arctan(1/2f#))≈1/2f#
处理(时间自相关)：
相关扩散方程利用扩散近似来提供对复杂电场时间相关的分析解：其中τ是延迟时间，S0是源强度，D是光学扩散系数，其中以及/>其中k0＝2πn/λ，其中n为折射率，并且λ为光的波长，以及(Δr2(τ)>是平均均方位移。在组织中，进行流是扩散的近似，并且因此(Δr2(τ)>＝6DBτ，其中DB是散射粒子的有效布朗扩散系数，并且与血流指数近似相关。通常，G1方程通过平均强度被归一化，并且然后被写为g1。强度时间自相关g2通过Siegert关系式与g1相关：g2(τ)＝1+βg1(τ)2，其中β说明可归因于激光相干长度、散斑的数量(包括检测器大小与散斑大小的比率)和极化以及其他因素的相关损失。典型地，至多为大约1ms的均匀间隔的滞后时间(线性相关)或对数间隔的滞后时间(多τ相关方式)的时间自相关被计算，以获得g2解相关曲线。g2然后与已知方程拟合，以获得g1。g1被拟合，以通过使用假定光学性质或者通过使用多个波长数据或多个空间数据来获得真实组织光学性质连同血流指数，来获得血流指数。
如果仅期望相对血流而不是通过计算均匀间隔的滞后时间的时间自相关来获得具有精细分辨率的g2，则采样可被调整使得需要最少数量的点来拟合g2以查找解相关时间τ。进一步，在一些实施例中，可完全不必要计算或拟合g2。光子集成装置而是可配置成经由算法简单地监测自相关的形状与时间的改变。
实践用例(时间自相关)：
要注意，由于可穿戴格式中的大小约束，散斑时间相关的干涉测量(有时被称为干涉扩散相关光谱学(iDCS))可优先于散斑图案测量。散斑对比测量要求多个像素脸测器，并且因此要求更大的面积传感器。还存在对检测器大小以及离组织的距离的限制。而iDCS仅要求单个检测器，并且没有对检测器大小的约束，只要孔径或波导用来输送光。
然而，有可能将本文中公开的示例实施例扩大成包括使用多个检测器以用于计算散斑对比，作为对时间自相关的附加或替代。在利用散斑对比的情况下，以下修改适用：
作为对时间自相关的附加或备选的散斑对比：
使用PIC(所述PIC包括激光器和检测器)经由以可穿戴形式因素使用散斑图案中的时间改变的SPG测量来测量血压。检测器可以是分立检测器、检测器阵列或图像传感器。散斑对比测量在定制的ASIC或可编程FPGA中被执行，所述ASIC或FPGA是完整硬件栈的部分。
操作的模式(散斑对比)
连续波或脉冲。对于脉冲操作，脉冲持续期优选地应当比散斑对比测量时间(积分时间)明显更长或者比散斑对比测量时间明显更短。
数据采样率(散斑对比)：
对于散斑对比测量，数据收集应当为至少20Hz，以捕获SPG波形，尽管优选地为至少90Hz或者至少100Hz。
数据采样率可进一步增加，以便以20Hz获取数据的至少15“帧”，这等于300Hz。这允许对散斑对比数据执行时间计算，这改进精度/减少误差。
分立检测器或者线性阵列的集合可比高帧率相机(所述高帧率相机因大量像素而是高费用的)更好地适合这个任务。这个应用将仅要求例如8×8阵列，这可对读出设计具有更低的负担。
孔径要求(散斑对比)：
散斑直径(使用以上计算)应当至少是与给定的检测器或像素相同的直径，并且优选地是检测器或像素的两倍大小。散斑直径可小于给定的检测器或像素的大小，但是将引起降低的信号质量。检测器阵列(散斑对比)：
理想地，检测器大小尽可能小，以减少从孔径到检测器的距离(参见以上针对散斑大小、孔径的直径和距离的计算)。
文献教导，最少5×5像素(检测器)以及优选地7×7以上用来计算散斑对比，被定义为
其中σS是散斑强度的空间标准偏差。
具体来说，文献教导，窗口大小与散斑对比的变化之间的关系由下式给出：
其中p＝ρ散斑/ρ像素
阵列格式中的分立检测器不需要是直线的，而是可相互交叉或者以任何图案对称或者不对称地被分布在光源周围。检测器的总数应当为至少16，优选地为至少49。更多检测器减少散斑对比的计算中的误差。
设想可将时间自相关和散斑对比组合在相同装置中以用于附加误差减少。
图1示出能够进行采用4个检测器的时间SPG和外差检测的光子集成电路100(PIC)。PIC 100包括激光器102和四个检测器101a-101d，所述激光器的输出被提供给分离器104。准确的分离比率(X/Y)可以是可变的。而在大多数情况下，50％分离是优选的，在这个示例中，X取值10％，以及Y取值90％，其中X表示提供给样本臂(例如组织)的光的分数，以及Y表示提供给本地参考臂(例如本地振荡器)的光的分数。
提供给样本臂的光然后通过第二分离器106，所述第二分离器以50：50的比率将光分成第一和第二路径。第一路径连接到第三分离器108，所述第三分离器再次以50：50的比率来分离所接收的光，并且将每个部分提供给相应的检测器101a、101b。第二路径连接到第四分离器110，所述第四分离器再次以50：50的比率来分离所接收的光，并且将每个部分提供给相应的检测器101c、101d。因此，每个检测器接收从第一分离器提供给第二分离器的光的1/4。
提供给样本臂的光然后从芯片传送到组织。光从样本反射，以及散斑颗粒被接收到四个接收器112a-112d中的每个接收器(对应于(并且被连接到)相应检测器中的一个检测器)中。组合器107a、107b、107c、107d位于检测器之前，并且用以经由接收器和后续波导将从激光器已被分接的光与从样本(例如皮肤)已被反射的光相组合。组合器可例如采取3dB耦合器(例如，2×1Y结或2×1MMI)的形式。图1中的PIC形成根据本公开的PIC的基本体系结构。可变分离比率在生物医学应用的领域中特别重要，因为不可期望将入射在组织上的光的功率升高到可引起对组织的损坏和/或用户的不适的水平。
虽然图1中示出一个激光器，但备选实施例包括多个激光器，例如单个PIC上的激光器组。每个激光器可具有与其他激光器不同的波长或波长范围。首先从激光器到样本和参考臂中并且其次从样本和参考臂到检测器中的具体分离比率可基于信号电平被计算，以最大化外差SNR。
参照图2能够理解这个基本体系结构的更多细节，图2对应于相干示例，示出更多细节。激光器将相干光提供给抽头(例如，对应于图1中所示的分离器104)。光的部分被提供给输出端面/辐射器，使得它照射样本。光的剩余部分(在这个示例中为来自激光器的原始光的90％)被提供给1×N星形耦合器或分离器树。星形耦合器或分离器树将光的一个部分提供给光电二极管，所述光电二极管用作功率监测器。剩余光被提供给n个组合器(在这个示例中为3-dB组合器，其他值是可能的)中的每个组合器。在这个示例中，这同等地进行，使得n个组合器中的每个组合器接收相同或相似功率级的光。组合器各自将从星形耦合器或分离器树所接收的光与从相应输入端面所接收的光(即，从样本已经反射并且对应于散斑图案中的单个颗粒的光)相组合。所组合的光然后被提供给相应的光电二极管(R×1、R×2、…、R×N)。
图3示出以直接检测示例的形式的备选基本体系结构，其中没有提供参考臂。激光器输出而是如前面所述由抽头分离，但是部分仅被提供给用作功率监测器的光电二极管。通过对输出端面/辐射器的供应，剩余光中的全部光用来照射样本。激光器光的反射由输入端面中的每个输入端面接收，所述输入端面被直接连接(没有中间组合器)到形成检测器的相应光电二极管。
图4示出作为时间SPG可操作的PIC，其中具有四个检测器的两个集合。检测器的第一集合(最右边)收集来自例如离输出端面(光源)5mm的第一定位的光，以及第二集合(最左边)收集来自第二定位的光，所述第二定位比第一定位进一步远离输出端面，例如离输出端面10mm。。
图5示出作为空间SPG可操作的PIC，其中具有紧密间隔检测器的4×4阵列。其他大小的区域是可能的，例如5×5、10×10或100×100。示出可选透镜，用于将来自组织表面的光成像到检测器上。在一些实施例中，图5中的检测器具有不同大小或尺寸。在一些实施例中，检测器中的一些检测器用于时间SPG，而其他检测器用于空间SPG。具体来说，在一些示例中，最外面的检测器(例如围绕检测器阵列的边缘的那些检测器)用于时间SPG，而内检测器用于空间SPG。
图6是根据本发明的实施例的使用中的PIC的示意图。使用单个源定位(即，从PIC的一端上的单个端面/辐射器来发射光)。在这个示例中，提供相干光的单个波长λ1。但是能够使用多个波长λn。如果是这样的话，则光在通过单个源的发射之前被组合。所述PIC还包括至少一个(但是可包括更多)检测器。在这个示例中，从所述或每个激光器所提供的光由分离器以X/Y的比率来分离，所述分离器位于(一个或多个)激光器与输出端面之间。在使用多个波长的情况下，那些波长的组合在X/Y分离器之前被执行。激光器光的部分经由输出端面被提供给样本，以照射样本，以及激光器光的部分被提供给位于所述或每个输入端面(所述输入端面能够是孔径或波导)与相应检测器之间的组合器。
图7是根据本发明的实施例的使用中的PIC的示意图。使用多个源定位，因为从PIC的一端上的多个输出端面/辐射器来发射光。这可通过单个激光器或者通过用于输出端面/辐射器中的每个输出端面/辐射器的激光器被实现，来自所述单个激光器的相干光在对每个输出端面/辐射器的供应之前被分离。如前面所述，通过输出端面/辐射器将被输出的光的部分经由分离器被分离，并且被提供给位于每个输入端面(所述输入端面能够是孔径或波导)与相应检测器之间的组合器。
图8是根据本发明的实施例的PIC的使用方法的示例。在第一步骤S802中，激光器被照射(接通)，并且这样相干光入射在样本上。接下来，在步骤S802中，以超过500kHz的速率来获取检测器数据。从这里，在步骤S806中，以一系列滞后时间来计算时间自相关。所产生信号然后在步骤S808中被拟合，以获得血流指数与时间(SPG)。包括形状和定时的SPG信号的性质然后用来在步骤S10中确定血压，这个确定能够利用诸如PPG或ECG之类的伴随时间同步度量，以改进用以推导BP的精度。
虽然已结合以上描述的示例性实施例描述本发明，但许多等效修改和变化将对本领域的技术人员在被给到本公开时是显而易见的。相应地，以上提出的本发明的示例性实施例被认为是说明性而不是限制性的。在不背离本发明的精神和范围的情况下，可进行对所述实施例的各种改变。
通过引用将以上引用的所有参考结合于此。
Claims (15)
1.一种光子集成装置，包括：
光子集成芯片(PIC)，其适于研究用户的组织的部分处的血流，所述PIC包括：
具有光学输出的激光器，或用于引导来自外部激光器的光学输出的波导，所述光学输出被分离为第一光学分量和第二光学分量；其中所述第一光学分量被布置成被传送到所述用户的组织的所述部分并且在所述部分处生成散斑；
所述光子集成装置进一步包括：
一个或多个检测器，每个检测器配置成接收由组织的所述部分处的所述第一光学分量所生成的所述散斑；以及
一个或多个光学分离器，所述一个或多个光学分离器将所述第二光学分量光学地耦合到所述一个或多个检测器的一个或多个相应输入；
其中所述光子集成装置进一步适于在由所述第一光学分量形成的样本臂与由所述第二光学分量形成的参考臂之间的所述一个或多个检测器处测量干扰。
2.如权利要求1所述的光子集成装置，其中所述一个或多个检测器位于与所述激光器相同的PIC上。
3.如权利要求1所述的光子集成装置，其中所述一个或多个检测器与所述PIC分开定位。
4.如权利要求1所述的光子集成装置，进一步包括ASIC或FPGA，所述ASIC或FPGA配置成计算检测的强度的时间自相关。
5.如权利要求4所述的光子集成装置，其中所述ASIC或FPGA配置成执行由不同检测器接收的图像之间的散斑对比测量。
6.根据先前权利要求中的任一项所述的光子集成装置，进一步包括适于接收来自所述组织部分的光的单模波导或孔径，所述单模波导或孔径被放置成与所述一个或多个检测器中的相应检测器进行光学通信。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的光子集成装置，进一步包括适于接收来自所述组织部分的光的多模波导，所述多模波导被放置成与所述一个或多个检测器中的相应检测器进行光学通信。
8.如前面权利要求中的任一项所述的光子集成装置，其中每个检测器仅接收来自更大的散斑图案内的散斑的单个颗粒的光。
9.如前面权利要求中的任一项所述的光子集成装置，其中所述PIC是硅光子芯片。
10.如前面权利要求中的任一项所述的光子集成电路，其中所述激光器具有1280nm以上的操作波长。
11.如前面权利要求中的任一项所述的光子集成电路，其中所述激光器是固定波长激光器。
12.如前面权利要求中的任一项所述的光子集成电路，其中所述激光器是可调谐激光器。
13.如前面权利要求中的任一项所述的光子集成电路，进一步包括一个或多个附加激光器，使得所述PIC包括多个激光器。
14.如权利要求14所述的光子集成电路，其中所述多个激光器中的每个激光器具有不同的操作波长或波长范围。
15.如权利要求13或14所述的光子集成电路，其中每次一个激光器地操作所述多个激光器。
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