今年七月份，Rockley Photonics对外宣布他们正在研发用于运动手环的生物传感器模块，并且已经和Apple达成合作，未来有望在Apple Watch上采用。小豆芽这里对相关的技术做一个简单的整理，供大家参考。
目前市场上的运动手环，大都以绿光的LED作为光源，入射到皮肤表层，通过检测反射回来的信号，获知用户的心率、血压、血氧等信息，如下图所示。
（图片来自文献2）
Rockley的方案中，除了可见光LED光源之外，还配置有近红外光源，可以穿透到更深层的皮肤中，再结合硅光芯片的片上光谱仪，进而获知用户的血液里血糖、酒精等物质的浓度信息。
首先聊一聊血糖检测，传统的方案是指尖采血，进行化验分析，进而得到血糖值。这一方案比较耗时，对人体有创伤，并且不能动态监测。如果能够在手环中集成实时监测血糖这一功能，无疑带来了巨大的便捷。Rockley采用的是拉曼光谱的监测方法，其工作原理如下图所示，
（图片来自文献1）
通过分析从血管散射回来的拉曼光谱，与特征光谱进行比对，可以分析得到血糖、酒精等物质的浓度信息。
Rockely的模块分为四部分，如下图所示，
（图片来自https://semianalysis.com/rockley-photonics-will-revolutionize-healthcare-by-measuring-biomarkers-such-as-glucose-with-lasers-in-an-apple-watch/）
其中第一部分为近红外光芯片，尺寸为8*3 mm^2, 第二部分为可见光光路，第三部分电学接口，第四部分为电芯片。硅光芯片出现在第一部分，一方面通过微环产生频率梳光源，另一方面在光芯片上实现片上光谱仪，用于分析散射回来的光信号，从而得知血糖的浓度。
频率梳光源的原理图如下图所示，
（图片来自文献3）
在SiN光芯片上集成III-V的光放大器，单一波长的光进入到微环后，由于SiN的Kerr非线性效应，发生四波混频过程，产生两个新的波长，新的波长进一步在微环中振荡，发生四波混频效应，进而产生多组波长组成的宽带梳状光谱。这里面涉及到的SiN芯片与III-V芯片异质集成，正是Rockley硅光工艺(Rockley的硅光技术)的一个特色。
至于片上光谱仪的方案，Rockley没有透露太多，但是他们在之前发表的文章中多次提及过AWG, 大概率应该采用的是AWG方案，如下图所示，
(图片来自文献4)
Rockley并没有透露具体的光路信息，小豆芽不太清楚如何收集从皮肤散射回来的拉曼光。Rockley收购了一家名为TruTouch Technologies的生物传感公司，完成了相关传感技术的积累。另一方面，Rockley特有的硅光工艺，使得其在频率梳以及AWG这两个芯片的加工中发挥优势。Rockley的硅光技术采用的是3um厚硅工艺，有些非主流。但是其便于与III-V集成，且波导的加工容差大，便于制备相位敏感的光器件。也许Apple选择与他们合作，正是看中了这一点。虽然硅光的生物传感概念已经宣传多年，但是并未大范围商用。Rockley无疑让人们重新关注这一应用领域，如果未来能够在运动手环上成功商用，对硅光芯片的影响是巨大的。
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参考文献：
- R. Pandey, et.al., "Noninvasive Monitoring of Blood Glucose with Raman Spectroscopy", Acc Chem Res. 50,264–272(2017)
- V. Rachim, et.al., "Wearable-band type visible-near infrared optical biosensor for non-invasive blood glucose monitoring", Sensors & Actuators: B. Chemical 286,173(2019)
- B. Stern, et.al., "Battery-operated integrated frequency comb generator", Nature 562, 401(2018)
- A. J. Zilkie, et.al., "Multi-micron silicon photonics platform for highly manufacturable and versatile photonic integrated circuits", IEEE Journal of Selected Topic in Quantum Electronics (2019)
