可穿戴健康监测器依赖于激光器：Coherent高意可为消费类电子行业提供几乎所有类型的EEL和VCSEL

时间： 2024-11-12 来源：COHERENT官网

技术问答

消费类电子设备的一个主要趋势是能够提供个人健康监测的智能手表和其他可穿戴设备的发展。最初的心率监测现在通常包括心率变异性（压力）、血压和血氧监测。还可进行水合或乳酸监测以评估肌肉疲劳的设备正在开发中。有消息称，一种完全无创的血糖监测仪即将问世，这将改善糖尿病患者的生活质量。

这是怎么回事？提高健康监测能力有以下两个需求驱动因素：

第一个是对预防性/维护性医疗保健方法的渴望，在潜在问题引起明显症状之前就加以识别和解决。

第二个驱动因素是，生物传感设备可以发挥关键作用，向医生和患者提供实施更个性化医疗解决方案（如用于管理慢性健康状况）所需的信息。

为何选择半导体激光器

从技术角度来看，监测应用都涉及某种类型的光学传感技术。上面提到的新的和更先进的应用（例如乳酸、葡萄糖和水合监测）都依赖于光学技术，而光学技术依赖于激光光源的特殊性能。

选择何种激光器？激光器在功率、波长、尺寸、成本、脉冲特性和其他参数等方面差异很大（COHERENT高意知道这一点，因为公司生产几乎所有类型的激光器）。

对于可穿戴健康监测器（或一般消费类电子产品）等应用，必须满足以下四个关键激光器要求：

成本低

体积小/重量轻

低功耗

可靠性高

半导体激光器（通常称为激光二极管）是唯一能够满足所有这些要求的激光器。

可穿戴设备当前和未来的一些应用：

心率监测

血氧监测

水合监测

葡萄糖监测

乳酸监测

疾病检测和个性化医疗

VCSEL路线图以消费类应用为主导

半导体激光器有许多不同的型号，并且可在很宽的波长范围内使用。截至目前，大多数光学传感应用中常见的半导体激光器类型是VCSEL（发音为“vixel”）。

与其他半导体激光器相比，VCSEL的一个关键优势是它从顶面发射光。VCSEL的近红外（NIR）范围为750nm至1200nm，无需复杂的光学器件即可发出圆形光束。这一特性使集成变得容易，并最大限度减少了许多应用中的总重量和成本。

由于这些优点，VCSEL广泛应用于消费类电子设备的各种应用中。这些应用包括光学计算机鼠标中的导航、游戏机中的身体跟踪、智能手机和平板电脑中的接近和面部识别传感器以及3D扫描仪，等等。它们还用于汽车传感应用以实现自动驾驶，以及驾驶员和乘客监控应用。此外，VCSEL甚至开始用于脑成像（fNIRS）。

另外，VCSEL还广泛应用于数据中心的光通信中。VCSEL的快速调制能力、易于集成和出色的性价比非常适合需要极高带宽的短距离数据链路，而这正是数据中心支持人工智能（AI）应用爆炸性增长所需要的。

然而，目前半导体激光器最大的单一应用是在智能手机中用于面部识别，它使用两个VSCEL阵列发射940nm红外光。有多大？ Coherent高意已向消费类电子应用供应了超过2000亿个VCSEL发射器。这可能实现，因为我们在VCSEL制造方面进行了大量投资，建造并上线了新的晶圆厂，将生产规模从75mm扩大到150mm晶圆。事实上，我们目前是VCSEL垂直整合制造商，采用成熟的工艺，相应地，产出率就高，且产品经济实惠。

除了VCSEL之外，Coherent高意还生产另一种类型的激光二极管：边缘发射激光器（EEL）。此类激光器从芯片侧面发出光束形状略呈椭圆形的光。边缘发射激光器的主要优点是，其架构与支持不同波长范围的不同材料系统兼容。我们生产基于砷化镓、磷化铟以及锑化镓的EEL，波长范围涵盖750nm以上的近红外 (NIR)、短波红外（SWIR）、3000 nm以下的中红外（MIR）。较长的波长范围（SWIR和MIR）与生物传感应用特别相关，因为这是光与人体内存在的生物分子相互作用的地方。边缘发射器也得到大量生产并用于消费类电子设备，尽管不如VCSEL那么广泛。一种众所周知的应用是在智能手机中，其中边缘发射器支持最先进的接近传感器。

集成供应商提供的集成解决方案（PIC）

虽然VCSEL等半导体激光器是为许多可穿戴医疗传感设备供电的光源，但它只是完整光子传感系统的一部分。其他关键组件包括光电探测器（光电二极管）和增益芯片，例如半导体光放大器（SOA）。

Coherent高意是一家垂直整合式光子制造商，也是这些核心组件类型的批量供应商。高意与光子学领域的其他相关各方密切合作，并坚信，未来应用将越来越依赖光子集成电路（PIC）模式来集成系统级组件并实现可穿戴电子产品所需的小外形尺寸。PIC相当于主导电子世界的IC的光子。

Coherent高意处于支持这一趋势的有利位置，因为公司也在光通信应用中使用PIC。

生物传感领域的未来就在眼前

总而言之，可穿戴设备中将增加新生物传感功能。许多新功能依赖于使用半导体激光器光源的光学传感。

作为一家垂直整合式半导体激光器制造商，Coherent高意已经做好了支持这些应用的准备，并为消费类电子行业提供了大量EEL和VCSEL。此外，公司的产品组合和专业知识还包括制造生物传感器所需的补充技术，例如光电二极管、增益芯片和光子集成电路。

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