【手続補正書】
【提出日】令和3年5月13日(2021.5.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験体の血液成分濃度レベルをリアルタイムモニタリングするためのレーザ系センサシステムオンチップであって、
波長可変ハイブリッドＩＩＩ−Ｖ／ＩＶレーザセンサ；および
前記レーザセンサに結合された光ファイバインターフェース、ここで前記インターフェースはプローブを含み、
ここで使用中、前記レーザセンサは前記被験体から離れており、前記プローブは前記被験体と光通信する、を備えているシステムオンチップ。
【請求項２】
前記ＩＶは、シリコン、シリコンオンインシュレータ、窒化シリコンオンシリコンオンインシュレータ、ゲルマニウムオンインシュレータ、および窒化シリコンオンシリコンからなる群から選択されるＩＶ系半導体基板を含む、請求項１のレーザ系センサシステムオンチップ。
【請求項３】
前記波長可変レーザセンサは、ＩＩＩ−ＶゲインチップとＩＶ系基板上に配置されたフォトニック集積回路とを備えており、前記フォトニック集積回路は、（ｉ）バーニア効果に基づく波長フィルタリングおよびチューニング機能を実行するように構成され、そして（ｉｉ）前記ＩＩＩ−Ｖゲインチップの外部キャビティを規定し、任意にて
前記フォトニック集積回路は、スポットサイズモード変換器、位相制御部、および第２のフリースペクトルレンジを有する第２の共振器に結合された第１のフリースペクトルレンジを有する第１の共振器を備えており、さらに任意にて
前記の第１および第２の共振器は、マイクロリング共振器、抽出ブラッグ反射器、および分布帰還反射器からなる群から選択される、および／または
前記第１のフリースペクトルレンジは、前記第２のフリースペクトルレンジと異なる、および／または
前記の結合された第１および第２の共振器、前記ＩＩＩ−Ｖゲインチップ、スポットサイズモード変換器、および位相制御部は、前記波長可変レーザセンサのバーニア効果に基づくチューニングを可能にするよう協働する、および／または
前記波長可変レーザセンサは、動作中、少なくとも１つの前記の結合された共振器に電流または熱の少なくとも１つを印加してその有効屈折率を変化させることにより、前記ゲインチップにより生成されるレーザの波長の変化をもたらすように構成されている、請求項１のレーザ系センサシステムオンチップ。
【請求項４】
前記ＩＩＩ−Ｖゲインチップは、前記フォトニック集積回路に端面結合されており、任意にて
前記ＩＩＩ−Ｖゲインチップは、グレーティングカプラによって前記フォトニック集積回路に結合されている、前記請求項のいずれかのレーザ系センサシステムオンチップ。
【請求項５】
前記レーザセンサは、フリップチップボンディング、接着、転写印刷技術、またはサイドカップリングの少なくとも１つによってフォトニック集積回路に結合された少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖフォトダイオードを含む、前記請求項のいずれかのレーザ系センサシステムオンチップ。
【請求項６】
前記波長可変レーザセンサから離れて配置されたディスクリートＩＩＩ−Ｖフォトダイオードをさらに備え、ここで使用中、前記被験体からの反射信号は前記ディスクリートＩＩＩ−Ｖフォトダイオードによって収集され、任意にて
前記フォトニック集積回路は、信号および波長モニタリング部を備えており、さらに任意にて
前記信号および波長モニタリング部は、（ｉ）マッハツェンダ干渉計のセットまたは結合されたリング共振器の少なくとも１つ、および（ｉｉ）少なくとも１つのフリップチップＩＩＩ−Ｖフォトダイオードを備えており、さらにまた任意にて
前記レーザセンサは、
センサ制御電子機器；および
信号処理マイクロコントローラ、
ここで前記マイクロコントローラは、（ｉ）前記レーザ駆動電子機器を制御し、（ｉｉ）電流を調整し、そして（ｉｉｉ）前記ディスクリートＩＩＩ−Ｖフォトダイオードから得たデータの信号処理のため前記波長および信号モニター部からの情報を使用するように構成されている、をさらに備えている、前記請求項のいずれかのレーザ系センサシステムオンチップ。
【請求項７】
前記レーザセンサは、時間の関数としてチューニング範囲にわたって波長掃引を実行するように構成されており、そして前記レーザセンサは、前記被験体から反射された光を電気信号に変換するように構成されたフォトダイオードを備えている、および／または
前記光ファイバインターフェースは、光学カテーテルに接続されており、そして（ｉ）前記センサからの光信号を前記被験体の血液に送信し、（ｉｉ）前記被験体の血液からの反射光を前記センサに送信するように構成されている、および／または
前記光ファイバインターフェースは、前記被験体の皮膚または外側組織を通して前記被験体の血液サンプルを非侵襲的に照射するように構成されたビーム整形光学部品と光通信している、前記請求項のいずれかのレーザ系センサシステムオンチップ。
【請求項８】
被験体の血液成分濃度レベルをリアルタイムモニタリングするためのレーザ系センサシステムオンチップを製造する方法であって、
ＩＩＩ−Ｖ半導体ゲインチップを製造すること、
ＣＭＯＳ技術によりＩＶ族系半導体基板上にフォトニック集積回路を作成してＩＶ族半導体チップを規定すること、および
前記ＩＩＩ−Ｖゲインチップと前記ＩＶ族半導体チップをハイブリッド集積することにより、
波長可変ハイブリッドＩＩＩ−Ｖ／ＩＶレーザセンサを製造すること、
ここで前記フォトニック集積回路は、（ｉ）バーニア効果に基づいて波長フィルタリングおよびチューニング機能を実行するように構成され、そして（ｉｉ）前記ＩＩＩ−Ｖゲインチップの外部キャビティを規定し；ならびに
光ファイバインターフェースを前記レーザセンサに結合すること、前記インターフェースはプローブを含み、
ここで使用中、前記レーザセンサは前記被験体から離れており、そして前記プローブは前記被験体と光通信する、のステップを含む方法。
【請求項９】
前記ＩＩＩ−Ｖゲインチップと前記ＩＶ族半導体チップをハイブリッド集積することは、前記ＩＩＩ−Ｖゲインチップを前記ＩＶ族半導体チップに端面結合すること、前記の２つのチップを能動的に位置合わせすること、および前記の２つのチップを接着することを含む、および／または
前記チップをハイブリッド集積することは、前記ＩＩＩ−Ｖゲインチップｐ側を下に反転させること、および前記フォトニック集積回路への端面結合のため前記ゲインチップを前記ＩＶ族半導体チップに規定されたトレンチにボンディングすることを含む、請求項８の方法。
【請求項１０】
前記ＩＩＩ−Ｖ半導体ゲインチップを製造することは、ＭＢＥまたはＭＯＶＰＥ成長の少なくとも１つにより基板上にレーザ層構造をエピタキシャル成長させることを含み、任意にて
前記基板上の前記レーザ層構造を、所定の導波路角度およびコンタクトパッドを含むゲインチップデバイスに処理することをさらに含み、さらに任意にて
前記基板上の前記レーザ層構造をバーにへき開することを含み、さらにまた任意にて
反射防止コーティングを出力ファセット上に形成することを含み、ここで出力反射は前記出力ファセットで０．１％未満であり、さらにまた任意にて
高反射率コーティングをバックファセット上に形成することをさらに含み、ここで出力反射率は前記バックファセットで少なくとも９０％以上であり、さらにまた任意にて
各バーを複数の個々のＩＩＩ−Ｖ半導体ゲインチップにへき開することをさらに含み、さらにまた任意にて
前記ＩＩＩ−Ｖゲインチップの特性に応じてフォトニック集積回路を設計することをさらに含み、前記フォトニック集積回路はスポットサイズ変換器およびバーニアフィルタのうちの少なくとも１つを含む、請求項８の方法。
【請求項１１】
セルのアレイを含むセンサであって、各セルは請求項１から７のいずれかのレーザ系センサシステムオンチップを含み、ここで各アレイセルは異なるスペクトル領域および個別の標的分子を標的としており、任意にて
各アレイセルの波長掃引レーザ信号は異なる時間に放出され、そして信号収集は単一のフォトダイオードにて同期検出により実現される、センサ。
【請求項１２】
（ｉ）前記光ファイバインターフェースは、コアを有するアウトカップリングファイバを備え、（ｉｉ）前記アレイの出力は、前記システムオンチップの同じ部分にルーティングされた前記個々のアレイセルからのグレーティングカプラの群によって形成され、そして（ｉｉｉ）前記グレーティングカプラの群によって規定される総面積は、アウトカップリングファイバコアの断面積よりも小さい、および／または
単一の出力部；
前記アレイセルの出力を切り替えるように構成された波長スイッチ；および
単一のフォトダイオードをさらに備え、
ここで（ｉｉ）前記センサアレイの出力は、前記単一の出力部および前記波長スイッチによって形成され、（ｉｉ）個々のセルの出力を切り替えることは、所与の時間に前記標的にアウトカップリングされる１つのアレイセルの単一の出力をもたらし、そして（ｉｉｉ）信号収集は、前記単一のフォトダイオードにて同期検出によって実現される、請求項１１のセンサ。
【請求項１３】
（ｉ）少なくとも１つのアレイセルが、約１４６０ｎｍ、約１９００−２０００ｎｍ、および約３０００ｎｍからなる群から選択される少なくとも１つの水吸収ピークに対応するスペクトル領域を標的としており、そして（ｉｉ）少なくとも１つの他のアレイセルは、血液成分の標的分子の少なくとも１つの吸収ピークに対応するスペクトル領域を標的としており、任意にて
前記の少なくとも１つのアレイセルで測定された前記の少なくとも１つの水吸収ピークに基づいて水分濃度レベルおよび水吸収スペクトルを決定するようにプログラムされた少なくとも１つの中央処理装置をさらに備え、さらに任意にて
前記中央処理装置は、ベースラインを削除し、そして前記の少なくとも１つのアレイセルに隣接するアレイセルがカバーするスペクトル領域の複合吸光度スペクトルを分解して元となる標的分子吸収特徴を明らかにするようにさらにプログラムされている、請求項１１のセンサ。
【請求項１４】
前記中央処理装置は、拡散反射スペクトルを吸光度に変換するようにさらにプログラムされており、任意にて
前記吸光度は、他の分子吸収との重複が存在しない異なるスペクトル領域で動作する隣接するアレイセルからの情報を使用することにより分離される複数の個々の吸光度スペクトル成分を含む収集吸光度スペクトルを含み、さらに任意にて
前記中央処理装置は、１より多い標的分子の吸収スペクトル特性が重複するスペクトル領域のベースラインを修正および削除するようにさらにプログラムされており、さらにまた任意にて
前記中央処理装置はさらに、前記の個々の吸光度スペクトル成分の少なくとも１つを使用して、較正された濃度レベルを決定するようにプログラムされており、さらにまた任意にて
前記較正された濃度レベルは、所与の波長での複数の個々の分子のそれぞれに対する個々の吸光度値と較正された減衰係数に基づいて決定される、請求項１３のセンサ。
【請求項１５】
前記中央処理装置はさらに、特定のサンプル量とは無関係に標的分子濃度を決定するようプログラムされている、請求項１３または１４のセンサ。
【請求項１６】
被験体の血液成分濃度レベルをリアルタイムモニタリングするためのレーザ系センサシステムオンチップであって、
波長可変ハイブリッドＩＩＩ−Ｖ／ＩＶセンサ；および
前記レーザセンサに結合された光学インターフェース、ここで前記光学インターフェースはビーム整形光学部品を含み、
ここで使用中、前記レーザセンサは前記被験体から離れており、そして前記光学インターフェースは、前記被験体の皮膚または外側組織を通して前記被験体の血液サンプルを非侵襲的に照射するように構成されている、を備えているシステムオンチップ。
【請求項１７】
セルのアレイを含むセンサであって、各セルは請求項１６のレーザ系センサシステムオンチップを含み、ここで各アレイセルは異なるスペクトル領域および個別の標的分子を標的としており、任意にて
各アレイセルの個々の出力は前記被験体の単一の領域を照明するよう焦点を合わせされ、そして各反射信号は前記ビーム整形光学部品によって前記の照明された領域から収集される、センサ。
【請求項１８】
前記ビーム整形光学部品は、少なくとも１つの光学素子を含み、任意にて
前記光学素子は、レンズ、鏡のセット、および放物面鏡のうちの少なくとも１つを含む、請求項１６のセンサアレイ。
【請求項１９】
被験体の血液成分レベルをリアルタイムモニタリングする方法であって、
波長可変ハイブリッドＩＩＩ−Ｖ／ＩＶレーザセンサ、
前記レーザセンサに結合された光ファイバインターフェース、ここで前記サーフェースはプローブを含み、
センサ制御および信号処理用のセンサ制御電子機器、および
信号処理マイクロコントローラ、
前記レーザセンサは前記被験体から離れて配置し、そして前記プローブは前記被験体と光通信する、
を備えたシステムオンチップを提供すること；
前記光ファイバインターフェースに掃引レーザ信号を送信することにより、前記システムオンチップに前記被験体の前記血液成分レベルをモニタリングするよう指示すること；
前記光ファイバインターフェースにて前記被験体の前記血液に前記信号を導くこと；
前記信号が前記血液と相互作用した後、前記血液からの反射信号を前記光ファイバインターフェースで収集すること；
前記反射信号を反射光フォトダイオードに導くこと、ここで前記反射信号は光信号であり；
前記反射信号を光信号から電気信号に変換すること；ならびに
前記マイクロコントローラで前記電気信号を処理して、前記電気信号を較正された血液成分レベルに変換すること、のステップを含む方法。
【請求項２０】
前記プローブは、侵襲性血液分析物濃度レベル測定のために、静脈内光学カテーテルまたは動脈内光学カテーテルの少なくとも１つに接続されている、および／または
前記光学インターフェースは、非侵襲性血液分析物濃度レベル測定のために前記被験体に取り付けられる、および／または
前記血液成分は、乳酸、アルブミン、グルコース、アンモニア、クレアチニン、および尿素からなる群から選択される、請求項１９の方法。