Neue Möglichkeiten in der Biosensorik
Erfahren Sie, warum Diodenlaser eine entscheidende Technologie für die schnelle Entwicklung tragbarer Gesundheitsmonitore der nächsten Generation darstellen.
20. September 2023 von Coherent
Ein wichtiger Trend bei Geräten der Unterhaltungselektronik ist die Entwicklung von Smartwatches und anderen tragbaren Geräten zur persönlichen Gesundheitsüberwachung. Was mit der Überwachung der Herzfrequenz begann, umfasst heute häufig die Überwachung der Herzfrequenzvariabilität (Stress), des Blutdrucks und des Blutsauerstoffs. Geräte, die auch eine Überwachung von Hydration oder Laktat zur Beurteilung der Muskelermüdung durchführen können, sind in der Entwicklung. Es wird behauptet, dass bald ein völlig nicht-invasives Glukosemessgerät verfügbar ist, das die Lebensqualität von Diabetikern verbessern wird.
Worum geht es? Es gibt zwei Faktoren, die die Nachfrage nach einer verbesserten Gesundheitsüberwachung vorantreiben:
Erstens besteht der Wunsch nach präventiven/erhaltenden Ansätzen für die Gesundheitsversorgung, bei denen potenzielle Probleme erkannt und angegangen werden, lange bevor sie erhebliche Symptome verursachen können.
Zweitens können Biosensorgeräte eine Schlüsselrolle spielen, wenn es darum geht, Ärzten und Patienten die Informationen zu liefern, die sie für die Implementierung personalisierterer medizinischer Lösungen benötigen, z. B. für die Behandlung chronischer Gesundheitszustände.
Vorteile von Diodenlasern
Aus technologischer Sicht beinhalten alle Überwachungsanwendungen eine Art optische Sensortechnik. Die oben genannten neuen und fortschrittlicheren Anwendungen – wie die Überwachung von Laktat, Glukose und Hydration – basieren alle auf optischen Techniken, die von den besonderen Eigenschaften einer Laserlichtquelle abhängen.
Welche Art Laser? Laser variieren enorm hinsichtlich Leistung, Wellenlänge, Größe, Kosten, Pulseigenschaften und anderen Parametern. (Wir wissen das, weil wir bei Coherent nahezu jede Art von Laser herstellen!)
Für eine Anwendung wie tragbare Gesundheitsmonitore (oder Unterhaltungselektronik im Allgemeinen) müssen vier kritische Laseranforderungen erfüllt werden:
Niedrige Kosten
Kleine/leichte Größe
Geringer Stromverbrauch
Zuverlässigkeit
Diodenlaser (oft auch Laserdioden genannt) sind die einzigen Laser, die all diese Anforderungen erfüllen können.
Einige aktuelle und zukünftige Anwendungen für Wearables:
Herzfrequenzüberwachung
Blutsauerstoffüberwachung
Hydrationsüberwachung
Glukoseüberwachung
Laktatüberwachung
Krankheitserkennung und personalisierte Medizin
VCSELs Roadmap wird von Verbraucheranwendungen dominiert
Diodenlaser gibt es in vielen verschiedenen Varianten und in einem breiten Wellenlängenbereich. Der derzeit am häufigsten verwendete Diodenlasertyp für die meisten optischen Sensoranwendungen ist der VCSEL (ausgesprochen „Vixel“).
Ein wesentlicher Vorteil eines VCSEL gegenüber anderen Diodenlasern besteht darin, dass er Licht von der Oberseite emittiert. VCSELs sind im Nahinfrarotbereich (NIR) von 750 nm bis 1200 nm erhältlich und liefern einen kreisförmigen Lichtstrahl, der keine hochentwickelte Optik erfordert. Diese Eigenschaft erleichtert die Integration und minimiert das Gesamtgewicht sowie die Kosten in vielen Anwendungen.
Aufgrund dieser Vorteile werden VCSELs häufig in einer Vielzahl von Anwendungen in Geräten der Unterhaltungselektronik eingesetzt. Diese Anwendungen reichen von der Navigation in optischen Computermäusen über Body Tracking in Spielekonsolen bis hin zu Näherungs- und Gesichtserkennungssensoren und 3D-Scannern in Smartphones und Tablet-Computern. Sie werden auch in Automobil-Sensoranwendungen eingesetzt, um autonomes Fahren sowie Fahrer- und Passagierüberwachungs-Anwendungen zu ermöglichen. Darüber hinaus werden VCSELS sogar zunehmend für die Bildgebung des Gehirns (fNIRS) eingesetzt.
Abgesehen davon werden VCSELs auch häufig in der optischen Kommunikation in Rechenzentren eingesetzt. Die schnellen Modulationsfähigkeiten von VCSELs, die einfache Integration und das hervorragende Preis-Leistungs-Verhältnis erweisen sich als perfekte Ergänzung für Datenverbindungen über kürzere Distanzen, die eine extrem hohe Bandbreite erfordern – genau das, was Rechenzentren benötigen, um das explosionsartige Wachstum bei Anwendungen der künstlichen Intelligenz (KI) zu unterstützen.
Die derzeit größte Einzelanwendung für Diodenlaser ist jedoch die Gesichtserkennung in Smartphones, bei der zwei VSCEL-Arrays verwendet werden, die Infrarotlicht bei 940 nm aussenden. Wie groß? Coherent hat bereits über 200 Milliarden VCSEL-Emitter für Anwendungen in der Unterhaltungselektronik geliefert. Dies war möglich, weil wir erhebliche Investitionen in die VCSEL-Herstellung getätigt, neue Fabriken gebaut und in Betrieb genommen und die Produktion von 75-mm- auf 150-mm-Wafer skaliert haben. Tatsächlich sind wir heute der weltweit größte vertikal integrierte Hersteller von VCSELs, der ausgereifte Prozesse mit entsprechend hohen Ausbeuten und wirtschaftlichen Produkten nutzt.
Neben VCSELs stellt Coherent auch einen anderen Typ von Laserdioden her: den kantenemittierenden Laser (EEL). Dieser Lasertyp emittiert Licht von der Seite des Chips mit einer leicht elliptischen Strahlform. Der Hauptvorteil kantenemittierender Laser besteht darin, dass ihre Architektur mit verschiedenen Materialsystemen kompatibel ist, die unterschiedliche Wellenlängenbereiche ermöglichen. Wir stellen EELs auf Basis von Galliumarsenid, Indiumphosphid sowie Galliumantimonid her und decken den Wellenlängenbereich vom nahen Infrarot (NIR) von 750 nm aufwärts über kurzwelliges Infrarot (SWIR) bis ins mittlere Infrarot (MIR) bis 3000 nm ab. Die längeren Wellenlängenbereiche (SWIR und MIR) sind besonders relevant für Biosensoranwendungen, da hier Licht mit im menschlichen Körper vorhandenen Biomolekülen interagiert. Kantenemitter werden ebenfalls in großen Stückzahlen hergestellt und in Geräten der Unterhaltungselektronik eingesetzt, wenn auch nicht ganz so weit verbreitet wie VCSELs. Eine bekannte Anwendung sind Smartphones, wo Kantenemitter die fortschrittlichsten Näherungssensoren ermöglichen.
Integrierte Lösungen (PICs) von einem integrierten Lieferanten
Obwohl Diodenlaser wie VCSELs die Lichtquelle sind, die viele tragbare medizinische Sensorgeräte mit Strom versorgt, sind sie nur ein Teil eines vollständigen photonischen Sensorsystems. Weitere Schlüsselkomponenten sind Fotodetektoren (Fotodioden) und Verstärkungschips wie optische Halbleiterverstärker (SOAs).
Coherent ist ein vertikal integrierter Photonikhersteller und ein Volumenanbieter dieser Kernkomponenten. Zusammen mit anderen Interessenvertretern im Bereich der Photonik sind wir davon überzeugt, dass zukünftige Anwendungen zunehmend auf der Photonic Integrated Circuit (PIC)-Modalität basieren werden, um Komponenten auf Systemebene zu integrieren und die kleinen Formfaktoren zu erreichen, die für tragbare Elektronik erforderlich sind. Ein PIC ist das photonische Äquivalent des IC, der die Welt der Elektronik dominiert.
Coherent ist gut aufgestellt, um diesen Trend zu unterstützen, da wir PICs auch in optischen Kommunikationsanwendungen einsetzen.
Die Zukunft der Biosensorik ist da
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass tragbare Geräte um neue Biosensorfunktionen erweitert werden. Viele der neuen Funktionen basieren auf der optischen Erfassung mittels Diodenlaserlichtquellen.
Coherent ist als vertikal integrierter Hersteller von Diodenlasern, der bereits große Mengen an EELs und VCSELS für die Unterhaltungselektronikindustrie liefert, bereits gut positioniert, um diese Anwendungen zu unterstützen. Darüber hinaus umfassen unser Portfolio und unsere Expertise die ergänzenden Technologien, die zur Herstellung von Biosensoren erforderlich sind, wie z. B. Fotodioden, Gain-Chips und photonische integrierte Schaltkreise.
