过去十年，可穿戴技术市场发生了翻天覆地的变化。我们已经从简单的三轴加速度计（用于计步）发展到如今能够追踪心率变异性（HRV）、血氧饱和度（SpO2）甚至进行心电图（ECG）检查的精密腕戴式实验室。
然而，随着我们朝着可穿戴设备的“圣杯”——无创血糖监测和连续无袖带血压追踪——迈进，该行业却遇到了物理瓶颈。这个瓶颈就是发光二极管（LED）。
虽然不起眼的LED推动了可穿戴设备的革命，但来自高端光纤领域的新挑战者正在崛起：超辐射发光二极管（SLED或SLED） 。在SLED与LED的这场较量中，事关临床级生物识别追踪技术的未来。
1. 光的物理学：了解其组成部分
要了解为什么 SLED 突然成为硅谷和医疗技术中心的热门话题，我们首先必须了解它们与目前智能手表背面的 LED 有何不同。
什么是LED？（现行标准）
发光二极管通过自发辐射产生光。当电流通过半导体材料时，电子会跃迁到“空穴”中，并以光子的形式释放能量。这种光是：
- 非相干光：光波相位不一致。
- 全方位：它向各个方向散射。
- 宽带：它涵盖了很宽的波长范围。
对于运动和户外应用中的基本心率追踪（PPG），LED 灯非常出色，还能增添趣味性；然而，在进行冬季运动等活动时，积雪会影响传感器的精度，其局限性就显现出来了。LED 灯价格低廉、节能高效，并且有多种颜色可供选择（绿色代表心率，红色/红外色代表血氧饱和度）。
什么是SLED？（挑战者）
超辐射发光二极管是一种混合型器件。它通常被描述为兼具激光二极管的功率和方向性，但又具有发光二极管的低相干性。它的工作原理是放大自发辐射（ASE）。
SLED接收类似LED产生的光，并在光波导中传播时对其进行放大。最终得到的光源具有以下特性：
- 高亮度：比LED灯亮度高得多。
- 空间相干性：光线可以聚焦成一束紧密、定向的光束。
- 时间不相干性：与 LED 一样，它具有宽光谱，可以防止困扰激光器的“散斑”噪声。
2. 为什么LED在下一代生物识别技术方面举步维艰
如果LED灯已经使用了十年，为什么要改变这种说法呢？答案就在于信噪比（SNR）。
肤色和体毛问题
标准的基于LED的PPG传感器在处理不同人群时往往存在问题。黑色素和毛发会吸收或散射LED发出的漫射光，导致信号微弱。为了弥补这一缺陷，制造商通常会提高传感器的功率，但这会消耗电池电量并产生热噪声。
深度限制
LED提供的是“表面级”数据。由于光线不相干且散射迅速，因此无法深入皮下组织，而更复杂的生物标志物（如间质葡萄糖）就存在于皮下组织中。
运动伪影危机
由于LED光是漫射光，手表与皮肤的任何摩擦都会导致光路发生巨大变化。这种“运动伪影”就是为什么跑步时，即使只是调整一下握表姿势，心率也可能突然飙升至180次/分钟的原因。
3. SLED 的优势：光子级精度
SLED通过三个明显的物理优势解决了 LED 的主要局限性：亮度高、方向性好、相干性低。
一、高频谱功率密度
与LED相比，SLED能够在更窄的光谱范围内发射更高的功率，从而降低漫射光带来的噪声，提高数据分析的准确性。这意味着光线可以更深入地穿透皮肤，到达毛细血管床和组织间液，从而获取最有价值的健康数据。
二、消除光学“散斑”
你可能会问：为什么不直接用激光器呢？激光器亮度高且方向性强。然而，激光器的时间相干性很高，这会导致“散斑”——一种颗粒状的干涉图案。即使传感器移动一微米，散斑图案也会发生变化，从而造成健康数据出现巨大误差。SLED的相干性很低，这意味着它们可以提供激光器的功率，而不会产生激光器的噪声。
三、定向耦合
由于SLED发出的光是定向光束，因此与漫射LED相比，它可以更高效地耦合到现代硅光子芯片或光纤传感器中。这使得“芯片实验室”技术的微型化成为可能。
4. 应用：无创血糖监测
可穿戴设备史上最令人期待的功能莫过于无创血糖监测，尤其是在冬季临近，对于那些需要在寒冷环境中进行常规血糖检测的人来说，这项功能显得尤为重要。对于全球5亿糖尿病患者而言，用一款能够无缝融入日常生活的智能手表来代替指尖采血，无疑是一项改变人生的重大突破，正如韦氏词典所定义的那样。
为什么SLED是关键：光学监测血糖需要近红外（NIR）光谱技术。葡萄糖分子在光谱中的“指纹”非常微弱。
- LED是一种过于“粗糙”的仪器；它的光线太分散，无法捕捉到葡萄糖引起的光吸收的微小变化。
- SLED提供高强度、稳定的宽带光源，可以调谐到葡萄糖的特定吸收带。
目前该领域的领导者，如 Rockley Photonics 和几个据传与苹果公司有关联的研究实验室，正在转向基于 SLED 的架构，因为它们提供了 AI 算法准确计算血糖水平所需的“干净”数据。
5. 应用：无袖带血压监测
高血压是一种“沉默的杀手”。虽然目前的智能手表可以利用脉搏到达时间（PAT）来估算血压，但它们通常不准确，需要经常使用传统袖带进行校准。
SLED的未来：为了在不使用袖带的情况下精确测量血压，传感器必须能够检测动脉内压力波的精确形态。SLED
技术能够以可穿戴设备的形式实现类似光学相干断层扫描（OCT）的传感功能。利用SLED技术，传感器可以以微米级的精度“成像”动脉壁的扩张和收缩。这种高保真数据使得无需校准即可进行真正的血压监测成为可能。
6. 构建未来：SLED 的挑战
如果SLED技术真的那么好，为什么现在Fitbit和Apple Watch还没有全部采用呢？主要有三大障碍：功耗、发热和成本。
1. 电池耗电
SLED 需要更大的电流才能达到高亮度状态。在消费者追求长达一周电池续航时间的时代，SLED 的高功耗是一个重要的工程权衡因素。
2. 热管理
超导发光二极管（SLED）对温度非常敏感。当温度升高时，其波长会发生偏移。对于医用级传感器而言，波长偏移是灾难性的。可穿戴设备工程师目前正致力于研发小型化热电冷却器（TEC）和先进的散热材料，以确保SLED在人体手腕上的稳定性。
3. 价格差距
用于光电容积脉搏波描记法 (PPG) 传感器的标准绿色 LED 批量购买只需几美分。而高性能 SLED 则可能要花费几十美元。对于消费电子公司而言，物料清单 (BOM) 中增加 30 美元意味着零售价可能上涨 100 美元甚至更多。
7. 2025-2030 年路线图：我们要去哪里？
我们目前正处于“混合时代”。大多数旗舰级可穿戴设备都在通过更先进的人工智能和多波长阵列，最大限度地发挥LED的性能。然而，2025年及以后的发展路线图已经很清晰：
- 第一阶段（2024-2025 年）： SLED 出现在专业的“Pro”医疗可穿戴设备和家庭临床监测设备中。
- 第二阶段（2026-2027 年）：通过硅光子学实现小型化，可以将 SLED 集成到与处理器相同的芯片上，从而降低功耗。
- 第三阶段（2028 年及以后）：采用 SLED 技术的智能手表成为标准配置，提供无创的血糖、乳酸和血压监测。
8. 结论：未来属于哪一类？
那么，SLED 是生物识别追踪的未来吗？
答案是“是的”，但语气略有不同。
LED显示屏不会被淘汰。对于基本的计步、睡眠追踪和运动相关指标而言，LED 显示屏现在是、将来也仍将是最具成本效益和最节能的解决方案。对于大众市场来说，它已经是“足够好”的技术了。
然而，就可穿戴设备的医疗化而言，自发光二极管（SLED）无疑是未来的发展方向。如果我们希望手表能够成为医生信赖的诊断工具——能够检测心脏病早期迹象、监测糖尿病等慢性疾病并提供手术级精准度的工具——我们就必须突破自发辐射的局限性。
从LED到SLED的转变，就是从“电子产品”到“医疗设备”的转变。随着制造成本的下降和硅光子集成技术的成熟，SLED将成为我们这个时代最重大医疗科技革命的引擎。
