BR112019012070A2

BR112019012070A2 - Acoplador óptico e sistema de guia de ondas

Info

Publication number: BR112019012070A2
Application number: BR112019012070-0A
Authority: BR
Inventors: M. Rothberg Jonathan; Kabiri Ali; Schmid Gerard; W. SICKLER Jason; E. Glenn Paul; C. West Lawrence; Preston Kyle; Gondarenko Alexander; CIPRIANY Benjamin; Beach James; G. Fife Keith; GHASEMI Farshid
Original assignee: Quantum-Si Incorporated
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2020-01-07
Also published as: KR20190097163A; TW201831938A; TW202323893A; US20180172906A1; WO2018112367A2; CN110088594A; MX2019007070A; AU2017377057B2; KR102574176B1; US20230258862A1; EP4141416A3; JP7189874B2; AU2017377057A1; CN115327709A; EP3555591A2; TWI778993B; AU2023200860A1; EP3555591B1; JP2023039960A; CN110088594B

Abstract

a presente invenção refere-se a um sistema e métodos para distribuição de energia óptica a um grande número de cavidades de amostras dentro de um dispositivo integrado que pode analisar moléculas individuais e realizar sequenciamento de ácidos nucleicos. o dispositivo integrado pode incluir um acoplador direcional configurado para receber um feixe óptico proveniente de uma fonte óptica e divisores ópticos configurados para dividir a energia óptica proveniente do acoplador direcional em guias de ondas do dispositivo integrado posicionados para acoplamento às cavidades de amostra. as dimensões das saídas do acoplador direcional podem variar para levar em conta um perfil de intensidade óptica da fonte óptica.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para ACOPLADOR ÓPTICO E SISTEMA DE GUIA DE ONDAS.

PEDIDOS RELACIONADOS [001] O presente pedido reivindica prioridade ao Pedido de Patente Provisório dos Estados Unidos 62/435.693, intitulado OPTICAL COUPLER AND WAVEGUIDE SYSTEM, depositado em 16 de dezembro de 2016, o qual é incorporado aqui por referência na íntegra. CAMPO DA INVENÇÃO [002] A presente invenção refere-se, de modo geral, a dispositivos, métodos e técnicas para acoplar energia óptica a um dispositivo e distribuir energia óptica a muitas regiões do dispositivo. O dispositivo óptico pode ser usado para realizar análises quantitativas paralelas de amostras biológicas e/ou químicas.

ANTECEDENTES [003] A detecção e análise de amostras biológicas podem ser realizadas usando ensaios biológicos (bioensaios). Os bioensaios envolvem, convencionalmente, equipamentos de laboratório grandes e caros que requerem cientistas de pesquisa treinados para operar o equipamento e realizar os bioensaios. Além disso, os bioensaios são, convencionalmente, realizados em massa, de modo que é necessária uma grande quantidade de um tipo particular de amostra para detecção e quantificação.

[004] Alguns bioensaios são realizados por meio de marcação de amostras com marcadores luminescentes que emitem luz de um determinado comprimento de onda. Os marcadores são iluminados com uma fonte de luz para causar luminescência, e a luz luminescente é detectada com um fotodetector para quantificar a quantidade de luz luminescente emitida pelos marcadores. Bioensaios que usam marcadores luminescentes envolvem, convencionalmente, fontes de luz de laser caras para iluminar as amostras e uma óptica de detecção lumi

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2/107 nescente e partes eletrônicas complicadas para coletar a luminescência das amostras iluminadas.

SUMÁRIO [005] Algumas modalidades são dirigidas a um dispositivo integrado que compreende uma pluralidade de guias de ondas, um acoplador direcional que tem uma região de grades, uma pluralidade de guias de ondas de saída com larguras variadas e configurados para se acoplar opticamente ao acoplador direcional e uma pluralidade de divisores ópticos. Pelo menos um dos divisores ópticos está posicionado entre um dentre a pluralidade de guias de ondas de saída e pelo menos dois dentre a pluralidade de guias de ondas.

[006] Em algumas modalidades, a região de grades compreende uma pluralidade de grades orientadas substancialmente em uma direção planar a uma superfície do dispositivo integrado. Em algumas modalidades, guias de ondas de saída individuais dentre a pluralidade de guias de ondas de saída estão localizados em um lado da região de grades. Em algumas modalidades, a pluralidade de guias de ondas de saída inclui um primeiro guia de ondas de saída e um segundo guia de ondas de saída e em que o primeiro guia de ondas de saída está mais próximo de um centro de um lado da região de grades do que o segundo guia de ondas de saída e tem uma largura menor do que o segundo guia de ondas de saída. Em algumas modalidades, a pluralidade de guias de ondas de saída inclui um primeiro guia de ondas de saída e um segundo guia de ondas de saída e em que o primeiro guia de ondas de saída está mais próximo de uma borda de um lado da região de grades do que o segundo guia de ondas de saída e tem uma largura menor do que o segundo guia de ondas de saída. Em algumas modalidades, o número de divisores ópticos entre o segundo guia de ondas de saída e um dentre a pluralidade de guias de ondas é maior do que o número de divisores ópticos entre o primeiro guia de ondas

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3/107 de saída e outro dentre a pluralidade de guias de ondas. Em algumas modalidades, a pluralidade de guias de ondas de saída e a pluralidade de divisores ópticos se distribuem radialmente a partir da região de grades. Em algumas modalidades, os guias de ondas individuais dentre a pluralidade de guias de ondas estão localizados de modo substancialmente perpendicular às grades na região de grades. Em algumas modalidades, pelo menos um dentre a pluralidade de divisores ópticos está posicionado a menos de 1 mm do acoplador direcional.

[007] Em algumas modalidades, os guias de ondas individuais dentre a pluralidade de guias de ondas têm uma dimensão cônica em uma direção perpendicular à direção da propagação da luz ao longo de um dentre a pluralidade de guias de ondas, de modo que a dimensão cônica é menor em uma localização próxima do acoplador direcional do que em uma localização distai. Em algumas modalidades, os guias de ondas individuais dentre a pluralidade de guias de ondas estão posicionados para se acoplarem opticamente a uma pluralidade de cavidades de amostras. Em algumas modalidades, pelo menos um dentre a pluralidade de guias de ondas tem uma primeira espessura em uma localização que se sobrepõe à pelo menos uma cavidade de amostra dentre a pluralidade de cavidades de amostra e uma segunda espessura em uma localização que não se sobrepõe à pelo menos uma cavidade de amostra, a primeira espessura sendo maior do que a segunda espessura. Em algumas modalidades, uma superfície de pelo menos uma cavidade de amostra dentre a pluralidade de cavidades de amostra está em contato com uma superfície de um primeiro guia de ondas dentre a pluralidade de guias de ondas. Em algumas modalidades, pelo menos um dentre a pluralidade de guias de ondas é um guia de ondas multimodo configurado para suportar a propagação de uma pluralidade de modos ópticos ao longo do guia de ondas multimodo. Em algumas modalidades, a distribuição de energia ao longo do guia

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4/107 de ondas multimodo é mais ampla em uma primeira região que se sobrepõe à pelo menos uma dentre a pluralidade de cavidades de amostra do que em uma segunda região separada da primeira região. Em algumas modalidades, guias de ondas individuais dentre a pluralidade de guias de ondas estão configurados para suportar a propagação de energia de excitação que tem um campo evanescente que se estende a partir de um dentre a pluralidade de guias de ondas que se acopla opticamente a pelo menos uma cavidade de amostra dentre a pluralidade de cavidades de amostra. Em algumas modalidades, pelo menos uma cavidade de amostra dentre a pluralidade de cavidades de amostra compreende um espaçador de parede lateral formado em pelo menos uma porção de uma parede lateral de pelo menos uma cavidade de amostra. Em algumas modalidades, o dispositivo integrado ainda compreende pelo menos uma camada metálica e em que uma superfície de pelo menos uma dentre a pluralidade de cavidades de amostra é recuada a partir da pelo menos uma camada metálica. Em algumas modalidades, o dispositivo integrado ainda compreende um sensor configurado para receber luz proveniente de uma dentre a pluralidade de cavidades de amostra. Em algumas modalidades, uma distância entre a cavidade de amostra e o sensor é menor do que 10 micrometres. Em algumas modalidades, o dispositivo integrado ainda compreende uma camada metálica formada sobre uma superfície do dispositivo integrado, a camada metálica tendo uma abertura que se sobrepõe a uma abertura de uma dentre a pluralidade de cavidades de amostra. Em algumas modalidades, um primeiro guia de ondas dentre a pluralidade de guias de ondas é configurado para ser opticamente acoplado a uma porção de um primeiro conjunto dentre a pluralidade de cavidades de amostra, um segundo guia de ondas dentre a pluralidade de guias de ondas é configurado para ser opticamente acoplado a uma porção de um segundo conjunto dentre a pluralidade de cavida

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5/107 des de amostra e em que urn divisor óptico dentre a pluralidade de divisores ópticos está posicionado entre o primeiro conjunto de cavidades de amostra e o segundo conjunto de cavidades de amostra e é configurado para ser opticamente acoplado a pelo menos um dos primeiros e segundos guias de ondas.

[008] Em algumas modalidades, o dispositivo integrado ainda compreende um ou mais fotodetectores posicionados para receber energia de excitação que passa através do acoplador direcional. Em algumas modalidades, o dispositivo integrado ainda compreende um ou mais fotodetectores posicionados para receber energia de excitação que passa através de uma região próxima ao acoplador direcional. [009] Algumas modalidades são dirigidas a um método de formação de um dispositivo integrado que compreende formar uma pluralidade de guias de ondas, formar um acoplador direcional que tem uma região de grades, formar uma pluralidade de guias de ondas de saída que têm larguras diferentes e configurados para serem opticamente acoplados ao acoplador direcional e formar uma pluralidade de divisores ópticos, em que pelo menos um dos divisores ópticos está posicionado entre um dentre a pluralidade de guias de ondas de saída e pelo menos dois dentre a pluralidade de guias de ondas.

[0010] Em algumas modalidades, a formação do acoplador direcional ainda compreende formar uma pluralidade de grades na região de grades, a pluralidade de grades sendo orientada substancialmente em uma direção planar a uma superfície do dispositivo integrado. Em algumas modalidades, a formação dentre a pluralidade de guias de ondas de saída ainda compreende formar guias de ondas de saída individuais dentre a pluralidade de guias de ondas de saída localizados em um lado da região de grades. Em algumas modalidades, a formação dentre a pluralidade de guias de ondas de saída ainda compreende formar um primeiro guia de ondas de saída e um segundo guia de

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6/107 ondas de saída. O primeiro guia de ondas de saída está mais próximo de um centro de um lado da região de grades do que o segundo guia de ondas de saída e tem uma largura menor do que o segundo guia de ondas de saída. Em algumas modalidades, a formação dentre a pluralidade de guias de ondas de saída ainda compreende formar um primeiro guia de ondas de saída e um segundo guia de ondas de saída. O primeiro guia de ondas de saída está mais próximo de uma borda de um lado da região de grades do que o segundo guia de ondas de saída e tem uma largura menor do que o segundo guia de ondas de saída. Em algumas modalidades, a formação dentre a pluralidade de divisores ópticos ainda compreende formar um número de divisores ópticos entre o segundo guia de ondas de saída e um dentre a pluralidade de guias de ondas que é maior do que o número de divisores ópticos entre o primeiro guia de ondas de saída e outro dentre a pluralidade de guias de ondas. Em algumas modalidades, a formação dentre a pluralidade de guias de ondas de saída ainda compreende formar a pluralidade de guias de ondas de saída para se distribuir radialmente a partir da região de grades. Em algumas modalidades, a formação de uma pluralidade de guias de ondas ainda compreende formar guias de ondas individuais dentre a pluralidade de guias de ondas localizados de modo substancialmente perpendicular às grades na região de grades. Em algumas modalidades, a formação dentre a pluralidade de guias de ondas ainda compreende formar a pluralidade de guias de ondas para ter uma dimensão cônica em uma direção perpendicular à direção da propagação da luz ao longo de um dentre a pluralidade de guias de ondas, de modo que a dimensão cônica seja menor em uma localização próxima do acoplador direcional do que em uma localização distai.

[0011] Em algumas modalidades, o método ainda compreende formar uma pluralidade de cavidades de amostra, em que os guias de

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7/107 ondas individuais dentre a pluralidade de guias de ondas são posicionados para serem opticamente acoplados à pluralidade de cavidades de amostras. Em algumas modalidades, a formação dentre a pluralidade de guias de ondas ainda compreende formar pelo menos um dentre a pluralidade de guias de ondas com uma primeira espessura em uma localização que se sobrepões à pelo menos uma cavidade de amostra dentre a pluralidade de cavidades de amostra e uma segunda espessura em uma localização não que se sobrepões à pelo menos uma cavidade de amostra, a primeira espessura sendo maior do que a segunda espessura. Em algumas modalidades, a formação dentre a pluralidade de cavidades de amostras ainda compreende formar uma superfície da pelo menos uma cavidade de amostra dentre a pluralidade de cavidades de amostra em contato com uma superfície de um primeiro guia de ondas dentre a pluralidade de guias de ondas. Em algumas modalidades, a formação dentre a pluralidade de guias de ondas ainda compreende formar um guia de ondas multimodo configurado para suportar a propagação de uma pluralidade de modos ópticos ao longo do guia de ondas multimodo. Em algumas modalidades, guias de ondas individuais dentre a pluralidade de guias de ondas estão configurados para suportar a propagação de energia de excitação que tem um campo evanescente que se estende a partir de um dentre a pluralidade de guias de ondas que se acopla opticamente a pelo menos uma cavidade de amostra dentre a pluralidade de cavidades de amostra. Em algumas modalidades, a formação dentre a pluralidade de cavidades de amostra ainda compreende formar um espaçador de parede lateral em pelo menos uma porção de uma parede lateral de pelo menos uma cavidade de amostra dentre a pluralidade de cavidades de amostra. Em algumas modalidades, a formação dentre a pluralidade de cavidades de amostras ainda compreende formar pelo menos uma camada metálica e a formação de uma superfície de pelo

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8/107 menos uma dentre a pluralidade de cavidades de amostras recuada a partir da pelo menos uma camada metálica. Em algumas modalidades, o método ainda compreende formar um sensor configurado para receber luz proveniente de uma dentre a pluralidade de cavidades de amostra. Em algumas modalidades, a distância entre a cavidade de amostra e o sensor é menor do que 10 micrometros. Em algumas modalidades, um primeiro guia de ondas dentre a pluralidade de guias de ondas é configurado para ser opticamente acoplado a uma porção de um primeiro conjunto dentre a pluralidade de cavidades de amostra, um segundo guia de ondas dentre a pluralidade de guias de ondas é configurado para ser opticamente acoplado a uma porção de um segundo conjunto dentre a pluralidade de cavidades de amostra e em que um divisor óptico dentre a pluralidade de divisores ópticos está posicionado entre o primeiro conjunto de cavidades de amostra e o segundo conjunto de cavidades de amostra e é configurado para ser opticamente acoplado a pelo menos um dos primeiro e segundo guias de ondas.

[0012] Algumas modalidades são dirigidas a um dispositivo integrado que compreende uma pluralidade de primeiros guias de ondas, um acoplador direcional que tem uma região de grades, uma pluralidade de guias de ondas de saída que têm larguras variáveis e configurados para serem opticamente acoplados ao acoplador direcional e uma pluralidade de divisores ópticos. Pelo menos um dos divisores ópticos está posicionado entre um dentre a pluralidade de guias de ondas de saída e pelo menos dois dentre a pluralidade dos primeiros guias de ondas.

[0013] Algumas modalidades são dirigidas a um dispositivo integrado que compreende um primeiro guia de ondas configurado para ser opticamente acoplado a uma porção de um primeiro conjunto de cavidades de amostra, um segundo guia de ondas configurado para

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9/107 ser opticamente acoplado a uma porção de um segundo conjunto de cavidades de amostra e um divisor óptico posicionado entre o primeiro conjunto de cavidades de amostra e o segundo conjunto de cavidades de amostra e configurado para ser opticamente acoplado a pelo menos um dos primeiro e segundo guias de ondas.

[0014] Em algumas modalidades, o dispositivo integrado ainda compreende pelo menos um guia de ondas de entrada configurado para ser opticamente acoplado ao divisor óptico. Em algumas modalidades, o dispositivo integrado ainda compreende um acoplador direcional configurado para ser opticamente acoplado ao pelo menos um guia de ondas de entrada. Em algumas modalidades, as grades do acoplador direcional são substancialmente paralelas ao pelo menos um guia de ondas de entrada.

[0015] Algumas modalidades são dirigidas a um dispositivo integrado que compreende pelo menos uma cavidade de amostra e um guia de ondas configurado para acoplar a energia de excitação a pelo menos uma cavidade de amostra, em que o guia de ondas tem uma primeira espessura em uma localização que se sobrepõe à pelo menos uma cavidade de amostra e uma segunda espessura em uma localização que se sobrepõe à pelo menos uma cavidade de amostra e a primeira espessura é maior do que a segunda espessura.

[0016] Em algumas modalidades, o guia de ondas está configurado para suportar a propagação de energia de excitação que tem um campo evanescente que se estende a partir do guia de ondas. Em algumas modalidades, o guia de ondas tem uma dimensão cônica em uma direção perpendicular à direção da propagação da luz ao longo do guia de ondas, de modo que a dimensão cônica é menor em uma localização próxima do acoplador direcional do que em uma localização distai. Em algumas modalidades, uma superfície da pelo menos uma cavidade de amostra contata uma superfície do guia de ondas.

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Em algumas modalidades, a pelo menos uma cavidade de amostra inclui uma pluralidade de cavidades de amostra em uma matriz. Em algumas modalidades, a pelo menos uma cavidade de amostra é recuada a partir de uma camada metálica do dispositivo integrado. Em algumas modalidades, o guia de ondas é um guia de ondas multimodo configurado para suportar a propagação de uma pluralidade de modos ópticos ao longo do guia de ondas. Em algumas modalidades, a distribuição de energia ao longo do guia de ondas multimodo é mais ampla em uma primeira região que se sobrepõe à pelo menos uma cavidade de amostra do que em uma segunda região separada da primeira região. Em algumas modalidades, a primeira espessura está entre 200 nm e 400 nm. Em algumas modalidades, a segunda espessura está entre 100 nm e 250 nm. Em algumas modalidades, o guia de ondas é formado, pelo menos em parte, por uma camada de nitreto de silício. Em algumas modalidades, o dispositivo integrado ainda compreende um sensor configurado para receber energia de emissão emitida por uma amostra localizada em pelo menos uma cavidade de amostra. Em algumas modalidades, uma distância entre a pelo menos uma cavidade de amostra e o sensor é menor do que 10 micrometros. Em algumas modalidades, a distância entre a pelo menos uma cavidade de amostra e o sensor é menor do que 7 micrometros. Em algumas modalidades, uma distância entre a pelo menos uma cavidade de amostra e o sensor é menor do que 3 micrometros. Em algumas modalidades, o dispositivo integrado ainda compreende uma camada metálica formada sobre uma superfície do dispositivo integrado, a camada metálica tendo uma abertura que se sobrepõe a uma abertura de pelo menos uma cavidade de amostra. Em algumas modalidades, a camada metálica inclui uma primeira camada que tem alumínio e uma segunda camada que tem nitreto de titânio e em que a primeira camada está próxima do guia de ondas.

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11/107 [0017] Algumas modalidades são dirigidas a um dispositivo integrado que compreende uma camada metálica localizada sobre uma superfície do dispositivo integrado, a camada metálica tendo uma descontinuidade e pelo menos uma cavidade de amostra tendo uma abertura superior que corresponde com a continuidade da camada metálica. Uma superfície da pelo menos uma cavidade de amostra se estende além da camada metálica ao longo de uma direção que é substancialmente perpendicular à superfície do dispositivo integrado.

[0018] Em algumas modalidades, a superfície da pelo menos uma cavidade de amostra está posicionada em uma distância da camada metálica que está entre 100 nm e 350 nm. Em algumas modalidades, a pelo menos uma cavidade de amostra compreende um espaçador de parede lateral formado sobre pelo menos uma parte de uma das paredes laterais da cavidade de amostra. Em algumas modalidades, o dispositivo integrado ainda compreende um guia de ondas distai à superfície da pelo uma cavidade de amostra. Em algumas modalidades, o guia de ondas compreende um canal ou fita (slab) e uma região elevada. Em algumas modalidades, o guia de ondas é cônico. Em algumas modalidades, a camada metálica inclui uma primeira camada que tem alumínio e uma segunda camada que tem nitreto de titânio e a primeira camada está próxima do guia de ondas. Em algumas modalidades, a distância do guia de ondas para a superfície da pelo menos uma cavidade de amostra é menor do que 200 nm. Em algumas modalidades, uma abertura na camada metálica corresponde a um acoplador direcional para o guia de ondas. Em algumas modalidades, o guia de ondas é formado, pelo menos em parte, a partir de uma camada de nitreto de silício. Em algumas modalidades, o dispositivo integrado ainda compreende um sensor configurado para receber a energia de emissão emitida por uma amostra localizada na pelo menos uma cavidade de amostra. Em algumas modalidades, a distância entre

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12/107 a pelo menos uma cavidade de amostra e o sensor é menor do que 10 micrometros. Em algumas modalidades, a distância entre a pelo menos uma cavidade de amostra e o sensor é menor do que 7 micrometres. Em algumas modalidades, a distância entre a pelo menos uma cavidade de amostra e o sensor é menor do que 3 micrometros.

[0019] Algumas modalidades são dirigidas a um método de formação de um dispositivo integrado que compreende: fornecer um substrato semicondutor que tem um filme dielétrico posicionado sobre o substrato semicondutor; formar um guia de ondas que tem um canal ou fita (slab) e uma região elevada ao gravar por corrosão anódica parcialmente uma parte do filme dielétrico; formar um revestimento superior de modo que o revestimento superior fique em contato com o guia de ondas; formar uma camada metálica sobre uma superfície do revestimento superior; e formar uma cavidade de amostra sobre o guia de ondas ao gravar por corrosão anódica a camada metálica e uma parte do revestimento superior.

[0020] Em algumas modalidades, a formação do guia de ondas compreende um processo de gravação por corrosão anódica cronometrado. Em algumas modalidades, a formação do guia de ondas compreende um processo de gravação por corrosão anódica usando uma camada inibidora de corrosão (etch stop). Em algumas modalidades, a formação da cavidade de amostra compreende gravação por corrosão anódica do revestimento superior até que pelo menos uma parte do guia de ondas esteja descoberta. Em algumas modalidades, a distância entre uma superfície inferior da cavidade de amostra e o guia de ondas está entre 10 nm e 200 nm. Em algumas modalidades, o método ainda compreende formar um espaçador sobre pelo menos uma parte de uma das paredes laterais da cavidade de amostra. Em algumas modalidades, o método de formação de uma camada metálica ainda compreende formar uma pluralidade de subcamadas metálicas.

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Em algumas modalidades, o método ainda compreende gravar por corrosão anódica uma parte do canal ou fita (slab) para formar um guia de ondas de tipo ridge (corrugado). Em algumas modalidades, o método ainda compreende gravar por corrosão anódica uma parte do canal para formar um guia de ondas de tipo rib (nervura). Em algumas modalidades, a formação do guia de ondas ainda compreende formar um cone que tem uma largura variável.

[0021] Algumas modalidades são dirigidas a um dispositivo integrado que compreende uma pluralidade de cavidades de amostra, um primeiro guia de ondas óptico configurado para acoplar a energia de excitação a uma primeira porção da pluralidade de cavidades de amostra, um segundo guia de ondas óptico configurado para acoplar a energia de excitação a uma segunda porção da pluralidade de cavidades de amostra e um acoplador direcional configurado para receber a energia de excitação proveniente de uma fonte óptica posicionada fora do dispositivo integrado e acoplar a energia de excitação ao primeiro guia de ondas óptico e ao segundo guia de ondas óptico.

[0022] Em algumas modalidades, o dispositivo integrado ainda compreende um ou mais fotodetectores posicionados para receber a energia de excitação que passa através do acoplador direcional. Em algumas modalidades, o dispositivo integrado ainda compreende um ou mais fotodetectores posicionados para receber a energia de excitação que passa em uma região próxima do acoplador direcional. Em algumas modalidades, o acoplador direcional é um primeiro acoplador direcional óptico e o dispositivo integrado ainda compreende um segundo acoplador óptico acoplado opticamente ao primeiro guia de ondas e configurado para receber a energia de excitação proveniente do primeiro guia de ondas e acoplar a energia de excitação a um fotodetector posicionado no dispositivo integrado. Em algumas modalidades, o primeiro guia de ondas óptico é configurado para acoplar a energia

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14/107 de excitação à primeira porção da pluralidade de cavidades de amostra por meio de acoplamento evanescente. Em algumas modalidades, o dispositivo integrado ainda compreende uma camada metálica localizada sobre uma superfície do dispositivo integrado, em que a pluralidade de cavidades de amostra é formada através da camada metálica. Em algumas modalidades, pelo menos uma dentre a pluralidade de cavidades de amostra compreende uma superfície inferior próxima do primeiro guia de ondas, a superfície inferior sendo recuada através da camada metálica. Em algumas modalidades, a superfície inferior está posicionada em uma distância da camada metálica que está entre 100 nm e 350 nm. Em algumas modalidades, a superfície inferior está posicionada em uma distância do primeiro guia de ondas óptico que está entre 10 nm e 200 nm. Em algumas modalidades, a camada metálica inclui uma camada de alumínio e uma camada de nitreto de titânio e a camada de alumínio está próxima dos primeiro e segundo guias de ondas. Em algumas modalidades, a grade óptica compreende uma região gravada por corrosão anódica formada em uma camada de nitreto de silício. Em algumas modalidades, pelo menos uma cavidade de amostra dentre a pluralidade de cavidades de amostra compreende um espaçador de parede lateral formado sobre pelo menos uma parte de uma das paredes laterais da pelo menos uma cavidade de amostra. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0023] Vários aspectos e modalidades do pedido serão descritos com referência às figuras a seguir. Será apreciado que as figuras não estão necessariamente desenhadas na escala. Os itens que aparecem em várias figuras são indicados pelo mesmo número de referência em todas as figuras nas quais eles aparecem.

[0024] A Figura 1-1 é um diagrama de blocos de um dispositivo integrado e um instrumento de acordo com algumas modalidades. [0025] A Figura 1-2A é um esquema do acoplamento da energia

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15/107 de excitação à cavidades de amostra em uma linha de pixels e a energia proveniente de emissão de cada cavidade de amostra direcionada para sensores de acordo com algumas modalidades.

[0026] A Figura 1-2B é uma representação em diagrama de blocos de um instrumento de acordo com algumas modalidades.

[0027] A Figura 1-2C é um gráfico de uma sucessão de pulsos ópticos de acordo com algumas modalidades.

[0028] A Figura 1-3 é um esquema de cavidades de amostras paralelas que podem ser excitadas opticamente por um laser pulsado através de um ou mais guias de ondas e detectores correspondentes para cada cavidade de amostra de acordo com algumas modalidades.

[0029] A Figura 1-4 é um gráfico da energia óptica que representa a excitação óptica de uma cavidade de amostra a partir de um guia de ondas de acordo com algumas modalidades.

[0030] A Figura 1-5 é um esquema de um pixel que tem uma cavidade de amostra, guia de ondas óptico e fotodetector de compartimentalização temporal (time-binning) de acordo com algumas modalidades.

[0031] A Figura 1-6 é um esquema de uma reação biológica exemplificativa que pode ocorrer dentro de uma cavidade de amostra de acordo com algumas modalidades.

[0032] A Figura 1-7 é um gráfico de curvas de probabilidade de emissão para dois fluoroforos diferentes com características de decaimento diferentes.

[0033] A Figura 1-8 é um gráfico da detecção por compartimentalização temporal (time-binning) de emissão fluorescente de acordo com algumas modalidades.

[0034] A Figura 1-9 é um fotodetector de compartimentalização temporal (time-binning) exemplificative de acordo com algumas modalidades.

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16/107 [0035] A Figura 1-10A é um esquema que ilustra a excitação pulsada e a detecção por compartimentalização temporal (time-binning) da emissão fluorescente proveniente de uma amostra de acordo com algumas modalidades.

[0036] A Figura 1-10B é um histograma de contagens de fótons fluorescentes acumulados em vários intervalos de tempo após excitação pulsada repetida de uma amostra de acordo com algumas modalidades.

[0037] As Figuras 1-11A - 1-11D são diferentes histogramas que podem corresponder aos quatro nucleotídeos (T, A, C, G) ou análogos de nucleotídeo de acordo com algumas modalidades.

[0038] A Figura 2-0 é um gráfico que ilustra a perda de transmissão dependente do tempo em um guia de ondas em três energias ópticas diferentes.

[0039] A Figura 2-1A é um esquema que ilustra o acoplamento de um feixe alongado a uma pluralidade de guias de ondas de acordo com algumas modalidades.

[0040] A Figura 2-1B é uma ilustração esquemática do acoplamento de um feixe alongado e rotacionado a uma pluralidade de guias de ondas de acordo com algumas modalidades.

[0041] A Figura 2-1C é um gráfico dos valores de tolerância de um acoplador direcional seccionado para diferentes larguras de feixe de acordo com algumas modalidades.

[0042] A Figura 2-1D é um gráfico de um perfil de intensidade para um acoplador direcional de acordo com algumas modalidades.

[0043] A Figura 2-2A é um acoplador direcional seccionado exemplificative de acordo com algumas modalidades.

[0044] A Figura 2-2B é um sistema óptico exemplificativo de um acoplador direcional seccionado e divisores ópticos de acordo com algumas modalidades.

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17/107 [0045] A Figura 3-1 é um layout de roteamento óptico exemplificative de um dispositivo integrado de acordo com algumas modalidades.

[0046] A Figura 3-2 é um layout de roteamento óptico exemplificative de um dispositivo integrado de acordo com algumas modalidades.

[0047] A Figura 4-1 é uma vista seccional que ilustra uma cavidade de amostra.

[0048] A Figura 4-2A é uma vista seccional transversal que ilustra um guia de ondas de tipo rib (nervura).

[0049] A Figura 4-2B é uma vista seccional transversal que ilustra um guia de ondas de tipo ridge (corrugado).

[0050] A Figura 4-2C é uma vista seccional transversal que ilustra um guia de ondas de tipo rib (nervura) que tem múltiplas camadas.

[0051] A Figura 4-3A é uma vista seccional transversal que ilustra uma configuração na qual um guia de ondas está separado de uma cavidade de amostra.

[0052] A Figura 4-3B é uma vista seccional transversal que ilustra uma configuração na qual um guia de ondas está em contato com uma cavidade de amostra.

[0053] A Figura 4-3C é uma vista seccional transversal que ilustra uma configuração na qual uma cavidade de amostra está parcialmente posicionada dentro de um guia de ondas.

[0054] A Figura 4-4A é uma vista isométrica em corte da configuração da Figura 4-3A.

[0055] A Figura 4-4B é uma vista isométrica em corte da configuração da Figura 4-3B.

[0056] A Figura 4-4C é uma vista isométrica em corte da configuração da Figura 4-3C.

[0057] A Figura 4-5 é uma vista seccional transversal que ilustra um modo óptico em um guia de ondas de tipo ridge (corrugado).

[0058] A Figura 4-6 é uma vista superior que ilustra um cone e

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18/107 uma pluralidade de cavidades de amostra.

[0059] A Figura 4-7 é um gráfico que ilustra o campo elétrico de um modo óptico como uma função da largura da região elevada de um guia de ondas de tipo rib (nervura).

[0060] A Figura 4-8 é um gráfico que ilustra uma comparação entre um perfil de modo óptico associado a um guia de ondas que tem uma seção transversal retangular e um perfil de modo óptico associado ao guia de ondas de tipo rib (nervura).

[0061] A Figura 5-1A é uma vista plana de um guia de ondas multimodo.

[0062] A Figura 5-1B é um mapa térmico que ilustra a distribuição de energia ao longo de um guia de ondas multimodo.

[0063] As Figuras 6-1 A, 6-1B, 6-1C e 6-1D ilustram um método para fabricar um guia de ondas de tipo rib (nervura) usando um processo de gravação por corrosão anódica temporal de acordo com algumas modalidades.

[0064] As Figuras 6-2A, 6-2a, 6-2C e 6-2D ilustram um método para a fabricação de um guia de ondas de tipo rib (nervura) usando uma camada inibidora de corrosão (etch stop) de acordo com algumas modalidades.

[0065] As Figuras 6-3A, 6-3B, 6-3C e 6-3D ilustram um método para fabricar um guia de ondas de tipo rib (nervura) usando uma camada terminal (endpoint layer) de acordo com algumas modalidades.

[0066] As Figuras 6-4A, 6-4B, 6-4C e 6-4D ilustram um método para fabricar um guia de ondas de tipo ridge (corrugado) de acordo com algumas modalidades.

DESCRIÇÃO DETALHADA

I. Introdução [0067] Os inventores reconheceram e apreciaram que um dispositivo compacto de alta velocidade para realizar a detecção e quantifica

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19/107 ção de moléculas ou partículas individuais podería reduzir o custo para realizar medições quantitativas complexas de amostras biológicas e/ou químicas e avançar rapidamente a taxa de descobertas tecnológicas bioquímicas. Além disso, um dispositivo econômico que é prontamente transportável podería transformar não apenas a maneira como os bioensaios são realizados no mundo desenvolvido, mas fornecer às pessoas nas regiões em desenvolvimento, pela primeira vez, acesso a testes diagnósticos essenciais que poderíam melhorar drasticamente sua saúde e bem-estar.

[0068] Os inventores também reconheceram e apreciaram que a integração de uma cavidade de amostra e um sensor em um único dispositivo integrado capaz de medir a luz luminescente emitida a partir de amostras biológicas reduz o custo de produção de tal dispositivo, de modo que dispositivos integrados bioanalíticos descartáveis poderíam ser formados. Dispositivos integrados descartáveis de uso único que fazem interface com um instrumento base podem ser usados em qualquer parte do mundo, sem a limitação de exigir laboratórios biológicos de alto custo para análises das amostras. Assim, a bioanálise automatizada pode ser levada para regiões do mundo que anteriormente não conseguiam realizar análises quantitativas de amostras biológicas.

[0069] Um dispositivo sensor pixelizado com um grande número de pixels (por exemplo, centenas, milhares, milhões ou mais) permite a detecção de uma pluralidade de moléculas ou partículas individuais em paralelo. As moléculas podem ser, a título de exemplo e sem limitação, proteínas, DNA e/ou RNA. Além disso, um dispositivo de alta velocidade que pode adquirir dados em mais de cem quadros por segundo permite a detecção e análise de processos dinâmicos ou variações que ocorrem ao longo do tempo dentro da amostra que está sendo analisada.

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20/107 [0070] Os inventores também reconheceram e apreciaram que, quando uma amostra é marcada com uma pluralidade de diferentes tipos de marcadores luminescentes, qualquer característica adequada de marcadores luminescentes pode ser usada para identificar o tipo de marcador que está presente em um pixel particular do dispositivo integrado. Por exemplo, características da luminescência emitida pelos marcadores e/ou características da absorção de excitação podem ser usadas para identificar os marcadores. Em algumas modalidades, a energia de emissão da luminescência (a qual está diretamente relacionada ao comprimento de onda da luz) pode ser usada para distinguir um primeiro tipo de marcador de um segundo tipo de marcador. Adicional ou alternativamente, medições de durabilidade da luminescência também podem ser usadas para identificar o tipo de marcador presente em um pixel particular. Em algumas modalidades, as medições de durabilidade da luminescência podem ser feitas com uma fonte de excitação pulsada usando um sensor capaz de distinguir um momento em que um fóton é detectado com resolução suficiente para obter informações sobre a durabilidade. Adicional ou alternativamente, a energia da luz de excitação absorvida pelos diferentes tipos de marcadores pode ser usada para identificar o tipo de marcador presente em um pixel particular. Por exemplo, um primeiro marcador pode absorver luz de um primeiro comprimento de onda, mas não absorver igualmente a luz de um segundo comprimento de onda, enquanto que um segundo marcador pode absorver luz do segundo comprimento de onda, mas não absorver igualmente a luz do primeiro comprimento de onda. Desta forma, quando mais de uma fonte de luz de excitação, cada uma com uma energia de excitação diferente, é usada para iluminar a amostra de maneira intercalada, a energia de absorção dos marcadores pode ser usada para identificar que tipo de marcador está presente em uma amostra. Diferentes marcadores também podem ter diferentes

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21/107 intensidades luminescentes. Consequentemente, a intensidade detectada da luminescência também pode ser usada para identificar o tipo de marcador presente em um pixel particular.

[0071] Um exemplo não limitativo de uma aplicação de um dispositivo considerado pelos inventores é um dispositivo capaz de realizar o sequenciamento de uma biomolécula, tal como uma sequência de ácidos nucleicos (por exemplo, DNA, RNA) ou um polipeptideo (por exemplo, proteína) que tem uma pluralidade de aminoácidos. Os testes diagnósticos que podem ser realizados usando tal dispositivo incluem sequenciamento de uma molécula de ácidos nucleicos em uma amostra biológica de um indivíduo, tal como sequenciamento de moléculas de ácido desoxirribonucleico isentas de células ou produtos de expressão em uma amostra biológica do indivíduo.

[0072] O presente pedido fornece dispositivos, sistemas e métodos para a detecção de biomoléculas ou subunidades das mesmas, tais como moléculas de ácidos nucleicos. O sequenciamento pode incluir determinar subunidades individuais de uma biomolécula modelo (por exemplo, molécula de ácidos nucleicos) que sintetiza outra biomolécula que é complementar ou análoga ao modelo, tal como através de síntese de uma molécula de ácidos nucleicos que é complementar a uma molécula de ácidos nucleicos-modelo ao identificar a incorporação de nucleotídeos com o tempo (por exemplo, sequenciamento por meio de síntese). Como alternativa, o sequenciamento pode incluir identificar diretamente subunidades individuais da biomolécula.

[0073] Durante o sequenciamento, os sinais indicativos de subunidades individuais de uma biomolécula podem ser coletados na memória e processados em tempo real ou em um momento posterior para determinar uma sequência da biomolécula. Tal processamento pode incluir uma comparação dos sinais com sinais de referência que permitem a identificação das subunidades individuais o que, em alguns ca

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22/107 sos, produz leituras. As leituras podem ser sequências de comprimento suficiente (por exemplo, pelo menos cerca de 30, 50, 100 pares de bases (pb) ou mais) que podem ser usadas para identificar uma sequência ou região maior, por exemplo, que pode ser alinhada a uma localização sobre um cromossomo ou região genômica ou gene.

[0074] Subunidades individuais de biomoléculas podem ser identificadas usando marcadores. Em alguns exemplos, marcadores luminescentes são usados para identificar subunidades individuais de biomoléculas. Marcadores luminescentes (também denominados aqui como marcadores) podem ser marcadores exógenos ou endógenos. Marcadores exógenos podem ser marcadores luminescentes externos usados em um repórter e/ou etiqueta (tag) para marcação luminescente. Exemplos de marcadores exógenos podem incluir, porém sem limitações, moléculas fluorescentes, fluoroforos, corantes fluorescentes, colorantes fluorescentes, corantes orgânicos, proteínas fluorescentes, enzimas, espécies que participam na transferência de energia de ressonância de fluorescência (FRET), enzimas e/ou pontos quânticos. Tais marcadores exógenos podem ser conjugados com uma sonda ou um grupo funcional (por exemplo, molécula, íon e/ou ligante) que se liga especificamente a um alvo ou componente específico. Fixar um marcador exógeno a uma sonda permite a identificação do alvo através de detecção da presença do marcador exógeno. Exemplos de sondas podem incluir sondas de proteínas, moléculas de ácidos nucleicos (por exemplo, DNA, RNA), lipídios e anticorpos. A combinação de um marcador exógeno e um grupo funcional pode formar quaisquer sondas, marcadores e/ou tags (etiquetas) adequadas usadas para detecção, incluindo sondas moleculares, sondas marcadas, sondas de hibridização, sondas de anticorpos, sondas de proteínas (por exemplo, sondas de ligação à biotina), marcadores enzimáticos, sondas fluorescentes, tags (etiquetas) fluorescentes e/ou repórteres enzimáticos.

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23/107 [0075] Enquanto que marcadores exógenos podem ser adicionados a uma amostra, marcadores endógenos podem já fazer parte da amostra. Os marcadores endógenos podem incluir qualquer marcador luminescente presente que possa sofrer luminescência ou autofluorescência na presença de energia de excitação. A autofluorescência de fluoroforos endógenos pode permitir uma marcação isenta de marcadores e não invasiva, sem a necessidade da introdução de fluoroforos exógenos. Exemplos de tais fluoroforos endógenos podem incluir hemoglobina, óxi-hemoglobina, lipídios, reticulações de colágeno e elastina, dinucleotídeo de nicotinamida e adenina reduzido (NADH), flavinas oxidadas (FAD e FMN), lipofuscina, queratina e/ou propirinas, a título de exemplo e não limitação.

[0076] Embora algumas modalidades possam ser dirigidas para ensaios diagnósticos pela detecção de moléculas individuais em uma amostra, os inventores também reconheceram que algumas modalidades podem usar as capacidades de detecção de uma molécula individual para executar sequenciamento de ácidos nucleicos (por exemplo, DNA, RNA) de um ou mais segmentos de ácidos nucleicos tais como, por exemplo, genes ou polipeptídeos. O sequenciamento de ácidos nucleicos permite determinar a ordem e posição dos nucleotídeos em uma molécula de ácidos nucleicos alvo. As tecnologias de sequenciamento de ácidos nucleicos podem variar quanto aos métodos usados para determinar a sequência de ácidos nucleicos, bem como a taxa, duração da leitura e incidência de erros no processo de sequenciamento. Por exemplo, alguns métodos de sequenciamento de ácidos nucleicos são com base em sequenciamento por meio de síntese, no qual a identidade de um nucleotídeo é determinada à medida que o nucleotídeo é incorporado em uma fita recém-sintetizada de ácidos nucleicos que é complementar à molécula de ácidos nucleicos alvo. Alguns métodos de sequenciamento por meio de síntese requerem a

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24/107 presença de uma população de moléculas de ácidos nucleicos alvo (por exemplo, cópias de um ácido nucleico alvo) ou uma etapa de amplificação do ácido nucleico alvo para conseguir uma população de ácidos nucleicos alvo.

[0077] Tendo reconhecido a necessidade de dispositivos simples e menos complexos para a detecção de moléculas individuais e/ou sequenciamento de ácidos nucleicos, os inventores conceberam uma técnica para detectar moléculas individuais usando conjuntos de marcadores, tais como marcadores ópticos (por exemplo, luminescentes), para marcar diferentes moléculas. Uma etiqueta (tag) pode incluir um nucleotídeo ou aminoácido e um marcador adequado. Marcadores podem ser detectados enquanto ligados a moléculas individuais, quando de liberação das moléculas individuais ou enquanto ligados a e quando de liberação das moléculas individuais. Em alguns exemplos, os marcadores são tags (etiquetas) luminescentes. Cada marcador luminescente em um conjunto selecionado está associado a uma respectiva molécula. Por exemplo, um conjunto de quatro marcadores pode ser usado para marcar as nucleobases presentes no DNA - cada marcador do conjunto estando associado a uma nucleobase diferente para formar uma tag (etiqueta), por exemplo, um primeiro marcador estando associado à adenina (A), um segundo marcador estando associado à citosina (C), um terceiro marcador estando associado à guanina (G) e um quarto marcador estando associado à timina (T). Além disso, cada um dos marcadores luminescentes no conjunto de marcadores tem diferentes propriedades que podem ser usadas para distinguir um primeiro marcador do conjunto de outros marcadores no conjunto. Desta forma, cada marcador é individualmente identificável usando uma ou mais destas características distintivas. A título de exemplo e não de limitação, as características dos marcadores que podem ser usadas para distinguir um marcador de outro podem incluir

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25/107 um comprimento de onda de emissão ou banda de comprimentos de onda de emissão de luz emitida pelo marcador em resposta à excitação, um comprimento de onda ou banda de comprimentos de onda de energia de excitação que excita um marcador particular, as características temporais da luz emitida pelo marcador (por exemplo, períodos de tempo de declínio de emissão) e/ou características temporais da resposta de um marcador à emissão energia (por exemplo, probabilidade de absorver um fóton de excitação). Consequentemente, os marcadores luminescentes podem ser identificados ou discriminados de outros marcadores luminescentes com base na detecção destas propriedades. Tais técnicas de identificação ou discriminação podem ser usadas individualmente ou em qualquer combinação adequada. No contexto do sequenciamento de ácidos nucleicos, distinguir um marcador dentre um conjunto de quatro marcadores com base em uma ou mais características de emissão do marcador pode identificar individualmente uma nucleobase associada ao marcador.

IL Visão Geral do Sistema [0078] O sistema pode incluir um dispositivo integrado e um instrumento configurado para fazer interface com o dispositivo integrado. O dispositivo integrado pode incluir uma matriz de pixels, em que um pixel inclui uma cavidade de amostra e pelo menos um sensor. Uma superfície do dispositivo integrado pode ter uma pluralidade de cavidades de amostra, onde uma cavidade de amostra é configurada para receber uma amostra proveniente de um espécime colocado sobre a superfície do dispositivo integrado. Um espécime pode conter várias amostras e, em algumas modalidades, diferentes tipos de amostras. A pluralidade de cavidades de amostra pode ter um tamanho e formato adequados, de modo que pelo menos uma parte das cavidades de amostra receba uma amostra proveniente de um espécime. Em algumas modalidades, o número de amostras dentro de uma cavidade de

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26/107 amostra pode ser distribuído entre as cavidades de amostra, de modo que algumas cavidades de amostra contenham uma amostra, com outras contendo zero, duas ou mais amostras.

[0079] Em algumas modalidades, um espécime pode conter vários modelos de DNA fita simples e cavidades de amostra individuais sobre uma superfície de um dispositivo integrado podem ser dimensionadas e moldadas para receber um modelo de DNA fita simples. Os modelos de DNA fita simples podem ser distribuídos entre as cavidades de amostras do dispositivo integrado, de modo que pelo menos uma parte das cavidades de amostras do dispositivo integrado contenha um modelo de DNA fita simples. O espécime também pode conter dNTPs marcados os quais entram na cavidade de amostra e podem permitir a identificação de um nucleotídeo à medida que ele é incorporado em uma fita de DNA complementar ao modelo de DNA fita simples na cavidade de amostra. Em tal exemplo, a amostra pode se referir tanto ao DNA fita simples quanto ao dNTP marcado que está sendo atualmente incorporado por uma polimerase. Em algumas modalidades, a amostra pode conter modelos de DNA fita simples e os dNTPs marcados podem ser subsequentemente introduzidos em uma cavidade de amostra à medida que os nucleotídeos são incorporados em uma fita de DNA complementar dentro da cavidade de amostra. Deste modo, o momento de incorporação dos nucleotídeos pode ser controlado quando os dNTPs marcados são introduzidos nas cavidades de amostra de um dispositivo integrado.

[0080] A energia de excitação é fornecida a partir de uma fonte de excitação localizada separada da matriz de pixels do dispositivo integrado. A energia de excitação é dirigida, pelo menos em parte, por elementos do dispositivo integrado em direção a um ou mais pixels para iluminar uma região de iluminação dentro da cavidade de amostra. Um marcador ou tag (etiqueta) pode, então, emitir energia de

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27/107 emissão quando localizada dentro da região de iluminação e em resposta a ser iluminada pela energia de excitação. Em algumas modalidades, uma ou mais fontes de excitação são parte do instrumento do sistema onde os componentes do instrumento e o dispositivo integrado são configurados para direcionar a energia de excitação para um ou mais pixels.

[0081] A energia de emissão emitida por uma amostra pode, então, ser detectada por um ou mais sensores dentro de um pixel do dispositivo integrado. Características da energia de emissão detectada podem fornecer uma indicação para identificar o marcado associado à energia de emissão. Tais características podem incluir qualquer tipo adequado de característica, incluindo o tempo de chegada de fótons detectados por um sensor, a quantidade de fótons acumulados ao longo do tempo por um sensor e/ou a distribuição de fótons através de dois ou mais sensores. Em algumas modalidades, um sensor pode ter uma configuração que permita a detecção de uma ou mais características temporais associadas à energia de emissão de uma amostra (por exemplo, durabilidade de fluorescência). O sensor pode detectar a distribuição dos tempos de chegada de fótons depois que um pulso de energia de excitação se propaga através do dispositivo integrado e a distribuição dos tempos de chegada pode fornecer uma indicação de uma característica temporal da energia de emissão proveniente da amostra (por exemplo, um indicador para a durabilidade de fluorescência). Em algumas modalidades, o um ou mais sensores fornecem uma indicação da probabilidade de emissão de energia emitida pelo marcador ou tag (etiqueta) (por exemplo, intensidade de fluorescência). Em algumas modalidades, uma pluralidade de sensores pode ser dimensionada e arranjada para capturar uma distribuição espacial da energia de emissão. Sinais de saída de um ou mais sensores podem, então, ser usados para distinguir um marcador dentre uma pluralidade

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28/107 de marcadores, onde a pluralidade de marcadores pode ser usada para identificar uma amostra dentro do espécime. Em algumas modalidades, uma amostra pode ser excitada por múltiplas energias de excitação e as características de energia de emissão e/ou temporais da energia de emissão emitida pela amostra em resposta às múltiplas energias de excitação podem distinguir um marcador dentre uma pluralidade de marcadores.

[0082] Uma visão geral esquemática do sistema 1-100 está ilustrada na Figura 1-1.0 sistema compreende um dispositivo integrado

1-102 que faz interface com um instrumento 1-104. Em algumas modalidades, o instrumento 1-104 pode incluir uma ou mais fontes de excitação 1-106 integradas como parte do instrumento 1-104. Em algumas modalidades, uma fonte de excitação pode ser externa tanto ao instrumento 1-104 como ao dispositivo integrado 2-102 e o instrumento

1-104 pode ser configurado para receber a energia de excitação proveniente da fonte de excitação e a energia de excitação direta ao dispositivo integrado. O dispositivo integrado pode interagir com o instrumento usando qualquer soquete adequado para receber o dispositivo integrado e mantê-lo em alinhamento óptico preciso com a fonte de excitação. A fonte de excitação 1-106 pode ser configurada para fornecer energia de excitação ao dispositivo integrado 1-102. Conforme ilustrado esquematicamente na Figura 1-1, o dispositivo integrado 1102 tem uma pluralidade de pixels 1-112, em que pelo menos uma parte dos pixels pode realizar uma análise independente de uma amostra. Tais pixels 1-112 podem ser denominados como pixels de fonte passiva, uma vez que um pixel recebe energia de excitação proveniente de uma fonte 1-106 separada do pixel, onde a energia de excitação proveniente da fonte excita alguns ou todos os pixels 1-112. A fonte de excitação 1-106 pode ser qualquer fonte de luz adequada. Exemplos de fontes de excitação adequadas são descritos no Pedido

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29/107 de Patente dos Estados Unidos N^G 14/821.688, depositado em 7 de agosto de 2015, intitulado INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES, o qual é incorporado por referência na íntegra. Em algumas modalidades, a fonte de excitação 1-106 inclui múltiplas fontes de excitação que são combinadas para fornecer energia de excitação ao dispositivo integrado 1-102. As múltiplas fontes de excitação podem ser configuradas para produzir múltiplas energias de excitação ou comprimentos de onda.

[0083] Um pixel 1-112 tem uma cavidade de amostra 1-108 configurada para receber uma amostra e um sensor 1-110 para detectar a energia de emissão emitida pela amostra em resposta à iluminação da amostra com energia de excitação fornecida pela fonte de excitação 1106. Em algumas modalidades, uma cavidade de amostra 1-108 pode reter a amostra na proximidade de uma superfície do dispositivo integrado 1-102, o que pode facilitar a distribuição da energia de excitação à amostra e a detecção da energia de emissão proveniente da amostra.

[0084] Elementos ópticos para acoplar a energia de excitação proveniente da fonte de energia de excitação 1-106 ao dispositivo integrado 1-102 e orientar a energia de excitação para a cavidade de amostra 1-108 estão localizados no dispositivo integrado 1-102 e no instrumento 1-104. Elementos ópticos fonte-para-cavidade podem compreender uma ou mais acopladores direcionais localizados sobre o dispositivo integrado 1-102 para acoplar a energia de excitação ao dispositivo integrado e guias de ondas para fornecer a energia de excitação proveniente do instrumento 1-104 para amostras de cavidades em pixels 1-112. Um ou mais elementos divisores ópticos podem ser posicionados entre um acoplador direcional e os guias de ondas. O divisor óptico pode acoplar a energia de excitação proveniente do acoplador direcional e fornecer energia de excitação para pelo menos um

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30/107 dos guias de ondas. Em algumas modalidades, o divisor óptico pode ter uma configuração que permita que a distribuição da energia de excitação seja substancialmente uniforme ao longo de todos os guias de ondas, de modo que cada um dos guias de ondas receba uma quantidade substancialmente similar de energia de excitação. Tais modalidades podem melhorar o desempenho do dispositivo integrado ao melhorar a uniformidade da energia de excitação recebida pelas cavidades de amostra do dispositivo integrado.

[0085] A cavidade de amostra 1-108, uma parte da óptica da fonte de excitação-para-cavidade e a óptica de amostra de amostra-parasensor estão localizadas sobre o dispositivo integrado 1-102. A fonte de excitação 1-106 e uma parte dos componentes da fonte-paracavidade estão localizados no instrumento 1-104. Em algumas modalidades, um único componente pode desempenhar um papel tanto no acoplamento da energia de excitação à cavidade de amostra 1-108 como na distribuição da energia de emissão proveniente da cavidade de amostra 1-108 para o sensor 1-110. Exemplos de componentes adequados para acoplar a energia de excitação a uma cavidade de amostra e/ou direcionar a energia de emissão para um sensor a incluir em um dispositivo integrado são aqueles descritos no Pedido de Patente dos Estados Unidos N° 14/821.688 intitulado INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES e Pedido de Patente dos Estados Unidos N^G 14/543.865 intitulado INTEGRATED DEVICE WITH EXTERNAL LIGHT SOURCE FOR PROBING, DETECTING, AND ANALYZING MOLECULES, ambos os quais são incorporados por referência na íntegra.

[0086] O pixel 1-112 está associado à sua própria cavidade de amostra 1-108 individual e pelo menos um sensor 1-110. A pluralidade de pixels do dispositivo integrado 1-102 pode ser configurada para ter qualquer formato, tamanho e/ou dimensões adequados. O dispositivo

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31/107 integrado 1-102 pode ter qualquer número adequado de pixels. O número de pixels no dispositivo integrado 2-102 pode estar na faixa de aproximadamente 10.000 pixels a 1.000.000 pixels ou qualquer valor ou faixa de valores dentro desta faixa. Em algumas modalidades, os pixels podem estar localizados em uma matriz de 512 pixels por 512 pixels. O dispositivo integrado 1-102 pode fazer interface com o instrumento 1-104 de qualquer maneira adequada. Em algumas modalidades, o instrumento 1-104 pode ter uma interface que se une de forma destacável ao dispositivo integrado 1-104, de modo que um usuário possa conectar o dispositivo integrado 1-102 ao instrumento 1-104 para uso do dispositivo integrado 1-102 para analisar uma amostra e remover o dispositivo integrado 1-102 do instrumento 1-104 para permitir que outro dispositivo integrado seja conectado. A interface do instrumento 1-104 pode posicionar o dispositivo integrado 1-102 para ser acoplado ao circuito do instrumento 1-104 para permitir que os sinais de leitura provenientes de um ou mais sensores sejam transmitidos para o instrumento 1-104. O dispositivo integrado 1-102 e o instrumento 1-104 podem incluir links de comunicação de alta velocidade com múltiplos canal para manipular dados associados a matrizes de pixel grandes (por exemplo, mais de 10.000 pixels).

[0087] O instrumento 1-104 pode incluir uma interface de usuário para controlar a operação do instrumento 1-104 e/ou do dispositivo integrado 1-102. A interface de usuário pode ser configurada para permitir que um usuário insira informações no instrumento, tais como comandos e/ou configurações usadas para controlar a operação do instrumento. Em algumas modalidades, a interface de usuário pode incluir botões, chaves, mostradores e um microfone para comandos de voz. A interface de usuário pode permitir que um usuário receba feedback sobre o desempenho do instrumento e/ou dispositivo integrado, tal como alinhamento adequado e/ou informações obtidas por meio de

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32/107 leitura de sinais provenientes dos sensores no dispositivo integrado. Em algumas modalidades, a interface de usuário pode fornecer feedback usando um alto-falante para fornecer feedback audível. Em algumas modalidades, a interface de usuário pode incluir luzes indicadoras e/ou uma tela de exibição para fornecer feedback visual a um usuário.

[0088] Em algumas modalidades, o instrumento 2-104 pode incluir uma interface de computador configurada para se conectar a um dispositivo de computação. A interface de computador pode ser uma interface USB, uma interface FireWire ou qualquer outra interface de computador adequada. O dispositivo de computação pode ser qualquer computador de finalidade geral, tal como um computador laptop ou desktop. Em algumas modalidades, o dispositivo de computação pode ser um servidor (por exemplo, servidor com base em nuvem) acessível por meio de uma rede sem fio através de uma interface de computador adequada. A interface de computador pode facilitar a comunicação de informações entre o instrumento 1-104 e o dispositivo de computação. As informações de entrada para controlar e/ou configurar o instrumento 1-104 podem ser fornecidas para o dispositivo de computação e transmitidas para o instrumento 1-104 através da interface de computador. A informação de saída gerada pelo instrumento

1-104 pode ser recebida pelo dispositivo de computação através da interface de computador. As informações de entrada podem incluir feedback sobre o desempenho do instrumento 1-104, desempenho do dispositivo integrado 2-112 e/ou dados gerados a partir de leitura dos sinais provenientes do sensor 1-110.

[0089] Em algumas modalidades, o instrumento 1-104 pode incluir um dispositivo de processamento configurado para analisar dados recebidos a partir de um ou mais sensores do dispositivo integrado 1102 e/ou transmitir sinais de controle para a(s) fonte(s) de excitação 2Petição 870190054355, de 13/06/2019, pág. 51/174

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106. Em algumas modalidades, o dispositivo de processamento pode compreender um processador de finalidade geral, um processador especialmente adaptado (por exemplo, uma unidade de processamento central (CPU), tal como um ou mais núcleos de microprocessador ou microcontrolador, um arranjo de portas programável em campo (FPGA), um circuito integrado para aplicações específicas (ASIC), um circuito integrado personalizado e um processador de sinal digital (DSP) ou uma combinação dos mesmos. Em algumas modalidades, o processamento de dados provenientes de um ou mais sensores pode ser realizado tanto por um dispositivo de processamento do instrumento 1-104 como um dispositivo de computação externo. Em outras modalidades, um dispositivo de computação externo pode ser omitido e o processamento de dados provenientes de um ou mais sensores pode ser realizado somente por um dispositivo de processamento do dispositivo integrado 1-104.

[0090] Uma vista esquemática seccional transversal do dispositivo integrado 1-102 que ilustra uma linha de pixels 1-112 é mostrado na Figura 1-2A. O dispositivo integrado 1-102 pode incluir a região de acoplamento 1-201, a região de roteamento 1-202, a região de pixel 1203 e a região de drenagem (dump) óptica 1-204. A região de pixel 1203 pode incluir uma pluralidade de pixels 1-112 que tem cavidades de amostra 1-108 posicionadas sobre a superfície 1-200 em uma localização separada da região de acoplamento 1-201, onde a energia de excitação óptica proveniente da fonte de excitação 1-106 é acoplada ao dispositivo integrado 1-102. Um pixel 1-112, ilustrado pelo retângulo pontilhado, é uma região do dispositivo integrado 1-102 que inclui uma cavidade de amostra 1-108 e pelo menos um sensor 1-110. Conforme mostrado na Figura 1-2A, os pixels 1-108 são formados sobre a superfície 1-200 do dispositivo integrado. A linha de cavidades de amostra

1-108 mostrada na Figura 1-2 A está posicionada para ser opticamen

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34/107 te acoplada ao guia de ondas 1-220.

[0091] A Figura 1-2A ilustra o percurso da energia de excitação (mostrada em linhas tracejadas) ao acoplar a fonte de excitação 1-106 à região de acoplamento 1-201 do dispositivo integrado 1-102 e às cavidades de amostra 1-108. A energia de excitação pode iluminar uma amostra localizada dentro de uma cavidade de amostra. A amostra pode atingir um estado excitado em resposta a ser iluminada pela energia de excitação. Quando uma amostra está em um estado excitado, a amostra pode emitir energia de emissão e a energia de emissão pode ser detectada por um ou mais sensores associados à cavidade de amostra. A Figura 1-2A ilustra esquematicamente o percurso da energia de emissão (mostrada como linhas sólidas) de uma cavidade de amostra 1-108 para um ou mais sensores 1 -110 de pixel 1-112. O um ou mais sensores 1-110 de pixel 1-112 podem ser configurados e posicionados para detectar a energia de emissão proveniente da cavidade de amostra 1-108. Um sensor 1-110 pode se referir a um fotodetector adequado configurado para converter a energia óptica em elétrons. A distância entre a cavidade de amostra 1-108 e um sensor 1110 em um pixel (por exemplo, a distância entre uma superfície inferior de uma cavidade de amostra e uma região de fotodetecção de um sensor) pode estar na faixa de 10 nanômetros e 200 nanômetros, ou qualquer valor ou faixa de valores nesta faixa. Em algumas modalidades, a distância entre uma cavidade de amostra e um sensor em um pixel pode ser menos do que aproximadamente 10 micrometros. Em algumas modalidades, a distância entre uma cavidade de amostra e um sensor em um pixel pode ser menos do que aproximadamente 7 micrometros. Em algumas modalidades, a distância entre uma cavidade de amostra e um sensor em um pixel pode ser menos do que aproximadamente 3 micrometros. Exemplos de sensores adequados são descritos no Pedido de Patente dos Estados Unidos N° 14/821.656,

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35/107 intitulado INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS, o qual é incorporado por referência na íntegra. Embora a Figura 1-2A ilustre o acoplamento da energia de excitação a cada cavidade de amostra em uma linha de pixels, em algumas modalidades, a energia de excitação pode não ser acoplada a todos os pixels em uma linha. Em algumas modalidades, a energia de excitação pode ser acoplada a uma parte dos pixels ou cavidades de amostra em uma linha de pixels do dispositivo integrado.

[0092] A região de acoplamento 1-201 pode incluir um ou mais componentes ópticos configurados para acoplar a energia de excitação proveniente da fonte de excitação externa 1-106. A região de acoplamento 1-201 pode incluir o acoplador direcional 1-216 posicionado para receber uma parte ou todo um feixe de energia de excitação proveniente da fonte de excitação 1-106. O feixe de energia de excitação pode ter qualquer formato e/ou tamanho adequado. Em algumas modalidades, a seção transversal do feixe de energia de excitação pode ter um formato elíptico. Em outras modalidades, a seção transversal do feixe de energia de excitação pode ter um formato circular.

[0093] O acoplador direcional 1-216 pode ser posicionado para receber a energia de excitação proveniente da fonte de excitação 1106. O acoplador direcional 1-216 pode ser formado a partir de um ou mais materiais. Em algumas modalidades, o acoplador direcional 1216 pode incluir regiões alternadas de materiais diferentes ao longo de uma direção paralela à propagação de luz no guia de ondas. O acoplador direcional 1-216 pode incluir estruturas formadas a partir de um material envolvido por um material com um índice de refração maior. Como um exemplo, um acoplador direcional pode incluir estruturas formadas de nitreto de silício e envolvidas por dióxido de silício. Quaisquer dimensões e/ou espaçamento adequados entre grades podem ser usados para formar o acoplador direcional 1-216. A distância

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36/107 entre estruturas do acoplador direcional 1-216 ao longo de uma direção paralela à propagação da luz no guia de ondas 1-220, tal como ao longo da direção z, conforme mostrado na Figura 1-2A, pode ser qualquer distância adequada. O espaçamento entre grades pode estar na faixa de aproximadamente 300 nm a aproximadamente 500 nm ou qualquer valor ou faixa de valores dentro desta faixa. Em algumas modalidades, o espaçamento entre grades pode ser variável dentro de um acoplador direcional. O acoplador direcional 1-216 pode ter uma ou mais dimensões substancialmente paralelas à superfície 1-215 na região de acoplamento 1-201 do dispositivo integrado 1-102 que constituem uma área adequada para o acoplamento com a fonte de excitação externa 1-106. A área do acoplador direcional 1-216 pode coincidir com uma ou mais dimensões da área seccional transversal de um feixe de energia de excitação proveniente da fonte de excitação 1-214, de modo que o feixe se sobreponha ao acoplador direcional 1-216.

[0094] O acoplador direcional 1-216 pode acoplar a energia de excitação recebida da fonte de excitação 1-214 ao guia de ondas 1-220. O guia de ondas 1-220 está configurado para propagar a energia de excitação para a proximidade de uma ou mais cavidades de amostra

1-108. Em algumas modalidades, o acoplador direcional 1-216 e o guia de ondas 1-220 são formados substancialmente no mesmo plano do dispositivo integrado 1-102. Em algumas modalidades, o acoplador direcional 1-216 e o guia de ondas 1-220 são formados a partir da mesma camada do dispositivo integrado 4-200 e podem incluir o mesmo material. Em algumas modalidades, um espelho posicionado sobre o acoplador direcional 1-216 pode direcionar a energia de excitação proveniente de uma fonte de excitação para o acoplador direcional 1-216. O espelho pode ser integrado em uma parte de um alojamento posicionado sobre a superfície do dispositivo integrado que tem as cavidades de amostra, onde o alojamento pode permitir contenção

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37/107 de fluido para uma amostra. Um ou mais sensores 1-230 podem ser posicionados para receber a energia de excitação que passa através do acoplador direcional 1-216 e/ou passa através de uma região próxima ao acoplador direcional 1-216, tal como uma região no plano do acoplador direcional 1-216 fora do acoplador direcional 1-216.

[0095] Em algumas modalidades, um ou mais filtros podem ser posicionados entre o guia de ondas 1-220 e os sensores 1-110. O um ou mais filtros podem ser configurados para reduzir ou impedir que a energia de excitação passe para os sensores 1-110, o que pode contribuir para sinalizar o ruído proveniente dos sensores 1-110.

[0096] A região de acoplamento pode incluir uma camada reflexiva

1-226 posicionada para receber a energia de excitação que pode passar através do acoplador direcional 1-216 (conforme mostrado pelas linhas tracejadas na Figura 1-2A). A camada reflexiva está posicionada próximo ao lado do acoplador direcional 1-216 oposto a um feixe incidente de energia de excitação proveniente da fonte de excitação 1106. A camada reflexiva 1-226 pode melhorar a eficiência de acoplamento de energia de excitação em acoplador direcional 1-216 e/ou no guia de ondas 1-220 ao refletir a energia de excitação de volta para o acoplador direcional (conforme mostrado pela linha tracejada na Figura 1-2A). A camada reflexiva 1-226 pode incluir Al, AlCu, TiN ou qualquer outro material adequado que reflita uma ou mais energias de excitação. Em algumas modalidades, a camada reflexiva 1-226 pode incluir uma ou mais aberturas que permitem que a energia de excitação passe para um ou mais sensores 1-230. Um ou mais sensores 1-230 posicionados para receber a energia de excitação que passa através de uma ou mais aberturas da camada reflexiva 1-226 podem gerar sinais usados para alinhar um feixe de energia de excitação proveniente da fonte de excitação 1-106 ao dispositivo integrado 1-102. Em particular, os sinais provenientes de um ou mais sensores 1-230 da região

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38/107 de acoplamento 1-201 podem fornecer uma indicação do alinhamento de um feixe de energia de excitação ao acoplador direcional 1-216. A indicação de alinhamento pode ser usada para controlar um ou mais componentes localizados fora do dispositivo integrado 1-102 para posicionar e/ou alinhar um feixe de energia de excitação ao dispositivo integrado 1-102.

[0097] Componentes localizados fora do dispositivo integrado podem ser usados para posicionar e alinhar a fonte de excitação 1-106 ao dispositivo integrado. Tais componentes podem incluir componentes ópticos, incluindo lentes, espelhos, prismas, aberturas, atenuadores e/ou fibras ópticas. Componentes mecânicos adicionais podem ser incluídos no instrumento para permitir o controle de um ou mais componentes de alinhamento. Tais componentes mecânicos podem incluir acionadores, motores de passo e/ou botões. Exemplos de fontes de excitação e mecanismos de alinhamento adequados são descritos no Pedido de Patente dos Estados Unidos N° 62/310.398 intitulado PULSED LASER AND SYSTEM, o qual é incorporado por referência na íntegra. Outro exemplo de um módulo de direcionamento de feixes é descrito no Pedido de Patente dos Estados Unidos N° 62/435.679 intitulado COMPACT BEAM SHAPING AND STEERING ASSEMBLY, o qual é aqui incorporado por referência na íntegra.

[0098] A região de drenagem óptica 1-204 do dispositivo integrado

1-102 pode incluir um ou mais componentes 1-240 em uma extremidade do guia de ondas 1-220 oposta à região de acoplamento 1-201. O(s) componente(s) 1-240 pode(m) atuar para direcionar a propagação da energia de excitação restante através do guia de ondas 1-220 após acoplamento com as cavidades de amostra 1-110 fora do guia de ondas 1-220. O(s) componente(s) 1-240 pode(m) melhorar o desempenho do dispositivo integrado ao direcionar a energia de excitação restante para longe da região de pixel 1-203 do dispositivo integrado 1

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102. O(s) componente(s) 1-240 pode(m) incluir acoplador(es) de malha, acoplador(es) óptico(s), cone(s), grampo(s), ondulador(es) ou qualquer outro componente óptico adequado. Em algumas modalidades, a região de drenagem óptica 1-204 inclui um ou mais sensores 1242 posicionados para receber a energia de excitação acoplada fora do guia de ondas 1-220. Os sinais provenientes de um ou mais sensores 1-242 podem fornecer uma indicação da energia óptica da energia de excitação que se propaga através do guia de ondas 1-220 e, em algumas modalidades, podem ser usados para controlar a energia óptica de um feixe de energia de excitação gerado pela fonte de excitação 1-106. Desta maneira, um ou mais sensores 1-242 podem atuar como sensores de monitoramento. Em algumas modalidades, a região de impacto óptico 1-204 pode incluir o componente 1-240 e o sensor 1 -242 para cada guia de ondas do dispositivo integrado 1-102.

[0099] Uma amostra a ser analisada pode ser introduzida na cavidade de amostra 1-108 de pixel 1-112. A amostra pode ser uma amostra biológica ou qualquer outra amostra adequada, tal como uma amostra química. A amostra pode incluir múltiplas moléculas e a cavidade de amostra pode ser configurada para isolar uma molécula individual. Em alguns casos, as dimensões da cavidade de amostra podem atuar para confinar uma molécula individual dentro da cavidade de amostra, permitindo que medições sejam realizadas na molécula individual. Uma fonte de excitação 1-106 pode ser configurada para fornecer energia de excitação na cavidade de amostra 1-108, de modo a excitar a amostra ou pelo menos um marcador luminescente ligado à amostra ou de outro modo associado à amostra enquanto ela se encontra dentro de uma área de iluminação dentro da cavidade de amostra 1-108.

[00100] Quando uma fonte de excitação fornece energia de excitação para uma cavidade de amostra, pelo menos uma amostra dentro

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40/107 da cavidade pode ser luminescente e a emissão resultante pode ser detectada por um sensor. Conforme usado aqui, as frases uma amostra pode ser luminescente ou uma amostra pode emitir radiação ou emissão proveniente de uma amostra significam que uma tag (etiqueta), marcador ou repórter luminescente, a própria amostra ou um produto de reação associado à amostra pode produzir a radiação emitida.

[00101] Um ou mais componentes de um dispositivo integrado podem direcionar a energia de emissão para um sensor. A energia ou energias de emissão podem ser detectadas pelo sensor e convertidas em pelo menos um sinal elétrico. Os sinais elétricos podem ser transmitidos ao longo de linhas condutoras no circuito do dispositivo integrado conectado ao instrumento através da interface do dispositivo integrado. Os sinais elétricos podem ser posteriormente processados e/ou analisados. O processamento ou análise de sinais elétricos pode ocorrer em um dispositivo de computação adequado, localizado no ou fora do instrumento.

[00102] Em operação, análises paralelas de amostras dentro das cavidades de amostra são realizadas ao excitar algumas ou todas as amostras dentro das cavidades usando a fonte de excitação e detectar sinais provenientes da emissão da amostra com os sensores. A energia de emissão de uma amostra pode ser detectada por um sensor correspondente e convertida em pelo menos um sinal elétrico. O sinal ou sinais resultantes podem ser processados no dispositivo integrado em algumas modalidades ou transmitidos para o instrumento para processamento pelo dispositivo de processamento e/ou dispositivo de computação. Os sinais provenientes de uma cavidade de amostra podem ser recebidos e processados independentemente dos sinais associados aos outros pixels.

[00103] Em algumas modalidades, uma amostra pode ser marcada

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41/107 com um ou mais marcadores e a emissão associada aos marcadores é discernível pelo instrumento. Por exemplo, o sensor pode ser configurado para converter os fótons da energia de emissão em elétrons para formar um sinal elétrico que pode ser usado para discernir uma vida útil que é dependente da energia de emissão de um marcador específico. Ao usar marcadores com diferentes vidas úteis para marcar as amostras, amostras específicas podem ser identificadas com base no sinal elétrico resultante detectado pelo sensor.

[00104] Uma amostra pode conter vários tipos de moléculas e diferentes marcadores luminescentes podem se associar exclusivamente a um tipo de molécula. Durante ou após a excitação, o marcador luminescente pode emitir energia de emissão. Uma ou mais propriedades da energia de emissão podem ser usadas para identificar um ou mais tipos de moléculas na amostra. As propriedades da energia de emissão usada para distinguir entre tipos de moléculas podem incluir um valor de durabilidade da fluorescência, intensidade e/ou comprimento de onda de emissão. Um sensor pode detectar fótons, incluindo fótons de energia de emissão, e fornecer sinais elétricos indicativos de uma ou mais destas propriedades. Em algumas modalidades, os sinais elétricos de um sensor podem fornecer informações sobre a distribuição dos tempos de chegada de fótons através de um ou mais intervalos de tempo. A distribuição dos tempos de chegada dos fótons pode corresponder a quando um fóton é detectado depois que um pulso de energia de excitação é emitido por uma fonte de excitação. Um valor para um intervalo de tempo pode corresponder a um número de fótons detectados durante o intervalo de tempo. Valores relativos em múltiplos intervalos de tempo podem fornecer uma indicação de uma característica temporal da energia de emissão (por exemplo, vida útil). A análise de uma amostra pode incluir distinção entre marcadores ao comparar valores para dois ou mais intervalos de tempo diferentes dentro de

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42/107 uma distribuição. Em algumas modalidades, uma indicação da intensidade pode ser fornecida ao determinar o número de fótons em todas as combinações temporais em uma distribuição.

[00105] Um instrumento 1-104 exemplificativo pode compreender um ou mais módulos de laser com modo bloqueado 1-258 montados como um módulo substituível dentro, ou de outro modo acoplado ao instrumento, conforme representado na Figura 1-2B. O instrumento 1104 pode incluir um sistema óptico 1-255 e um sistema analítico 1-260. O sistema óptico 1-255 pode incluir alguma combinação de componentes ópticos (os quais podem incluir, por exemplo, nenhum, um ou mais de cada um: lente, espelho, filtro óptico, atenuador, componente de orientação de feixe, componente de formação de feixe) e ser configurado para operar e/ou fornecer pulsos ópticos de saída 1-252 provenientes de um módulo de laser no modo bloqueado 1-258 para o sistema analítico 1-260. O sistema analítico pode incluir uma pluralidade de componentes 1-140 os quais estão posicionados para direcionar os pulsos ópticos para pelo menos uma amostra a ser analisada, receber um ou mais sinais ópticos (por exemplo, fluorescência, radiação retrodispersa) proveniente da pelo menos uma amostra e produzir um ou mais sinais elétricos representativos dos sinais ópticos recebidos. Em algumas modalidades, o sistema analítico 1-260 pode incluir um ou mais fotodetectores e componentes eletrônicos de processamento de sinais (por exemplo, um ou mais microcontroladores, um ou mais arranjos de portas programáveis em campo, um ou mais microprocessadores, um ou mais processadores de sinais digitais, portas lógicas, etc.) configurados para processar os sinais elétricos provenientes dos fotodetectores. O sistema analítico 1-260 também pode incluir hardware de transmissão de dados configurado para transmitir e receber dados de e para dispositivos externos através de um ou mais links de comunicação de dados. Em algumas modalidades, o sistema analítico

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1-260 pode ser configurado para receber o dispositivo integrado 1-102, o qual pode receber uma ou mais amostras a serem analisadas.

[00106] A Figura 1-2C representa perfis de intensidade temporal dos pulsos de saída 1-25 2. Em algumas modalidades, os valores de intensidade de pico dos pulsos emitidos podem ser aproximadamente igual e os perfis podem ter um perfil temporal de Gauss, embora outros perfis, tal como um perfil sech², possam ser possíveis. Em alguns casos, os pulsos podem não ter perfis temporais simétricos e podem ter outros formatos temporais. A duração de cada pulso pode ser caracterizada por um valor de metade da largura máxima (FWHM), conforme indicado na Figura 1-2. De acordo com algumas modalidades de um laser no modo bloqueado, pulsos ópticos ultracurtos podem ter valores de FWHM de menos do que 100 picossegundos (ps). Em alguns casos, os valores de FWHM podem estar entre aproximadamente 5 ps e aproximadamente 30 ps.

[00107] Os pulsos de saída 1-252 podem ser separados por intervalos regulares T. Por exemplo, T pode ser determinado por um tempo de percurso de ida e volta entre um acoplador de saída e um espelho terminal na cavidade do módulo de laser 1-258. De acordo com algumas modalidades, o intervalo de separação de pulsos Tpode estar na faixa de aproximadamente 1 ns a aproximadamente 30 ns ou qualquer valor ou faixa de valores dentro desta faixa. Em alguns casos, o intervalo de separação de pulsos Tpode estar na faixa de aproximadamente 5 ns a aproximadamente 20 ns, a qual corresponde a um comprimento da cavidade de laser (um comprimento aproximado de um eixo óptico dentro de uma cavidade de laser do módulo de laser 1-258) entre cerca de 0,7 metros e cerca de 3 metros.

[00108] De acordo com algumas modalidades, o intervalo de separação de pulsos T e o comprimento de cavidade do laser desejados podem ser determinados por uma combinação do número de cavida

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44/107 des de amostra no dispositivo integrado 1-102, as características de emissão fluorescente e a velocidade do circuito de manipulação de dados para leitura de dados provenientes do dispositivo integrado 1102. Os inventores reconheceram e apreciaram que diferentes fluoroforos podem ser distinguidos por suas diferentes taxas de decaimento fluorescente ou tempos de vida característicos. Consequentemente, é necessário que haja um intervalo de separação de pulsos T suficiente para coletar estatísticas adequadas para os fluoroforos selecionados para distinguir entre suas diferentes taxas de decaimento. Além disso, se o intervalo de separação de pulsos T for muito curto, o circuito de manipulação de dados não conseguirá acompanhar a grande quantidade de dados coletados pelo grande número de cavidades de amostras. Os inventores reconheceram e apreciaram que um intervalo de separação de pulsos T entre cerca de 5 ns e cerca de 20 ns é adequado para fluoroforos que têm taxas de decaimento até cerca de 2 ns e para manipulação de dados entre cerca de 60.000 e 600.000 cavidades de amostra.

[00109] De acordo com algumas implementações, um módulo de direcionamento de feixes pode receber pulsos de saída provenientes do módulo de laser no modo bloqueado 1-1 25 e ser configurado para ajustar pelo menos a posição e os ângulos incidentes dos pulsos ópticos em um acoplador óptico do dispositivo integrado 1-102. Em alguns casos, os pulsos de saída do módulo de laser no modo bloqueado podem ser operados por um módulo de direcionamento de feixes para, adicional ou alternativamente, variar o formato do feixe e/ou rotação do feixe em um acoplador óptico no dispositivo integrado 1-102. Em algumas implementações, o módulo de direcionamento de feixes pode ainda fornecer ajustes de focalização e/ou polarização do feixe de pulsos de saída no acoplador óptico. Um exemplo de um módulo de direcionamento de feixes está descrito no Pedido de Patente dos Estados

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Unidos N° 15/161.088 intitulado PULSED LASER AND BIOANALYTIC SYSTEM, depositado em 20 de maio de 2016, o qual é aqui incorporado por referência. Outro exemplo de um módulo de direcionamento de feixes é descrito no Pedido de Patente dos Estados Unidos N° 62/435.679, intitulado COMPACT BEAM SHAPING AND STEERING ASSEMBLY, o qual é aqui incorporado por referência na íntegra.

[00110] Com referência à Figura 1-3, os pulsos de saída 1-522 de um módulo de laser no modo bloqueado podem ser acoplados a um ou mais guias de ondas ópticos 1-312 no dispositivo integrado. Em algumas modalidades, os pulsos ópticos podem ser acoplados a um ou mais guias de ondas através de um acoplador direcional 1-310, embora acoplamento a uma extremidade de um ou mais guias de ondas ópticos no dispositivo integrado possa ser usado em algumas modalidades. De acordo com algumas modalidades, um detector quádruplo 1320 pode estar localizado em um substrato semicondutor 1-305 (por exemplo, um substrato de silício) para auxiliar no alinhamento do feixe de pulsos ópticos 1-122 a um acoplador direcional 1-310. O um ou mais guias de ondas 1-312 e as cavidades de amostra 1-330 podem ser integrados no mesmo substrato semicondutor com camadas dielétricas intervenientes (por exemplo, camadas de dióxido de silício) entre o substrato, guia de ondas, cavidades de amostra e fotodetectores 1322.

[00111] Cada guia de ondas 1-312 pode incluir uma parte cônica 1315 abaixo das cavidades de amostra 1-330 para equalizer a energia óptica acoplada às cavidades de amostra ao longo do guia de ondas. O cone de redução pode forçar mais energia óptica para fora do núcleo do guia de ondas, aumentar o acoplamento às cavidades de amostra e compensar as perdas ópticas ao longo do guia de ondas, incluindo as perdas de acoplamento de luz nas cavidades de amostra. Um segundo acoplador direcional 1-317 pode estar localizado na ex

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46/107 tremidade de cada guia de ondas para direcionar a energia óptica para um fotodiodo integrado 1-324. O fotodiodo integrado pode detectar a quantidade de energia acoplada a um guia de ondas e fornecer um sinal detectado ao circuito de feedback que controla um módulo de direcionamento de feixes.

[00112] As cavidades de amostra 1-330 podem ser alinhadas com a parte cônica 1-315 do guia de ondas e recuadas em uma cuba 1-340. Pode haver fotodetectores de compartimentalização temporal 1-322 localizados sobre o substrato semicondutor 1-305 para cada cavidade de amostra 1-330. Um revestimento metálico e/ou revestimento com múltiplas camadas 1-350 podem ser formados em torno das cavidades da amostra e acima do guia de ondas para evitar a excitação óptica dos fluoroforos que não estão na cavidade de amostra (por exemplo, dispersos em uma solução acima das cavidades de amostra). O revestimento metálico e/ou o revestimento com múltiplas camadas 1-350 podem ser elevados além das bordas da cuba 1-340 para reduzir as perdas por absorção da energia óptica no guia de ondas 1-312 nas extremidades de entrada e saída de cada guia de ondas.

[00113] Pode haver uma pluralidade de linhas de guias de ondas, cavidades de amostras e fotodetectores de compartimentalização temporal no dispositivo integrado. Por exemplo, pode haver 128 linhas, cada uma com 512 cavidades de amostra, para um total de 65.536 cavidades de amostra em algumas implementações. Outras implementações podem incluir menos ou mais cavidades de amostra e podem incluir outras configurações de layout. A energia óptica de um laser no modo bloqueado pode ser distribuída para os vários guias de ondas através de um ou mais acopladores em estrela e/ou acopladores de interferência multimodo ou através de qualquer outro meio localizado entre um acoplador óptico do dispositivo integrado e a pluralidade de guias de ondas.

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47/107 [00114] A Figura 1-4 ilustra o acoplamento da energia óptica proveniente de um pulso óptico 1-122 dentro de um guia de ondas 1-315 para uma cavidade de amostra 1-330. O guia de ondas 1-315 pode ser considerado como um guia de ondas de canal. O desenho foi produzido a partir de uma simulação de campo eletromagnético da onda óptica que considera as dimensões do guia de ondas, as dimensões da cavidade de amostra, as propriedades ópticas dos diferentes materiais e a distância do guia de ondas 1-315 para a cavidade de amostra 1330. O guia de ondas pode ser formado a partir de nitreto de silício em um meio envolvente 1-410 de dióxido de silício, por exemplo. O guia de ondas, o meio circundante e a cavidade de amostra podem ser formados por meio de processos de microfabricação descritos no Pedido de Patente dos Estados Unidos N° 14/821.688, depositado em 7 de agosto de 2015, intitulado INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES. De acordo com algumas modalidades, um campo óptico evanescente 1-420 acopla a energia óptica transportada pelo guia de ondas à cavidade de amostra

1-330.

[00115] Um exemplo não limitativo de uma reação biológica que ocorre em uma cavidade de amostra 1-330 é mostrado na Figura 1-5. Neste exemplo, a incorporação sequencial de nucleotídeos e/ou análogos de nucleotídeos em uma fita em crescimento que é complementar a um ácido nucleico alvo está ocorrendo na cavidade de amostra. A incorporação sequencial pode ser detectada para sequenciar uma série de ácidos nucleicos (por exemplo, DNA, RNA). A cavidade de amostra pode ter uma profundidade na faixa de aproximadamente 150 a aproximadamente 250 nm, ou qualquer valor ou faixa de valores dentro desta faixa, e um diâmetro na faixa de aproximadamente 80 nm a aproximadamente 160 nm. Uma camada metalização 1-540 (por exemplo, uma metalização para um potencial elétrico de referência)

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48/107 pode ser padronizada acima do fotodetector para fornecer uma abertura que bloqueia a luz dispersa proveniente de cavidades de amostras adjacentes e outras fontes de luz indesejadas. De acordo com algumas modalidades, a polimerase 1-520 pode estar localizada dentro da cavidade de amostra 1-330 (por exemplo, ligada a uma base da cavidade de amostra). A polimerase pode capturar um ácido nucleico alvo (por exemplo, uma porção de ácido nucleico derivada do DNA) e sequenciar uma fita de ácidos nucleicos em crescimento complementar para produzir uma fita de DNA em crescimento 1-512. Nucleotídeos e/ou análogos de nucleotídeos marcados com diferentes fluoroforos podem ser dispersos em uma solução acima e dentro da cavidade de amostra.

[00116] Quando um nucleotídeo e/ou análogo de nucleotídeo marcado 1-610 é incorporado em uma fita em crescimento de ácido nucleico complementar, conforme representado na Figura 1-6, um ou mais fluoroforos ligados 1-630 podem ser repetidamente excitados por pulsos da energia óptica acoplada à cavidade de amostra 1-330 a partir do guia de ondas 1-315. Em algumas modalidades, o fluoroforo ou fluoroforos 1-630 podem ser ligados a um ou mais nucleotídeos e/ou análogos de nucleotídeos 1-610 com qualquer ligante 1-620 adequado. Um evento de incorporação pode durar por um período de tempo de até cerca de 100 ms. Durante este tempo, os pulsos de emissão fluorescente resultantes da excitação do(s) fluoroforo(s) por pulsos do laser no modo bloqueado podem ser detectados com um fotodetector de compartimentalização temporal 1-322. Ao ligar fluoroforos com diferentes características de emissão (por exemplo, taxas de decaimento de fluorescência, intensidade, comprimento de onda fluorescente) aos diferentes nucleotídeos (A, C, G, T), detectar e distinguir as diferentes características de emissão enquanto a fita de DNA 1-512 incorpora um ácido nucleico permite determinar a sequência de nucleotídeos da fita

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49/107 de DNA em crescimento.

[00117] De acordo com algumas modalidades, um instrumento 1104 que é configurado para analisar amostras com base em características de emissão fluorescente pode detectar diferenças na durabilidade e/ou intensidades de fluorescência entre diferentes moléculas fluorescentes e/ou diferenças entre a durabilidade e/ou intensidades das mesmas moléculas fluorescentes em diferentes ambientes. A título de explicação, a Figura 1-7 representa duas curvas diferentes de probabilidade de emissão fluorescente (A e B), as quais podem ser representativas da emissão fluorescente de duas moléculas fluorescentes diferentes, por exemplo. Com referência à curva A (linha tracejada), após ser excitada por um pulso óptico curto ou ultracurto, é mostrada a probabilidade pA(t) de que uma emissão fluorescente proveniente de uma primeira molécula possa decair com o tempo, conforme representado. Em alguns casos, a diminuição na probabilidade de um fóton ser emitido ao longo do tempo pode ser representada por uma função de decaimento exponencial p₄(l) = onde Pao é a probabilidade de emissão inicial e taó um parâmetro temporal associado à primeira molécula fluorescente que caracteriza a probabilidade de decaimento de emissão, ta pode ser denominado de durabilidade de fluorescência, durabilidade de emissão ou durabilidade da primeira molécula fluorescente. Em alguns casos, o valor de ta pode ser alterado por um ambiente local da molécula fluorescente. Outras moléculas fluorescentes podem ter características de emissão diferentes daquelas mostradas na curva A. Por exemplo, outra molécula fluorescente pode ter um perfil de decaimento que difere de um decaimento exponencial exclusivo e sua durabilidade pode ser caracterizada por um valor de meiavida ou alguma outra métrica.

[00118] Uma segunda molécula fluorescente pode ter um perfil de decaimento que é exponencial, porém, tem uma durabilidade tb men

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50/107 surável diferente, conforme representado para a curva B na Figura 1-7. No exemplo mostrado, a durabilidade para a segunda molécula fluorescente da curva B é menor do que a durabilidade da curva A e a probabilidade de emissão é maior logo após a excitação da segunda molécula do que para a curva A. Diferentes moléculas fluorescentes podem ter valores de durabilidade ou meia-vida que variam a partir de cerca de 0,1 ns a cerca de 20 ns em algumas modalidades.

[00119] Os inventores reconheceram e apreciaram que as diferenças na durabilidade das emissões fluorescentes podem ser usadas para discernir entre a presença ou ausência de diferentes moléculas fluorescentes e/ou discernir entre diferentes ambientes ou condições às quais uma molécula fluorescente é submetida. Em alguns casos, o discernimento de moléculas fluorescentes com base na durabilidade (em vez do comprimento de onda de emissão, por exemplo) pode simplificar os aspectos de um instrumento 1-104. Por exemplo, dispositivos ópticos discriminadores de comprimento de onda (tais como filtros de comprimentos de onda, detectores dedicados para cada comprimento de onda, fontes ópticas pulsadas dedicadas em diferentes comprimentos de onda e/ou óptica difrativa) podem ser reduzidos ou eliminados quando de discernimento de moléculas fluorescentes com base na durabilidade. Em alguns casos, uma única fonte óptica pulsada que opera em um único comprimento de onda característico pode ser usada para excitar diferentes moléculas fluorescentes que emitem dentro de uma mesma região de comprimento de onda do espectro óptico, porém, têm durabilidades mensuráveis diferentes. Um sistema analítico que usa uma única fonte óptica pulsada, em vez de múltiplas fontes que operam em diferentes comprimentos de onda, para excitar e discernir diferentes moléculas fluorescentes que emitem em uma mesma região de comprimento de onda pode ser menos complexo de operar e manter, mais compacto e pode ser fabricado em um custo menor.

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51/107 [00120] Embora sistemas analíticos com base em análise da durabilidade de fluorescência possam ter determinados benefícios, a quantidade de informações obtidas por um sistema analítico e/ou a precisão de detecção podem ser aumentadas, permitindo técnicas de detecção adicionais. Por exemplo, alguns sistemas analíticos 2-160 podem adicionalmente ser configurados para discernir uma ou mais propriedades de uma amostra com base no comprimento de onda fluorescente e/ou intensidade fluorescente.

[00121] Em referência novamente à Figura 1-7, de acordo com algumas modalidades, diferentes durabilidades de fluorescência podem ser distinguidas com um fotodetector que é configurado para eventos de emissão fluorescente por compartimentalização temporal após excitação de uma molécula fluorescente. O intervalo de tempo pode ocorrer durante um único ciclo de acúmulo de carga para o fotodetector. Um ciclo de acúmulo de carga é um intervalo entre eventos de leitura durante o qual os portadores fotogerados são acumulados em compartimentos do fotodetector de compartimentalização temporal. O conceito de determinar a durabilidade de fluorescência por meio de compartimentalização temporal dos eventos de emissão é apresentado graficamente na Figura 1-8. No tempo t_e imediatamente antes de ti, uma molécula fluorescente ou conjunto de moléculas fluorescentes de um mesmo tipo (por exemplo, do tipo que corresponde à curva B da Figura 1-7) é excitado por um pulso óptico curto ou ultracurto. Para um grande conjunto de moléculas, a intensidade de emissão pode ter um perfil de tempo similar à curva B, conforme representado na Figura 1-8. [00122] Para uma molécula individual ou um pequeno número de moléculas, no entanto, a emissão de fótons fluorescentes ocorre de acordo com as estatísticas da curva B na Figura 1-7 para este exemplo. Um fotodetector de compartimentalização temporal 1-322 pode acumular portadores gerados a partir de eventos de emissão em com

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52/107 partimentos temporais distintos (três indicados na Figura 1-8) que são temporal mente decompostas em relação ao tempo de excitação da(s) molécula(s) fluorescente(s). Quando um grande número de eventos de emissão é somado, os portadores acumulados nos compartimentos temporais podem se aproximar da curva de intensidade de decaimento mostrada na Figura 1-8 e os sinais compartimentalizados podem ser usados para distinguir entre diferentes moléculas fluorescentes ou diferentes ambientes nos quais uma molécula fluorescente está localizada.

[00123] Exemplos de um fotodetector de compartimentalização temporal 1-322 são descritos no Pedido de Patente dos Estados Unidos N° 14/821.656, depositado em 7 de agosto de 2015, intitulado INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS, o qual é aqui incorporado por referência. Para fins de explicação, uma modalidade não limitativa de um fotodetector de compartimentalização temporal é representada na Figura 1-9. Um único fotodetector de compartimentalização temporal 1-900 pode compreender uma região de geração de portadores/absorção de fótons 1-902, uma região de transporte de portadores 1-906 e uma pluralidade de compartimentos de armazenamento de portadores 1-908a, 1 -908b, 1908c, todos formados sobre um substrato semicondutor. A região de transporte de portador pode estar ligada entre a pluralidade de compartimentos de armazenamento de portadores pelos canais de transporte de portador 1-907. Apenas três compartimentos de armazenamento de portador são exibidos, mas pode haver mais ou menos. Em algumas modalidades, um único fotodetector de compartimentação temporal 1-900 inclui pelo menos dois compartimentos de armazenamento de portador. Pode haver um canal de leitura 1-910 conectado aos compartimentos de armazenamento de portador. A região de geração de portadores/absorção de fótons 1-902, região de armazena

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53/107 mento de portadores 1-906 e canal de leitura de portadores 1-908a, 1908b, 1-908c podem ser formados por meio de dopagem do semicondutor localmente e/ou ao formar regiões de isolamento adjacentes para conferir capacidade de fotodetecção e confinar os portadores. Um fotodetector de compartimentalização temporal 1-900 também pode incluir uma pluralidade de eletrodos 1-920, 1-922, 1-932, 1-934, 1-936,

1-940 formados sobre o substrato que estão configurados para gerar campos elétricos no dispositivo para transportar portadores através do dispositivo.

[00124] Em operação, os fótons fluorescentes podem ser recebidos na região de geração de portadores/absorção de fótons 1-902 em diferentes momentos e gerar portadores. Por exemplo, aproximadamente no tempo ti, três fótons fluorescentes podem gerar três elétrons portadores em uma região de depleção da região de geração de portadores/absorção de fótons 1-902. Um campo elétrico no dispositivo (em virtude de dopagem e/ou uma polarização aplicada externamente aos eletrodos 1-920 e 1-922 e, opcional ou alternativamente, 1-932, 1-934,

1-936) pode mover os portadores para a região de transporte de portadores 1-906. Na região de transporte de portadores, a distância de transporte se traduz em um tempo após a excitação das moléculas fluorescentes. Em um tempo ts posterior, outro fóton fluorescente pode ser recebido na região de geração de portadores/absorção de fótons

1-902 e gerar um portador adicional. Neste momento, os primeiros três portadores foram transportados para uma posição na região de transporte de portadores 1-906 adjacente ao segundo compartimento de armazenamento 1-908b. Em um tempo t? posterior, uma polarização elétrica pode ser aplicada entre os eletrodos 1-932, 1-934, 1-936 e o eletrodo 1-940 para transportar lateralmente portadores da região de transporte de portadores 1-906 para os compartimentos de armazenamento. Os primeiros três portadores podem, então, ser transporta

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54/107 dos e retidos no primeiro compartimento 1-908a e o portador gerado posteriormente pode ser transportado para e retido no terceiro compartimento 1-908c. Em algumas implementações, os intervalos de tempo que correspondem a cada compartimento de armazenamento estão na escala de tempo de subnanossegundos, embora escalas de tempo mais longas possam ser usadas em algumas modalidades (por exemplo, em modalidades onde fluoroforos têm tempos de decaimento mais longos).

[00125] O processo de geração e compartimentalização temporal de portadores após um evento de excitação (por exemplo, pulso de excitação proveniente de uma fonte óptica pulsada) pode ocorrer uma vez após um único pulso de excitação ou ser repetido várias vezes após múltiplos pulsos de excitação durante um único ciclo de acúmulo de carga para o fotodetector 1-900. Após o acúmulo de carga estar completo, os portadores podem ser lidos a partir dos compartimentos de armazenamento através do canal de leitura 1-910. Por exemplo, uma sequência de polarização apropriada pode ser aplicada pelo menos ao eletrodo 1-940 e a um eléctrodo a jusante (não mostrado) para remover portadores dos compartimentos de armazenamento 1-908a,

1-908b, 1-908c.

[00126] Após uma série de eventos de excitação, o sinal acumulado em cada compartimento de armazenamento de elétrons pode ser lido para fornecer um histograma com compartimentos correspondentes que representam a taxa de decaimento de emissão fluorescente, por exemplo. Tal processo é ilustrado na Figura 1-10A e Figura 1-10B. Os compartimentos do histograma podem indicar um número de fótons detectados durante cada intervalo de tempo após excitação do(s) fluoroforo(s) em uma cavidade de amostra. Em algumas modalidades, os sinais para os compartimentos serão acumulados após um grande número de pulsos de excitação, conforme representado na Figura 1

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10A. Os pulsos de excitação podem ocorrer nos momentos t_ei, t_e2, t_e3, ... teN, os quais são separados pelo tempo de intervalo de pulso T. Pode haver entre 10⁵ e 10⁷ pulsos de excitação aplicados à cavidade de amostra durante um acúmulo de sinais nos compartimentos de armazenamento de elétrons. Em algumas modalidades, um compartimento (compartimento 0) pode ser configurado para detectar uma amplitude de energia de excitação fornecida com cada pulso óptico e ser usado como um sinal de referência (por exemplo, para normalizar dados). [00127] Em algumas implementações, somente um único fóton em média pode ser emitido a partir de um fluoroforo após um evento de excitação, conforme mostrado na Figura 1-10A. Após um primeiro evento de excitação no tempo t_ei, o fóton emitido no tempo tfi pode ocorrer dentro de um primeiro intervalo de tempo, de modo que o sinal de elétron resultante é acumulado no primeiro compartimento de armazenamento de elétrons (contribui para o compartimento 1). Em um evento de excitação subsequente no tempo t_e2, o fóton emitido no tempo tf2 pode ocorrer dentro de um segundo intervalo de tempo, de modo que o sinal de elétron resultante contribua para o compartimento 2.

[00128] Após um grande número de eventos de excitação e acúmulos de sinal, os compartimentos de armazenamento de elétrons do fotodetector de compartimentalização temporal 1-322 podem ser lidos para fornecer um sinal com múltiplos valores (por exemplo, um histograma de dois ou mais valores, um vetor N-dimensional, etc.) para uma cavidade de amostra. Os valores de sinal para cada compartimento podem depender da taxa de decaimento do fluoroforo. Por exemplo e em referência novamente à Figura 1-8, um fluoroforo que tem uma curva de decaimento B terá uma proporção maior de sinal no compartimento 1 para o compartimento 2 do que um fluoroforo que tem uma curva de decaimento A. Os valores dos compartimentos podem ser analisados e comparados com valores de calibração, e/ou uns

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56/107 com os outros, para determinar o fluoroforo particular o que, por sua vez, identifica o nucleotideo ou análogo de nucleotideo (ou qualquer outra molécula ou espécime de interesse) ligado ao fluoroforo quando na cavidade de amostra.

[00129] Para ajudar ainda mais na compreensão da análise de sinal, os valores acumulados de múltiplos compartimentos podem ser representados graficamente como um histograma, conforme representado na Figura 1-10B, por exemplo, ou podem ser registrados como um vetor ou localização no espaço N-dimensional. As execuções de calibração podem ser realizadas separadamente para adquirir valores de calibração para os sinais com múltiplos valores (por exemplo, histogramas de calibração) para quatro fluoroforos diferentes ligados aos quatro nucleotideos ou análogos de nucleotideos. Como um exemplo, os histogramas de calibração podem aparecer conforme representado na Figura 1-11A (marcador fluorescente associado ao nucleotideo T), Figura 1-11B (marcador fluorescente associado ao nucleotideo A), Figura 1-11C (marcador fluorescente associado ao nucleotideo C) e Figura 1-11D (marcador fluorescente associado ao nucleotideo G). Uma comparação do sinal de múlltiplos valores medidos (que corresponde ao histograma da Figura 1-10B) com os sinais de múltiplos valores de calibração pode determinar a identidade T (Figura 1-11 A) do nucleotideo ou análogo de nucleotideo incorporado na fita de DNA em crescimento DNA.

[00130] Em algumas implementações, a intensidade de fluorescência pode ser usada adicional ou alternativamente para distinguir entre diferentes fluoroforos. Por exemplo, alguns fluoroforos podem emitir intensidades significativamente diferentes ou ter uma diferença significativa em suas probabilidades de excitação (por exemplo, pelo menos uma diferença de cerca de 35 %), embora suas taxas de decaimento possam ser similares. Por meio de referência dos sinais em comparti

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57/107 mentos (compartimentos 1-3) ao compartimento 0 de energia de excitação medida, pode ser possível distinguir diferentes fluoroforos com base nos níveis de intensidade.

[00131] Em algumas modalidades, diferentes números de fluoroforos do mesmo tipo podem ser ligados a diferentes nucleotídeos ou análogos de nucleotídeos, de modo que os nucleotídeos possam ser identificados com base na intensidade do fluoroforo. Por exemplo, dois fluoroforos podem ser ligados a um primeiro nucleotídeo (por exemplo, C) ou análogo de nucleotídeo e quatro ou mais fluoroforos podem ser ligados a um segundo nucleotídeo (por exemplo, T) ou análogo de nucleotídeo. Em virtude dos diferentes números de fluoroforos, pode haver diferentes probabilidades de excitação e emissão de fluoroforos associadas aos diferentes nucleotídeos. Por exemplo, pode haver mais eventos de emissão para o nucleotídeo ou análogo de nucleotídeo T durante um intervalo de acúmulo de sinal, de modo que a intensidade aparente dos compartimentos seja significativamente maior do que para o nucleotídeo ou análogo de nucleotídeo C.

[00132] Os inventores reconheceram e apreciaram que a diferenciação de nucleotídeos ou quaisquer outras amostras biológicas ou químicas com base nas taxas de decaimento do fluoroforo e/ou intensidades de fluoroforo permite uma simplificação dos sistemas de excitação e detecção óptica em um instrumento 1-104. Por exemplo, a excitação óptica pode ser realizada com uma fonte de comprimento de onda único (por exemplo, uma fonte que produz um comprimento de onda característico em vez de múltiplas fontes ou uma fonte que opera em múltiplos comprimentos de onda característicos diferentes. Além disso, lentes e filtros discriminadores de comprimento de onda podem não ser necessários no sistema de detecção. Além disso, um único fotodetector pode ser usado para cada cavidade de amostra para detectar a emissão de diferentes fluoroforos.

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58/107 [00133] A frase comprimento de onda característico ou comprimento de onda é usada para se referir a um comprimento de onda central ou predominante dentro de uma largura de banda limitada de radiação (por exemplo, um comprimento de onda central ou de pico dentro de uma saída de largura de banda de 20 nm por uma fonte óptica pulsada). Em alguns casos, comprimento de onda característico ou comprimento de onda pode ser usado para se referir a um pico de comprimento de onda dentro de uma largura de banda total de saída de radiação por uma fonte.

[00134] Os inventores reconheceram e apreciaram que os fluoroforos com comprimentos de onda de emissão em um faixa entre cerca de 560 nm e cerca de 900 nm podem fornecer quantidades adequadas de fluorescência a serem detectadas por um fotodetector de compartimentalização temporal (o qual pode ser fabricado em uma pastilha de silício usando processos CMOS). Estes fluoroforos podem ser ligados a moléculas biológicas de interesse, tais como nucleotídeos ou análogos de nucleotídeos. A emissão fluorescente nesta faixa de comprimento de onda pode ser detectada com maior responsividade em um fotodetector com base em silício do que a fluorescência em comprimentos de onda maiores. Adicionalmente, fluoroforos e ligantes associados nesta faixa de comprimentos de onda podem não interferir com a incorporação dos nucleotídeos ou análogos de nucleotídeos nas fitas de DNA em crescimento. Os inventores também reconheceram e apreciaram que os fluoroforos com comprimentos de onda de emissão em uma faixa entre cerca de 560 nm e cerca de 660 nm podem ser excitados opticamente com uma fonte de um único comprimento de onda. Um exemplo de fluoroforo nesta faixa é o Alexa Fluor 647, disponível da Thermo Fisher Scientific Inc. de Waltham, Massachusetts. Os inventores também reconheceram e apreciaram que a energia de excitação em comprimentos de onda mais curtos (por exemplo, entre

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59/107 cerca de 500 nm e cerca de 650 nm) pode ser necessária para excitar fluoroforos que emitem em comprimentos de onda entre cerca de 560 nm e cerca de 900 nm. Em algumas modalidades, os fotodetectores de compartimentalização temporal podem detectar eficientemente a emissão de comprimento de onda mais longo proveniente das amostras, por exemplo, ao incorporar outros materiais, tal como Ge, na região ativa dos fotodetectores.

[00135] Embora a perspectiva de sequenciamento de DNA usando uma fonte de excitação que emite um único comprimento de onda característico possa simplificar um pouco do sistema óptico, ele pode impor demandas tecnicamente desafiadoras em relação à fonte de excitação, conforme observado acima. Por exemplo, os inventores reconheceram e apreciaram que pulsos ópticos provenientes da fonte de excitação deveríam se extinguir-rapidamente para os esquemas de detecção descritos acima, de modo que a energia de excitação não sobrecarregue ou interfira com o sinal fluorescente subsequentemente detectado. Em algumas modalidades e em referência novamente à Figura 1-5, podem não existir filtros de comprimento de onda entre o guia de ondas 1-315 e o fotodetector de compartimentalização temporal 1-322. Para evitar a interferência da energia de excitação com a coleta de sinal subsequente, pode ser necessário reduzir a intensidade do pulso de excitação em pelo menos 50 dB em cerca de 100 ps do pico do pulso de excitação. Em algumas implementações, pode ser necessário reduzir a intensidade do pulso de excitação em pelo menos 80 dB em cerca de 100 ps do pico do pulso de excitação. Os inventores reconheceram e apreciaram que os lasers no modo bloqueado podem fornecer tais características de desativação rápidas. No entanto, os lasers no modo bloqueado podem ser difíceis de operar em um estado de modo bloqueado estável por longos períodos de tempo. Além disso, uma vez que pode ser necessário que a taxa de repetição do

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60/107 pulso seja menor do que 100 MHz para fins de aquisição de dados, o comprimento de uma cavidade do laser no modo bloqueado pode se tornar muito longo. Estes comprimentos longos são contrários a uma fonte óptica compacta que pode ser incorporada a um instrumento portátil de mesa. Além disso, um laser no modo bloqueado deve fornecer energia adequada por pulso (ou potências médias altas) para excitação de fluoroforos em comprimentos de onda abaixo de 660 nm, de modo que a fluorescência seja detectável com fotodiodos integrados para milhares ou até milhões de amostras em paralelo. Os inventores ainda reconheceram e apreciaram que a qualidade de feixe do laser no modo bloqueado deve ser elevada (por exemplo, um valor M² de menos do que 1,5), de modo que um acoplamento eficiente possa ser alcançado com um acoplador óptico e guias de ondas de um dispositivo integrado 1-102, por exemplo. Atualmente, não há um sistema comercial de laser no modo bloqueado disponível que forneça pulsos com taxas de repetição entre 50 MHz e 200 MHz, em comprimentos de onda entre 500 nm e 650 nm, em potências médias entre 250 mW e 1 W, em um módulo compacto (por exemplo, ocupando um volume de menos de 0,1 pés³) que possa ser incorporado em um instrumento portátil de mesa e permanecer estável por longos períodos de tempo. Ill· Dispositivo Integrado [00136] O desempenho de um dispositivo integrado na análise de amostras pode depender de vários fatores relacionados à óptica do dispositivo integrado, incluindo a eficiência de acoplamento de um acoplador óptico (por exemplo, acoplador direcional) do dispositivo integrado, perda óptica ao dividir energia de excitação em guias de ondas individuais e eficiência de acoplamento de guias de ondas individuais às cavidades de amostra. Estes fatores podem se tornar exagerados à medida que mais cavidades de amostra e componentes ópticos são incluídos no dispositivo integrado para fornecer energia de ex

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61/107 citação às cavidades de amostra. Aspectos do presente pedido se referem a acopladores ópticos, divisores ópticos, guias de ondas e técnicas para posicionar estes componentes ópticos em um dispositivo integrado para reduzir a perda óptica e/ou melhorar a eficiência do acoplamento. Além disso, as técnicas descritas aqui podem melhorar a uniformidade na distribuição de energia de excitação às cavidades de amostra de um dispositivo integrado.

[00137] O desempenho de um dispositivo integrado na análise de amostras também pode depender da quantidade de energia de excitação (por exemplo, energia óptica) fornecida às cavidades de amostras individuais. Uma vez que a energia de excitação se propaga de uma fonte de excitação para uma cavidade de amostra, pode ocorrer perda óptica que pode reduzir a quantidade de energia de excitação que se liga à cavidade de amostra e pode afetar o desempenho do pixel associado à cavidade de amostra na detecção de uma amostra. Para uma série de cavidades de amostra, esta perda óptica pode limitar o número de pixels capazes de detecção de amostras. Esta perda óptica também pode reduzir a uniformidade no fornecimento de energia de excitação às cavidades de amostras individuais na matriz, o que também pode afetar o desempenho do dispositivo integrado. Um guia de ondas do dispositivo integrado pode acoplar a energia de excitação a várias cavidades de amostra (por, 512 cavidades de amostra) posicionados na proximidade do guia de ondas. À medida que a energia de excitação que se propaga ao longo do guia de ondas, a quantidade de perda óptica total pode aumentar, reduzindo a quantidade de energia de excitação que se acopla às cavidades de amostra posicionadas ao longo do guia de ondas. Deste modo, a perda óptica ao longo do guia de ondas pode influenciar a uniformidade na quantidade de energia de excitação acoplada às cavidades de amostras individuais posicionadas ao longo do guia de ondas. Aspectos da presente aplicação se referem

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62/107 a dispositivos integrados e métodos de formação de dispositivos integrados que melhoram a uniformidade da energia de excitação dentro da série de cavidades de amostra, reduzindo a perda óptica à medida que a energia de excitação se propaga ao longo de um guia de ondas. [00138] Em alguns casos, podem surgir problemas quando se tenta acoplar de forma eficiente a energia proveniente de uma fonte óptica a uma grande variedade de guias de ondas ópticos integrados. Para fornecer energia suficiente para cada guia de ondas e cavidade de amostra para um grande número de cavidades de amostra, a potência média no feixe de entrada aumenta proporcionalmente com o aumento no número de cavidades de amostra. Para alguns guias de ondas ópticos integrados (por exemplo, um guia de ondas com núcleo/revestimento de dióxido-nitreto de silício), a potência elevada pode causar alterações temporais na perda de transmissão do guia de ondas e, portanto, causar instabilidades de potência apreciáveis nas cavidades da amostra ao longo do tempo. A perda de transmissão dependente do tempo em guias de ondas ópticos integrados em altas potências foi medida pelos inventores e resultados exemplificativos são apresentados na Figura 2-0.

[00139] A perda de inserção foi medida em função do tempo para três comprimentos idênticos de guias de ondas monomodo com um núcleo de nitreto de silício. Os níveis médios iniciais de potência acoplados nos três guias de ondas foram de 0,5 mW, 1 mW e 2 mW. O gráfico da Figura 2-0 mostra a variação na perda de inserção medida para cada comprimento de guia de ondas em função do tempo para os três níveis de potência. O gráfico mostra que, em altos níveis de potência, a perda pode variar em 3 dB em menos de dez minutos. Para algumas aplicações, como sequenciamento de ácidos nucleicos de moléculas individuais, onde as reações podem ser executadas por dezenas de minutos ou horas, tais instabilidades de energia podem não

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63/107 ser aceitáveis.

[00140] Em casos onde as intensidades de emissão das cavidades da amostra são baixas ou onde a caracterização de uma amostra depende dos valores de intensidade das cavidades da amostra, é benéfico que a energia fornecida às cavidades da amostra permaneça estável ao longo do tempo. Por exemplo, se a potência fornecida às cavidades de amostra diminuir em 3 dB (consulte a Figura 2-0) em virtude da perda de transmissão dependente do tempo nos guias de ondas, o número de eventos de emissão fluorescente pode cair para um nível abaixo do nível de ruído do instrumento. Em alguns casos, a incapacidade de distinguir sinais de fótons do ruído pode afetar adversamente a estatística de fótons usada para diferenciar as durabilidades dos fluoroforos. Como um resultado, informações analíticas importantes podem ser perdidas, erros na análise podem ocorrer (por exemplo, erros na detecção de sequências de ácidos nucleicos) ou a execução de um sequenciamento pode falhar.

[00141] Uma abordagem para reduzir os efeitos da perda de transmissão do guia de ondas dependente do tempo é reduzir o comprimento dos guias de ondas integrados usados em um dispositivo integrado. Em alguns casos, comprimentos apreciáveis de guias de ondas podem ser necessários para direcionar a energia de excitação para as cavidades da amostra. Alternativa ou adicionalmente, a intensidade da radiação acoplada aos guias de ondas pode ser reduzida e/ou a perda óptica ao longo de um guia de ondas que surge a partir de uma camada metálica pode ser aumentada. Os inventores reconheceram e apreciaram que a perda de transmissão do guia de ondas dependente do tempo pode ser mais problemática onde um feixe proveniente de uma fonte de excitação é acoplado primeiro a um guia de ondas individual de um circuito óptico integrado e, em seguida, redistribuído entre muitos guias de ondas (por exemplo, usando uma árvore binária de diviso

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64/107 res de interferência multimode com uma entrada e duas saídas). Na região de acoplamento, em tais casos, a intensidade pode ser muito alta e causar variações rápidas na perda de transmissão do guia de ondas.

[00142] Algumas modalidades do presente pedido se referem a estruturas de guia de ondas e métodos de formação de estruturas de guia de ondas que fornecem um modo óptico que tem um campo evanescente desejado que se estende a partir do guia de ondas. Um campo evanescente que se estende perpendicularmente à direção de propagação ao longo do guia de ondas pode ter uma distribuição de energia óptica que diminui a partir do guia de ondas. O campo evanescente pode ter um decaimento característico no qual a energia óptica diminui a partir do guia de ondas. Um guia de ondas configurado para suportar a propagação de um modo óptico pode ser considerado um modo óptico confinado quando o campo evanescente decai rapidamente a partir do guia de ondas.

[00143] Uma ou mais dimensões de um guia de ondas podem afetar uma característica do campo evanescente, incluindo a taxa de decaimento, distância do campo evanescente a partir de uma interface entre um material de guia de ondas e um material circundante (por exemplo, revestimento) e perfil de energia óptica do campo evanescente em uma direção perpendicular à direção de propagação do guia de ondas. Uma dimensão de um guia de ondas perpendicular à direção de propagação ao longo do guia de ondas pode ter um impacto sobre uma ou mais características do campo evanescente. Em algumas modalidades, uma espessura de um guia de ondas pode ter um impacto sobre uma ou mais características de um campo evanescente. A espessura do guia de ondas pode afetar o decaimento do campo evanescente da energia de excitação que se propaga ao longo do guia de ondas. Em algumas modalidades, o aumento da espessura do guia

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65/107 de ondas pode aumentar o decaimento do campo evanescente.

[00144] Algumas modalidades se referem a estruturas de guia de ondas que têm uma espessura variável para fornecer um campo evanescente desejado para acoplamento a uma ou mais cavidades de amostra de um dispositivo integrado. Em algumas modalidades, a espessura do guia de ondas pode ser maior em uma região que se sobrepõe a uma ou mais cavidades de amostra do que em uma região que não se sobrepõe a uma ou mais cavidades de amostra. Em tais modalidades, o guia de ondas pode fornecer um modo óptico que tem um campo evanescente que fornece uma quantidade desejada de acoplamento de energia de excitação em uma cavidade de amostra, ao mesmo tempo em que reduz a perda óptica pela presença de uma camada metálica.

[00145] Outra técnica para reduzir a perda óptica e melhorar o desempenho óptico de um dispositivo integrado pode incluir variar a distribuição de energia de excitação ao longo do comprimento de um guia de ondas do dispositivo integrado. A distribuição de energia pode aumentar e/ou ampliar em locais ao longo do guia de ondas que se sobrepõem a uma cavidade de amostra e diminuir e/ou estreitar em locais ao longo do guia de ondas que não se sobrepõem a uma cavidade de amostra. Em algumas modalidades, um guia de ondas de um dispositivo integrado pode propagar uma pluralidade de modos ópticos. Tal guia de ondas pode ser considerado um guia de ondas multi modo. A pluralidade de modos ópticos pode interferir na variação da distribuição de energia de excitação em uma direção perpendicular à direção de propagação da luz ao longo do guia de ondas. A distribuição de energia do guia de ondas multimodo pode variar, de modo que a distribuição de energia se amplie em uma ou mais posições ao longo do guia de ondas que se sobrepõem a uma cavidade de amostra.

A. Acoplador Direcional

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66/107 [00146] Para reduzir a perda de guia de onda dependente do tempo na região de acoplamento 1-201, um acoplador direcional seccionado

2-100, do qual uma ilustração simplificada é mostrada na Figura 2-1 A, pode ser implementado. O acoplador direcional seccionado pode ser um acoplador direcional 1-216 (por exemplo, Figura 1-2A) e compreende uma grade 2-110 de comprimento L formada adjacente a uma pluralidade de guias de ondas 2-120, os quais podem ser considerados como guias de ondas de saída. Os guias de ondas podem ter extremidades cônicas 2-122 que recebem luz difratada pela grade 2-110. As extremidades cônicas podem ter diferentes larguras (por exemplo, larguras mais largas em direção às extremidades opostas da grade, conforme representado). A largura total abrangida pelas extremidades cônicas pode ser menor do que ou aproximadamente igual ao comprimento L da grade.

[00147] Em algumas modalidades, um feixe da fonte de excitação

1- 106 pode ser expandido (ou produzido pela fonte de excitação) de modo a se estender na direção Y para coincidir essencialmente com o comprimento L da grade. Por exemplo, o feixe estendido 2-112 pode ter um formato conforme representado pela elipse tracejada na Figura

2- 1 A, onde a elipse tracejada corresponde a uma parte do feixe com intensidade óptica acima de um limiar desejado (por exemplo, 80%, 90%). Um feixe incidente pode ter regiões de cauda de baixa intensidade óptica que se estendem além da elipse tracejada mostrada na Figura 2-1 A. O acoplador direcional seccionado 2-100 pode ser configurado para capturar uma fração de um feixe incidente na faixa de 75 % a 99 %, ou qualquer porcentagem ou faixa de porcentagens nesta faixa. Quando tal feixe incide na grade (por exemplo, se deslocando principalmente na direção +Z), a grade difratará o feixe na direção X em direção às extremidades cônicas 2-122 dos guias de ondas 2-120. Em algumas modalidades, o feixe pode ser incidente à grade em um

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67/107 ângulo de alguns graus (por exemplo, 1-6 graus) do normal (direção +Z) à grade 2-110. Posicionar o feixe incidente em um ângulo em direção aos guias de ondas de saída 2-120 pode melhorar a eficiência do acoplamento de energia de excitação no acoplador direcional, reduzindo a quantidade de difração no acoplador direcional do que se o feixe fosse normal ao acoplador direcional. O feixe pode ter um perfil de intensidade transversal na direção Y que é mais intenso em seu centro e reduz a intensidade ao se mover em direção às bordas do feixe (reduzindo nas direções ± Y). Para tal feixe, as extremidades cônicas 2-122 dos guias de ondas podem ser mais largas nas extremidades opostas da grade 2-110 e mais estreitas no centro da grade, de modo que quantidades similares de energia sejam acopladas a cada guia de ondas dentre a pluralidade de guias de ondas 2-120. Embora 10 guias de ondas sejam mostradas no desenho, um acoplador direcional seccionado pode ter muito mais guias de ondas. Em algumas modalidades, um acoplador direcional seccionado pode ter um número de guias de ondas de saída na faixa entre 20 e 200, ou qualquer valor ou qualquer faixa de valores nesta faixa. Ao distribuir o acoplamento de energia através de muitos guias de ondas, os efeitos adversos associados à perda de transmissão dependente do tempo desde o acoplamento inicial de toda a energia em um único guia de ondas podem ser reduzidos ou eliminados. Um feixe expandido também reduz a intensidade no acoplador direcional e reduz o risco de danificar a grade

2-110, a camada reflexiva 1-226, outras estruturas no dispositivo integrado e outras estruturas no sistema óptico.

[00148] Em alguns casos, é desejável fornecer uniformidade de acoplamento de energia ajustável à pluralidade de guias de ondas 2120 com o acoplador direcional seccionado 2-100 e a configuração de feixes representada na Figura 2-1 A. Embora o perfil de intensidade transversal do feixe possa ser gaussiano ou bem caracterizado, de

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68/107 modo que as diferentes larguras das extremidades cônicas 2-122 possam ser calculadas antecipadamente para, teoricamente, capturar quantidades iguais de energia, a uniformidade de acoplamento pode ser altamente sensível a variações no perfil de intensidade transversal do feixe e no deslocamento do feixe na direção Y.

[00149] A Figura 2-1B ilustra uma abordagem para acoplar um feixe largo a uma pluralidade de guias de ondas que fornece ajustes para melhorar a uniformidade dos níveis de energia acoplada aos guias de ondas, reduz a sensibilidade do acoplamento ao perfil de intensidade transversal do feixe e ao deslocamento do feixe. De acordo com algumas modalidades, um feixe de formato redondo proveniente de uma fonte de excitação (por exemplo, um laser) pode ser reconfigurado em um feixe elíptico 2-122 que excede o comprimento L da grade 2-110 e a série de extremidades cônicas 2-122 e é rotacionado de modo que o eixo principal da elipse fique em um ângulo α em relação aos dentes ou linhas da grade 2-110. O ângulo α pode estar entre 1 grau e 10 graus em algumas modalidades. Partes do feixe 2-122 podem se estender além das bordas da grade 2-110 nas direções ± X. Enquanto que a configuração de acoplamento mostrada na Figura 2-1A pode permitir que a energia proveniente de mais de 95 % da área do feixe se acople nas extremidades cônicas 2-122, a configuração de acoplamento mostrada na Figura 2-1B pode permitir que a energia entre 80 % e 95 % proveniente da área do feixe se acople nas extremidades cônicas. Os inventores reconheceram e apreciaram que uma redução na eficiência total do acoplamento é mais do que compensada por melhorias na estabilidade de acoplamento e uniformidade da energia acoplada aos guias de ondas. A Figura 2-1C mostra a percentagem descartada através de um dispositivo integrado usando um acoplador direcional seccionado para diferentes larguras de feixe para demonstrar a capacidade do acoplador direcional de tolerar diferentes tama

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69/107 nhos de feixe, ao mesmo tempo em que mantém um desempenho desejado do dispositivo integrado. Em algumas modalidades, um acoplador direcional seccionado pode permitir uma tolerância de tamanho de feixe de aproximadamente +/- 10 %, uma eficiência do acoplador direcional de aproximadamente 45 % e uma variação de uniformidade de iluminação entre a série de cavidades de amostra de aproximadamente +/- 25 %.

[00150] Durante a operação, o ângulo α e o deslocamento do feixe nas direções X e Y podem ser ajustados para obter e manter um acoplamento uniforme da energia através da pluralidade de guias de ondas 2-120. Se um feixe 2-122 tiver um perfil de intensidade assimétrico na direção Y, então, a posição do feixe pode ser ajustada na direção X para compensar a assimetria. Por exemplo, se a intensidade do feixe na direção +Y for maior do que a intensidade do feixe na direção -Y, então, o feixe pode ser movido na direção -X (para o ângulo mostrado), de modo que uma parte do feixe na direção +Y se mova para fora da grade 2-110 e reduza a quantidade de energia acoplada às extremidades cônicas 2-122 na direção +Y. Uma parte do feixe na direção Y pode se mover para a grade 2-110 e aumentar a quantidade de energia acoplada às extremidades cônicas 2-122 na direção Y. Se um feixe 2-122 tiver um perfil de intensidade simétrico na direção Y, então, ajustes nas direções ± Y e/ou ± α podem ser feitos para melhorar a uniformidade da energia acoplada aos guias de ondas. Um exemplo de um módulo de direcionamento de feixes usado para alinhar um feixe elíptico a um acoplador direcional seccionado é descrito no Pedido de Patente dos Estados Unidos N° 62/435.679, intitulado COMPACT BEAM SHAPING AND STEERING ASSEMBLY, o qual é aqui incorporado por referência na íntegra.

[00151] Uma ou mais dimensões das extremidades cônicas de um acoplador direcional seccionado podem variar para compensar a vari

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70/107 ação na intensidade óptica acoplada ao acoplador direcional seccionado. Em algumas modalidades, a largura (ao longo do eixo y mostrado na Figura 2-1 A) das extremidades cônicas pode variar a partir de um lado do acoplador direcional seccionado. Em algumas modalidades, a altura (ao longo do eixo z mostrado na Figura 2-1 A) das extremidades cônicas pode variar a partir de um lado do acoplador direcional. A dimensão de uma extremidade cônica pode depender da posição da extremidade cônica em relação ao acoplador direcional. Um perfil de distribuição de intensidade dentro do acoplador direcional pode fornecer uma indicação do posicionamento e/ou tamanho das regiões cônicas que permitiríam que cada uma das extremidades cônicas recebesse uma quantidade substancialmente similar de energia óptica dado um perfil de intensidade para um acoplador direcional em particular. A Figura 2-1D é um gráfico de intensidade relativa como uma função da localização do ponto central (zero ao longo do eixo x). O perfil de intensidade mostrado na Figura 2-1 D é para um acoplador direcional seccionado com grades de 240 microns de comprimento (dimensão L mostrada na Figura 2-1 A). Uma vez que a intensidade atinge o ponto central das grades do acoplador direcional e diminui ao longo do comprimento das grades, a largura das extremidades cônicas pode aumentar do ponto central para as bordas externas das grades para melhorar a uniformidade na quantidade de energia óptica acoplada às extremidades cônicas. Em algumas modalidades, cada uma das extremidades cônicas pode ser adequadamente posicionada e dimensionada de modo que as extremidades cônicas capturem, cada uma, uma quantidade substancialmente igual de energia. A Figura 2-1D indica posições possíveis e larguras das extremidades cônicas 2-122a, 2122b, 2-122c para representar este conceito em relação ao perfil de intensidade. Larguras adicionais das extremidades cônicas são representadas pelos pontos quadrados na Figura 2-1 D. A extremidade côni

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71/107 ca 2-122a está posicionada na extremidade cônica mais externa e também possui a maior largura, uma vez que está capturando em uma localização do acoplador direcional que tem uma baixa intensidade. As extremidades cônicas 2-122b e 2-122c estão posicionadas mais próximo do ponto central e têm larguras progressivamente menores.

[00152] Em algumas modalidades, uma ou mais dimensões das extremidades cônicas de um acoplador direcional seccionado podem variar de acordo com os componentes ópticos (por exemplo, divisores ópticos) dentro de um sistema óptico de um dispositivo integrado. Para distribuir a energia de excitação entre muitos guias de ondas dentro do dispositivo integrado, os guias de ondas de saída de um acoplador direcional seccionado podem se acoplar a um divisor óptico para aumentar o número de guias de ondas que propaga a energia de excitação. Alguns dos guias de ondas de saída podem acoplar a energia de excitação ao longo de um percurso óptico que tem apenas um divisor óptico, enquanto que guias de ondas de saída podem acoplar a energia de excitação ao longo de um percurso óptico que tem dois ou mais divisores ópticos. A dimensão das extremidades cônicas pode variar dependendo do número de divisores ópticos em um percurso óptico ao qual cada guia de ondas de saída se acopla, além de levar em conta a distribuição de intensidade dentro da grade. Em algumas modalidades, um acoplador direcional seccionado pode ter uma extremidade cônica com uma dimensão maior do que a extremidade cônica próximo de uma borda da grade e uma extremidade cônica próximo do centro de um lado da grade.

[00153] A Figura 2-2A mostra um esquema de um acoplador direcional 2-200 com uma grade 2-210. As extremidades cônicas 2-222a, 2222b, 2-222c se acoplam à grade 2-210 no lado 2-230 e se acoplam aos guias de ondas de saída 2-220. Neste exemplo, a extremidade cônica 2-222b tem uma largura maior (dimensão ao longo do eixo y)

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72/107 do que a extremidade cônica 2-222a, a qual está posicionada próximo de uma borda do lado 2-230 e a extremidade cônica 2-222c, a qual está posicionada próximo do centro do lado 2-230. Esta variação de extremidades cônicas pode compensar o número de divisores ópticos que emitem guias de ondas 2-220 para além do perfil de intensidade da energia de excitação na grade 2-210. Conforme discutido acima, a intensidade pode ser maior no centro da grade e diminuir em direção às bordas da grade. O guia de ondas de saída para a extremidade cônica 2-222a pode ser responsável pela menor intensidade próximo das bordas, reduzindo o número de divisores ópticos usados a jusante da grade. Em algumas modalidades, o percurso da energia de excitação proveniente da extremidade cônica 2-222a pode incluir apenas um divisor óptico, enquanto que os percursos para as extremidades cônicas

2-222b e 2-222c podem incluir dois ou mais divisores ópticos.

B· Divisor(es) Óptico(s) [00154] Um ou mais divisores ópticos (por exemplo, divisor de interferência multimodo) podem ser posicionados entre o acoplador direcional 1-216 e o guia de ondas 1-220 e podem ser incluídos como parte da região de roteamento 1-202 em algumas modalidades. Um divisor óptico pode se acoplar a um guia de ondas de saída do acoplador direcional como uma entrada para o divisor óptico e ter dois ou mais guias de ondas como saídas do divisor óptico. Em algumas modalidades, múltiplos divisores ópticos podem ser usados para dividir a energia óptica recebida pelo acoplador direcional 1-216 em guias de ondas

1-220 que propagam a energia de excitação para as cavidades de amostra 1-108 na região de pixel 1-203 do dispositivo integrado. Em algumas modalidades, o número de divisores ópticos entre o acoplador direcional e um guia de ondas que acopla a energia de excitação a uma cavidade de amostra pode variar dependendo de como as guias de ondas de saída do acoplador direcional são posicionados e/ou di

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73/107 mensionados.

[00155] As Figuras 2A-2B mostram uma configuração de roteamento óptico exemplificative que implementa divisores ópticos e o acoplador direcional seccionado mostrado na Figura 2-2A. Além da grade 2110, extremidades cônicas no lado 2-230 da grade e guias de ondas de saída 2-220, os divisores de interferência multimodo (MMI) 2-240a,

2-240b e 2-242 podem ser usados para dividir ainda mais energia óptica que se propaga nos guias de ondas de saída para os guias de ondas 1-220, os quais propagam a energia de excitação para as cavidades de amostra em uma região de pixel do dispositivo integrado. Os divisores MMI 2-240a e 2-240b fazem parte de um primeiro grupo de divisores MMI que recebem, cada um, um guia de ondas de saída 2220 como uma entrada e têm duas saídas. Os divisores MMI no primeiro grupo podem estar a menos de 1 mm do acoplador direcional 2110. O divisor MMI 2-242 faz parte de um segundo grupo de divisores MMI que recebem, cada um, uma saída de um divisor MMI, tal como o divisor MMI 2-240b, e têm duas saídas que formam guias de ondas 1220. Embora os divisores MMI mostrados na Figura 2-2A tenham duas saídas, será apreciado que mais saídas podem ser usadas, uma vez que as técnicas descritas aqui não estão limitadas ao número de saídas em um divisor óptico.

[00156] Conforme mostrado na Figura 2-2B, nem todas as saídas dos divisores MMI 2-240 no primeiro grupo formam uma entrada para os divisores MMI 2-242 no segundo grupo. Conforme mostrado na Figura 2-2A, as saídas do divisor MMI 2-240b se acoplam a dois divisores MMI 2-242, enquanto que o divisor MMI 2-240a não se acopla a nenhum divisor MMI 2-242. Em referência novamente à Figura 2-2A, as extremidades cônicas externas, tal como a extremidade cônica 2222a, têm uma largura menor do que outra extremidade cônica, tal como a extremidade cônica 2-222b, e propagariam menos energia óp

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74/107 tica em virtude do perfil de intensidade na grade 2-110. Ao ter uma uniformidade de energia óptica aprimorada entre guias de ondas 1-220, as extremidades cônicas externas podem fornecer energia óptica para percursos com menos divisores MMI. Desta maneira, uma ou mais dimensões das extremidades cônicas e o número de divisores MMI usados para formar os guias de ondas 1-220 a partir das saídas da grade

2-110 podem equilibrar o perfil de intensidade na grade 2-110.

C· Layout de Matriz [00157] Algumas modalidades do presente pedido se referem a técnicas para roteamento de guias de ondas e componentes ópticos em um dispositivo integrado para melhorar o desempenho do dispositivo e/ou reduzir a perda de guias de onda dependente do tempo, conforme descrito anteriormente, ao reduzir os comprimentos do guia de ondas. Outra consideração sobre o roteamento de guias de ondas e componentes ópticos pode incluir a redução da área de cobertura do dispositivo integrado dedicada ao roteamento óptico para permitir mais área de superfície disponível para amostras adicionais.

[00158] Em algumas modalidades, os guias de ondas podem ser roteados em uma distribuição radial a partir do acoplador direcional. Conforme mostrado na Figura 2-2B, os guias de ondas de saída 2220, divisores MMI 2-240 e 2-242, guias de ondas 1-220, estão localizados radialmente a partir do acoplador direcional 2-110. Para direcionar a energia de excitação para cavidades de amostra na região de pixel 1-203 do dispositivo integrado, guias de ondas 1-220 podem estar localizados em linhas, de modo que um guia de ondas individual 1220 esteja posicionado para ser acoplado a uma linha de cavidades de amostra do dispositivo integrado, tal como a linha de cavidades de amostra 1-108 mostrada na Figura 1-2A. Em relação à vista plana da Figura 2-2B, guias de ondas 1-220 podem se estender linearmente ao longo do eixo x dentro de uma região de pixels de um dispositivo inte

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75/107 grado.

[00159] Em algumas modalidades, os guias de ondas em uma região de pixel de um dispositivo integrado podem ser posicionados substancialmente paralelos às grades de um acoplador direcional. Uma região de propagação óptica pode ser opticamente acoplada ao acoplador direcional aos guias de ondas. Este layout de guia de ondas pode permitir guias de ondas mais curtos, o que pode reduzir a perda óptica, incluindo perda de guia de ondas dependente do tempo. A Figura 3-1 mostra um esquema de uma configuração de roteamento óptico exemplificativa que tem uma grade 3-110 de um acoplador direcional, região de propagação 3-120 e guias de ondas 3-130a e 3-130b. A região de propagação 3-120 pode ser posicionada entre dois conjuntos de guias de ondas de saída 3-130a e 3-130b. Uma vez que a região de propagação 3-120 está configurada para fornecer energia de excitação a múltiplos guias de ondas 3-130, ela pode ser considerada como um divisor óptico. Os guias de ondas 3-130a e 3-130b podem ser posicionados para acoplar a energia de excitação a cavidades de amostra em região(ões) de pixel de um dispositivo integrado. Conforme mostrado na Figura 3-1, os guias de ondas 3-130a e 3-130b se estendem a partir da região de propagação 3-120 ao longo de uma direção (eixo y) substancialmente paralela às grades 3-110 do acoplador direcional. Ao ter a região de propagação 3-120 posicionada ao longo de uma parte central do layout de guia de ondas, os guias de ondas ΟΙ 30 podem ter um comprimento menor do que em um layout de guia de ondas onde os guias de ondas são posicionados de modo substancialmente perpendicular às grades de um acoplador direcional (conforme mostrado na Figura 2-2B).

[00160] Em algumas modalidades, um ou mais divisores ópticos (por exemplo, divisores MMI) podem ser posicionados em uma região de pixel de um dispositivo integrado e configurados para acoplar dois

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76/107 ou mais guias de ondas configurados para se acoplarem opticamente a uma linha ou coluna de cavidades de amostra. O um ou mais divisores ópticos podem ser posicionados entre dois conjuntos de cavidades de amostra. Um ou mais guias de ondas de entrada para um divisor óptico podem ser posicionados entre os dois conjuntos de cavidades de amostra. Um guia de ondas de entrada pode ser um guia de ondas que se acopla a uma região de propagação, tal como os guias de ondas 3-130a e 3-130b que derivam da região de propagação 3-120 mostrada na Figura 3-1. A Figura 3-2 mostra um esquema de um layout óe guia de ondas exemplificative que inclui os guias de ondas de entrada 3-210a e 3-210b configurados para atuar como entradas para os divisores ópticos 3-214a e 3-214b, respectivamente. Conforme mostrado na Figura 3-2, os guias de ondas de entrada 3-210a e 3210b estão posicionados entre um primeiro conjunto de cavidades de amostra que incluem a cavidade de amostra 3-212a e um segundo conjunto de cavidades de amostra que incluem a cavidade de amostra

3-212b. Além disso, os divisores ópticos 3-214a e 3-214b estão posicionados entre o primeiro conjunto de cavidades de amostra e o segundo conjunto de cavidades de amostra. Os guias de ondas de saída 3216a e 3-216b do divisor óptico 3-214a estão posicionados para cada par com uma linha de cavidades de amostra no primeiro conjunto de cavidades de amostra. Os guias de ondas de saída 3-218a e 3-218b do divisor óptico 3-214b estão posicionados para cada par com uma linha de cavidades de amostra no segundo conjunto de cavidades de amostra.

D· Cavidades de Amostra [00161] Um dispositivo integrado do tipo descrito aqui pode compreender uma ou mais cavidades de amostra configuradas para receber amostras nas mesmas. O dispositivo integrado pode compreender pixels localizados em linhas de cavidades de amostra (por exemplo,

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512 cavidades de amostra). Cada cavidade de amostra pode receber uma amostra, a qual pode ser colocada sobre uma superfície da cavidade de amostra, tal como uma superfície inferior. A superfície na qual a amostra deve ser colocada pode ter uma distância do guia de ondas que é configurado para excitar a amostra com um nível desejado de energia de excitação. Em algumas modalidades, a cavidade de amostra pode ser posicionada, em relação ao guia de ondas, de modo que um campo evanescente de um modo óptico que se propaga ao longo do guia de ondas se sobreponha à amostra.

[00162] Uma cavidade de amostra pode ter uma abertura superior através da qual uma ou mais amostras podem acessar a cavidade de amostra. O tamanho da abertura superior pode depender de diferentes fatores. Um destes fatores está relacionado ao fato de que uma ou mais amostras podem ser posicionadas na cavidade de amostra. Consequentemente, a abertura superior pode ser suficientemente grande para permitir a colocação da amostra na cavidade de amostra. Outro fator se refere aos sinais de fundo, tal como a luz difusa. Quando uma ou mais amostras são posicionadas na cavidade de amostra e são excitadas com energia de excitação, os sinais de fundo pode causar flutuações indesejadas na energia de emissão, tornando a medição ruidosa. Para limitar estas flutuações, o tamanho da abertura superior pode ser configurado para bloquear pelo menos uma parte dos sinais de fundo. Do mesmo modo, a abertura superior bloqueia a exposição da amostra de modo que apenas a parte da amostra sob a abertura recebe energia de excitação substancial. Outro fator se refere à capacidade de direcionamento da energia de emissão emitida pela(s) amostra(s) em resposta ao recebimento da energia de excitação. Em algumas modalidades, o tamanho da abertura superior pode ser configurado para fornecer um nível desejado de capacidade de direcionamento.

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78/107 [00163] Algumas modalidades do dispositivo integrado incluem cavidades de amostra formadas dentro de uma camada metálica sobre a superfície do dispositivo integrado. A camada metálica pode conferir benefícios na detecção da energia de emissão proveniente de uma cavidade de amostra por um ou mais sensores. A camada metálica pode atuar para reduzir os sinais de fundo e melhorar a quantidade de energia de emissão detectada por um ou mais sensores. Estas camadas metálicas podem melhorar a proporção sinal-ruído dos sensores, reduzindo os artefatos de ruído que podem surgir dos sinais de fundo (por exemplo, luz difusa, luz de fundo ou energia de excitação direta). Em algumas modalidades, o dispositivo integrado pode incluir camadas metálicas configuradas para atuar como um cabeamento para transmitir e/ou receber sinais elétricos. Tal cabeamento pode ser acoplado a um sensor e transmitir sinais para controlar o sensor e/ou receber sinais indicativos da energia de emissão detectada pelo sensor.

[00164] A profundidade de uma cavidade de amostra pode ser configurada para manter uma separação desejada entre a localização da(s) amostra(s) e as camadas metálicas. Tal separação pode assegurar que a cavidade de amostra receba um nível desejado de energia de excitação, limitando a perda óptica causada pelas camadas metálicas. Em algumas modalidades, a profundidade de uma cavidade de amostra pode ser configurada de modo que o campo evanescente de um modo óptico que se propaga ao longo de um guia de ondas se sobreponha à amostra, ao mesmo tempo em que limita a extensão com a qual ele interage com as camadas metálicas. Em algumas modalidades, a profundidade de uma cavidade de amostra pode ter um impacto sobre a sincronização de eventos de emissão de fótons de um marcador (por exemplo, durabilidade) associados à amostra. Consequentemente, a profundidade pode permitir distinguir entre diferentes marcadores na cavidade de amostra com base nas características de sincro

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79/107 nização associadas às durabilidades individuais dos diferentes marcadores.

[00165] O formato e o tamanho da cavidade de amostra e/ou a composição das camadas metálicas podem atuar para direcionar a energia de emissão em direção a um sensor. Em algumas modalidades, uma parte da energia emitida por uma amostra na forma de energia de emissão pode se propagar para baixo através das camadas do dispositivo integrado. Uma parte da energia de emissão pode ser recebida por um ou mais sensores localizados no dispositivo integrado em um pixel associado à cavidade de amostra.

[00166] A Figura 4-1 é uma vista seccional transversal do dispositivo integrado que inclui a cavidade de amostra 4-108 de acordo com algumas modalidades não limitativas do presente pedido. A cavidade de amostra 4-108 pode ser configurada para receber a amostra 4-191, a qual pode ser retida sobre uma superfície da cavidade de amostra 4108. Por exemplo, a superfície 4-112 da cavidade de amostra 4-108 pode ter uma composição que adere à amostra pelo menos temporariamente por um período de tempo. A superfície 4-112 da cavidade de amostra 4-108 pode ter um ou mais materiais que conferem seletividade para que a amostra 4-191 venha a aderir à superfície na parede lateral da cavidade de amostra 4-108, conforme mostrado na Figura 4-

1. Em algumas modalidades, a superfície 4-112 da cavidade de amostra 4-108 pode permitir ligação fotoativada da amostra 4-191 à cavidade de amostra 4-108. Em algumas modalidades, a superfície 4-112 da cavidade de amostra 4-108 pode ser formada de óxido de silício, a qual pode ser terminada com um ou mais grupos silanol (Si-OH). Um grupo silanol pode interagir com outro material (por exemplo, um produto químico que tem uma estrutura com um ou mais grupos silano) para criar um determinado tipo de química de superfície para a superfície. A amostra 4 -191 pode ser posicionada dentro da cavidade de

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80/107 amostra 4-108 através de uma abertura superior da cavidade de amostra 4-108. A abertura superior pode ser configurada para reduzir a luz ambiente ou dispersar a luz proveniente da amostra iluminada 4191. Uma amostra na cavidade de amostra 4-108 pode ser analisada sob condições as quais podem ser denominadas como condições escuras, em que a luz difusa que pode excitar uma solução em massa sobre a cavidade de amostra 4-108 proveniente de um guia de ondas e/ou uma cavidade de amostra do dispositivo integrado. A abertura superior pode ser configurada para reduzir a luz dispersa na cavidade de amostra 4-108 pela excitação da solução em massa sobre a cavidade de amostra 4-108. Em algumas modalidades, a cavidade de amostra 4-108 pode ter uma dimensão transversal de um comprimento de onda secundário, o qual pode reduzir ou inibir a propagação de luz incidente sobre o dispositivo integrado. A abertura superior da cavidade de amostra 4-108 pode ter uma largura WAque está na faixa de 50 nm e 300 nm, ou qualquer valor ou faixa de valores dentro desta faixa. [00167] A amostra 4-191 pode ser excitada com a energia de excitação fornecida através do guia de ondas 4-102, tal como através do guia de ondas 4-102 opticamente acoplado à cavidade de amostra 4108. Embora o guia de ondas 4-102 seja ilustrado como tendo uma seção transversal retangular na Figura 4-1, pode ser usada qualquer outro formato de seção transversal adequado, incluindo os guias de ondas descritos aqui. O guia de ondas 4-102 pode ser configurado para fornecer um modo óptico que decai de maneira decrescente a partir do guia de ondas. Em algumas modalidades, o campo evanescente do modo pode se sobrepor, pelo menos em parte, à cavidade de amostra

4-108. Desta forma, a amostra 4-191 pode receber a energia de excitação através do campo evanescente do modo óptico.

[00168] A cavidade de amostra 4-108 pode ter uma profundidade dw entre a superfície 4-112 da cavidade de amostra 4-108 e a interface

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4-127 entre o revestimento 4-118 e a(s) camada(s) metálica(s) 4-122. A profundidade dw pode fornecer uma distância adequada entre uma amostra posicionada sobre a superfície 4-112 da(s) camada(s) metálica^) 4-122. A profundidade dw pode afetar a sincronização dos eventos de emissão de fótons de um marcador (por exemplo, durabilidade de fluorescência de um fluoroforo) associado à amostra 4-191. Consequentemente, a profundidade dw pode permitir distinguir entre diferentes marcadores na cavidade de amostra 4-108 com base nas características de sincronização associadas às características de sincronização de emissão de fótons individuais (por exemplo, durabilidade de fluorescência) dos diferentes marcadores. Em algumas modalidades, a profundidade dw da cavidade de amostra 4-108 pode ter um impacto sobre a quantidade de energia de excitação recebida. A profundidade dw da cavidade de amostra 4-108 pode ser configurada para melhorar a capacidade de direcionamento da energia de emissão proveniente da amostra 4-191. A profundidade dw pode estar na faixa de 50 nm a 400 nm, ou qualquer valor ou faixa de valores dentro desta faixa. Em algumas modalidades, a profundidade dw está entre 95 nm e 150 nm. Em algumas modalidades, a profundidade dw está entre 250 nm e 350 nm.

[00169] Um dispositivo integrado pode incluir camada(s) metálica(s)

4-122 sobre o revestimento superior 4-118. A(s) camada(s) metálica(s) 4-122 pode(m) funcionar como um refletor para a energia de emissão emitida por uma amostra em uma cavidade de amostra e pode(m) melhorar a detecção da energia de emissão ao refletir a energia de emissão para um sensor do dispositivo integrado. A(s) camada(s) metálica^) 4-122 pode(m) atuar para reduzir o sinal de fundo em virtude dos fótons que não têm origem dentro da cavidade de amostra. A(s) camada(s) metálica(s) 4-122 pode(m) compreender uma ou mais subcamadas. Exemplos de materiais adequados para serem usados como

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82/107 camadas da(s) camada(s) metálica(s) podem incluir alumínio, cobre, ligas de alumínio-cobre, titânio, nitreto de titânio, tântalo e nitreto de tântalo. Conforme mostrado na Figura 4-1, a(s) camada(s) metálica(s) 4-1 22 pode(m) incluir duas ou mais subcamadas. Em algumas modalidades, uma primeira subcamada 4-124 posicionada para interagir com o revestimento 4-118 pode incluir alumínio, tântalo ou titânio. Em modalidades nas quais a primeira subcamada 4-124 inclui alumínio, a primeira subcamada 4-124 pode incluir uma liga de alumínio com silício e/ou cobre. Ao ter alumínio na primeira subcamada, a perda óptica da energia de excitação que se propaga ao longo de um guia de ondas pode ser reduzida. A espessura da primeira subcamada 4-124 pode estar na faixa de 30 nm a 165 nm, ou qualquer valor ou faixa de valores dentro desta faixa.

[00170] A(s) camada(s) metálica(s) 4-122 pode(m) ainda incluir uma segunda subcamada 4-126 colocada sobre a primeira subcamada 4124. Em algumas modalidades, a segunda subcamada 4-126 pode incluir titânio. O titânio pode reduzir a quantidade de corrosão que ocorre dentro da(s) camada(s) metálica(s) 4-122. A espessura da segunda subcamada 4-126 pode estar na faixa de 1 nm a 100 nm, ou qualquer valor ou faixa de valores dentro desta faixa. Em algumas modalidades, a espessura da segunda subcamada pode ser de aproximadamente 10 nm.

[00171] A(s) camada(s) metálica(s) 4-122 pode(m) ainda incluir uma terceira subcamada 4-128 colocada sobre a segunda subcamada 4126 e/ou sobre a primeira subcamada 4-124. A terceira subcamada 4128 pode incluir nitreto de titânio e/ou nitreto de tântalo. A terceira subcamada 4-128 pode ter uma espessura na faixa de 5 nm a 100 nm, ou qualquer valor ou faixa de valores dentro desta faixa. Em algumas modalidades, a terceira subcamada 4-128 pode ter uma espessura de aproximadamente 50 nm.

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83/107 [00172] A cavidade de amostra 4-108 pode ter uma ou mais paredes laterais cobertas, pelo menos parcialmente, com um espaçador de parede lateral 4-190. A composição do espaçador de parede lateral 4190 pode ser configurada para permitir um tipo particular de interação com a amostra 4-191. Em algumas modalidades, o espaçador de parede lateral 4-190 pode ter uma composição configurada para passivar as paredes laterais da cavidade de amostra 4-108 para reduzir a quantidade de amostra que adere à parede lateral da cavidade de amostra 4-108. Ao fornecer uma cavidade de amostra apenas com as paredes laterais revestidas com um material espaçador, pode ocorrer um tipo de interação com a amostra 4-191 nas paredes laterais 4-190 diferente daquela sobre a superfície 4-112. Em algumas modalidades, a superfície 4-112 da cavidade de amostra 4-108 pode ser revestida com um silano funcionalizado para melhorar a aderência da amostra 4-191 à superfície. Ao revestir paredes laterais com o espaçador 4-190, a superfície 4-112 da cavidade de amostra 4-108 pode ser revestida seletivamente com o silano funcionalizado. A posição do espaçador de parede lateral 4-190 pode ser selecionada para fornecer revestimentos de espaçador de parede lateral 4-190 em relação à superfície 4-112 da cavidade de amostra 4-108 que são substancialmente paralelos ao guia de ondas, o que pode ser considerado como uma superfície inferior da cavidade de amostra. O espaçador de parede lateral 4-190 pode ter uma espessura na faixa de 3 nm a 30 nm, ou qualquer valor ou faixa de valores dentro desta faixa. Em algumas modalidades, o espaçador de parede lateral 4-190 pode ter uma espessura de aproximadamente 10 nm. Exemplos de materiais adequados usados para formar o espaçador de parede lateral 4-190 incluem AI2O3, T1O2, TiN, TiON, TaN, Ta2Os, Z^Os, Nb20s e HfO2. Em algumas modalidades, 0 espaçador de parede lateral 4-190 inclui TiN, 0 que pode fornecer um nível desejado de capacidade de direcionamento da energia de emis

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84/107 são em direção a um sensor em virtude do índice de refracção do TiN. Em algumas modalidades, o espaçador de parede lateral 4-190 pode ser configurado para bloquear a luz dispersa, deste modo, reduzindo a quantidade de luz dispersa que pode iluminar a amostra 4-191.

[00173] Em algumas modalidades, a estrutura da cavidade de amostra pode ter uma porção próxima ao guia de ondas 4-102 que não possui material espaçador sobre as paredes laterais. A distância entre a superfície inferior, tal como a superfície 4-112 mostrada na Figura 4-1, e o espaçador de parede lateral 4-190 pode estar na faixa de 10 nm a 50 nm, ou qualquer valor ou faixa de valores dentro desta faixa. Tal configuração pode permitir o posicionamento da superfície 4-11 2 da cavidade de amostra mais próximo do guia de ondas 4-102, o que pode melhorar o acoplamento da energia de excitação do guia de ondas 4-102 à cavidade de amostra 4-108 e reduzir o impacto da(s) camada(s) metálica(s) 4-122 sobre a perda óptica da energia de excitação que se propaga ao longo do guia de ondas 4-102.

E· Guias de ondas [00174] Uma fonte de excitação pode ser usada para gerar energia de excitação em um comprimento de onda desejado (por exemplo, 532 nm). A energia de excitação pode ser fornecida a amostras individuais usando um ou mais guias de ondas. O(s) guia(s) de ondas pode(m) ser configurado(s) para acoplar uma parte da energia de excitação a amostras individuais, por exemplo, por meio de acoplamento evanescente. Em algumas modalidades, as cavidades de amostra podem ser posicionadas em linhas e colunas e cada guia de ondas pode ser configurado para fornecer energia de excitação às cavidades de amostra de uma linha ou coluna correspondente. Em algumas modalidades, o guia de ondas pode ser configurado para fornecer de forma substancialmente uniforme (por exemplo, com uma variação na intensidade que é menor do que 10 %) a energia de excitação entre as cavidades de

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85/107 amostra em uma linha ou coluna. Para fornecer tal iluminação uniforme às cavidades de amostra, o guia de ondas pode ser configurado para ter um coeficiente de acoplamento, em relação à cavidade de amostra, que varia ao longo do comprimento da linha ou coluna. Assim, cavidades de amostra individuais posicionadas em relação à guia de ondas podem receber uma fração da energia de excitação que se propaga ao longo do guia de ondas. À medida que a energia de excitação que se propaga ao longo do guia de ondas é esgotada por acoplamento sucessivo às cavidades de amostra, o coeficiente de acoplamento pode ser progressivamente aumentado para fornecer uma quantidade substancialmente uniforme de energia de excitação entre as cavidades de amostra acopladas ao guia de ondas. Para fornecer tais coeficientes de acoplamento dependentes do espaço, a conicidade do guia de ondas pode ser usada. Um cone pode se referir a um guia de ondas que tem uma dimensão (por exemplo, largura) que varia ao longo de seu comprimento. A conicidade pode ser configurada para expandir progressivamente o modo óptico suportado para mais longe na região circundante (por exemplo, revestimento). Através desta conicidade do guia de ondas, o coeficiente de acoplamento pode aumentar ao longo de um eixo de propagação do guia de ondas.

[00175] O(s) guia(s) de onda pode(m) ser adicionalmente configurado^) para acoplar efetivamente a energia de excitação às cavidades de amostra ao mesmo tempo em que reduz a perda óptica. Uma vez que as cavidades de amostra podem estar localizadas na proximidade de uma camada metálica, a energia de excitação direcionada no guia de ondas pode sofrer perda óptica em virtude da dispersão de metal e/ou absorção de metal. Para reduzir a perda óptica causada pela(s) camada(s) metálica(s), o guia de ondas pode ser configurado para fornecer um modo de confinamento, de forma que a sobreposição espacial do modo em relação à camada metálica seja reduzida. O modo de

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86/107 confinamento pode ser selecionado para fornecer uma sobreposição desejada às cavidades da amostra, ao mesmo tempo em que reduz a interação com a(s) camada(s) metálica(s).

[00176] Os guias de ondas podem ser fabricados a partir de um material que é transparente (por exemplo, tendo uma perda de propagação menor do que 2 dB/cm) no comprimento de onda da energia de excitação. Por exemplo, nitreto de silício pode ser usado como um material para direcionar a energia de excitação.

[00177] Em algumas modalidades, os guias de ondas de canal podem ser usados para fornecer energia de excitação às cavidades de amostra de um dispositivo integrado. Um exemplo de um guia de ondas de canal adequado é mostrado na Figura 1-4. Um guia de ondas de canal de um dispositivo integrado pode ser posicionado em relação a uma linha ou coluna de cavidades de amostra para permitir o acoplamento da energia de excitação a uma ou mais cavidades de amostra ao longo da linha ou coluna.

[00178] Em algumas modalidades, guias de ondas de tipo rib (nervura) e/ou guias de ondas de tipo ridge (corrugado) podem ser usados para fornecer energia de excitação às cavidades de amostra. Guias de ondas de tipo rib (nervura) ou guias de ondas de tipo ridge (corrugado) podem compreender uma primeira camada denominada como o canal e uma segunda camada denominada como a região elevada. A posição da região elevada em relação ao canal pode determinar a localização do modo óptico. A espessura do canal e da região elevada podem ser configuradas para fornecer um perfil óptico desejado. Por exemplo, pode ser desejável ter um perfil de modo óptico de forma que o campo evanescente se sobreponha à amostra, ao mesmo tempo em que reduz a interação com a(s) camada(s) metálica(s). A Figura 4-2A é uma vista seccional transversal de um guia de ondas exemplificativo de acordo com algumas modalidades não limitativas. O guia de ondas

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4-200, também denominado aqui como guia de ondas de tipo rib (nervura), pode compreender um canal 4-202 e uma região elevada 4204. O guia de ondas 4-200 pode ser configurado para suportar pelo menos um modo óptico no comprimento de onda desejado. Em algumas modalidades, o guia de ondas 4-200 pode suportar um único modo óptico, por exemplo, o modo TEo. A região elevada pode ter uma largura WRRque está entre 100 nm e 4 pm em algumas modalidades e uma espessura Trrque está entre 50 nm e 500 nm em algumas modalidades. Em algumas modalidades, Trr está entre 100 nm e 200 nm. O canal 4-202 pode ter uma espessura Ts entre 50 nm e 500 nm. Em algumas modalidades, Tsestá entre 150 nm e 250 nm. Em algumas modalidades, o canal 4-202 pode ser compartilhado entre uma pluralidade de guias de ondas 4-200, de modo que uma pluralidade de regiões elevadas 4-204 esteja localizada no canal 4-202. Tais regiões elevadas podem ser separadas por uma distância, ao longo do eixo y, suficientemente grande para reduzir o acoplamento óptico mútuo entre os canais. Por exemplo, o canal 4-2 02 pode se estender para sobreposição entre múltiplas cavidades de amostra e as regiões elevadas 4-204 podem se sobrepor às linhas ou colunas individuais de cavidades de amostras. Alternativamente, guia de ondas individuais podem compreender canais separados. A Figura 4-2B é uma vista seccional transversal de outro guia de ondas exemplificativo de acordo com algumas modalidades não limitativas. O guia de ondas 4-250, também denominado aqui como guia de ondas de tipo ridge (corrugado), pode compreender um canal 4-252 e uma região elevada 4-254. A região elevada 4-254 pode ter uma largura WRRque está entre 100 nm e 4 μιτι em algumas modalidades e uma espessura Trr que está entre 50 nm e 500 nm em algumas modalidades. Em algumas modalidades, Trr está entre 100 nm e 200 nm. O canal 4-202 pode ter uma espessura Ts entre 50 nm e 500 nm. Em algumas modalidades, Tsestá entre 150 nm e

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250 nm. O canal 4-208 pode ter uma largura Ws entre 500 nm e 5 pm em algumas modalidades.

[00179] Os guias de ondas 4-200 e 4-250 podem compreender um revestimento inferior 4-208 e um revestimento superior 4-206. Os revestimentos inferior e superior podem ser formados a partir de materiais que têm um índice de refração que é menor do que o índice de retração das regiões elevadas 4-204 e 4-254. Em algumas modalidades, os revestimentos inferior e superior podem compreender óxido de silício. A proporção Trr/Ts pode ser selecionada para obter um nível desejado de confinamento óptico. Por exemplo, esta proporção pode ser selecionada de forma que o modo óptico do guia de ondas sofra perda óptica reduzida a partir da(s) camada(s) metálica(s), ao mesmo tempo em que também fornece um nível desejado de acoplamento às cavidades de saída. Requerendo menos etapas de fabricação comparado com o guia de ondas 4-250, o guia de ondas 4-200 pode ser preferido em algumas modalidades. Em outras modalidades, o guia de ondas 4250 pode ser preferido, uma vez que fornece um grau mais baixo de acoplamento a outros guias de ondas comparado com o guia de ondas 4-200.

[00180] Em algumas modalidades, o canal do guia de ondas e/ou a região elevada do guia de ondas podem compreender mais de uma camada. A Figura 4-2C ilustra um guia de ondas de tipo rib (nervura) que tem um canal que compreende as camadas 4-282 e 4-283. As camadas 4-282 e 4-283 podem ser formadas a partir de materiais diferentes. A proporção entre a espessura da camada 4-282 e a espessura do canal pode estar entre 5 % e 95 %. Em algumas modalidades, a camada 4-282 pode compreender nitreto de silício e a camada 4-283 pode compreender um material inibidor de corrosão ou material terminal, o que pode auxiliar na fabricação da região elevada do guia de ondas. Alternativa ou adicionalmente, a região elevada do guia de on

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89/107 das pode compreender uma pluralidade de camadas, tais como as camadas 4-284 e 4-285. As camadas 4-284 e 4-285 podem ser formadas a partir de materiais diferentes. A proporção entre a espessura da camada 4-284 e a espessura do canal pode estar entre 5 % e 95 %. Em algumas modalidades, as camadas 4-284 e 4-285 podem, cada uma, compreender diferentes materiais dielétricos (por exemplo, nitreto de silício, óxido de alumínio).

[00181] Um guia de ondas do tipo descrito aqui pode ser posicionado em correspondência com uma cavidade de amostra conforme ilustrado na Figura 4-1. Por exemplo, um guia de ondas pode ser posicionado de uma forma tal que um modo óptico que se propaga ao longo do guia de ondas possa acoplar de forma evanescente à cavidade de amostra. Em algumas modalidades, a superfície da cavidade de amostra, na qual uma amostra está posicionada, pode ser contatada com uma superfície do guia de ondas. Em outras modalidades, estas superfícies podem ser separadas. Em ainda outras modalidades, a superfície da cavidade de amostra na qual uma amostra está posicionada pode ser colocada dentro do guia de ondas.

[00182] As Figuras 4-3A-C são vistas seccionais transversais que ilustram três diferentes configurações de acoplamento. De acordo com a configuração de acoplamento 4-300A, um guia de ondas 4-301 pode ser separado da superfície inferior da amostra 4-312 por uma distância hw. O guia de ondas 4-301 pode ser implementado usando o guia de ondas 4-200, 4-250 ou 4-280. Embora o guia de ondas 4-301 seja mostrado como sendo corrugado, será apreciado que estas configurações de acoplamento podem ser implementadas com qualquer tipo adequado de guia de ondas. Em algumas modalidades, o guia de ondas 4-301 pode ser um guia de ondas de canal, tal como o guia de ondas de canal mostrado na Figura 1-4. O guia de ondas 4-301 pode ser separado da camada metálica 4-310 por uma distância hu maior do

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90/107 que hw. A camada metálica 4-310 pode incluir a(s) camada(s) metálica^) 4-122 da Figura 4-1 e a cavidade de amostra 4-312 pode atuar como a cavidade de amostra 4-108 da Figura 4-1. A distância hw pode ser configurada para fornecer um grau desejado de acoplamento óptico. Por exemplo, hw pode estar entre 50 nm e 500 nm em algumas modalidades ou entre 100 nm e 200 nm em algumas modalidades. A distância hM pode ser configurada para limitar a perda óptica causada pela camada metálica 4-310. Por exemplo, hM pode estar entre 200 nm e 2 pm em algumas modalidades ou entre 350 nm e 650 nm em algumas modalidades.

[00183] De acordo com a configuração de acoplamento 4-300B, a superfície inferior da cavidade de amostra 4-312 pode estar localizada dentro do guia de ondas 4-301. Comparado com a configuração ilustrada na Figura 4-3A, esta configuração pode levar a um maior coeficiente de acoplamento aa cavidade de amostra. No entanto, a perda óptica pode ser maior nesta configuração em virtude da proximidade da camada metálica 4-310 ou perda de dispersão causada pela penetração da amostra no guia de ondas.

[00184] De acordo com a configuração de acoplamento 4-300C, a superfície inferior da cavidade de amostra 4-312 pode ser contatada com uma superfície do guia de ondas 4-301. A configuração pode ser obtida, por exemplo, usando uma superfície do guia de ondas 4-301 como um inibidor de corrosão para formar a cavidade de amostra 4312. Comparado com a configuração ilustrada na Figura 4-3A, esta configuração pode levar a um maior coeficiente de acoplamento à cavidade de amostra. No entanto, a perda óptica causada pela proximidade da camada metálica 4-310 com o guia de ondas pode ser maior nesta configuração.

[00185] As Figuras 4-4A à 4-4C são vistas isométricas em corte que ilustram as configurações de acoplamento 4-300A, 4-300B e 4-300C

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91/107 respectivamente. Conforme ilustrado, um dispositivo integrado pode compreender uma pluralidade de cavidades de amostras 4-312. O guia de ondas 4-301 pode ser configurado para fornecer energia de excitação às cavidades de amostras individuais.

[00186] Conforme descrito acima, um guia de ondas do tipo descrito aqui pode ser configurado para suportar pelo menos um modo óptico. Conforme definido aqui, o modo óptico , ou simplesmente o modo, se refere ao perfil do campo eletromagnético associado a um guia de ondas particular. O modo óptico pode propagar energia de excitação ao longo de um guia de ondas. O modo óptico pode ser configurado para se acoplar de modo evanescente a uma cavidade de amostra, deste modo, excitando uma amostra colocada na mesma. Em resposta, a amostra pode emitir energia de emissão. Ao mesmo tempo, o modo óptico pode ser configurado para limitar a perda óptica associada à(s) camada(s) metálica(s) formada(s) em uma superfície do dispositivo. A Figura 4-5 é uma vista seccional transversal que ilustra um modo óptico exemplificativo de acordo com algumas modalidades não limitativas. Especificamente, a Figura 4-5 mostra um mapa térmico (conversão para preto e branco de um mapa térmico colorido) que ilustra uma vista seccional de um modo óptico que se propaga ao longo de um guia de ondas. Conforme ilustrado, o modo óptico pode exibir um máximo 4-508 em correspondência com uma região do guia de ondas 4-301 e pode se estender de forma evanescente para as regiões circundantes do guia de ondas, por exemplo, os revestimentos superior e inferior. Em algumas modalidades, o modo óptico pode compreender um campo evanescente 4-510 que pode ser acoplado a uma cavidade de amostra 4-312. A intensidade do modo na interface entre o revestimento superior e a camada metálica pode ser substancialmente pequena (por exemplo, menos de 5 %) em relação ao máximo 4-508.

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92/107 [00187] Em algumas modalidades, o dispositivo integrado pode ser configurado para excitar amostras individuais com intensidades substancialmente uniformes (por exemplo, com uma variação menor do que 10 %). Ter uma excitação substancialmente uniforme através das amostras pode melhorar a probabilidade de que a energia de emissão emitida pelas amostras esteja dentro da faixa dinâmica dos sensores. Um guia de ondas óptico, incluindo um de acordo com as técnicas descritas aqui, pode ser configurado para fornecer um acoplamento óptico às cavidades de amostra que varia ao longo de seu comprimento de modo a fornecer uma excitação substancialmente uniforme através das amostras localizadas dentro das cavidades de amostra. De acordo com algumas modalidades não limitativas, a largura do guia de ondas pode variar ao longo do comprimento do guia de ondas, deste modo, fornecendo um perfil de modo dependente da posição. Em algumas modalidades, um guia de ondas que tem uma ou mais dimensões que variam ao longo do comprimento do guia de ondas pode ser implementado. Por exemplo, um dispositivo de acordo com algumas modalidades pode incluir um guia de ondas com uma largura cônica que varia ao longo do comprimento do guia de ondas. A Figura 4-6 é uma vista superior que ilustra um guia de ondas cônico e uma pluralidade de cavidades de amostra. O guia de ondas cônico pode ter um canal 4-602 e uma região elevada 4-604. A conicidade do guia de ondas pode se estender ao longo do eixo x e pode ser configurada para acoplar de forma evanescente a cada uma das cavidades de amostras 4-31 2a, 4-31 2b, 4-31 2c, 4-31 2d e 4-31 2e. Embora a Figura 4-6 ilustre um dispositivo integrado com cinca cavidades de amostra, pode ser usado qualquer outro número adequado de cavidades. A largura da região elevada pode variar de acordo com qualquer função adequada, tal como exponencial, logarítmica, linear, cúbica, quadraticamente ou qualquer combinação adequada dos mesmos. O cone do guia de on

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93/107 das ilustrado na Figura 4-6 pode ser configurado para receber a energia de excitação proveniente do lado esquerdo, tal como através da energia de excitação incidente a um acoplador direcional acoplado opticamente ao guia de ondas, e para suportar a propagação de um ou mais modos ópticos da esquerda para a direita. A região elevada pode ter uma primeira largura Wrrin em x = xi e uma segunda largura Wrrout em x = X2. Em algumas modalidades, Wrrout pode ser maior do que Wrin. Desta forma, o coeficiente de acoplamento do cone em relação à cavidade de amostra 4-31 2a é menor do que o coeficiente de acoplamento do cone em relação à cavidade de amostra 4-3 12b, o coeficiente de acoplamento do cone em relação à cavidade de amostra 4-31 2b é menor do que o coeficiente de acoplamento do cone em relação à cavidade de amostra 4-312c, etc. Uma vez que a energia de excitação que se propaga ao longo do guia de ondas diminui em virtude de acoplamento às cavidades de amostra e/ou perdas ópticas, ter um coeficiente de acoplamento que aumenta ao longo do comprimento do guia de ondas pode permitir que as amostras recebam uma energia de excitação substancialmente uniforme.

[00188] Para os guias de ondas de canal, o coeficiente de acoplamento pode ser aumentado para diminuir a largura do guia de ondas. Assim, a largura de um guia de ondas de canal cônico diminuirá ao longo da direção de propagação para aumentar o coeficiente de acoplamento e permitir compensação da perda óptica. Em algumas modalidades, um guia de ondas de canal pode ter um cone com uma dimensão na faixa de 600 nm a 1500 nm, ou qualquer valor ou faixa de valores nesta faixa, no início do cone e uma dimensão na faixa de 200 nm a 500 nm, ou qualquer valor ou faixa de valores nesta faixa, no final do cone.

[00189] Para guias de ondas de tipo ridge (corrugado) e guias de ondas de tipo rib (nervura), o coeficiente de acoplamento pode aumen

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94/107 tar com o aumento da largura da região elevada, Wrr. Assim, a Wrr de um guia de ondas cônico pode aumentar ao longo da direção de propagação para aumentar o coeficiente de acoplamento e permitir compensação da perda óptica. Em algumas modalidades, Wrrin pode estar em uma faixa entre 150 nm e 500 nm, ou qualquer valor ou faixa de valores nesta faixa. Em algumas modalidades, Wrrout pode estar entre 100 nm e 200 nm ou qualquer valor ou faixa de valores nesta faixa. A Figura 4-7 é um gráfico que ilustra um campo elétrico, medido em uma localização que corresponde a uma amostra, como uma função da largura da região elevada 4-604. Conforme ilustrado, à medida que a largura da região elevada é aumentada, o campo elétrico no local que corresponde à amostra aumenta em virtude do fato de que o modo óptico se estende mais para as regiões circundantes.

[00190] Um guia de ondas do tipo descrito aqui pode ser configurado para limitar a perda óptica associada à proximidade da(s) camada(s) metálica(s). Em alumas modalidades, um guia de ondas pode ter uma configuração, por exemplo, para aumentar a taxa de decaimento do evanescente campo. Comparado com os guias de ondas de canal que tem seções transversais retangulares, guias de ondas de tipo ridge (corrugado) ou de tipo rib (nervura) podem apresentar uma maior velocidade de decaimento do campo evanescente. A Figura 4-8 é um gráfico que ilustra uma comparação entre um perfil de modo óptico associado a um guia de ondas de canal que tem uma seção transversal retangular e um perfil de modo óptico associado a um guia de ondas de tipo rib (nervura). O gráfico 4-800 ilustra a intensidade do modo como uma função da posição ao longo do eixo z (o eixo de propagação). No exemplo ilustrado, a amostra está localizada entre as linhas 4-809 e 4-810, onde a linha 4-809 é uma posição, ao longo do eixo z, que corresponde à parte inferior da cavidade de amostra e a linha 4810 é uma posição, ao longo do eixo z, que corresponde à interface 4

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127 entre o revestimento 4-118 e a(s) camada(s) metálica(s) 4-122. A intensidade de modo 4-801 representa o perfil de modo associado a um guia de ondas de tipo rib (nervura), tal como guia de ondas de tipo rib (nervura) 4-200, e a intensidade de modo 4-802 representa o perfil de modo associado a um guia de ondas de canal retangular. Embora os dois guias de ondas possam ser configurados para exibir uma intensidade de modo substancialmente similar quando à localização da amostra, o guia de ondas de tipo rib (nervura) pode exibir uma taxa de decaimento maior na porção evanescente, deste modo, fornecendo uma intensidade menor na interface 4-127. Assim, a perda óptica causada pela camada metálica 4-122 pode ser limitada.

[00191] Algumas modalidades se referem a um dispositivo integrado que tem um ou mais guias de ondas configurados para suportar múltiplos modos. Os dois ou mais modos de tal guia de ondas multimodo podem se combinar através da interferência dos modos de uma maneira pela qual a distribuição de potência da energia de excitação varia em uma direção perpendicular à direção de propagação da luz ao longo do guia de ondas multimodo. A variação na distribuição de energia pode incluir regiões ao longo da direção da propagação da luz, onde a distribuição de energia é mais ampla em uma ou mais direções perpendiculares à direção da propagação da luz do que em outras regiões. Em algumas modalidades, a distribuição de energia pode se ampliar em uma direção para uma cavidade de amostra em uma região do guia de ondas multimodo próximo da cavidade de amostra. A ampliação da distribuição de energia de excitação pode melhorar o acoplamento da energia de excitação à cavidade de amostra. Em algumas modalidades, a distribuição de energia pode diminuir ao longo da direção em uma região do guia de ondas multimodo que não se sobrepõe à cavidade de amostra. A diminuição na distribuição de energia pode reduzir a perda óptica da energia de excitação, reduzindo a

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96/107 quantidade de energia de excitação que se estende para fora do guia de ondas. Em algumas modalidades, dois ou mais modos podem interferir para colidir com um comprimento de colisão característico. O comprimento de colisão característico pode depender do tipo de modos que estão sendo combinados pelo guia de ondas multimodo. Em algumas modalidades, o comprimento de colisão característico pode ser substancialmente similar à distância entre as cavidades de amostra próximas do dispositivo integrado. O guia de ondas multimodo pode ser configurado para suportar qualquer número adequado de modos (por exemplo, 2, 3, 4), tipos de modos (por exemplo, TE, TM) e/ou grandeza de modos (por exemplo, 1-, 3-). Em algumas modalidades, o guia de ondas multimodo combina os modos TE de primeira e terceira grandezas da energia de excitação.

[00192] A Figura 5-1A ilustra uma vista plana de uma estrutura de guia de ondas exemplificativa configurada para suportar múltiplos modos. A estrutura guia de ondas inclui a região de modo único 5-110, a região multimodo 5-136 e o acoplador de modo 5-120. A região de modo único 5-110 é configurada para suportar a propagação de luz que tem um modo único e acoplar luz ao acoplador de modo 5-120. O acoplador de modo 5-120 é configurado para receber luz que tem um único modo e acoplar a luz à região multimodo 5-136, a qual é configurada para suportar dois ou mais modos de luz. As cavidades de amostras 5-108a, 5-108b e 5-108c estão em um plano xy paralelo à estrutura de guia de ondas, de modo que elas se sobrepõem à região multimodo 5-136. As cavidades de amostras 5-108a, 5-108b e 5-108c são separadas por uma dimensão, Ds, ao longo da direção da propagação da luz da estrutura do guia de ondas (direção x, conforme mostrado na Figura 5-1 A). A dimensão, Ds, pode ser aproximadamente um comprimento de colisão característico de uma interferência multimodo suportada pela região multimodo 5-136. A Figura 5-1B é um mapa térmiPetição 870190054355, de 13/06/2019, pág. 115/174

97/107 co (conversão para preto e branco de um mapa térmico colorido) da distribuição de energia ao longo da região multimodo 5-136, ambos em um plano xy paralelo àquele mostrado na Figura 5-1B (gráfico superior) e em um plano zx perpendicular àquele mostrado na Figura 5-1B (gráfico inferior). As localizações das cavidades de amostras 5-108a,

5-108b e 5-108c são mostradas por linhas paralelas duplas e são separadas pela dimensão Ds, a qual é aproximadamente um comprimento de colisão característico para a combinação dos modos TE de primeira e terceira grandezas. Conforme mostrado na Figura 5-1B, a distribuição de energia se amplia em uma região da região multimodo 5136 que se sobrepõe a cada uma das cavidades de amostra em direção às cavidades da amostra (ao longo da direção z) conforme mostrado no gráfico inferior e diminui ao longo desta direção em uma região da região multimodo 5-136 entre as cavidades de amostra vizinhas. Conforme mostrado no gráfico superior, a tendência oposta ocorre no plano xy, onde a distribuição de energia é mais estreita nas regiões que se sobrepõem às cavidades da amostra e mais ampla nas regiões entre as cavidades de amostra vizinhas.

IV· Técnicas de Fabricação [00193] A formação de um dispositivo integrado do tipo descrito aqui pode usar várias técnicas de fabricação, algumas das quais podem ser realizadas dentro de uma fundição semicondutora padrão. Em algumas modalidades, podem ser usadas técnicas convencionais de fabricação de semicondutores de óxido de metal (CMOS). Por exemplo, pelo menos algumas das seguintes técnicas de fabricação podem ser usadas: fotolitografia, condicionamento a úmido, condicionamento a seco, planarização, deposição de metais, deposição química de vapor, deposição de camada atômica, oxidação, recozimento, crescimento epitaxial, implantação iônica, difusão, ligação de cabeamento, ligação flip-chip, etc.

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98/107 [00194] A formação de um dispositivo integrado pode incluir uma pluralidade de etapas de processo fotolitográfico. Cada etapa do processo fotolitográfico pode compreender uma exposição à luz ultravioleta (UV) através de uma foto-máscara, um processo de revelação para formar uma imagem em relevo no fotorresistor e um processo de gravação por corrosão anódica para transferir a imagem em relevo do fotorresistor para pelo menos uma camada subjacente. A foto-máscara pode ser positiva ou negativa e pode ser padronizada de acordo com uma configuração desejada. Por exemplo, uma ou mais etapas de processo fotolitográfico podem ser usadas para formar os guias de ondas do tipo descrito aqui. Adicionalmente, um ou mais etapas de processo fotolitográfico podem ser usadas para formar as cavidades de amostra do tipo descrito aqui.

[00195] A fabricação de um guia de ondas de tipo rib (nervura), tal como o guia de ondas 4-200, pode ser realizada usando uma variedade de diferentes processos. Independentemente do processo particular usado, a fabricação pode compreender uma etapa de processo fotolitográfico para formar uma região elevada. Consequentemente, após exposição à luz UV e subsequente revelação da imagem em relevo, pode ser realizado um processo de gravação por corrosão anódica parcial para formar a região elevada, ao mesmo tempo em que retém pelo menos uma parte do canal.

[00196] Em algumas modalidades, a formação de um dispositivo integrado pode incluir um processo de gravação por corrosão anódica cronometrado. O processo de gravação por corrosão anódica cronometrado pode ser usado para formar um guia de ondas de tipo rib (nervura). A duração do processo de gravação por corrosão anódica pode ser selecionada de modo a remover uma quantidade desejada de material dielétrico do canal. Consequentemente, com base na duração dos processos de gravação por corrosão anódica cronometrado,

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99/107 uma proporção Trr/Ts desejada pode ser definida. A formação de um guia de ondas de tipo rib (nervura) com base em um processo de gravação por corrosão anódica cronometrado pode usar uma etapa de fabricação fotolitográfica. As Figuras 6-1A a 6-1D ilustram um método de fabricação de um guia de ondas de tipo rib (nervura) usando um condicionamento cronometrado de acordo com algumas modalidades não limitativas. Na etapa de fabricação ilustrada na Figura 6-1 A, um substrato, tal como um substrato de silício, pode ser fornecido. O substrato pode compreender camada dielétrica inferior 6-101, tal como uma camada de óxido de silício. A camada dielétrica 6-10 pode ser planarizada usando um processo de planarização mecânica química (CMP). O substrato pode, por sua vez, compreender um filme dielétrico 6-102. O filme dielétrico 6-102 pode compreender nitreto de silício em algumas modalidades. A espessura do filme dielétrico pode estar entre 90 nm e 500 nm em algumas modalidades.

[00197] Na etapa de fabricação ilustrada na Figura 6-1B, uma camada de material fotossensível 6-103 pode ser depositada sobre o filme dielétrico. A camada de fotorresistor pode ser padronizada, usando uma etapa de processo fotolitográfico, para formar um formato desejado. O fotorresistor pode ser positivo ou negativo.

[00198] Na etapa de fabricação ilustrada na Figura 6-1C, um processo de gravação por corrosão anódica cronometrado pode ser realizado para formar a região elevada 6-104. Tal processo pode gravar por corrosão anódica regiões da superfície do filme dielétrico não cobertas pelo fotorresistor. A duração do processo de gravação por corrosão anódica pode ser selecionada de modo a fornecer uma proporção desejada entre a espessura do canal e a espessura da região elevada. Por exemplo, a duração pode ser selecionada para gravar por corrosão anódica uma fração do filme dielétrico entre 5 % e 95 %. O processo de gravação por corrosão anódica pode ser a seco ou a úmi

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100/107 do. Após formação da região elevada, a camada de fotorresistor pode ser removida.

[00199] Na etapa de fabricação ilustrada na Figura 6-1 D, uma camada dielétrica superior 6-105 pode ser cultivada, ou depositada, sobre a região elevada 6-104 que resulta a partir do processo de gravação por corrosão anódica cronometrado. A camada dielétrica superior pode compreender óxido de silício. A camada dielétrica superior pode ser planarizada usando um processo CMP. O guia de ondas ilustrado na Figura 6-1D pode servir como o guia de ondas 4-200 da Figura 42A.

[00200] Algumas modalidades se referem à outra técnica para fabricar um guia de ondas de tipo rib (nervura) descrito aqui. Ao contrário do processo de fabricação ilustrado nas Figuras 6-1A à 6-1 D, esta técnica pode usar uma camada inibidora de corrosão para definir a espessura da região elevada. Comparado com o processo de gravação por corrosão anódica cronometrado, o uso de um inibidor de corrosão pode permitir um controle mais preciso da espessura, o que pode levar a um controle mais preciso do perfil de modo óptico. Como desvantagem, tal técnica pode levar a um guia de ondas com uma camada de material inibidor de corrosão entre a região elevada e o canal. Tal material inibidor de corrosão pode ter um coeficiente de absorção que é maior do que o coeficiente de absorção do filme dielétrico e, como um resultado, pode fazer com que o modo óptico sofra perda óptica. Tal técnica de fabricação também pode usar uma etapa de fabricação fotolitográfica para formar a região elevada.

[00201] As Figuras 6-2A à 6-2D ilustram um método de fabricação de um guia de ondas de tipo rib (nervura) de acordo com algumas modalidades não limitativas. Na etapa de fabricação ilustrada na Figura 62A, um substrato, tal como um substrato de silício, pode ser fornecido. O substrato pode compreender a camada dielétrica inferior 6-201, tal

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101/107 como uma camada de óxido de silício. A camada dielétrica 6-201 pode ser planarizada usando um processo de planarização mecânica química (CMP). O substrato pode ainda compreender um primeiro filme dielétrico 6-202, o qual pode compreender nitreto de silício em algumas modalidades. O substrato pode ainda compreender uma camada inibidora de corrosão 6-203 localizada sobre o primeiro filme dielétrico. O substrato pode ainda compreender um segundo filme dielétrico 6-204 localizado sobre a camada inibidora de corrosão. O segundo filme dielétrico pode ser formado a partir do mesmo material que o primeiro filme dielétrico ou, alternativamente, de um material diferente. A espessura dos primeiro e segundo filmes dielétricos pode ser configurada para fornecer uma proporção Trr/Ts desejada. Em algumas modalidades, a espessura do primeiro filme dielétrico está entre 100 nm e 300 nm. Em algumas modalidades, a espessura do segundo filme dielétrico está entre 100 nm e 200 nm.

[00202] Na etapa de fabricação ilustrada na Figura 6-2B, uma camada de fotorresistor 6-205 pode ser depositada sobre o segundo filme dielétrico. A camada de fotorresistor pode ser padronizada, usando uma etapa de processo fotolitográfico, para formar um formato desejado. O fotorresistor pode ser positivo ou negativo.

[00203] Na etapa de fabricação ilustrada na Figura 6-2C, um processo de gravação por corrosão anódica pode ser realizado para formar a região elevada 6-206. Tal processo pode gravar por corrosão anódica regiões da superfície do filme dielétrico não cobertas pelo fotorresistor. O processo de gravação por corrosão anódica pode continuar até que pelo menos uma parte da camada inibidora de corrosão tenha sido descoberta. O processo de gravação por corrosão anódica pode ser a seco ou a úmido. Após formação da região elevada, a camada de fotorresistor pode ser removida.

[00204] Na etapa de fabricação ilustrada na Figura 6-2D, uma ca

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102/107 mada dielétrica superior 6-207 pode ser cultivada, ou depositada, sobre a região elevada 6-206. A camada dielétrica superior pode compreender óxido de silício. A camada dielétrica superior pode ser planarizada usando um processo CMP. O guia de ondas ilustrado na Figura

6-2D pode servir como o guia de ondas 4-200 da Figura 4-2A.

[00205] Algumas modalidades se referem ainda à outra técnica para fabricar um guia de ondas de tipo rib (nervura) descrito aqui. Tal técnica de fabricação pode usar uma camada terminal. De acordo com tal técnica, a luz pode ser iluminada em direção a uma superfície do substrato ao longo do curso do processo de gravação por corrosão anódica. A luz refletida pode ser percebida durante o processo de gravação por corrosão anódica. Quando a camada terminal é pelo menos parcialmente descoberta, a luz refletida pode exibir um padrão reconhecível, tal como um padrão de polarização e/ou um padrão de interferência e/ou uma intensidade óptica acima ou abaixo de um limite predeterminado. Quando o padrão reconhecível é percebido, o processo de gravação por corrosão anódica pode ser interrompido. Desta forma, a espessura da região gravada pode ser controlada com precisão. Similarmente à técnica de fabricação ilustrada nas Figuras 6-2A à 6-2D, tal técnica pode usar uma etapa de processo fotolitográfico para formar a região elevada de um guia de ondas de tipo rib (nervura). De acordo com outro tipo de camada terminal, o espectro de emissão óptica do plasma de gravação por corrosão anódica pode ser monitorado durante a gravação por corrosão anódica. Este espectro de emissão óptica contém picos de intensidade que são representativos da composição do plasma a qual, por sua vez, é representativa do material que está sendo gravado. Deste modo, pode ser possível determinar quando a camada de material terminal é primeiro exposta ao plasma ou quando a camada de material terminal é removida.

[00206] As Figuras 6-3A à 6-3D ilustram um método de fabricação

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103/107 de um guia de ondas de tipo rib (nervura) de acordo com algumas modalidades não limitativas. Na etapa de fabricação ilustrada na Figura 63A, um substrato, tal como um substrato de silício, pode ser fornecido. O substrato pode compreender uma camada dielétrica inferior 6-301, tal como uma camada de óxido de silício. A camada dielétrica 6-301 pode ser planarizada usando um processo de planarização mecânica química (CMP). O substrato pode ainda compreender um primeiro filme dielétrico 6-302, o qual pode compreender nitreto de silício em algumas modalidades. O substrato pode ainda compreender uma camada terminal 6-303 colocada sobre o primeiro filme dielétrico. A camada terminal pode exibir uma propriedade óptica específica. Por exemplo, ela pode exibir uma refletividade maior do que a refletividade dos filmes dielétricos. Alternativamente, ela pode exibir um espectro de emissão óptica com um comprimento de onda de emissão característico. O substrato pode ainda compreender um segundo filme dielétrico 6-3 04 localizado sobre a camada terminal. O segundo filme dielétrico pode ser formado a partir do mesmo material que o primeiro filme dielétrico ou, alternativamente, um material diferente. A espessura dos primeiro e segundo filmes dielétricos pode ser configurada para fornecer uma proporção Trr/Ts desejada. Em algumas modalidades, a espessura do primeiro filme dielétrico está entre 100 nm e 300 nm. Em algumas modalidades, a espessura do segundo filme dielétrico está entre 80 nm e 200 nm.

[00207] Na etapa de fabricação ilustrada na Figura 6-3B, uma camada de material fotossensível 6-305 pode ser depositada sobre o segundo filme dielétrico. A camada de fotorresistor pode ser padronizada, usando uma etapa de processo fotolitográfico, para formar um formato desejado. O fotorresistor pode ser positivo ou negativo.

[00208] Na etapa de fabricação ilustrada na Figura 6-3C, um processo de gravação por corrosão anódica pode ser realizado para for

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104/107 mar a região elevada 6-306 e a luz pode ser irradiada sobre a superfície do substrato. Tal processo pode gravar regiões da superfície do filme dielétrico não cobertas pelo fotorresistor. O processo de gravação por corrosão anódica pode continuar até que pelo menos uma parte da camada terminal tenha sido descoberta. Quando a camada terminal foi descoberta, a recepção da luz refletida pela camada terminal 6-303 pode disparar um circuito configurado para interromper o processo de gravação por corrosão anódica. Após formação da região elevada, a camada de fotorresistor pode ser removida.

[00209] Na etapa de fabricação ilustrada na Figura 6-3D, uma camada dielétrica superior 6-307 pode ser cultivada, ou depositada, sobre a região elevada 6-306. A camada dielétrica superior pode compreender óxido de silício. A camada dielétrica superior pode ser planarizada usando um processo CMP. O guia de ondas ilustrado na Figura 6-3D pode servir como o guia de ondas 4-200 da Figura 4-2A.

[00210] Algumas modalidades do presente pedido se referem a técnicas para formar um guia de ondas de tipo ridge (corrugado), tal como o guia de ondas 4-250 da Figura 4-2B. A fabricação de um guia de ondas de tipo ridge (corrugado) pode compreender algumas das etapas de fabricação usadas para formar um guia de ondas de tipo rib (nervura). Tal fabricação pode usar as técnicas descritas em relação às Figuras 6-1A à 6-1 D, as técnicas descritas em relação às Figuras 62A à 6-2D ou as técnicas descritas em relação às Figuras 6-3A à 6-3D. Além disso, um processo de gravação por corrosão anódica adicional pode ser usado para gravar totalmente o filme dielétrico nas regiões fora do canal desejado para formar um guia de ondas de tipo ridge (corrugado).

[00211] As Figuras 6-4A à 6-4D ilustram um método de fabricação de um guia de ondas de tipo ridge (corrugado) de acordo com algumas modalidades não limitativas. Na etapa de fabricação ilustrada na Figu

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105/107 ra 6-4A, um guia de ondas de tipo rib (nervura) pode ser fornecido. O guia de ondas de tipo rib (nervura) pode ser obtido usando qualquer uma das técnicas de fabricação descritas acima. O guia de ondas de tipo rib (nervura) pode compreender uma camada dielétrica 6-401, um canal 6-402 e uma região elevada 6-403.

[00212] Na etapa de fabricação ilustrada na Figura 6-4B, uma camada de material fotossensível 6-404 pode ser depositada sobre o filme dielétrico. A camada de fotorresistor pode ser padronizada, usando uma etapa de processo fotolitográfico, para formar um formato desejado. O fotorresistor pode ser positivo ou negativo.

[00213] Na etapa de fabricação ilustrada na Figura 6-4 C, um processo de gravação por corrosão anódica pode ser realizado para formar o canal gravado 6-405. O processo de gravação por corrosão anódica pode continuar até que pelo menos uma parte da camada dielétrica 6-401 tenha sido descoberta.

[00214] Na etapa de fabricação ilustrada na Figura 6-4D, uma camada dielétrica superior 6-406 pode ser cultivada, ou depositada, sobre a região elevada 6-403. A camada dielétrica superior pode compreender óxido de silício. A camada dielétrica superior pode ser planarizada usando um processo CMP. O guia de ondas ilustrado na Figura 6-4D pode servir como o guia de ondas 4-250 da Figura 4-2B.

V· Conclusão [00215] Tendo assim descrito vários aspectos e modalidades da tecnologia do presente pedido, será apreciado que várias alterações, modificações e aprimoramentos ocorrerão prontamente para aqueles versados na técnica. Tais alterações, modificações e aprimoramentos devem estar dentro do espírito e escopo da tecnologia descrita no pedido. Portanto, deve ser entendido que as modalidades precedentes são apresentadas apenas a título de exemplo e que, dentro do âmbito das reivindicações anexas e seus equivalentes, as modalidades da

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106/107 invenção podem ser praticadas de um modo diferente daquele especificamente descrito. Além disso, qualquer combinação de duas ou mais características, sistemas, artigos, materiais, kits e/ou métodos descritos aqui, se tais características, sistemas, artigos, materiais, kits e/ou métodos não forem mutuamente inconsistentes, está incluída no âmbito da presente invenção.

[00216] Além disso, conforme descrito, alguns aspectos podem ser incorporados como um ou mais métodos. As ações realizadas como parte do método podem ser ordenadas de qualquer maneira adequada. Consequentemente, podem ser construídas modalidades nas quais as ações são realizadas em uma ordem diferente daquela ilustrada, o que pode incluir realizar algumas de tais ações simultaneamente, mesmo que sejam mostradas como ações sequenciais em modalidades ilustrativas.

[00217] Todas as definições, conforme definido e usado aqui, devem ser entendidas como prevalecendo sobre as definições de dicionários, definições em documentos incorporados por referência e/ou significados comuns dos termos definidos.

[00218] Os artigos indefinidos um e uma, conforme usado aqui no relatório descritivo e nas reivindicações, a menos que claramente indicado em contrário, devem ser entendidos como significando pelo menos um(a).

[00219] A frase e/ou, conforme usado aqui no relatório descritivo e nas reivindicações, deve ser entendida como significando um ou ambos dos elementos assim conjugados, isto é, elementos que estão conjuntamente presentes em alguns casos e não conjuntamente presentes em outros casos.

[00220] Conforme usado aqui no relatório descritivo e nas reivindicações, a frase pelo menos um, em referência a uma lista de um ou mais elementos, deve ser entendida como significando pelo menos um

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107/107 elemento selecionado a partir de qualquer um ou mais dos elementos na lista de elementos, mas não necessariamente incluindo pelo menos um de cada elemento listado especificamente na lista de elementos e não excluindo quaisquer combinações de elementos na lista de elementos. Esta definição também permite que elementos possam opcionalmente estar presentes, além dos elementos especificamente identificados dentro da lista de elementos aos quais a frase pelo menos um se refere, relacionados ou não aos elementos especificamente identificados.

[00221] Nas reivindicações, bem como no relatório descritivo acima, todas as frases de transição, tais como que compreende(m), que inclui(em), que traz(em), que tem/têm, que contém(êm), que envolve(m), que retém(êm), composto(s) de e assim por diante, devem ser entendidas como abertas, isto é, significando incluindo, porém sem limitações. As frases de transição que consiste(m) em e que consiste(m) essencialmente em devem ser frases de transição fechadas ou semifechadas, respectivamente.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Dispositivo integrado, caracterizado pelo fato de que compreende:

uma pluralidade de guias de onda;

um acoplador de grade que tem uma região de grades;

uma pluralidade de guias de onda de saída que têm larguras variáveis e configuradas para se acoplarem opticamente ao acoplador de grade; e uma pluralidade de divisores ópticos, em que pelo menos um dos divisores ópticos está posicionado entre um dentre a pluralidade de guias de onda de saída e pelo menos dois dentre a pluralidade de guias de onda.
2. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a região de grades compreende uma pluralidade de grades orientadas substancialmente em uma direção planar a uma superfície do dispositivo integrado.
3. Dispositivo integrado, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que guias de ondas de saída individuais da pluralidade de guias de ondas de saída estão posicionados sobre um lado da região de grades.
4. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de guias de ondas de saída inclui um primeiro guia de ondas de saída e um segundo guia de ondas de saída e em que o primeiro guia de ondas de saída está mais próximo de um centro de um lado da região de grades do que o segundo guia de ondas de saída e tem uma largura menor do que o segundo guia de ondas de saída.
5. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de guias de ondas de saída inclui um primeiro guia de ondas de saída e

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2/19 um segundo guia de ondas de saída e em que o primeiro guia de ondas de saída está mais próximo de uma borda de um lado da região de grades do que o segundo guia de ondas e tem uma largura menor do que o segundo guia de ondas de saída.
6. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5, caracterizado pelo fato de que o número de separadores ópticos entre o segundo guia de ondas de saída e um dentre a pluralidade de guias de ondas é maior do que o número de divisores ópticos entre o primeiro guia de ondas de saída e outro dentre a pluralidade de guias de ondas.
7. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de guias de ondas de saída e a pluralidade de divisores ópticos se distribuem radialmente a partir da região de grades.
8. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que guias de ondas individuais dentre a pluralidade de guias de ondas estão localizados de modo substancialmente perpendicular às grades na região de grades.
9 Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dentre a pluralidade de divisores ópticos está posicionado a menos de 1 mm do acoplador direcional.
10. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que guias de ondas individuais dentre a pluralidade de guias de ondas possuem uma dimensão cônica em uma direção perpendicular à direção da propagação da luz ao longo de um dentre a pluralidade de guias de ondas, de modo que a dimensão cônica é menor em uma localização próxima do acoplador direcional do que em uma localização distai.
11. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das

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3/19 reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que os guias de ondas individuais dentre a pluralidade de guias de ondas estão posicionados para se acoplarem opticamente a uma pluralidade de cavidades de amostra.
12. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dentre a pluralidade de guias de ondas tem uma primeira espessura em uma localização que se sobrepõe a pelo menos uma cavidade de amostra dentre a pluralidade de cavidades de amostra e uma segunda espessura em uma localização que não se sobrepões a pelo menos uma cavidade de amostra, a primeira espessura sendo maior do que a segunda espessura.
13. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 12, caracterizado pelo fato de que uma superfície da pelo menos uma cavidade de amostra dentre a pluralidade de cavidades de amostra está em contato com uma superfície de um primeiro guia de ondas dentre a pluralidade de guias de ondas.
14. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dentre a pluralidade de guias de ondas é um guia de ondas multimodo configurado para suportar a propagação de uma pluralidade de modos ópticos ao longo do guia de ondas multimodo.
15. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação

14, caracterizado pelo fato de que a distribuição de energia ao longo do guia de ondas multimodo é mais larga em uma primeira região que se sobrepõe a pelo menos uma dentre a pluralidade de cavidades de amostra do que em uma segunda região separada da primeira região.
16. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 15, caracterizado pelo fato de que guias de ondas individuais dentre a pluralidade de guias de ondas estão configurados

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4/19 para suportar a propagação da energia de excitação que tem um campo evanescente que se estende a partir de uma pluralidade de guias de ondas que são opticamente acoplados à pelo menos uma cavidade de amostra dentre a pluralidade de cavidades de amostra.
17. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 16, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma cavidade de amostra dentre a pluralidade de cavidades de amostra compreende um espaçador de parede lateral formado sobre pelo menos uma parte de uma das paredes laterais da pelo menos uma cavidade de amostra.
18. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 17, caracterizado pelo fato de que o dispositivo integrado ainda compreende pelo menos uma camada metálica e em que uma superfície de pelo menos uma dentre a pluralidade de cavidades de amostra é recuada a partir da pelo menos uma camada metálica.
19. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 18, caracterizado pelo fato de que o dispositivo integrado ainda compreende um sensor configurado para receber luz proveniente de uma dentre a pluralidade de cavidades de amostra.
20. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que a distância entre a cavidade de amostra e o sensor é menor do que 10 micrometros.
21. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 20, caracterizado pelo fato de que o dispositivo integrado ainda compreende uma camada metálica formada sobre uma superfície do dispositivo integrado, a camada metálica tendo uma abertura que se sobrepõe a uma abertura de uma dentre a pluralidade de cavidades de amostra.
22. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das

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5/19 reivindicações 11 a 21, caracterizado pelo fato de que um primeiro guia de ondas dentre a pluralidade de guias de ondas está configurado para ser opticamente acoplado a uma parte de um primeiro conjunto dentre a pluralidade de cavidades de amostras, um segundo guia de ondas dentre a pluralidade de guias de ondas está configurado para ser opticamente acoplado a uma parte de um segundo conjunto dentre a pluralidade de cavidades de amostra e em que um divisor óptico dentre a pluralidade de divisores ópticos está posicionado entre o primeiro conjunto de cavidades de amostra e o segundo conjunto de cavidades de amostra e está configurado para ser opticamente acoplado a pelo menos um dos primeiro e segundo guias de ondas.
23. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 22, caracterizado pelo fato de que o dispositivo integrado ainda compreende um ou mais fotodetectores posicionados para receber a energia de excitação que passa através do acoplador direcional.
24. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 23, caracterizado pelo fato de que o dispositivo integrado ainda compreende um ou mais fotodetectores posicionados para receber a energia de excitação que passa através de uma região próximo do acoplador direcional.
25. Método de formar um dispositivo integrado, caracterizado pelo fato de que compreende:

formar uma pluralidade de guias de ondas;

formar um acoplador direcional que tem uma região de grades;

formar uma pluralidade de guias de ondas de saída que têm larguras variáveis e configurados para serem opticamente acoplados ao acoplador direcional; e formar uma pluralidade de divisores ópticos, em que pelo

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6/19 menos um dos divisores ópticos está posicionado entre um dentre a pluralidade de guias de ondas de saída e pelo menos dois dentre a pluralidade de guias de ondas.
26. Método, de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de que a formação do acoplador direcional ainda compreende formar uma pluralidade de grades na região de grades, a pluralidade de grades sendo orientada substancialmente em uma direção planar a uma superfície do dispositivo integrado.
27. Método, de acordo com as reivindicações 25 ou 26, caracterizado pelo fato de que a formação da pluralidade de guias de ondas de saída ainda compreende formar guias de ondas de saída individuais dentre a pluralidade de guias de ondas de saída localizados em um lado da região de grades.
28. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 25 a 27, caracterizado pelo fato de que a formação da pluralidade de guias de ondas de saída ainda compreende formar um primeiro guia de ondas de saída e um segundo guia de ondas de saída, em que o primeiro guia de ondas de saída está mais próximo de um centro de um lado da região de grades do que o segundo guia de ondas de saída e tem uma largura menor do que o segundo guia de ondas de saída.
29. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 25 a 27, caracterizado pelo fato de que a formação da pluralidade de guias de ondas de saída ainda compreende formar um primeiro guia de ondas de saída e um segundo guia de ondas de saída, em que o primeiro guia de ondas de saída está mais próximo de uma borda de um lado da região de grades do que o segundo guia de ondas de saída e tem uma largura menor do que o segundo guia de ondas de saída.
30. Método, de acordo com a reivindicação 29, caracteriza

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7/19 do pelo fato de que a formação da pluralidade de divisores ópticos ainda compreende formar um número de divisores ópticos entre o segundo guia de ondas de saída e um dentre a pluralidade de guias de ondas que é maior do que o número de divisores ópticos entre o primeiro guia de ondas de saída e outro dentre a pluralidade de guias de ondas.
31. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 25 a 30, caracterizado pelo fato de que a formação da pluralidade de guias de ondas de saída ainda compreende formar a pluralidade de guias de ondas de saída para se distribuir radialmente a partir da região de grades.
32. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 25 a 31, caracterizado pelo fato de que a formação da pluralidade de guias de ondas ainda compreende formar guias de ondas individuais dentre a pluralidade de guias de ondas localizados de modo substancialmente perpendicular às grades na região de grades.
33. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 25 a 32, caracterizado pelo fato de que a formação da pluralidade de guias de ondas ainda compreende formar a pluralidade de guias de ondas para ter uma dimensão cônica em uma direção perpendicular à direção de propagação da luz ao longo de um dentre a pluralidade de guias de ondas, de modo que a dimensão cônica seja menor em uma localização próximo ao acoplador direcional do que em uma localização distai.
34. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 25 a 33, caracterizado pelo fato de que ainda compreende formar uma pluralidade de cavidades de amostra, em que os guias de ondas individuais dentre a pluralidade de guias de ondas estão posicionados para serem opticamente acoplados à pluralidade de cavidades de amostra.

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8/19
35. Método, de acordo com a reivindicação 34, caracterizado pelo fato de que a formação da pluralidade de guias de ondas ainda compreende formar pelo menos um dentre a pluralidade de guias de ondas com uma primeira espessura em uma localização que se sobrepõe à pelo menos uma cavidade de amostra dentre a pluralidade de cavidades de amostra e uma segunda espessura em uma localização que não se sobrepõe à pelo menos uma cavidade de amostra, a primeira espessura sendo maior do que a segunda espessura.
36. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 34 a 35, caracterizado pelo fato de que a formação da pluralidade de cavidades de amostra ainda compreende formar uma superfície de pelo menos uma cavidade de amostra dentre a pluralidade de cavidades de amostra em contato com uma superfície de um primeiro guia de ondas dentre a pluralidade de guias de ondas.
37. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 34 a 36, caracterizado pelo fato de que a formação da pluralidade de guias de ondas ainda compreende formar um guia de ondas multimodo configurado para suportar a propagação de uma pluralidade de modos ópticos ao longo do guia de ondas multimodo.
38. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 34 a 37, caracterizado pelo fato de que guias de ondas individuais dentre a pluralidade de guias de ondas são configurados para suportar a propagação de energia de excitação que tem um campo evanescente que se estende a partir de um dentre a pluralidade de guias de ondas que se unem opticamente com pelo menos uma cavidade de amostra do pluralidade de cavidades de amostra.
39. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 34 a 38, caracterizado pelo fato de que a formação da pluralidade de cavidades de amostra ainda compreende formar um espaçador de parede lateral em pelo menos uma parte de uma das paredes laterais

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9/19 da pelo menos uma cavidade de amostra dentre a pluralidade de cavidades de amostra.
40. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 34 a 39, caracterizado pelo fato de que a formação da pluralidade de cavidades de amostras ainda compreende formar pelo menos uma camada metálica e formar uma superfície de pelo menos uma dentre a pluralidade de cavidades de amostras recuada a partir da pelo menos uma camada metálica.
41. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 34 a 40, caracterizado pelo fato de que ainda compreende formar um sensor configurado para receber luz proveniente de uma dentre a pluralidade de cavidades de amostra.
42. Método, de acordo com a reivindicação 41, caracterizado pelo fato de que a distância entre a cavidade de amostra e o sensor é menor do que 10 micrometros.
43. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 34 a 42, caracterizado pelo fato de que um primeiro guia de ondas dentre a pluralidade de guias de ondas está configurado para ser opticamente acoplado a uma parte de um primeiro conjunto dentre a pluralidade de cavidades de amostra, um segundo guia de ondas dentre a pluralidade de guias de ondas está configurado para ser opticamente acoplado a uma parte de um segundo conjunto dentre a pluralidade de cavidades de amostra e em que um divisor óptico dentre a pluralidade de divisores ópticos está posicionado entre o primeiro conjunto de cavidades de amostra e o segundo conjunto de cavidades de amostra e está configurado para ser opticamente acoplado a pelo menos um dos primeiro e segundo guias de ondas.
44. Dispositivo integrado, caracterizado pelo fato de que compreende:

um primeiro guia de ondas configurado para ser opticamen

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10/19 te acoplado a uma parte de um primeiro conjunto de cavidades de amostra;

um segundo guia de ondas configurado para ser opticamente acoplado a uma parte de um segundo conjunto de cavidades de amostra; e um divisor óptico posicionado entre o primeiro conjunto de cavidades de amostra e o segundo conjunto de cavidades de amostra e configurado para ser opticamente acoplado a pelo menos um dos primeiro e segundo guias de ondas.
45. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação

44, caracterizado pelo fato de que o dispositivo integrado ainda compreende pelo menos um guia de ondas de entrada configurado para ser opticamente acoplado ao divisor óptico.
46. Dispositivo integrado, de acordo com as reivindicações 44 ou 45, caracterizado pelo fato de que o dispositivo integrado ainda compreende um acoplador direcional configurado para ser opticamente acoplado ao pelo menos um guia de ondas de entrada.
47. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação

46, caracterizado pelo fato de que as grades do acoplador direcional são substancialmente paralelas ao pelo menos um guia de ondas de entrada.
48. Dispositivo integrado, caracterizado pelo fato de que compreende:

pelo menos uma cavidade de amostra; e um guia de ondas configurado para acoplar a energia de excitação a pelo menos uma cavidade de amostra, em que o guia de ondas tem uma primeira espessura em uma localização que se sobrepõe à pelo menos uma cavidade de amostra e uma segunda espessura em uma localização que não se sobrepõe à pelo menos uma cavidade de amostra e a primeira espessura é maior do que a segunda

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11/19 espessura.
49. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação 48, caracterizado pelo fato de que o guia de ondas está configurado para suportar a propagação da energia de excitação que tem um campo evanescente que se estende a partir do guia de ondas.
50. Dispositivo integrado, de acordo com as reivindicações 48 ou 49, caracterizado pelo fato de que o guia de ondas tem uma dimensão cônica em uma direção perpendicular à direção de propagação da luz ao longo do guia de ondas, de modo que a dimensão cônica é menor em uma localização próximo do acoplador direcional do que em uma localização distai.
51. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 48 a 50, caracterizado pelo fato de que uma superfície da pelo menos uma cavidade de amostra contata uma superfície do guia de ondas.
52. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 48 a 51, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma cavidade de amostra inclui uma pluralidade de cavidades de amostra em uma matriz.
53. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 48 a 52, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma cavidade de amostra é recuada a partir de uma camada metálica do dispositivo integrado.
54. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 48 a 53, caracterizado pelo fato de que o guia de ondas é um guia de ondas multimodo configurado para suportar a propagação de uma pluralidade de modos ópticos ao longo do guia de ondas.
55. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação

54, caracterizado pelo fato de que a distribuição de energia ao longo do guia de ondas multimodo é mais larga em uma primeira região que

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12/19 se sobrepõe à pelo menos uma cavidade de amostra do que em uma segunda região separada da primeira região.
56. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 48 a 55, caracterizado pelo fato de que a primeira espessura está entre 200 nm e 400 nm.
57. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 48 a 56, caracterizado pelo fato de que a segunda espessura está entre 100 nm e 250 nm.
58. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 48 a 57, caracterizado pelo fato de que o guia de ondas é formado, pelo menos em parte, a partir de uma camada de nitreto de silício.
59. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 48 a 58, caracterizado pelo fato de que o dispositivo integrado ainda compreende um sensor configurado para receber a energia de emissão emitida por uma amostra localizada na pelo menos uma cavidade de amostra.
60. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação 59, caracterizado pelo fato de que a distância entre a pelo menos uma cavidade de amostra e o sensor é menor do que 10 micrometros.
61. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação 59, caracterizado pelo fato de que a distância entre a pelo menos uma cavidade de amostra e o sensor é menor do que 7 micrometros.
62. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação 59, caracterizado pelo fato de que a distância entre a pelo menos uma cavidade de amostra e o sensor é menor do que 3 micrometros.
63. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 48 a 62, caracterizado pelo fato de que o dispositivo integrado ainda compreende uma camada metálica formada sobre uma superfície do dispositivo integrado, a camada metálica tendo uma

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13/19 abertura que se sobrepõe a uma abertura da pelo menos uma cavidade de amostra.
64. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação 63, caracterizado pelo fato de que a camada metálica inclui uma primeira camada que tem alumínio e uma segunda camada que tem nitreto de titânio e em que a primeira camada está próximo do guia de ondas.
65. Dispositivo integrado, caracterizado pelo fato de que compreende:

uma camada metálica localizada sobre uma superfície do dispositivo integrado, a camada metálica tendo uma descontinuidade; e pelo menos uma cavidade de amostra com uma abertura superior que corresponde à descontinuidade da camada metálica, e em que uma superfície da pelo menos uma amostra se estende além da camada metálica ao longo de uma direção que é substancialmente perpendicular à superfície do dispositivo integrado.
66. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação 65, caracterizado pelo fato de que a superfície da pelo menos uma cavidade de amostra está posicionada a uma distância da camada metálica que está entre 100 nm e 350 nm.
67. Dispositivo integrado, de acordo com as reivindicações

65 ou 66, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma cavidade de amostra compreende um espaçador de parede lateral formado sobre pelo menos uma porção de uma parede lateral da cavidade de amostra.
68. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 65 a 67, caracterizado pelo fato de que o dispositivo integrado ainda compreende um guia de ondas distai à superfície da pelo menos uma cavidade de amostra.

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14/19
69. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação

68, caracterizado pelo fato de que o guia de ondas compreende um canal e uma região elevada.
70. Dispositivo integrado, de acordo com as reivindicações 68 ou 69, caracterizado pelo fato de que o guia de ondas é cônico.
71. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 68 a 70, caracterizado pelo fato de que a camada metálica inclui uma primeira camada que tem alumínio e uma segunda camada que tem nitreto de titânio e a primeira camada está próximo do guia de ondas.
72. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 68 a 71, caracterizado pelo fato de que a distância do guia de ondas para a superfície da pelo menos uma cavidade de amostra é menor do que 200 nm.
73. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 68 a 72, caracterizado pelo fato de que uma abertura na camada metálica corresponde a um acoplador direcional para o guia de ondas.
74. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 68 a 73, caracterizado pelo fato de que o guia de ondas é formado, pelo menos em parte, a partir de uma camada de nitreto de silício.
75. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 65 a 74, caracterizado pelo fato de que o dispositivo integrado ainda compreende um sensor configurado para receber a energia de emissão emitida por uma amostra localizada na pelo menos uma cavidade de amostra.
76. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação 75, caracterizado pelo fato de que a distância entre a pelo menos uma cavidade de amostra e o sensor é menor do que 10 micrometros.

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15/19
77. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação 75, caracterizado pelo fato de que a distância entre a pelo menos uma cavidade de amostra e o sensor é menor do que 7 micrômetros.
78. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação

75, caracterizado pelo fato de que a distância entre a pelo menos uma cavidade de amostra e o sensor é menor do que 3 micrometros.
79. Método para formação de um dispositivo integrado, caracterizado pelo fato de que compreende:

fornecer um substrato semicondutor que tem um filme dielétrico localizado sobre o substrato semicondutor;

formar um guia de ondas que tem um canal e uma região elevada ao gravar por corrosão anódica parcialmente uma parte do filme dielétrico;

formar um revestimento superior de modo que o revestimento superior fique em contato com o guia de ondas;

formar uma camada metálica sobre uma superfície do revestimento superior; e formar uma cavidade de amostra sobre o guia de ondas ao gravar por corrosão anódica a camada metálica e uma parte do revestimento superior.
80. Método, de acordo com a reivindicação 79, caracterizado pelo fato de que a formação do guia de ondas compreende um processo de gravação por corrosão anódica cronometrado.
81. Método, de acordo com as reivindicações 79 ou 80, caracterizado pelo fato de que a formação do guia de ondas compreende um processo de gravação por corrosão anódica usando uma camada inibidora de corrosão.
82. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 79 a 81, caracterizado pelo fato de que a formação da cavidade de amostra compreende gravação por corrosão anódica do revesti

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16/19 mento superior até que pelo menos uma parte do guia de ondas esteja descoberta.
83. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 79 a 82, caracterizado pelo fato de que a distância entre uma superfície inferior da cavidade de amostra e o guia de ondas está entre 10 nm e 200 nm.
84. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 79 a 83, caracterizado pelo fato de que o método ainda compreende formar um espaçador sobre pelo menos uma parte de uma das paredes laterais da cavidade de amostra.
85. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 79 a 84, caracterizado pelo fato de que a formação da camada metálica ainda compreende formar uma pluralidade de subcamadas metálicas.
86. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 79 a 85, caracterizado pelo fato de que o método ainda compreende gravar por corrosão anódica uma parte do canal para formar um guia de ondas de tipo ridge (corrugado).
87. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 79 a 86, caracterizado pelo fato de que o método ainda compreende gravar por corrosão anódica uma parte do canal para formar um guia de ondas de tipo rib (nervura).
88. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 79 a 87, caracterizado pelo fato de que a formação do guia de ondas ainda compreende formar um cone que tem uma largura variável.
89. Dispositivo integrado, caracterizado pelo fato de que compreende:

uma pluralidade de cavidades de amostra;

um primeiro guia de ondas óptico configurado para acoplar

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17/19 a energia de excitação a uma primeira porção da pluralidade de cavidades de amostra;

um segundo guia de ondas óptico configurado para acoplar a energia de excitação a uma segunda porção da pluralidade de cavidades de amostra; e um acoplador direcional configurado para receber a energia de excitação proveniente de uma fonte óptica posicionada fora do dispositivo integrado e acoplar a energia de excitação ao primeiro guia de ondas óptico e ao segundo guia de ondas óptico.
90. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação

89, caracterizado pelo fato de que o dispositivo integrado ainda compreende um ou mais fotodetectores posicionados para receber a energia de excitação que passa através do acoplador direcional.
91. Dispositivo integrado, de acordo com as reivindicações 89 ou 90, caracterizado pelo fato de que o dispositivo integrado ainda compreende um ou mais fotodetectores posicionados para receber a energia de excitação que passa em uma região próximo do acoplador direcional.
92. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 89 a 91, caracterizado pelo fato de que o acoplador direcional é um primeiro acoplador óptico direcional e o dispositivo integrado ainda compreende um segundo acoplador óptico opticamente acoplado ao primeiro guia de ondas e configurado para receber a energia de excitação proveniente do primeiro guia de ondas e acoplar a energia de excitação a um fotodetector posicionado no dispositivo integrado.
93. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 89 a 92, caracterizado pelo fato de que o primeiro guia de ondas óptico é configurado para acoplar a energia de excitação à primeira porção da pluralidade de cavidades de amostra por meio de

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18/19 acoplamento evanescente.
94. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 89 a 93, caracterizado pelo fato de que o dispositivo integrado ainda compreende:

uma camada metálica localizada sobre uma superfície do dispositivo integrado;

em que a pluralidade de cavidades de amostra é formada através da camada metálica.
95. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação

94, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma dentre a pluralidade de cavidades de amostra compreende uma superfície inferior próximo do primeiro guia de ondas, a superfície inferior sendo recuada através da camada metálica.
96. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação

95, caracterizado pelo fato de que a superfície inferior está posicionada a uma distância da camada metálica que está entre 100 nm e 350 nm.
97. Dispositivo integrado, de acordo com a reivindicação 95, caracterizado pelo fato de que a superfície inferior está posicionada a uma distância do primeiro guia de ondas óptico que está entre 10 nm e 200 nm.
98. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 94 a 97, caracterizado pelo fato de que a camada metálica inclui uma camada de alumínio e uma camada de nitreto de titânio e a camada de alumínio está próxima dos primeiro e segundo guias de ondas.
99. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 89 a 98, caracterizado pelo fato de que a grade óptica compreende uma região gravada por corrosão anódica formada sobre uma camada de nitreto de silício.

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100. Dispositivo integrado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 89 a 99, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma cavidade de amostra dentre a pluralidade de cavidades de amostra compreende um espaçador de parede lateral formado sobre pelo menos uma parte de uma das paredes laterais da pelo menos uma cavidade de amostra.