CN111566528A - 用于改进光学波导传输和对准的系统、装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本文提供了用于在分析系统中的改进的光学波导传输和对准的系统、装置和方法。光学分析系统中的波导会随时间显示单一波长照射的可变且增加的反向反射，从而限制了其有效性和可靠性。在用于克服反向反射的条件下，系统也会受到光学干扰。已经开发了使用具有多个纵向模式的宽带照射光的新的系统和方法，以改进这些系统中的光传输和分析。还公开了用于对准目标波导装置和光源的新的系统和方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年11月3日提交的美国临时申请No.62/581,203的权益，其全部公开内容通过引用并入本文。
关于联邦资助研究的声明
不适用。
背景技术
随着多路复用分析系统尺寸的不断小型化、规模的扩大以及功率的增加，对开发具有这种功能的改进系统的需求变得越来越重要。例如，在光学分析中，增加多路复用常常会带来增加的困难，因为它可能需要更复杂的光学系统、增加的照射或检测能力以及新的反应抑制(containment)策略。在一些情况下，系统试图将多路复用增加许多倍，甚至数个数量级，这进一步使这些考虑复杂化。同样，在一些情况下，要使用该系统的分析环境非常敏感，以至于给定系统中不同分析之间的变化可能是不可接受的。这些目标通常与简单地使系统更大并具有更高功率的粗略近似法背道而驰，因为粗略近似法的步骤通常会带来更大的后果，例如，相互之间的串扰、由于较低的信号和较高的噪声之一或两者等导致的降低的信噪比。因此，期望提供对于其期望的分析具有实质上增加的多路复用的分析系统，特别是用于高度敏感的反应系统，并且在许多情况下，这样做的同时使这种增加的多路复用的负面影响最小化。
常规的光学系统采用复杂的光学序列，其引导、聚焦、过滤、分开、分离和检测到样品材料的光或来自样品材料的光。这样的系统通常采用各种不同的光学元件来引导、修改以及以其他方式操纵进入和离开反应部位的光。这样的系统通常是复杂且昂贵的，并且往往具有显著的空间要求。例如，典型的系统采用反射镜和棱镜将光从其源引导到期望的目的地。另外，这样的系统可以包括分光光学器件，例如分束棱镜或衍射光栅，以从单个原始光束产生两个或更多个光束。
已经描述了常规光学系统的替代方案，特别是具有在高度受限的环境中设计和制造的集成光学部件的替代系统。然而，持续需要提高分析系统的性能，并改进光能通过波导的传输。还持续需要提供在光源和目标波导装置之间改进的对准，特别是在包括这些部件的集成分析装置中。
发明内容
本公开通过一方面提供用于光学分析的系统来解决这些和其他需求，该系统包括：
光源，该光源构造成向自由空间发射宽带多纵向光学激发光束，以及
可移动目标波导装置，其包括：
至少一个光学耦合器，该至少一个光学耦合器构造成接收来自光源的通过自由空间的光学激发光束；
至少一个光学波导，该至少一个光学波导包括第一端；其中，该光学波导的第一端构造成接收来自至少一个光学耦合器的光学激发信号；
至少一个反应区域，该至少一个反应区域光学地耦合到至少一个波导；以及
至少一个检测器区域，该至少一个检测器区域构造成检测来自至少一个反应区域的光学发射信号。
在这些系统的一些实施例中，目标波导装置还包括：
至少一个光学分离器；
其中，至少一个光学分离器包括光学输入和多个光学输出，其中，至少一个光学分离器的光学输入光学地耦合至至少一个光学耦合器；
并且
其中，光学波导的第一端构造成通过至少一个光学分离器的光学输入，以及通过至少一个光学分离器的第一光学输出，接收来自至少一个光学耦合器的光学激发信号。
更具体地，在这些系统中的一些中，至少一个光学分离器包括2至512个光学输出。
在一些系统实施例中，至少一个光学波导包括第二端；其中，至少一个光学波导的第二端构造成接收来自光源的光学激发信号。
在更特定的系统中，目标波导装置还包括：
至少一个光学分离器；
其中，至少一个光学分离器包括光学输入和多个光学输出，其中，至少一个光学分离器的光学输入光学地耦合至至少一个光学耦合器；并且
其中，至少一个光学波导的第一端构造成接收来自至少一个光学分离器的第一光学输出的光学激发信号，并且至少一个光学波导的第二端构造成接收来自至少一个光学分离器的第二光学输出的光学激发信号。
在甚至更特定的实施例中，至少一个光学分离器包括2至512个光学输出。
在替代实施例中，目标波导装置包括：
第一光学耦合器和第二光学耦合器，
其中，光学波导的第一端构造成接收来自第一光学耦合器的光学激发信号，而光学波导的第二端构造成接收来自第二光学耦合器的光学激发信号。
根据另一方面，本公开提供了目标波导装置，包括：
至少一个光学耦合器，该至少一个光学耦合器构造成接收来自光源的通过自由空间的光学激发光束；
至少一个光学分离器，该至少一个光学分离器包括光学输入和多个光学输出，其中，该光学分离器的光学输入光学地耦合到至少一个光学耦合器；
至少一个光学波导，该至少一个光学波导包括第一端和第二端，其中，该至少一个光学波导的第一端构造成接收来自至少一个光学分离器的第一光学输出的光学激发信号，而该至少一个光学波导的第二端构造成接收来自至少一个光学分离器的第二光学输出的光学激发信号；
至少一个反应区域，该至少一个反应区域光学地耦合到至少一个光学波导；以及
至少一个检测器区域，该至少一个检测器区域构造成检测来自至少一个反应区域的光学发射信号。
在特定实施例中，该装置包括单个光学耦合器，用于将光学激发信号传递到至少一个光学波导的第一端和第二端。
在其他特定实施例中，至少一个光学分离器包括2至512个光学输出。
在另一方面，提供了用于光学分析的系统，该系统包括：
光源，该光源构造成向自由空间发射光学激发光束，以及
可移动目标波导装置，其包括：
至少一个光学耦合器，该至少一个光学耦合器构造成接收来自光源的通过自由空间的光学激发光束；
至少一个光学波导，该至少一个光学波导包括第一端；其中，该光学波导的第一端构造成接收来自至少一个光学耦合器的光学激发信号；
至少一个反应区域，该至少一个反应区域光学地耦合到至少一个波导；以及
至少一个检测器区域，该至少一个检测器区域光学地耦合到至少一个反应区域并且构造成检测来自至少一个反应区域的光学对准信号；
其中，目标波导装置或光学激发光束相对于彼此为可移动的；并且
其中，该系统构造成监测光学对准信号并且使目标波导装置或光学激发光束相对于彼此移动以增加光学对准信号。
在一些实施例中，该系统不包括对准相机。
在其他实施例中，该系统构造成相对于彼此移动目标波导装置或光学激发光束，以将光学对准信号增加到最大水平。
在其他实施例中，目标波导装置或光学激发光束可在两个维度上移动。
在一些系统实施例中，至少一个检测器区域构造成检测来自至少一个反应区域的光学对准信号和光学发射信号两者。
在其他系统实施例中，光学激发光束构造成在目标波导装置上投射至少粗照射点和细照射点，并且其中，粗照射点大于细照射点。更具体地，光学激发光束构造成在目标波导装置或光源移动的同时将粗照射点投射在目标波导装置上。
在一些系统实施例中，目标波导装置还包括定位在目标波导装置的表面上距至少一个光学耦合器一定距离处的至少一个辅助对准传感器或至少一个辅助对准耦合器。更具体地，该距离是在目标波导装置的制造期间中使用光刻法限定的，或者该至少一个辅助对准传感器或该至少一个辅助对准耦合器构造用于粗对准过程，或者该目标波导装置包括多个辅助对准传感器或多个辅助对准耦合器。甚至更具体地，多个辅助对准传感器或多个辅助对准耦合器以几何图案布置，诸如包括至少一个光学地耦合到至少一个反应区域的光学耦合器的几何图案。
在一些系统实施例中，目标波导装置包括在装置上的限定位置处的至少一个对准特征，并且其中对准特征的位置以可读格式存储在装置上。在其他系统实施例中，该系统包括位于光源和目标波导装置之间的至少一个光学元件，其中该至少一个光学元件调制光源和目标波导装置之间的光学激发光束，例如其中至少一个光学元件为透镜、偏光器、楔形物、滤波器、棱镜、反射镜或光栅。
在另一方面，本公开提供了用于使用所有上述系统和装置的方法。
例如，在一些实施例中，本公开提供了用于将光源与目标波导装置对准的方法，包括以下步骤：
提供用于光学分析的系统，该系统包括：
光源，该光源构造成向自由空间发射光学激发光束，以及
可移动目标波导装置，其包括：
至少一个光学耦合器，该至少一个光学耦合器构造成接收来自光源的通过自由空间的光学激发光束；
至少一个光学波导，该至少一个光学波导构造成接收来自至少一个光学耦合器的光学激发信号；
至少一个反应区域，该至少一个反应区域光学地耦合到至少一个波导；以及
至少一个检测器区域，该至少一个检测器区域光学地耦合到至少一个反应区域并且构造成检测来自至少一个反应区域的光学对准信号；
其中，目标波导装置或光学激发光束相对于彼此为可移动的；
监测光学对准信号；以及
使目标波导装置或光学激发光束相对彼此移动，以增加光学对准信号。
在另一方面，本公开提供了用于光学分析的系统，该系统包括：
光源，该光源构造成向自由空间发射光学激发光束，
可移动目标波导装置；
其中，该目标波导装置包括：
至少一个光学耦合器，该至少一个光学耦合器构造成接收来自光源的通过自由空间的光学激发光束；以及
至少一个光学波导，该至少一个光学波导包括第一端；其中，该光学波导的第一端构造成接收来自至少一个光学耦合器的光学激发信号；以及
至少两个平移透镜，其位于光源和可移动目标波导装置之间；其中，平移透镜控制光学激发光束在多个方向上从光源到目标波导的传递。
具体地，在一些系统实施例中，沿第一方向、第二方向和第一角度来控制光学激发光束到目标波导装置的传递。
在一些实施例中，该至少两个平移透镜包括准直透镜和物镜，并且更具体地，其中准直透镜相对于物镜的平移调制光学激发光束沿第一角度到目标波导装置的传递，或者其中物镜相对于目标波导装置沿第一空间方向的平移调制光学激发光束沿第一空间方向到目标波导装置的传递。
在一些实施例中，物镜相对于目标波导装置沿第一空间方向和第二空间方向的平移调制光学激发光束沿第一空间方向和第二空间方向到目标波导装置的传递。
在另一方面，提供了用于光学分析的系统，该系统包括：
光源，该光源构造成向自由空间发射光学激发光束，
可移动目标波导装置；
其中，目标波导装置包括：
至少一个光学耦合器，该至少一个光学耦合器构造成接收来自光源的通过自由空间的光学激发光束；以及
至少一个光学波导，该至少一个光学波导包括第一端；其中，该光学波导的第一端构造成接收来自至少一个光学耦合器的光学激发信号；
第一平移透镜，其位于光源和可移动目标波导装置之间；和
第一偏心凸轮；其中，第一偏心凸轮控制第一平移透镜沿第一方向的位置。
在实施例中，第一偏心凸轮由第一步进马达驱动，更具体地，其中第一步进马达为固定的。
在其他实施例中，第一偏心凸轮通过附接到第一平移透镜的第一台控制第一平移透镜的位置，或者第一透镜具有最多10mm的行程，或者第一透镜具有至少1μm的运动分辨率。
在一些实施例中，系统还包括第二偏心凸轮，其中，第二偏心凸轮控制第一平移透镜沿第二方向的位置，更具体地，其中，第二方向与第一方向正交，或者其中，第二偏心凸轮由第二步进马达驱动，并且更具体地，其中第二步进马达为固定的，并且特别地，其中第二偏心凸轮的移动不影响第一平移透镜沿第一方向的位置。在特定实施例中，第二偏心凸轮通过附接到第一平移透镜的第二台来控制第一平移透镜的位置。
一些系统实施例还包括第三偏心凸轮，其中，第三偏心凸轮控制第二平移透镜的位置，并且更具体地，还包括第四偏心凸轮，其中第四偏心凸轮控制第二平移透镜的位置，特别地，其中第一平移透镜为准直透镜，而第二平移透镜为物镜。
附图说明
图1示出了包括光学波导装置的系统、设备或设备的一部分。
图2示出了概述提出的用于时间相关的反向反射的机制的流程图。
图3示出了集成分析装置的框图。
图4示出了用于执行光学分析的装置架构的示例。
图5示出了用于四色分析的集成装置的示例。
图6示出了代表性的平面光波电路(PLC)。
图7示出了通过反向传播的光束形成驻波并通过使用具有不同波长的光束来减轻所产生的干扰。
图8A示出了DNA测序波导装置的设计，其中通过使从具有不同平均输出波长(530nm和532nm)的两个单空间模式激光器发射的光束反向传播来提供激发。
图8B示出了DNA测序波导装置的设计，其中通过反向传播从单分束多个纵向模式激光器发射的光束来提供激发，该光束例如具有约522nm的输出波长。
图9示出了用于将光发送到波导中并且测量随时间透射的光量以及随时间反射的光量的设置。
图10A至图10D示出了光源的设计和使用，其中通过两个平移透镜在多个维度上控制输出光束。
图11A至图11F示出了包括马达驱动的偏心凸轮的高精度透镜致动系统的设计特征。
图12示出了一组测量，其示出了时间相关的反向反射和发射功率的减小。
图13示出了具有多个纵向模式的照射光在520nm附近的光谱，用于减少或消除光学波导中的链路效率变化(LEV)。
图14示出了通过波导随时间的传输功率，表明在使用具有多个纵向模式的光的系统中未观察到LEV。
图15示出了具有与图13相同的波导的对照实验，用具有单个或仅数个纵向模式的激光照射。
图16示出了DNA测序波导装置的信噪比热图，其中通过来自单分束多模激光源的反向传播的光来提供激发。
图17示出了激光器功率对照射光的光谱带宽的影响。
图18示出了激光器功率对来自DNA测序波导装置的信噪比热图的影响。
图19示出了激光相干性、光学模式、光谱宽度和光程差之间的关系。
图20示出了在使用波导装置的DNA测序反应中，激光器功率和光谱宽度对测序精度的影响。
图21A至图21C示出了在不使用对准相机的情况下实现激光束与目标波导上的输入耦合器之间的粗对准的要求。
具体实施方式
概述
在一些方面，本公开提供了使用波导照射用于改进的荧光分析的系统、装置和方法。我们已经发现，当使用具有单一波长的激光照射时，一些波导表现出随时间变化的反向反射。例如，已经使用由可见光波长范围内的激光照射的SiON波导观察到这种情况。这种反向反射是不期望的，因为它减少了由波导传输的光量。另外，这种反向反射可能是不期望有的，因为它能够引起其他问题，例如被传输回激光器，造成不稳定和激光器损坏以及有效区域照射的时间和空间变化。这种可变的反向反射称为链路效率变化或LEV。
先前已经在例如美国专利申请公开No.2016/0216538中描述了这种链路效率变化问题，该专利描述了一种用于LEV的解决方案，该解决方案涉及随时间调制照射波导的光。已经发现，虽然波长的时间调制能够解决LEV问题，但是存在一些缺点。一方面，具有随时间的波长调制能力的激光器是昂贵的，并且由于它们对于其应用的目的而言可能是非标准的，因此需要花费时间和精力来获得如下的激光器：具有所有期望的特性，例如，波长和功率并且还具有随时间进行波长调制的能力，如美国专利申请公开No.2016/0216538中所述的，该专利的全部内容通过引用并入本文。
本发明人正在寻求在不必使用具有时间调制波长的光源的情况下解决LEV问题。本发明人已经发现，可以通过其他方法来减少或消除LEV，例如通过使用在窄的波长范围内表现出多个纵向模式的光源来照射波导。发明人还发现，使用具有多个纵向模式的光源能够在目标装置中使用单个光源，该目标装置具有被反向传播的光束照射的波导，而对系统性能的影响最小。
尽管不受理论的束缚，但认为能够由照射光在布拉格光栅的波导内形成而引起LEV。即，来自具有单一波长的激光器的照射光以与光的波长相对应的间隔将光栅“写入”到波导中。具有此间隔的光栅将导致一些穿过波导的光的反向反射。在一些情况下，认为反向反射的光会进一步增强光栅，从而产生更多的反向反射的光。另外，已经看到的证据是，如上所述的“写入”到波导中的光栅可以通过暴露在与形成它的波长不同的波长的照射光中而被擦除。
已经发现，通常，LEV在较低波长的光(具有较高能量的光子)中更普遍，并且在波导中以较高激光器功率更普遍。还已经发现，通过使用具有本文所述的适当特性(包括多个纵向模式的输出)的激光照射，能够减少LEV，并且在一些情况下，能够有效地消除LEV。
尽管不受理论的束缚，但认为通过提供具有多个纵向模式的照射光，能够通过具有略微不同波长的其他模式的存在来抑制布拉格光栅通过一种模式在波导中的形成。即，每个纵向模式本身都会趋向于写入布拉格光栅，这将导致LEV和反向反射。然而，波长相隔较小量的另一纵向模式的存在将倾向于抑制由另一纵向模式引起的布拉格光栅的显影(development)。在一些情况下，甚至能够通过使两个纵向模式相距10pm或更多，来减少可见光的LEV。在一些情况下，具有两种以上的模式能够使LEV降低更大。在一些情况下，存在4个或更多个纵向模式，在一些情况下，存在8个或更多个纵向模式，在一些情况下，存在大于20个纵向模式。在一些情况下，存在2到500个纵向模式。例如，纵向模式的数量可以是至少2个、至少3个、至少5个、至少10个、至少15个、至少20个、至少30个、至少50个或甚至更多。
关于LEV的抑制，可以使用任何合适数量的纵向模式。但是，如果纵向模式的数量导致照射波长范围过宽，则可能会对系统造成其他有害影响。例如，在经由耦合器将光发射到目标波导(例如目标分析装置上的波导)的情况下，该耦合器通常设计为将特定范围波长的光发射到波导中。如果从自由空间进入耦合器的光的波长范围太宽，则一些波长将无法有效地耦合到波导中，从而降低了系统的效率。例如，一些光学耦合器将接受一纳米波长范围内的光而不会显著损失光，但是如果波长范围为20nm或更大，则可能会造成显著损失。尽管对于一些应用来说，这种光损失可能不会影响光学系统的整体性能，但通常仍期望将光损失降至最低。本发明人已经发现，通过将纵向模式的波长范围保持在约20nm以下，能够在保持可接受的光学耦合效率的同时显著减小甚至消除LEV。选择的波长范围可以取决于系统的各个方面，包括耦合器的设计。在一些情况下，纵向模式的波长范围低于约10nm，在一些情况下，纵向模式的波长范围低于约5nm，在一些情况下，纵向模式的波长范围低于约2nm，在一些情况下，纵向模式的波长范围低于约1nm，或者甚至更低。
虽然本公开的光源，例如激光器或激光二极管源优选地具有多个纵向模式，但是这些光源通常还通常具有基本上单一的横向模式。换言之，光源提供仅具有最低阶基本模式(即，TEMoo)的高斯光束。这样的源是优选的，因为通常在本公开的荧光分析系统中使用的波导设计成承载单一空间模式。对于这些单模波导，以其他空间模式到达耦合器的光将不会耦合到波导中，或者会迅速在波导中耗散，因为波导将不支持其传输。在一些情况下，本公开的光源将发射不只一种横向模式，并且因此效率的损失将需要为容许的。但是，已经发现期望存在仅以一种模式(通常称为高斯或基本模式)发射大量光的光源。在一些情况下，大于10％的光强度处于单一横向模式，在一些情况下，大于50％的光强度处于单一横向模式，在一些情况下，大于80％的光强度处于单一横向模式。
因为LEV反向反射倾向于随时间增加，所以对于给定的应用，需要控制LEV的程度可以取决于测量的持续时间。例如，对于单分子核酸测序，照射通常持续超过10分钟，并且在一些情况下，照射持续数小时，例如在一些情况下持续10小时或更长时间。在本公开的教导内，可以调节光源(例如激光源)的参数以实现具有期望性能的所需LEV抑制。例如，本领域技术人员可以设置纵向模式的数量以及模式之间的间隔，以实现最佳的总体性能。
本文所述的方法可以与易受这种与时间有关的反向反射现象影响的任何合适的波导一起使用。例如，本发明的方法可以与例如用于分析的目标波导装置一起使用，其中，波导将照射光提供给反应区域或井(wells)，以对反应区域或井中的样品进行荧光测量。
虽然本文在荧光分析系统的上下文中进行了描述，但是所公开的系统和方法也可用于改进经由波导携带光能的任何类型装置的有效性。对于包含透射可见光范围内的光(例如，透射约450nm至约700nm的光)的波导的装置，这能够特别有用。对于在诸如硅芯片的半导体芯片上制造的波导，尤其是具有SiON芯的这种波导，能够是有用的。示例是测量荧光水平的分析装置以及在可见光范围内使用的平面光电路(PLC)装置，波导为分析装置提供可见光范围内的激发照射。
图1示出了与本公开相关的系统或装置，或系统或装置的一部分。用作光源的激光器或激光器系统110向自由空间中发射照射光115，也称为光学激发信号或光学激发光束。如该图所示，在一些情况下，激光器110可以将光115直接发射到自由空间中。在其他情况下，激光器110包括其他光学元件，光在被发射到自由空间中之前通过该光学元件行进。例如，在将照射光115发射到自由空间中之前，激光器随附的其他光学元件可以包括光纤、PLC或两者的组合。在一些情况下，从激光器发出的照射光直接发送到目标，例如直接发送到目标装置170。通常，照射光115将穿过一个或多个光学元件120，该光学元件120用于在到达目标之前对照射光的性质进行整形、操纵或以其他方式控制。已经由一个或多个光学元件120整形的照射光117耦合到波导140中。光通过波导140传输到目标装置上的关注区域150。通常，如此处所示，使用耦合器130(例如光栅耦合器)将照射光发射到波导中。尽管示出了光栅耦合器，但是应当理解，可以使用任何类型的耦合器、棱镜或其他界面光学元件或方法，包括例如直接对接耦合，将来自光源的光学激发信号引导到波导中。
关注区域150具有多个反应区域155，例如纳米井或零模波导(ZMW)。波导140通常在反应区域155下方延伸，从而利用消散波照射从下方照射反应区域。优选地，反应区域包含荧光反应物，当荧光反应物由消散波照射激发时，荧光反应物发射荧光190，荧光190可以被检测以便进行所需的分析(例如，核酸测序)。在一些情况下，如此处所示，目标装置还具有集成传感器180。从反应区域发射的荧光向下穿过装置，以在单个像素或像素组185处被检测。在例如美国专利公开No.2008/0128627、2012/0085894、2016/0334334、2016/0363728，2016/0273034、2016/0061740和2017/0145498中描述了这样的用于荧光分析的集成目标装置，这些专利均通过引用全文并入本文。包括集成传感器的目标装置通常还将包含电输出175。例如，集成传感器检测并处理光学发射信号，然后通过一个或多个电输出将与检测到的信号有关的电子数据发送到装置之外。电输出可以例如是硅芯片上的接合焊盘，这些接合焊盘通常引线接合到芯片封装，并且芯片封装将具有用于传递来自芯片的电子信号的电子输出。通常将电子信号发送到计算机(未示出)，计算机处理接收到的信号以执行所需的分析。
通常期望的是，当波导将光传输到关注区域时，波导(例如图1中的波导140)将具有高水平的光传输，即，低水平的光损失。如上所述，已经发现，在一些情况下，当使用来自激光器的单个波长的光连续照射时，目标装置内的一个或多个波导将在一些条件下表现出与时间有关的反向反射。已经看到，这种反向反射可能是显著的，在一些情况下会导致超过90％的光损失。即使在光损失不那么大的情况下，从提高给定水平的传输光对照射功率的要求方面以及从重新定向的光的不利影响来看，反向反射也可能成为问题。例如，LEV可引起照射的时间和空间变化，这使得难以可靠地检测来自由波导照射的反应区域的荧光信号。在一些情况下，链路效率变化可能是由于耦合到辐射模式而没有反向反射引起的。
如上所述，本发明人有用地发现，可以通过使用来自光源的照射光来减少或消除波导中的反向反射，其中照射光包括在窄波长范围内的多个纵向模式。作为背景技术，应当理解，在目标装置上使用为单模波导的波导可能是有用的。通常，在使用这种单模波导的情况下，引入这些波导中的光来自具有单一纵向模式(即，单一波长)的激光器。本发明人已经发现，通过使用具有多个纵向模式的光源能够改进光通过单模波导的传输。尽管在一些应用中存在多个纵向模式可能会出现问题，但在荧光分析系统的情况下，发明人发现使用具有多个纵向模式的照射光可以在不显著降低性能的情况下进行，因为荧光标记的激发光谱通常跨越相对较大的波长范围，因此，可以使用20nm或更大数量级的照射波长范围，而不会显著降低荧光标记的激发。另外，荧光标记的发射光谱通常对照射光的波长相对不敏感，因此，如本公开中所描述的照射波长的散布对于发射的荧光的检测不会产生任何新的问题。
目标装置上的波导可以是任何合适的波导，包括光纤、平面波导或通道波导。通常，使用通道波导。该波导优选地是单模波导，但是对于一些应用该波导可以是多模波导。
在图1中，波导140示出为在目标装置上，该目标装置可以是半导体芯片，例如硅芯片。关于本发明关注的特定系统是SiON波导，例如在硅芯片上形成的那些SiON波导。该SiON波导将具有SiON的芯，并且通常被较低折射率的覆层材料例如二氧化硅(SiO2)包围。如本领域中已知的，可以在沉积工艺中形成SiON，并且可以调节元素的比例以控制波导的光学性质。例如，可以改变氧与氮的比例，以改变膜的折射率。对于本发明的SiON波导，通常将组合物控制为具有大于约1.6，大于约1.7或大于约1.8的折射率。可以例如在钠D线处测量折射率。
图2示出了概述提出的用于观察到的时间相关的反向反射或LEV的机制的流程图。不受理论的束缚，认为在波导内形成了驻波图案(步骤I)。驻波图案可以例如通过缺陷的反向散射或波导布线图案的一部分(例如出口小平面)的反射来形成。在步骤II中，发生影响UV颜色中心的材料响应(例如2光子吸收)。然后，UV吸收变化会导致照射波长处的折射率发生变化。材料响应会导致折射率发生变化，从而导致光记录的体积相位布拉格光栅(步骤III)。布拉格光栅会导致更多的光通过反射返回(步骤IV)。增加的返向行进光增强了驻波图案(步骤V)。可以看出，该步骤以初始光栅变得越来越有效的方式自身反馈，从而越来越高比例地返回光。这种可能的机制与在这种系统中实验观察到的时间相关的反向反射一致。
对上述机制的理解为本发明人提供了对于如何通过使用多个紧密间隔的纵向模式进行照射以防止反射光栅堆积来解决该LEV问题的见解。想象一下，具有单一纵向模式的激光器作为起点。如本文所述，添加一个或多个相邻的纵向模式，每个纵向模式具有相对接近于第一波长的不同波长。添加的纵向模式每个都具有略微不同的波长，因此这些模式将不会与第一个模式结合以写入相同的光栅，并且在某种程度上，单独每种模式都会创建光栅，每种模式都倾向于擦除另一附近模式的光栅。除此之外，已经观察到如本文所述的波导中布拉格光栅的形成取决于光源的功率。当以多个纵向模式提供光学激发光束时，光学信号的功率被分配。与所有能量处于单一模式的情况相比，对光学激发信号的功率进行分配导致每个模式具有更低的功率，因此每个模式首先不太可能写入光栅。在一些情况下，光栅对功率的影响大于线性。例如，已经观察到LEV似乎依赖于功率平方的状况。在例如这种状况下，可以看出，通过将功率分成多种模式，能够大大减少布拉格光栅的形成。例如，与功率全部处于单一纵向模式相比，在这种状况下，从一种纵向模式变为四种纵向模式(例如每个模式间隔30pm，但是每个模式具有基本相同的强度)，每个模式现在形成光栅的可能性降低了16倍。
波导寻址分析系统
在一些方面，本公开针对用于执行分析操作，特别是化学、生物化学和生物反应的光学分析的改进的系统、装置和方法，以用于化学、生物、医学以及其他研究和诊断应用。本公开的系统、装置和方法特别适合于集成分析部件中的应用，例如，其中整个分析系统的多个功能部件共同集成在单个模块化部件中的应用。然而，如阅读以下公开内容将清楚的，本发明的许多方面将在这种集成装置和系统之外具有广泛的用途。
通常，作为本公开的主题的光学分析试图从关注的反应中收集并检测一个或多个光学发射信号，所关注的反应的出现或消失或其位置指示给定的化学或生物反应和/或样品材料中是否存在给定物质。在一些情况下，反应物、其产物或其他关注的物质(在本文中全部称为反应物)固有地具有能够检测到的光学可检测信号。在其他情况下，为反应物提供外源标记基团以促进其检测。
核酸测序
如本领域普通技术人员所理解的，荧光标记的核苷酸用于多种不同的核酸测序分析中。例如，在一些情况下，这种标记用于监测引物延伸反应中核苷酸的聚合酶介导的、模板依赖性的结合。特别地，可以将标记的核苷酸引入引物模板聚合酶复合物中，并且能够检测标记的核苷酸向引物中的结合。如果将特定类型的核苷酸结合在给定位置，则表明模板分子序列中的基础核苷酸和互补核苷酸。在传统的Sanger测序过程中，结合的标记核苷酸的检测利用终止反应，其中标记的核苷酸带有终止基团，终止基团阻止了引物的进一步延伸。通过将标记的终止核苷酸与未标记的天然核苷酸混合，产生了在不同核苷酸处终止的嵌套片段集。然后，可以通过毛细管电泳或其他合适的技术分离这些片段，以区分那些通过单个核苷酸相异的片段，然后可以按片段大小递增的顺序读取片段的标记，以提供片段的序列(如由最后添加的、标记的终止核苷酸表示的)。通过在所添加的每种核苷酸类型上提供不同的荧光标记，可以容易地区分序列中的不同核苷酸(参见，例如，美国专利No.5,821,058，出于所有目的通过引用将其全文并入本文)。
在一些测序技术中，将引物-模板复合物的阵列固定在基底的表面上，使得单个分子或单个和均质的分子组(克隆群体)分别在空间上与其他单个分子或分子组离散。以导致将单个核苷酸添加到每个单独的分子或分子组的方式添加标记的核苷酸。在添加核苷酸之后，检测并识别标记的添加。
在一些情况下，测序分析利用一次添加单一类型的核苷酸，随后进行洗涤步骤。然后检测添加的标记核苷酸，去除其标记，并使用不同的核苷酸类型重复该过程。各个模板序列的序列由标记在基底上给定位置出现的顺序确定。
在其他类似情况下，使固定的复合物与所有四种类型的标记核苷酸接触，其中每种类型的核苷酸带有可区分的荧光标记和终止子基团，终止子基团防止在给定步骤中添加一个以上的核苷酸。
在每个单独的模板序列(或模板序列组)中单次结合后，将未结合的核苷酸洗掉，并扫描固定的复合物以识别在每个位置添加了哪个核苷酸。重复该过程产生每个模板序列的序列信息。在其他情况下，使用了四种以上的标记核苷酸。
在特别简洁的方法中，在结合过程本身期间，通过单独的分子复合物实时检测标记的核苷酸。在例如美国专利No.7,056,661中描述了这样的方法，该专利出于所有目的通过引用整体并入本文。在这些过程中，在结合过程中释放的末端磷酸酯基团上标记核苷酸，以避免标记在延伸产品上的积累，从而避免可能对复合物不利的任何需要标记去除的过程。在聚合过程期间观察到了引物/模板聚合酶复合物，并通过其相关标记检测到添加的核苷酸。在一个特定方面，使用光学限制结构如零模波导(参见，例如，美国专利No.6,917,726，其出于所有目的通过引用整体并入本文)来观察标记的核苷酸，该光学限制结构限制激发辐射暴露于紧邻单独的引物/模板聚合酶复合物的体积。结果，只有在结合期间由聚合酶保留的标记核苷酸才暴露于激发照射一段时间，该段时间足以产生荧光并且从而识别出所结合的核苷酸。在另一种方法中，核苷酸上的标记构造成与复合物上或附近的互补基团相互作用，例如，连接到聚合酶上，其中相互作用提供独特的信号。例如，可以向聚合酶提供在第一波长激发并在第二波长发射的供体荧光团，而待添加的核苷酸使用在第二波长激发但在第三波长发射的荧光团标记(参见例如，美国专利No.7,056,661，先前已并入本文)。结果，当核苷酸和聚合酶彼此足够靠近以允许能量从供体荧光团转移到核苷酸上的标记时，产生独特的信号。再次，在这些情况下，各种类型的核苷酸设置有独特的荧光标记，这些荧光标记允许通过其标记的光谱或其他光学特征来识别。
在上述各种示例性过程中，检测到来自反应区域的信号事件指示反应已经发生。此外，对于许多上述过程，通过区分信号事件的光谱特性还实现了反应性质的识别，例如，在给定时间在引物延伸反应中添加了哪种核苷酸或与模板分子中给定位置互补的核苷酸。
本公开的整个系统的光程起到如下的一种或多种作用：将激发辐射传递到反应区域，例如以激发荧光标记的分子，这些分子随后发射相关的光学发射信号；将从反应区域发射的光学信号传输到检测器；以及对于多光谱信号(即，可以通过其发射光谱区分的多个信号)，将那些信号分离，使得例如通过将不同的信号定向到不同检测器或同一检测器阵列上的不同区域而可以进行差分检测。然后将差分检测的信号与反应的发生(例如，在给定位置添加核苷酸)以及反应性质的确定(例如，将添加的核苷酸识别为特定的核苷酸类型，诸如腺苷)相关联。
在用于核酸测序的常规的、完全自由空间的分析系统中，用于将激发光传递到反应区域以及将光学信号从反应区域传输到检测器的光学序列能够优选地使得整个系统的大小、复杂性以及成本方面减少。例如，这样的光学序列可以包括透镜、色散元件、光束分离器、扩束器、准直器、空间和光谱滤波器以及二向色镜的集合，它们都被组装以将作为目标的且均匀的照射分布传递到不同的反应区域。在大规模系统中，必须制造、组装和调节这些部件，以确保适当对准、聚焦以及与其他光源和振动源隔离，以优化激发光到反应区域的传输。随着寻址反应区域数量的增加，或系统对激发光强度变化的敏感度的提高，解决这些问题和其他问题变得更加重要，并且通常还涉及在光学序列中包含其他元件部分，例如对准和聚焦机构、隔离结构等。
关于光学发射信号的收集和检测，常规系统通常采用如下的光学序列：例如通过物镜系统从反应区域收集发射的光学信号，通过一个或多个滤波器级传输各种不同的信号，这些滤波器级通常由一个或多个二向色镜构造，该二向色镜可差分地传输和反射不同波长的光，以便将光谱不同的光学信号定向到不同的检测器或给定检测器上的多个区域。然后检测到这些分离的光学信号，并将其用于识别引起此类信号的反应的性质。应理解，这种差分定向光学器件的使用以多个检测器、多个透镜和滤波器系统的形式，给整个系统带来了大的空间、尺寸和成本要求，以及在许多情况下复杂的对准和相关问题。当光学序列与激发照射共享一个或多个子路径时，许多这些困难进一步加剧，因为信号处理将包括从每个检测到的信号中分离出背景激发照射这样进一步的要求。
再次，与上面的激发光学序列一样，随着系统的灵敏度和多路复用的增加，增加了这些系统中必须解决的问题，从而增加了已经很复杂的光学序列的复杂性。此外，光学序列中的光学部件的数量越多，将不期望的扰动引入该系统中的风险以及由此产生的检测信号的能力就越大。例如，光学元件中的光学像差给信号检测带来额外的困难，光学元件也可以向光学序列中注入一定水平的自发荧光，然后必须将自发荧光与信号事件区分开。
在一些实施例中，本公开的系统还包括计算机，该计算机从检测器或检测器的区域接收至少一个电子信号，例如上述检测到的信号，并分析该至少一个电子信号。更具体地说，如本领域普通技术人员所理解的，由计算机执行的分析可以包括从电子信号获取核酸测序信息。
反向传播波导照射
除了减小LEV之外，本发明人还有用地发现，使用具有多个纵向模式的光源能够使用单个光源从波导的两端对目标波导进行照射，而不会由于光干扰导致照射显著减少。作为背景，在一些情况下可能期望从波导的两端照射跨越多个反应区域延伸的波导。这样做例如是为了改进跨越反应区域或井的照射的一致性。具体地说，对于典型的波导，当光沿波导向下传播时，会损失一些光强度。与发射光的波导端部处的反应区域的照射水平相比，这种强度损失导致波导远端处的反应区域的照射水平更低。能够通过从两端照射波导来改善强度损失。但是，当使用来自具有单一纵向模式的一个激光器的光照射波导的两端时，两个照射序列之间可能会有干涉，这可能会由于照射中的时间和空间变化而对光学分析造成不利影响。本发明的发明人已经发现，本文描述的光源(例如，在相对窄的波长范围内具有多个纵向模式的激光器)可以以明显更少的干扰用于这种两端照射。这种方法允许使用单个光源(例如单个激光器)进行两端照射，而不依靠需要使用波长略有不同的两个光源、每个波导端部一个光源的解决方案。
在一些情况下，用于减少或消除两端照射中的干扰的纵向模式的最佳数量可以不同于用于减少或消除LEV的纵向模式的最佳数量。特别地，为了减少或消除干扰，通常期望照射激光器具有至少8个纵向模式。纵向模式至少相隔10pm，最弱模式的强度为最强模式的强度的20％或以上。在一些情况下，最弱模式的强度为最强模式的强度的50％或以上。纵向模式的最佳数量的确定、模式的分离以及每种模式的强度是本领域普通技术人员所知道的。参见，例如，Saleh and Teich(1991)Fundamentals of Photonics,ch.10,John Wiley&Sons,Inc.，其描述了在这种计算中使用的时间相干性函数。
为了使用反向传播方法，通常将来自光源的光分成多个光束，每个光束被发送到芯片上相应的多个耦合器，每个耦合器将光发射到相应的多个波导中。对于给定的一对耦合器，一个耦合器将光注入到被路由以照射照射波导一端的波导中，而另一耦合器将光注入到被路由以照射照射波导另一端的波导中。参见例如下面的图8B。在其他情况下，将来自单个耦合器的照射光在芯片内路由，以使照射波导的两端都被照射。可以使用例如与输入耦合器相关联的光学分离器并将该光学分离器内的光分成两个或多个输出以传送到波导的各个端部来实现这种路由。(有关更多详细信息，请参见下面的内容。)
集成装置
本公开的一些装置和方法集成在小规模的分析装置中，该小规模的分析装置任选地还包括一个或多个反应区域、流体成分、以及激发照射路径和任选地激发照射源。将一些或全部上述部件集成到单个小型分析装置中，解决了较大的非集成分析系统面临的许多问题，例如尺寸、成本、重量、与长路径或自由空间光学器件相关的低效率等。例如，在美国专利公开No.2008/0128627、2012/0085894、2016/0334334、2016/0363728，2016/0273034、2016/0061740和2017/0145498中描述了高度多路复用的分析系统，该系统包括用于纳米级样品的照射的集成波导，这些专利均通过引用全文并入本文。在美国专利公开No.2012/0014837、2012/0021525和2012/0019828中描述了用于分析纳米级样品的其他光学系统，包括对此类样品的照射和检测，这些专利均通过引用全文并入本文。在美国专利公开No.2014/0199016和2014/0287964中描述了用于高度多路复用分析的其他纳米级照射系统，这些专利均通过引用全文并入本文。
在例如美国专利申请公开第2012/0014837、2012/0019828和2012/0021525中描述这种集成系统的其他示例，这些专利均通过引用全文并入本文。通过将检测元件与反应区域直接或作为耦合部分集成在一起，能够去除自由空间光学系统所需的许多各种部件的需求，例如许多传输光学器件、透镜、反射镜等。由于通过将检测元件与反应区域直接集成来实现对准，因此还能够消除其他光学部件，例如各种对准功能性。本公开的系统、装置和方法通过在更大程度上简化分析装置的光学部件能够进一步改进这种装置所提供的益处，进一步降低这种装置的成本和复杂性以及改进过程中可利用的信号。
根据本公开的分析系统采用一个或多个分析装置。在示例性实施例中，系统包括形成为单个集成装置的分析装置的阵列。示例性阵列配置为用作一次性消耗品。在各种实施例中，集成装置包括其他成分，这些其他成分包括但不限于局部射流(local fluidics)、电连接、电源、照射元件、检测器、逻辑、以及处理电路。每个分析装置或阵列配置用于执行如上所述的分析操作。
尽管系统中每个装置的部件和装置的配置可以变化，但是系统内的每个分析装置可以至少部分地包括图3中的框图所示的一般结构。如图所示，分析装置300通常包括反应单元302，反应物布置在反应单元302中并且从反应单元302中发出光学发射信号。“反应单元”理解为通常用于分析和化学领域中，并且是指发生关注的反应的位置。因此，“反应单元”可以包括完全自包含的反应井、容器、流动单元、腔室等，例如，被一个或多个结构性屏障、壁、盖等封闭，或者“反应单元”可以包括基底上和/或给定反应井、容器、流通单元等内的特定区域，例如，相邻反应单元之间没有结构限制或封闭。反应单元可以包括增强反应或其分析的结构元件，例如光学限制结构、纳米井、柱、表面处理，诸如疏水或亲水区域、结合区域等。
在各个方面，“分析装置”是指反应单元和功能地连接的相关部件。在各个方面，“分析系统”是指一个或多个相关的分析装置和相关的部件。在各个方面，“分析系统”是指包括分析系统和其他用于执行分析操作的仪器的较大的系统。例如，在一些情况下，本发明的分析装置是分析仪器或分析系统的一部分。分析装置能够可移除地耦合到仪器中。在分析装置与系统耦合之前或之后，可使试剂与分析装置接触。该系统可以向分析装置提供电信号和/或照射光，并且可以从分析装置中的检测器接收电信号。仪器或系统可以具有计算机，以操作、存储和分析来自装置的数据。例如，该仪器可以具有识别核酸测序反应中添加的核苷酸类似物的顺序的能力。例如，可以如美国专利No.8,182,993中所述进行识别，该专利出于所有目的通过引用并入本文。
在一些情况下，可以将关注的反应中涉及的一种或多种反应物固定、夹带或以其他方式定位在给定反应单元内。有多种技术可用于定位和/或固定反应物，包括通过共价或非共价连接的表面固定；基于珠或颗粒的固定，然后定位珠或颗粒；在给定位置夹带在基质中，等。反应单元可以包括分子的集合体，例如溶液或分子斑块，或者反应单元可以包括单独的分子反应复合体，例如，参与关注的反应的每个分子中的一个分子为复合体。类似地，本发明的整个装置和系统可以包括单独的反应单元，或者可以包括集成结构(例如多壁或多单元板、芯片、基底或系统)中反应单元的集合、阵列或其他组群。这种阵列的反应单元的一些示例包括核酸阵列芯片，例如
阵列(Affymetrix，Inc.)、零模波导阵列(如本文其他地方所述的)、微井板和纳米井板、多通道微流体装置，例如，
装置(Caliper Life Sciences，Inc.)，以及各种其他反应单元中的任何一个。在各个方面，“反应单元”、测序层和零模波导类似于美国专利No.7,486,865中描述的那些，该专利的全部内容出于所有目的通过引用并入本文。在一些情况下，这些阵列的装置可以在单个集成的整体装置(例如单个波导层)内共享光学部件，以将激发光传送到每个反应区域。在美国专利No.8,207,509和8,274,040中提供了用波导照射分析装置的方法，这些专利出于所有目的通过引用各自并入本文。
尽管分析系统可以包括具有单个波导层和反应单元层的分析装置的阵列，但是可以理解的是，可以在波导阵列基底和覆层/反应单元层中使用多种层组成，同时仍实现本发明的目标(例如，参见美国专利No.7,820,983，出于所有目的通过引用并入本文)。
分析系统通常包括一个或多个如图3所示的分析装置300，分析装置300具有检测器元件320，该检测器元件320布置成与反应单元302光学连通。反应单元302与检测器元件320之间的光学连通可以由光学序列304提供，该光学序列由一个或多个光学元件组成，通常以306、308、310和312表示，以将信号从反应单元302有效地引导至检测器320。根据应用的具体情况，这些光学元件通常可以包括任何数量的元件，例如透镜、滤波器、光栅、反射镜、棱镜、折射材料等，或这些的各种组合。除了用于将光学发射信号从反应区域引导到检测器的部件之外，芯片还可以具有用于将照射光传送到反应区域以执行荧光测量的光学部件。
在多种实施例中，反应单元302和检测器元件320与一个或多个光学元件一起设置在集成装置结构中。通过将这些元件集成到单个装置架构中，能够提高反应单元和检测器之间的光学耦合效率。如本文所使用的，当涉及分析装置的不同部件时，术语“集成”通常是指彼此耦合从而相对于彼此不动的两个或更多个部件。这样，集成的部件可以不可逆地或永久地集成，这意味着分离会损坏或破坏一个或两个元件，或者集成的部件可以可移动地集成，其中一个部件可以从另一部件拆卸，当它们集成在一起时，它们相对于彼此基本上保持不动。在一些情况下，这些部件被集成在诸如在单个硅芯片中，例如作为单个制造的装置。在一些情况下，检测器部分是单独仪器的一部分，反应单元部件是可拆卸装置(例如可拆卸芯片)的一部分。在反应单元部件位于与检测器部件分开的芯片中的情况下，用于将光学发射信号从反应单元定向到检测器的光学元件部件可以位于反应单元部件中、检测器部件中、或者为组合，其中一些部件位于反应单元部件中，而其他部件位于检测器部件中。
对于本公开的装置、方法和系统，即使在检测器是仪器的一部分并且与反应单元部件分离的情况下，反应单元部件通常也将直接放置在检测器上，并且在反应单元部件和检测器部件之间具有最小开放空间。在一些情况下，反应单元部件和检测器部件之间的空间将小于1微米、小于10微米、小于100微米或小于1毫米。
反应单元部件通常将具有对准结构，以允许反应单元与反应单元对应的检测器部分的精确对准。
在反应单元部件、光学部件和检测器不可逆地或永久地集成到单个集成装置中的情况下，则可以通过整体形式来制造这种装置，或者可以分别制造两个或多个部件，并且将两个或多个部件连接在一起以形成单个装置。单独部件之间的连接可以通过任何合适的方法来实现，包括粘合和晶圆接合。
可以根据应用来选择是将所有部件集成到单个装置中还是将检测器部件分别与仪器相关联。永久集成装置方法的优势在于，可以在可控制的条件下以与反应单元和其他部件紧密接触的方式制造检测器，以实现精确对准(registration)。检测器不集成到反应单元芯片中而是仪器的一部分的方法具有以下优点：检测器可以与不同的反应单元部件一起反复使用。
在常规的光学分析系统中，通常将离散的反应容器放置在光学仪器中，这些光学仪器仅利用自由空间光学器件将光学信号往返于反应容器和检测器进行传输。这些自由空间光学器件往往包括更高质量和体积的部件，并具有自由空间接口，这些接口导致了此类系统的许多缺点。例如，鉴于从这些较高质量的部件引入了不期望的泄漏路径，这样的系统具有更大的光损失倾向。它们通常还会引入更高水平的自发荧光。所有这些固有的弱点都会降低系统的信噪比(SNR)，并降低其整体灵敏度，进而会影响系统的速度和处理量。另外，在多路复用应用中，来自多个反应区域(即，多个反应单元，或单个单元内的多个反应位置)的信号通常穿过公共光学序列或光学序列的公共部分，这些公共光学序列或光学序列的公共部分使用该序列中将成像到探测器平面上的光学元件的全部体积。结果，这些光学部件中的光学像差(例如衍射、散射、像散和彗差)的存在使信号幅度和跨越视场中信号劣化，导致更大的噪声贡献和检测信号之间的串扰。
根据本公开的分析系统和装置通常包括反应区域、如下的容器或区域：与检测部件或传感器物理地集成在一起，或者设置为与检测部件或传感器足够邻近并且感测连通，以提高性能。
在一些情况下，反应区域包括纳米级井，例如，线性尺寸不大于500nm的纳米级井。本公开的系统和装置的纳米级井可以例如是具有约50nm至200nm之间的底座直径的圆柱形。井的深度可以例如为约50nm至约400nm。在一些情况下，反应区域可以包括零模波导(ZMW)。在例如美国专利No.7,170,050、7,486,865和8,501,406中描述了零模波导，每个专利均通过引用全文并入本文。
此类装置试图利用其中发生信号产生反应的反应区域或容器与感测那些信号的检测器或检测器元件的接近性，以便利用由该接近性带来的益处。如上所述，这样的益处包括减小光学序列的尺寸、重量和复杂性，结果，增加了系统的潜在多路复用，例如，增加了可以在单个系统中集成和检测的不同反应区域的数量。另外，与在信号收集和检测中利用大型自由空间光学器件和多个相机的系统相比，这种接近性提供以下好处：减少信号传输期间的损失，减少来自相邻反应区域的信号串扰，以及减少利用此类集成装置的整个系统的成本。
在本公开的系统中，存在许多能够从优化中受益的设计标准。例如，在集成检测系统的情况下，首要目标是使介入的如下光学元件最小化：可能干扰从反应区域到检测器的光学发射信号的有效传输，以及通过增加反应区域和传感器之间的光学元件的复杂性而有助于增加系统的成本和空间要求。
另外，对于单分子检测系统日益增加的重要性而言，对于任何给定的反应事件，使检测到的光学发射信号量最大化也很重要。特别地，在单个分子事件的光学检测中，通常在测量中依赖于与关注事件相对应的相对少量的光子。尽管高量子产率的标记基团(例如荧光染料)可以提高可检测性，但此类系统仍在光学系统可检测性的较低端运行。在使用本系统执行的分析反应中发现的有用的荧光染料是已知的。可以使用任何合适的荧光染料，例如，如PCT国际公开No.WO2013/173844A1和美国专利申请公开No.2009/0208957A1、2010/0255488A1、2012/0052506A1、2012/0058469A1，2012/0058473A1、2012/0058482A1和2012/0077189A1所描述的。
在本公开的系统、装置和方法的情况下，光程的大小和复杂性带来更大的困难，因为在其中完成激发和信号分开或将一个信号与下一个信号分开的目标的可用空间较小。因此，本发明的系统、装置和方法利用与所执行的分析相关联的简化的光程的优势，以便针对那些系统、装置和方法的集成性质优化那些分析。
图4更详细地示出了用于执行光学分析(例如，核酸测序过程或单分子结合测定)的装置架构的示例。如图所示，集成装置400包括在第一基底层404上限定的反应区域402。如图所示，反应区域402包括设置在基底表面中的井。这样的井可在衬底表面上形成凹陷或形成通过附加基底层到下面透明基底(例如，零模波导阵列中使用的)而设置的孔。参见例如美国专利No.7,181,122和7,907,800。图4示出了具有一个反应区域402的装置的一部分。通常，装置将具有多个反应区域，例如，装置可包括具有数千至数百万个或更多个单独反应区域的阵列。
激发照射从激发光源(未示出)传递到反应区域，该激发光源可以与基底分离或也可以集成到基底中。如图所示，光学波导(或波导层)406用于将激发光(箭头所示)传输到反应区域402附近，其中从波导406发出的消散场照射反应区域402中的反应物。在例如美国专利No.7,820,983、8,207,509和8,274,040中描述了使用光学波导照射反应区域，这些专利出于所有目的均通过引用并入本文。
集成装置400可选地包括光通道部件408，以将来自反应区域的发射光有效地引导到设置在反应区域下方的检测器层412。该检测器层通常将包括多个检测器元件，例如光学耦合到给定反应区域402的四个所示检测器元件412a-d。对于DNA测序应用，通常期望实时监视四个不同的信号，每个信号对应一个核酸碱基。尽管示出为线性布置的像素412a-d，但是应当理解，检测器元件可以以n×n正方形、环形阵列或任何其他方便的取向或布置布置成栅格。在一些情况下，每个探测器元件或通道将具有单个像素。在一些情况下，检测器元件将各自包括多个像素。检测器元件电连接到延伸出芯片的导体，以将电信号提供给检测器元件并从检测器元件例如向所连接的处理器发送出信号，如本文其他地方更详细描述的。在一些实施例中，检测器层是CMOS晶圆等，即，由CMOS传感器或CCD阵列组成的晶圆。参见，例如，CMOS Imagers From Phototransduction to Image Processing(2004)Yadid-Pecht and Etienne-Cummings,eds.；Springer；CMOS/CCD Sensors and Camera Systems(2007)Hoist and Lomheim；SPIE Press。
然后检测并记录来自反应区域402的撞击在这些检测器元件上的发射信号。如图4的集成装置中所示的，该装置可以另外包括在每个检测器元件上方，例如设置在滤波器层410中的滤色器。如图所示，“滤波器a”对应于与“通道a”相关联的滤色器，“滤波器b”对应于与“通道b”相关联的滤色器，依此类推。选择该组滤波器以允许捕获的光子的高产率，例如，每个滤色器具有一个或多个阻挡带，该阻挡带阻挡从反应区域402中发生的反应发射的一个或多个不同光谱信号的一部分的信号。具体而言，将滤波器设计为允许大部分发射的光子通过，同时仍可区分四个碱基。
在一些情况下，光学元件设置成将来自给定波长组的光选择性地定向至给定检测器元件。通常，使用非特定光重定向，使得到达滤波器层的每个区域的光基本相同。
检测器层可操作地耦合至通常集成在基底中的适当电路，用于向处理器提供信号响应，该处理器可选地集成地包括在同一装置结构中，或者与检测器层和相关电路分开但电耦合至处理器和相关电路。在美国专利申请公开No.2012/0019828中描述了在此类装置中有用的电路类型的示例，该专利先前通过引用并入本文。
本发明的集成分析装置阵列在本文中也称为目标波导装置或目标装置，通常具有至少一个光学耦合器和与光学耦合器光学耦合的集成波导。在一些实施例中，本发明装置的光学耦合器是低数值孔径耦合器，并且在一些实施例中，光学耦合器是衍射光栅耦合器。在一些情况下，光源被定向到单个耦合器上，而在其他情况下，光源被引导到多个耦合器上，例如2到16个耦合器上。在一些情况下，每个耦合器接收基本相同的功率。在一些情况下，将不同的功率水平定向到目标装置上的不同耦合器。尽管此描述可能涉及装置上的“耦合器”，但应理解，在一些情况下可以是单个耦合器，而在其他情况下，装置上将有多个耦合器。例如在美国专利申请公开No.2016/0363728中描述了具有多个耦合器的分析装置，该专利的全部内容通过引用并入本文。
光栅耦合器及其在将光(通常是来自光纤的光)耦合到波导装置中的用途是本领域已知的。例如，美国专利No.3,674,335公开了适用于将光路由到薄膜波导中的反射和透射光栅耦合器。另外，美国专利No.7,245,803公开了包括多个细长散射元件的改进的光栅耦合器。耦合器优选地具有喇叭形结构，该喇叭形结构具有窄端和宽端。据信该结构在将光学信号耦合到平面波导结构内外时提供增强的效率。美国专利No.7,194,166公开了波导光栅耦合器，适合于将波分多路复用的光与单模和多模光纤之间来回耦合。所公开的装置包括一组布置在表面上的波导光栅耦合器，这些波导光栅耦合器全部被来自光纤的光斑照射。将该组耦合器中的至少一个光栅耦合器调谐到光束中的每个通道，因此该组耦合器对在光纤中传播的通道进行解复用。在美国专利No.7,792,402和PCT国际公开No.WO 2011/126718和WO 2013/037900中公开光栅耦合器的其他示例。在美国专利No.7,058,261中公开了将棱镜耦合和光栅耦合结合到集成波导装置中。
如上所述，参照用于四色彩分析的集成装置，图5示出了示例性结构。如图所示，分析装置包括与试剂容器或流体导管506耦合的反应单元502，该试剂容器或流体导管506将反应物输送到反应单元502。反应单元可以是纳米级井或零模波导。在一些情况下，反应单元中将固定有生物分子，例如聚合酶。流体导管可以跨越多个反应单元提供试剂。在反应单元下方是波导514，用于向反应单元内的试剂提供激发照射。照射光可用于激发来自反应单元中试剂的荧光发射。从反应单元发射的光通过传输层向下定向，该传输层用于将光从反应单元传输到检测器。在一些情况下，传输层将具有光学部件以增强光传输或调制光的效率。在图5的分析装置中，光隧道或导管508设置成与反应单元502光学连通，反应单元502又与检测器中的感测元件510光学连通，其中到达检测器上的4个感测元件中的每个的光穿过不同的滤色器。如图所示，每个反应单元与包括4个区域或像素子集的检测器或检测器元件光学耦合，每个区域或像素子集包括滤波器层，并且每个滤波器层包括至少一个阻挡带。每个滤波器层将适当的光波长组发送到适当的像素子集。像素子集或传感器元件耦合到组成整个传感器或相机的适当的电子部件512，例如总线和互连件。电子部件还可以包括用于处理来自检测器的信号的处理元件。
本发明人有用地发现，在本集成装置的SiON/SiO2波导中，与较短的波导相比，较长的波导中更可能存在LEV。不受理论的束缚，该观察结果与如上所述所提出的LEV的机制是一致的。因此，除了使用具有多个纵向模式的照射光之外，还发现通过将波导装置上的初始照射的波导分成多个波导能够减小LEV。如前所述，还发现LEV积累可能取决于照射光的功率(或空间功率密度)。另外，通过在波导装置上相对短的距离上将初始波导分成多个分支波导能够降低LEV积累的水平。
对于本公开的波导装置，如上所述，在耦合器与关注的区域(例如反应区域)之间可能存在显著的距离。光在波导中从耦合器行进到关注区域的距离可以是例如几厘米，例如1cm至10cm。本文所指的距离是光在波导内行进的距离，例如，光通过一个或多个波导路由的距离。通常，当光从耦合器经过相对较长的距离路由到关注区域时，使用单个波导将光从耦合器路由到靠近关注区域的区域，在该区域中可以发生路由的波导分离为多个波导。在关注区域内需要多个波导分支的情况下，通常在关注区域附近而不是在耦合器附近进行从路由的波导到关注区域中的波导分支的分离。每个耦合器一个路由波导通常是在相对较长的距离上路由的最有效方法。与每个耦合器使用多个路由波导时相比，使用一个路由波导涉及更少的元件，并且通常在装置上占用的空间更少。与该典型架构相反，本发明人已经发现，相对于每个耦合器多于一个波导，对于本公开的波导装置而言，通过将照射光分成靠近耦合器的多个路由波导，将来自耦合器的光携带到关注区域或关注区域附近的区域是有利的。通过降低每个路由波导中携带的功率，能够减少建立LEV反向反射的趋势。当LEV对功率的依赖性大于线性时，通过在耦合器附近而不是在关注区域附近分离，能够使LEV的降低幅度更显著。
在一些情况下，发明人已经发现，在距离耦合器1mm至3mm内，波导能够有利地分成两个或更多个波导，例如，2至512个波导。在一些情况下，在距离耦合器3mm内，波导能够有利地分成2个或更多个波导。在一些情况下，在距离耦合器3mm内，波导能够分成4个或更多个波导。在一些情况下，在距离耦合器3mm内，波导能够分成2至512个波导。在一些情况下，在距离耦合器3mm内，波导能够分成4至64个波导。
发明人还发现，分离能够有利地发生在光从耦合器行进到关注区域的距离的一小部分内。例如，在一些情况下，分离能够发生在小于光从耦合器行进到关注区域的距离的30％的距离内。在一些情况下，分离发生在光从耦合器行进到活性区域(active area)的距离的20％内。在一些情况下，分离发生在光从耦合器行进到关注区域的距离的10％内。在一些情况下，耦合光在光从耦合器行进到关注区域的距离的20％内分成2至512个波导。在一些情况下，耦合光在光从耦合器行进到关注区域的距离的20％内分成2个以上的波导。在一些情况下，耦合光在光从耦合器行进到关注区域的距离的20％内分成4个以上的波导。在一些情况下，耦合光在光从耦合器行进到关注区域的距离的20％内分成2至512个波导。在一些情况下，耦合光在光从耦合器行进到关注区域的距离的20％内分成4至64个波导。通常，对于给定的耦合器，最相关的距离是光通过分支行进的最长距离。如本文所用的，当描述光从耦合器到活性区域的最长距离时，这通常是指光在从耦合器到关注区域的最长路由分支中行进的距离。之所以做出这种区分，是因为在许多情况下，光行进的距离在每个不同的路由分支中都不同。通常在所有分支中最小化的LEV是优选的。
一个波导被分成多个波导的距离可以是波导在一个或多个分离器之前的最后线性部分与多个波导在穿过一个或多个分离器之后的第一线性部分之间的距离。也可以通过确定发生了相关功率降低的距离(例如对于将光分成4个波导的一个或多个分离器，考虑到来自一个或多个分离器的损失，发生了约四分之一的功率下降的距离)来确定该距离。
用于将波导从耦合器分离成多个路由波导的一个或多个分离器可以是任何合适类型的一个或多个分离器。在一些情况下，可以使用一组或多组二进制(1：2)分离器将来自耦合器的波导分成多个波导。例如，可以使用两组二进制分离器将光分成4个路由波导，一组二进制分离器将来自初始波导的光分离为2个波导，然后一组二进制耦合器用于这两个波导的每一个，从而形成四个路由波导。在一些情况下，可以使用一个或多个更高阶(1：3、1：4、1：5、1：6或甚至更高)。本领域技术人员将理解，可以使用相同阶次或不同阶次的分离器的组合来将照射光分为多个路由波导，如本文所提供的。如上所述，在一些情况下，波导装置具有多个耦合器，每个耦合器将光学耦合到单个波导中，并且每个单个波导分成多个路由波导，如本文所述的。
在许多情况下，分支波导在关注区域附近进一步分成大量波导，以监测许多反应区域。例如，在关注区域内，波导分支的数量可以为数百或数千。例如，关注区域中波导的数量可以为约一百至约一万。在一些情况下，这些波导中的每一个可以照射100到1万个反应区域，例如纳米级井或ZMW。例如，照射光可以分为约1000个波导，每个波导照射1000个反应区域，从而可以同时对一百万个反应区域进行分析。
波导的数量和每个波导的分析区域的数量可以改变，以获得期望水平的多路复用和性能。例如，可以在波导装置上使用1至100,000个波导，或100至10,000个波导，或500至5,000个波导。每个波导的分析区域(例如纳米井)的数量例如可以为在波导装置上1至100,000个分析区域，100至10,000个分析区域，或500至5,000个分析区域。本领域技术人员将理解为了获得期望的性能和多路复用水平如何去设置这些数值。
在一些情况下，对光进行路由，使得关注区域中的每个波导从其两端被照射(即，通过从波导的第一端和第二端反向传播来照射波导)。如本文其他地方所描述的，具有多个纵向模式的光源可以用于向关注区域中的波导提供反向传播的照射，而不会由于光学干涉而造成重大损失。在一些情况下，可能有利的是将光仅从一端(例如从波导的第一端)路由到波导中。
在一些情况下，在本文中将波导称为波导分支。如本领域技术人员将理解的，如本文所使用的波导分支仍然是波导。为了清楚起见，在讨论光的分离时将波导称为分支。例如，在本文中，照射波导的引用将包括照射波导分支。
因此，在一些方面，本发明提供了光学检测系统，其减少了从反应区域发出并最终到达检测器的光学发射信号的衰减。这允许基于大量发射和检测到的信号进行检测和信号区分，从而提高了信噪比。
光源
在本公开的系统中使用的光源优选地具有间隔至少10pm的多个纵向模式。纵向模式通常间隔10pm至500pm，在一些情况下间隔10pm至100pm。每个纵向模式优选地具有最强纵向模式的强度的20％或更大的强度。在一些情况下，每个纵向模式的强度均为最强纵向模式的30％、50％或70％。
最短纵向模式至最长纵向模式的照射光谱、波长范围或带宽通常在10pm至20nm之间。在一些情况下，波长范围在30pm和10nm之间。在一些情况下，波长范围在30pm和5nm之间。在一些情况下，波长范围大于200pm，在一些情况下，波长范围大于1nm，在一些情况下，波长范围大于3nm，在一些情况下，波长范围大于5nm，在一些情况下，波长范围大于10nm。本发明人已经发现，关于荧光物质的激发，可以使用具有适当性能的相对宽范围的波长。例如，可以使用甚至50nm波长范围的纵向模式。然而，发明人还发现，如果波长范围太宽，则在目标波导装置上的耦合器处会存在较大的损失。尽管这种损失将取决于耦合器设计，但是发明人发现，在一些情况下，优选的是小于20nm，小于10nm或小于5nm的波长范围。
可以选择纵向模式的数量以优化性能和成本。例如，可能存在这样的情况，即，使用具有以10pm间隔的两个纵向模式的光源提供LEV方面以及本文所述的其他目的方面足够的改进。但是，在一些情况下，可能需要具有以30pm间隔的八个纵向模式的光源，以将LEV降低到所需水平。在一些情况下，具有数十个纵向模式且全部在3nm波长范围内的光源可能是最佳解决方案。因此，在一些实施例中，纵向模式的数量是至少2个、至少3个、至少5个、至少10个、至少15个、至少20个、至少30个、至少50个或甚至更多个。
如本文其他地方所述，给定系统中的LEV量和其他波导光学干扰可取决于波导的材料和尺寸以及照射光的波长和功率。本领域技术人员将从本文提供的教导中理解如何实现具有期望的分析参数的系统。
在一些情况下，为给定光源确定纵向模式的数量和间隔是简单的。在其他情况下，尤其是在模式数量相对较多的情况下，通过测量照射光谱的宽度或具有最短波长的纵向模式与具有最长波长的纵向模式之间的波长范围，能够更简单地表征照射光。在一些情况下，存在大量模式使得在所采取的波长扫描的分辨率下，多个模式接近峰值。在这种情况下，通过测量峰的宽度，例如，确定半峰全宽(FWHM)可以确定波长范围。
在其他实施例中，宽带光谱可以通过在特定频率下的特定光谱范围内快速扫描激光波长来合成，而不是使用具有宽带线性连续波(CW)光谱的激光器，该宽带线性连续波(CW)光谱包括平稳或准平稳不同模式以抑制空间相干性。如上所述，先前已在美国专利申请公开No.2016/0216538中公开了这种抑制LEV的时间调制方法。如其中所提供的，调制频率在一些情况下可以大于约0.001Hz，并且在一些情况下可以在约1KHz和0.01Hz之间(请参阅第0008段)。如其中进一步公开的那样，可以在激光器处完成波长的调制，或者可以使用激光器和目标波导之间的光学元件来完成波长的调制(参见第0053段)。如还在其中指出的，调制频率可以取决于在波导中形成反向反射所需的时间(同上)。
上述方法还可以扩展为通过从单个光源反向传播来减小在波导装置的激发期间的空间相干性。特别地，相干性函数是激光光谱的傅里叶变换，而时间平均相干性函数是激光器的时间平均光谱的傅里叶变换。通过调制激光波长以加宽时间平均光谱，这将至少部分抑制时间平均干涉效应。
如果激光波长扫描频率比芯片传感器帧速率大10倍，则通常不关心激光器和传感器的时间同步，因为光学信号将在传感器帧中的许多波长周期内平均。在一些情况下，即使激光扫描频率比传感器帧速率大不足10倍，例如仅大3倍，不进行同步工作也可以接受。但是，一旦激光波长扫描频率开始接近传感器频率，则期望使激光器和传感器同步，以确保每个传感器帧看似与波长的光谱范围完全相同。
与逐步改变波长相反，与离散的波长集相比，以连续方式改变激光的波长是有利的，因为连续改变能够帮助抑制相干性函数中的重复条纹。例如，美国专利No.7,668,216(其全部内容通过引用并入本文)表明，通过使用为获得激光辐射的预定时间平均光谱轮廓(理想地为高斯形状)而优化的调制函数来调制激光驱动电流，能够实现激光辐射的时间平均相干性的降低。特别地，美国专利No.7,668,216的图3A示出了与梯形光谱相比，当采用高斯形状光谱时，如何改进条纹反差(或相干性)以及显著降低条纹可见性。如在该专利中进一步描述的，随着光程差(OPD)的增加，条纹反差的缓慢衰减源于光谱的尖锐边缘(λmin和λmax)(参见，例如美国专利No.7,668,216的图2B)。为了获得快速下降的相干性函数，应避免光谱中这些尖锐的不连续性。具有傅立叶变换最快下降的光谱轮廓是高斯轮廓。因此，在当前申请中使用这样的光源时，优选以时间平均频谱具有接近高斯分布的目标光谱分布的方式来调制激光波长。
在本公开的其他实施例中，本系统中使用的光源是超发光发光二极管(SLED或SLD)，其是基于超发光的边缘发射半导体光源。这种光源也称为超发光二极管或超发光LED。它们结合了激光二极管的高功率和亮度以及常规发光二极管的低相干性。典型的超发光发光二极管的发射带约为5-100nm宽。如果将这种光源设计为具有平滑的高斯光谱分布，则其相干性函数将在几十微米的空间尺度上下降，并且不会出现重复的边缘可见性旁瓣。
因此，以上两种优选方法都依赖于创建时间平均或CW的高斯形状的激光光谱。产生这样的激光光谱的优点在于，在零OPD点处仅形成一个不同的相干性峰，并且相干性函数从该零OPD点处迅速下降。因此，通过在芯片上的自反向传播光束之间引入小的延迟，可以将零OPD点移到所有波导的芯片各处的有效区域之外，并且因此能够使激光相干性对检测性能的影响最小化。
在另一个实施例中，可以将CW或时间平均CW源用于LEV抑制。在这种情况下，可以将不同的光源用于目标装置的活性区域中波导的单侧或双侧(即，反向传播)照射。
如上所述，本公开的集成目标装置通常包括一个或多个单模波导。对于一些分析，例如包括单分子测序，单模波导可以是优选的。在使用单模波导的情况下，优选的是，除了具有多个纵向模式之外的光源在单一横向或空间模式中具有很大一部分能量。在一些情况下，来自光源的照射光在单一横向模式下具有大于其强度的80％，在一些情况下，来自光源的照射光在单一横向模式下具有大于其强度的50％，在一些情况下，来自光源的照射光在单一横向模式下具有大于其强度的20％，在一些情况下，来自光源的照射光在单一横向模式下具有大于其强度的10％。在一些情况下，来自光源的照射光的M2因子描述的光束质量小于1.5，在一些情况下，来自光源的照射光的M2因子小于1.3。单一横向模式通常是高斯模式或基本模式。在一些情况下，单横向模式是TEM00模式。
通常，来自光源的照射光是线性偏振的。例如，在一些情况下，对来自光源的照射光进行线性偏振是有用的，以便更有效地耦合到目标装置上波导中的TE模式中。
将理解的是，照射光的特性可以沿着从出射光源到照射反应区域的位置的路径而改变。例如，照射光可以描述为它离开光源后，被发射到自由空间中，穿过可选的自由空间光学元件之后，沿着目标装置上的波导向下行进并撞击到反应区域上。尽管在此将来自所有这些位置的照射描述为照射光，但是应当理解，光在这些点的每一个处的特性可以不同。为了清楚起见，最常引用的是从光源离开进入自由空间的光。这为进行照射光特性的测量提供了方便的点。选择该点是为了清楚和易于测量，通常，纵向模式的数量在沿光程的各个点处不会显著变化。用于确定照射光的特性的替代点是在可选的自由空间光学器件之后且在光进入目标装置之前的点。如本文其他地方所述，在一些情况下，在将光发射到自由空间之前，存在连接到光源的光学部件。在一些情况下，光源将具有相关的光学元件，例如耦合的光纤或透镜。
在一些情况下，将在光源和目标装置之间放置自由空间光学元件。这些自由空间光学元件可用于修改、调谐、聚焦或整形光束，例如，为更有效地耦合或通过波导更有效地传输的目标装置提供光。自由空间光学元件可以是任何合适的元件或元件组，包括例如一个或多个透镜、偏光器、楔形物(wedge)、滤波器、棱镜、反射镜或光栅。
如相关领域的普通技术人员将理解的，本系统中使用的光源可以是任何合适的光源。特别地，光源具有以上关于目标波导装置中LEV的最小化描述的性质。在优选的实施例中，光源是激光源。对于本公开的分析系统特别有用的是发射可见波长范围内的激光器，例如，发射450nm和700nm之间或500nm至650nm的激光器。在其他优选实施例中，光源是超发光发光二极管。
任何合适类型的激光器都可以用于本系统。在一些情况下，使用固态激光器，例如III-V族半导体激光器。最近，在生产发射期望波长范围的固态激光器方面已经取得了进展。特别有用的激光器是GalnN固态激光器。例如在Sizov等人的“Gallium IndiumNitride-Based Green Lasers,”.Lightwave Technol.,30,679-699(Mar.1,2012)；Nakamura等人的“Current Status and Future Prospects of InGaN-Based LaserDiodes”,JSAP Int.No.1,January,2000；Jeong等人的Nature,Scientific Reports,“Indium gallium nitride-based ultraviolet,blue,and green light emittingdiodes functionalized with shallow periodic hole patterns”,DOI:10.1038；以及Tagaki等人的“High-Power and High-Efficiency True Green Laser Diodes”,SEI TechRev,No.77,October 2013中描述了适用于本公开系统的激光器，包括GalnN激光器；这些专利的全部内容出于所有目的通过引用各自并入本文。
组合多个光源
尽管在许多情况下，最期望的是本发明的照射光设置有单个光源，例如单个激光器，但在一些情况下，期望使用两个或多个光源以提供多个纵向模式，已经发现这些多个纵向模式为具有本发明的目标波导装置的光学分析提供显著的优势。
照射光到自由空间的组合输出与本文其他地方所描述的相同，但是，在该实施例中，组合两个或多个激光器的输出，以产生释放到自由空间中然后发射到目标装置上的波导中的多个纵向模式。本领域技术人员将知道如何使用组合光学元件来产生期望的照射光的多个纵向模式。
分析仪器和系统
在另一方面，本公开提供了用于执行所公开的方法并且与本文所述的分析装置一起使用的分析仪器。例如，在一些情况下，本发明的分析装置是分析仪器或分析系统的一部分。在一些情况下，分析装置可以可移除地耦合到仪器或系统中。可以在分析装置与仪器或系统耦合之后和/或之前使试剂与分析装置接触。该系统或仪器可以向分析装置提供电信号和/或照射光，并且可以从分析装置中的检测器接收电信号。仪器或系统通常具有计算机，以操作、存储和分析来自装置的数据。例如，为了核酸测序的目的，该仪器可以具有识别添加的核苷酸类似物的顺序的能力。例如，可以如美国专利No.8,182,993和美国专利申请公开No.2010/0169026和2011/0183320中所描述的那样进行识别，这些专利的全部内容通过引用并入本文。
例如，本公开提供了分析仪器，该分析仪器包括：如本文所述的任何合适的目标装置；光源，其用于向目标装置的一个或多个波导提供照射光；电子系统，其用于向检测器提供电压和电流并用于接收来自检测器的信号；以及计算机系统，其用于分析来自检测器的信号，以监测分析反应，例如获得有关模板核酸的序列信息。
如本文所用的，术语传感器和检测器可互换使用。在一些情况下，传感器或检测器可以包括单个像素。在其他情况下，传感器或检测器可包括多个像素，例如像素阵列。本领域技术人员将在使用这些术语的上下文中理解这些术语的含义。
平面光波电路(PLC)
在一些方面，本公开的系统包括光学传递装置，其构造有多个集成传输波导，用于将光能从一个或多个光学输入传递到一个或多个光学输出。这种集成装置有时称为平面光波电路(PLC)。PLC最通常在电信设备中使用，它们用于将来自光纤芯的光学激发信号耦合和/或分离，用于例如多路复用/解复用、光学分支和/或光学交换的目的。这些更具体的PLC有时也称为光纤间隔集中器(FSC)。PLC通常包括直接制造到集成装置中的多个部件，其中不同的部件提供期望的功能。例如，PLC可以包括一个或多个波导、一个或多个分离器、一个或多个分接头、一个或多个光电检测器以及一个或多个光纤，理想地是保偏光纤。电信应用中使用的光纤和PLC通常传输红外范围内的光，最常见的波长是约1310nm或约1550nm。在一些情况下，低成本电子产品，例如发光二极管(LED)和竖向腔室表面发射激光器(VCSEL)可用于包括PLC(例如FSC)的装置中。
然而，与用于传输光学通信信号的PLC相比，本发明的光学装置通常设计用于有效传输较短波长的光。特别地，例如在使用荧光标记的DNA试剂的DNA测序反应中，用于荧光分析的光学照射通常在可见光范围内，最通常在约450nm至约700nm的范围内。因此，优选地设计并依比例确定本文公开的光学装置的波导和其他部件，并结合到用于DNA测序的本系统中，以有效地传输可见光范围内的光能。在一些实施例中，波长在约450nm至约700nm的范围内。在更具体的实施例中，波长在约500nm至650nm或甚至约500nm至约600nm的范围内。在一些特定实施例中，波长例如是约520nm至约560nm。在其他具体实施例中，波长为约620nm至约660nm，例如约635nm或650nm。在一些实施例中，可以在装置内传输可见光波长的组合。
在本公开中，PLC通常通过光纤光学地耦合到单个光源。PLC用于将光源发出的光分成多个光束，所有光束均定向到包括波导的目标装置。如上所述，本公开包括使用激光器或其他光源，提供具有特定特性的光，包括具有多个纵向模式的光。为了本申请的目的，在光进入自由空间的点描述了光的特性。因此，在PLC经由光纤耦合到光源的情况下，当光离开PLC时，认为光已经到达自由空间。
PLC设备可以包括嵌入在光波电路内的各种功能部件。例如，装置可以包括光学分离器，使得当光能传输通过装置时，单个光学输入可以分成多个光学输出。在最简单的情况下，例如如图6的PLC中所示，从装置的每个光学输出发射的光学功率相同或几乎相同。在该示例中，光学装置600可以包括彼此光学耦合的各种集成波导，以使光传输通过装置。具体地，装置可以包括光学输入602，光学输入602通过光学输入波导604光学耦合到1x4分离元件608，分离元件608将输送的输入光能分成相等功率强度的四个光学输出620-623，这四个光学输出620-623通过四个光学输出波导610-613光学耦合到分离元件。应当理解，通过组合第一1x2分离器，然后通过两个另外的1x2分离器进一步分离所得的光学输出，可以实现相同的结果。例如，在美国专利申请公开No.2016/0273034中描述了适用于本系统的PLC元件，该专利出于所有目的通过引用并入本文。具有单个光源的目标波导装置和系统
在另一方面，本公开提供了一种系统，该系统包括具有单个输入源的目标波导装置，该输入源可以将光从光源传递到光学波导的两端(即，通过反向传播)。如上所述，当使用单个波导向目标装置上的多个区域提供照射时，使用反向传播照射是有利的。例如，当光行进通过波导时，不可避免地会产生传播损失，因此，朝向波导相对端的区域将比波导开始时的区域接收更少的照射。对于光学分析装置，通常期望在每个区域处具有一致的照射量，因此强度的这种减小是不期望的。反向传播照射可以减轻此问题。虽然仍然会损失从波导的每个端部进入的光的照射强度，但是来自两个相对光束的强度的组合倾向于抵消这种影响，并跨越整个分析区域提供更一致的照射。为了使每个波导内的传播损失最小化，可以通过使用更短的波导来避免使用反向传播的需要，但是使用短波导将需要增加的波导总数，从而降低装置几何结构的效率(例如，短波导将需要长且窄的装置设计)。因此，使用更短的波导会限制装置活性区域的大小。
虽然出于照射均匀性的目的可能期望反向传播，但是使用单一纵向模式激光器来生成反向传播光束(例如，通过分离单个输入光束并将分离的光束定向到目标装置上波导的相对端部)可能会出现问题。具体而言，从波导的相对端部的分束光束进入的激光会导致驻波的形成，因此，在长相干性长度的情况下，沿波导的长度会产生时间和空间光强度波动的干扰。参见例如图7(摘自https://en.wikipedia.org/wiki/Standing_wave)，该图提供了两个相对波结合形成驻波的图示。例如，源自同一激光器并从两个相对端发射到波导中的反向传播光束会导致不期望的驻波，从而导致样品的照射不均匀。由于单模激光器的相干性长度通常很长(例如，>10m)，因此不容易在两个光束之间引入延迟线以破坏相干性，特别是如果在目标装置本身上进行分离时。
解决上述干扰问题的一种方法是使用两个独立的单模光源，每个光源具有不同的波长，以最小化或消除干扰。当使用两个光源时，一个光源照射装置上一个波导或一组波导的一端，而另一个光源照射装置上该波导或该一组波导的另一端。在图8A中示出了这种目标波导装置的构造的一个示例，其中输入光学耦合器位于装置的左下角。在此示例中，将532nm的输入光束定向到装置的左侧周围，以从装置的“顶”端进入样品波导，而将530nm的输入光束定向到从装置的“底”端进入同一样品波导。在这种情况下，驻波只会持续存在如下的近似时间标度
与荧光寿命相比非常短，因此对检测系统没有任何影响。尽管使用具有不同波长的两个单模光源能够减轻或解决由于反向传播的照射引起的干扰问题，但是使用两个光源是昂贵的，并且增加了照射系统的复杂性。
本发明人已经发现并证明，通过使用单个宽带多模光源将光传递到目标波导装置，可以以反向传播方式照射装置上的一个或多个波导，相比于使用具有单一纵向模式的光源，该反向传播方式具有显著降低的干扰水平。在图8B中示出了这样的目标装置的构造的示例，其中输入光学耦合器位于装置的左下角。在该示例中，单个522nm多个纵向模式激光器在两个所示的输入耦合器处提供光学输入。两束光束围绕装置定向，使得这两束光束从相对的端部进入相同的样品波导，从而提供反向传播的输入光。或者，目标装置上的单个耦合器可以从单个光源接收输入光能，并且可以通过将目标装置本身上的光分开来创建样品波导两端的单独光学输入。
因此，本公开的一个方面涉及目标波导装置的照射，其中通过将来自单个光源的光分开来照射波导，使得从波导两个端部照射波导。在一些实施例中，单个光源在耦合到目标装置之前将照射光发射到自由空间中。在一些实施例中，所发射的照射光包括以至少10pm间隔开的多个纵向模式。在一些实施例中，每个纵向模式的强度是最强纵向模式的强度的20％或更多，其中最短纵向模式到最长纵向模式的波长范围在10pm和20nm之间。在整个本申请中提供了用于反向传播的宽带光源的特性。通常，目标装置具有多个波导，并且单个光源用于从波导的每个端部照射每个波导。
在一些情况下，目标装置上的单个耦合器用于收集来自单个照射源的光。来自该光源的光在装置上路由到单个波导或一组波导的两端。在一些实施例中，目标波导装置包括多个光学波导，每个光学波导包括第一端和第二端，并且其中每个光学波导的第一端和每个光学波导的第二端构造为接收来自光源的光学激发光束。更具体地，目标波导装置可以包括至少2个、至少5个、至少10个、至少50个、至少100个、至少500个、至少1,000个、至少5,000个、至少10,000个、至少50,000个、或甚至更多的光学波导。替代地或附加地，目标波导装置可以包括不超过100,000个、不超过50,000个、不超过10,000个、不超过5,000个、不超过1,000个、不超过500个、不超过100个、或甚至更少的光学波导。在特定实施例中，该组波导可以是例如1至100,000个波导、100至10,000个波导、或500至5,000个波导。
使用单个耦合器来提供这种反向传播的光的能力是有利的，因为它可以显著降低成本并降低照射系统的复杂性，特别是与必须同时将多个光束定向到目标装置上的不同耦合器的系统相比时。如本领域普通技术人员所理解的，通过在装置中在输入耦合器和波导或一组波导(其向反应区域提供照射)之间包括一个或多个嵌入式光学分离器，能够实现装置上光的路由。与目标装置的光学对准
在另一方面，本公开提供了用于使用来自目标光学装置本身的信号以便执行源与装置对准，在一些情况下与单个输入耦合器对准的系统和方法。通常，来自激光器或其他光源(其中光源通常是分析仪器，例如测序仪器的一部分)的照射光束与光学目标装置(通常可拆卸地保持在仪器中适当位置)的对准使得难以将光束精确地定向到目标装置上的耦合器。一方面，仪器中负责将可移动目标装置保持在适当位置的部件可能具有几何不确定性，而另一方面，耦合器在目标装置上的位置也可能存在不确定性，例如，考虑到单元封装工艺的缺陷，芯片的边缘在x和y方向上可以为+/-300μm或更大。为了使耦合效率最大化，来自光源的光束还可能需要以一定角度被引导到目标装置上的耦合器，并且最佳角度还会因目标装置而异。另外，目标装置上耦合器的尺寸可能相对较小(例如，50μm x 50μm)，并且可能难以在每次移除和重新插入目标装置时在光束与耦合器对准所需的容差内移除和更换仪器中的目标装置。在美国专利申请公开No.2016/0273034中提供了这种对准的示例性方法，该专利出于所有目的通过引用并入本文。这种先前的方法通常需要在分析系统中包括对准相机。参见例如图9，其示出了包括对准相机的光学分析系统。对包括对准相机的分析系统的要求增加了系统的复杂性以及成本。
为了解决这个问题，本公开因此还提供了新的系统、装置和工艺，用于执行和优化光源(特别是激光源)和目标装置(特别是包括至少一个输入光学耦合器的波导装置，例如DNA测序芯片)之间的对准。对准过程可以包括粗对准和细对准。特别地，可以通过如下进行对准：使用直接来自目标装置中包括的传感器(例如分析测序芯片)的信号反馈，以及调整光源相对于目标装置的位置以使该信号最大化。例如，可以用激光束在输入耦合器预期所处的区域上执行光栅扫描，并且可以监测来自一个或多个传感器的信号，传感器光学耦合至与耦合器相关联的光学波导。由于通常在短时间内(与例如测序芯片上的测序分析的持续时间相比)且在低功率下进行对准，因此，在完成对准时，对反应区域中样品的相对光损伤较小。
在根据一些实施例的对准过程中，响应于输入光，产生由一个或多个反应区域(通常包括至少一种荧光试剂)引起的荧光信号。在最简单和最有效的实施例中，相同的光程和数据路径可用于对准过程和随后的分析测量，其中在对准过程中获得“光学对准信号”，而在分析测量过程中获得“光学发射信号”。此外，在一些实施例中，例如可以使用嵌入式软件将来自数个传感器区域(例如，来自检测器上的数个像素)的信号合并在一起，以改进反馈信号的信噪比。但是，还应理解，常规数据分析流程可能较慢，因为需要处理来自传感器的所有传感器区域。因此，在替代实施例中，可以对来自传感器板中数个反应的信号进行合并(例如，通过使用现场可编程门阵列(FPGA)对装置进行重新编程)，并且将所得结果信号馈入计算机，以控制经由单独的数据路径在光源和目标装置之间的对准运动。该方法比其他方法快得多，因此也实现了更快的对准。
在另一个实施例中，能够将荧光团或能够产生强度随输入光能而变化的光学发射信号的另一种试剂沉积在仅用于对准目的的虚拟区域中。相较于粗对准，随后的优化光源和目标装置之间的位置的细对准步骤应该更易于执行，因为在粗对准步骤完成之后，可以监测从实际反应区域发射的信号并如本领域普通技术人员将理解的，例如使用诸如Nelder-Mead方法等的优化方法来使该信号最大化。
在其他实施例中，可以将特定特征放置在目标装置上以进一步简化粗对准步骤。例如，目标装置可以具有小的辅助对准传感器，2D、ID或两个正交放置的ID，该辅助对准传感器放置在输入耦合器附近，在芯片制造过程中使用光刻步骤精确限定的距离处。辅助对准传感器的尺寸应大于封装过程中的定位不确定度，以确保在将单元放入仪器中后立即将激光束记录在传感器上。在这些考虑中，负责仪器内目标装置的部件的几何容差也很重要。例如，如果目标装置上辅助对准传感器的封装不确定性为+/-300微米，则传感器的尺寸应优选大于600微米。由于辅助对准传感器相对于输入耦合器非常精确地放置在目标装置上，因此一旦输入光束记录在辅助对准传感器上，就立即知道光束和/或目标装置需要移动多少以使输入光束与输入耦合器对准。在本领域技术范围内已知使用光刻工艺实现亚微米定位精度。如果预期目标装置的x和y轴之间存在一定程度的旋转和交叉耦合，则可以先在传感器上扫描光束以确定所需的旋转角度。传感器可以是负责检测反应区域信号的传感器的一部分，也可以优选地是单独的传感器，因为传感器可以可选地包括中间的滤波器层，以便将激光束衰减到不会引起传感器输出饱和的水平。
在另一变型中，在单元制造期间可以使用机器视觉相机校准芯片上不同对准特征(例如，辅助对准传感器、辅助对准耦合器等)的位置，并且可以将这些位置保存在放置在单元或单元封装上的E2PROM(电可擦可编程只读存储器)上。特别地，能够精确地测量输入耦合器相对于已知基准的位置或对准特征与输入耦合器之间的距离。如果还精确校准了与定位在仪器中单元相关的偏移，则利用该信息能够显著加快对准时间。
在用于实现光源和目标装置对准的又一变型中，代替具有小像素的传感器阵列，可以采用由4个较大尺寸的检测器组装在一起构成的，例如以正方形构造的四单元，而不是具有小像素的传感器阵列。在一些实施例中，两个检测器可用于确定光束沿一个轴的线位置，并且两个检测器可沿另一轴线使用。光束最初位于四单元的中间，然后使用已知的分隔距离将光束平移到输入耦合器，如上所述。
在对准系统和过程的又一实施方式中，可以将一个或多个辅助对准耦合器放置在距输入耦合器光刻地限定的距离处，输入耦合器光学连接至测序区域，并且可以将一个或多个辅助对准耦合器用于辅助粗对准。例如，可以在目标装置上布置一到六个、一到四个、一到三个或一到两个辅助耦合器，以提供粗对准。在一个示例中，四个辅助输入耦合器可以以矩形构造，例如以正方形构造彼此靠近地封装，其中四个耦合器中之一是实际的输入耦合器。具有数个输入耦合器的优点之一是，在对准扫描期间，激光器将遇到数个输入耦合器中之一的可能性增加。例如，辅助耦合器优选地放置在距光学装置的表面上足够远的位置，使得扫描装置表面的输入光束在粗对准过程期间在光学装置的给定制造容差的情况下确保遇到辅助耦合器中的至少一个。从辅助耦合器进入装置的光可以路由到活性区域传感器或路由到专用于对准过程的传感器。
在用于目标装置对准的附加或替代方法中，用于进行粗对准的系统可包括在激光束路径内的扩展透镜，包括圆柱透镜，以加宽耦合器上的激光束点。替代地或附加地，可以通过在光束路径中插入衍射光学元件(DOE)来加宽光束，从而也减少了粗对准的时间。在使用加宽光束实现粗对准之后，例如通过使通过样品输入耦合器的测序信号强度最大化来执行细对准步骤。在这种方法的广泛应用中，扩展光束可以通过样品输入耦合器实现粗对准，而无需在目标装置上使用辅助输入耦合器。在更特定的应用中，扩展光束可以通过一个或多个辅助耦合器耦合来实现粗对准。例如，在从光源的路径中移除扩展透镜之后，通常使用样品输入耦合器来实现细对准。理想情况下，光束扩展量应大于耦合器位置的不确定性，以确保在该尺寸下扩展光束会遇到输入或辅助输入耦合器。然而，在激光器功率输出受到限制的情况下，可能的情况是在光束扩展之后激光器功率密度太低，并且可能变得更加难以检测对准信号。在这种情况下，有利的是以较小的系数扩展光束以保持光功率密度。光束尺寸即使小的增加也将有助于对准，因为粗搜索的区域将相应地减小。
在粗对准完成之后，通常将附加透镜从光程移除以进行细对准。在一些情况下，如果透镜与光束不完全正交，则从光程中移除透镜可导致光束与输入耦合器未对准。可以在仪器制造期间校准由透镜引起的这种位移，并且在移除附加透镜后可以校正光束位置。
在另一实施例中，代替在目标装置上放置诸如四单元或传感器或光电二极管的辅助传感器以辅助粗对准，可以替代地在目标装置上在距输入耦合器已知的、光刻限定的距离处放置一些辅助特征，例如衍射特征，以协助粗对准过程。另外，可以将2D或1D传感器或光电二极管放置在目标装置附近。传感器的位置可以这样设置：如果在目标装置表面扫描激光并且激光击中衍射特征，则光将朝传感器偏转。这种方法能够帮助快速定位输入耦合器的位置，从而加快粗对准搜索。
尽管可以通过将目标装置保持在固定位置并跨越固定装置的表面扫描来自光源的输出来执行对准过程，但是应当理解，可以可选地通过将光学装置保持在固定位置并使目标装置相对于光源的输出移动来执行该过程，以实现对准。通常，在本系统中，目标波导装置或光源在至少两个维度上可相对于另一个移动，并且通过构造系统以监测光学对准信号并使目标波导装置或光源相对于另一个移动以增加光学对准信号来实现对准。在特定实施例中，该系统不包括对准相机。在其他特定实施例中，系统构造为相对于光源移动目标波导装置，直到光学对准信号增加到最大水平为止。
在一些实施例中，目标波导装置中的至少一个检测器区域构造为检测光学对准信号和光学发射信号两者。在一些实施例中，目标波导装置还包括辅助对准传感器，并且辅助对准传感器位于目标波导装置的表面上，与至少一个光学耦合器相距一定距离，该距离在目标波导装置的制造过程中使用光刻法精确地限定。在一些实施例中，目标波导装置的波导构造为例如通过诸如宽带、多模光源的单个光源来传输反向传播的光学信号，如上面详细描述的。刚描述的用于对准的系统和方法中使用的目标波导装置可以替代地或附加地包括上述目标波导装置特征的任一个，但不限于此。
在一些对准方法中，光束被构造或在空间上扫描以投射至少粗照射光斑尺寸和细照射光斑尺寸，其中粗照射光斑尺寸大于细照射光斑尺寸。更具体地，在这些实施例中，光束可以构造为在目标波导装置或光束相对于彼此移动以增加光学对准信号的同时，将粗照射光斑尺寸投射在目标波导装置上。
具有多个可平移透镜的改进光学系统
在另一方面，本公开提供了改进的光学系统，用于以可控制的方式将光能传递至目标装置。具体地，这样的光学系统包括位于光源和目标装置之间的至少两个平移透镜，以控制来自激光器或其他光源的光沿多个方向通过光束的传递。
在图10A至10D中示出了具有两个可平移透镜(也称为“光笔”)的单光束光学系统的示例性示意设计。与包括设计成同时照射芯片上的多个输入耦合器的光源的系统相比，该设计明显更简单且成本更低。参见例如美国专利申请公开No.2016/0273034A1和2016/0363728A1中描述的“光刷”和其他光学传递装置。在图10A至图10D所示的用于光学传递的系统中，来自光源例如光纤的光的传递由位于光源(位于每个图的顶部)和可移动目标波导装置(位于每个图的底部)之间的至少两个平移透镜控制，其中光束在每个图中示出为穿过透镜。在所示的设计中，来自光源的光首先由可平移的准直透镜(1001)准直，该可平移的准直透镜通常直接连接到光源，使得准直透镜和光源(例如，光纤)可以串联移动。然后，准直的光通过可平移的物镜(1002)聚焦到目标装置(1003)的输入耦合器上。在该设计中应当理解，在平移透镜时目标装置优选保持静止。目标波导装置(也称为“芯片”)的现有设计主要需要沿四个轴线：x、y、俯仰角和偏航角(即，第一方向、第二方向、第一角度和第二角度)调节输入光束，如图10A所示。(请注意，偏航角位于相对于页面的正交平面中，因此在图中未示出偏航角。偏航误差通常可能很小，但是在这种情况下，可以不需要沿偏航轴进行控制。)通过相对于物镜移动准直透镜及其相关的光源(如图10A和图10B中的箭头所示)，入射(俯仰或偏航)角度改变，而目标装置上的空间(x，y)位置不改变。(图10A和图10B中的虚线旨在表示在这些示例中物镜保持固定。)通过将光源、准直器和物镜一起移动(如图10C和10D中的箭头所示)，可以根据需要将光束沿x或y空间方向平移。或者，如果沿x和y方向的运动相对较小，并且如果向目标装置的耦合对入射角的微小变化不太敏感，则可以通过仅移动物镜而使光束沿x或y方向平移。例如，如果物镜的焦距为100mm，并且所需的x或y运动至多为约+/-300μm，则角度与水平运动之间的交叉耦合将导致小于+/-0.2度的入射角角度变化。
应当理解，刚描述的用于光学分析的系统通常适用于将来自各种光源的光学系统耦合到各种目标装置，其中使用至少两个平移透镜以控制来自光源的光学信号到目标装置的传递。特别地，这些方法有用地用于具有目标装置的系统中，这些目标装置具有至少一个光学耦合器，该至少一个光学耦合器构造成接收来自光源的通过自由空间的光学激发光束。在一些实施例中，目标波导装置有利地包括多个光学波导，该光学波导构造成接收来自至少一个光学耦合器的光学激发光束。例如，目标波导装置可以包括至少2个、至少5个、至少10个、至少50个、至少100个、至少500个、至少1,000个、至少5,000个、至少10,000个、或至少50,000个光学波导。在一些实施例中，目标波导装置可以包括不超过100,000个、不超过50,000个、不超过10,000个、不超过5,000个、不超过1,000个、不超过500个、或不超过100个的光学波导。在其他实施例中，目标波导装置可包括1至100,000个、100至10,000个或500至5,000个光学波导。
在一些实施例中，所公开的系统的目标波导装置包括至少一个光学分离器，其中，所述至少一个光学分离器包括光学输入和多个光学输出，并且其中，至少一个光学分离器的光学输入构造成接收来自光学耦合器的光学激发光束。这样的装置通常还包括多个光学波导，该光学波导构造成从至少一个光学分离器的多个光学输出接收光学激发光束。
在特定实施例中，本系统的目标波导装置包括不多于一个光学耦合器，用于向反应区域提供照射光。在其他特定实施例中，至少一个光学分离器包括2至512个光学输出。
该系统包括位于光源和目标装置之间的至少两个平移透镜，以控制来自激光器或其他光源的光沿多个方向的传递，该系统也可以有利地与任何其他上述系统和方法，包括那些系统和方法的更具体的实施例组合。例如，在一些实施例中，本系统的光源发射宽带的多模态光学激发光束，例如包括至少3个、至少5个、至少10个、至少15个、至少20个、至少30个或至少50个纵向模式。在一些实施例中，本系统的目标波导装置是上述目标波导装置中的任何一个，包括构造成接收由反向传播的光束提供的激发光的那些。
在本系统中，通过使用偏心凸轮来促进每个透镜在每个尺寸上的精细运动，进一步改进了透镜的控制。例如，图11A示出了合适的凸轮的两个视图，其中旋转轴线偏离了凸轮的质心。图11B示出了当凸轮绕轴线旋转时，这种偏心凸轮的位移(mm)作为凸轮角度(度)的函数。从正弦曲线的位移曲线可以明显看出，根据需要，使用这种装置提供了高度可控的粗略运动和精细运动。如本领域普通技术人员将理解的，这种偏心凸轮可以由任何合适的马达装置驱动。优选地使用便宜的步进马达(例如具有集成的行星齿轮箱的步进马达)来驱动这种偏心凸轮。
对于应沿三个自由度(例如，沿轨道(AT)空间控制、交叉轨道(CT)空间控制和俯仰旋转控制)控制透镜的应用，偏心凸轮控制能够提供以下示例性规格：
| 性质(俯仰) | 值 |
| 行进 | +/-5mm |
| 分辨率 | 0.5μm |
然而，应当理解，如本领域普通技术人员所理解的，通过改变步进马达的性质以及凸轮的尺寸和偏心率，能够实现各种各样的其他规定值。
图11C示出了偏心凸轮控制机构如何可以机械地耦合至透镜(例如准直透镜)，以对透镜在单个尺寸上提供期望的精细运动控制。图11C还示出了这种控制机构的其他可选特征和部件，这种控制机构例如为“线性引导”机构，用于维持和控制透镜在单个方向上的运动；以及例如为“弹力”机构，当凸轮由步进马达旋转时，用于提供透镜保持台和偏心凸轮之间的张紧力。如该图所示，还可以使用附接至透镜台上的滚轮机构以在偏心凸轮和透镜台之间提供平滑的连接。如本领域普通技术人员将理解的，选择“步进马达”和“齿轮箱”以提供期望的功能性。例如，可以选择具有集成的行星齿轮箱的步进马达，以提供100：1的齿轮减速，0.018°的步距大小，4Nm的最大扭矩，并且可以非反向驱动，但是只要规格适合于所需的用途，任何合适的步进马达和齿轮箱都可以选择并适于在上述驱动系统中使用。
图11D示出了使用两个固定的步进马达及其相关的偏心凸轮以沿两个正交轴线驱动透镜安装架，从而在两个空间维度(AT和CT)上对物镜的进行控制。图11E和图11F提供了组装的光学对准系统的两个不同视图，该光学对准系统沿两个正交方向(X和Y)控制物镜，并且还控制准直透镜的俯仰角。因此，在该系统中，为透镜保持光学镜台沿三个单独的轴线(例如，AT、CT和俯仰)提供精细的运动控制。应当理解，在这样的系统中，通过为每个附加的运动轴线添加适当的马达/凸轮/线性或旋转引导机构，能够容易地实现沿附加轴线的运动控制(例如，偏航、滚动和平面外空间控制)。因此，在本系统的一些实施例中，沿四个单独的轴线(例如，AT、CT、俯仰和偏航)控制运动。在其他实施例中，沿五个单独的轴线(例如，AT、CT、俯仰、偏航和滚动)或甚至六个单独的轴线控制运动，以便在光源和目标波导装置之间提供期望的相对定位和对准。
应当理解，对于在两个维度上控制透镜平移，上述设计提供了优于传统设计的显著优点。尽管在传统设计中，控制透镜沿第一方向轴线(例如AT轴线)移动的马达可以是固定的，但是控制透镜沿第二方向轴线(例如CT轴线)移动的马达和引导机构通常是悬臂式AT引导机构。因此，马达和相关机械部件的重量会显著增加AT部件的成本，这必须克服整个CT传动系统的惯性。
如在图11F中特别明显看出的，在本设计中，所有马达优选地安装在系统的壳体或其他刚性部件上，使得透镜可以沿每个轴线移动而不会影响透镜沿任何其他轴线的位置或移动。由于步进马达是固定的，因此由马达移动的有效负载非常轻，与以前的光学控制系统相比，性能得到了显著改进。在图11E和图11F的系统中未示出用于预加载每个凸轮从动件的弹簧，或者使准直透镜沿“偏航”轴线移动的机构。
其他实施例
在另一方面，本公开提供了另外的实施例，如以下编号的段落中所述。
1.一种用于在芯片上改进的荧光分析的系统，所述芯片包括照射波导，所述系统包括：
激光器，其将照射光发射到自由空间中，所发射的照射光包括多个彼此间隔至少10pm的纵向模式，每个纵向模式的强度是最强纵向模式强度的20％或更多，其中，最短纵向模式至最长纵向模式的波长范围在10pm至20nm之间；以及
芯片，其接收来自自由空间的所述照射光，所述芯片包括：
多个反应区域；
至少一个波导，其向多个反应区域提供照射光，所述反应区域包括吸收照射光并发射荧光的荧光物质；和
耦合器，其将所述照射光耦合到所述至少一个波导中，和
检测器，其检测从所述反应区域发射的荧光。
2.根据段落1的系统，其中，多个纵向模式包括至少两个间隔至少10pm的纵向模式，其中，每个模式的强度为最强模式的强度的50％或更多。
3.根据段落1的系统，其中，多个纵向模式包括至少四个间隔至少10pm的纵向模式，其中，每个模式的强度为最强模式的强度的50％或更多。
4.根据段落1的系统，其中，多个纵向模式包括至少八个间隔至少30pm的纵向模式，其中，每个模式的强度为最强模式的强度的50％或更多。
5.根据段落1的系统，其中，多个纵向模式包括2至100个纵向模式，其中，每个模式的强度为最强模式的强度的50％或更多。
6.根据段落1的系统，其中，最短纵向模式到最长纵向模式的波长范围大于200pm。
7.根据段落1的系统，其中，最短纵向模式到最长纵向模式的波长范围大于1nm。
8.根据段落1的系统，其中，最短纵向模式到最长纵向模式的波长范围大于3nm。
9.根据段落1的系统，其中，最短纵向模式到最长纵向模式的波长范围在200pm和10nm之间。
10.根据段落1的系统，还包括光学元件，其中，光学元件调制所述激光器和所述芯片之间的所述照射光。
11.根据段落1的系统，其中，来自激光器的照射光在单一横向模式下具有大于其强度的80％。
12.根据段落1的系统，其中，来自激光器的照射光在单一横向模式下具有大于其强度的50％。
13.根据段落1的系统，其中，来自激光器的照射光在单一横向模式下具有大于其强度的10％。
14.根据段落11的系统，其中，单一横向模式是高斯模式。
15.根据段落1的系统，还包括计算机，该计算机接收来自检测器的电子信号并分析该电子信号。
16.根据段落1的系统，其中，分析包括获取核酸测序信息。
17.根据段落1的系统，其中，最短纵向模式的波长为约450nm至约700nm。
18.根据段落1的系统，其中，最短纵向模式的波长为约500nm至约650nm。
19.根据段落1的系统，其中，波导包括SiON芯。
20.根据段落18的系统，其中，SiON芯具有大于约1.6的折射率。
21.根据段落1的系统，其中，波导包括由二氧化硅围绕的芯。
22.根据段落1的系统，其中，芯片上的至少一个波导的尺寸确定为承载单一横向模式。
23.根据段落1的系统，其中，芯片包括硅芯片。
24.根据段落1的系统，其中，检测器包括CMOS传感器。
25.根据段落1的系统，其中，激光器是光纤耦合的，并且从激光器发射到自由空间中的光是从该光纤发射的。
26.根据段落1的系统，其中，激光器通过光纤耦合到PLC，并且从激光器发射到自由空间中的光从PLC发射。
27.根据段落1的系统，还包括布置在激光器和芯片之间的一个或多个光学元件。
28.根据段落27的系统，其中，一个或多个光学元件包括一个或多个透镜、偏光器、楔形物(wedge)、滤波器、棱镜、反射镜或光栅。
29.根据段落1的系统，还包括计算机，该计算机接收来自检测器的与检测器检测到的光有关的电子信息，并分析该信息。
30.根据段落1的系统，其中，反应区域包含核酸，并且由计算机进行的分析包括确定核酸序列信息。
31.根据段落1的系统，其中，将向多个反应区域提供照射光的至少一个波导从两端用来自同一激光器的照射光进行照射，并且纵向模式的数量大于8。
32.根据段落1的系统，其中，多个反应区域包括纳米级井。
33.根据段落1的系统，其中，多个反应区域包括零模波导。
34.根据段落1的系统，其中，芯片包括多个耦合器。
35.根据段落34的系统，其中，芯片具有2至16个耦合器。
36.根据段落1的系统，其中，耦合器将光耦合到单个波导中，并且该波导在耦合器的3mm内被分成2至512个波导分支。
37.根据段落36的系统，其中，芯片包括多个耦合器，并且每个耦合器将光耦合到单个波导中，并且该波导在耦合器的3mm内被分成2至512个波导分支。
38.根据段落1的系统，其中，耦合器将光耦合到单个波导中，并且该波导在光通过波导分支从耦合器行进到关注区域的最长距离的20％内被分成2至512个波导分支。
39.根据段落38的系统，其中，芯片包括多个耦合器并且每个耦合器将光耦合到单个波导中，并且该波导在光通过波导分支从耦合器行进到关注区域的最长距离的20％内被分成2至512个波导分支。
40.一种用于在芯片上进行荧光分析的方法，包括：
提供激光器，该激光器将照射光发射到自由空间中，所发射的照射光包括多个纵向模式，每个纵向模式的强度是最强纵向模式强度的20％或更多，其中最短纵向模式至最长纵向模式的波长范围在10pm至20nm之间；以及
用来自自由空间的照射光照射芯片，该芯片包括：
多个反应区域；
至少一个波导，其向多个反应区域提供照射光，所述反应区域包括吸收照射光并发射荧光的荧光物质；和
耦合器，其将照射光耦合到至少一个波导中；以及检测器，其检测从反应区域发射的荧光。
41.根据段落40的方法，其中，多个纵向模式包括至少两个间隔至少10pm的纵向模式，其中，每个模式的强度为最强模式的强度的50％或更多。
42.根据段落40的方法，其中，多个纵向模式包括至少四个间隔至少10pm的模式，其中，每个模式的强度为最强模式的强度的50％或更多。
43.根据段落40的方法，其中，多个纵向模式包括至少八个间隔至少30pm的模式，其中，每个模式的强度是最强模式的强度的50％或更多。
44.根据段落40的方法，其中，多个纵向模式包括2至100个纵向模式，其中，每个模式的强度为最强模式的强度的50％或更多。
45.根据段落40的方法，其中，最短纵向模式到最长纵向模式的波长范围大于200pm。
46.根据段落40的方法，其中，最短纵向模式到最长纵向模式的波长范围大于1nm。
47.根据段落40的方法，其中，最短纵向模式到最长纵向模式的波长范围大于3nm。
48.根据段落40的方法，其中，最短纵向模式到最长纵向模式的波长范围在200pm和10nm之间。
49.根据段落40的方法，还包括光学元件，其中光学元件调制激光器和芯片之间的照射光。
50.根据段落40的方法，其中，来自激光器的照射光在单一横向模式下具有大于其强度的80％。
51.根据段落40的方法，其中，来自激光器的照射光在单一横向模式下具有大于其强度的50％。
52.根据段落40的方法，其中，来自激光器的照射光在单一横向模式下具有大于其强度的10％。
53.根据段落52的方法，其中，单一横向模式是高斯模式。
54.根据段落40的方法，还包括计算机，该计算机接收来自检测器的电子信号并分析该电子信号。
55.根据段落40的方法，其中，所述分析包括获取核酸测序信息。
56.根据段落40的方法，其中，最短纵向模式的波长为约450nm至约700nm。
57.根据段落40的方法，其中，最短纵向模式的波长为约500nm至约650nm。
58.根据段落40的方法，其中，波导包括SiON芯。
59.根据段落58的方法，其中，SiON芯具有大于约1.6的折射率。
60.根据段落40的方法，其中，波导包括由二氧化硅围绕的芯。
61.根据段落40的方法，其中，芯片上的至少一个波导的尺寸确定为承载单一横向模式。
62.根据段落40的方法，其中，芯片包括硅芯片。
63.根据段落40的方法，其中，检测器包括CMOS传感器。
64.根据段落40的方法，其中，激光器是光纤耦合的，并且从激光器发射到自由空间中的光是从该光纤发射的。
65.根据段落40的方法，其中，激光器通过光纤耦合到PLC，并且从激光器发射到自由空间中的光从PLC发射。
66.根据段落40的方法，还包括布置在激光器和芯片之间的一个或多个光学元件。
67.根据段落66的方法，其中，一个或多个光学元件包括一个或多个透镜、偏光器、楔形物(wedge)、滤波器、棱镜、反射镜或光栅。
68.根据段落40的方法，还包括计算机，该计算机接收来自检测器的与检测器检测到的光有关的电子信息，并分析该信息。
69.根据段落40的方法，其中，反应区域包含核酸，并且由计算机进行的分析包括确定核酸序列信息。
70.根据段落40的方法，其中，芯片包括多个耦合器。
71.根据段落40的方法，其中，芯片具有2至16个耦合器。
72.根据段落40的方法，其中，耦合器将光耦合到单个波导中，并且该波导在耦合器的3mm内被分成2至512个波导分支。
73.根据段落72的方法，其中，芯片包括多个耦合器，并且每个耦合器将光耦合到单个波导中，并且该波导在耦合器的3mm内被分成2至512个波导分支。
74.根据段落40的方法，其中，耦合器将光耦合到单个波导中，并且该波导在光通过波导分支从耦合器行进到关注区域的最长距离的20％内被分成2至512个波导分支。
75.根据段落74的方法，其中，芯片包括多个耦合器并且每个耦合器将光耦合到单个波导中，并且该波导在光通过波导分支从耦合器行进到关注区域的最长距离的20％内被分成2至512个波导分支。
76.一种用于在芯片上改进的荧光分析的系统，所述芯片包括照射波导，所述系统包括：
多个激光器，每个激光器具有输出照射；
组合光学元件，其将来自多个激光器的输出照射进行组合，其中，组合光学元件将组合的输出照射发射到自由空间中，所发射的照射光包括间隔至少10pm的多个纵向模式，每个纵向模式的强度为最强纵向模式强度的20％或更多，其中最短纵向模式到最长纵向模式的波长范围在10pm和20nm之间；以及
芯片，其接收来自自由空间的照射光，该芯片包括：
多个反应区域；
至少一个波导，其向多个反应区域提供照射光，该反应区域包括吸收照射光并发射荧光的荧光物质；和
耦合器，其将照射光耦合到至少一个波导中；以及检测器，其检测从反应区域发射的荧光。
在一些实施例中，任何以上系统和方法中的芯片可以包括至少一个耦合器。
应当理解，除非上下文另有明确说明，否则术语“芯片”和“目标波导装置”在本文中通常可互换使用。
对于相关领域的普通技术人员来说明显的是，在不脱离本发明或其任何实施例的范围的情况下，可以对本文所述的分析装置和系统进行其他适当的修改和改编。现在已经详细描述了本发明，通过参考以下实施例将更清楚地理解本发明，包括在本文中的以下实施例仅出于说明的目的，而不旨在限制本发明。
示例
来自波导的照射和测量
图9示出了可以用于将光发送到目标波导装置中并且测量随时间透射的光量以及随时间反射的光量的典型设置。可以使用激光器之一将光传递到目标装置的一侧，或者使用两个激光器将光传递到目标装置的两侧。对准相机测量通过波导发送然后耦合到装置的光。目标装置包括用于进行荧光分析的零模波导(ZMW)区域，如本文所述的单分子实时测序。
时间相关的反向反射
图12示出了一组测量，其示出了时间相关的反向反射。光以约532nm发射到波导中。顶部曲线左侧的轴线显示了随时间变化的反射光。底部曲线右侧的轴线示出了透射的光。可以看出，随着时间的流逝，会发生以透射光为代价的反向反射的累积。
使用具有多个纵向模式的激光器的改进的透射率
该实验证明了使用具有多个纵向模式的激光器以减少或消除波导的反向反射的有效性。具体而言，图13示出了522nm宽带直接带隙二极管激光器的输出的波长光谱。该激光器具有单一横向空间模式结构，光束质量为M2～1.2(几乎受衍射限制)。从图13可以看出，激光器显示多个纵向模式，从而使宽带具有-1-2nm的光谱线宽(波长范围)。对于此特定的光学系统，最大光纤耦合功率输出约为55mW，时间稳定性为+/-0.5％。图14示出了当具有最大入射激光器功率为54mW的宽带激光器耦合到具有SiON波导的目标装置时，在24小时曝光期间未观察到LEV。图15示出了当使用532nm的单一纵向模式激光器以相当的激光器功率照射装置时，在同一目标装置上的对照实验。从该实验可以明显看出，使用单一纵向模式激光器时，传输功率经过两个小时显著下降。传输功率的这种下降是LEV的特性。
核酸测序
如上所述，本发明人发现，通过使用宽带多模激光器输入源，能够克服在目标波导装置中使用反向传播的单一波长窄带光学激发通常观察到的不良性能。该方法的实用性已在使用
芯片的示例性DNA测序实验中得到了证明，该芯片已被来自单一宽带多模激器源的光照射。具体而言，在证明系统中，通过分离激光学输出并将分离的光束耦合到DNA测序装置(例如具有图8B所示装置中所示光程的装置)中，从单个激器源提供激发功率。在这些实验中，光学输入由直接带隙多模InGaN半导体二极管激光器提供，该激光器传递的光纤耦合的功率高达55mW(77mW激光器头功率)，中心波长约为522nm，光谱带宽约为2nm。该激光器源很好地耦合到目标装置中，并且如图14所示，消除了目标光学波导中LEV的产生。
在图16中示出了使用上述激光器源和目标装置的从这种示例性DNA测序反应产生的信噪比热图，其中激光器在头部的功率为37mW，每单元输入耦合器的功率为2.4mW。在该实验中，将30kB E的大肠杆菌片段测序10小时。图16中所示的SNR热图是在测序运行的早期捕获的5分钟时的影像中获得的。该测序运行的结果显示，标准
芯片的仅一半上88.7％的准确度，10.1kB的读取长度和2.0GB的测序良率。
图17示出了激光器功率对波长带宽的影响。从该比较中可以看出，随着522nm多模激光器的功率降低到20mW以下，该激光器的光谱开始显著变窄。图18示出了当激光器功率减小时，激光相干性对测序SNR热图的影响以及相应的测序精度。如在该示例(包括以下针对图20描述的分析)中可以看到，在激光器头部功率降低到约20mW以下时，观察到测序精度的显著降低。
图19描述了激光相干性、光学模式、光谱宽度和光程差(OPD)之间的关系。根据光学相干性理论，在芯片活性区域中的激光相干长度可以估计为
其中λ是激光中心波长，Δλ是激光光谱宽度，n芯片是活性区域波导装置的折射率。可以使用典型的激光光谱来估计折射率n芯片，如图19的左下部所示。在模式间隔为Δλ1～55pm或Δv1～0.61·1011Hz下，所示光谱具有横跨2nm的约36个光学纵向模式。根据光学相干性理论，模式间隔限定了目标装置的活动区域中相干性的空间周期性(L芯片)：
因此，对于在传感器上～1.3mm的相干尖峰的实验测量的空间周期(参见例如，图19左上方的SNR热图)，活性区域的折射率n芯片估计为1.9。
对于2nm宽、522nm激光光谱和n～1.9，使用以上引用的公式，并且如图19的左上部所示，目标装置上的相干性长度可以估计为约31.6μm。由于相干性条纹在单元的活性区域中重复出现，周期为～1.3mm，少于约3％的ZMW经历了更高的相干性，即使ZMW的百分比较小，也会导致明显的良率损失。在实验不确定性的情况下，使用一台激光器的自对向传播与两台激光器的对向传播相比，通过实验比较照射方案的良率，没有观察到良率差异。
如图19的右上部所示，激光相干性度是模式数量的强函数，并且对于具有相同幅度和偏振的两个光束，理论上可以通过以下相关性描述
其中x是自对向传播光束相对于由相干性函数的周期标准化的零OPD点之间的OPD。(例如，参见RJ.Collier,C.B.Burckhardt,L.H Lin,Optical Holography,Academic Press Inc,1971,pp.146-150。)可以看出，当纵向激光模式的数量大于约30个时，相干性函数具有非常窄的空间峰，但是随着模式数量的减少，空间峰变宽。
观察到这些相干性条纹以1.3mm的空间周期重复。它们的振幅在由单个激光模式的光谱宽度限定的特性空间尺度上衰减。对于典型的CW激光二极管，相干性函数预计会随着距离的增加而呈指数下降，并且特性空间尺度长度非常长(>10m)。因此，在整个只有1cm宽的活性区域上，没有观察到相干性峰的明显衰减。应当注意，在活性区域中观察到的空间相干性条纹周期与激光器腔长度及其有效折射率直接相关n芯片L芯片＝nLL腔。
图19的右下部示出了缓慢衰减的相干性函数的外观。(该图摘自Epworth(1982)，“Fiber-Optic Rotation Sensors and Related Technologies”中的“The TemporalCoherence of Various Semiconductor Light Sources Used in Optical FibreSensors”，Eds.S.Ezekiel and HJ.Arditty,pp.237-244。)
来自图17、图18和图20中所示的DNA测序实验的数据为以下观点提供了额外的支持，即高相干性度对于活性区域照射是不期望的。由于在低激光器功率下纵向模式(或光谱带宽)的数量减少(例如，如图17所示)，因此SNR热图显示出明显更大的空间变化(参见图18)。图20还显示，随着激光光谱变窄，测序数据的准确性降低。图20中的六个数据点对应于以下条件：(1)7.7mW激光输入(每个耦合器为～0.5mW)，(2)10mW激光输入(每个耦合器为～0.65mW)，(3)15mW激光输入(～1.0每个耦合器1mW)，(4)25mW激光输入(每个耦合器为-1.6mW)，(5)37mW激光输入(每个耦合器为～2.4mW)，或(6)61.6mW激光输入(每个耦合器为～4mW)。
无相机激光器与芯片的对准
图21A至图21C示出了在没有对准相机的光学系统中，在激光束与目标波导装置(特别是DNA测序芯片)之间实现粗对准的要求。在该示例中，测量由荧光试剂在阵列波导装置的反应区域中发出的光学信号，以指示输入光源的耦合效率，从而指示该装置与光源的对准。在+/-40微米栅格上收集荧光信号，该栅格在x和y上分辨率为10微米，相对于最佳对准点，俯仰角的分辨率为0.25°+/-0.5°范围。在图21A至图21C中，根据3个不同的坐标绘制同一组数据。这些图说明，激光束在x(21A)和y(21B)坐标(在图上称为AT和CT)中，优选在约+/-20微米内，并且最佳对准点的间距在约+/-0.5°内，以便激发荧光信号，该荧光信号随后能够被芯片传感器检测到。在此示例中，荧光信号是测序区域中3x3相机像素的平均值，并且该求平均值能够在FPGA中快速完成。
在此要求下，如果假设在x和y方向上，输入耦合器位置相对于激光束的容差不确定性为+/-300μm，并且俯仰角为+/-2°，则对于盲粗搜索对准时，需要逐步穿过(300μm/20μm)*(300μm/20μm)*(2°/0.5°)～15*15*4＝900个位置。如果需要每个位置大约0.1秒的相机曝光时间来检测荧光信号，并且该激光束转向要快得多并因此可以忽略其延迟，那么能够在～90秒内完成盲粗对准搜索。上面描述的附加辅助对准特征能够加快这种粗对准，如果容差较大或光学转向时间比上述示例慢，则这将特别有用。
本文提及的所有专利、专利出版物和其他公开的参考文献均通过引用全文并入本文，犹如每个文献均已单独并具体地通过引用并入本文。
尽管已经提供了具体示例，但是以上描述是说明性的而非限制性的。前述实施例的任何一个或多个特征可以以任何方式与本发明中任何其他实施例的一个或多个特征组合。此外，在阅读说明书后，本发明的许多变化对于本领域技术人员将变得明显。因此，本发明的范围应参考所附权利要求及其等同物的全部范围来确定。
Claims (206)
1.一种用于光学分析的系统，所述系统包括：
光源，所述光源构造成向自由空间发射宽带多纵向光学激发光束，以及
可移动目标波导装置，其包括：
至少一个光学耦合器，所述至少一个光学耦合器构造成接收来自所述光源的通过所述自由空间的光学激发光束；
至少一个光学波导，所述至少一个光学波导包括第一端；其中，所述光学波导的第一端构造成接收来自所述至少一个光学耦合器的光学激发信号；
至少一个反应区域，所述至少一个反应区域光学地耦合到所述至少一个波导；以及
至少一个检测器区域，所述至少一个检测器区域构造成检测来自所述至少一个反应区域的光学发射信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述目标波导装置还包括：
至少一个光学分离器；
其中，所述至少一个光学分离器包括光学输入和多个光学输出，其中，所述至少一个光学分离器的光学输入光学地耦合至所述至少一个光学耦合器；并且
其中，所述光学波导的第一端构造成通过所述至少一个光学分离器的光学输入，以及通过所述至少一个光学分离器的第一光学输出，接收来自所述至少一个光学耦合器的所述光学激发信号。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个光学分离器包括2至512个光学输出。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个光学波导包括第二端；其中，所述至少一个光学波导的第二端构造成接收来自所述光源的光学激发信号。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述目标波导装置还包括：
至少一个光学分离器；
其中，所述至少一个光学分离器包括光学输入和多个光学输出，其中，所述至少一个光学分离器的光学输入光学地耦合至至少一个光学耦合器；并且
其中，所述至少一个光学波导的第一端构造成接收来自所述至少一个光学分离器的第一光学输出的光学激发信号，并且所述至少一个光学波导的第二端构造成接收来自所述至少一个光学分离器的第二光学输出的光学激发信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述至少一个光学分离器包括2至512个光学输出。
7.根据权利要求4所述的系统，其中，所述目标波导装置包括：
第一光学耦合器和第二光学耦合器，
其中，所述光学波导的第一端构造成接收来自所述第一光学耦合器的所述光学激发信号，而所述光学波导的第二端构造成接收来自所述第二光学耦合器的所述光学激发信号。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述系统包括单个光源。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述光学激发光束包括多个纵向模式。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述光学激发光束包括至少3个、至少5个、至少10个、至少15个、至少20个、至少30个或至少50个纵向模式。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述光学激发光束包括连续波宽带光谱。
12.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述光学激发光束包括时间平均的宽带光谱。
13.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述光学激发光束包括单一横向模式。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述单一横向模式是高斯模式。
15.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述光学激发光束显示零光程差点，并且所述目标波导装置构造成将所述零光程差点移到所述至少一个光学波导的外部。
16.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述光源为激光器、激光二极管、发光二极管或超发光发光二极管。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光源为激光器。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光源为超发光发光二极管。
19.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述目标波导装置包括多个光学波导，每个光学波导构造成接收来自所述光源的所述光学激发信号。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述目标波导装置包括至少2个、至少5个、至少10个、至少50个、至少100个、至少500个、至少1,000个、至少5,000个、至少10,000个、或至少50,000个光学波导。
21.根据权利要求19所述的系统，其中，所述目标波导装置包括不超过100,000个、不超过50,000个、不超过10,000个、不超过5,000个、不超过1,000个、不超过500个、或不超过100个的光学波导。
22.根据权利要求19所述的系统，其中，所述目标波导装置包括1至100,000个、100至10,000个或500至5,000个光学波导。
23.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，还包括：至少一个光学元件，其位于所述光源和所述目标波导装置之间，其中，所述至少一个光学元件调制所述光源和所述目标波导装置之间的所述光学激发光束。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述至少一个光学元件为透镜、偏光器、楔形物、滤波器、棱镜、反射镜或光栅。
25.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，还包括计算机，所述计算机接收来自所述至少一个检测器区域的至少一个电子信号并分析所述至少一个电子信号。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述分析包括获取核酸测序信息。
27.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述宽带、多纵向光学激发光束具有约450nm至约700nm的波长。
28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述波长为约500nm至约650nm。
29.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述至少一个光学波导包括SiON芯。
30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述SiON芯具有大于约1.6的折射率。
31.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述至少一个光学波导包括由二氧化硅围绕的芯。
32.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述目标装置在硅芯片上制造。
33.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述至少一个检测器区域包括CMOS传感器。
34.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述光源耦合至光纤，并且所述光学激发光束从所述光纤发射。
35.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述光源通过光纤耦合至平面光波电路，并且所述光学激发光束从所述平面光波电路发射。
36.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述至少一个反应区域包括核酸样品。
37.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述至少一个反应区域包括纳米级井。
38.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述至少一个反应区域包括零模波导。
39.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述目标波导装置包括2至16个光学耦合器。
40.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述目标波导装置包括2至16个光学分离器。
41.一种目标波导装置，包括：
至少一个光学耦合器，所述至少一个光学耦合器构造成接收来自光源的通过自由空间的光学激发光束；
至少一个光学分离器，所述至少一个光学分离器包括光学输入和多个光学输出，其中，所述光学分离器的光学输入光学地耦合到至少一个光学耦合器；
至少一个光学波导，所述至少一个光学波导包括第一端和第二端，其中，所述至少一个光学波导的第一端构造成接收来自所述至少一个光学分离器的第一光学输出的光学激发信号，而所述至少一个光学波导的第二端构造成接收来自所述至少一个光学分离器的第二光学输出的所述光学激发信号；
至少一个反应区域，所述至少一个反应区域光学地耦合到至少一个光学波导；以及
至少一个检测器区域，所述至少一个检测器区域构造成检测来自所述至少一个反应区域的光学发射信号。
42.根据权利要求41所述的装置，包括单个光学耦合器，用于将所述光学激发信号传递到所述至少一个光学波导的第一端和第二端。
43.根据权利要求41所述的装置，其中，所述至少一个光学分离器包括2至512个光学输出。
44.根据权利要求41至43中任一项所述的装置，包括多个光学波导，每个光学波导包括第一端和第二端，其中每个光学波导的第一端和每个光学波导的第二端构造为接收来自所述光源的所述光学激发光束。
45.根据权利要求44所述的装置，包括至少2个、至少5个、至少10个、至少50个、至少100个、至少500个、至少1,000个、至少5,000个、至少10,000个、或至少50,000个光学波导。
46.根据权利要求44所述的装置，包括不超过100,000个、不超过50,000个、不超过10,000个、不超过5,000个、不超过1,000个、不超过500个、或不超过100个的光学波导。
47.根据权利要求44所述的装置，包括1至100,000个、100至10,000个或500至5,000个光学波导。
48.根据权利要求41至43中任一项所述的装置，其中，所述至少一个光学波导包括SiON芯。
49.根据权利要求48所述的装置，其中，所述SiON芯具有大于约1.6的折射率。
50.根据权利要求41至43中任一项所述的装置，其中，所述至少一个光学波导包括由二氧化硅围绕的芯。
51.根据权利要求41至43中任一项所述的装置，其中，所述装置在硅芯片上制造。
52.根据权利要求41至43中任一项所述的装置，其中，所述至少一个检测器区域包括CMOS传感器。
53.根据权利要求41至43中任一项所述的装置，其中，所述至少一个反应区域包括核酸样品。
54.根据权利要求41至43中任一项所述的装置，其中，所述至少一个反应区域包括纳米级井。
55.根据权利要求41至43中任一项所述的装置，其中，所述至少一个反应区域包括零模波导。
56.根据权利要求41至43中任一项所述的装置，包括2至16个光学耦合器。
57.根据权利要求41至43中任一项所述的装置，包括2至16个光学分离器。
58.一种用于光学分析的系统，所述系统包括：
光源，所述光源构造成向自由空间发射光学激发光束，以及
可移动目标波导装置，其包括：
至少一个光学耦合器，所述至少一个光学耦合器构造成接收来自所述光源的通过自由空间的所述光学激发光束；
至少一个光学波导，所述至少一个光学波导包括第一端；其中，所述光学波导的第一端构造成接收来自所述至少一个光学耦合器的光学激发信号；
至少一个反应区域，所述至少一个反应区域光学地耦合到所述至少一个波导；以及
至少一个检测器区域，所述至少一个检测器区域光学地耦合到所述至少一个反应区域并且构造成检测来自所述至少一个反应区域的光学对准信号；
其中，所述目标波导装置或所述光学激发光束相对于彼此为可移动的；并且
其中，所述系统构造成监测所述光学对准信号并且使所述目标波导装置或所述光学激发光束相对于彼此移动以增加所述光学对准信号。
59.根据权利要求58所述的系统，其中，所述系统不包括对准相机。
60.根据权利要求58所述的系统，其中，所述系统构造成使所述目标波导装置或所述光学激发光束相对于彼此移动以使所述光学对准信号增加至最大水平。
61.根据权利要求58所述的系统，其中，所述目标波导装置或所述光学激发光束能够在两个维度上移动。
62.根据权利要求58所述的系统，其中，所述至少一个检测器区域构造成检测来自所述至少一个反应区域的光学对准信号和光学发射信号两者。
63.根据权利要求58所述的系统，其中，所述光学激发光束构造成在所述目标波导装置上投射至少粗照射点和细照射点，并且其中，所述粗照射点大于所述细照射点。
64.根据权利要求63所述的系统，其中，所述光学激发光束构造成在所述目标波导装置或所述光源移动的同时将所述粗照射点投射在所述目标波导装置上。
65.根据权利要求58所述的系统，其中，所述目标波导装置还包括定位在所述目标波导装置的表面上距所述至少一个光学耦合器一定距离处的至少一个辅助对准传感器或至少一个辅助对准耦合器。
66.根据权利要求65所述的系统，其中，所述距离是在所述目标波导装置的制造期间使用光刻法限定的。
67.根据权利要求65所述的系统，其中，所述至少一个辅助对准传感器或所述至少一个辅助对准耦合器构造成用于粗对准过程中。
68.根据权利要求65所述的系统，其中，所述目标波导装置包括多个辅助对准传感器或多个辅助对准耦合器。
69.根据权利要求68所述的系统，其中，所述多个辅助对准传感器或所述多个辅助对准耦合器布置成几何图案。
70.根据权利要求69所述的系统，其中，所述几何图案包括与所述至少一个反应区域光学地耦合的所述至少一个光学耦合器。
71.根据权利要求58所述的系统，其中，所述目标波导装置包括在所述装置上的限定位置处的至少一个对准特征，并且其中所述对准特征的位置以可读格式存储在所述装置上。
72.根据权利要求至58所述的系统，还包括：至少一个光学元件，其位于所述光源和所述目标波导装置之间，其中，所述至少一个光学元件调制所述光源和所述目标波导装置之间的所述光学激发光束。
73.根据权利要求72所述的系统，其中，所述至少一个光学元件为透镜、偏光器、楔形物、滤波器、棱镜、反射镜或光栅。
74.根据权利要求58至73中任一项所述的系统，其中，所述目标波导装置包括多个光学波导，每个光学波导构造成接收来自所述光源的所述光学激发信号。
75.根据权利要求74所述的系统，其中，所述目标波导装置包括至少2个、至少5个、至少10个、至少50个、至少100个、至少500个、至少1,000个、至少5,000个、至少10,000个、或至少50,000个光学波导。
76.根据权利要求74所述的系统，其中，所述目标波导装置包括不超过100,000个、不超过50,000个、不超过10,000个、不超过5,000个、不超过1,000个、不超过500个、或不超过100个的光学波导。
77.根据权利要求74所述的系统，其中，所述目标波导装置包括1至100,000个、100至10,000个或500至5,000个光学波导。
78.根据权利要求58至73中任一项所述的系统，还包括计算机，所述计算机接收来自所述至少一个检测器区域的至少一个电子信号并分析所述至少一个电子信号。
79.根据权利要求78所述的系统，其中所述分析包括获取核酸测序信息。
80.根据权利要求58至73中任一项所述的系统，其中，所述光学激发光束具有约450nm至约700nm的激发波长。
81.根据权利要求80所述的系统，其中所述激发波长为约500nm至约650nm。
82.根据权利要求58至73中任一项所述的系统，其中，所述至少一个光学波导包括SiON芯。
83.根据权利要求82所述的系统，其中，所述SiON芯具有大于约1.6的折射率。
84.根据权利要求58至73中任一项所述的系统，其中，所述至少一个光学波导包括由二氧化硅围绕的芯。
85.根据权利要求58至73中任一项所述的系统，其中，所述目标波导在硅芯片上制造。
86.根据权利要求58至73中任一项所述的系统，其中，所述至少一个检测器区域包括CMOS传感器。
87.根据权利要求58至73中任一项所述的系统，其中，所述光源耦合至光纤，并且所述光学激发光束从所述光纤发射。
88.根据权利要求58至73中任一项所述的系统，其中，所述光源通过光纤耦合至平面光波电路，并且所述光学激发光束从所述平面光波电路发射。
89.根据权利要求58至73中任一项所述的系统，其中，所述至少一个反应区域包括核酸样品。
90.根据权利要求58至73中任一项所述的系统，其中，所述至少一个反应区域包括纳米级井。
91.根据权利要求58至73中任一项所述的系统，其中，所述至少一个反应区域包括零模波导。
92.根据权利要求58至73中任一项所述的系统，其中，所述目标波导装置包括2至16个耦合器。
93.根据权利要求58至73中任一项所述的系统，其中，所述目标波导装置包括2至16个光学分离器。
94.一种将光源与目标波导装置对准的方法，包括以下步骤：
提供用于光学分析的系统，所述系统包括：
光源，所述光源构造成向自由空间发射光学激发光束，以及
可移动目标波导装置，其包括：
至少一个光学耦合器，所述至少一个光学耦合器构造成接收来自所述光源的通过自由空间的所述光学激发光束；
至少一个光学波导，所述至少一个光学波导构造成接收来自所述至少一个光学耦合器的光学激发信号；
至少一个反应区域，所述至少一个反应区域光学地耦合到所述至少一个波导；以及
至少一个检测器区域，所述至少一个检测器区域光学地耦合到所述至少一个反应区域并且构造成检测来自所述至少一个反应区域的光学对准信号；
其中，所述目标波导装置或所述光学激发光束相对于彼此为能够移动的；
监测光学对准信号；以及
使所述目标波导装置或所述光学激发光束相对彼此移动，以增加所述光学对准信号。
95.根据权利要求94所述的方法，其中，所述系统不包括对准相机。
96.根据权利要求94所述的方法，其中，所述目标波导装置或所述光学激发光束相对于彼此移动以使所述光学对准信号增加至最大水平。
97.根据权利要求94所述的方法，其中，所述目标波导装置或所述光学激发光束能够在两个维度上移动。
98.根据权利要求94所述的方法，其中，所述至少一个检测器区域构造成检测来自所述至少一个反应区域的光学对准信号和光学发射信号两者。
99.根据权利要求94所述的方法，其中，所述光学激发光束构造成在所述目标波导装置上投射至少粗照射点和细照射点，并且其中，所述粗照射点大于所述细照射点。
100.根据权利要求99所述的方法，其中，所述光学激发光束构造成在所述目标波导装置或所述光源移动的同时将所述粗照射点投射在所述目标波导装置上。
101.根据权利要求94所述的方法，其中，所述目标波导装置还包括定位在所述目标波导装置的表面上距所述至少一个光学耦合器一定距离处的至少一个辅助对准传感器或至少一个辅助对准耦合器。
102.根据权利要求101所述的方法，其中，所述距离是在所述目标波导装置的制造期间使用光刻法限定的。
103.根据权利要求101所述的方法，其中，所述至少一个辅助对准传感器或所述至少一个辅助对准耦合器构造成用于粗对准过程中。
104.根据权利要求101所述的方法，其中，所述目标波导装置包括多个辅助对准传感器或多个辅助对准耦合器。
105.根据权利要求104所述的方法，其中，所述多个辅助对准传感器或所述多个辅助对准耦合器布置成几何图案。
106.根据权利要求105所述的方法，其中，所述几何图案包括与所述至少一个反应区域光学地耦合的所述至少一个光学耦合器。
107.根据权利要求94所述的方法，其中，所述目标波导装置包括在所述装置上的限定位置处的至少一个对准特征，并且其中所述对准特征的位置以可读格式存储在所述装置上。
108.根据权利要求至94所述的方法，还包括：至少一个光学元件，其位于所述光源和所述目标波导装置之间，其中，所述至少一个光学元件调制所述光源和所述目标波导装置之间的所述光学激发光束。
109.根据权利要求108所述的方法，其中，所述至少一个光学元件为透镜、偏光器、楔形物、滤波器、棱镜、反射镜或光栅。
110.根据权利要求94至109中任一项所述的方法，其中，所述目标波导装置包括多个光学波导，每个光学波导构造成接收来自所述光源的所述光学激发信号。
111.根据权利要求110所述的方法，其中，所述目标波导装置包括至少2个、至少5个、至少10个、至少50个、至少100个、至少500个、至少1,000个、至少5,000个、至少10,000个、或至少50,000个光学波导。
112.根据权利要求110所述的方法，其中，所述目标波导装置包括不超过100,000个、不超过50,000个、不超过10,000个、不超过5,000个、不超过1,000个、不超过500个、或不超过100个的光学波导。
113.根据权利要求110所述的方法，其中，所述目标波导装置包括1至100,000个、100至10,000个或500至5,000个光学波导。
114.根据权利要求94至109中任一项所述的方法，还包括计算机，所述计算机接收来自所述至少一个检测器区域的至少一个电子信号并分析所述至少一个电子信号。
115.根据权利要求114所述的方法，其中，所述分析包括获取核酸测序信息。
116.根据权利要求94至109中任一项所述的方法，其中，所述光学激发光束具有约450nm至约700nm的激发波长。
117.根据权利要求116所述的方法，其中所述激发波长为约500nm至约650nm。
118.根据权利要求94至109中任一项所述的方法，其中，所述至少一个光学波导包括SiON芯。
119.根据权利要求118所述的方法，其中，所述SiON芯具有大于约1.6的折射率。
120.根据权利要求94至109中任一项所述的方法，其中，所述至少一个光学波导包括由二氧化硅围绕的芯。
121.根据权利要求94至109中任一项所述的方法，其中，所述目标波导在硅芯片上制造。
122.根据权利要求94至109中任一项所述的方法，其中，所述至少一个检测器区域包括CMOS传感器。
123.根据权利要求94至109中任一项所述的方法，其中，所述光源耦合至光纤，并且所述光学激发光束从所述光纤发射。
124.根据权利要求94至109中任一项所述的方法，其中，所述光源通过光纤耦合至平面光波电路，并且所述光学激发光束从所述平面光波电路发射。
125.根据权利要求94至109中任一项所述的方法，其中，所述至少一个反应区域包括核酸样品。
126.根据权利要求94至109中任一项所述的系统，其中，所述至少一个反应区域包括纳米级井。
127.根据权利要求94至109中任一项所述的方法，其中，所述至少一个反应区域包括零模波导。
128.根据权利要求94至109中任一项所述的方法，其中，所述目标波导装置包括2至16个光学耦合器。
129.根据权利要求94至109中任一项所述的方法，其中，所述目标波导装置包括2至16个光学分离器。
130.一种用于光学分析的系统，所述系统包括：
光源，所述光源构造成向自由空间发射光学激发光束，
可移动目标波导装置；
其中，所述目标波导装置包括：
至少一个光学耦合器，所述至少一个光学耦合器构造成接收来自所述光源的通过自由空间的所述光学激发光束；以及
至少一个光学波导，所述至少一个光学波导包括第一端；其中，所述光学波导的第一端构造成接收来自所述至少一个光学耦合器的光学激发信号；以及
至少两个平移透镜，其位于所述光源和所述可移动目标波导装置之间；其中，所述平移透镜控制所述光学激发光束在多个方向上从所述光源到所述目标波导的传递。
131.根据权利要求130所述的系统，其中，沿第一方向、第二方向和第一角度来控制所述光学激发光束到所述目标波导装置的传递。
132.根据权利要求130所述的系统，其中，所述至少两个平移透镜包括准直透镜和物镜。
133.根据权利要求132所述的系统，其中，所述准直透镜相对于所述物镜的平移调制所述光学激发光束沿第一角度到所述目标波导装置的传递。
134.根据权利要求132所述的系统，其中，所述物镜相对于所述目标波导装置沿第一空间方向的平移调制所述光学激发光束沿第一空间方向到所述目标波导装置的传递。
135.根据权利要求132所述的系统，其中，所述物镜相对于所述目标波导装置沿第一空间方向和第二空间方向的平移调制所述光学激发光束沿第一空间方向和第二空间方向到所述目标波导装置的传递。
136.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，其中，所述目标波导装置还包括至少一个反应区域，所述至少一个反应区域光学地耦合至所述至少一个波导。
137.根据权利要求136所述的系统，其中，所述目标波导装置还包括至少一个检测器区域，所述至少一个检测器区域构造成检测来自所述至少一个反应区域的光学发射信号。
138.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，其中，所述目标波导装置还包括：
至少一个光学分离器；
其中，所述至少一个光学分离器包括光学输入和多个光学输出，其中，所述至少一个光学分离器的光学输入光学地耦合至所述至少一个光学耦合器；并且
其中，所述光学波导的第一端构造成通过所述至少一个光学分离器的光学输入，以及通过所述至少一个光学分离器的第一光学输出，接收来自所述至少一个光学耦合器的所述光学激发信号。
139.根据权利要求138所述的系统，其中，所述至少一个光学分离器包括2至512个光学输出。
140.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，其中，所述系统包括单个光源。
141.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，其中，所述光源为激光器、激光二极管、发光二极管或超发光发光二极管。
142.根据权利要求141所述的系统，其中，所述光源为激光器。
143.根据权利要求141所述的系统，其中，所述光源为超发光发光二极管。
144.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，其中，所述目标波导装置包括多个光学波导，每个光学波导构造成接收来自所述光源的所述光学激发信号。
145.根据权利要求144所述的系统，其中，所述目标波导装置包括至少2个、至少5个、至少10个、至少50个、至少100个、至少500个、至少1,000个、至少5,000个、至少10,000个、或至少50,000个光学波导。
146.根据权利要求144所述的系统，其中，所述目标波导装置包括不超过100,000个、不超过50,000个、不超过10,000个、不超过5,000个、不超过1,000个、不超过500个、或不超过100个的光学波导。
147.根据权利要求144所述的系统，其中，所述目标波导装置包括1至100,000个、100至10,000个或500至5,000个光学波导。
148.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，还包括计算机，所述计算机接收来自所述至少一个检测器区域的至少一个电子信号并分析所述至少一个电子信号。
149.根据权利要求148所述的系统，其中，所述分析包括获取核酸测序信息。
150.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，其中，所述宽带、多纵向光学激发光束具有约450nm至约700nm的波长。
151.根据权利要求150所述的系统，其中，所述波长为约500nm至约650nm。
152.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，其中，所述至少一个光学波导包括SiON芯。
153.根据权利要求152所述的系统，其中，所述SiON芯具有大于约1.6的折射率。
154.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，其中，所述至少一个光学波导包括由二氧化硅围绕的芯。
155.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，其中，所述目标波导在硅芯片上制造。
156.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，其中，所述至少一个检测器区域包括CMOS传感器。
157.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，其中，所述光源耦合至光纤，并且所述光学激发光束从所述光纤发射。
158.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，其中，所述光源通过光纤耦合至平面光波电路，并且所述光学激发光束从所述平面光波电路发射。
159.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，其中，所述至少一个反应区域包括核酸样品。
160.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，其中，所述至少一个反应区域包括纳米级井。
161.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，其中，所述至少一个反应区域包括零模波导。
162.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，其中，所述目标波导装置包括2至16个光学耦合器。
163.根据权利要求130至135中任一项所述的系统，其中，所述目标波导装置包括2至16个光学分离器。
164.一种用于光学分析的系统，所述系统包括：
光源，所述光源构造成向自由空间发射光学激发光束，
可移动目标波导装置；
其中，所述目标波导装置包括：
至少一个光学耦合器，所述至少一个光学耦合器构造成接收来自所述光源的通过自由空间的所述光学激发光束；以及
至少一个光学波导，所述至少一个光学波导包括第一端；其中，所述光学波导的第一端构造成接收来自所述至少一个光学耦合器的光学激发信号；
第一平移透镜，其位于所述光源和所述可移动目标波导装置之间；以及
第一偏心凸轮；其中，所述第一偏心凸轮控制所述第一平移透镜沿第一方向的位置。
165.根据权利要求164所述的系统，其中，所述第一偏心凸轮由第一步进马达驱动。
166.根据权利要求165所述的系统，其中，所述第一步进马达为固定的。
167.根据权利要求164所述的系统，其中，所述第一偏心凸轮通过附接到所述第一平移透镜的第一台来控制所述第一平移透镜的位置。
168.根据权利要求164所述的系统，其中，所述第一透镜具有至多10mm的行程。
169.根据权利要求164所述的系统，其中，所述第一透镜具有至少1μm的运动分辨率。
170.根据权利要求164所述的系统，还包括第二偏心凸轮，其中，所述第二偏心凸轮沿第二方向控制所述第一平移透镜的位置。
171.根据权利要求170所述的系统，其中，所述第二方向与所述第一方向正交。
172.根据权利要求170所述的系统，其中，所述第二偏心凸轮由第二步进马达驱动。
173.根据权利要求172所述的系统，其中，所述第二步进马达为固定的。
174.根据权利要求173所述的系统，其中，所述第二偏心凸轮的移动不影响所述第一平移透镜沿所述第一方向的位置。
175.根据权利要求170所述的系统，其中，所述第二偏心凸轮通过附接到所述第一平移透镜的第二台来控制所述第一平移透镜的位置。
176.根据权利要求164所述的系统，还包括第三偏心凸轮，其中，所述第三偏心凸轮控制第二平移透镜的位置。
177.根据权利要求176所述的系统，还包括第四偏心凸轮，其中，所述第四偏心凸轮控制所述第二平移透镜的位置。
178.根据权利要求176所述的系统，其中，所述第一平移透镜为准直透镜，并且所述第二平移透镜为物镜。
179.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，其中，所述目标波导装置还包括至少一个反应区域，所述至少一个反应区域光学地耦合至所述至少一个波导。
180.根据权利要求179所述的系统，其中，所述目标波导装置还包括至少一个检测器区域，所述至少一个检测器区域构造成检测来自所述至少一个反应区域的光学发射信号。
181.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，其中，所述目标波导装置还包括：
至少一个光学分离器；
其中，所述至少一个光学分离器包括光学输入和多个光学输出，其中，所述至少一个光学分离器的光学输入光学地耦合至所述至少一个光学耦合器；并且
其中，所述光学波导的第一端构造成通过所述至少一个光学分离器的光学输入，以及通过所述至少一个光学分离器的第一光学输出，接收来自所述至少一个光学耦合器的所述光学激发信号。
182.根据权利要求181所述的系统，其中，所述至少一个光学分离器包括2至512个光学输出。
183.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，其中，所述系统包括单个光源。
184.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，其中，所述光源为激光器、激光二极管、发光二极管或超发光发光二极管。
185.根据权利要求184所述的系统，其中，所述光源为激光器。
186.根据权利要求184所述的系统，其中，所述光源为超发光发光二极管。
187.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，其中，所述目标波导装置包括：包括多个光学波导，每个光学波导构造成接收来自光源的所述光学激发信号。
188.根据权利要求187所述的系统，其中，所述目标波导装置包括至少2个、至少5个、至少10个、至少50个、至少100个、至少500个、至少1,000个、至少5,000个、至少10,000个、或至少50,000个光学波导。
189.根据权利要求187所述的系统，其中，所述目标波导装置包括不超过100,000个、不超过50,000个、不超过10,000个、不超过5,000个、不超过1,000个、不超过500个、或不超过100个的光学波导。
190.根据权利要求187所述的系统，其中，所述目标波导装置包括1至100,000个、100至10,000个或500至5,000个光学波导。
191.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，还包括计算机，所述计算机接收来自所述至少一个检测器区域的至少一个电子信号并分析所述至少一个电子信号。
192.根据权利要求191所述的系统，其中，所述分析包括获取核酸测序信息。
193.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，其中，所述宽带、多纵向光学激发光束具有约450nm至约700nm的波长。
194.根据权利要求193所述的系统，其中，所述波长为约500nm至约650nm。
195.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，其中，所述至少一个光学波导包括SiON芯。
196.根据权利要求195所述的系统，其中，所述SiON芯具有大于约1.6的折射率。
197.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，其中，所述至少一个光学波导包括由二氧化硅围绕的芯。
198.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，其中，所述目标波导在硅芯片上制造。
199.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，其中，所述至少一个检测器区域包括CMOS传感器。
200.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，其中，所述光源耦合至光纤，并且所述光学激发光束从所述光纤发射。
201.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，其中，所述光源通过光纤耦合至平面光波电路，并且所述光学激发光束从所述平面光波电路发射。
202.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，其中，所述至少一个反应区域包括核酸样品。
203.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，其中，所述至少一个反应区域包括纳米级井。
204.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，其中，所述至少一个反应区域包括零模波导。
205.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，其中，所述目标波导装置包括2至16个光学耦合器。
206.根据权利要求164至178中任一项所述的系统，其中，所述目标波导装置包括2至16个光学分离器。
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