CN113064236A - 用于自由空间光耦合的集成装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光传输装置以及包括光传输装置的集成分析系统。光传输装置包括光输入端、光输出端和集成光波导，集成光波导构造为使光能量经由自由空间耦合至目标波导装置。集成分析系统包括与目标波导装置组合起来的光传输装置。该装置及系统在高密度下的大量高度多路复用光反应的分析中有用，这些反应包括例如核酸测序反应等生物化学反应。该装置设置用于使来自光源的光激发能量与光反应高效耦合。因此，可以以高灵敏度和识别力来测量从反应中发射的光信号。该装置及系统良好地适于小型化和高通量。

Description

用于自由空间光耦合的集成装置及系统
本申请是2017年11月16日(国际申请日：2016年3月16日)提交、发明名称为“用于自由空间光耦合的集成装置及系统”、申请号为201680028418.0(国际申请号：PCT/US2016/022684)的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年3月16日提交的美国临时申请No.62/133,965以及2015年6月12日提交的美国临时申请No.62/175,139的优先权，这些申请的完整公开内容通过引用并入本文。
背景技术
随着多路复用光学分析系统在尺寸上继续小型化、在范围上继续扩大并且在功率上继续增大，对开发能够将光能量传输至这种系统的改进系统的需要变得更加重要。例如，美国专利申请公开No.2008/0128627和2012/0085894中描述了一种高度多路复用分析系统，该分析系统包括用于照射纳米级样品的集成波导。美国专利申请公开No.2012/0014837、2012/0021525和2012/0019828中描述了另一种光学系统，该光学系统用于分析纳米级样品，包括照射和检测这种样品。美国专利申请公开No.2014/0199016和2014/0287964中描述了另一种用于进行高度多路复用分析的纳米级照射系统。
在常规光学系统中，通常使用光学组件(optical train)来对到达样品材料和来自样品材料的光进行引导、聚焦、过滤、分束、分离和检测。这种系统通常使用各种不同光学元件来引导、修改并以其它方式控制进入和离开反应部位的光。这种系统通常是复杂且昂贵的，并趋于具有显著的空间需求。例如，典型系统使用反射镜和棱镜来将光从光源引导至期望目的地。此外，这种系统可以包括例如光分束棱镜等光分束光学装置来从单束初始光束中产生两束以上的光束。
已描述了对常规光学系统的替代，特别描述了具有在极其受限的环境中设计并制作的集成光学部件的替代系统。例如，已开发了在远程通信应用中使用的包括光纤接口、波长过滤器或组合器、相位延迟光学干涉仪、光隔离器、偏振控制器和/或分光器的平面光波导线路(PLC)。在一些情况中，这些装置还包括一个或多个激光源以及一个或多个光探测器。这些装置使用集成光波导来以与电子行进通过电路大致相同的方式使光子行进通过光路。这些装置使用标准的半导体制作技术来制作，并且在制作过程期间这些装置可以因此集成有例如光学过滤器和光纤尾纤连接器等无源部件以及例如光开关和衰减器等有源元件。如在远程通信设备中所使用的那样，这些装置通常用于使来自光纤芯部中的光信号耦合和/或分束，以便例如进行多路复用/多路分用、光分路和/或光切换。因此，这些装置提供了更常规的光学组件的功能，且同时是显著便宜、更紧凑且更耐用的。
在远程通信应用中使用的PLC在制造过程期间通常被机械地对准并结合至它们的激光光源以及它们的相关光电探测器。因此，这些装置并不适合用于与具有可拆卸样品保持部的分析系统连接，其中，从例如常规光学组件等光传输装置输出的光通常经由自由空间耦合至目标样品保持部。因此，每当更换目标装置时来自输出传输装置的光信号需要与目标装置对准，并且在分析过程期间甚至可能因分析期间的与集成系统相关的机械、热和其他干扰因素而需要监测并保持该对准。另外，在远程通信应用中使用的PLC不设计为传输用于分析上述高度多路复用分析系统中存在的大量纳米级样品所需的光能量的强度，而且PLC也不设计为与如下光源一起使用，该光源具有适合于在具有标准生物反应物的分析系统中使用的波长。
因此，需要提高光传输装置及系统的性能和特性，以便在这些应用中使用。
发明内容
本公开内容的一个方面通过提供光传输装置来解决这些和其他需要，该光传输装置包括：
光输入端；
光输出端；
光输出波导，其布置在基板上并与所述光输入端和所述光输出端光连接；
其中，所述光输出端构造为经由自由空间与目标波导装置光耦合。
在一些实施例中，调整传输装置的光输出端的数值孔径。
在一些实施例中，该装置构造为照射在目标波导装置上的覆盖区。
在一些实施例中，该装置的光输出波导包括功率调制器。
在一些实施例中，该装置包括一个或多个分束元件。
在一些实施例中，该装置包括一个或多个相位调制器、一个或多个振幅调制器、一个或多个频率调制器、一个或多个模消除器或它们的组合。
在一些实施例中，该装置构造为将可见光光输出至目标波导装置。
在另一个方面中，本公开内容提供了一种分析系统，包括：
集成光传输装置；以及
集成目标波导装置。
在特定系统实施例中，集成光传输装置为本文所公开的传输装置。
在其他特定系统实施例中，系统还包括对准装置，该对准装置可以提供集成目标波导装置和集成光传输装置的动态对准。在一些特定实施例中，所述目标波导装置包括对准特征。在一些特定实施例中，所述目标波导装置包括光栅耦合器。
在优选系统实施例中，所述集成目标波导装置为多路复用DNA测序装置。
在一些实施例中，系统包括位于集成光传输装置与集成目标波导装置之间的例如光学透镜元件等介入光学元件。在这些实施例中的一些实施例中，所述集成光传输装置包括多个光输出端，其中，所述多个光输出端中的至少一个光输出端具有不大于0.1的数值孔径。在特定实施例中，所述集成目标波导装置包括与集成波导光耦合的光栅耦合器，其中，所述光栅耦合器具有比所述光传输装置的所述光输出的所述数值孔径小的数值孔径。更具体地说，所述光栅耦合器具有不大于0.05的数值孔径。
附图说明
图1A至图1C示出了来自光纤末端的耦合和经由自由空间与目标波导装置的耦合之间的区别。图1D示出了作为与光束轴线的距离的函数的高斯光束的强度的曲线图。图1E示出了半径w(z)的发散高斯光束的形状。
图2A至图2C示意性地示出了三个光学装置设计，其中，光输出端构造为经由自由空间耦合。
图3示出了一种光学装置布局，其中，单个光输入被分成具有相等输出强度的四个光输出。
图4A和图4B示出了示例性目标波导阵列的布局以及块数与阵列上的两个不同光学路径的路由路径长度之间的关系。
图5示出了该装置的光输出端与目标波导阵列匹配的集成光学装置布局。在该设计中，存在两个光输入端，并且来自与各个光输入端相关的1×4分束器的光输出不相等。
图6A至图6E示出了在各个示例性光学装置中进行功率监测的构造。图6A：输出光栅将光从2％分光器传输至位于芯片上方的探测器；图6B：PIN二极管被安装在芯片的用于接收来自2％分光器的光的一侧；图6C和图6D：使用相机监测在芯片之上或芯片一侧经由自由空间的光；图6E：示出了功率监测分光器可以彼此相交的示例性构造。这里，可以在从芯片一侧串联地监测自四个波导输出的功率。
图7A和图7B示出了通过“模”消除(图7A)或通过调整弯曲半径或其他波导特征(图7B)来消除经由光传输装置传输的光的偏振。
图8A至图8C示出了能够使光能量耦合到多路复用目标波导阵列中的三个不同光传输装置实施例。图8A：与两个光输入端耦合的光传输装置，每个光输入端均穿过1×4等功率分束器，以产生8个等功率光输出。图8B：光传输装置与8个光输入端耦合，以产生8个等功率光输出。图8C：光传输装置与4个光输入端耦合，每个光输入端均穿过1×2分束器，以产生8个等功率光输出。
图9示出了具有用作对准光束的两个2％输出分光器的示例性光传输装置。
图10A示出了具有11个光纤输入端、11个竖直分光器和11个水平分光器的示例性光传输装置。图10B更详细地示出了竖直分光器和水平分光器。
图11示出了具有2个光输入端和分束器的替代示例性光传输装置，分束器将8个输出提供至测序波导并提供4个“外伸臂(outrigger)”用于使光传输装置与目标波导阵列对准。
图12A示出了示例性集成装置的侧视图和端视图，其中，端视图示出了光输出端。以微米示出了与标记为“PP4”的光输出端的距离。图12B是相同装置的透视图。
图13A示出了示例性光学分析系统，该系统包括具有激光器的光源、光束功率控制器以及用于将光输出引导至集成目标波导装置的“光刷(light brush)”平面光路。还示出了对准相机。图13B示出了在光传输装置与目标装置的对准期间要控制的自由度。运动被指定为沿着轨迹(AT)、交叉轨迹(CT)、俯仰、偏转和翻滚(或图案旋转)。未示出上下维的运动。
图14A至图14C示出了在V沟槽光纤阵列中具有理想同心度误差的光纤的使用。
图15示出了2光纤V沟槽光纤阵列，其包括在阵列中具有较差同心度和翻转取向的光纤。
图16A和图16B示出了在2光纤V沟槽光纤阵列中的切割光纤的连续区段的使用。
具体实施方式
集成光传输装置
在一个方面中，本公开内容提供用于将光能量从一个或多个外部源(例如一个或多个激光器)传输到相关的目标集成波导装置的光输入端(例如多路复用的集成DNA测序芯片的光输入端)中的装置。目标装置上的这种光输入端优选地为衍射光栅输入端，但其他光输入端也可以有用地耦合至本光传输装置的输出端。此外，目标集成波导装置优选地具有多个光输入端，使得光能量经由目标装置中的独立波导路径传输。因此，也被称为“光刷”的本集成光传输装置包括至少一个光输入端、至少一个光输出端和至少一个光波导，至少一个光波导布置在基板上，并与至少一个光输入端和至少一个光输出端光连接。在优选实施例中，本集成光传输装置包括能够与目标装置上的多个光输入端光耦合的多个光输出端。
因为本分析系统的目标波导装置设计为可拆卸的并且因为光传输装置与相关的目标波导装置之间的容差必须因此相对放宽，所以本光传输装置的一个或多个光输出端构造为将一个或多个光信号经由自由空间传输至目标波导装置。具体而言，传输装置的光输出端构造为经由自由空间在至少1mm、至少2mm、至少3mm、至少5mm、至少10mm、至少20mm、至少30mm、至少50mm、至少100mm的距离或者甚至更远距离光耦合至目标装置。在一些实施例中，该装置构造为经由自由空间在至少5mm的距离光耦合至目标装置。更具体地说，耦合可以在至少10mm的距离处。更具体地说，耦合可以在至少20mm的距离处。
本装置可以构造为以多种方式经由自由空间传输光能量。具体而言，如将在下文和实例部分更详细描述地那样，选择该装置的光学部件的尺寸、形状、取向、成分和其他特性以提供经由自由空间的这种光耦合。这些和其他特征使本装置及系统与用于远程通信和其他相关应用中的光传输和耦合的类似装置及系统有所区别，例如PLC装置等光传输装置经由极短距离耦合至它们的目标。事实上，在集成远程通信光学装置中通常耦合的距离在10μm的量级，甚至更短。例如，美国专利申请公开No.2014/0177995公开了一种使集成装置与外部光纤光耦合的装置，这里，输出端包括耦合器，耦合器包括集成波导结构、反射镜结构和渐缩的竖直波导，竖直波导具有在0.1μm至10μm范围内的孔径以及5μm至30μm的典型高度。也被称为竖直光斑尺寸转换器的这些耦合器设计用于在集成波导结构与相关的输出光纤之间进行直接连接或近似直接连接。该装置可选地包括在竖直波导中制成的直径小于1mm的显微透镜。美国专利申请公开No.2015/0001175中提供了集成波导装置与相关的光纤之间的直接耦合或近似直接耦合的另一个实例，该实例公开了使用圆筒形状或球体形状的显微透镜来帮助光耦合。透镜被制作为具有与典型远程通信光纤的～10μm模尺寸大致相等的半径，这里，光纤与显微透镜直接邻接。因此，这些耦合器还设计用于在装置制造时在集成波导结构与输出光纤之间进行直接连接或近似直接连接。
图1A至图1C提供了直接耦合或近似直接耦合至目标波导装置的光传输装置与本文所公开的光传输装置的大致比较，在本发明中，经由自由空间进行耦合。如图1A所示，光从光纤(100)耦合至目标波导装置(110)，光束(102)传播相对短的距离，从而通过在与目标装置中的集成波导(108)光连接的光栅耦合器(106)上照射覆盖区(footprint)来照射目标波导装置。作为比较，如图1B所示，本公开内容的光传输装置(例如150)发射光束(例如152)，光束152传播相对长的距离到达目标波导装置(例如160)，并在该装置上照射相对大的覆盖区。该视图中还示出了相应的较大光栅耦合器(例如156)以及相关的集成波导(例如158)。
图1C示出了该类型的光学系统的可选实施例。具体而言，在该系统中，一个或多个光学元件(例如184)定位在光传输装置(例如180)与目标波导装置(例如190)之间。这些光学元件可以用于在光束(例如182)照射到目标波导装置上之前聚焦、准直或以其他方式修正光束182。如下文更详细地描述以及本领域普通技术人员理解的那样，光学元件还可以例如将光束的焦距调整成与目标装置上的光栅耦合器(例如186)的数值孔径(NA)更紧密匹配。光学元件同样可以例如根据需要调整光束在光栅耦合器上的覆盖区尺寸。如应从该实例中理解的那样，光传输装置的光输出端的NA不需要与目标装置上的输入耦合器的NA精确匹配，这是因为介入透镜或其他光学元件可以用于调整光传输装置与目标波导装置之间的光束的光学特性。
光耦合
本公开内容由此提供了具有一个或多个光输出端的光传输装置，光输出端构造为使光经由自由空间耦合至目标波导装置。根据一些实施例，为了以多种方式帮助并优化与目标装置的耦合，可以调整传输装置中的光输出端的数值孔径(NA)。如光学领域中的普通技术人员应理解的那样，NA与如下角度范围有关，在该角度范围内入射到光纤或波导上的光将沿着光纤或波导传输。NA为通常与光纤或波导芯部和包层的折射率有关的无量纲值。在阶跃折射率的多模光纤的情况中，可以使用下式来计算数值孔径：
Figure BDA0002998588940000081
这里，θmax为光纤的最大接收角，并对应于光纤接受光锥(能够由光纤传播的入射光的光锥)的半角，n为介质(光从该介质进入或离开芯部)的折射率，ncore为芯部的折射率，而nclad为包层的折射率。光纤或集成波导的NA由此取决于用于制作光纤或波导的芯部和包层的材料的光学特性以及光纤或波导芯部的尺寸和几何形状。如果芯部的几何形状被选择为单一、最低阶的近似高斯空间模，则因为芯部的有效折射率可能因延伸到包层中的模态能量而下降，可以进一步显著修改NA。注意到存在其他更常见几何形状的折射率分布(例如芯部折射率在径向或横向位置的变化)以及光子带隙构造，光子带隙构造也可以改变NA或以更精细的等级改变分布。NA还取决于经由芯部传播的光的波长。因此，应理解的是，可以由此有用地调整特定光纤或集成波导的NA，以得到光纤或波导的用于特定应用和目的的合适性能。
从实际观点出发，还可以例如通过例如基于规格EIA/TIA-455-47使用直接远场扫描器来测量由位于与装置的端部相距一定距离处的光纤或波导发射出的传播光的性能，从而凭经验确定给定光纤或波导的NA。这种测量提供了光纤或波导的模场直径(MFD)、有效面积和数值孔径的经验值。在单模光纤的情况中，MFD与基模的光斑尺寸有关，并表示光纤的光输出的远场功率分布。由下式提供NA与MFD之间的关系，这里，λ为传播光的波长：
Figure BDA0002998588940000091
表1示出了532nm光的NA与光束直径之间的关系，其中，高斯光束轮廓(Gaussianbeamprofile)在三个不同功率级处被截断(truncated)：1/e2、1/e3和1/e4。对NA的每个值而言，所列出的在1/e2的功率截断处的光束直径对应于光束的MFD。所列出的在1/e3的功率截断处的光束直径在目标装置上的光耦合器的尺寸(即，目标装置上的“覆盖区”)的设计中提供了有用的评估。更具体地说，该列中所示的剖面尺寸的耦合器将捕捉到来自传输光束的最大能量。
如本领域已知的是，在用于传输和耦合远程通信光信号的装置中通常使用0.12以上的NA值。如表1所示，0.12和0.13的NA分别产生相对窄的光束直径：2.82μm和2.61μm。通过比较，NA为0.01的532nm光的高斯光束表现出约34μm(10倍以上)的光束直径。图1D示出了这种高斯光束(NA等于0.01)的2维轮廓。如刚才指出的，通过截断1/e2功率级处的光束轮廓来确定光束直径。
表1：对于532nm光而言作为NA的函数的功率截断光束轮廓
NA 1/e<sup>2</sup>(μm) 1/e<sup>3</sup>(μm) 1/e<sup>4</sup>(μm)
0.13 2.61 3.91 5.21
0.12 2.82 4.23 5.64
0.05 6.77 10.16 13.55
0.015 22.58 33.87 45.16
0.01 33.87 50.80 67.74
0.005 67.74 101.60 135.47
还应理解的是，高斯光束的直径将因光束发散而沿着光束轴线变化。更具体地说，对在自由空间中传播的发散高斯光束而言，光束半径w根据下式作为沿着光束轴线的长度的距离z的函数而变化：
Figure BDA0002998588940000092
这里，w0为最小光束半径(即，“束腰半径”)，最小光束半径出现在沿着光束轴线的被称为“束腰”的特定位置处；z为沿着光束轴线与束腰的距离；并且zR为瑞利长度，对给定光束而言zR为恒定值，该恒定值取决于束腰半径和光的波长λ，zR基于如下公式：
Figure BDA0002998588940000101
因此，在沿着zR的光束轴线与束腰相距一距离处，光束半径等于
Figure BDA0002998588940000102
考虑到以上内容，因而得出结论，瑞利长度和数值孔径根据下式彼此相关：
Figure BDA0002998588940000103
图1E以图形方式示出了上述参数，并示出了半径w的发散高斯光束。
根据以上描述，与具有相对小的NA值的光纤和波导相比，具有相对大的NA值的光纤和波导在目标表面上照射较小覆盖区并且是经由自由空间在更短距离上照射较小覆盖区。这些区别在图1A和图1B的示例性系统中是显而易见的。具体而言，图1A所示的系统的光纤(100)具有相对大的NA，因此，光纤(100)在相对靠近目标波导装置(110)处照射相对小的覆盖区。通过比较，图1B所示的系统的光传输装置(150)具有相对小的NA，因此，光传输装置(150)在与目标装置(160)相距相对大的自由空间耦合距离处照射相对大的覆盖区。如上所述，图1C示出了可选设计，该可选设计允许例如使用介入光学元件来以目标放大率再次成像输出光束的光覆盖区，以在目标装置的表面处提供优选尺寸的束腰。这里应注意到在本公开内容的全文中提供的视图不一定意图准确地表示所示装置的尺寸、角度或其他特定设计特征，特别是对发散角、波导弯曲半径、特定路由路径等等的任何表示。
如本公开内容的全文中详细地描述那样，所公开的传输装置的光输出端被设计为产生输出光束，这些输出光束容易且高效地经由自由空间耦合至它们的目标装置。如本文中的装置及系统所公开地那样，相对于通常在远程通信及其相关系统中使用的直接耦合而言，自由空间耦合提供了若干个优点。首先，经由自由空间的耦合可以避免近表面光纤末端对芯片操作，并因此更容易安装和操作，且更不易遭受芯片表面粉尘、污染以及因对具有可拆卸目标波导装置的集成分析系统的误操作而造成的末端损伤的影响。其次，如图1B和图1C所示，经由自由空间与低NA传输装置的耦合可以允许目标波导装置上的较大光束覆盖区尺寸，从而减轻因注入高激光功率而导致的目标芯片上的热约束。第三，较大光栅耦合器尺寸还可以极大地减小光源与芯片的空间对准难度。第四，自由空间耦合可以允许对目标芯片采用更容易的芯片封装方案，例如在多路复用DNA测序芯片中，这些方案需要适应所有封装接口要求，例如电气部件、热力部件、机械部件和流控部件。因此，为了提高并优化与相关目标波导装置相关的光耦合，可以调整本光传输装置的输出NA。
图2A至图2C示出了另一个示例性光传输装置，示出了在光能量经由自由空间耦合至目标波导装置时装置NA的调整。例如，图2A示出了具有集成波导(201)的PLC(200)，来自波导的光输出端被设计为具有低NA(例如0.01)。因此，光输出端产生了相对窄的接受光锥(202)，接受光锥(202)构造成匹配目标装置的低NA，并可以经由自由空间在相对长的距离耦合至目标装置。
尽管通常需要本传输装置中的光输出端的NA相对低且与目标装置的NA匹配，将PLC的集成波导设计为提供低NA输出可能因光从PLC穿过自由空间进入到目标装置的波导中而在一些条件下导致不对称或其他损耗。作为替代，例如，如图2B的PLC(220)或图2C的PLC(240)所示，PLC的光输出本身可以设计为具有比目标装置的NA相对更高的NA(例如，0.05、0.08、0.09、0.10或甚至更高)，上述PLC均包括集成波导(分别为221和241)。这些设计中所得的接受光锥(222和242)比装置200的接受光锥稍宽，因此，可以使用位于PLC下游的透镜(例如，如图2B所示，具有位于独立聚焦元件228中的透镜224和226的装置220)或PLC本身中的透镜(例如，如图2C所示，具有集成透镜244和246的装置240)来更自然地修正得到的光束输出。图2B和图2C的具有相对较大NA的带有集成波导的PLC的制作可以由此潜在地形成更好的芯片性能。应理解的是，在这些实施例的每个实施例中，由于存在透镜元件功能，因此传输装置的光输出端的NA低于集成波导本身的NA。
因此，为了增强经由自由空间与目标波导装置的耦合，可以调整本光传输装置的NA。在实施例中，光传输装置的NA被调整成匹配目标波导装置的NA。在一些实施例中，通过使传输装置与一个或多个透镜元件光耦合来将装置的NA调整成匹配目标波导装置的NA。在更特定的实施例中，一个或多个透镜元件被集成到光传输装置中。
根据一些实施例，本装置的光输出端具有不大于0.1、不大于0.08、不大于0.05、不大于0.03、不大于0.02、不大于0.01或甚至更低的数值孔径。在一些实施例中，数值孔径不大于0.05。在特定实施例中，数值孔径不大于0.015。
从图1A与图1B示出的比较中显而易见的是，虽然常规光纤(100)的NA显著高于本光传输装置(150)的光输出端的NA，但由本光学装置发射出的光所照射的目标装置的表面积或“覆盖区”可以更大。如以上指出的那样，为了使目标装置的局部受热最小或为了简化光传输装置和目标装置的对准，可以有利地提供在目标装置上具有较大光学覆盖区的光。具体而言，传输光的辐照度远远小于在光以更聚焦的光束的方式传输时的辐照度。
被传输至目标波导装置的光的确切覆盖区当然取决于传输装置的光输出端的NA、装置之间的自由空间距离以及例如图1C所示的自由空间光学系统的放大率。在实施例中，传输装置构造为以每覆盖区至少144μm2、至少225μm2、至少400μm2、至少625μm2、至少900μm2、至少1600μm2、至少2500μm2或甚至更大的表面积在目标波导装置上照射覆盖区。
在其他实施例中，传输装置构造为以每覆盖区至多250,000μm2、至多62,500μm2、至多22,500μm2、至多10,000μm2、至多6400μm2、至多3600μm2或至多2500μm2的表面积在目标波导装置上照射覆盖区。
在特定实施例中，传输装置构造为以每覆盖区144μm2至250,000μm2、225μm2至62,500μm2、400μm2至22,500μm2、625μm2至10,000μm2、900μm2至6400μm2或1600μm2至3600μm2的表面积在目标波导装置上照射覆盖区。
在实施例中，上述照射在1mm至100mm的自由空间距离处实现。更具体地说，该照射可以在2mm至90mm、5mm至80mm、10mm至60mm或甚至20mm至50mm的自由空间距离处实现。
还从以上描述中了解到，本光传输装置能够因在目标装置上照射相对大的覆盖区而将相对高等级的光能量传输至目标波导装置。因此，在实施例中，光学装置构造为以每覆盖区至少1mW、至少2mW、至少3mW、至少5mW、至少10mW、至少20mW、至少30mW、至少50mW、至少100mW或甚至更高的功率在目标波导装置上照射覆盖区。在特定实施例中，这些功率级在至少10mm的自由空间距离处实现。
根据本公开内容的另一个方面，为了增强例如光源与传输装置的光输入端之间的耦合或例如传输装置的光输出端与目标波导装置之间的耦合，可以期望调整光传输装置中的集成波导的设计。具体而言，可以期望调整集成波导的成分和形状来得到这些效果。例如，在光学领域已知的是，在集成光波导的极度受限的模和光纤输入端的大直径模之间，模尺寸与有效折射率之间的不匹配可能导致耦合损耗(如果没有解决)。因此，为了提高装置的性能和效率(特别是受限的光模与不受限的光模之间的过渡)，可以有利地使波导几何形状渐缩或以其他方式改变波导的结构和/或成分。结构和成分中的这种变化可以包括例如包层成分和几何形状的调整或芯部成分和几何形状的调整(尤其是芯部横截面几何形状的调整)。可以在装置制作之前使用广泛使用的商用软件来对这些和其他特征进行建模并测试，从而预测并优化装置的光子特性。
波导分束和光输出的调整
如刚才所述那样，为了提高这些装置的光学性能和与它们目标的耦合效率，可以调整本传输装置的数值孔径、波导几何形状和成分。另外，该装置还可以包括波导分束器、无源和有源功率调节部件以及其他光调整部件，以进一步提高装置的光性能。
如已指出的那样，PLC装置可以包括嵌入到光波导线路中的各种功能部件。例如，装置可以包括光分束器，使得在光能量传输通过装置时单个光输入可以被分成多个光输出。在最简单的情况下，例如，如图3的装置中示出那样，从装置的每个光输出端发射的光功率相等或近似相等。在该实例中，光学装置(300)可以包括彼此光耦合的多个集成波导，以经由装置传输光。具体而言，该装置可以包括经由光输入波导(304)光耦合至1×4分束元件(308)的光输入端(302)，1×4分束元件(308)划分被传输至等功率密度的四个光输出端(320至323)的输入光能量，这四个光输出端(320至323)经由四个光输出波导(310至313)耦合至分束元件。应理解的是，可以利用第一1×2分束器的组合，然后由两个额外1×2分束器进一步分离得到的光输出来得到相同结果。
在一些应用中，可以根据目标装置的特定需求有利地改变从光传输装置的每个光输出端发射的光功率。因此，在一些实施例中，本光传输装置能够根据相关的目标波导装置的需求来平衡光功率级。例如，如图4A和图4B所示，可以因不同的路由路径长度来利用分析物在装置上的位置改变因将激发光传输至目标波导装置上的多个位置造成的路由损耗。具体而言，图4A示意性地示出了示例性目标波导阵列上的相关路径。在该装置中，在约1000行乘1000列的阵列中，存在总共约1,000,000个纳米反应池(nanowell)样品位置。光能量经由定位在各列纳米反应池下方的一系列平行的集成波导传输至纳米反应池。如该阵列所示那样，从芯片的底部左拐角处的光栅耦合器穿过芯片至位于芯片的远侧右边缘处的波导的光将根据光是进入与顶部路径相关的光栅耦合器(例如光栅耦合器401)还是进入与底部路径相关的光栅耦合器(例如光栅耦合器402)来行进显著不同的路径长度。从各个输出波导发射相等功率级以将光能量传输至这种芯片的常规PLC的使用因此对于各个光信号形成了波导中的期望传输位置处的可变功率级，这是因为功率级直接取决于波导的路径长度。此外，如图4B所示，路由路径长度与沿着目标芯片(即沿着芯片的左右波导位置)的块数直接相关。
基本PLC技术实现了将输入信号分成任意期望比率的功率，然而，本应用中的功率均衡不比从均匀平衡PLC中提供的功率均衡困难。因此，光输出与目标波导装置匹配的这种PLC芯片布局可用于本光传输装置。例如，在图5所示的布局中，PLC芯片500接收来自两个激光器(501和502)的输入光能量，每个输入光能量经由1×4分束器(506和507)。除了分束器506和507将总激光输入的10％、18％、27％和45％(而不是25％、25％、25％和25％)分别传输至与各个激光器输入端相关的四个光输出端之外，该设计与图3的装置类似。如以上指出的那样，可以在装置的这些部件制作之前使用已广泛使用的商用软件来对这些和其他特征进行建模并测试，从而预测并优化装置的这些部件的光子特性。无源PLC分束器是众所周知的，并在远程通信行业中被广泛地使用。
可以通过本领域普通技术人员所了解的任意方式来实现对来自本光传输装置中的各输出光束的功率输出的调整。在一些实施例中，代替如上所述利用光分束器无源地调整光输出，还通过使用在光传输装置中制成的一个或多个可变光衰减器(VOA)来有源地实现调整。该方法允许根据所使用装置的需要来调整给定光输出的强度，而不是由分束器限定固定功率输出。VOA通常在光纤通信线中使用，以将光纤功率减小至某个期望水平。这种VOA可以为例如固定型、逐步可变型或连续可变型VOA。VOA可以用于将本光传输装置中的光束的功率输出例如从100％降低至0.3％或甚至更低，并降低至该范围内的任意特定输出功率。在一些实施例中，衰减范围为1dB至20dB。
虽然远程通信应用中的VOA有时设置作为直插式插塞或接插线，但在本光传输装置中使用的VOA优选地被直接集成到装置本身中。作为非限制性实例，集成的马赫-曾德尔光学干涉仪可以用作本光传输装置中的VOA。见例如美国专利No.6,760,499，该专利描述了利用热量来调整两个固有非对称波导臂部的不同双折射率，并因此使光信号衰减。可以有用地利用如现有技术已知的磁致伸缩、电致伸缩或光致伸缩感应应力来改变集成波导的光学特性。见例如美国专利No.5,502,781。PCT国际公开No.WO 00/52518中提供了具有低双折射率和高消光比的马赫-曾德尔压电光开关的实例。
可以利用下文更详细描述的功率监测特征提供的反馈来有用地控制被传输至目标集成波导装置(例如高度多路复用DNA测序芯片的一个或多个波导)的光功率的衰减。具体而言，可以使用光传输装置中的输出分光器(tap)来监测被传输至目标波导的光功率。作为选择或以组合方式，可以在目标波导中的特定位置处(例如在本文所述的一个高度排列的DNA测序装置的纳米反应池处或附近)进行光功率的测量。在任意刚才所述的位置处测量出的输出等级可以用于反馈环中，以调整由光传输装置提供的功率，并因此进而调整目标位置处的光功率。
在一些传输装置实施例中，在装置的光输出波导中制成一个或多个其他光调制部件可以是有用的。例如，如下文更详细地描述那样，输出波导中可以包括一个或多个模消除器。作为选择或另外，一个或多个输出波导中可以以任意组合包括一个或多个相位调制器或频率调制器。
功率监测
也可以通过如下方式监测由光传输装置提供的光功率：使用例如PLC技术等标准芯片制造技术，利用例如整体内嵌到PLC线路中或例如以本领域公知的“倒装芯片(flip-chip)”方式附接的PIN光电二极管或其他探测器。在一些优选实施例中，如本文所公开的那样，实际应用可能与通常使用稍有不同。例如，如果光传输装置制作为具有足够薄的上包层，则PIN二极管或其他探测器可以被安装到装置顶部上。作为选择或另外，可以期望从装置一侧拆下分光器，并将PIN二极管或其他探测器安装在装置该侧。在一些实施例中，探测器、探测器阵列或相机可以位于光传输装置上方，以直接量化分光器出口或波导中的光功率级。如本文所使用的那样，分光波导为如下波导：该波导提取出沿着主波导传输的光信号的小部分。因此，分光波导可以用于监测主波导中的功率级。
图6A至图6E示意性地示出了上述概念。具体而言，这些附图示出了5个不同的光传输装置实施例(600、620、640、660和680)。在各情况下，该装置包括光输入波导(602、622、642、662和682)和至少一个输出分光器。在装置600中，分光器604为从分束器612被引导至输出光栅606的2％分光器。定位在虚线框608上方的集成探测器监测经由分光器传输的光功率，该光功率作为被传输至输出波导610的功率的指示。在装置620中，分光器624为从分束器632被引导至安装在装置一侧的PIN探测器628的2％分光器。PIN探测器监测经由分光器传输的光功率，该光功率作为被传输至光输出波导630的功率的指示。在装置640中，分光器644为从分束器652被引导至PLC 648的具有足够薄的包层的区域的2％分光器，使得定位在该空间上方的相机可以监测分光波导的经由自由空间的光功率。区域648处的测量功率为被传输至输出波导650的功率的指示。图6D示出了图6B的装置的变型，在装置660中，分光器664为从分束器672被引导至装置一侧的2％分光器。定位为与装置相邻的相机668监测从分光器经由自由空间发射的光功率，该光功率作为被传输至输出波导670的光功率的指示。图6E所示的装置680为装置660的变型，从分束器688被引导至四个输出波导(690、691、692和693)的输入被四个2％分光波导(684、685、686和687)进一步转移到装置的一侧，使得利用与装置一侧相邻的一个或多个相机(用于检测经由自由空间的光信号)或安装在装置一侧的一个或多个PIN探测器进行测量。如该实例所示，分光波导可以设计为在同一平面中跨越输出波导690、691、692和693，且不干扰这些波导的光能量输出。
模消除和偏振调制
在本公开内容的另一个方面中，经由本系统的光传输装置传输的光可以在穿过该装置的同时以各种方式可选地变型。例如，如本领域普通技术人员很好理解地那样，在一些集成波导装置中使用的输入光源可能对偏振消光比(PER)高度敏感，因此，输入光源可以在用于将光传输至这种目标波导时用于减小本光传输装置中的PER效果。在一些实施例中，例如，光传输装置的波导中可以内置有“模消除”或“偏振清除”。这种方法在解决光源对PER的灵敏度方面可以有利地比其他可行方法便宜。
图7A和图7B示意性地示出了用于减小光传输装置中的PER效果的两个示例性方法。在装置700中，例如，如图7A所示，输入光波导702穿过模消除器704，模消除器704优先地去除具有不需要的偏振的光输出。对本领域普通技术人员而言，如下实例是已知的：通过集成TE-通或TM-通偏振器来使绝缘体上硅(SOI)光波导装置中的不需要的偏振激发得到削弱。
作为选择，如图7B所示，在装置740中示出了，输入光波导742本身设计为具有例如弯曲部744，从而使不需要的偏振的损耗最大。如本领域普通技术人员理解的是，光纤(特别是单模光纤)可以设计为在光经由光纤传播期间保持或调制光的偏振。例如，所谓的保偏(PM)光纤能够通常通过将系统线性双折射率引入到光纤中来保留光的偏振，使得具有不同相速度的两个定义明确的偏振模式沿着光纤传播。还可以通过制作在几何构造上为非对称或具有非对称的折射率分布的波导(例如，通过使用椭圆包层或通过包含芯棒或在能够产生应力双折射的光传输装置结构中与芯部相邻的其他子结构或特征)来实现保偏。作为选择，光传输装置中的波导可以设计为产生圆形双折射率，例如这可以通过扭转常规单模光纤来产生。由此产生的内部扭转应力对经由波导传播的右旋和左旋偏振光的相速度具有不同的作用。
如刚才所述的那样，上述方法通常用于保持经由单模光纤传输的光的偏振，因此，这些方法可以直接应用于输入光具有合适偏振的本系统中的光传输装置。然而，在输入光具有不需要的偏振的情况下，将使用相似的方法来调制穿过光传输装置的波导的光的偏振，并因此为例如DNA测序阵列等目标集成波导装置提供改善的光输入。
在一些情况中，例如(2010)Optics Express 18:25264(dx.doi.org/10.1364/OE.18.025264)中Zhang等人所述的那样，在保持或调制(例如通过分束、旋转和/或重新组合不同的偏振模式)经由本光传输装置的波导传播的光的偏振时，可以有利地组合不只一个特征。
可选设计
图8A、图8B和图8C示意性地示出了可以有用地与光分析系统相关的三个不同光传输装置实施例(800、820和840)。在简单实施例中，例如如装置800所示，来自两个激光器(801和802)的可见光被两根光纤传输至PLC耦合器芯片，每根光纤均被引导到装置中内置的1×4分束器(806和807)，以提供8个等距且等功率的光输出。输入激光器通常使用光纤尾纤等来与PLC相接，并且使PLC可选地包括分束器可以简化系统的组装，并通过限制所需的光纤互联部的数量来降低系统的成本。
图8B的装置820示出了可选传输装置实施例，这里，八个输入光信号(821至828)被引导到穿过装置的八条光路中，并从PLC耦合器芯片中产生八个等距和等功率光输出。如图8C的装置840所示，可以使用来自四个光源(841至844)的输入来得到相似结果，每个输入均被引导到PLC芯片上的1×2分束器中，以提供八个等距和等功率的光输出。
图9的装置900示出了另一个传输装置实施例，两个光输入波导均耦合至1×4分束器，并且最外的输出波导均包括2％输出分光器(908和909)，2％输出分光器在使来自传输装置的光输出耦合至目标波导装置时用作对准光束。
集成光传输装置的其他优点和特征
在本系统的光传输装置中PLC的使用至少解决了通常因在光学组件中使用独立部件而造成的一些问题。例如，存在光纤具有较差对中的常见问题。具体而言，在光纤系统的背景下，在光纤的传输光信号的部分(即“芯部”)显著小于周围“包层”的情况下，极难在装置之间使光学芯部沿着光学路径对准，特别是当装置中的多个相邻光学芯部需要被适当地对准以获取最佳传输效率时。PLC或类似光传输装置通过允许在传输装置本身中设计并制成精确的传输路径来解决这些问题，因此使得在装置组装期间光纤芯部的后续对准的需求最小。当需要对准多根光纤时或在装置使用期间需要保持这种对准时，该特征特别有利。
还应理解的是，本文所述的基本构思可以为了各种目的以多种方式实施。例如，用于设计将光能量传输至目标集成波导装置的装置的原理还可以用于从装置中收集光能量。例如，当目标波导装置为集成DNA测序芯片时，类似的原理可以在设计用于从测序芯片的纳米反应池中接收发射光的光收集装置时使用。如上所述，光纤在用于将光传输至光学装置以及从装置中收集光的远程通信产业中广泛使用。在本设备中，例如PLC耦合器等集成光学装置可以同样将激发光传输到相关的DNA测序芯片的波导中，并从测序芯片的纳米反应池的阵列中收集发射光，例如，集成光学装置将收集光传输至设备的位于检测侧的探测器、传感器或其他部件。
在一些实施例中，本光传输装置构造为用于波长比通常在这些装置中使用的光能量的波长短的光能量。例如，远程通信应用通常传输红外线范围内(最通常在约1310nm或约1550nm的波长处)的光。在一些情况中，可以在集成光传输装置中直接制成例如发光二极管(LED)等较低成本的电子器件以及通常在约850nm和1300nm的波长处工作的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。这些装置都设计为通过使因吸收和散射(特别是在水波段波长处)而造成的衰减最小来使长距离上的光能量传输最大。
然而，与用于传输光远程通信信号的光传输装置相比，本光传输装置设计为以非常短的距离高效传输较高强度的光能量。另外，由这些装置传输的光的波长适合于与通常在生物测定中使用的光学活性反应物一起使用。这些波长通常明显短于用于远程通信目的的波长。具体而言，在具有荧光标记DNA反应物的DNA测序反应中使用的光照射通常在可见范围内，最通常在450nm至650nm的范围内。因此，本文所公开的光传输装置的波导和其他部件以及例如上述高度多路复用分析系统等相关的目标波导装置优选地设计并定标为高效地传输可见范围内的光能量。在一些实施例中，波长范围为约400nm至约700nm。在更特定的实施例中，波长范围为约450nm至650nm或甚至约500nm至约600nm。在一些特定实施例中，波长为约520nm至约540nm，例如约为532nm。在其他特定实施例中，波长为约620nm至约660nm，例如约为635nm或650nm。在一些实施例中，可以在装置中传输可见波长的组合。
在一些使用中，例如在涉及上述目标装置(例如DNA测序装置)的集成波导的系统中，高度期望传输以高精度与光输入端阵列对准的预定激光光斑网格，光输入端阵列与目标装置的集成波导相关联。对常规系统而言，使用多个光纤输入端将需要使进入目标装置的各根单独光纤机械对准。然而，由于对中的问题，这种机械对准通常不实际。作为选择，可以使用特定光传输装置(例如本文所述的集成光传输装置之一)以在光刻制作技术中可用的准确度来布置光源。在相关的目标波导装置中，已布置的光源可以映射到光输入端(例如衍射光栅输入端等)阵列上，还可以以光刻法限定这些光输入端。在不使用这种光传输装置的情况下，光输入端的对准通常需要涉及多个电动机和复杂反馈系统的冗长且不精准的机械过程。
集成光学分析系统
因此，在另一个方面中，本公开内容提供了分析系统，该分析系统包括与本文所公开的任一光传输装置组合的集成目标波导装置。如上述那样，本光传输装置设置为使光能量经由自由空间在例如至少1mm、至少2mm、至少3mm、至少5mm、至少10mm、至少20mm、至少30mm、至少50mm或至少100mm的距离处高效耦合至目标波导装置。如上所述，与常规耦合系统相比这些光传输装置与目标波导装置的组合提供了具有多个优点的分析系统。
在一些实施例中，相关的集成光传输装置的光输出端具有不大于0.1、不大于0.08、不大于0.05、不大于0.03、不大于0.02、不大于0.01的数值孔径。在一些实施例中，光传输装置构造为以每覆盖区至少144μm2、至少225μm2、至少400μm2、至少625μm2、至少900μm2、至少1600μm2或至少2500μm2的表面积在目标波导装置上照射覆盖区。在其他实施例中，光传输装置构造为以每覆盖区至多250,000μm2、至多62,500μm2、至多22,500μm2、至多10,000μm2、至多6400μm2、至多3600μm2或至多2500μm2的表面积在目标波导装置上照射覆盖区。在其他实施例中，该装置构造为以每覆盖区144μm2至250,000μm2、225μm2至62,500μm2、400μm2至22,500μm2、625μm2至10,000μm2、900μm2至6400μm2或1600μm2至3600μm2的表面积在目标波导装置上照射覆盖区。
在一些系统实施例中，光传输装置构造为以至少1mW、至少2mW、至少3mW、至少5mW、至少10mW、至少20mW、至少30mW、至少50mW或至少100mW的功率在目标波导装置上照射覆盖区。
在一些系统实施例中，系统还包括位于集成光传输装置与集成目标波导装置之间的介入光学元件。更具体地说，这些系统中的干涉光学元件可以为光学透镜元件。在包括介入光学元件的一些系统实施例中，集成光传输装置包括多个光输出端，并且多个光输出端中的至少一个光输出端具有不大于0.1、不大于0.09、不大于0.08、不大于0.05、不大于0.03、不大于0.02或不大于0.01的数值孔径。在包括介入光学元件的一些系统实施例中，集成目标波导装置包括与集成波导光耦合的光栅耦合器，并且光栅耦合器具有比光传输装置的光输出端的数值孔径低的数值孔径。更具体地说，在这些实施例中，光栅耦合器具有不大于0.05、不大于0.03、不大于0.02或不大于0.01的数值孔径。在包括介入光学元件的特定系统实施例中，集成光传输装置包括多个光输出端，并且多个光输出端中的至少一个光输出端具有不大于0.1、不大于0.09、不大于0.08、不大于0.05、不大于0.03、不大于0.02或不大于0.01的数值孔径，集成目标波导装置包括与集成波导光耦合的光栅耦合器，并且光栅耦合器具有不大于0.05、不大于0.03、不大于0.02或不大于0.01的数值孔径。
在一些系统实施例中，光传输装置的光输出波导包括例如可变光衰减器或甚至集成马赫-曾德尔光学干涉仪等功率调制器。
在一些系统实施例中，光传输装置包括经由光输入波导与装置的光输入端光耦合的一个或多个分束元件。一个或多个分束元件经由多个光输出波导光耦合至多个光输出端。在一些实施例中，一个或多个分束元件光耦合至分光波导，并且光传输装置还可以包括与分光波导光耦合的功率监测器。在特定实施例中，功率监测器可以控制由装置的光输出端传输的功率输出。在特定实施例中，功率监测器可以为集成探测器或相机。在一些实施例中，一个或多个分束元件光耦合至分光波导，并且分光波导光耦合至薄包层的区域或输出光栅。
在一些系统实施例中，光传输装置包括经由光输出波导与装置的光输出端光耦合的振幅调制器。在特定实施例中，振幅调制器可以为可变光衰减器。
在一些系统实施例中，光传输装置可以包括经由光输出波导与装置的光输出端光耦合的模消除器。在实施例中，光传输装置可以构造为可见光(例如具有在约500nm至约600nm的范围内的波长的可见光)的光输出。
在一些系统实施例中，分析系统还包括对准装置。这种部件在目标波导装置设计为可拆卸的系统中特别有用。在这种系统中，当新的目标波导装置被安装到系统中时，对准装置可以用于调节波导装置相对于系统的其它部件(特别相对于光传输装置)的位置，并因此可以优化光能量从光传输装置至目标波导装置的耦合。对准过程可以包括粗对准过程、细对准过程、或粗对准过程和细对准过程这两者。在对准过程期间，目标波导装置本身可以相对于光传输装置移动，光传输装置可以相对于目标波导装置移动，或这两个装置可以相对于彼此移动。在优选系统实施例中，对准装置提供集成波导装置与集成光传输装置的动态对准，从而在分析测定期间保持部件之间的对准。在一些系统实施例中，对准装置为相机。
在一些实施例中，本分析系统的目标波导装置包括对准特征。对准装置可以使用这种特征，以实现目标波导装置与系统的其他部件(例如光传输装置)的对准。在特定实施例中，对准特征可以包括基准标记，例如基准点(fiducial)或其他类型的图案区域。在印刷电路板制造和计算机视觉的领域中，在集成系统的不同部件的对准中使用基准标记是众所周知的。参见例如美国专利No.5,140,646和7,831,098。在一些特定实施例中，对准特征可以包括一个或多个波导。通过监测经由目标波导装置上的一个或多个波导分光器传输的光的强度并调节光传输装置与目标波导装置之间的对准来保持光的期望强度，可以在分析测定的过程期间保持系统的对准。在更特定的实施例中，对准特征可以包括多个低功率波导分光器或高功率光束分光器。
在一些实施例中，分析系统还包括光源，例如激光器或其他这种光源。在其他实施例中，分析系统还包括多个光源，例如多个激光器等。在特定实施例中，一个或多个光源提供一个或多个调制光信号。在更特定的实施例中，一个或多个调制光信号可以为振幅调制、相位调制、频率调制或这些调制的组合。2016年1月21日提交的美国专利申请No.15/003,589描述了通过调制输入光信号来提高波导的光传输的有用方法，为此，该专利申请的公开内容通过引用并入本文。
本公开内容的分析系统可以在各种各样不同应用中使用。这些应用可以包括对单个分子的分析，并可以涉及例如在生物单分子彼此相互作用时实时观察这些生物单分子。为了便于讨论，在本文中基于如下优选应用来讨论这种多路复用系统：对核酸序列信息的分析，特别是单分子核酸测序分析。虽然基于特定应用进行描述，但应理解的是，本文所述的装置及系统具有更广泛的应用。
在单分子核酸测序分析的背景中，为了在各个核苷酸被掺入到延伸引物序列时识别出各个核苷酸，观察包括聚合酶的单个固定核酸合成复合物、序列得到解释的模板核酸和与模板序列的一部分互补的引物序列。通常在核苷酸被并入到延伸引物中之前、期间或之后通过观察核苷酸上的可光学检测的标记来监测该掺入。
为了得到基因测序的广泛应用(例如在研究和诊断中)所需要的大量序列信息，期望更高通量的系统。举例来说，为了提高系统的测序通量，通常监测多种复合物，每种复合物均对独立DNA模板测序。在基因组测序或其他较大DNA成分的测序的情况中，这些模板通常包括基因组DNA的重叠片段。通过测序各个片段，可以由此使用来自独立片段的重叠序列数据来拼接毗连序列。
在透光基板、光波导等的表面上或附近的纳米级光受限区域中，可以设置这种测序系统的通常为固定的单个模板/DNA聚合酶引物复合物。为了得到基因组或其他大规模DNA测序方法所需的规模，在合适基板上将这些光学受限区域优选地以大阵列制成为纳米级反应池(也被称为纳米反应池或零模波导(ZMW))。这些阵列优选地还包括相关的一个或多个激发源、相关的一个或多个发射探测器和相关的电子器件。因此，这些阵列包括完全集成的光学分析系统。在单分子核酸序列分析中使用的分析系统的实例包括美国专利No.6,917,726、No.7,170,050和No.7,935,310；美国专利申请公开No.2012/0014837、No.2012/0019828和No.2012/0021525；以及美国专利申请No.13/920,037；这些文献的完整公开内容均通过引用而并入本文。
可以以超高密度制作集成分析装置的目标波导阵列(例如包括纳米反应池的装置的阵列)，从而提供从1000纳米反应池每cm2至10,000,000纳米反应池每cm2中的任意密度或甚至更高密度。因此，在任意给定时间，可以期望对在单个分析系统中并且优选地在单个合适基板上的至少100、1000、3000、5000、10,000、20,000、50,000、100,000、1百万、5百万、1000万或甚至更多的纳米反应池或其他反应区域中发生的反应进行分析。
为了得到这种阵列所需的超高密度的纳米反应池，每个纳米反应池的尺寸均必须相对小。例如，每个纳米反应池的长度和宽度均通常在50nm至600nm的范围内，理想地在100nm至300nm的范围内。应理解的是，较小尺寸允许使用较小体积的反应物，并且可以在一些情况下有助于使来自反应区域外部和/或照射体积外部的反应物的本底信号最小。因此，在一些实施例中，纳米反应池的深度可以在50nm至600nm的范围内，更理想地在100nm至500nm的范围内或甚至更理想地在150nm至300nm的范围内。
还应理解的是，将根据制作的期望特性和方法来选择纳米反应池的形状。例如，纳米反应池的形状可以为圆形、椭圆形、方形、矩形或其他任意期望形状。此外，纳米反应池的壁部可以被制作为竖直的，或者如果需要，则纳米反应池的壁部可以被制作为向内或向外倾斜。在圆形纳米反应池的情况中，向内或向外倾斜将导致例如锥体形状或倒锥体形状的纳米反应池。
使用前述系统，已描述了对以阵列形式呈现的几千、几万、几十万或甚至几百万个纳米反应池进行的同时定向照射。然而，就增大多路复用的需求而言，因为纳米反应池的串扰(来自邻近纳米反应池的信号在离开阵列时互相污染)、信噪比的减小以及较高等级的致密照射下对热能消散的需求的增大等问题增多，所以阵列上的纳米反应池的密度以及提供对这种阵列的定向照射的能力难以增大。本说明书的光传输装置解决了因对光传输装置所耦合的目标波导阵列提供改善的照射而造成的问题中的一些问题。
在本分析系统中使用的目标波导装置通常包括传统上在波导基板以及布置在基体上或基体中的一个或多个波导的制作中使用的如下基体：例如硅石系基体(例如硅、玻璃、石英等)、聚合物基体、陶瓷基体或其他固体有机或无机材料，其中，波导构造为与例如本文所述的光传输装置等光能源光耦合。这种集成波导可以为各种结构，包括但不限于平面波导和通道波导。波导的一些优选实施例包括两个或多个波导(例如离散通道波导)的阵列，并且这种波导在本文中还被称为波导阵列。此外，通道波导可以具有不同的横截面尺寸和形状，例如，矩形、圆形、椭圆形、浅圆裂状等；并且在某些实施例中，例如在单个波导装置中可以存在通道波导和/或平面波导等不同结构的波导。
在典型实施例中，波导包括光芯部以及与光芯部相邻的波导包层，光芯部具有比波导包层的折射率高得足够多的折射率，以促进经由芯部的光能量的约束和传播。一般来说，波导包层指的是基板的与光芯部相邻并部分地、基本上或完全地包围光芯部的部分。波导包层可以延伸贯穿基体，或者基体还可以包括“未包覆”层。“基板围绕的”波导或其区域被基体的未包覆层整体包围；“表面露出的”波导或其区域使波导包层的至少一部分从基板表面上露出；并且“芯部露出的”波导或其区域使芯部的至少一部分从基板表面上露出。此外，波导阵列可以包括以各种结构呈现的离散波导，包括但不限于平行、垂直、收敛、发散、整体分离、分支、端接、曲折及它们的组合。一般来说，“布置在”例如光传输装置或目标波导装置等本装置中一个装置的基板上的波导可以包括上述构造中的任一构造或上述构造的组合。
波导装置的表面或表面区域通常为装置的与包围装置的空间接触的部分，并且这种空间可以为流体填充的(例如含有多种反应成分的分析反应混合物)。在某些优选实施例中，基板表面中设置有孔口，该孔口向下延伸到基板中，并可选地向下延伸到波导包层和/或光芯部中。在某些优选实施例中，这种孔口非常小，例如具有微米或纳米级的尺寸。
本说明书的集成系统的目标在于使来自光传输装置的光照射耦合至包含关注分析物(例如反应成分)阵列的目标波导装置。特别关注的是在反应过程(例如单个酶或酶复合物催化所关注的反应)期间实时监测单个分析反应的能力。在实施例中，本目标装置的波导提供了利用因光能量从光芯部漏出而产生的倏逝场的照射。倏逝场为当光能量穿过波导时作为与波导表面的距离的函数以指数方式衰变的光能量场。这样，为了利用波导照射关注分析物，关注分析物必须被布置为足够靠近暴露在倏逝场下的光芯部。在优选实施例中，这种分析物被直接或间接地固定在目标波导装置的表面上。例如，可以在表面露出的波导上或装置中的孔口中进行固定。在一些优选方面，分析物区域布置在延伸通过装置的孔口中，以使分析物区域靠近光芯部。这种孔口可以延伸通过包围光芯部的波导包层或可以延伸到波导的芯部中。
虽然本文主要描述了通道波导，但这种孔口还可以构造为平面波导装置，例如，平面波导部分/层被掩埋到装置中，即，不是表面露出的。波导装置的表面上的用于分析物的照射的区域通常被称为“分析物区域”、“反应区域”或“反应部位”，并优选地位于装置的足够靠近光芯部的表面以被从光芯部发射的倏逝波照射，例如，上述区域位于表面露出的波导上或在延伸到装置中(例如延伸到波导包层或芯部中)的孔口的底部。被波导芯部的倏逝场照射(例如达到能够允许检测关注分析物的程度)的反应部位处的三维体积通常被称为“观察体积”或“照射体积”。目标波导装置的包括一个或多个分析物区域在内的区域通常被称为装置的“检测区域”，并且单个装置可以具有一个或多个检测区域。如上所述的美国专利No.7,820,983和美国专利申请公开No.2012/0085894中提供了这种光波导的实例。
如上所述，并如图4A和图4B所示，波导照射的一个限制在于在光顺着波导传播时的光衰减，这导致波导中的不同位置处的功率下降。例如，在最接近照射源的端部处功率最高而最远离照射源的端部处功率最低的情况下，耦合到波导中的特定激光强度在光顺着波导行进时经受因传播损耗而造成的能量密度的缓慢下降。传播损耗的程度通常为所设计的几何形状和制造公差的函数，并对进行多路复用分析反应构成挑战，这是因为传播损耗的程度限制了可用波导结构的空间范围。重要的是使激光强度保持充分均一的距离最大，以便使系统的多路复用能力最大。因此，本发明的目的在于在目标波导装置的长度上提供均一功率，从而例如促进要被波导照射的所有反应部位的均一照射。
关于此点，应理解的是，光可以在集成波导中从任一方向传播，并且光从波导的各个端部的同时传播在一些情况下可以有助于减少波导中的传播损耗。在一些情况中，如本领域普通技术人员应理解的是，可以有利地使光依次从波导的各个端部中传播而不是同时传播。在其他情况中，并且如以上更详细地描述那样，可以有利地将不同强度的光提供至目标波导上的不同位置或由光传输装置调制被传输至目标波导的光的强度，从而减少目标波导中的传播损耗。美国专利申请公开No.2014/0199016和No.2014/0287964中公开了本说明书的集成分析系统中使用的目标波导的其他有利特征和设计，这些专利申请公开的全部内容通过引用并入本文中。
图13A示出了本公开内容的示例性光分析系统，其包括具有本文所述的至少一个对准特征的目标波导装置。系统包括由一个或多个激光器构成的光源、光束功率控制器和光传输装置(示出为“光刷”)。系统还包括：对准相机；集成检测部件，其包括“像素”阵列，“像素”阵列用于检测来自跨越目标装置排列的纳米级样品反应池的光输出；以及“传感器读取”部件，其接收并分析来自探测器的信号。由激光器发射并穿过光束功率控制器和光刷的一条或多条光束用照射目标装置上的输入耦合器的粗箭头表示。光输入耦合到装置中，并如较小箭头所示那样被引导至装置中的一个或多个集成波导。光输入可以可选地被引导至一个或多个对准波导和/或一个或多个功率监测波导。该附图中的对准相机示出为接收来自装置的远端处的输出耦合器的光输出(由附图中甚至更小的箭头所示)。这些耦合器可以用于输出来自对准波导和/或功率监测波导的光。还应理解的是，另外或作为选择，对准相机可以接收来自例如目标装置的表面上的一个或多个图案区域、基准点或其他基准标记等其他对准特征的光信号。行进通过样品激发波导的光能量照射阵列纳米反应池中的样品，并且从样品发射的荧光被引导至探测器层中的适当对准的像素，在该处测量输出信号。
图13B以图解的形式示出了可以使用上述任意对准特征来使图13A的光刷与目标波导装置对准。具体而言，该附图示出了可以在光源和目标装置的对准期间监测并调节的自由度。如图所示，飞机象征相对于目标装置旋转的三维，并且“细胞表面”对应于目标装置的表面。除了视图中示出的如俯仰、偏转和翻滚(或图案旋转)的旋转运动之外，光刷和目标装置还可以在x、y和z坐标空间中相对彼此移动。在视图中这些运动中的两个运动示出为“沿着轨迹(AT)”和“交叉轨迹(CT)”运动。视图中没有示出用于改变光刷与目标波导之间的距离的上下运动。如插入图所示，“翻滚”轴线上的旋转使输入光束围绕特定轴线枢转。在该特定实例中，光刷提供了12条独立输入的“细光束(beamlet)”。照射图案的各个端部处的两条细光束为低功率对准细光束。它们在装置上的目标示出为装置表面上的输入耦合器的行中的较小圆圈。
相位、频率和振幅的调制
在一些实施例中，本公开内容的光传输装置设计为调制装置所传输的光信号的相位、频率和/或振幅。在一些实施例中，分析系统中的激光器或其他光源设计为提供由装置传输的光信号的调制的相位、频率和/或振幅。这种调制光信号的传输可以在集成分析系统的操作和由此得到的结果中提供多种益处。见例如美国申请No.15/003,589。
例如，在具有目标波导装置(其具有图4A所示的布局)的集成多路复用DNA测序系统的情况中，输入光能量可以同时从波导的两端传输至目标装置的各个波导。这种传输允许至少部分补偿因不同的路由路径长度而导致的路由损耗，如上所述，这是因为在同一波导中较长的路径长度可能与较短的路径长度组合。然而，该路由构造可能导致波导中的两条光束之间的相互作用产生被称为“散斑(speckle)”的伪像。为了减轻该伪像，光输入端可以设置为稍微不同的频率，例如，一个输入端可以提供530nm的激发光，而另一个输入端可以提供532nm的激发光。作为选择或另外，可以调制被输入到波导的任一端的光的相位以减轻该伪像。具体而言，来自光传输装置且前往两个不同路径的光的相位可以被调制为使得：当对向传播的光束相遇时，光束处于同相，因此，不存在干涉。如本领域普通技术人员所理解的那样，可以使用来自光传输装置本身的反馈来调节两条光束的相位和/或频率，例如通过调节相对的相位和/或频率来得到最佳信号。
在其他实施例中，可以期望调制被传输至目标装置的光信号的振幅。例如，如以上详细描述地那样，可以期望在分析测量期间实时监测被传输至目标装置的光功率。特别是当光能量经由装置之间的自由空间传输时，这种功率监测可以例如提供反馈以便调节并保持光传输装置与目标波导装置之间的对准。然而，当两条光束用于将光传输至一个目标波导装置时，可能难以识别出在功率监测分析中测量哪条光束。例如，对准中的小变化可能导致一条光束被更好对准，而另一条光束被较差地对准，并且在缺少对来自这两条光束的输出的独立监测的情况下将难以区分出该差异。
在本分析系统中，可以通过对光传输装置所传输的信号进行小振幅调制来帮助对进入目标装置的每条光束的功率监测。例如，可以在频率1处调制一个信号，并且可以在频率2处调制另一个信号，其中，调制的总量相对小，例如约为总信号的1％。在该系统中，如果一个信号的强度提高而另一个信号的强度下降，则可以容易看出，哪个信号是功率输出变化的原因。
可以通过例如使用在装置中直接制成的可变光衰减器来调制进入装置的激光或其他光源或调制装置本身中的光信号，从而实现对由光传输装置传输的光信号的调制。可以通过上述VOA的常规调整来实现这种装置的设计和制作。
有帮助的是，对离开光传输装置的给定光束而言，将调制考虑成“标记”。在上述实施例中，每个信号均被“标记”有一个调制频率。然而，在本发明的范围内应考虑的是，来自光束传输装置的每条输出光束被标记有调制频率。因此，调制标记可以包括多于两个信号。例如，当存在多条输出光束时，每条输出光束均可以标记有不同频率。
V沟槽光纤阵列中的改善的对准
虽然优选地使用尾纤连接部和贯穿空间耦合来形成本文所述的分析装置及系统的光连接部，但在一些情况中可以有利地将多根光纤直接组装到本分析系统中的部件的光输入端或光输出端，从而特别使光耦合最大并保持对光信号的偏振的控制。就这一点而言，可以使用光纤的无源对准V沟槽阵列来实现该类型的耦合，例如耦合到PLC或阵列波导装置(AWD)中。然而，光纤的无源对准V沟槽阵列假设：相对于以芯部为机械基准的包层而言相邻的构成光纤芯部之间不具有相关性。参见例如http://www.ozoptics.com/ALLNEW_PDF/DTS0083.pdf的p.8，其描述了因这种组装件的光纤芯部/包层几何形状的变形而导致的偏移误差。光纤制备的选择在一些情况中可能导致镜像的同心度误差，并因此导致显著的准确度误差(除了理想同心的光纤的不重要的情况之外)。虽然相对于现有光纤拉制的同心度性能而言一些应用(例如远程通信IR)具有相对大的位置公差，但当使特定V沟槽阵列与波导(例如蚀刻技术限定的波导)的匹配阵列对准时，依赖于可见光谱中的光的传输的应用承受可能使光纤之间进一步不同的显著插入损耗(IL)。
为了克服这些困难，本文公开的光纤对准方法利用对芯部与包层同心度误差的轴向相关性来使与精确的芯部间间隙的偏差最小，特别是通过使用自具有一致选择面的绕线筒起的光纤的连续长度。具体而言，期望确保固定的光纤间距离(例如，容差<<MFD～4μm)，而不管芯部与包层同心度误差(施加于各根光纤)中的±0.5μm的不确定量。例如，图14A至图14C示出了具有理想同心度的光纤，该理想同心度导致V沟槽光纤阵列具有理想间隙。具体而言，图14A示出了如图14B的侧视图中的虚线处所示的理想光纤切口的镜像的两端视图。图14C示出了以该方式将理想光纤切口定位在V沟槽光纤阵列中。显而易见的是，这种理想光纤的对准不会产生问题。然而，作为比较，图15示出了具有较低容差(1μm至4μm＝MFD)以及在阵列中取向被翻转的V沟槽光纤阵列。在该附图中显而易见的是，这些V沟槽光纤阵列中的中心间间隙不能保持，并且最佳对准将成问题。然而，作为比较，如图16A和图16B所示，如果在阵列中使用切割光纤的连续区段，可以在阵列中保持一致的芯部间间隙。如本领域普通技术人员应理解的是，一致间隙假设光纤的相关长度远远小于尾光纤长度。图16B中的虚线表示图16A所示的横截面的纵向位置，并因此示出了在V沟槽光纤阵列中光纤的连续长度的使用。
因此，本公开内容的该方面提供了光纤阵列，该光纤阵列包括多个光纤区段，多个光纤区段中的每一个区段是自单个光纤区段起的光纤连续长度，并被组装为具有一致选择面的阵列。在一些实施例中，多个光纤区段为保偏光纤。在一些实施例中，多个光纤区段构造为传输可见光。在一些实施例中，光纤阵列耦合至例如PLC或AWG等集成光学装置。
对相关领域的普通技术人员显而易见的是，可以在不脱离本发明的范围或本发明的任意实施例的情况下对本文所述的分析装置及系统进行其他适合的变型和改变。已详细描述了本发明，通过引用下述实例将更清晰地理解本发明，这些实例仅是出于说明的目的而被包括进来，而不意图为了限制本发明。
实例
实例1.532nm处的具有分光阵列的平面光波导线路
该实例描述了由用于提供PLC耦合功能的一系列11个单模波导组成的光纤芯片的设计、优化和制作。为了激光功率监测目的，PLC芯片上还设有分光器和光电二极管的阵列。在设计过程中优化波导的模状态。
根据该实例制备的PLC耦合器为基于波导、分光器、光电探测器和保偏光纤的组合的先进光学部件。该装置为无源波导芯片，该无源波导芯片集成有11个波导并将光纤芯部缩小成尽可能小的面积。该方法涉及四个主要步骤：
首先，为了形成数值孔径尽可能接近0.072并且振型尽可能为圆的单模波导，优化波导工艺。
第二，开发分光耦合器。考虑两种类型的分光器。在第一类型中，竖直分光器提取出光的由各个波导承载的小部分，并将该部分朝用于激光功率监测的光电探测器传输。在第二类型中，两个水平分光器提取出光的由PLC耦合器的波导n°l和n°l1传输的部分，并将该部分经由额外的波导朝PLC耦合器的端面传输。在该过程中设计、优化并精确地表征分光器。
第三，制作并封装新的PLC耦合器芯片。具体而言，芯片设计基于第一步骤的改进的波导工艺，并包括第二步骤的两种类型的分光器。为了监测信号，选择光电探测器阵列。特殊封装件设计为保护PLC耦合器芯片和光纤，并设计为将光电探测器阵列及其电连接部集成到装置中。
第四，评估封装装置的成本和性能。
图10A中提供了上述PLC耦合器芯片的示意性视图。芯片设计为尽可能小且与光纤尾纤尽可能相容，并设计为与例如集成DNA测序阵列等目标光电探测器阵列相容。表2中概述了PLC耦合器芯片的规格，并且下文将提供涉及各个步骤的额外细节。
表2
参数 值
端口数量 11
最大芯片尺寸(L×W×H) 20×10×3mm<sup>3</sup>
波长范围 500nm至550nm
光纤至波导离开面的插入损耗 <2.2dB*(<39％传输损耗)
竖直TAPS提取率 0.1％至2％
水平TAPS提取率 0.1％至2％
消光比(任意端口上) >18dB**
0°斜面的背向反射 <-14dB
0°斜面和AR涂层的背向反射 <-23dB
光电二极管灵敏度 >0.2A/W
输出间距 10μm
端口之间的串扰 <-18dB
输出波导N.A. 0.072
输入光纤 PM460-HP
光纤连接器 FC/APC+
功率容量 >300mW
工作温度 0℃至+50℃
贮藏 -20℃至+65℃
*对任意偏振状态
**具有至少18dB PER的PM光纤
步骤1：波导工艺优化
使用并调整离子交换波导工艺，以得到NA接近0.072的波导且同时减小PLC耦合器的尺寸并将损耗和串扰保持为尽可能低。
a.NA测量座
开发了专用于测量波导数值孔径的光具座。光具座基于利用多个距离处的相机的远场轮廓的测量。在最大轮廓强度的1/e2处确定数值孔径。
b.开发新的波导制作工艺
在一些情况中，为了得到期望的NA，可能需要开发新的波导制作工艺。为了使X轴和Y轴上的数值孔径尽可能接近0.072，调节工艺参数和波导设计。
c.Rmin和串扰的确定
基于新的波导制作工艺，确定作为波导参数的函数的最小可接受的曲率半径和相邻波导之间的光学串扰。该确定允许后续PLC芯片的设计优化。
步骤2：分光器的设计和优化
与步骤1中的新波导工艺相容的分光耦合器设计为优化芯片的耦合率并减小损耗。图10B示出了具有分光器阵列的示例性PLC芯片。
新PLC芯片通常包含用于监测并控制经由装置的光功率的竖直分光器和平面内分光器。目标在于达到0.1％至2％的范围内的分光率，且同时使额外光损耗最小。该比率被确定为具有优于10％的准确度。如图10A和图10B所示那样，平面内分光器通常定位在装置的第一通道和最后一个通道上。使用专用光刻掩模来确定适合的设计参数。
通常通过将衍射物体沉积在波导表面之上来制备竖直分光器。测试不同的几何形状、尺寸和材料来优化衍射/损耗比率。一个重点还在于衍射光的方向性。事实上，该光可以由探测器检测，该探测器可以不与玻璃表面直接接触。
在每个PLC芯片均具有不同的损耗源的情况下，通过研究竖直分光器和平面内分光器来准备光功率分配。使用专用仪器来准确测量分光比率。
步骤3：PLC耦合器原型的制作
PLC芯片设计
新PLC设计包括输入耦合区段、扇出(fan-out)区段、11个竖直分光器、两个水平分光器以及数值孔径(NA)适应区段。根据弯曲损耗研究的结果来设计扇出区段。根据PLC的不同潜在设计来制备光刻掩模。在一系列晶圆的制作和表征之后选择设计。
输出面的AR涂层
在切削并抛光PLC芯片之后，使用标准方法对输出面涂覆抗反射(AR)涂层。
光纤耦合
芯片配备有十一端口光纤阵列单元(FAU)。FAU由十一根PM光纤(例如，来自Nufern的PM460-HP)组成。每根光纤均与FC:APC连接器端接。PM连接器被选择为与所使用的小芯部光纤相容，并表现为低损耗。
对每个端口测量光纤部件的损耗。特性描述的结果被用作关于最终PLC规格的定义的基础。
光电探测器阵列选择
为了监测经由装置的激光的功率，将分光耦合器阵列添加至波导阵列。朝光电探测器阵列传输由分光器提取出的光。该光电探测器阵列被选择为与由分光器提取出的光量相对地具有恰当的效率，并且使得光电探测器阵列在尺寸上与PLC芯片相容。
封装设计
封装件被设计为保护PLC芯片和光纤，以保持光电探测器阵列，并保持电连接器。PLC芯片被精确地夹持在封装件上。无套筒光纤被封装件保护，并且套筒被封装件保持。光电探测器阵列被置于PLC芯片上，并经由安装在PLC芯片封装件一侧的电连接器连接至设备。封装件具有孔，使得封装件可以被紧紧地螺纹连接到设备上。作为选择或另外，封装件包括与磁性保持部相容的材料。
实例2.具有两个可见波长激光输入的平面光波导线路
该实例提供了适于在集成DNA测序系统中使用的可选PLC硬件耦合器。PLC耦合器设计为被包括在自由空间光学系统中。具体而言，为了测序产品，单元提供了位于自由空间光学系统中的532nm的结构化照射源。单元选择性地使来自两个输入光源的光分束并前进至八个主输出源以及用于监测目的的两对“外伸臂”。见图11。
装置的重要特征包括但不限于：
·低插入损耗和低背向反射
·输入PER的保持
·高光功率的能力
·准确的对称和非对称功率分流
·输出波导的准确位置
·远程通信输出
·将对典型处置而言耐用的高性能尾纤与支持准确置于较大光学机械系统中的封装件的集成
装置包括两根输入源光纤，每根输入源光纤均具有与在波长为532nm+/-2nm、PER>20dB并且功率高达300mW时的0.072(1/e2)的光束远场NA对应的MFD。然后，这些光纤与形成在PLC中的两个对应波导高效耦合(例如对接耦合)。然后，这些波导均被分成大致相似功率的四个主输出，并还均包括具有显著低功率的两个附加外伸臂波导。如图12A和图12B所示，这些总共十二个输出波导然后端接在输出面上。
本文所述的所有专利、专利公开及其他已公开参考的完整公开内容通过引用并入本文，如同各自单独且具体地通过引用并入本文一样。
虽然已提供了具体实例，但以上描述是示例性的而不是限制性的。前述实施例的任意一个或多个特征可以以任意方式与本发明中的任意其他实施例的一个或多个特征组合起来。此外，通过阅读本说明书，对本领域的技术人员而言，本发明的许多变型将变得显而易见。因此，本发明的范围将通过参考所附权利要求书及其等同内容的范围来确定。

Claims (56)

1.一种集成光传输装置，包括：
光输入端；
光输出端；
光输出波导，其布置在基板上并与所述光输入端和所述光输出端光连接，
其中，所述光输出端构造为经由自由空间在至少1mm、至少2mm、至少3mm、至少5mm、至少10mm、至少20mm、至少30mm、至少50mm或至少100mm的距离处光耦合至目标波导装置。
2.根据权利要求1所述的集成光传输装置，
其中，所述光输出端具有不大于0.1、不大于0.08、不大于0.05、不大于0.03、不大于0.02或不大于0.01的数值孔径。
3.根据权利要求1所述的集成光传输装置，
其中，所述装置构造为以每覆盖区至少144μm2、至少225μm2、至少400μm2、至少625μm2、至少900μm2、至少1600μm2或至少2500μm2的表面积在所述目标波导装置上照射覆盖区。
4.根据权利要求1所述的集成光传输装置，
其中，所述装置构造为以每覆盖区至多250,000μm2、至多62,500μm2、至多22,500μm2、至多10,000μm2、至多6400μm2、至多3600μm2或至多2500μm2的表面积在所述目标波导装置上照射覆盖区。
5.根据权利要求1所述的集成光传输装置，
其中，所述装置构造为以每覆盖区144μm2至250,000μm2、225μm2至62,500μm2、400μm2至22,500μm2、625μm2至10,000μm2、900μm2至6400μm2或1600μm2至3600μm2的表面积在所述目标波导装置上照射覆盖区。
6.根据权利要求5所述的集成光传输装置，
其中，所述装置构造为照射在1mm至100mm的距离处的所述目标波导装置上的所述覆盖区。
7.根据权利要求1所述的集成光传输装置，
其中，所述装置构造为以至少1mW、至少2mW、至少3mW、至少5mW、至少10mW、至少20mW、至少30mW、至少50mW或至少100mW的功率在所述目标波导装置上照射覆盖区。
8.根据权利要求7所述的集成光传输装置，
其中，所述装置构造为照射在1mm至100mm的距离处的所述目标波导装置上的所述覆盖区。
9.根据权利要求1所述的集成光传输装置，
其中，所述光输出波导包括功率调制器。
10.根据权利要求9所述的集成光传输装置，
其中，所述功率调制器为可变光衰减器。
11.根据权利要求10所述的集成光传输装置，
其中，所述可变光衰减器为集成马赫-曾德光学干涉仪。
12.根据权利要求1所述的集成光传输装置，
其中，所述装置还包括分束元件，所述分束元件经由光输入波导光耦合至所述光输入端并经由多个光输出波导光耦合至多个光输出端。
13.根据权利要求12所述的集成光传输装置，
其中，所述装置包括至少两个、至少四个、至少六个或至少八个光输出端和光输出波导。
14.根据权利要求12所述的集成光传输装置，包括：
多个分束元件，每个分束元件经由多个光输入波导中的一个光输入波导光耦合至多个光输入端中的一个光输入端，并经由多个光输出波导光耦合至多个光输出端。
15.根据权利要求12所述的集成光传输装置，
其中，至少一个光输出波导包括功率调制器。
16.根据权利要求1所述的集成光传输装置，
其中，所述装置包括多个光输入端、多个光输出端以及多个光输出波导，所述多个光输出波导布置在基板上并与所述多个光输入端和所述多个光输出端光连接，至少一个光输出端构造为经由自由空间在至少1mm、至少2mm、至少3mm、至少5mm、至少10mm、至少20mm、至少30mm、至少50mm或至少100mm的距离处光耦合至目标波导装置。
17.根据权利要求16所述的集成光传输装置，
其中，所述多个光输出端中的至少一个光输出端具有不大于0.1、不大于0.08、不大于0.05、不大于0.03、不大于0.02或不大于0.01的数值孔径。
18.根据权利要求17所述的集成光传输装置，
其中，所述装置还包括分束元件，所述分束元件经由多个光输入波导中的一个光输入波导光耦合至所述多个光输入端中的一个光输入端并经由多个光输出波导光耦合至多个光输出端。
19.根据权利要求18所述的集成光传输装置，
其中，所述装置包括至少三个、至少四个、至少六个、至少八个或至少十二个光输出端和光输出波导。
20.根据权利要求18所述的集成光传输装置，包括：
多个分束元件，每个分束元件经由所述多个光输入波导中的一个光输入波导光耦合至所述多个光输入端中的一个光输入端并经由多个光输出波导光耦合至多个光输出端。
21.根据权利要求12所述的集成光传输装置，
其中，所述多个光输出波导中的至少一个光输出波导为分光波导。
22.根据权利要求21所述的集成光传输装置，
其中，所述装置还包括与所述分光波导光耦合的功率监测器。
23.根据权利要求22所述的集成光传输装置，
其中，所述功率监测器控制由至少一个光输出端传输的所述功率输出。
24.根据权利要求22所述的集成光传输装置，
其中，所述功率监测器为集成探测器或相机。
25.根据权利要求21所述的集成光传输装置，
其中，所述分光波导与输出光栅或薄包层的区域光耦合。
26.根据权利要求1所述的集成光传输装置，
其中，所述光输出波导包括相位调制器。
27.根据权利要求1所述的集成光传输装置，
其中，所述光输出波导包括模消除器。
28.根据权利要求1所述的集成光传输装置，
其中，所述光输出波导包括频率调制器。
29.根据权利要求1所述的集成光传输装置，
其中，所述装置构造为将可见光光输出至目标波导装置。
30.根据权利要求29所述的集成光传输装置，
其中，所述可见光具有在约500nm至约600nm的范围内的波长。
31.一种分析系统，包括：
根据权利要求1至30中任一项所述的集成光传输装置；以及
集成目标波导装置。
32.根据权利要求31所述的分析系统，
其中，所述系统还包括对准装置。
33.根据权利要求32所述的分析系统，
其中，所述对准装置提供用于所述集成光传输装置和所述集成目标波导装置的动态对准。
34.根据权利要求32所述的分析系统，
其中，所述对准装置为相机。
35.根据权利要求31所述的分析系统，
其中，所述目标波导装置包括对准特征。
36.根据权利要求35所述的分析系统，
其中，所述对准特征包括基准标记。
37.根据权利要求36所述的分析系统，
其中，所述基准标记包括基准点或图案区域。
38.根据权利要求35所述的分析系统，
其中，所述对准特征包括波导分光器。
39.根据权利要求38所述的分析系统，
其中，所述对准特征包括多个低功率波导分光器。
40.根据权利要求38所述的分析系统，
其中，所述对准特征包括高功率光束分光器。
41.根据权利要求31所述的分析系统，
其中，所述集成目标波导装置包括与集成波导光耦合的光栅耦合器。
42.根据权利要求31所述的分析系统，
其中，所述系统还包括光源。
43.根据权利要求42所述的分析系统，
其中，所述光源为激光器。
44.根据权利要求42所述的分析系统，
其中，所述系统包括多个光源。
45.根据权利要求44所述的分析系统，
其中，所述多个光源为多个激光器。
46.根据权利要求42所述的分析系统，
其中，所述光源提供调制光信号。
47.根据权利要求46所述的分析系统，
其中，所述调制光信号为振幅调制信号。
48.根据权利要求46所述的分析系统，
其中，所述调制光信号为相位调制信号。
49.根据权利要求46所述的分析系统，
其中，所述调制光信号为频率调制信号。
50.根据权利要求31所述的分析系统，
其中，所述集成目标波导装置为多路复用DNA测序装置。
51.根据权利要求50所述的分析系统，
其中，所述多路复用DNA测序装置构造为对至少100个反应区域中的DNA进行测序。
52.根据权利要求31所述的分析系统，
其中，所述系统还包括位于所述集成光传输装置与所述集成目标波导装置之间的介入光学元件。
53.根据权利要求52所述的分析系统，
其中，所述介入光学元件为光学透镜元件。
54.根据权利要求52所述的分析系统，
其中，所述集成光传输装置包括多个光输出端，所述多个光输出端中的至少一个光输出端具有不大于0.1的数值孔径。
55.根据权利要求54所述的分析系统，
其中，所述集成目标波导装置包括与集成波导光耦合的光栅耦合器，所述光栅耦合器具有比所述光传输装置的所述光输出端的所述数值孔径低的数值孔径。
56.根据权利要求55所述的分析系统，
其中，所述光栅耦合器具有不大于0.05的数值孔径。
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