JP2022516918A - フォトニック素子のアレイに対して光を送達するための光導波路およびカプラ - Google Patents

フォトニック素子のアレイに対して光を送達するための光導波路およびカプラ Download PDF

Info

Publication number
JP2022516918A
JP2022516918A JP2021538950A JP2021538950A JP2022516918A JP 2022516918 A JP2022516918 A JP 2022516918A JP 2021538950 A JP2021538950 A JP 2021538950A JP 2021538950 A JP2021538950 A JP 2021538950A JP 2022516918 A JP2022516918 A JP 2022516918A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
waveguide
sample wells
photonic device
integrated photonic
sample
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2021538950A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2020142643A5 (ja
Inventor
プレストン、カイル
シェン、ビン
カビリ、アリ
シュミッド、ジェラード
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Quantum Si Inc
Original Assignee
Quantum Si Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Quantum Si Inc filed Critical Quantum Si Inc
Publication of JP2022516918A publication Critical patent/JP2022516918A/ja
Publication of JPWO2020142643A5 publication Critical patent/JPWO2020142643A5/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6452—Individual samples arranged in a regular 2D-array, e.g. multiwell plates
    • G01N21/6454—Individual samples arranged in a regular 2D-array, e.g. multiwell plates using an integrated detector array
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/648—Specially adapted constructive features of fluorimeters using evanescent coupling or surface plasmon coupling for the excitation of fluorescence
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1228—Tapered waveguides, e.g. integrated spot-size transformers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/124—Geodesic lenses or integrated gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/125—Bends, branchings or intersections
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N2021/6417—Spectrofluorimetric devices
    • G01N2021/6419—Excitation at two or more wavelengths
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/12107—Grating
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/12119—Bend
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12133—Functions
    • G02B2006/12138—Sensor

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)
  • Optical Measuring Cells (AREA)

Abstract

フォトニック集積デバイスにおけるフォトニック素子のアレイに対して光を送達するための光導波路およびカプラ。フォトニック集積デバイスおよび関連する機器およびシステムが、平行して試料を分析するために使用され得る。フォトニック集積デバイスは、外部光源から光を受け取るように構成された格子カプラであって、フォトニック集積デバイスの試料ウェルと光学的に結合するように構成された複数の導波路と光学的に結合するように構成された格子カプラを含んでよい。

Description

本出願は、一般に、光エネルギーをフォトニック・デバイスへと結合し、光エネルギーをデバイスの複数の領域に分配するためのデバイス、方法、および技術を対象とする。フォトニック・デバイスは、核酸配列決定およびタンパク質配列決定を含む、生物学的および／または化学的試料の平行した定量分析を行うために使用され得る。
生物学的または化学的試料の大規模並列分析が可能な機器は、それらの大きなサイズ、携帯性の欠如、機器を操作する熟練技術者の必要性、電力需要、制御された動作環境の必要性、およびコストを含み得るいくつかの要因のために、典型的には実験室環境に限定される。さらに、生物学的または化学的試料の一部の分析はまとめて行われ、大量の特定のタイプの試料が検出および定量に必要である。
生物学的または化学的試料の分析は、特定の波長の光を放出する発光マーカで試料をタグ付けし、タグ付けされた試料を光源で照射し、発光した光を光検出器で検出することを含み得る。そのような技術は従来、タグ付き試料を照射するための高価なレーザ光源およびシステム、ならびにタグ付き試料からの発光を収集するための複雑な検出光学系および電子機器を必要とする。
いくつかの実施形態は、集積フォトニック・デバイスであって、一行に配列された複数の試料ウェルと、行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置された第１の導波路と、試料ウェルの行とは別の集積フォトニック・デバイスの領域から光を受け取り、第１の導波路と光学的に結合するように構成されたパワー導波路とを備える集積フォトニック・デバイスを対象とする。
いくつかの実施形態は、複数の行に配列された試料ウェルのアレイと、一行内の試料ウェルの第１のグループと光学的に結合するように配置された第１の導波路、および行内の試料ウェルの第２のグループと光学的に結合するように配置された第２の導波路を備える、複数の導波路とを備える集積フォトニック・デバイスを対象とする。
いくつかの実施形態は、１つ以上の導波路と光結合領域とを備える集積フォトニック・デバイスを対象とする。光結合領域は、１つ以上の導波路に光学的に結合され、集積フォトニック・デバイスの表面に入射する光を受け取るように構成された格子カプラであって、表面に実質的に平行な平面に関して非対称である材料構造を有する格子カプラと、格子カプラと重なる領域に近接して配置され、格子カプラに入射する光を受け取るように構成された１つ以上の監視センサとを備える。
いくつかの実施形態は、１つ以上の導波路と光結合領域とを備える集積フォトニック・デバイスを対象とする。光結合領域は、１つ以上の導波路に光学的に結合され、集積フォトニック・デバイスの表面に入射する光を受け取るように構成された格子カプラであって、可変フィル・ファクタで互いに離間された材料構造を有する格子カプラと、格子カプラと重なる領域に近接して配置され、格子カプラに入射する光を受け取るように構成された１つ以上の監視センサとを備える。
いくつかの実施形態は、集積フォトニック・デバイスを形成する方法であって、一行に配列された複数の試料ウェルを形成する工程と、行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置された第１の導波路を形成する工程と、試料ウェルの行とは別の集積フォトニック・デバイスの領域から光を受け取り、第１の導波路と光学的に結合するように構成された、パワー導波路を形成する工程と、を備える方法を対象とする。
いくつかの実施形態は、複数の行に配列された試料ウェルのアレイを形成する工程と、複数の導波路を形成する工程であって、複数の導波路は、一行内の試料ウェルの第１のグループと光学的に結合するように配置された第１の導波路、および行内の試料ウェルの第２のグループと光学的に結合するように配置された第２の導波路を備える、工程と、を備える、集積フォトニック・デバイスを形成する方法を対象とする。
いくつかの実施形態は、１つ以上の導波路を形成する工程と、光結合領域を形成する工程と、を備える、集積フォトニック・デバイスを形成する方法を対象とする。光結合領域は、１つ以上の導波路に光学的に結合され、集積フォトニック・デバイスの表面に入射する光を受け取るように構成された格子カプラであって、表面に実質的に平行な平面に関して非対称である材料構造を有する格子カプラと、格子カプラと重なる領域に近接して配置され、格子カプラに入射する光を受け取るように構成された１つ以上の監視センサとを備える。
いくつかの実施形態は、１つ以上の導波路を形成する工程と、光結合領域を形成する工程と、を備える、集積フォトニック・デバイスを形成する方法を対象とする。光結合領域は、１つ以上の導波路に光学的に結合され、集積フォトニック・デバイスの表面に入射する光を受け取るように構成された格子カプラであって、可変フィル・ファクタで互いに離間された材料構造を有する格子カプラと、格子カプラと重なる領域に近接して配置され、格子カプラに入射する光を受け取るように構成された１つ以上の監視センサとを備える。
本出願の種々の態様および実施形態が図面を参照して説明される。図は必ずしも原寸に比例して描かれていないことが理解される。複数の図に現れる要素は、それらが現れるすべての図で同じ参照番号によって示される。
いくつかの実施形態による集積デバイスの概略断面図。 いくつかの実施形態による集積デバイスの概略平面図。 いくつかの実施形態による、テーパ導波路に近接して配置された試料ウェルの行の概略平面図。 図２－１Ａに示された試料ウェルの行およびテーパ導波路の断面図。 いくつかの実施形態による、１０２４個のすべての試料ウェルにわたる最小相対強度を達成するために必要とされる導波路へのパワー入力と、上部クラッド厚さのグラフ。 いくつかの実施形態による、試料ウェルの行に沿った強度の不均一性の量と、テーパ導波路に関する上部クラッド厚さのグラフ。 いくつかの実施形態による、相対強度と、テーパ導波路に結合された試料ウェルの行における試料ウェル数のグラフ。 いくつかの実施形態による、テーパ導波路におけるパワーと、テーパ導波路に結合された試料ウェルの行における試料ウェル数のグラフ。 いくつかの実施形態による、導波路の幅と、テーパ導波路に結合された試料ウェルの行における試料ウェル数のグラフ。 いくつかの実施形態による、導波路へのパワー入力と、行あたりの試料ウェルの数のグラフ。 いくつかの実施形態による、行効率と、行あたりの試料ウェルの数のグラフ。 いくつかの実施形態による、試料ウェルの個々の行に対して光を送達するために複数の導波路が使用される、行シフト導波路構成を有する導波路構成の平面図。 いくつかの実施形態による、パワー導波路、ならびに行内の試料ウェルの異なるグループと光学的に結合するように配置された複数の導波路を有する、導波路構成の平面図。 いくつかの実施形態による、パワー導波路、ならびに行内の試料ウェルの異なるグループと光学的に結合するように配置された複数の導波路を有する、導波路構成の平面図。 いくつかの実施形態による、パワー導波路、ならびにパワー導波路と光学的に結合するように構成された複数の導波路を有する、導波路構成の平面図。 いくつかの実施形態による、パワー導波路および連続カプラ導波路を有する導波路構成の平面図。 いくつかの実施形態による、パワー導波路および連続カプラ導波路を有する導波路構成の平面図。 いくつかの実施形態による、最小相対強度を達成するために必要とされる連続カプラ導波路へのパワー入力と、パワー導波路に対する初期結合率のグラフ。 いくつかの実施形態による、パワー導波路および連続カプラ導波路構成に関する、試料ウェルの行に沿った強度の不均一性の量と、パワー導波路に対する初期結合率のグラフ。 いくつかの実施形態による、パワー導波路および連続カプラ導波路構成に関する、相対強度と、試料ウェル数のグラフ。 いくつかの実施形態による、パワー導波路および連続カプラ導波路構成に関する、導波路におけるパワーと、試料ウェルの行内の試料ウェル数のグラフ。 いくつかの実施形態による、パワー導波路と連続カプラ導波路との間のギャップの寸法と、試料ウェル数のグラフ。 いくつかの実施形態による、パワー導波路および連続カプラ導波路構成に関する、導波路へのパワー入力と、行あたりの試料ウェルの数のグラフ。 いくつかの実施形態による、パワー導波路および連続カプラ導波路構成に関する、単位パワーあたりの試料ウェルの数によって測定される行効率と、行あたりの試料ウェルの数のグラフ。 いくつかの実施形態による、アポダイズされた格子カプラの断面図。 いくつかの実施形態による、アポダイズされた格子カプラに関する、結合効率と下部クラッド層の厚さのグラフ。 いくつかの実施形態による、アポダイズされた格子カプラに関する、結合効率と横方向寸法誤差のグラフ。 いくつかの実施形態によるブレーズド格子カプラの断面図。 いくつかの実施形態による、ブレーズド格子カプラに関する、結合効率と下部クラッド層の厚さのグラフ。 いくつかの実施形態による、色の変化がブレーズド格子カプラに関する結合効率に対応する、カラー・ヒート・マップ・プロッティング・パラメータａ２対ａ１のグレースケール版。 いくつかの実施形態による、色の変化がブレーズド格子カプラに関する結合効率に対応する、カラー・ヒート・マップ・プロッティング・パラメータａ２対ａ１のグレースケール版。 いくつかの実施形態による２層格子カプラの断面図。 いくつかの実施形態による、２層格子カプラに関する、結合効率と下部クラッド層の厚さのグラフ。 いくつかの実施形態による、色の変化が２層格子カプラに関する結合効率に対応する、カラー・ヒート・マップ・プロッティング・パラメータＤＯｆｆｓｅｔ対デューティ・サイクルのグレースケール版。 いくつかの実施形態による、色の変化が２層格子カプラに関する結合効率に対応する、カラー・ヒート・マップ・プロッティング・パラメータＤＯｆｆｓｅｔ対デューティ・サイクルのグレースケール版。 いくつかの実施形態による格子カプラの断面図。 いくつかの実施形態による格子カプラの断面図。 いくつかの実施形態による広帯域格子カプラの平面図の概略図。 いくつかの実施形態による、広帯域構成を有する格子カプラに関する、帯域幅とフィル・ファクタのグラフ。 いくつかの実施形態による、広帯域構成を有する格子カプラに関する、ピーク波長とフィル・ファクタのグラフ。 いくつかの実施形態による、広帯域構成を有する格子カプラに関する、ピーク効率とフィル・ファクタのグラフ。 いくつかの実施形態による格子カプラの平面図の概略図。 いくつかの実施形態による格子カプラの平面図の概略図。 いくつかの実施形態による格子カプラの平面図の概略図。 いくつかの実施形態による、集積デバイスおよび機器のブロック図。 いくつかの実施形態による、集積デバイスを含む装置の概略図。 いくつかの実施形態による、試料ウェル、光導波路、および時間ビニング光検出器を有するピクセルの概略図。 いくつかの実施形態による、試料ウェル内で生じ得る例示的な生物学的反応の概略図。 いくつかの実施形態による、異なる減衰特性を有する２つの異なるフルオロフォアの発光確率曲線のグラフ。 いくつかの実施形態による、いくつかの実施形態による、蛍光発光の時間ビニング検出のグラフ。 いくつかの実施形態による例示的な時間ビニング光検出器を示す図。 いくつかの実施形態による、試料からの蛍光発光のパルス励起および時間ビニングされた検出を示す概略図。 いくつかの実施形態による、試料のパルス励起が繰り返された後の種々の時間ビンにおける累積蛍光光子カウントのヒストグラム。 いくつかの実施形態による、４つのヌクレオチド（Ｔ、Ａ、Ｃ、Ｇ）またはヌクレオチド類似体のうちのＴに対応し得るヒストグラム。 いくつかの実施形態による、４つのヌクレオチド（Ｔ、Ａ、Ｃ、Ｇ）またはヌクレオチド類似体のうちのＡに対応し得るヒストグラム。 いくつかの実施形態による、４つのヌクレオチド（Ｔ、Ａ、Ｃ、Ｇ）またはヌクレオチド類似体のうちのＣに対応し得るヒストグラム。 いくつかの実施形態による、４つのヌクレオチド（Ｔ、Ａ、Ｃ、Ｇ）またはヌクレオチド類似体のうちのＧに対応し得るヒストグラム。
Ｉ．序論
本出願の態様は、単一分子の同定および核酸配列決定を含む、平行して試料を分析することが可能な集積デバイス、機器、および関連システムに関する。そのような機器は、コンパクトで、持ち運びが簡単であり、操作が簡単であるので、医師または他の提供者が機器を容易に使用し、機器をケアが必要とされ得る所望の場所に移送することが可能である。試料の分析は、１つまたは複数の蛍光マーカで試料を標識することを含むことがあり、これは、試料の検出、および／または試料の単一分子の同定（たとえば、核酸配列決定の一部としての個々のヌクレオチド同定）のために使用され得る。蛍光マーカは、励起光（たとえば、蛍光マーカを励起状態へ励起し得る固有波長を有する光）で蛍光マーカを照射することに応答して励起されてよく、蛍光マーカが励起された場合、放出光（たとえば、励起状態から基底状態に戻ることで蛍光マーカによって放出される固有波長を有する光）を放出する。放出光の検出は、蛍光マーカの同定、したがって、蛍光マーカによって標識された試料または試料の分子の同定を可能にすることができる。いくつかの実施形態によれば、機器は、大規模並列試料分析が可能であり、数万個以上の試料を同時に処理するように構成され得る。
本発明者らは、集積デバイス上に形成された試料および集積光学系を受け入れるように構成された試料ウェルを有する集積デバイス、ならびに集積デバイスとインターフェースするように構成された機器が、この数の試料の分析を達成するために使用され得ることを認識して理解した。機器は、１つまたは複数の励起光源を備えることができ、集積デバイスは、集積デバイスの一部として形成された集積光学部品（たとえば、導波路、光カプラ、光スプリッタ）を使用して励起光が試料ウェルに送達されるように、機器とインターフェースすることができる。光学部品は、集積デバイスの試料ウェルにわたる照射の均一性を改善することができ、さもなければ必要とされ得る多数の外部光学部品を減らすことができる。さらに、本発明者らは、集積デバイス上に光検出器を集積することにより、試料ウェルからの蛍光発光の検出効率を改善し、さもなければ必要とされ得る集光部品の数を減らすことができることを認識して理解した。
いくつかの実施形態によれば、集積デバイスは、アレイにわたる複数の試料の多重分析を可能にする試料ウェルのアレイと、試料ウェルのアレイに励起光を送達するように構成された光学システムとを有する。集積デバイスの性能は、光学システムを使用して試料ウェルのアレイにわたって励起光を送達する集積デバイスの能力に依存し得る。さらに、集積デバイスの性能は、個々の試料ウェルに比較的一定の強度または電場強度を送達することなどによって、実質的に均一な様式で個々の試料ウェルに励起光を送達する光学システムの能力に関連し得る。具体的には、光学システムに関連付けられた性能関連ファクタは、試料ウェルによる散乱および／または吸収から生じる光損失、光カプラ（たとえば、外部光源から光を受け取るように構成された格子カプラ）の結合効率、複数の導波路間で励起光を分割することから生じる光損失、ならびに複数の試料ウェルと個々の導波路の結合効率を含み得る。
集積デバイスの多重化能力を増大させるために、アレイ内の試料ウェルの数を増加させて、集積デバイスを使用しながら任意の特定の時間でより多くの試料を分析する能力を可能にすることが望ましいことがある。集積デバイスが試料ウェルの数の増加によってスケール変更されると、これらのファクタの１つまたは複数のために集積デバイスの性能における課題が生じる可能性がある。たとえば、試料ウェルの行は、光学システムの導波路に結合することによって光を受け取ることにより、光が導波路に沿って伝播すると行内の試料ウェルが光の一部を受け取るようにすることができる。光損失は、個々の試料ウェルが光を散乱および／または吸収することから発生する可能性があり、それにより、累積的に、行内の最後の（たとえば、導波路の光入力端から離れた）試料ウェルが、行内の最初の試料ウェル（たとえば、導波路の光入力端の傍の試料ウェル）よりも低い強度または電場強度を受け取る結果となり得る。そのような光損失は、集積デバイスを使用することにより行われる測定の信号対ノイズ比に対し影響する可能性がある。より多くの試料ウェルがアレイに追加されると、これらの光損失は、信号対ノイズ比のさらなる減少につながる可能性があり、そのため、実行される分析の品質および信頼性に対し影響する可能性がある。
したがって、本出願の態様は、試料ウェルのアレイ間の改善された光の分配を可能にし得る集積デバイスの光学システムに含める光学部品および特定の配列に関する。これらの光学部品および配列は、同じ行内の試料ウェルを含む個々の試料ウェルが、同様の強度および／または電場強度を受け取るように実質的に均一な様式で光を送達することを可能にし得る。本願明細書に記載される光学部品および配列は、アレイ内により多数の試料ウェルを有する集積デバイスの実装、ならびにアレイ全体にわたる試料の分析での所望の性能を可能にし得る。
アレイ内の試料ウェルの数を増大する一環としての追加の考慮事項には、製造コストおよび制約を含み得る。したがって、本出願の態様は、結果として得られる集積デバイスが所望の光学性能を達成することを可能にしつつ、製造コストおよび制約を（たとえば、製造ステップの数または複雑さを低減することによって）考慮に入れる光学部品およびシステムに関する。
本出願に説明されるような光学システムのための技術は、試料ウェルのアレイに励起光を送達することに関連して論じられるが、これらの技術の１つまたは複数は、単独でまたは組み合わせて、フォトニック・デバイス内のフォトニック素子のアレイに光を分配することを含む他の文脈で使用されてもよいことが理解される。たとえば、本出願の技術は、センサのアレイなどの光学部品のアレイで実装されてよい。また、本願明細書に記載されている技術は、生物学的または化学的試料を分析する文脈に限定されず、むしろ、実質的に均一な様式で多くのフォトニック素子間に光を分配することが望まれる用途において実装され得ることが理解される。
集積デバイスの光学システムは、以下の３つの部分を有すると考えられ得る：（１）外部光源（たとえば、機器の励起光源）からの光を集積デバイスの導波路へと結合する格子カプラ；（２）集積デバイス全体に分散された個々の導波路の間で格子カプラから受け取られた光を分割する（たとえば、光スプリッタの組み合わせにより）光ルーティング・ネットワーク；（３）集積デバイスのアレイにおける試料ウェルを照射するように構成されたアレイ導波路。集積デバイスの性能は、光学システムのこれらの部分のいずれかの光学的性能に依存する可能性がある。したがって、本出願の態様は、光学システム全体のこれらの部分の１つまたは複数に関する。
本出願のいくつかの態様は、外部光源からの光を光学システムの他の光学部品へと結合する際に所望の光学効率を可能にし得る格子カプラ構成に関する。いくつかの例では、特定の格子カプラ構成が、他のやり方で光学効率を改善するように作用し得る他の光学部品を組み込む必要性を低減することができる。たとえば、ある種の格子カプラは、格子カプラを通過して格子カプラに戻る光を反射するように配置された反射層を有することなく、所望の光学効率を達成するのを可能にすることができ、そのような反射層は、他のやり方で他の格子カプラが同じ所望の光学効率を達成するために必要とされ得るものである。
集積デバイスの全体的性能に対し影響し得る別の態様は、外部光源を格子カプラに整列させる能力であり、これは、外部光源を複数の集積デバイスに整列させる多数の反復を通して整列を行うことが容易であることを含む。いくつかの例では、外部光源を格子カプラに整列させることは、格子カプラに入射する特定の角度範囲内で励起光ビームを整列させることを含んでよい。いくつかの格子カプラ構成では、複数の集積デバイスにわたる製造が、異なる範囲の角度で入射光と結合するように構成された格子カプラを有する集積デバイスをもたらし得る場合に、製造公差がほとんどまたは全くないことがある。これらの格子カプラ構成のこのほとんどまたは全くない製造公差は、あるデバイスから別のデバイスへ移行する際に光学的整列を行うのに必要な時間を増大させることによりデバイスが分析に使用される場合に外部光源の整列を行うときに問題が発生する可能性がある。複数の層および／または非周期的格子を有する格子カプラが、格子カプラと整列されるとみなされる入射光ビームのより広い範囲の角度に対処し、所望の結合効率を達成することが可能であり、したがって、複数の集積デバイスにわたる製造のばらつきをより許容するという利点を提供し得ることを、本発明者らは認識して理解した。
いくつかの実施形態では、集積フォトニック・デバイスは、表面に実質的に平行な平面に関して非対称な材料構造を有する格子カプラを備えることができる。材料構造は、平面に実質的に平行な方向で互いに横方向にオフセットされた２つ以上の材料層を備えることができる。材料構造は、格子カプラの１つまたは複数の層を少なくとも部分的にエッチングすることによって形成され得る。いくつかの実施形態では、材料構造は、集積フォトニック・デバイスの表面に実質的に垂直な平面に対して非対称であり得る。いくつかの実施形態では、２つ以上の材料層は互いに接触することができる。いくつかの実施形態では、２つ以上の材料層は、互いに距離を置いて離間され得る。いくつかの実施形態では、格子カプラはブレーズド格子カプラである。
いくつかの実施形態では、格子カプラは、可変フィル・ファクタで互いに離間された材料構造を有するアポダイズされた格子カプラである。材料構造は可変幅を有することができる。材料構造は、可変幅を有するギャップによって互いに離れた空間であり得る。誘電体材料はギャップ内に形成され得る。
本出願のいくつかの態様は、多数の試料ウェルまたは他のフォトニック素子を実質的に均一な様式で照射することを可能にし得る導波路構成に関する。そのような導波路構成は、試料ウェル・アレイの個々の行内により多くの試料ウェル（たとえば、行内に２，０００個を超える試料ウェル）を有する集積デバイスを可能にし得る。試料ウェルの行と結合するために複数の導波路を使用することにより、行を照射するために単一の導波路のみを使用することに伴う制限を克服することができ、これは、光入力端から離れて位置する行内の試料ウェルに関する光損失の影響を低減することを含むことを、本発明者らは認識して理解した。したがって、いくつかの実施形態は、試料ウェルの行と光学的に結合するように構成された複数の導波路を有する集積デバイスに関する。光結合技術は、試料ウェルの行に関連して説明されているが、これらの技術は、試料ウェルの他の配列（たとえば、試料ウェルの列）と光学的に結合するために使用され得ることが理解される。
いくつかの実施形態は、同じ行内の異なるグループの試料ウェルと光学的に結合するように構成された複数の導波路を有する行シフト導波路構成に関する。いくつかの実施形態では、行内の試料ウェルのいくつかは、異なる導波路間の遷移領域に配置されてよく、導波路のうちの１つと光学的に結合するように構成された他の試料ウェルよりも少ない光パワーを受け取ることができる。
いくつかの実施形態は、パワー導波路と、パワー導波路および行内の試料ウェルと光学的に結合するように構成された１つまたは複数の導波路とを有する導波路構成に関する。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の導波路は、パワー・スプリッタを介してパワー導波路と光学的に結合することができる。いくつかの実施形態では、導波路は、導波路の長さに沿ってパワー導波路と弱く結合するように構成され得る。そのような実施形態では、パワー導波路は、光が導波路に沿って伝播するときの光損失を補償することができる。
上記に説明された態様および実施形態ならびに追加の態様および実施形態は、以下でさらに説明される。これらの態様および／または実施形態は、個別に、すべて一緒に、または２つ以上の任意の組み合わせで使用されてよく、本出願は、これに関して限定されない。
ＩＩ．集積デバイス
Ａ．概観
ピクセル１－１１２の行を示す集積デバイス１－１０２の概略断面図が図１－１に示される。集積デバイス１－１０２は、結合領域１－２０１、ルーティング領域１－２０２、およびピクセル領域１－２０３を備えることができる。本願明細書に論じられたように、集積デバイスの光学システムは、集積デバイスの領域１－２０１、１－２０２、および１－２０３内に位置し得る、異なるタイプの光学部品を備えることができる。結合領域１－２０１は、格子カプラ１－２１６を備えることができ、格子カプラ１－２１６は、励起光（破線矢印で示される）を受け取り、励起光をルーティング領域１－２０２内の１つまたは複数の光学部品に伝播するように構成され得る。ルーティング領域１－２０２は、光をピクセル領域１－２０３に伝播するように構成された複数の導波路１－２２０の間で光を分割するように構成された光ルーティング・ネットワークを備えることができる。ピクセル領域１－２０３は、励起光（破線矢印で示される）が集積デバイス１－１０２に結合する場合である結合領域１－２０１とは別の位置の表面に配置された試料ウェル１－１０８を有する複数のピクセル１－１１２を備えることができる。試料ウェル１－１０８は、金属層１－１０６を貫通して形成されてよい。点線の矩形で示される１つのピクセル１－１１２は、試料ウェル１－１０８と、１つまたは複数の光検出器１－１１０を有する光検出器領域とを含む集積デバイス１－１０２の領域である。
図１－１は、励起光のビームを結合領域１－２０１に結合させ、励起光を試料ウェル１－１０８に向けることによって、集積デバイスを通る励起光（破線で示される）の経路を示す。図１－１に示される試料ウェル１－１０８の行は、導波路１－２２０に光学的に結合するように配置され得る。励起光は、試料ウェル内に位置する試料を照射することができる。試料は、励起光により照射されることに応答して励起状態に達することができる。試料が励起状態にあるとき、試料は、試料ウェルに関連付けられた１つまたは複数の光検出器によって検出され得る放出光を放出することができる。図１－１は、試料ウェル１－１０８からピクセル１－１１２の光検出器１－１１０までの放出光（実線として示される）の経路を概略的に示す。ピクセル１－１１２の光検出器１－１１０は、試料ウェル１－１０８からの放出光を検出するように構成および配置され得る。適切な光検出器の例は、全体において本願明細書に援用する「受け取られた光子の時間ビニングのための集積デバイス（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＴＥＭＰＯＲＡＬ ＢＩＮＮＩＮＧ ＯＦ ＲＥＣＥＩＶＥＤ ＰＨＯＴＯＮＳ）」という名称の米国特許出願第１４／８２１，６５６号に説明されている。適切な光検出器のさらなる例は、全体において本願明細書に援用する「直接ビニングピクセルを備える集積光検出器（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＰＨＯＴＯＤＥＴＥＣＴＯＲ ＷＩＴＨ ＤＩＲＥＣＴ ＢＩＮＮＩＮＧ ＰＩＸＥＬ）」という名称の２０１７年１２月２２日に出願された米国特許出願第１５／８５２，５７１号に説明されている。個々のピクセル１－１１２について、試料ウェル１－１０８およびそのそれぞれの光検出器１－１１０が、共通軸に沿って（図１－１に示されるｙ方向に沿って）整列され得る。このようにして、光検出器はピクセル１－１１２内の試料ウェルと重なることができる。
５行のピクセルを示す集積デバイス１－１０２の平面図が図１－２に示される。図１－２に示されるように、試料ウェル１－１０８ａと試料ウェル１－１０８ｂは同じ行にあり、試料ウェル１－１０８ｃと試料ウェル１－１０８ｄは同じ行にある。本出願の態様は、結合領域１－２０１に入射する励起光を受け取り、励起光を試料ウェル１－１０８のアレイに伝播するための技術に関する。これらの技術は、結合領域１－２０１から個々の試料ウェル１－１０８に励起光を送達するために、結合領域１－２０１に配置された１つまたは複数の光格子カプラ、ならびにルーティング領域１－２０２および／またはピクセル領域１－２０３に配置された導波路アーキテクチャを有することを含み得る。
Ｂ．導波路アーキテクチャ
いくつかの実施形態は、１つまたは複数のテーパ導波路を有する集積デバイスに関する。テーパ導波路は、導波路の長さに沿って、導波路を通る光伝播の方向に変化する１つまたは複数の寸法を有する。たとえば、導波路の長さに沿って変化する幅を有する導波路が、テーパ導波路とみなされ得る。テーパ導波路に沿って伝播する光の特性は、テーパ導波路の１つまたは複数の寸法の変化に応じて変化し得る。アレイの試料ウェルの間で光を実質的に均一に分配する文脈において、テーパ導波路は、テーパ導波路に近接して配置されたグループの試料ウェルの間で同様の量の光強度を提供する技術として実装され得る。集積デバイスのいくつかの実施形態では、テーパ導波路は、試料ウェル・アレイ内の試料ウェルの行と結合するように配置されてよく、ここで、導波路のテーパは、行内の個々の試料ウェルで同様の量の光強度を可能にするように適切に寸法設定される。テーパ導波路は、行内の試料ウェルとエバネッセント結合することができ、導波路の幅は、導波路の光入力端に近いより弱いエバネッセント場、および導波路の光入力端から遠いより強いエバネッセント場を提供するようにテーパ状にされ得る。そのような導波路構成は、一定の幅を有する導波路が使用される場合よりも、行の試料ウェル間で導波路によって送達される励起強度をより均一にすることができる。
図２－１Ａは、テーパ導波路２－２２０に沿った行における試料ウェル１－１０８ｅおよび１－１０８ｆを含む試料ウェルの平面図を示し、ここで、光は、図２－１Ａに示す矢印に対応する側で導波路２－２２０に入力され、ｚ方向に沿って伝播する。図２－１Ａに示されるように、テーパ導波路２－２２０の幅は、試料ウェルの行に沿って変化し、導波路２－２２０は、入力側から遠位よりも入力側の傍（矢印により近い）で、より大きい幅を有する。したがって、試料ウェル１－１０８ｅは、試料ウェル１－１０８ｆが配置されている導波路２－２２０の領域よりも大きい幅を有する導波路２－２２０の領域に配置される。図２－１Ｂは、図２－１Ａに示される試料ウェル１－１０８の行の断面図であり、光学モード・プロファイルがテーパ導波路２－２２０の長さに沿って（ｚ方向に沿って）どのように変化するかを示す。変化する光学モード・プロファイルは、光はテーパ導波路２－２２０に沿って伝播するとき、試料の下部に近接する照射領域に到達する強度の量に影響を与える。特に、試料ウェル１－１０８ｅに近接するテーパ導波路２－２２０のより大きな幅が、試料ウェル１－１０８ｅの照射領域内でより少ない強度をもたらす一方、試料ウェル１－１０８ｆに近接するテーパ導波路２－２２０のより小さい幅が、試料ウェル１－１０８ｆの照射領域内でより大きい強度を有する。いくつかの実施形態では、上部クラッド層２－２２２の１つまたは複数の特性（たとえば、厚さ、材料）は、導波路２－２２０のテーパ形状に対し影響し得る。
さらに、テーパ導波路は、導波路に近接して配置された試料ウェルによる吸収および散乱に関連する光損失を含む、導波路の長さに沿った光損失に相当する構成を有し得る。いくつかの実施形態では、導波路のテーパ構成は、光が導波路に沿って伝播する際に光パワー損失から生じる試料ウェルによって受け取られる光の強度の変化が低減または防止されるように、試料ウェル・アレイ全体にわたって所望のパワー効率を提供することができる。そのような構成は、試料ウェル・アレイ全体にわたる励起光の不均一な送達に寄与する要因として光パワー損失が効果的に取り除かれることを可能にし得る。
特に、導波路におけるパワーは、関数
Figure 2022516918000002
に従って減少し、ここで、伝播損失αは、導波路幅、上部クラッド構成（たとえば、上部クラッド厚さ、材料）、および試料ウェル構成（たとえば、試料ウェルの深さ）の関数である。さらに、試料ウェルの照射領域内の強度が、導波路幅、上部クラッド構成（たとえば、上部クラッド厚さ、材料）、および試料ウェル構成（たとえば、試料ウェルの深さ）に依存する。テーパ導波路のテーパ形状を決定する際に、特定の位置における導波路の寸法は、先行の試料ウェルに関連付けられたパワー損失と、その位置における所望の強度を達成するために必要な導波路幅とに依存し得る。いくつかの実施形態では、テーパ導波路２－２２０は、非直線的なテーパ形状を有することができる。そのような実施形態では、導波路幅は、最大値および最小値によって制限されてよく、導波路に沿った幅の変化は、導波路に結合するすべての試料ウェルの間で実質的に均一な強度を達成するように非直線的に変化することが可能である。いくつかの実施形態では、テーパ導波路２－２２０は、導波路に結合するすべての試料ウェルの間で実質的に均一な強度を達成するように、導波路の幅が最大値と最小値との間で直線的に変化する直線的な形状を有することができる。
本願明細書に記載のいくつかの実施形態によれば、「実質的に均一な強度」は、特定の導波路について、導波路と結合するように配置された試料ウェルによって受け取られる最高強度と、導波路と結合するように配置された試料ウェルによって受け取られる最低強度とを関係付けることによって決定され得る。いくつかの実施形態では、導波路に結合する試料ウェルのグループについての「実質的に均一な強度」は、グループ内の試料ウェルによって受け取られる最低強度に対する最高強度の比が、およそ１に等しい（たとえば、１±５％に等しい、１±１０％に等しい）ことに対応し得る。
上部クラッド層２－２２２の厚さは、行内の試料ウェルによって受け取られる強度の均一性の程度に対し影響し得る。図２－２および図２－３は、上部クラッド厚さが変化され、非直線的なテーパを有する導波路が、１０２４個の試料ウェルの行について最小の相対強度を達成するように設計される、シミュレーション結果を示す。導波路は、１２０ｎｍの厚さ、３００ｎｍの最小幅値、および１３００ｎｍの最大幅値を有する。試料ウェルは、３００ｎｍの深さを有する。図２－２は、１０２４個のすべての試料ウェルにわたる最小相対強度を達成するために必要とされる導波路へのパワー入力と、上部クラッド厚さのグラフを示す。図２－２に示されるグラフは、導波路への入力パワーが最小である、３８０ｎｍと４００ｎｍの間の上部クラッド層２－２２２の厚さの最適値がどのように存在するかを示す。図２－３は、試料ウェルの行に沿った強度の不均一性の量と、上部クラッド厚さのグラフを示し、ここで、不均一性は、試料ウェルにおける最低強度に対する試料ウェルにおける最高強度の比に対応している。１に等しい不均一性値は、最高強度値と最低強度値が等しく、したがって、行内のすべての試料ウェルにおいて均一な強度が存在するシナリオに対応する。図２－２と図２－３との両方を参照すると、入力パワー、上部クラッド厚さ、および不均一性の間にバランスが存在する。特に、上部クラッド層がその最適値よりも厚いとき、１に等しい不均一性が達成され得るが、上部クラッド厚さがその最適値である場合よりも入力パワーが高い。
図２－４、図２－５、および図２－６は、３９５ｎｍの上部クラッド厚さ層を有する１０２４個の試料ウェルの行に関して構成されたテーパ導波路についてのシミュレーション結果を示す。図２－４は、相対強度と、試料ウェル数のグラフであり、どのように個々の試料ウェルにおける相対強度がすべての試料ウェルにわたって均一であるかを示す。図２－５は、導波路におけるパワーと、行内の試料ウェル数のグラフであり、どのように光パワーが試料ウェルの行に沿って減少するかを示す。図２－６は、導波路幅と、行内の試料ウェル数のグラフであり、図２－４に示された均一な強度を得るために使用される導波路のテーパ・プロファイルを示す。
導波路の長さおよび行内の試料ウェルの数は、行の試料ウェル間に分布する強度の均一性に影響し得る追加パラメータである。図２－７および図２－８は、行内の異なる数の試料ウェルに対して均一な強度を有するように設計されたテーパ導波路についてのシミュレーション結果を示す。具体的には、図２－７は、導波路へのパワー入力と、行あたりの試料ウェルの数のグラフであり、図２－８は、単位パワーあたりのセンサの数に対応する行効率と、行あたりの試料ウェルの数のグラフである。図２－７に示されるように、入力パワーは、行内の試料ウェルの数が増加するにつれて増大する。図２－８は、行内の試料ウェルの数が増加するにつれて効率がどのように低下するかを示す。
集積デバイスにおけるテーパ導波路の使用は、実質的に均一な様式で試料ウェル間に励起光を送達する上でいくつかの利点を提供し得るが、試料ウェルの数を増加させることにより集積デバイスがスケール変更されるときにテーパ導波路を使用するには制限があり得る。図２－７および図２－８に関連して論じられるように、行内の試料ウェルの数が増加するにつれて、導波路へのより多くのパワー入力が必要とされ、行効率が低下する。本発明者らは、複数の導波路を使用して試料ウェルの行と結合することにより、１つのテーパ導波路のみを使用することに関連するそのような制限を克服できることを認識して理解した。複数の導波路を使用することにより、単一のテーパ導波路を使用して達成される場合よりも長い行の試料ウェルが実質的に均一な強度を有することが可能になり得る。したがって、いくつかの実施形態は、試料ウェルの行と光学的に結合するように構成された複数の導波路を有する集積デバイスに関する。これらの構成は、いくつかの実施形態によれば、テーパ導波路と組み合わせて使用され得る。そのような実施形態では、試料ウェルの単一行と光学的に結合する複数の導波路は、少なくとも導波路が行内の試料ウェルの一部と結合する領域内でテーパ状にされ得る。そのような構成は、単一の導波路が使用された場合よりも多数の試料ウェルを有する行が、同様の強度を受けることを可能にし得る。
集積デバイスのいくつかの実施形態では、第１の導波路は、行内の試料ウェルの第１のグループと光学的に結合するように配置され、第２の導波路は、行内の試料ウェルの第２のグループと光学的に結合するように配置される。試料ウェルの第１のグループと第２のグループとの間で、第１および第２の導波路は試料ウェルの行に関して配置がシフトされてよい。そのような構成は、試料ウェルの第１のグループと第２のグループとの間に導波路「行シフト」を有するとみなされてよい。行シフトの位置は、試料ウェルの行と第１の導波路の結合効率、または第１の導波路内を伝播するパワーが、特定の量まで低下して、デバイスの性能が影響を受ける場合に対応し得る。第２の導波路を使用して行内の後続の試料ウェルへの光の送達を続けることにより、第１の導波路のみを使用するこれらの制限が取り除かれる。追加の導波路が、同じ行内の追加のグループの試料ウェルと光学的に結合するように含まれ配置されてもよい。この導波路構成は、試料ウェル・アレイにおける他の行に実装されてもよく、たとえば、個々の行における試料ウェルの数を増加させることによって、アレイ内の試料ウェルの数を増加させるように使用され得る。
図３－１は、複数の導波路が試料ウェルの個々の行に対して光を送達するために使用される、行シフト導波路構成を示す集積デバイスの平面図である。導波路への光入力の方向は矢印で示され、ｚ方向である。図３－１は、試料ウェル３－１０８ａ、３－１０８ｂ、および３－１０８ｃを有する行、ならびに試料ウェル３－１０８ｄ、３－１０８ｅ、および３－１０８ｆを有する行を含む、試料ウェルの３つの行を示しており、３つの導波路が、行内の３つの異なるグループの試料ウェルと光学的に結合する（たとえば、エバネッセント結合する）ように配置されている。たとえば、導波路３－２２０ａが試料ウェル３－１０８ａと光学的に結合するように配置され、導波路３－２２０ｂが試料ウェル３－１０８ｃと光学的に結合するように配置される。別の例として、導波路３－２２０ｄが試料ウェル３－１０８ｄと光学的に結合するように配置され、一方、導波路３－２２０ｅが試料ウェル３－１０８ｆと光学的に結合するように配置される。導波路の光結合は、試料ウェルが導波路に沿って伝播する光モードの一部を受け取るのに適した距離で、たとえば図１－１の導波路１－２２０によって示されるように、導波路が試料ウェルの下に配置されるエバネッセント結合を介して生じ得る。いくつかの実施形態によれば、導波路３－２２０ａは、試料ウェル３－１０８ａおよび領域３－１１０内の同じ行内の他の試料ウェルとエバネッセント結合するように配置されてよく、導波路３－２２０ｂは、試料ウェル３－１０８ｃおよび領域３－１１４内の同じ行内の他の試料ウェルとエバネッセント結合するように配置されてよい。追加の導波路が、同じ行内の後続の試料ウェルに光を送達するのに使用されてもよい。たとえば、図３－１は、図３－１に示される図に存在しない追加の試料ウェルと結合し得る導波路３－２２０ｃおよび３－２２０ｆを示す。具体的には、領域３－１１４に続く追加の行シフト領域の後、導波路３－２２０ｃは、試料ウェル３－１０８ｃと同じ行内の試料ウェルと結合することができ、導波路３－２２０ｅは、試料ウェル３－１０８ｆと同じ行内の試料ウェルと結合することができる。
同じ行内の試料ウェルは、共通の軸に沿って実質的に整列された試料ウェルに対応し得る。特定の行について、領域３－１１０内の試料ウェルのグループが軸に沿って実質的に整列され得る。図３－１に示されるように、試料ウェル３－１０８ａ、３－１０８ｂ、および３－１０８ｃは軸（ｚ方向の）に沿って整列され、同じ行にあるとみなされる。導波路は、軸に対して配置され得る。いくつかの実施形態では、試料ウェルのグループと結合するように構成された導波路の一部分が、軸と実質的に平行であってよく、複数の導波路が、異なるグループの試料ウェルと光学的に結合し、試料ウェルの行に沿った異なる部分で軸に実質的に平行であってよい。図３－１に示されるように、導波路３－２２０ａは、領域３－１１０内で試料ウェル３－１０８ａ、３－１０８ｂ、および３－１０８ｃに沿って軸に実質的に平行であり、導波路３－２２０ｂは領域３－１１４内で軸に実質的に平行である。
導波路間の間隔は、導波路が互いに効果的に光学的に分離されるような間隔であり得る。いくつかの実施形態では、エバネッセント結合が２つの導波路間にないかまたはほとんどないように、一方の導波路が他方の導波路から分離され得る。いくつかの実施形態では、２つの導波路間の横方向距離は、導波路が有するように構成された光モード・サイズに依存し得る。
図３－１に示された導波路構成は、領域３－１１０、３－１１２、および３－１１４を有する。領域３－１１０は、導波路３－２２０ａなどの第１の導波路が、試料ウェル３－１０８ａなどの行内の試料ウェルの第１のグループと光学的に結合し、光を試料ウェルの第１のグループに対し送達する場所である。領域３－１１４は、導波路３－２２０ｂなどの第２の導波路が、試料ウェル３－１０８ｃなどの行内の試料ウェルの第２のグループと光学的に結合し、光を試料ウェルの第２のグループに対し送達する場所である。領域３－１１２は、第１導波路と第２導波路との間の行シフトが発生する場所に対応する。図３－１に示されるように、行シフト構成は、第１の導波路が行内の試料ウェルと光学的に結合するように配置されずに、第２の導波路が行内の試料ウェルと光学的に結合するように配置されるように導波路を湾曲させることを含む。行シフト構成は、第１の導波路と領域３－１１０内の試料ウェルとの間の距離が、第１の導波路と領域３－１１２内の試料ウェルとの間の距離よりも小さいという結果をもたらす。さらに、行シフト構成は、第２の導波路と領域３－１１４内の試料ウェルとの間の距離が、第２の導波路と領域３－１１２内の試料ウェルとの間の距離よりも小さいという結果をもたらす。たとえば、導波路３－２２０ａおよび３－２２０ｄは、領域３－１１２において湾曲して試料ウェルのそれぞれの行から（ｘ方向に沿って）オフセットされ、オフセットは、導波路を通る光伝播の方向に沿って増大する。さらに、導波路３－２２０ｂおよび３－２２０ｅは、領域３－１１２において湾曲させられ、試料ウェルのそれぞれの行から（ｘ方向に沿って）オフセットされるが、オフセットは、導波路を通る光伝播の方向に沿って減少し、導波路３－２２０ｂおよび３－２２０ｅを試料ウェル行により近接して配置する。領域３－１１２における行シフト・プロファイルは、任意の適切なプロファイルおよび／または長さを有してよい。図３－１に示された導波路は、領域３－１１２で同様の行シフト・プロファイルを有するが、いくつかの実施形態は、領域３－１１２内で異なるプロファイルを有する同じ行に結合する導波路を含んでよいことが理解される。
いくつかの実施形態では、行内の試料ウェルと光学的に結合するように構成された導波路の領域が、本願明細書に記載の技術を使用するなどして、その領域で導波路が結合する試料ウェルのグループについて実質的に均一な強度を達成するようにテーパ状にされ得る。図３－１に示されるように、導波路３－２２０ａは領域３－１１０内でテーパ状にされ、導波路３－２２０ｂは領域３－１１４でテーパ状にされている。
集積デバイスは、個々の導波路へと入力パワーを提供するために１つまたは複数の光学部品（たとえば、図１－１に示されるルーティング領域１－２０２内に位置する光学スプリッタ）を備えることができる。いくつかの実施形態では、入力パワーは、すべての導波路にわたり実質的に同一であってよい。本発明者らは、行内の試料ウェルのグループと光学的に結合されていない導波路が、光がこの領域を通って伝播するとき、いくらかの光損失を受ける可能性があることを認識して理解した。そのため、いくつかの実施形態は、導波路がそれぞれの試料ウェルに光学的に結合する領域において導波路の１つまたは複数の特性を変化させることによって、そのような光損失を低減する構成を有することがある。たとえば、領域３－１１０内の導波路３－２２０ｂの一部分は、光損失を低減するための構成を有することができるが、導波路３－２２０ｂが領域３－１１４内の試料ウェルに光学的に結合する場合、導波路３－２２０ａが領域３－１１０内の試料ウェルに光学的に結合する場合よりも少ない量のパワーを送達し得る。したがって、光を試料ウェルの行に送達する導波路のテーパは、導波路が試料ウェルに結合するために使用されるときの光パワーのこの変動に対処するために異なることがある。いくつかの実施形態では、領域３－１１０における第１の導波路のテーパ部分の長さは、領域３－１１４における第２の導波路のテーパ部分の長さとは異なることがある。テーパ部分の長さは、特定の導波路を使用して導波路のテーパ領域において光が送達される試料ウェルの数に対応してよい。いくつかの実施形態では、領域３－１１４における第２の導波路のテーパ部分の長さは、領域３－１１０における第１の導波路のテーパ部分の長さより短くてよい。そのような構成は、領域３－１１４において、領域３－１１０における第１の導波路よりも低い光パワーを有する第２の導波路を考慮し得る。たとえば、図３－１は、導波路３－２２０ａのテーパ部分の長さに対応し得る６つの試料ウェルと結合する領域３－１１０内の導波路３－２２０ａのテーパ部分を示し、領域３－１１４内の導波路３－２２０ｂのテーパ部分は５つの試料ウェルと結合するように示されている。第１および第２の導波路のテーパ部分は、図３－１に示されるよりも多いまたは少ない試料ウェルと結合し得ることが理解される。
いくつかの実施形態では、導波路の行シフトが発生する場所に位置する行内の試料ウェルは、導波路と光学的に結合しないか、または行内の他の試料ウェルと比較して導波路との光結合の量が少ないことがある。したがって、試料ウェル・アレイの行シフト領域内に位置する試料ウェルは、より少ない量の光学パワーを受け取ることがある。試料の分析を行う集積デバイスの動作中、これらの試料ウェルは分析の結果から除外されてよく、なぜならば、これらの試料ウェルによって得られた結果の質が、所望の量の光（たとえば、特定の強度）で試料を照射するために不十分な能力によって影響を受ける可能性があるからである。図３－１に示されるように、領域３－１１２内の試料ウェルのグループは、同じ行の領域３－１１０内の試料ウェルまたは３－１１４内の試料ウェルよりも少ない光学パワーを受け取る可能性がある。これは、領域３－１１２に配置された試料ウェルが、その行の対応する第１または第２の導波路と光学的に結合しないかまたは所望の効率で光学的に結合しない可能性があるからである。たとえば、領域３－１１２は、試料ウェル３－１０８ｂを含み、試料ウェル３－１０８ｂは、導波路３－２２０ａおよび３－２２０ｂの両方からオフセットされているため、領域３－１１０および３－１１４内の試料ウェル３－１０８ａおよび３－１０８ｃなどの試料ウェルと比較して少ない量の光学パワーを受け取る可能性がある。同様に、領域３－１１２は、試料ウェル３－１０８ｄおよび３－１０８ｆと比較して少ない量の光学パワーを受け取る可能性がある試料ウェル３－１０８ｅを含む。したがって、集積デバイスの動作中に試料ウェル３－１０８ｂおよび３－１０８ｅを使用して得られたデータは、全体的な結果から除外されてよい。
図３－１に示されるような行シフト構成を有する導波路アレイは、本願明細書に記載される１つまたは複数の他の構成要素と組み合わせて集積デバイス内に実装されてよい。いくつかの実施形態では、行シフト導波路構成を有する集積デバイスが、集積デバイスの表面から光を受け取り、導波路と光学的に結合するように構成された格子カプラを備えることができる。図３－１の文脈では、格子カプラは左側（負のｚ方向）に配置され、図３－１に示される矢印の方向に光を提供することができる。いくつかの実施形態では、行シフト導波路構成を有する集積デバイスは、１つまたは複数の光検出器と同じピクセルにおける試料ウェルから放出された光を受け取るように構成された１つまたは複数の光検出器を備えることができる。たとえば、試料ウェル３－１０８ａを有するピクセルは、試料ウェル３－１０８ａから放出される光を受け取るように配置および構成された１つまたは複数の光検出器を備えることができる。ピクセルは、図１－１のピクセル１－１１２によって示されるような断面構成を有してよい。
試料ウェルの行ごとの導波路であって、光パワー源として作用し、行内の試料ウェルと光学的に結合するように配置された１つまたは複数の他の導波路に光学的に結合する導波路を有するアレイ導波路構成がいくつかの利点を提供し得ることを、本発明者らは認識して理解した。光パワー源として作用する導波路は、「パワー導波路」とみなされ得る。そのような構成の利点の１つは、アレイ導波路の全体的なフットプリントが低減され得ることであり、これは、試料ウェルの行間の距離が小さく、試料ウェルの行間に配置された複数の導波路を収容しない集積デバイスを構成する際の利点を提供し得る。そのため、集積デバイスのいくつかの実施形態は、試料ウェル・アレイの個々の行に関連付けられたパワー導波路、ならびに対応する行における１つまたは複数のパワー導波路および試料ウェルと光学的に結合する１つまたは複数の導波路を備えることがある。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の他の導波路が、光スプリッタ（たとえば、方向性カプラ）を介してパワー導波路と光学的に結合することができる。いくつかの実施形態では、試料ウェルの行は、行に関連付けられたパワー導波路と光学的に結合し、行内の試料ウェルと光学的に結合する連続カプラの役割をする、導波路を有する。
図３－２は、アレイ導波路構成を有する集積デバイスの平面図であり、アレイ導波路構成は、試料ウェルの行について、パワー導波路と、行内の試料ウェルの異なるグループと光学的に結合するように配置された複数の導波路とを備える。試料ウェル３－２０８ａおよび３－２０８ｂは、同じ行内にあり、導波路３－２３０ａは、その行のパワー導波路の役割をする。同様に、試料ウェル３－２０８ｃおよび３－２０８ｄは、異なる１つの行内にあり、導波路３－２３０ｂは、その行のパワー導波路の役割をする。パワー導波路に沿った光伝播の方向が図３－２における矢印で示される。パワー導波路に沿って、個々の導波路はパワー導波路と結合し、行内の試料ウェルのグループと光学的に結合するように配置される。図３－２では、導波路３－２４０ａおよび３－２４０ｂは、パワー導波路３－２３０ａと光学的に結合し、試料ウェル３－２０８ａおよび３－２０８ｂを有する行における試料ウェルに光を送達するように構成される。いくつかの実施形態では、導波路３－２４０ａおよび３－２４０ｂは、本願明細書に記載のテーパ導波路を使用するなどして、これらの導波路と光学的に結合する試料ウェルに対して実質的に均一な強度を提供するようにテーパ状にされる。図３－２に示されるように、試料ウェル３－２０８ａは、試料ウェル３－２０８ｂが光学的に結合する導波路３－２４０ａの領域よりも広い幅を有する導波路３－２４０ａの領域と光学的に結合するように構成される。同様に、試料ウェル３－２０８ｆは、試料ウェル３－２０８ｇが光学的に結合する導波路３－２４０ｂの領域よりも広い幅を有する導波路３－２４０ｂの領域と光学的に結合するように構成される。また、試料ウェル３－２０８ａおよび３－２０８ｂと異なる行にある試料ウェル３－２０８ｃおよび３－２０８ｄは、異なる幅を有する導波路３－２４０ｃの異なる領域と光学的に結合するように構成される。具体的には、試料ウェル３－２０８ｃは、試料ウェル３－２０８ｄが光学的に結合する導波路３－２４０ｃの領域よりも広い幅を有する導波路３－２４０ｃの領域と光学的に結合するように構成される。
パワー導波路３－２３０ａおよび３－２３０ｂは、導波路の長さに沿って実質的に均一な幅を有することなどによって、光が導波路に沿って伝播するときの光損失を低減する構成を有することができる。図３－２に示されるように、導波路３－２４０ａおよび３－２４０ｂは、それぞれパワー・スプリッタ３－２５０ａおよび３－２５０ｂを介して、パワー導波路３－２３０ａと光学的に結合することができる。さらに、導波路３－２４０ｃおよび３－２４０ｄは、１つまたは複数のパワー・スプリッタを介してパワー導波路３－２３０ｂと光学的に結合することができる。適切なパワー・スプリッタの例は、方向性カプラ、多モード干渉スプリッタ、または任意の他の適切なパワー分割光学部品を含む。方向性カプラがパワー・スプリッタとして使用される実施形態では、方向性カプラの構成は、試料ウェルのグループと光学的に結合する導波路へと入力される所望の相対量の光パワーを達成するために、特定のパワー分割比で構成され得る。
いくつかの実施形態では、パワー導波路と光学的に結合する個々のパワー・スプリッタは、同様の分割比を有することがある。図３－２を参照すると、パワー・スプリッタ３－２５０ａおよびパワー・スプリッタ３－２５０ｂは、パワー導波路３－２３０ａに対し同じ分割比を有することができる。そのような場合、パワー導波路３－２３０ａがパワー・スプリッタ３－２５０ｂの前にパワー・スプリッタ３－２５０ａと結合するので、導波路３－２４０ｂは、光が３－２３０ａに沿って伝播するときに導波路３－２４０ａよりも少ない光パワーを受け取るように構成される。そのような実施形態では、導波路３－２４０ａおよび３－２４０ｂは、入力パワーの差に対応するために異なるテーパ形状を有することにより、導波路３－２４０ａおよび３－２４０ｂと光学的に結合するように構成された試料ウェルが、実質的に同様の強度を受け取ることができ、したがって、導波路３－２４０ａと３－２４０ｂの異なるテーパ形状は、パワー・スプリッタ３－２５０ａおよび３－２５０ｂを介してパワー・スプリッタ３－２３０ａから導波路３－２４０ａおよび３－２４０ｂによって受け取られる光パワーの差を考慮し得る。たとえば、導波路３－２４０ｂは、パワー導波路３－２３０ａからのより低い入力パワーを受け取ることを考慮して、導波路３－２４０ａよりも短いテーパ長を有することができる。
いくつかの実施形態では、パワー導波路と光学的に結合する個々のパワー・スプリッタは、試料ウェルと光学的に結合する導波路が実質的に同様の入力パワーを受け取るように、異なる分割比を有することができる。図３－２を参照すると、パワー・スプリッタ３－２５０ａおよびパワー・スプリッタ３－２５０ｂは、同様の量の光パワーが導波路３－２４０ａおよび３－２４０ｂに結合するように、パワー導波路３－２３０ａと異なる分割比を有することができる。そのような実施形態では、導波路３－２３０ａおよび３－２３０ｂは、同様のテーパ形状を有して、導波路３－２３０ａおよび３－２３０ｂと光学的に結合する試料ウェルが実質的に同様の強度を受け取ることを可能にする。
いくつかの実施形態は、行内の試料ウェルに光学的に結合する個々の導波路間の遷移領域を含むことがある。遷移領域内に位置する試料ウェルは、遷移領域の外側の行内の他の試料ウェルと同様に、導波路のうちの１つと光学的に結合するように配置されず、または同様の量の光パワーを受け取るようには配置されない。図３－２に示されるように、試料ウェル３－２０８ｅは、導波路３－２４０ａと３－２４０ｂとの間の遷移領域内に位置する試料ウェルの例である。試料ウェル３－２０８ｅは、試料ウェル３－２０８ａおよび３－２０８ｂよりも少ない量の光パワーを受け取り得る。そのような場合、試料ウェル３－２０８ｅは、試料ウェル３－２０８ａおよび３－２０８ｂなどの他の試料ウェルと比較して少ない量の励起光を受け取るので、試料ウェル３－２０８ｅを使用して得られた任意のデータは、分析から除外されることが可能である。
いくつかの実施形態では、集積デバイスは、複数の行の試料ウェルに対し光パワーを送達するように構成されたパワー導波路を備えることができる。図３－３は、パワー導波路３－３３０ａに隣接する試料ウェルの２つの行に光を送達するように構成されたパワー導波路３－３３０ａを有する集積デバイスの平面図である。特に、パワー導波路３－３３０ａは、試料ウェル３－３０８ａおよび３－３０８ｂを含む試料ウェルの行、ならびに試料ウェル３－３０８ｃおよび３－３０８ｄを含む試料ウェルの行と光学的に結合するように構成される。図３－３に示す構成におけるように、これらの２つの行の試料ウェルは、導波路とパワー・スプリッタとの組み合わせを介してパワー導波路３－３３０ａに光学的に結合することができる。導波路３－３４０ａは、試料ウェル３－３０８ａおよび３－３０８ｂと光学的に結合するように配置され、パワー・スプリッタを介してパワー導波路３－３３０ａに光学的に結合することができる。導波路３－３４０ｂは、試料ウェル３－３０８ｃおよび３－３０８ｄと光学的に結合するように配置され、パワー・スプリッタを介してパワー導波路３－３３０ａに光学的に結合することができる。図３－３に関連して説明された導波路およびパワー・スプリッタは、導波路３－３４０ａおよび３－３４０ｂ、ならびにこれらの導波路をパワー導波路３－３３０ａに結合するために使用されるパワー・スプリッタに使用され得る。同様に、パワー導波路３－３３０ｂは、試料ウェル３－３０８ｅおよび３－３０８ｆを含む試料ウェルの行に対し、ならびに３－３０８ｇおよび３－３０８ｈを含む試料ウェルの行に対し光を送達するように構成される。特に、導波路３－３４０ｃは、パワー導波路３－３３０ｂおよび試料ウェル３－３０８ｅおよび３－３０８ｆと光学的に結合するように配置され、導波路３－３４０ｄは、パワー導波路３－３３０ｂおよび試料ウェル３－３０８ｇおよび３－３０８ｈと光学的に結合するように配置される。
いくつかの実施形態では、行内の試料ウェルと光学的に結合するように配置された導波路は、パワー導波路の端部を介するなどして、パワー導波路に接続され得る。たとえば、試料ウェルの行と光学的に結合するように構成された一連の導波路があり、光がパワー導波路を介して一連の導波路に光学的に結合される導波路構成において、パワー導波路の光入力端から離れたそうした導波路は、光接続を介するなどして、パワー導波路に直接接続され得る。そのような構成では、パワー導波路に沿って伝播する光は、光接続を介して伝播することによって導波路に送達され得る。図３－４は、パワー導波路３－４３０を有する導波路構成の平面図であり、矢印は、パワー導波路３－４３０への光入力の方向を示す。導波路３－４４０ａ、３－４４０ｂ、３－４４０ｃ、および３－４４０ｄは、試料ウェル３－４０８ａ、３－４０８ｂ、３－４０８ｃ、および３－４０８ｄを有する試料ウェルの行と光学的に結合するように構成される。導波路３－４４０ａ、３－４４０ｂ、および３－４４０ｃは、それぞれパワー・スプリッタ３－４５０ａ、３－４５０ｂ、および３－４５０ｃを介してパワー導波路３－４３０と光学的に結合する。導波路３－４４０ｄは光接続３－４６０を介してパワー導波路に接続される。光接続３－４６０は、パワー導波路３－４３０からの光出力を導波路３－４４０ｄに向けるための任意の適切なサイズおよび形状を有し得る。
いくつかの実施形態は、その長さに沿って変化する幅を有するパワー導波路を備えることができる。図３－４に示すように、パワー導波路３－４３０は、パワー導波路３－４３０がパワー・スプリッタ３－４５０ａ、３－４５０ｂ、および３－４５０ｃと光学的に結合する領域において狭くなる幅を有する。パワー導波路３－４３０の幅は、パワー・スプリッタ３－４５０ａ、３－４５０ｂ、および３－４５０ｃの間の領域において、パワー・スプリッタ３－４５０ａ、３－４５０ｂ、および３－４５０ｃと重なる領域におけるよりも広い。
パワー導波路、パワー・スプリッタ、および特定の行内の試料ウェルに対し光学的に結合する導波路は、導波路構成を通って伝播する光が受ける光損失に対応するように適切に構成され得ることが理解される。例として、図３－４に示される導波路構成において、パワー・スプリッタ３－４５０ａ、３－４５０ｂ、および３－４５０ｃはそれぞれ２２％、３０％、および４８％のパワー分割比を有するように構成されてよい。パワー導波路３－４３０が個々の導波路３－４４０ａ、３－４４０ｂ、３－４４０ｃ、および３－４４０ｄの間に約１０％のパワー損失を有する場合、行内のすべての試料ウェルを照射するのに必要とされるパワー導波路３－４３０に対する相対入力パワーは４．７０である。導波路３－４４０ａ、３－４４０ｂ、３－４４０ｃ、および３－４４０ｄがそれぞれ５１２個の試料ウェルに光を送達するために使用される場合、入力パワーは約７．５ａ．ｕ．（任意単位）である。そのような例では、単位パワーあたりの試料ウェルの数に対応する行効率は約２７３である。合計２０４８個の試料ウェル（４つの導波路のそれぞれについて５１２個の試料ウェル）を照射するためのこの構成は、２０４８個すべての試料を照射するために使用される単一のテーパ導波路を使用するのとは対照的である。単一のテーパ導波路構成では、テーパ導波路への入力パワーは約１６．８ａ．ｕ．であり、行効率は約１２２である。この例は、図３－４に示された構成が、どのように、必要な入力パワーを減少させながら試料ウェル・アレイ内の結合効率を増大し得るかを示す。
いくつかの実施形態は、パワー導波路の長さに沿って他の導波路と光学的に結合するように構成されたパワー導波路を有する導波路構成に関し、ここで、他の導波路は、行内の試料ウェルと光学的に結合するように構成されている。いくつかの実施形態では、他の導波路とパワー導波路は、互いにエバネッセント結合するように構成される。他の導波路は、所望の結合強度を達成するようにパワー導波路に対して配置され、そうすることにより、試料ウェルの行に光を送達する導波路が、導波路の長さに沿って実質的に均一なパワーを有するようにできる。このようにして、パワー導波路は、他の導波路が受ける光損失を補償するように構成され、他の導波路は、それが光学的に結合する試料ウェルに対し同様の強度を提供するように構成される。他の導波路は、パワー導波路の長さに沿ってパワー導波路と光学的に結合するので、導波路は「連続カプラ」導波路であるとみなされ得る。いくつかの実施形態によれば、連続カプラ導波路は、１ｍｍから１０ｍｍの範囲の長さ、またはその範囲の値もしくは値の範囲にわたって、パワー導波路と弱く結合するように構成され得る。
図３－５は、パワー導波路と、個々の試料ウェル行のための連続カプラ導波路とを備える導波路構成を有する集積デバイスの平面図である。パワー導波路３－５３０は、導波路３－５４０と光学的に結合するように構成され、導波路３－５４０は、試料ウェル３－５０８を有する行における試料ウェルと光学的に結合する。矢印は、パワー導波路３－５３０への光入力の方向を示す。導波路３－５４０は、導波路３－５４０の長さに沿ってパワー導波路３－５３０と光学的に結合するように構成される。いくつかの実施形態では、パワー導波路３－５３０および導波路３－５４０は、導波路３－５４０の長さに沿って互いにエバネッセント結合する。特に、導波路３－５３０と導波路３－５４０との間の結合強度は、光が導波路３－５４０に沿って伝播し行内の試料ウェルに結合するときに導波路３－５４０が受ける光損失を補償するように構成される。たとえば、導波路３－５４０は、導波路に沿った光散乱として作用する試料ウェルから生じる損失のため、パワー導波路３－５３０よりも高い伝播損失を有する。いくつかの実施形態では、パワー導波路３－５３０は、導波路３－５４０がその入力端に近接して有するよりも大きい量のパワーをパワー導波路３－５３０の入力端に近接して有するように構成され得る。
いくつかの実施形態では、パワー導波路は、パワー・スプリッタ（たとえば、方向性カプラ、多モード干渉スプリッタ）を介して「連続カプラ」導波路と結合することができる。図３－５に示されるように、パワー・スプリッタ３－５５０は、パワー導波路３－５３０を通って伝播する光の一部を導波路３－５４０へと向けるように構成される。パワー・スプリッタ３－５５０が導波路３－５４０に提供するパワーの量は、パワーの初期量とみなされてよく、導波路３－５３０と導波路３－５４０との間の結合強度は、導波路３－５４０におけるパワー損失を補償するように構成される。いくつかの実施形態では、パワー・スプリッタ３－５５０は、５％～５０％の範囲内の分割比、またはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲の分割比を有するように構成され得る。パワー・スプリッタ３－５５０は、パワー導波路３－５３０と導波路３－５４０との間に、５μｍから５０μｍの範囲内の距離、またはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲の距離にわたって高度の結合を提供することができる。パワー・スプリッタ３－５５０がパワー導波路３－５３０と導波路３－５４０との間に結合を提供する距離は、パワー・スプリッタ３－５５０の「結合長」とみなされ得る。いくつかの実施形態では、パワー・スプリッタ（たとえば、方向性カプラ）の結合長は約１００μｍ未満であり得る。
導波路３－５３０と導波路３－５４０との間の光結合の強度は、パワー導波路３－５３０と導波路３－５４０との間のギャップの寸法Ｄ、パワー導波路３－５３０の幅、導波路３－５４０の幅、およびパワー導波路３－５３０と導波路３－５４０の屈折率を含む、２つの導波路の特性に依存し得る。たとえば、パワー導波路３－５３０と導波路３－５４０との間のギャップの寸法Ｄを小さくすると、パワー導波路３－５３０と導波路３－５４０との間の光結合の強度が増大する。いくつかの実施形態では、パワー導波路３－５３０と導波路３－５４０との間の結合強度は、導波路３－５４０の長さに沿って実質的に一定であり得る。そのような実施形態では、ギャップの寸法Ｄは、図３－５に示されるように導波路３－５４０の長さに沿って実質的に一定であり得る。
いくつかの実施形態では、パワー導波路と連続カプラ導波路との間の結合強度は、連続カプラ導波路の長さに沿って変化することができ、これにより、パワー導波路が、連続カプラ導波路に沿った伝播損失を補償することを可能にし得る。そのような実施形態では、２つの導波路の間のギャップの寸法Ｄは、連続カプラ導波路の長さに沿って変化することができる。図３－６は、導波路３－５４０と光学的に結合するパワー導波路３－５３０を有する導波路構成の平面図であり、それらの間のギャップの寸法は導波路３－５４０の長さに沿って変化する。特に、パワー導波路３－５３０は、パワー入力（矢印で示される）の傍の位置でのパワー導波路３－５３０と導波路３－５４０との間の距離Ｄ１が、パワー入力から離れた位置におけるＤ２よりも大きくなるように、導波路３－５４０に向かって角度を付けられる。そのような構成では、パワー導波路３－５３０と導波路３－５４０との間の結合強度は、導波路３－５４０の長さに沿って増大する。
連続カプラ導波路の長さまたは導波路が光学的に結合できる試料ウェルの数に影響し得るパラメータの１つは、コヒーレンス長、またはパワー導波路および連続カプラ導波路に沿って伝播する光が同相である距離である。コヒーレンス長が短い場合、連続カプラ導波路が光を送達し得る試料ウェルの数は小さくなる。本発明者らは、パワー導波路と連続カプラ導波路に対し異なる幅を有することにより、２つの導波路の間の位相差をオフセットし、したがってコヒーレンス長を増大し得ることを認識して理解した。そのため、いくつかの実施形態は、幅が異なるパワー導波路３－５３０と導波路３－５４０を備える。いくつかの実施形態では、パワー導波路３－５３０は、導波路３－５４０の幅ｄｃよりも狭い幅ｄｐを有する。いくつかの実施形態では、パワー導波路３－５３０は、導波路３－５４０の幅ｄｃよりも広い幅ｄｐを有する。
図３－５および図３－６は、集積デバイスの同じ層内にあり、互いに横方向に結合するように構成されたパワー導波路３－５３０および導波路３－５４０を示すが、いくつかの実施形態によれば、パワー導波路３－５３０と導波路３－５４０は互いに縦方向に結合するように構成され得ることが理解される。いくつかの実施形態では、パワー導波路３－５３０と導波路３－５４０は集積デバイスの異なる層内に配置される。いくつかの実施形態では、パワー導波路３－５３０と導波路３－５４０は、互いに縦方向に重なるように配置される。いくつかの実施形態では、導波路３－５４０は、それが結合する試料ウェルの行とパワー導波路３－５３０との間に配置され得る。そのような実施形態では、導波路３－５４０と、それが光学的に結合する試料ウェル３－５０８を含む行試料ウェルとは重なっていない。
いくつかの実施形態では、光入力から遠位の連続カプラ導波路の端部がテーパ状にされ得る。そのような実施形態は、行内の試料ウェルの数、および／または導波路のこの領域と光学的に結合する試料ウェルとの結合効率を増大させることを可能にし得る。
図３－５および図３－６などに示されるように、行内の試料ウェルが連続カプラ導波路から実質的に均一な強度を受ける程度に対して影響し得るパラメータは、上部クラッド層２－２２２の厚さ、パワー導波路との初期結合率、連続カプラ導波路の厚さ、および試料ウェルの深さを含み得る。図３－７および図３－８は、パワー導波路との初期結合率が変化され、連続カプラ導波路が、１０２４個の試料ウェルの行について最小の相対強度を達成するように設計された、シミュレーション結果を示す。導波路は厚さが１２０ｎｍであり、上部クラッド層の厚さは３２５ｎｍである。試料ウェルは深さが３００ｎｍである。図３－７は、１０２４個すべての試料ウェルにわたって最小相対強度を達成するために必要とされる連続カプラ導波路へのパワー入力と、パワー導波路に対する初期結合率のグラフである。図３－７に示されるグラフは、パワー導波路との初期結合率が約０．２６である場合に必要とされる最小パワー入力がどのように存在するかを示す。図３－８は、試料ウェルの行に沿った強度の不均一性の量と、パワー導波路に対する初期結合率のグラフであり、ここで、不均一性は、試料ウェルにおける最低強度に対する試料ウェルにおける最高強度の比に対応している。１に等しい不均一性値は、最高強度値と最低強度値が等しく、したがって、行内のすべての試料ウェルにおいて均一な強度が存在するシナリオに対応する。図３－７および図３－８の両方を参照すると、パワー導波路との初期結合率が０．２６未満の場合、１０２４個すべての試料ウェルの間で均一な強度（不均一性＝１のとき）が達成され得る。
図３－９、図３－１０、および図３－１１は、３２５ｎｍの上部クラッド厚層および０．２６に等しい初期結合率を有する、１０２４個の試料ウェルの行に関するパワー導波路および連続カプラ導波路構成についてのシミュレーション結果を示す。図３－９は、相対強度と試料ウェル数のグラフであり、どのように個々の試料ウェルにおける相対強度がすべての試料ウェルにわたって均一であるかを示す。図３－１０は、導波路におけるパワーと、行内の試料ウェル数のグラフであり、連続カプラ導波路が一定のままで、どのようにパワー導波路における光パワーが試料ウェルの行に沿って減少するかを示す。図３－１１は、パワー導波路と連続カプラ導波路との間のギャップの寸法と、試料ウェル数のグラフであり、試料ウェル数１０２４に対応する入力端から離れた位置で、パワー導波路が連続カプラ導波路により近い様子を示す。
パワー導波路および連続カプラ導波路を備える導波路構成は、単一のテーパ導波路と比較して入力パワーが少ないため、改善された光学効率を試料ウェルの行に沿って提供することができる。例として、導波路３－５４０が２０４８個の試料ウェルと光学的に結合するように構成された場合、単位パワー当たりの試料ウェルの数に対応する行効率は、入力パワーが７．９ａ．ｕ．で約２５８である。単一のテーパ導波路構成では、テーパ導波路への入力パワーが約１６．８ａ．ｕ．であり、行効率は約１２２である。この例は、図３－５および図３－６に示された構成が、どのように、必要な入力パワーを減少させながら試料ウェル・アレイ内の結合効率を増大し得るかを示す。
さらに、図３－１２および図３－１３は、そのような構成が、単一のテーパ導波路よりも少ない入力パワーに対して改善された光学効率を、行内の試料ウェルの数が増加するにつれて、どのように提供するかを示す。特に、図３－１２および図３－１３は、行内の様々な数の試料ウェルに対してテーパ導波路設計および連続カプラ導波路設計をシミュレートすることによって得られた結果を示す。テーパ導波路は１３００ｎｍから３００ｎｍへ減少する幅を有する。連続カプラ導波路は８００ｎｍの幅を有する。データ点のそれぞれは、最小パワーですべての試料ウェルの間で均一な強度を有する導波路設計を表す。図３－１２は、導波路へのパワー入力と、行あたりの試料ウェルの数のグラフである。図３－１３は、単位パワーあたりの試料ウェルの数によって測定される行効率と、行あたりの試料ウェルの数のグラフである。試料ウェルの数が増加するにつれて、パワー入力は、テーパ導波路よりも連続カプラ導波路の方が低くなり、行効率は、テーパ導波路よりも連続カプラ導波路の方が高くなる。
上述の導波路構成は、同じ集積デバイス内で組み合わされてよいことが理解される。たとえば、集積デバイスのいくつかの実施形態は、行シフト構成を有する導波路から光を受け取るように構成された試料ウェル行の第１のセットと、連続カプラ導波路から光を受け取るように構成された試料ウェル行の第２のセットとを有することができる。
本出願のいくつかの態様は、本願明細書に記載の構成の１つまたは複数の特徴を有する光学システムを備えた集積フォトニック・デバイスを形成することに関する。いくつかの実施形態は、集積フォトニック・デバイスを形成する方法であって、一行に配列された複数の試料ウェルを形成する工程と、行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置された第１の導波路を形成する工程と、試料ウェルの行とは別の集積フォトニック・デバイスの領域から光を受け取り、第１の導波路と光学的に結合するように構成された、パワー導波路を形成する工程と、を備える方法を含む。
いくつかの実施形態では、第１の導波路は、第１の導波路の長さに沿ってパワー導波路と光学的に結合するように構成される。いくつかの実施形態では、第１の導波路は、パワー導波路とエバネッセント結合するように構成される。いくつかの実施形態では、パワー導波路は、第１の導波路よりも広い幅を有する。いくつかの実施形態では、パワー導波路は、光パワーの第１の部分を第１の導波路に光学的に結合し、光パワーの第２の部分を第２の導波路に光学的に結合するように構成される。いくつかの実施形態では、第２の導波路は、行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される。いくつかの実施形態では、方法は、第２の行に配列された第２の複数の試料ウェルを形成する工程をさらに備える。第２の導波路は、第２の行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される。
いくつかの実施形態では、パワー導波路は、第１の結合係数を有する第１の方向性カプラを介して第１の導波路と光学的に結合し、第２の結合係数を有する第２の方向性カプラを介して第２の導波路と光学的に結合するように構成され、第２の結合係数は、第１の結合係数よりも大きい。いくつかの実施形態では、第２の導波路は、行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される。いくつかの実施形態では、第１の方向性カプラは、第２の方向性カプラよりもパワー導波路の光入力により近接して配置される。いくつかの実施形態では、方法は、第２の行に配列された第２の複数の試料ウェルを形成する工程をさらに備え、第２の導波路は、第２の行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される。
いくつかの実施形態では、パワー導波路は、約１００μｍ未満の結合長を有する方向性カプラを介して第１の導波路と光学的に結合するように構成される。いくつかの実施形態では、パワー導波路と第１の導波路との間の結合強度は、パワー導波路を通る光伝播の方向に沿って増加する。いくつかの実施形態では、第１の導波路は、パワー導波路よりも高い伝播損失を有する。いくつかの実施形態では、方法は、集積フォトニック・デバイスの表面から光を受け取り、パワー導波路と光学的に結合するように構成された、格子カプラを形成する工程をさらに備える。
いくつかの実施形態では、方法は、第２の導波路を形成する工程をさらに備え、第１の導波路は、行内の第１の試料ウェルと光学的に結合するように構成され、第２の導波路は、行内の第２の試料ウェルと光学的に結合するように構成される。いくつかの実施形態では、第１の導波路はテーパ端部を有する。いくつかの実施形態では、第１の導波路は、テーパ端部から離れた位置でパワー導波路とエバネッセント結合するように構成される。いくつかの実施形態では、方法は、２つ以上の試料ウェルのそれぞれから放出される光を受け取るように配置された１つ以上の光検出器を形成する工程をさらに備える。
いくつかの実施形態は、複数の行に配列された試料ウェルのアレイを形成する工程と、複数の導波路を形成する工程であって、複数の導波路は、一行内の試料ウェルの第１のグループと光学的に結合するように配置された第１の導波路、および行内の試料ウェルの第２のグループと光学的に結合するように配置された第２の導波路を含む、工程と、を備える、集積フォトニック・デバイスを形成する方法を含む。いくつかの実施形態では、行内の試料ウェルの第３のグループが、第１のグループと第２のグループとの間に配置される。いくつかの実施形態では、第３のグループの試料ウェルは、第１のグループの試料ウェルおよび／または第２のグループの試料ウェルよりも少ない光学パワーを受け取るように構成される。いくつかの実施形態では、第１の導波路は、第１のグループの試料ウェルから第１の距離にあり、第３のグループの試料ウェルから第２の距離にあり、第１の距離は、第２の距離よりも短い。いくつかの実施形態では、第２の導波路は、第２のグループの試料ウェルから第３の距離にあり、第３のグループの試料ウェルから第４の距離にあり、第３の距離は、第４の距離よりも短い。
いくつかの実施形態では、第１の導波路は、試料ウェルの第１のグループと試料ウェルの第２のグループとの間の領域において湾曲している。いくつかの実施形態では、第２の導波路は、領域において湾曲している。いくつかの実施形態では、第１の導波路は、第１のグループの各試料ウェルとエバネッセント結合するように配置され、第２の導波路は、第２のグループの各試料ウェルとエバネッセント結合するように配置される。いくつかの実施形態では、第１の導波路は、試料ウェルの第１のグループとエバネッセント結合するように構成された部分に沿ってテーパ状にされ、第２の導波路は、試料ウェルの第２のグループとエバネッセント結合するように構成された部分に沿ってテーパ状にされる。いくつかの実施形態では、方法は、集積フォトニック・デバイスの表面から光を受け取り、複数の導波路と光学的に結合するように構成された、格子カプラを形成する工程をさらに備える。いくつかの実施形態では、第１の導波路は、試料ウェルの第２のグループから光学的に分離され、第２の導波路は、試料ウェルの第１のグループから光学的に分離される。いくつかの実施形態では、第１のグループの試料ウェルは、軸に沿って第２のグループの試料ウェルと実質的に整列される。いくつかの実施形態では、第１の導波路の少なくとも一部分が、軸に対して実質的に平行である。いくつかの実施形態では、第２の導波路の少なくとも一部分が、軸に対して実質的に平行である。いくつかの実施形態では、方法は、第１のグループの各試料ウェルから放出される光を受け取るように構成された１つ以上の光検出器を形成する工程をさらに備える。
Ｃ．格子カプラ
図１－１に関連して論じられたように、集積デバイスは、格子カプラ、たとえば格子カプラ１－２１６を備えることができ、格子カプラは、光源から光を受け取り、試料ウェル・アレイと光学的に結合するように構成された導波路に対して光を向けるように構成される。本発明者らは、いくつかの格子カプラ構成が、デバイス内の他の光学部品に対する光のより高い結合効率、および入射光の角度に対するより広い許容度を含む、１つまたは複数の利点を、集積デバイスに対し提供することを認識して理解した。格子カプラは、異なる材料で満たされたギャップによって分離された材料の複数の構造、すなわち格子歯を含む。材料構造は、ギャップ材料（たとえば、窒化ケイ素で形成された材料構造、および酸化ケイ素で形成されたギャップ）よりも高い屈折率を有してよい。格子カプラの結合効率に影響し得るパラメータとしては、材料構造の幅、材料構造の数、ギャップの幅、およびギャップの幅に対する材料構造の幅の比である充填率がある。
いくつかの実施形態は、集積デバイスに入射する光を受け取るように構成されたアポダイズされた格子カプラを有する集積デバイスに関する。アポダイズされた格子カプラは、可変フィル・ファクタで互いに離間された材料構造を有することができる。いくつかの実施形態では、材料構造は、可変幅を有するギャップによって互いに離間され得る。いくつかの実施形態では、材料構造は可変幅を有することができる。
図４－１は、導波路４－２２０と光学的に結合するように構成されたアポダイズされた格子カプラ４－１００の断面図であり、ここで、光は矢印で示される方向に伝播するように構成されている。格子カプラ４－１００に入射する光は破線で示される。アポダイズされた格子カプラ４－１００は、入射光との位相整合を改善することができる。格子カプラ４－１００は、材料構造４－１２０ａ、４－１２０ｂ、および４－１２０ｃを含む材料構造を有し、これらは、可変フィル・ファクタ（たとえば、材料構造によって占められる格子ピッチのパーセンテージ）で互いに離間されている。格子カプラ４－１００の材料構造のフィル・ファクタは、光伝播の方向である導波路４－２２０へ向かう方向に増大する。材料構造は、寸法Ｔに対応する（正のｚ方向に沿った）可変幅を有することができる。図４－１に示されるように、格子カプラ４－１００の材料構造は、導波路４－２２０に向かう方向へ大きくなる幅を有する。たとえば、材料構造４－１２０ｃは、材料構造４－１２０ａよりも大きい幅を有する。材料構造は、ギャップ４－１２２ａ、４－１２２ｂ、および４－１２２ｃを含むギャップによって分離される。ギャップは、格子カプラ構造を貫通して完全にエッチングされ、そのため、格子カプラ４－１００の製造を容易にし得る。ギャップは、寸法Ｇに対応する、（正のｚ方向に沿った）可変幅を有することができる。図４－１に示されるように、格子カプラ４－１００のギャップは、導波路４－２２０に向かう方向へ小さくなる幅を有する。たとえば、ギャップ４－１２２ｃは、材料構造４－１２２ａよりも小さい幅を有する。いくつかの実施形態では、格子カプラは、可変ピッチを有することができ、可変ピッチは、材料構造とそれに隣接するギャップの幅であり、寸法Ｐに対応する。
アポダイズされた格子カプラは、結合効率に実質的に影響することなく製造公差に対応する能力を含む、いくつかの利点を提供し得る。図４－２は、アポダイズされた格子カプラに関する、結合効率と下部クラッド層の厚さのグラフを示す。図４－２に示される結果は、下部クラッド層の厚さの変動範囲を通じて結合効率が実質的に一定のままである様子を示しており、これにより、実質的に結合効率を低下させずに下部クラッド層で実現され得る厚さが広範囲であるので製造公差を提供し得る。図４－３は、アポダイズされた格子カプラに関する、結合効率と横方向寸法誤差のグラフを示す。結合効率は、格子カプラに入射する光に対して固定角で誤差の増加と共に低下するが、効率の変化は、格子カプラへの光の入射角度を変えることによって補償され得る。図４－３に示されるように、固定角の±１度以内で入射角を調整することによって、±２０ｎｍの寸法誤差で７０％を超える効率を維持することができる。
いくつかの実施形態は、集積デバイスの表面に実質的に平行な平面に対して非対称な材料構造を有する格子カプラに関する。いくつかの実施形態では、格子カプラは複数の層を有してよく、非対称な材料構造が複数の層において形成されてよい。いくつかの実施形態では、集積デバイスは、ブレーズド格子カプラを備えることができる。ブレーズド格子カプラは、別の層に形成された格子カプラの材料構造よりも幅が狭い材料構造を有する１つの格子カプラを備える表面集積デバイスに近接する層を含む、異なる層の格子カプラの組み合わせを含んでよい。いくつかの実施形態によれば、ブレーズド格子カプラは鋸歯材料構造を有することができる。２層格子カプラは、互いにオフセットされた２つの格子カプラの組み合わせを含む。
図４－４は、導波路４－４２０と光学的に結合するように構成されたブレーズド格子カプラ４－４００の断面図であり、ここで、光は矢印で示される方向に伝播するように構成されている。格子カプラ４－４００に入射する光は破線で示される。ブレーズド格子カプラ４－４００は、導波路４－４２０に向かう放射光の方向性を改善することができる。格子カプラ４－４００は、互いに接触する２つの層で形成された材料構造４－４２５を有する。入射光に近い方の層は、他方の層の幅ａ２＋ｂよりも小さい幅ｂを有する。このように、材料構造４－４２５は、集積デバイスの表面に実質的に平行な（たとえば、ｚ方向に沿った）平面に関して非対称である。材料構造４－４２５の間のギャップの幅はａ１である。ピッチＰは、ａ１＋ａ２＋ｂと等しい。
図４－５は、ブレーズド格子カプラに関する、結合効率と下部クラッド層の厚さのグラフを示し、ここで、ａ１は１３８ｎｍに等しく、ａ２は１１３に等しく、ｂは８２に等しく、上部層の厚さは６０ｎｍに等しく、全厚は１４０ｎｍに等しく、入射角は４度に等しい。図４－５に示される結果は、下部クラッド層の厚さの変動範囲を通じて結合効率が実質的に一定のままである様子を示しており、これにより、実質的に結合効率を低下させずに下部クラッド層で実現され得る厚さが広範囲であるので製造公差を提供し得る。図４－６および図４－７は、色の変化が結合効率に対応する、カラー・ヒート・マップ・プロッティング・パラメータａ２対ａ１のグレースケール版である。図４－６では、格子カプラへの入射光の角度が固定される。図４－７では、格子カプラへの入射光の角度は、固定角の±１度の範囲で変化される。図４－７は、格子カプラのパラメータの変化に対応するように入射角を調整することによって、より高い結合効率が達成されることが可能であり、これにより、さらなる製造公差を提供し得ることを示している。
図４－８は、導波路４－８２０と光学的に結合するように構成された２層格子カプラ４－８００の断面図であり、ここで、光は矢印で示される方向に伝播するように構成されている。格子カプラ４－８００に入射する光は破線で示される。２層格子カプラ４－８００は、導波路４－８２０に向かう放射光の方向性を改善することができる。格子カプラ４－８００は、２つの層で形成される材料構造４－８２５を有し、２つの層は、互いに接触し、同様の寸法を有し、寸法ＤＯｆｆｓｅｔによってオフセットされる。このように、材料構造４－８２５は、集積デバイスの表面に実質的に平行な（たとえば、ｚ方向に沿った）平面に関して非対称である。材料構造４－８３５の間のギャップは、幅ＤＴｒｅｎｃｈを有する。ピッチＰは、ｚ方向に沿った材料構造４－８２５とＤＴｒｅｎｃｈとの寸法に等しい。
図４－９は、２層格子カプラに関する、正規化された結合効率と下部クラッド層の厚さのグラフを示す。正規化された結合効率は、下部クラッド厚さのそれぞれにおける効率を、評価される下部クラッド厚さの範囲内で決定されるピーク効率へ正規化することによって計算される。図４－９に示される結果は、下部クラッド層の厚さの変動範囲を通じて結合効率が実質的に一定のままである様子を示しており、これにより、実質的に結合効率を低下させずに下部クラッド層で実現され得る厚さが広範囲であるので製造公差を提供し得る。図４－１０および図４－１１は、色の変化が結合効率に対応する、カラー・ヒート・マップ・プロッティング・パラメータＤＯｆｆｓｅｔ対デューティ・サイクルのグレースケール版である。図４－１０では、格子カプラへの入射光の角度が固定される。図４－１１では、格子カプラへの入射光の角度は、固定角の±１度の範囲で変化される。図４－１１は、格子カプラのパラメータの変化に対応するように入射角を調整することによって、より高い結合効率が達成されることが可能であり、これにより、さらなる製造公差を提供し得ることを示している。
図４－１２は、導波路４－１２２０と光学的に結合するように構成された格子カプラ４－１２００の断面図であり、ここで、光は矢印で示される方向に伝播するように構成されている。格子カプラ４－１２００に入射する光は破線で示される。格子カプラ４－１２００は、連続層と、連続層に接触するエッチングされた部分とから形成される材料構造４－１２２５を有する。このように、材料構造４－１２２５は、集積デバイスの表面に実質的に平行な（たとえば、ｚ方向に沿った）平面に関して非対称である。
図４－１３は、導波路４－１３２０と光学的に結合するように構成された格子カプラ４－１３００の断面図であり、ここで、光は矢印で示される方向に伝播するように構成されている。格子カプラ４－１３００に入射する光は破線で示される。格子カプラ４－１３００は、連続層から離間された材料構造４－１３２５を有する。このように、材料構造４－１３２５は、集積デバイスの表面に実質的に平行な（たとえば、ｚ方向に沿った）平面に関して非対称である。
格子カプラによっては、所望の結合効率が達成され得る結合効率および入射角の範囲が、入射光の帯域幅に依存し得るが、ここで、格子カプラの性能は、より広い波長帯域で低下し得る。本発明者らは、材料構造の屈折率を変えることによって、より広い帯域に対応し、結果として広帯域格子カプラが得られることを認識して理解した。いくつかの実施形態では、回折格子の屈折率を制御するために複数の材料が使用されてよい。たとえば、酸化ケイ素および窒化ケイ素が格子カプラの格子構造を形成するために使用される場合、格子構造は、サブ波長要素（たとえば、２００ｎｍ未満）へと離散化されてよい。実効屈折率ｎｅｆｆは、両方の酸化ケイ素のフィリング・ファクタ、それぞれｆｏｘおよびｆＳｉＮ、ならびに酸化ケイ素の屈折率ｎｏｘおよび窒化ケイ素の屈折率ｎＳｉＮに依存し得る。具体的には、
Figure 2022516918000003
である。図４－１４は、導波路４－１４２０と光学的に結合するように構成された広帯域格子カプラ４－１４００の平面図の概略図である。格子カプラの個々の格子は、高屈折率（たとえば、窒化ケイ素）を有する領域４－１４３０、および低屈折率（たとえば、酸化ケイ素）を有する領域１４－１４３５を含み得る。図４－１４に示されるように、フィリング・ファクタ、領域４－１４３０の厚さ、および厚さ領域１４－１４３５は、導波路４－１４２０に向かう方向に変化し得る。
図４－１５は、図４－１４に示された構成を有する格子カプラに関する、帯域幅とフィル・ファクタのグラフであり、酸化ケイ素および窒化ケイ素が高屈折率材料および低屈折率材料として使用されている。図４－１５に示されるように、約０．４のフィリング・ファクタが約８ｎｍの最大帯域幅を提供する。図４－１６は、図４－１４に示された構成を有する格子カプラに関する、ピーク波長とフィル・ファクタのグラフであり、酸化ケイ素および窒化ケイ素が高屈折率材料および低屈折率材料として使用されている。図４－１７は、図４－１４に示された構成を有する格子カプラに関する、ピーク効率とフィル・ファクタのグラフであり、酸化ケイ素および窒化ケイ素が高屈折率材料および低屈折率材料として使用されている。
本願明細書に記載されるような構成を有する格子カプラは、任意の適切な数の導波路と結合してよく、１つまたは複数の方向に出力光を有してよいことが理解される。いくつかの実施形態では、格子カプラは、一方向に実質的に平行に複数の出力導波路を有することができる。図４－１８は、導波路１４－１８２０ａおよび１４－１８２０ｂを含む複数の出力導波路に結合された格子カプラ４－１８００の平面図の概略図であり、出力導波路は、格子カプラ４－１８００から一方向に（ｚ方向に沿って）構成されている。図４－１９は、複数の出力導波路４－１９２０ａ、１４－１９２０ｂ、１４－１９２０ｃ、および１４－１９２０ｄに結合された格子カプラ４－１９００の平面図の概略図である。出力導波路４－１９２０ａ、１４－１９２０ｂ、１４－１９２０ｃ、および１４－１９２０ｄのそれぞれは、格子カプラ４－１９００から４つの異なる方向に光を向けるように構成される。図４－２０は、複数の出力導波路４－２０２０ａおよび１４－２０２０ｂに結合された格子カプラ４－２０００の平面図の概略図である。出力導波路４－２０２０ａおよび１４－２０２０ｂのそれぞれは、格子カプラ４－２０００から２つの異なる方向に光を向けるように構成される。
本出願のいくつかの態様は、本願明細書に記載された構成の１つまたは複数を有する格子カプラを備えた集積フォトニック・デバイスを形成することに関する。いくつかの実施形態は、１つ以上の導波路を形成する工程と、光結合領域を形成する工程と、を備える、集積フォトニック・デバイスを形成する方法を含む。光結合領域は、１つ以上の導波路に光学的に結合され、集積フォトニック・デバイスの表面に入射する光を受け取るように構成された格子カプラであり、表面に実質的に平行な平面に関して非対称である材料構造を有する格子カプラ、および、格子カプラと重なる領域に近接して配置され、格子カプラに入射する光を受け取るように構成された１つ以上の監視センサを備える。
いくつかの実施形態では、平面は、格子カプラの軸を通過する。いくつかの実施形態では、材料構造のうちの１つ以上が、平面に実質的に平行な方向で互いに横方向にオフセットされた２つ以上の材料層を備える。いくつかの実施形態では、格子カプラは、互いに接触する２つ以上の材料層を備える。いくつかの実施形態では、格子カプラは、互いに距離を置いて離間された２つ以上の材料層を備える。いくつかの実施形態では、材料構造のうちの１つ以上が、部分的にエッチングされた材料部分を備える。いくつかの実施形態では、材料構造のうちの１つ以上が、完全にエッチングされた材料部分を備える。いくつかの実施形態では、格子カプラはブレーズド格子カプラである。いくつかの実施形態では、材料構造のうちの１つ以上が、表面に実質的に垂直な平面に対して非対称である。
いくつかの実施形態は、１つ以上の導波路を形成する工程と、光結合領域を形成する工程と、を備える、集積フォトニック・デバイスを形成する方法に関する。光結合領域は、１つ以上の導波路に光学的に結合され、集積フォトニック・デバイスの表面に入射する光を受け取るように構成された格子カプラであり、可変フィル・ファクタで互いに離間された材料構造を有する格子カプラ、および、格子カプラと重なる領域に近接して配置され、格子カプラに入射する光を受け取るように構成された１つ以上の監視センサを備える。
いくつかの実施形態では、材料構造のうちの１つ以上が、部分的にエッチングされた材料部分を備える。いくつかの実施形態では、材料構造は、可変幅を有するギャップによって互いに離間される。いくつかの実施形態では、格子カプラは、ギャップ内に形成された誘電体材料を備える。いくつかの実施形態では、材料構造は可変幅を有する。
ＩＩＩ．システムの追加の態様
システムは、集積デバイスと、集積デバイスとインターフェースするように構成された機器とを備えることができる。集積デバイスは、ピクセルのアレイを備えることができ、ピクセルは、試料ウェル、および１つ以上の光検出器を備える。集積デバイスの表面は複数の試料ウェルを有することができ、試料ウェルは、集積デバイスの表面に置かれた試料から試料を受け入れるように構成される。試料は、複数の試料を含んでよく、いくつかの実施形態では、異なるタイプの試料を含んでよい。複数の試料ウェルは、試料ウェルの少なくとも一部が試料から１つの試料を受け入れるように適切なサイズおよび形状を有することができる。いくつかの実施形態では、ある試料ウェルは１つの試料を含み、他の試料ウェルは０または２つ以上の試料を含むように複数の試料ウェルの間で試料ウェル内の試料の数が分配され得る。
いくつかの実施形態では、試料は複数の一本鎖ＤＮＡ鋳型を含んでよく、集積デバイスの表面上の個々の試料ウェルは、配列決定鋳型を受け入れるような寸法および形状にされる。集積デバイスの複数の試料ウェルの少なくとも一部が配列決定鋳型を含むように、集積デバイスの複数の試料ウェルの間で配列決定鋳型が分配され得る。試料は、標識されたヌクレオチドを含むことができ、標識されたヌクレオチドは、次いで試料ウェルに入り、試料ウェル内の一本鎖ＤＮＡ鋳型に相補的なＤＮＡの鎖へと取り込まれるので、ヌクレオチドの同定が可能になり得る。そのような例では、「試料」は、配列決定鋳型とポリメラーゼによって現在取り込まれている標識されたヌクレオチドとの両方を指し得る。いくつかの実施形態では、試料は、配列決定鋳型を含むことができ、次いで、標識されたヌクレオチドは、試料ウェル内の相補的ストランドへとヌクレオチドが取り込まれるとき、試料ウェルに導入され得る。このように、ヌクレオチドの取り込みのタイミングは、標識されたヌクレオチドが集積デバイスの試料ウェルにいつ導入されるかによって制御され得る。
励起光は、集積デバイスのピクセル・アレイと離れて位置する励起源から供給される。励起光は、少なくとも部分的に集積デバイスの要素によって１つまたは複数のピクセルへ向けられて、試料ウェル内の照射領域を照射する。そして、マーカは、照射領域内に位置するとき、励起光が照射されることに反応して放出光を放出することができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の励起源はシステムの機器の一部であり、機器および集積デバイスの構成要素は、励起光を１つまたは複数のピクセルへ向けるように構成される。
試料によって放出された放出光は、次いで、集積デバイスのピクセル内の１つまたは複数の光検出器によって検出され得る。検出された放出光の特性は、その放出光に関連付けられたマーカを識別するための指標を提供することができる。そのような特性は、光検出器によって検出された光子の到着時間、光検出器によって時間の経過と共に蓄積された光子の量、および／または２つ以上の光検出器にわたる光子の分布を含む、任意の適切なタイプの特性を含み得る。いくつかの実施形態では、光検出器は、試料の放出光に関連付けられた１つまたは複数のタイミング特性（たとえば、蛍光寿命）の検出を可能にする構成を有することができる。光検出器は、励起光のパルスが集積デバイスを伝播した後の光子到着時間の分布を検出することができ、到着時間の分布は、試料の放出光のタイミング特性の指標（たとえば、蛍光寿命の代わり）を提供することができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の光検出器が、マーカにより放出された放出光の確率の指標（たとえば、蛍光強度）を提供する。いくつかの実施形態では、複数の光検出器が放出光の空間分布を捉えるように寸法設定され配列されてよい。次いで、複数のマーカのうちからマーカを区別するために、１つまたは複数の光検出器からの出力信号が使用されてよく、複数のマーカは、試料内の試料を同定するために使用されてよい。いくつかの実施形態では、試料は複数の励起エネルギーによって励起されてよく、それら複数の励起エネルギーに反応して試料によって放出される放出光および／またはそれら放出光のタイミング特性により、複数のマーカのうちからマーカが区別されてよい。
システム５－１００の概略図が図５－１Ａに示される。システムは、機器５－１０４と共にインターフェースする集積デバイス５－１０２を両方備える。いくつかの実施形態では、機器５－１０４は、機器５－１０４の一部として統合される１つまたは複数の励起源５－１０６を含んでよい。いくつかの実施形態では、励起源は、機器５－１０４および集積デバイス５－１０２の両方の外部としてよく、機器５－１０４は、励起源から励起光を受け取り、励起光を集積デバイスに向けるように構成されてよい。集積デバイスは、集積デバイスを受け入れる励起源と正確に光学的に整列させて集積デバイスを保持するための任意の適切なソケットを使用して、機器とインターフェースすることができる。励起源５－１０６は、集積デバイス５－１０２に励起光を提供するように構成され得る。図５－１Ａに概略的に示されるように、集積デバイス５－１０２は、複数のピクセル５－１１２を有し、ピクセルの少なくとも一部は、試料の独立した分析を実行し得る。そのようなピクセル５－１１２は、ピクセルがそのピクセルから離れた光源５－１０６から励起光を受け取り、光源からの励起光がピクセル５－１１２の一部または全部を励起するので、「受動源ピクセル」と呼ばれることがある。励起源５－１０６は、任意の適切な光源であってよい。適切な励起源の例は、全体において本願明細書に援用する「分子の探索、検出、および分析のための集積装デバイス（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＰＲＯＢＩＮＧ， ＤＥＴＥＣＴＩＮＧ ＡＮＤ ＡＮＡＬＹＺＩＮＧ ＭＯＬＥＣＵＬＥＳ）」という名称の２０１５年８月７日に出願された米国特許出願第１４／８２１，６８８号に説明されている。いくつかの実施形態では、励起源５－１０６は、集積デバイス５－１０２に励起光を送達するために組み合わされる複数の励起源を含む。複数の励起源は、複数の励起エネルギーまたは波長を生成するように構成され得る。
ピクセル５－１１２は、試料を受け入れるように構成された試料ウェル５－１０８と、励起源５－１０６により提供される励起光で試料を照射することに応答して試料により放出される放出光を検出するための光検出器５－１１０とを有する。いくつかの実施形態では、試料ウェル５－１０８は、集積デバイス５－１０２の表面に近接して試料を保持することができ、それにより、試料への励起光の送達および試料からの放出光の検出を容易にすることができる。
励起光源５－１０６からの励起光を集積デバイス５－１０２に結合し、励起光を試料ウェル５－１０８へ導くための光学要素が、集積デバイス５－１０２と機器５－１０４との両方に配置される。励起源からウェルへの光学要素は、集積デバイス５－１０２上に位置して励起光を集積デバイスに結合する１つまたは複数の格子カプラと、機器５－１０４からピクセル５－１１２内の試料ウェルに励起光を送達するための導波路とを含むことができる。１つまたは複数の光スプリッタ要素が格子カプラと導波路との間に配置され得る。光スプリッタは、格子カプラからの励起光を結合して導波路のうちの１つ以上に励起光を送達することができる。いくつかの実施形態では、光スプリッタは、各導波路が実質的に同様の量の励起光を受け取るように、すべての導波路にわたって実質的に均一な励起光の送達を可能にする構成を有することができる。そのような実施形態は、集積デバイスの試料ウェルによって受け取られる励起光の均一性を改善することによって、集積デバイスの性能を改善することができる。
試料ウェル５－１０８、励起源からウェルへの光学部品の一部、および試料ウェルから光検出器への光学部品は、集積デバイス５－１０２に位置する。励起源５－１０６、および励起源からウェルへの構成要素の一部は、機器５－１０４に位置する。いくつかの実施形態では、単一の構成要素が、励起光を試料ウェル５－１０８に結合することと、試料ウェル５－１０８からの放出光を光検出器５－１１０に送達することとの両方の役割を果たすことができる。励起光を試料ウェルに結合するため、および／または放出光を光検出器へ向けるための、集積デバイスに備えるのに適切な構成要素の例は、「分子の探索、検出、および分析のための集積デバイス（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＰＲＯＢＩＮＧ， ＤＥＴＥＣＴＩＮＧ ＡＮＤ ＡＮＡＬＹＺＩＮＧ ＭＯＬＥＣＵＬＥＳ）」という名称の２０１５年８月７日に出願された米国特許出願第１４／８２１，６８８号、および「分子の探索、検出、および分析のための、外部光源を備えた集積デバイス（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＷＩＴＨ ＥＸＴＥＲＮＡＬ ＬＩＧＨＴ ＳＯＵＲＣＥ ＦＯＲ ＰＲＯＢＩＮＧ， ＤＥＴＥＣＴＩＮＧ， ＡＮＤ ＡＮＡＬＹＺＩＮＧ ＭＯＬＥＣＵＬＥＳ）」という名称の２０１４年１１月１７日に出願された米国特許出願第１４／５４３，８６５号に説明されており、それぞれをその全体において本願明細書に援用する。
ピクセル５－１１２は、それ自体の個々の試料ウェル５－１０８および１つ以上の光検出器５－１１０に関連付けられる。集積デバイス５－１０２の複数のピクセルは、任意の適切な形状、サイズ、および／または寸法を有するように配列され得る。集積デバイス５－１０２は、任意の適切な数のピクセルを有することができる。集積デバイス５－１０２内のピクセルの数は、およそ１０，０００ピクセルから１，０００，０００ピクセルの範囲内、またはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲であってよい。いくつかの実施形態では、ピクセルは、５１２個のピクセル×５１２個のピクセルのアレイに配列され得る。集積デバイス５－１０２は、任意の適切な様式で機器５－１０４とインターフェースすることができる。いくつかの実施形態では、機器５－１０４は、集積デバイス５－１０２に着脱可能に結合するインターフェースを有することができ、したがって、ユーザは、集積デバイス５－１０２を機器５－１０４に取り付けて集積デバイス５－１０２を使用して試料を分析すること、および集積デバイス５－１０２を機器５－１０４から取り外して別の集積デバイスを取り付けられるようにすることができる。機器５－１０４のインターフェースは、機器５－１０４の回路と結合するように集積デバイス５－１０２を配置し、１つまたは複数の光検出器からの読み出し信号が機器５－１０４に対し送信されることを可能にすることができる。集積デバイス５－１０２および機器５－１０４は、大きな（たとえば、１０，０００超ピクセルの）ピクセル・アレイに関連付けられたデータを扱うために、マルチチャネル高速通信リンクを備えることができる。
ピクセル５－１１２の行を示す集積デバイス５－１０２の断面概略図が図５－１Ｂに示される。集積デバイス５－１０２は、結合領域５－２０１、ルーティング領域５－２０２、およびピクセル領域５－２０３を備えることができる。ピクセル領域５－２０３は、励起光（破線矢印で示される）が集積デバイス５－１０２に結合する結合領域５－２０１とは別の位置の表面に配置された試料ウェル５－１０８を有する複数のピクセル５－１１２を含むことができる。試料ウェル５－１０８は、金属層５－１１６を貫通して形成されてよい。点線の矩形で示される１つのピクセル５－１１２は、試料ウェル５－１０８と、１つまたは複数の光検出器５－１１０を有する光検出器領域とを備える集積デバイス５－１０２の領域である。
図５－１Ｂは、励起光のビームを結合領域５－２０１に対し、および試料ウェル５－１０８に対し結合することによる励起の経路（破線で示される）を示す。図５－１Ｂに示される試料ウェル５－１０８の行は、導波路５－２２０に光学的に結合するように配置され得る。励起光は、試料ウェル内に位置する試料を照射することができる。試料は、励起光により照射されることに反応して励起状態に達することができる。試料が励起状態にあるとき、試料は、試料ウェルに関連付けられた１つまたは複数の光検出器によって検出され得る放出光を放出することができる。図５－１Ｂは、試料ウェル５－１０８からピクセル５－１１２の光検出器５－１１０までの放出光の経路（実線として示される）を概略的に示す。ピクセル５－１１２の光検出器５－１１０は、試料ウェル５－１０８からの放出光を検出するように構成および配置され得る。適切な光検出器の例は、全体において本願明細書に援用する「受け取られた光子の時間ビニングのための集積デバイス（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＴＥＭＰＯＲＡＬ ＢＩＮＮＩＮＧ ＯＦ ＲＥＣＥＩＶＥＤ ＰＨＯＴＯＮＳ）」という名称の米国特許出願第１４／８２１，６５６号に説明されている。適切な光検出器のさらなる例は、全体において本願明細書に援用する「直接ビニングピクセルを備える集積光検出器（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＰＨＯＴＯＤＥＴＥＣＴＯＲ ＷＩＴＨ ＤＩＲＥＣＴ ＢＩＮＮＩＮＧ ＰＩＸＥＬ）」という名称の２０１７年１２月２２日に出願された米国特許出願第１５／８５２，５７１号に説明されている。個々のピクセル５－１１２について、試料ウェル５－１０８およびそのそれぞれの光検出器５－１１０が、共通軸に沿って（図５－１Ｂに示されるｙ方向に沿って）整列され得る。このようにして、光検出器はピクセル５－１１２内の試料ウェルと重なることができる。
試料ウェル５－１０８からの放出光の方向性は、金属層５－１１６が放出光を反射するように作用し得るので、金属層５－１１６に対する試料ウェル５－１０８内の試料の配置に依存することがある。このように、金属層５－１１６と、試料ウェル５－１０８内に配置される蛍光マーカとの間の距離は、蛍光マーカにより放出される光を検出するための、試料ウェルと同じピクセル内にある光検出器１－１１０の効率に影響することがある。金属層５－１１６と、試料が動作中に位置決めされることができる場所に近接する、試料ウェル５－１０６の底面との間の距離は、１００ｎｍから５００ｎｍの範囲、またはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲であってよい。いくつかの実施形態では、金属層５－１１６と試料ウェル５－１０８の底面との間の距離は約３００ｎｍである。
試料と光検出器との間の距離は、放出光を検出する効率にも影響を与える可能性がある。試料と光検出器との間で光が移動しなければならない距離を減少させることにより、放出光の検出効率が改善され得る。また、試料と光検出器との間の距離がより小さいと、ピクセルは集積デバイスのより小さい面積のフットプリントを占めることができ、これにより、より多くのピクセルが集積デバイスに含まれることを可能にし得る。試料ウェル５－１０８の底面と光検出器との間の距離は、１μｍから１５μｍの範囲、またはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲であってよい。
フォトニック構造５－２３０が、試料ウェル５－１０８と光検出器５－１１０との間に配置され、さもなければ放出光を検出する際に信号ノイズに寄与する可能性がある励起光の光検出器５－１１０への到達を低減または防止するように構成され得る。図５－１Ｂに示されるように、１つまたは複数のフォトニック構造５－２３０は、導波路５－２２０と光検出器５－１１０との間に配置され得る。フォトニック構造５－２３０は、スペクトル・フィルタ、偏光フィルタ、および空間フィルタを含む１つまたは複数の光除去フォトニック構造を含むことができる。フォトニック構造５－２３０は、共通の軸に沿って、個々の試料ウェル５－１０８およびそれぞれの光検出器５－１１０と整列するように配置され得る。いくつかの実施形態によれば、集積デバイス５－１０２のための回路として作用できる金属層５－２４０が空間フィルタとして作用することもできる。そのような実施形態では、１つまたは複数の金属層５－２４０は、一部またはすべての励起光が光検出器５－１１０に到達することを阻止するように配置され得る。
結合領域５－２０１は、外部励起源からの励起光を結合するように構成されている１つまたは複数の光学構成要素を備えることができる。結合領域５－２０１は、励起光のビームの一部またはすべてを受け取るように配置された格子カプラ５－２１６を備えることができる。適切な格子カプラの例は、全体において本願明細書に援用する「光カプラおよび導波路システム（ＯＰＴＩＣＡＬ ＣＯＵＰＬＥＲ ＡＮＤ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＳＹＳＴＥＭ）」という名称の２０１７年１２月１５日に出願された米国特許出願第１５／８４４，４０３号に説明されている。格子カプラ５－２１６は、励起光を１つまたは複数の試料ウェル５－１０８の近傍に伝播させるように構成され得る導波路５－２２０に励起光を結合することができる。代替的には、結合領域５－２０１は、光を導波路へと結合する他の周知の構造を備えてよい。
集積デバイスから離れて位置する構成要素を使用して、集積デバイスに対して励起源５－１０６を配置し整列させることができる。そのような構成要素は、レンズ、鏡、プリズム、窓、アパーチャ、減衰器、および／または光ファイバを含む光学構成要素を含み得る。追加的な機械的構成要素が、１つまたは複数の位置合わせ構成要素の制御を可能にするために機器に含まれてよい。そのような機械的構成要素は、アクチュエータ、ステッパモータ、および／またはノブを含み得る。適切な励起源および位置合わせ機構の例は、全体において本願明細書に援用する「パルスレーザーおよびシステム（ＰＵＬＳＥＤ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭ）」という名称の２０１６年５月２０日に出願された米国特許出願第１５／１６１，０８８号に説明されている。ビーム・ステアリング・モジュールの別の例は、全体において本願明細書に援用する「コンパクトなビーム成形およびステアリングアセンブリ（ＣＯＭＰＡＣＴ ＢＥＡＭ ＳＨＡＰＩＮＧ ＡＮＤ ＳＴＥＥＲＩＮＧ ＡＳＳＥＭＢＬＹ）」という名称の２０１７年１２月１４日に出願された米国特許出願第１５／８４２，７２０号に説明されている。
分析される試料は、ピクセル５－１１２の試料ウェル５－１０８へと導入されてよい。試料は、生物学的試料、または化学的試料などの任意の他の適切な試料であり得る。試料は、複数の分子を含むことができ、試料ウェルは、単一の分子を分離するように構成され得る。いくつかの例では、試料ウェルの寸法は、単一の分子を試料ウェル内に閉じ込めるように作用することができ、単一の分子に対して測定を行うことを可能にする。励起光は、試料が試料ウェル５－１０８内の照射領域内にある間に、試料、または試料に付着されもしくは別様に関連付けられた１つ以上の蛍光マーカを励起するように、試料ウェル５－１０８へと送達され得る。
動作時に、励起光を使用してウェル内の試料の一部またはすべてを励起し、光検出器により試料発光から信号を検出することによって、試料ウェル内の試料の並列分析が行われる。試料からの放出光は、対応する光検出器によって検出され、１つ以上の電気信号に変換され得る。電気信号は、集積デバイスの回路における伝導線（たとえば、金属層５－２４０）に沿って伝達されてよく、伝導線は、集積デバイスとインターフェースする機器に接続されてよい。電気信号は、続いて処理および／または分析され得る。電気信号の処理または分析は、機器上にまたは機器から離れて位置する適切なコンピューティング・デバイスで行うことができる。
機器５－１０４は、機器５－１０４および／または集積デバイス５－１０２の動作を制御するためにユーザ・インターフェースを備えることができる。ユーザ・インターフェースは、機器の機能を制御するために使用されるコマンドおよび／または設定などの情報をユーザが機器へと入力することを可能にするように構成され得る。いくつかの実施形態では、ユーザ・インターフェースは、ボタン、スイッチ、ダイヤル、および、音声コマンド用のマイクを含み得る。ユーザ・インターフェースは、適切な位置合わせおよび／または集積デバイス上の光検出器からの読み出し信号によって得られる情報など、機器および／または集積デバイスの性能に関するフィードバックを、ユーザが受け取ることを可能にし得る。いくつかの実施形態では、ユーザ・インターフェースは、可聴フィードバックを提供するためにスピーカを使用してフィードバックすることができる。いくつかの実施形態では、ユーザ・インターフェースは、ユーザに視覚的フィードバックを提供するための、インジケータ・ライトおよび／またはディスプレイ画面を含むことができる。
いくつかの実施形態では、機器５－１０４は、コンピューティング・デバイスと接続するように構成されたコンピュータ・インターフェースを含むことができる。コンピュータ・インターフェースは、ＵＳＢインターフェース、ＦｉｒｅＷｉｒｅ（登録商標）インターフェース、または任意の他の適切なコンピュータ・インターフェースであり得る。コンピューティング・デバイスは、ラップトップまたはデスクトップ・コンピュータなどの任意の汎用コンピュータであり得る。いくつかの実施形態では、コンピューティング・デバイスは、適切なコンピュータ・インターフェースを用いて無線ネットワークを介してアクセス可能なサーバ（たとえば、クラウドベースのサーバ）であってよい。コンピュータ・インターフェースは、機器５－１０４とコンピューティング・デバイスとの間の情報の通信を容易にすることができる。機器５－１０４を制御および／または構成するための入力情報は、コンピューティング・デバイスに対し提供されコンピュータ・インターフェースを介して機器５－１０４に対し送信され得る。機器５－１０４によって生成された出力情報は、コンピュータ・インターフェースを介してコンピューティング・デバイスによって受信され得る。出力情報は、機器５－１０４の性能、集積デバイス５－１１２の性能、および／または光検出器５－１１０の読み出し信号から生成されたデータに関するフィードバックを含み得る。
いくつかの実施形態では、機器５－１０４は、集積デバイス５－１０２の１つまたは複数の光検出器から受け取られたデータを分析し、および／または制御信号を励起源５－１０６に送信するように構成された処理デバイスを備えることができる。いくつかの実施形態では、処理デバイスは、汎用プロセッサ、および特別に適合されたプロセッサ（たとえば、１つもしくは複数のマイクロプロセッサもしくはマイクロコントローラ・コアなどの中央処理装置（ＣＰＵ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、カスタム集積回路、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、またはこれらの組み合わせ）を含み得る。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の光検出器からのデータの処理は、機器５－１０４の処理デバイスと外部コンピューティング・デバイスとの両方によって実行され得る。他の実施形態では、外部コンピューティング・デバイスは省略されてよく、１つまたは複数の光検出器からのデータの処理は、集積デバイス５－１０２の処理デバイスのみによって実行され得る。
試料ウェル５－３３０内で行われる生物学的反応の非限定的例が図５－２に示される。この例では、標的核酸に対して相補的である伸長鎖へのヌクレオチドおよび／またはヌクレオチド類似体の連続的な取り込みが試料ウェルにおいて行われている。一連の核酸（たとえば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）を配列決定するために連続的取り込みが検出され得る。試料ウェルは、約１５０ｎｍから約５００ｎｍの範囲内またはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲の深さと、約８０ｎｍから約２００ｎｍの範囲内の直径とを有し得る。隣接する試料ウェルおよび他の望ましくない光源からの迷光をブロックするアパーチャを設けるために、光検出器の上方に金属化層５－５４０（たとえば、基準電位のための金属化）がパターニングされ得る。いくつかの実施形態によれば、ポリメラーゼ５－５２０が試料ウェル５－３３０内に位置し（たとえば、試料ウェルの基部に付着され）得る。ポリメラーゼは、標的核酸（たとえば、ＤＮＡに由来する核酸の一部）を取り込み、相補的な核酸の伸長鎖を配列決定してＤＮＡ５－５１２の伸長鎖を生成することができる。異なるフルオロフォアで標識されたヌクレオチドおよび／またはヌクレオチド類似体は、試料ウェル上方および試料ウェル内の溶液中に分散され得る。
図５－３に示されるように、標識されたヌクレオチドおよび／またはヌクレオチド類似体５－６１０が相補的な核酸の伸長鎖へと取り込まれると、１つまたは複数の付着されたフルオロフォア５－６３０が、導波路５－３１５から試料ウェル５－３３０に結合された光エネルギーのパルスによって繰り返し励起され得る。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のフルオロフォア５－６３０は、任意の適切なリンカ５－６２０を用いて１つまたは複数のヌクレオチドおよび／またはヌクレオチド類似体５－６１０に付着され得る。取り込み事象は、最大約１００ｍｓの期間で継続し得る。この時間中に、モード・ロック・レーザからのパルスによってフルオロフォアの励起でもたらされる蛍光発光のパルスが時間ビニング光検出器５－３２２を用いて検出され得る。ＤＮＡ５－５１２のストランドが核酸を取り込み、ＤＮＡの伸長鎖のヌクレオチド配列を決定することを可能にする間に、異なる発光特性（たとえば、蛍光減衰率、強度、蛍光波長）を有するフルオロフォアを異なるヌクレオチド（Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ）に付着させ、異なる発光特性を検出および識別することによって。
いくつかの実施形態によれば、蛍光発光特性に基づいて試料を分析するように構成された機器５－１０４は、異なる蛍光分子間の蛍光寿命の差および／もしくは強度の差、ならびに／または異なる環境における同じ蛍光分子の寿命の差および／もしくは強度の差を検出することができる。説明として、図５－４は、たとえば、２つの異なる蛍光分子からの蛍光発光を表し得る、２つの異なる蛍光発光確率曲線（ＡおよびＢ）をプロットする。曲線Ａ（破線）を参照すると、短または超短光パルスによって励起された後、第１の分子からの蛍光発光の確率ｐＡ（ｔ）は、図示されるように時間と共に減衰し得る。いくつかの事例では、光子が経時的に放出される確率の低下は、指数減衰関数
Figure 2022516918000004
によって表すことができ、ここで、ＰＡ０は初期発光確率であり、τＡは、発光減衰確率を特徴付ける第１の蛍光分子に関連付けられた時間パラメータである。τＡは、第１の蛍光分子の「蛍光寿命」、「発光寿命」または「寿命」と称され得る。いくつかの事例では、τＡの値は、蛍光分子の局所環境によって変更され得る。他の蛍光分子は、曲線Ａに示されたものとは異なる発光特性を有してよい。たとえば、他の蛍光分子は、単一の指数関数的減衰とは異なる減衰プロファイルを有することがあり、その寿命は、半減期値または何らかの他の測定基準によって特徴付けられ得る。
第２の蛍光分子は、図５－４の曲線Ｂで示されるように、指数関数的であるが測定可能で異なる寿命τＢを有する減衰プロファイルを有することができ、その指数関数的減衰関数は、
Figure 2022516918000005
であり、ここでＰＢ０は、初期発光確率である。図示されている例では、曲線Ｂの第２の蛍光分子の寿命は、曲線Ａの寿命よりも短く、発光の確率は、第２の分子の励起直後では曲線Ａの場合よりも高い。いくつかの実施形態では、異なる蛍光分子は、約０．１ｎｓから約２０ｎｓの範囲の寿命または半減期値を有し得る。
本発明者らは、異なる蛍光分子の有無を判別し、および／または蛍光分子がさらされる異なる環境または条件を判別するために、蛍光発光寿命の差が使用され得ることを認識して理解した。いくつかの事例では、寿命（たとえば、発光波長ではなく）に基づいて蛍光分子を判別することによって、機器５－１０４の態様を単純化することができる。例として、寿命に基づいて蛍光分子を判別する場合、波長弁別光学系（波長フィルタ、波長毎の専用検出器、異なる波長における専用パルス光源、および／または回折光学系）の数を減らすか、またはそれらを取り除くことができる。いくつかの事例では、光学スペクトルの同じ波長領域内で発光する蛍光分子であるが、測定可能な異なる寿命を有する異なる蛍光分子を励起するために、単一の固有波長で動作する単一のパルス光源が使用され得る。同じ波長領域内で発光する異なる蛍光分子を励起および判別するために、異なる波長で動作する複数の光源ではなく単一のパルス光源を使用する分析システムは、動作およびメンテナンスの複雑さが低減され、よりコンパクトにすることができ、より低コストで製造され得る。
蛍光寿命分析に基づく分析システムは、特定の利点を有することができるが、分析システムによって得られる情報の量および／または検出精度は、追加的な検出技術を可能にすることによって向上され得る。たとえば、いくつかの分析システム５－１６０は、蛍光波長および／または蛍光強度に基づいて試料の１つまたは複数の特性を判別するようにさらに構成され得る。
図５－４を再び参照すると、いくつかの実施形態によれば、蛍光分子の励起の後の蛍光発光事象を時間ビニングするように構成された光検出器を用いて、異なる蛍光寿命が区別され得る。時間ビニングは、光検出器の単一の電荷蓄積サイクル中に発生し得る。電荷蓄積サイクルは、光生成キャリアが時間ビニング光検出器のビンに蓄積される、読み出し事象の間の間隔である。発光事象の時間ビニングによって蛍光寿命を決定する概念が図５－５にグラフで紹介される。ｔ１の直前の時刻ｔｅにおいて、蛍光分子または同じタイプ（たとえば、図５－４の曲線Ｂに対応するタイプ）の蛍光分子の集合が、短または超短光パルスによって励起される。分子の大きい集合の場合、発光の強度は、図５－５に示されるように曲線Ｂと同様の時間プロファイルを有し得る。
しかしながら、単一の分子または少数の分子の場合、蛍光光子の放出は、この例では、図５－４の曲線Ｂの統計値に従って生じる。時間ビニング光検出器５－３２２は、発光事象から発生したキャリアを、蛍光分子の励起時間に関して時間分解された個別の時間ビン（図５－５には３つが示されている）に蓄積することができる。多数の発光事象が合計される場合、時間ビンに蓄積されたキャリアは、図５－５に示される減衰強度曲線を近似することができ、ビニングされた信号を使用して、異なる蛍光分子または蛍光分子が位置する異なる環境を区別することができる。時間ビニング光検出器の例は、全体において本願明細書に援用する「受け取られた光子の時間ビニングのための集積デバイス（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＴＥＭＰＯＲＡＬ ＢＩＮＮＩＮＧ ＯＦ ＲＥＣＥＩＶＥＤ ＰＨＯＴＯＮＳ）」という名称の２０１５年８月７日に出願された米国特許出願第１４／８２１，６５６号に説明されている。時間ビニング光検出器のさらなる例は、全体において本願明細書に援用する「直接ビニングピクセルを備える集積光検出器（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＰＨＯＴＯＤＥＴＥＣＴＯＲ ＷＩＴＨ ＤＩＲＥＣＴ ＢＩＮＮＩＮＧ ＰＩＸＥＬ）」という名称の２０１７年１２月２２日に出願された米国特許出願第１５／８５２，５７１号に説明されている。
いくつかの実施形態では、時間ビニング光検出器は、光子吸収／キャリア発生領域において電荷キャリアを発生させ、電荷キャリアを、電荷キャリア貯蔵領域内の電荷キャリア貯蔵ビンに対して直接移送することができる。そのような時間ビニング光検出器は「直接ビニングピクセル」と呼ばれることがある。直接ビニングピクセルの例は、全体において本願明細書に援用する「直接ビニングピクセルを備える集積光検出器（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＰＨＯＴＯＤＥＴＥＣＴＯＲ ＷＩＴＨ ＤＩＲＥＣＴ ＢＩＮＮＩＮＧ ＰＩＸＥＬ）」という名称の２０１７年１２月２２日に出願された米国特許出願第１５／８５２，５７１号に説明されている。説明のため、時間ビニング光検出器の非限定的な実施形態が図５－６に示されている。図５－６に示されるように、時間ビニング光検出器５－９５０は、光子吸収／キャリア発生領域５－９５２、電荷キャリア貯蔵領域５－９５８のビン、および電荷キャリア貯蔵領域５－９５８のビンから信号を読み出す読み出し回路５－９６０を備える。電荷キャリアが移送される先のビンは、電荷キャリアを生成する光子吸収／キャリア発生領域５－９５２における光子の到着時間に基づく。図５－６は、電荷キャリア貯蔵領域５－９５８における２つのビン、すなわちビン０およびビン１を有する時間ビニング光検出器の例を示している。いくつかの事例では、ビン０は、トリガ事象（たとえば、励起光のパルス）後の１つの期間において受け取られる電荷キャリアを集約することができ、ビン１は、トリガ事象に対して後の時間期間において受け取られる電荷キャリアを集約することができる。しかしながら、電荷貯蔵領域５－９５８は、１個のビン、３個のビン、４個のビンまたはそれより多数といった任意の数のビンを有することができる。時間ビニング光検出器５－９５０は、電圧を印加して電位勾配を確立して電荷キャリアを方向付けるように構成され得る電極５－９５３、５－９５５、および５－９５６を備えることができる。時間ビニング光検出器５－９５０は、除去領域５－９６５を備えることができ、除去領域５－９６５は、ドレインとして作用し得るか、または光子吸収／キャリア発生領域５－９５２において生成される電荷キャリアを廃棄するように構成され得る。電荷キャリアが除去領域５－９６５によって除去される時間期間は、励起光パルスなどのトリガ事象中に生じるようにタイミングを取ることができる。
励起光パルスは、光子吸収／キャリア発生領域５－９５２においていくつかの望ましくない電荷キャリアを生成する可能性があるので、電位勾配がピクセル５－９５０において確立され、除去期間中にそのような電荷キャリアを除去領域５－９６５に排出することができる。例として、除去領域５－９６５は、電子が供給電圧に排出される高電位拡散エリアを含むことができる。除去領域５－９６５は、領域５－９５２を除去領域５－９６５に対し直接的に電荷結合する電極５－９５６を備えることができる。電極５－９５６の電圧は、光子吸収／キャリア発生領域５－９５２において所望の電位勾配を確立するように変化され得る。除去期間中に、電極５－９５６の電圧は、光子吸収／キャリア発生領域５－９５２から電極５－９５６へとキャリアを引き込み、供給電圧へ出すレベルに設定することができる。たとえば、電極５－９５６の電圧は、電子が光子吸収／キャリア発生領域５－９５２から除去領域５－９６５に引き離されるように、正の電圧に設定されて電子を引き付けることができる。除去領域５－９６５は、キャリアを領域５－９５２からドレインへ横方向に移送することを可能にするので、「横方向除去領域」とみなされ得る。
除去期間の後、光子吸収／キャリア生成領域５－９５２で生成された光生成電荷キャリアは、時間ビンニングされ得る。個々の電荷キャリアは、到着時間に基づいてビンに向けられ得る。そうするために、光子吸収／キャリア生成領域５－９５２と電荷キャリア蓄積領域５－９５８との間の電位は、それぞれの時間期間に変化されて、光生成された電荷キャリアをそれぞれの時間ビンに向けさせる電位勾配を確立し得る。たとえば、第１の時間期間中に、電極５－９５３により形成された障壁５－９６２が下げられてよく、光子吸収／キャリア発生領域５－９５２からビン０への電位勾配が確立されてよく、したがって、この期間中に生成されたキャリアがビン０に対して移送される。次いで、第２の時間期間中に、電極５－９５５により形成された障壁５－９６４が下げられてよく、光子吸収／キャリア発生領域５－９５２からビン１への電位勾配が確立されてよく、したがって、後のこの期間中に発生するキャリアがビン１に対して移送される。
いくつかの実装形態では、図５－７Ａにて示されるように、平均して単一の光子のみが励起事象後にフルオロフォアから放出され得る。時点ｔｅ１における第１の励起事象の後に、時点ｔｆ１における放出される光子は、第１の時間間隔内で生じることができ、結果として生じる電子信号は第１の電子貯蔵ビンに蓄積される（ビン１に寄与する）。時点ｔｅ２における後続の励起事象において、時点ｔｆ２における放出される光子は、第２の時間間隔内で生じることができ、結果として生じる電子信号はビン２に寄与する。同様に、時点ｔｅ３における後続の励起事象において、時点ｔｆ３における放出される光子は、第１の時間間隔内で生じることができ、結果として生じる電子信号はビン１に寄与する。
多数の励起事象および信号蓄積の後、時間ビニング光検出器５－３２２の電子貯蔵ビンが読み出され、試料ウェルの多値信号（たとえば、２つ以上の値のヒストグラム、Ｎ次元ベクトルなど）を提供することができる。各ビンの信号値は、フルオロフォアの減衰速度に依存し得る。たとえば、図５－４を再び参照すると、減衰曲線Ｂを有するフルオロフォアは、減衰曲線Ａを有するフルオロフォアよりも、ビン１からビン２においてより高い信号の比を有している。ビンからの値が分析され、較正値に対しておよび／または互いに比較されて、特定のフルオロフォアを決定することができ、次いで、これにより、試料ウェル内にあるときにフルオロフォアに対し結合されるヌクレオチドもしくはヌクレオチド類似体（または、対象の任意の他の分子もしくは試料）を同定する。
信号分析の理解をさらに助けるために、蓄積されたマルチビン値が、たとえば図５－７Ｂに示されるようにヒストグラムとしてプロットされ得るか、またはＮ次元空間内のベクトルもしくは位置として記録され得る。較正の実行を別個に行って、４つのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体に結合された４つの異なるフルオロフォアの多値信号（たとえば、較正ヒストグラム）の較正値を取得することができる。例として、較正ヒストグラムは、図５－８Ａ（Ｔヌクレオチドに関連付けられた蛍光標識）、図５－８Ｂ（Ａヌクレオチドに関連付けられた蛍光標識）、図５－８Ｃ（Ｃヌクレオチドに関連付けられた蛍光標識）、および図５－８Ｄ（Ｇヌクレオチドに関連付けられた蛍光標識）に示されるように現れ得る。測定された多値信号（図５－７Ｂのヒストグラムに対応する）の較正多値信号との比較によって、ＤＮＡの伸長鎖へと取り込まれているヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体のアイデンティティ「Ｔ」（図５－８Ａ）を決定することができる。
いくつかの実装形態では、異なるフルオロフォアを区別するために、蛍光強度が追加的または代替的に使用され得る。たとえば、フルオロフォアによっては、それらの減衰率が類似し得る場合であっても、大きく異なる強度で発光することがあり、またはそれらの励起確率に大きな差（たとえば、少なくとも約３５％の差）を有することがある。測定された励起光ビン０に対して、ビニングされた信号（ビン１～３）を参照することによって、強度レベルに基づいて異なるフルオロフォアを区別することが可能であり得る。
いくつかの実施形態では、同じタイプの異なる数のフルオロフォアが、異なるヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体に結合され得るため、ヌクレオチドが蛍光強度に基づいて同定されることが可能である。たとえば、２つのフルオロフォアが第１のヌクレオチド（たとえば「Ｃ」）またはヌクレオチド類似体に結合され、４つ以上のフルオロフォアが第２のヌクレオチド（たとえば「Ｔ」）またはヌクレオチド類似体に結合され得る。フルオロフォアの数が異なるため、異なるヌクレオチドに関連付けられた異なる励起およびフルオロフォア発光確率があり得る。たとえば、信号蓄積間隔中に「Ｔ」ヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体についてより多くの発光事象があり、そのため、これらのビンの見かけの強度が「Ｃ」ヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体よりも大幅に高いことがある。
本発明者らは、フルオロフォアの減衰率および／またはフルオロフォアの強度に基づいてヌクレオチドまたは任意の他の生物学的もしくは化学的試料を区別することにより、機器５－１０４における光励起および検出システムの単純化を可能にすることを認識して理解した。たとえば、光励起は、単一波長源（たとえば、複数の光源または複数の異なる固有波長で動作する光源ではなく、１つの固有波長を生成する光源）を用いて実施されてよい。また、波長弁別光学系およびフィルタが検出システムにおいて必要とされないことがある。また、単一の光検出器を各試料ウェルに使用して、異なるフルオロフォアからの発光を検出してもよい。
「固有波長」または「波長」という語句は、限定された放射帯域幅内の中心波長または主波長（たとえば、パルス光源により出力された２０ｎｍ帯域幅内の中心波長またはピーク波長）を指すために使用される。いくつかの事例では、「固有波長」または「波長」は、光源により出力される放射の全帯域幅内のピーク波長を指すために使用され得る。
本発明者らは、約５６０ｎｍと約９００ｎｍの間の範囲の発光波長を有するフルオロフォアが、時間ビニング光検出器（ＣＭＯＳプロセスを使用してシリコン・ウェハ上に製造され得る）によって検出されるのに十分な量の蛍光発光を提供できることを認識して理解した。これらのフルオロフォアは、ヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体などの対象とする生体分子に結合され得る。この波長範囲の蛍光発光は、シリコンベースの光検出器において、より長い波長の蛍光発光よりも高い応答性で検出され得る。また、この波長範囲におけるフルオロフォアおよび関連付けられたリンカは、ＤＮＡの伸長鎖へのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体の取り込みに干渉しないものであり得る。また、本発明者らは、約５６０ｎｍから約６６０ｎｍの範囲の発光波長を有するフルオロフォアが単一波長源を用いて光励起され得ることを認識して理解した。この範囲内の例示的なフルオロフォアは、マサチューセッツ州ウォルサム（Ｗａｌｔｈａｍ）所在のサーモフィッシャーサイエンティフィックインコーポレイテッド社（Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｃ．）から入手可能なＡｌｅｘａ Ｆｌｕｏｒ ６４７である。また、本発明者らは、より短い波長（たとえば、約５００ｎｍと約６５０ｎｍの間）の励起光が、約５６０ｎｍと約９００ｎｍの間の波長で発光するフルオロフォアを励起するために必要とされ得ることを認識して理解した。いくつかの実施形態では、時間ビニング光検出器は、たとえば、Ｇｅのような他の材料を光検出器活性領域へと組み込むことによって、試料からのより長い波長の発光を効率的に検出することができる。
いくつかの実施形態では、試料は１つまたは複数のマーカで標識されることができ、マーカに関連付けられた発光が機器によって判別可能となる。たとえば、光検出器は、放出光からの光子を電子へと変換して、特定のマーカからの放出光に依存する寿命を判別するために使用され得る電気信号を形成するように構成され得る。異なる寿命のマーカを使用して試料を標識することにより、その結果生じて光検出器によって検出される電気信号に基づいて、特定の試料が同定され得る。
試料は、複数のタイプの分子を含むことができ、異なる発光マーカは一意に分子タイプと関連し得る。発光マーカは、励起中または励起後に放出光を放出し得る。放出光の１つまたは複数の特性が、試料中の１つまたは複数のタイプの分子を同定するために使用され得る。分子のタイプを区別するために使用される放出光の特性は、蛍光寿命値、強度、および／または発光波長を含み得る。光検出器は、光子（放出光の光子を含む）を検出し、これらの特性のうちの１つまたは複数を示す電気信号を提供し得る。いくつかの実施形態では、光検出器からの電気信号が、１つまたは複数の時間間隔にわたる光子到着時間の分布に関する情報を提供することができる。光子到着時間の分布は、励起光のパルスが励起源によって放出された後に光子が検出されるときに対応し得る。時間間隔についての値は、その時間間隔中に検出された光子の数に対応し得る。複数の時間間隔にわたる相対値は、放出光の時間的特徴の指標（たとえば、寿命）を提供することができる。試料を分析することは、分布内の２つ以上の異なる時間間隔についての値を比較することによって、マーカを区別することを含むことができる。いくつかの実施形態では、強度の指標は、分布内のすべての時間ビンにわたる光子の数を決定することによって提供され得る。
ＩＶ．結論
上述された実施形態は、様々な組み合わせで実施され得る。例示的な構成は、以下の構成（１）～（１９）、（２０）～（３４）、（３５）～（４２）、および（４３）～（４８）、ならびに方法（４９）～（６７）、（６８）～（８２）、（８３）～（９１）、および（９２）～（９６）を含む。
（１）集積フォトニック・デバイスであって、一行に配列された複数の試料ウェルと、行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置された第１の導波路と、試料ウェルの行とは別の集積フォトニック・デバイスの領域から光を受け取り、第１の導波路と光学的に結合するように構成されたパワー導波路とを備える集積フォトニック・デバイス。
（２）第１の導波路は、第１の導波路の長さに沿ってパワー導波路と光学的に結合するように構成される、（１）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（３）第１の導波路は、パワー導波路とエバネッセント結合するように構成される、（１）または（２）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（４）パワー導波路は、第１の導波路よりも広い幅を有する、（１）～（３）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（５）パワー導波路は、光パワーの第１の部分を第１の導波路に光学的に結合し、光パワーの第２の部分を第２の導波路に光学的に結合するように構成される、（１）～（４）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（６）第２の導波路は、行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される、（５）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（７）第２の行に配列された第２の複数の試料ウェルをさらに備え、第２の導波路は、第２の行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される、（５）または（６）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（８）パワー導波路は、第１の結合係数を有する第１の方向性カプラを介して第１の導波路と光学的に結合し、第２の結合係数を有する第２の方向性カプラを介して第２の導波路と光学的に結合するように構成され、第２の結合係数は、第１の結合係数よりも大きい、（１）～（３）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（９）第２の導波路は、行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される、（８）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（１０）第１の方向性カプラは、第２の方向性カプラよりもパワー導波路の光入力により近接して配置される、（８）または（９）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（１１）第２の行に配列された第２の複数の試料ウェルをさらに備え、第２の導波路は、第２の行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される、（８）～（１０）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（１２）パワー導波路は、約１００μｍ未満の結合長を有する方向性カプラを介して第１の導波路と光学的に結合するように構成される、（１）～（１１）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（１３）パワー導波路と第１の導波路との間の結合強度は、パワー導波路を通る光伝播の方向に沿って増加する、（１）～（１２）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（１４）第１の導波路は、パワー導波路よりも高い伝播損失を有する、（１）～（１３）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（１５）集積フォトニック・デバイスの表面から光を受け取り、パワー導波路と光学的に結合するように構成された格子カプラをさらに備える、（１）～（１４）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（１６）第２の導波路をさらに備え、第１の導波路は、行内の第１の試料ウェルと光学的に結合するように構成され、第２の導波路は、行内の第２の試料ウェルと光学的に結合するように構成される、（１）～（１５）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（１７）第１の導波路はテーパ端部を有する、（１）～（１６）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（１８）第１の導波路は、テーパ端部から離れた位置でパワー導波路とエバネッセント結合するように構成される、（１７）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（１９）２つ以上の試料ウェルのそれぞれから放出される光を受け取るように配置された１つ以上の光検出器をさらに備える、（１）～（１８）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（２０）複数の行に配列された試料ウェルのアレイと、一行内の試料ウェルの第１のグループと光学的に結合するように配置された第１の導波路、および行内の試料ウェルの第２のグループと光学的に結合するように配置された第２の導波路を備える、複数の導波路とを備える集積フォトニック・デバイス。
（２１）行内の試料ウェルの第３のグループが、第１のグループと第２のグループとの間に配置される、（２０）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（２２）第３のグループの試料ウェルは、第１のグループの試料ウェルおよび／または第２のグループの試料ウェルよりも少ない光学パワーを受け取るように構成される、（２１）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（２３）第１の導波路は、第１のグループの試料ウェルから第１の距離にあり、第３のグループの試料ウェルから第２の距離にあり、第１の距離は、第２の距離よりも短い、（２２）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（２４）第２の導波路は、第２のグループの試料ウェルから第３の距離にあり、第３のグループの試料ウェルから第４の距離にあり、第３の距離は、第４の距離よりも短い、（２３）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（２５）第１の導波路は、試料ウェルの第１のグループと試料ウェルの第２のグループとの間の領域において湾曲している、（２０）～（２４）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（２６）第２の導波路は、領域において湾曲している、（２５）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（２７）第１の導波路は、第１のグループの各試料ウェルとエバネッセント結合するように配置され、第２の導波路は、第２のグループの各試料ウェルとエバネッセント結合するように配置される、（２０）～（２６）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（２８）第１の導波路は、試料ウェルの第１のグループとエバネッセント結合するように構成された部分に沿ってテーパ状にされ、第２の導波路は、試料ウェルの第２のグループとエバネッセント結合するように構成された部分に沿ってテーパ状にされる、（２０）～（２７）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（２９）集積フォトニック・デバイスは、集積フォトニック・デバイスの表面から光を受け取り、複数の導波路と光学的に結合するように構成された格子カプラをさらに備える、（２０）～（２８）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（３０）第１の導波路は、試料ウェルの第２のグループから光学的に分離され、第２の導波路は、試料ウェルの第１のグループから光学的に分離される、（２０）～（２９）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（３１）第１のグループの試料ウェルは、軸に沿って第２のグループの試料ウェルと実質的に整列される、（２０）～（３０）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（３２）第１の導波路の少なくとも一部分が、軸に対して実質的に平行である、（３１）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（３３）第２の導波路の少なくとも一部分が、軸に対して実質的に平行である、（３２）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（３４）第１のグループの各試料ウェルから放出される光を受け取るように構成された１つ以上の光検出器をさらに備える、（２０）～（３３）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（３５）集積フォトニック・デバイスであって、１つ以上の導波路と、光結合領域であって、１つ以上の導波路に光学的に結合され、集積フォトニック・デバイスの表面に入射する光を受け取るように構成された格子カプラであり、表面に実質的に平行な平面に関して非対称である材料構造を有する格子カプラ、および、格子カプラと重なる領域に近接して配置され、格子カプラに入射する光を受け取るように構成された１つ以上の監視センサを備える光結合領域とを備える集積フォトニック・デバイス。
（３６）平面は、格子カプラの軸を通過する、（３５）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（３７）材料構造のうちの１つ以上が、平面に実質的に平行な方向で互いに横方向にオフセットされた２つ以上の材料層を備える、（３５）または（３６）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（３８）格子カプラは、互いに接触する２つ以上の材料層を備える、（３５）～（３７）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（３９）格子カプラは、互いに距離を置いて離間された２つ以上の材料層を備える、（３５）～（３８）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（４０）材料構造のうちの１つ以上が、部分的にエッチングされた材料部分を備える、（３５）～（３９）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（４１）材料構造のうちの１つ以上が、完全にエッチングされた材料部分を備える、（３５）～（４０）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（４２）格子カプラはブレーズド格子カプラである、（３５）～（４１）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（４３）材料構造のうちの１つ以上が、表面に実質的に垂直な平面に対して非対称である、（３５）～（４２）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（４４）集積フォトニック・デバイスであって、１つ以上の導波路と、光結合領域であって、１つ以上の導波路に光学的に結合され、集積フォトニック・デバイスの表面に入射する光を受け取るように構成された格子カプラであり、可変フィル・ファクタで互いに離間された材料構造を有する格子カプラ、および、格子カプラと重なる領域に近接して配置され、格子カプラに入射する光を受け取るように構成された１つ以上の監視センサを備える光結合領域とを備える集積フォトニック・デバイス。
（４５）材料構造のうちの１つ以上が、部分的にエッチングされた材料部分を備える、（４４）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（４６）材料構造は、可変幅を有するギャップによって互いに離間される、（４４）または（４５）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（４７）格子カプラは、ギャップ内に形成された誘電体材料を備える、（４６）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（４８）材料構造は可変幅を有する、（４４）～（４７）に記載の集積フォトニック・デバイス。
（４９）集積フォトニック・デバイスを形成する方法であって、一行に配列された複数の試料ウェルを形成する工程と、行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置された第１の導波路を形成する工程と、試料ウェルの行とは別の集積フォトニック・デバイスの領域から光を受け取り、第１の導波路と光学的に結合するように構成された、パワー導波路を形成する工程と、を備える方法。
（５０）第１の導波路は、第１の導波路の長さに沿ってパワー導波路と光学的に結合するように構成される、（４９）に記載の方法。
（５１）第１の導波路は、パワー導波路とエバネッセント結合するように構成される、（４９）または（５０）に記載の方法。
（５２）パワー導波路は、第１の導波路よりも広い幅を有する、（４９）～（５１）に記載の方法。
（５３）パワー導波路は、光パワーの第１の部分を第１の導波路に光学的に結合し、光パワーの第２の部分を第２の導波路に光学的に結合するように構成される、（４９）～（５２）に記載の方法。
（５４）第２の導波路は、行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される、（５３）に記載の方法。
（５５）第２の行に配列された第２の複数の試料ウェルを形成する工程をさらに備え、第２の導波路は、第２の行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される、（５３）または（５４）に記載の方法。
（５６）パワー導波路は、第１の結合係数を有する第１の方向性カプラを介して第１の導波路と光学的に結合し、第２の結合係数を有する第２の方向性カプラを介して第２の導波路と光学的に結合するように構成され、第２の結合係数は、第１の結合係数よりも大きい、（４９）～（５５）に記載の方法。
（５７）第２の導波路は、行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される、（５６）に記載の方法。
（５８）第１の方向性カプラは、第２の方向性カプラよりもパワー導波路の光入力により近接して配置される、（５６）または（５７）に記載の方法。
（５９）第２の行に配列された第２の複数の試料ウェルを形成する工程をさらに備え、第２の導波路は、第２の行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される、（５６）～（５８）に記載の方法。
（６０）パワー導波路は、約１００μｍ未満の結合長を有する方向性カプラを介して第１の導波路と光学的に結合するように構成される、（４９）～（５９）に記載の方法。
（６１）パワー導波路と第１の導波路との間の結合強度は、パワー導波路を通る光伝播の方向に沿って増加する、（４９）～（６０）に記載の方法。
（６２）第１の導波路は、パワー導波路よりも高い伝播損失を有する、（４９）～（６１）に記載の方法。
（６３）集積フォトニック・デバイスの表面から光を受け取り、パワー導波路と光学的に結合するように構成された、格子カプラを形成する工程をさらに備える、（４９）～（６２）に記載の方法。
（６４）第２の導波路を形成する工程をさらに備え、第１の導波路は、行内の第１の試料ウェルと光学的に結合するように構成され、第２の導波路は、行内の第２の試料ウェルと光学的に結合するように構成される、（４９）～（６３）に記載の方法。
（６５）第１の導波路はテーパ端部を有する、（４９）～（６４）に記載の方法。
（６６）第１の導波路は、テーパ端部から離れた位置でパワー導波路とエバネッセント結合するように構成される、（６５）に記載の方法。
（６７）２つ以上の試料ウェルのそれぞれから放出される光を受け取るように配置された１つ以上の光検出器を形成する工程をさらに備える、（４９）～（６６）に記載の方法。
（６８）複数の行に配列された試料ウェルのアレイを形成する工程と、複数の導波路を形成する工程であって、複数の導波路は、一行内の試料ウェルの第１のグループと光学的に結合するように配置された第１の導波路、および行内の試料ウェルの第２のグループと光学的に結合するように配置された第２の導波路を含む、工程と、を備える、集積フォトニック・デバイスを形成する方法。
（６９）行内の試料ウェルの第３のグループが、第１のグループと第２のグループとの間に配置される、（６８）に記載の方法。
（７０）第３のグループの試料ウェルは、第１のグループの試料ウェルおよび／または第２のグループの試料ウェルよりも少ない光学パワーを受け取るように構成される、（６９）に記載の方法。
（７１）第１の導波路は、第１のグループの試料ウェルから第１の距離にあり、第３のグループの試料ウェルから第２の距離にあり、第１の距離は、第２の距離よりも短い、（７０）に記載の方法。
（７２）第２の導波路は、第２のグループの試料ウェルから第３の距離にあり、第３のグループの試料ウェルから第４の距離にあり、第３の距離は、第４の距離よりも短い、（７１）に記載の方法。
（７３）第１の導波路は、試料ウェルの第１のグループと試料ウェルの第２のグループとの間の領域において湾曲している、（６８）～（７２）に記載の方法。
（７４）第２の導波路は、領域において湾曲している、（７３）に記載の方法。
（７５）第１の導波路は、第１のグループの各試料ウェルとエバネッセント結合するように配置され、第２の導波路は、第２のグループの各試料ウェルとエバネッセント結合するように配置される、（６８）～（７４）に記載の方法。
（７６）第１の導波路は、試料ウェルの第１のグループとエバネッセント結合するように構成された部分に沿ってテーパ状にされ、第２の導波路は、試料ウェルの第２のグループとエバネッセント結合するように構成された部分に沿ってテーパ状にされる、（６８）～（７５）に記載の方法。
（７７）集積フォトニック・デバイスの表面から光を受け取り、複数の導波路と光学的に結合するように構成された、格子カプラを形成する工程をさらに備える、（６８）～（７６）に記載の方法。
（７８）第１の導波路は、試料ウェルの第２のグループから光学的に分離され、第２の導波路は、試料ウェルの第１のグループから光学的に分離される、（６８）～（７７）に記載の方法。
（７９）第１のグループの試料ウェルは、軸に沿って第２のグループの試料ウェルと実質的に整列される、（６８）～（７８）に記載の方法。
（８０）第１の導波路の少なくとも一部分が、軸に対して実質的に平行である、（７９）に記載の方法。
（８１）第２の導波路の少なくとも一部分が、軸に対して実質的に平行である、（８０）に記載の方法。
（８２）第１のグループの各試料ウェルから放出される光を受け取るように構成された１つ以上の光検出器を形成する工程をさらに備える、（６８）～（８１）に記載の方法。
（８３）集積フォトニック・デバイスを形成する方法であって、１つ以上の導波路を形成する工程と、光結合領域を形成する工程であって、光結合領域は、１つ以上の導波路に光学的に結合され、集積フォトニック・デバイスの表面に入射する光を受け取るように構成された格子カプラであり、表面に実質的に平行な平面に関して非対称である材料構造を有する格子カプラ、および、格子カプラと重なる領域に近接して配置され、格子カプラに入射する光を受け取るように構成された１つ以上の監視センサを備える、工程と、を備える方法。
（８４）平面は、格子カプラの軸を通過する、（８３）に記載の方法。
（８５）材料構造のうちの１つ以上が、平面に実質的に平行な方向で互いに横方向にオフセットされた２つ以上の材料層を備える、（８３）または（８４）に記載の方法。
（８６）格子カプラは、互いに接触する２つ以上の材料層を備える、（８３）～（８５）に記載の方法。
（８７）格子カプラは、互いに距離を置いて離間された２つ以上の材料層を備える、（８３）～（８６）に記載の方法。
（８８）材料構造のうちの１つ以上が、部分的にエッチングされた材料部分を備える、（８３）～（８７）に記載の方法。
（８９）材料構造のうちの１つ以上が、完全にエッチングされた材料部分を備える、（８３）～（８８）に記載の方法。
（９０）格子カプラはブレーズド格子カプラである、（８３）～（８９）に記載の方法。
（９１）材料構造のうちの１つ以上が、表面に実質的に垂直な平面に対して非対称である、（８３）～（９０）に記載の方法。
（９２）集積フォトニック・デバイスを形成する方法であって、１つ以上の導波路を形成する工程と、光結合領域を形成する工程であって、光結合領域は、１つ以上の導波路に光学的に結合され、集積フォトニック・デバイスの表面に入射する光を受け取るように構成された格子カプラであり、可変フィル・ファクタで互いに離間された材料構造を有する格子カプラ、および、格子カプラと重なる領域に近接して配置され、格子カプラに入射する光を受け取るように構成された１つ以上の監視センサを備える、工程と、を備える方法。
（９３）材料構造のうちの１つ以上が、部分的にエッチングされた材料部分を備える、（９２）に記載の方法。
（９４）材料構造は、可変幅を有するギャップによって互いに離間される、（９２）または（９３）に記載の方法。
（９５）格子カプラは、ギャップ内に形成された誘電体材料を備える、（９２）～（９４）に記載の方法。
（９６）材料構造は可変幅を有する、（９２）～（９５）に記載の方法。
このように本出願の技術のいくつかの態様および実施形態を説明したが、当業者には種々の変更、修正、および改良が容易に想到されることが理解される。そのような変更、修正、および改良は、本出願に記載された技術の趣旨および範囲内であることが意図されている。したがって、上述の実施形態は例示としてのみ提示され、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で、発明の実施形態は、具体的に説明されたのと異なる態様で実施され得ることが理解される。また、本願明細書に記載された２つ以上の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾しなければ、本開示の発明の範囲内に含まれる。
また、説明されたように、いくつかの態様は１つまたは複数の方法として具現化され得る。方法の一部として実施される動作は、任意の適切な方法で順序付けられてよい。したがって、動作が例示されたのとは異なる順序で実施される実施形態が構成されてよく、これは、例示的な実施形態において連続的動作として示されたとしても、同時にいくつかの動作を実施することを含み得る。
本願明細書で規定されおよび使用されるすべての定義は、辞書の定義、本願明細書に援用する文献における定義、および／または定義された用語の通常の意味に優先するものとして理解される。
本願明細書および特許請求の範囲で使用される「１つ」（不定冠詞「ａ」および「ａｎ」）は、明確に異なる指示がない限り、「１つ以上」を意味するものと理解される。
本願明細書および特許請求の範囲で使用される「および／または」という語句は、そのように結合された要素、すなわち、いくつかの事例では連言的に存在し他の事例では選言的に存在する要素の「いずれかまたは両方」を意味するものと理解される。
本願明細書および特許請求の範囲で使用される場合、１つまたは複数の要素のリストを参照する「１つ以上」という語句は、要素のリストにおける要素の任意の１つまたは複数から選択される１つ以上の要素を意味するが、要素のリスト内に具体的に挙げられたすべての要素の１つ以上を必ずしも含まず、また、要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを排除するものではないことが理解され、また、この定義は、「１つ以上」という語句が参照する要素のリスト内で具体的に識別される要素以外の要素が、具体的に識別されたそれらの要素に関連するか関連しないかにかかわらず、任意選択で存在し得ることを可能にする。
特許請求の範囲および上記の本願明細書において、「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「含有する」、「伴う」、「保持する」、「から構成される」などのすべての移行句は、非限定的であり、すなわち、含むが限定されないことを意味するものとして理解される。「からなる」および「から本質的になる」という移行句は、それぞれ排他的なまたは半排他的な移行句であるものとする。

Claims (96)

  1. 集積フォトニック・デバイスであって、
    一行に配列された複数の試料ウェルと、
    前記行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置された第１の導波路と、
    前記集積フォトニック・デバイスにおける試料ウェルの前記行とは別の領域から光を受け取り、前記第１の導波路と光学的に結合するように構成されたパワー導波路と
    を備える集積フォトニック・デバイス。
  2. 前記第１の導波路は、前記第１の導波路の長さに沿って前記パワー導波路と光学的に結合するように構成される、請求項１に記載の集積フォトニック・デバイス。
  3. 前記第１の導波路は、前記パワー導波路とエバネッセント結合するように構成される、請求項１または２に記載の集積フォトニック・デバイス。
  4. 前記パワー導波路は、前記第１の導波路よりも広い幅を有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  5. 前記パワー導波路は、光パワーの第１の部分を前記第１の導波路に光学的に結合し、光パワーの第２の部分を第２の導波路に光学的に結合するように構成される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  6. 前記第２の導波路は、前記行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される、請求項５またはいずれかの他の前記請求項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  7. 第２の行に配列された第２の複数の試料ウェルをさらに備え、前記第２の導波路は、前記第２の行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される、請求項５またはいずれかの他の前記請求項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  8. 前記パワー導波路は、第１の結合係数を有する第１の方向性カプラを介して前記第１の導波路と光学的に結合し、第２の結合係数を有する第２の方向性カプラを介して第２の導波路と光学的に結合するように構成され、前記第２の結合係数は、前記第１の結合係数よりも大きい、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  9. 前記第２の導波路は、前記行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される、請求項８またはいずれかの他の前記請求項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  10. 前記第２の方向性カプラと比較して、前記第１の方向性カプラの方が前記パワー導波路の光入力により近接して配置される、請求項８またはいずれかの他の前記請求項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  11. 第２の行に配列された第２の複数の試料ウェルをさらに備え、前記第２の導波路は、前記第２の行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される、請求項８またはいずれかの他の前記請求項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  12. 前記パワー導波路は、約１００μｍ未満の結合長を有する方向性カプラを介して前記第１の導波路と光学的に結合するように構成される、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  13. 前記パワー導波路と前記第１の導波路との間の結合強度は、前記パワー導波路を通る光伝播の方向に沿って増加する、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  14. 前記第１の導波路は、前記パワー導波路よりも高い伝播損失を有する、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  15. 前記集積フォトニック・デバイスの表面から光を受け取り、前記パワー導波路と光学的に結合するように構成された格子カプラをさらに備える、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  16. 第２の導波路をさらに備え、前記第１の導波路は、前記行内の第１の試料ウェルと光学的に結合するように構成され、第２の導波路は、前記行内の第２の試料ウェルと光学的に結合するように構成される、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  17. 前記第１の導波路はテーパ端部を有する、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  18. 前記第１の導波路は、前記テーパ端部から離れた位置で前記パワー導波路とエバネッセント結合するように構成される、請求項１７またはいずれかの他の前記請求項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  19. ２つ以上の試料ウェルのそれぞれから放出される光を受け取るように配置された１つ以上の光検出器をさらに備える、請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  20. 複数の行に配列された試料ウェルのアレイと、
    一行内の試料ウェルの第１のグループと光学的に結合するように配置された第１の導波路、および前記行内の試料ウェルの第２のグループと光学的に結合するように配置された第２の導波路を含む、複数の導波路と
    を備える集積フォトニック・デバイス。
  21. 前記行内の試料ウェルの第３のグループが、前記第１のグループと前記第２のグループとの間に配置される、請求項２０に記載の集積フォトニック・デバイス。
  22. 前記第３のグループの試料ウェルは、前記第１のグループの試料ウェルおよび／または前記第２のグループの試料ウェルよりも少ない光学パワーを受け取るように構成される、請求項２１またはいずれかの他の前記請求項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  23. 前記第１の導波路は、前記第１のグループの試料ウェルから第１の距離にあり、前記第３のグループの前記試料ウェルから第２の距離にあり、前記第１の距離は、前記第２の距離よりも短い、請求項２２またはいずれかの他の前記請求項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  24. 前記第２の導波路は、前記第２のグループの試料ウェルから第３の距離にあり、前記第３のグループの前記試料ウェルから第４の距離にあり、前記第３の距離は、前記第４の距離よりも短い、請求項２３またはいずれかの他の前記請求項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  25. 前記第１の導波路は、試料ウェルの前記第１のグループと試料ウェルの前記第２のグループとの間の領域において湾曲している、請求項２０乃至２４のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  26. 前記第２の導波路は、前記領域において湾曲している、請求項２５またはいずれかの他の前記請求項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  27. 前記第１の導波路は、前記第１のグループの各試料ウェルとエバネッセント結合するように配置され、前記第２の導波路は、前記第２のグループの各試料ウェルとエバネッセント結合するように配置される、請求項２０乃至２６のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  28. 前記第１の導波路は、試料ウェルの前記第１のグループとエバネッセント結合するように構成された部分に沿ってテーパ状にされ、前記第２の導波路は、試料ウェルの前記第２のグループとエバネッセント結合するように構成された部分に沿ってテーパ状にされる、請求項２０乃至２７のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  29. 前記集積フォトニック・デバイスは、前記集積フォトニック・デバイスの表面から光を受け取り、前記複数の導波路と光学的に結合するように構成された格子カプラをさらに備える、請求項２０乃至２８のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  30. 前記第１の導波路は、試料ウェルの前記第２のグループから光学的に分離され、前記第２の導波路は、試料ウェルの前記第１のグループから光学的に分離される、請求項２０乃至２９のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  31. 前記第１のグループの前記試料ウェルは、軸に沿って前記第２のグループの前記試料ウェルと実質的に整列される、請求項２０乃至３０のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  32. 前記第１の導波路の少なくとも一部分が、前記軸に対して実質的に平行である、請求項３１またはいずれかの他の前記請求項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  33. 前記第２の導波路の少なくとも一部分が、前記軸に対して実質的に平行である、請求項３２またはいずれかの他の前記請求項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  34. 前記第１のグループの各試料ウェルから放出される光を受け取るように構成された１つ以上の光検出器をさらに備える、請求項２０乃至３３のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  35. 集積フォトニック・デバイスであって、
    １つ以上の導波路と、
    光結合領域であって、
    前記１つ以上の導波路に光学的に結合され、前記集積フォトニック・デバイスの表面に入射する光を受け取るように構成された格子カプラであり、前記表面に実質的に平行な平面に関して非対称である材料構造を有する格子カプラ、および
    前記格子カプラと重なる領域に近接して配置され、前記格子カプラに入射する光を受け取るように構成された１つ以上の監視センサ
    を備える光結合領域と
    を備える集積フォトニック・デバイス。
  36. 前記平面は、前記格子カプラの軸を通過する、請求項３５に記載の集積フォトニック・デバイス。
  37. 前記材料構造のうちの１つ以上が、前記平面に実質的に平行な方向で互いに横方向にオフセットされた２つ以上の材料層を備える、請求項３５または３６に記載の集積フォトニック・デバイス。
  38. 前記格子カプラは、互いに接触する２つ以上の材料層を備える、請求項３５乃至３７のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  39. 前記格子カプラは、互いに所定の距離だけ離間された２つ以上の材料層を備える、請求項３５乃至３８のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  40. 前記材料構造のうちの１つ以上が、部分的にエッチングされた材料部分を備える、請求項３５乃至３９のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  41. 前記材料構造のうちの１つ以上が、完全にエッチングされた材料部分を備える、請求項３５乃至４０のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  42. 前記格子カプラはブレーズド格子カプラである、請求項３５乃至４１のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  43. 前記材料構造のうちの１つ以上が、前記表面に実質的に垂直な平面に対して非対称である、請求項３５乃至４２のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  44. 集積フォトニック・デバイスであって、
    １つ以上の導波路と、
    光結合領域であって、
    前記１つ以上の導波路に光学的に結合され、前記集積フォトニック・デバイスの表面に入射する光を受け取るように構成された格子カプラであり、可変フィル・ファクタで互いに離間された材料構造を有する格子カプラ、および
    前記格子カプラと重なる領域に近接して配置され、前記格子カプラに入射する光を受け取るように構成された１つ以上の監視センサ
    を備える光結合領域と
    を備える集積フォトニック・デバイス。
  45. 前記材料構造のうちの１つ以上が、部分的にエッチングされた材料部分を備える、請求項４４に記載の集積フォトニック・デバイス。
  46. 前記材料構造は、可変幅を有するギャップによって互いに離間される、請求項４４または４５に記載の集積フォトニック・デバイス。
  47. 前記格子カプラは、前記ギャップ内に形成された誘電体材料を備える、請求項４６またはいずれかの他の前記請求項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  48. 前記材料構造は可変幅を有する、請求項４４乃至４７のいずれか１項に記載の集積フォトニック・デバイス。
  49. 集積フォトニック・デバイスを形成する方法であって、
    一行に配列された複数の試料ウェルを形成する工程と、
    前記行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置された第１の導波路を形成する工程と、
    試料ウェルの前記行とは別の、前記集積フォトニック・デバイスの領域から光を受け取り、前記第１の導波路と光学的に結合するように構成された、パワー導波路を形成する工程と、
    を備える方法。
  50. 前記第１の導波路は、前記第１の導波路の長さに沿って前記パワー導波路と光学的に結合するように構成される、請求項４９に記載の方法。
  51. 前記第１の導波路は、前記パワー導波路とエバネッセント結合するように構成される、請求項４９または５０に記載の方法。
  52. 前記パワー導波路は、前記第１の導波路よりも広い幅を有する、請求項４９乃至５１のいずれか１項に記載の方法。
  53. 前記パワー導波路は、光パワーの第１の部分を前記第１の導波路に光学的に結合し、光パワーの第２の部分を第２の導波路に光学的に結合するように構成される、請求項４９乃至５２のいずれか１項に記載の方法。
  54. 前記第２の導波路は、前記行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される、請求項５３またはいずれかの他の前記請求項に記載の方法。
  55. 第２の行に配列された第２の複数の試料ウェルを形成する工程をさらに備え、前記第２の導波路は、前記第２の行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される、請求項５３またはいずれかの他の前記請求項に記載の方法。
  56. 前記パワー導波路は、第１の結合係数を有する第１の方向性カプラを介して前記第１の導波路と光学的に結合し、第２の結合係数を有する第２の方向性カプラを介して第２の導波路と光学的に結合するように構成され、前記第２の結合係数は、前記第１の結合係数よりも大きい、請求項４９乃至５５のいずれか１項に記載の方法。
  57. 前記第２の導波路は、前記行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される、請求項５６またはいずれかの他の前記請求項に記載の方法。
  58. 前記第２の方向性カプラと比較して、前記第１の方向性カプラの方が前記パワー導波路の光入力により近接して配置される、請求項５６またはいずれかの他の前記請求項に記載の方法。
  59. 第２の行に配列された第２の複数の試料ウェルを形成する工程をさらに備え、前記第２の導波路は、前記第２の行内の２つ以上の試料ウェルと光学的に結合するように配置される、請求項５６またはいずれかの他の前記請求項に記載の方法。
  60. 前記パワー導波路は、約１００μｍ未満の結合長を有する方向性カプラを介して前記第１の導波路と光学的に結合するように構成される、請求項４９乃至５９のいずれか１項に記載の方法。
  61. 前記パワー導波路と前記第１の導波路との間の結合強度は、前記パワー導波路を通る光伝播の方向に沿って増加する、請求項４９乃至６０のいずれか１項に記載の方法。
  62. 前記第１の導波路は、前記パワー導波路よりも高い伝播損失を有する、請求項４９乃至６１のいずれか１項に記載の方法。
  63. 前記集積フォトニック・デバイスの表面から光を受け取り、前記パワー導波路と光学的に結合するように構成された、格子カプラを形成する工程をさらに備える、請求項４９乃至６２のいずれか１項に記載の方法。
  64. 第２の導波路を形成する工程をさらに備え、前記第１の導波路は、前記行内の第１の試料ウェルと光学的に結合するように構成され、第２の導波路は、前記行内の第２の試料ウェルと光学的に結合するように構成される、請求項４９乃至６３のいずれか１項に記載の方法。
  65. 前記第１の導波路はテーパ端部を有する、請求項４９乃至６４のいずれか１項に記載の方法。
  66. 前記第１の導波路は、前記テーパ端部から離れた位置で前記パワー導波路とエバネッセント結合するように構成される、請求項６５またはいずれかの他の前記請求項に記載の方法。
  67. ２つ以上の試料ウェルのそれぞれから放出される光を受け取るように配置された１つ以上の光検出器を形成する工程をさらに備える、請求項４９乃至６６のいずれか１項に記載の方法。
  68. 複数の行に配列された試料ウェルのアレイを形成する工程と、
    複数の導波路を形成する工程であって、前記複数の導波路は、一行内の試料ウェルの第１のグループと光学的に結合するように配置された第１の導波路、および前記行内の試料ウェルの第２のグループと光学的に結合するように配置された第２の導波路を含む、工程と、
    を備える、集積フォトニック・デバイスを形成する方法。
  69. 前記行内の試料ウェルの第３のグループが、前記第１のグループと前記第２のグループとの間に配置される、請求項６８に記載の方法。
  70. 前記第３のグループの試料ウェルは、前記第１のグループの試料ウェルおよび／または前記第２のグループの試料ウェルよりも少ない光学パワーを受け取るように構成される、請求項６９またはいずれかの他の前記請求項に記載の方法。
  71. 前記第１の導波路は、前記第１のグループの試料ウェルから第１の距離にあり、前記第３のグループの前記試料ウェルから第２の距離にあり、前記第１の距離は、前記第２の距離よりも短い、請求項７０またはいずれかの他の前記請求項に記載の方法。
  72. 前記第２の導波路は、前記第２のグループの試料ウェルから第３の距離にあり、前記第３のグループの前記試料ウェルから第４の距離にあり、前記第３の距離は、前記第４の距離よりも短い、請求項７１またはいずれかの他の前記請求項に記載の方法。
  73. 前記第１の導波路は、試料ウェルの前記第１のグループと試料ウェルの前記第２のグループとの間の領域において湾曲している、請求項６８乃至７２のいずれか１項に記載の方法。
  74. 前記第２の導波路は、前記領域において湾曲している、請求項７３またはいずれかの他の前記請求項に記載の方法。
  75. 前記第１の導波路は、前記第１のグループの各試料ウェルとエバネッセント結合するように配置され、前記第２の導波路は、前記第２のグループの各試料ウェルとエバネッセント結合するように配置される、請求項６８乃至７４のいずれか１項に記載の方法。
  76. 前記第１の導波路は、試料ウェルの前記第１のグループとエバネッセント結合するように構成された部分に沿ってテーパ状にされ、前記第２の導波路は、試料ウェルの前記第２のグループとエバネッセント結合するように構成された部分に沿ってテーパ状にされる、請求項６８乃至７５のいずれか１項に記載の方法。
  77. 前記集積フォトニック・デバイスの表面から光を受け取り、前記複数の導波路と光学的に結合するように構成された、格子カプラを形成する工程をさらに備える、請求項６８乃至７６のいずれか１項に記載の方法。
  78. 前記第１の導波路は、試料ウェルの前記第２のグループから光学的に分離され、前記第２の導波路は、試料ウェルの前記第１のグループから光学的に分離される、請求項６８乃至７７のいずれか１項に記載の方法。
  79. 前記第１のグループの前記試料ウェルは、軸に沿って前記第２のグループの前記試料ウェルと実質的に整列される、請求項６８乃至７８のいずれか１項に記載の方法。
  80. 前記第１の導波路の少なくとも一部分が、前記軸に対して実質的に平行である、請求項７９またはいずれかの他の前記請求項に記載の方法。
  81. 前記第２の導波路の少なくとも一部分が、前記軸に対して実質的に平行である、請求項８０またはいずれかの他の前記請求項に記載の方法。
  82. 前記第１のグループの各試料ウェルから放出される光を受け取るように構成された１つ以上の光検出器を形成する工程をさらに備える、請求項６８乃至８１のいずれか１項に記載の方法。
  83. 集積フォトニック・デバイスを形成する方法であって、
    １つ以上の導波路を形成する工程と、
    光結合領域を形成する工程であって、前記光結合領域は、
    前記１つ以上の導波路に光学的に結合され、前記集積フォトニック・デバイスの表面に入射する光を受け取るように構成された格子カプラであり、前記表面に実質的に平行な平面に関して非対称である材料構造を有する格子カプラ、および
    前記格子カプラと重なる領域に近接して配置され、前記格子カプラに入射する光を受け取るように構成された１つ以上の監視センサ
    を備える、工程と、
    を備える方法。
  84. 前記平面は、前記格子カプラの軸を通過する、請求項８３に記載の方法。
  85. 前記材料構造のうちの１つ以上が、前記平面に実質的に平行な方向で互いに横方向にオフセットされた２つ以上の材料層を備える、請求項８３または８４に記載の方法。
  86. 前記格子カプラは、互いに接触する２つ以上の材料層を備える、請求項８３乃至８５のいずれか１項に記載の方法。
  87. 前記格子カプラは、互いに距離を置いて離間された２つ以上の材料層を備える、請求項８３乃至８６のいずれか１項に記載の方法。
  88. 前記材料構造のうちの１つ以上が、部分的にエッチングされた材料部分を備える、請求項８３乃至８７のいずれか１項に記載の方法。
  89. 前記材料構造のうちの１つ以上が、完全にエッチングされた材料部分を備える、請求項８３乃至８８のいずれか１項に記載の方法。
  90. 前記格子カプラはブレーズド格子カプラである、請求項８３乃至８９のいずれか１項に記載の方法。
  91. 前記材料構造のうちの１つ以上が、前記表面に実質的に垂直な平面に対して非対称である、請求項８３乃至９０のいずれか１項に記載の方法。
  92. 集積フォトニック・デバイスを形成する方法であって、
    １つ以上の導波路を形成する工程と、
    光結合領域を形成する工程であって、前記光結合領域は、
    前記１つ以上の導波路に光学的に結合され、前記集積フォトニック・デバイスの表面に入射する光を受け取るように構成された格子カプラであり、可変フィル・ファクタで互いに離間された材料構造を有する格子カプラ、および
    前記格子カプラと重なる領域に近接して配置され、前記格子カプラに入射する光を受け取るように構成された１つ以上の監視センサ
    を備える、工程と、
    を備える方法。
  93. 前記材料構造のうちの１つ以上が、部分的にエッチングされた材料部分を備える、請求項９２に記載の方法。
  94. 前記材料構造は、可変幅を有するギャップによって互いに離間される、請求項９２または９３に記載の方法。
  95. 前記格子カプラは、前記ギャップ内に形成された誘電体材料を備える、請求項９２乃至９４のいずれか１項に記載の方法。
  96. 前記材料構造は可変幅を有する、請求項９２乃至９５のいずれか１項に記載の方法。
JP2021538950A 2019-01-03 2020-01-03 フォトニック素子のアレイに対して光を送達するための光導波路およびカプラ Pending JP2022516918A (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962788057P 2019-01-03 2019-01-03
US62/788,057 2019-01-03
PCT/US2020/012106 WO2020142643A1 (en) 2019-01-03 2020-01-03 Optical waveguides and couplers for delivering light to an array of photonic elements

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2022516918A true JP2022516918A (ja) 2022-03-03
JPWO2020142643A5 JPWO2020142643A5 (ja) 2023-07-31

Family

ID=69400646

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021538950A Pending JP2022516918A (ja) 2019-01-03 2020-01-03 フォトニック素子のアレイに対して光を送達するための光導波路およびカプラ

Country Status (11)

Country Link
US (2) US11774674B2 (ja)
EP (1) EP3891490A1 (ja)
JP (1) JP2022516918A (ja)
KR (1) KR20210107852A (ja)
CN (1) CN113424047A (ja)
AU (1) AU2020204675A1 (ja)
BR (1) BR112021012782A2 (ja)
CA (1) CA3124962A1 (ja)
MX (1) MX2021008133A (ja)
TW (1) TW202041847A (ja)
WO (1) WO2020142643A1 (ja)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7212030B2 (ja) * 2017-07-24 2023-01-24 クアンタム－エスアイ インコーポレイテッド 光拒絶フォトニック構造
EP4217715A1 (en) * 2020-10-23 2023-08-02 Quantum-si Incorporated Systems and methods for sample process scaling
US11921323B2 (en) 2021-07-28 2024-03-05 Cisco Technology, Inc. Bilayer photonic 3dB Y-splitter
CN113701884B (zh) * 2021-09-10 2022-07-22 山东大学 基于亚波长结构的宽带滤波型片上的光谱或频谱分析系统

Family Cites Families (41)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4515428A (en) * 1982-09-13 1985-05-07 Trw Inc. Integrated optical star coupler
US5814565A (en) 1995-02-23 1998-09-29 University Of Utah Research Foundation Integrated optic waveguide immunosensor
KR100509511B1 (ko) * 1997-11-06 2005-11-08 삼성전자주식회사 집적광학광파워분할기및그제조방법
US6787308B2 (en) 1998-07-30 2004-09-07 Solexa Ltd. Arrayed biomolecules and their use in sequencing
WO2001084197A1 (en) * 2000-04-28 2001-11-08 Edgelight Biosciences, Inc. Micro-array evanescent wave fluorescence detection device
US6917726B2 (en) 2001-09-27 2005-07-12 Cornell Research Foundation, Inc. Zero-mode clad waveguides for performing spectroscopy with confined effective observation volumes
FR2813121A1 (fr) 2000-08-21 2002-02-22 Claude Weisbuch Dispositif perfectionne de support d'elements chromophores
US20030108290A1 (en) * 2001-12-10 2003-06-12 Jianjun Zhang Optical add/drop devices employing waveguide grating-based wavelength selective switches
US7181142B1 (en) * 2002-04-09 2007-02-20 Time Warner Cable Inc. Broadband optical network apparatus and method
JP3952944B2 (ja) * 2002-08-30 2007-08-01 Ｋｄｄｉ株式会社 リング共振回路
US6901178B2 (en) * 2002-11-15 2005-05-31 Lucent Technologies Inc. Fast tunable optical filter
US7738086B2 (en) 2005-05-09 2010-06-15 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Active CMOS biosensor chip for fluorescent-based detection
US7426322B2 (en) 2005-07-20 2008-09-16 Searete Llc. Plasmon photocatalysis
US8975216B2 (en) 2006-03-30 2015-03-10 Pacific Biosciences Of California Articles having localized molecules disposed thereon and methods of producing same
WO2007149055A1 (en) * 2006-06-21 2007-12-27 Agency For Science, Technology And Research Planar optical splitter or combiner and passive sensor device
US8207509B2 (en) 2006-09-01 2012-06-26 Pacific Biosciences Of California, Inc. Substrates, systems and methods for analyzing materials
AU2007289057C1 (en) 2006-09-01 2014-01-16 Pacific Biosciences Of California, Inc. Substrates, systems and methods for analyzing materials
FR2908888B1 (fr) 2006-11-21 2012-08-03 Centre Nat Rech Scient Dispositif pour la detection exaltee de l'emission d'une particule cible
WO2009082706A1 (en) 2007-12-21 2009-07-02 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Active cmos sensor array for electrochemical biomolecular detection
GB2461026B (en) * 2008-06-16 2011-03-09 Plc Diagnostics Inc System and method for nucleic acids sequencing by phased synthesis
WO2010033193A2 (en) 2008-09-16 2010-03-25 Pacific Biosciences Of California, Inc. Substrates and optical systems and methods of use thereof
US8189972B2 (en) * 2009-03-31 2012-05-29 Infinera Corporation Optical mode coupler
US8278728B2 (en) 2009-10-17 2012-10-02 Florida Institute Of Technology Array of concentric CMOS photodiodes for detection and de-multiplexing of spatially modulated optical channels
EP3943920B1 (en) 2010-02-19 2024-04-03 Pacific Biosciences Of California, Inc. Integrated analytical system and method for fluorescence measurement
US9482615B2 (en) 2010-03-15 2016-11-01 Industrial Technology Research Institute Single-molecule detection system and methods
US8865078B2 (en) * 2010-06-11 2014-10-21 Industrial Technology Research Institute Apparatus for single-molecule detection
CA2856163C (en) 2011-10-28 2019-05-07 Illumina, Inc. Microarray fabrication system and method
US9606060B2 (en) 2012-01-13 2017-03-28 California Institute Of Technology Filterless time-domain detection of one or more fluorophores
US9372308B1 (en) 2012-06-17 2016-06-21 Pacific Biosciences Of California, Inc. Arrays of integrated analytical devices and methods for production
WO2014099776A1 (en) 2012-12-18 2014-06-26 Pacific Biosciences Of California, Inc. Illumination of optical analytical devices
US9476981B2 (en) * 2013-01-08 2016-10-25 Massachusetts Institute Of Technology Optical phased arrays
EP3068900B1 (en) * 2013-11-17 2020-01-08 Quantum-Si Incorporated Active-source-pixel, integrated device for rapid analysis of biological and chemical speciments
GB2522252B (en) * 2014-01-20 2016-04-20 Rockley Photonics Ltd Tunable SOI laser
US9765395B2 (en) 2014-04-28 2017-09-19 Nanomedical Diagnostics, Inc. System and method for DNA sequencing and blood chemistry analysis
MX2017001808A (es) 2014-08-08 2018-02-08 Quantum Si Inc Dispositivo integrado con fuente de luz externa para el sondeo, deteccion y analisis de moleculas.
US9666748B2 (en) 2015-01-14 2017-05-30 International Business Machines Corporation Integrated on chip detector and zero waveguide module structure for use in DNA sequencing
EP4220256A1 (en) 2015-03-16 2023-08-02 Pacific Biosciences of California, Inc. Analytical system comprising integrated devices and systems for free-space optical coupling
JP6936736B2 (ja) 2015-05-20 2021-09-22 クアンタム−エスアイ インコーポレイテッドＱｕａｎｔｕｍ−Ｓｉ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ 時間分解発光を使用して核酸の配列を決定するための方法
WO2016201387A1 (en) 2015-06-12 2016-12-15 Pacific Biosciences Of California, Inc. Integrated target waveguide devices and systems for optical coupling
TW202219491A (zh) * 2016-06-01 2022-05-16 美商寬騰矽公司 用於偵測及分析分子之光子結構及積體裝置
US10656496B2 (en) * 2016-08-02 2020-05-19 University Of Southern California Monolithically integrated large-scale optical phased array

Also Published As

Publication number Publication date
MX2021008133A (es) 2021-08-11
BR112021012782A2 (pt) 2021-09-14
CN113424047A (zh) 2021-09-21
WO2020142643A1 (en) 2020-07-09
US20230341621A1 (en) 2023-10-26
CA3124962A1 (en) 2020-07-09
AU2020204675A1 (en) 2021-07-15
EP3891490A1 (en) 2021-10-13
KR20210107852A (ko) 2021-09-01
US20200218009A1 (en) 2020-07-09
US11774674B2 (en) 2023-10-03
TW202041847A (zh) 2020-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20230258862A1 (en) Optical coupler and waveguide system
JP2022516918A (ja) フォトニック素子のアレイに対して光を送達するための光導波路およびカプラ
US11422092B2 (en) Photonic structures and integrated device for detecting and analyzing molecules
US20200408690A1 (en) Optical and electrical secondary path rejection
RU2744934C1 (ru) Возбуждение световой энергии флуоресценции
JP2023511550A (ja) 集積システムにおける励起光生成用パルスレーザー光源
JP2023510577A (ja) 寿命特性評価のための集積センサ
US20210215606A1 (en) Waveguide excitation uniformity
JP2023510578A (ja) 寿命およびスペクトル特性評価用センサ
JP2023515682A (ja) 多次元信号解析用集積センサ

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20221227

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20221227

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230721

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240116

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240416