JP2023511550A - 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 - Google Patents

Abstract

本明細書に開示されるのは、集積生物分析システム（１０１）における励起光（１０４）を生成するためのパルスレーザー光源（１０６）の態様である。光源（１０６）は１つ以上のレーザーダイオード（１０２）を備え、そのレーザーダイオードは、１つ以上のチップ（１０１）上の反応チャンバー（１０８）内の試料を励起するための、共通のクロック源（１３０）と同期するパルス光信号（１０４）を生成する。光源（１０６）は、コスト、サイズ及び要求電力の低減された大きなセンサアレイを有するシステムに励起を提供するように用いられ得る。

Description

本出願は一般に、パルスレーザー光源、特に生物分析用途に使用され得るパルスレーザー光源に関する。

光パルスはさまざまな分野の研究開発及び商業的用途に有用である。例えば、光パルスは時間領域分光法、光学的測距、時間領域イメージング（ＴＤＩ）、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）、蛍光寿命イメージング（ＦＬＩ）、及び遺伝子配列決定のための寿命分解蛍光検出に有用であり得る。

光パルスの１つの用途として、生物的または化学的試料の分析がある。そうした用途は特定の波長の光を放出する発光マーカーで試料をタグ付けすることと、タグ付けされた試料を光源で照射することと、光検出器で発光を検出することとを含み得る。そうした技術は、タグ付けされた試料を照射するレーザー光源及びシステム、並びにタグ付けされた試料からの発光を収集する複雑な検出光学系及びエレクトロニクスを含み得る。

いくつかの実施形態では、システムが開示される。該システムは複数のサンプルウェルを備える集積フォトニックデバイスと、１つ以上のレーザーダイオードを備え、前記複数のサンプルウェル内の複数の試料を励起するための１つ以上のパルス光信号を生成するように構成された光源と、前記光源に結合されており、クロック信号を受信するとともに前記クロック信号に基づいて前記１つ以上のパルス光信号のタイミングを制御するように構成されたドライバー回路と、を備える。

いくつかの実施形態では、システムが開示される。該システムは複数のサンプルウェルと１つ以上の導波路とを備えるチップと、前記１つ以上の導波路のうちの対応する導波路を介して前記１つ以上のチップの前記複数のサンプルウェル内の試料を励起するための１つ以上のパルス光信号を生成するように構成された１つ以上のレーザーダイオードと、クロック信号を受信するとともに、前記クロック信号に基づいて、生成した前記１つ以上のパルス光信号のタイミングを同期するように構成されたドライバー回路と、を備える。

いくつかの実施形態では、システムを動作させる方法が開示される。該システムはチップと、１つ以上のレーザーダイオードと、ドライバー回路とを備える。前記チップは複数のサンプルウェルを有する。前記方法は、前記ドライバー回路にてクロック信号を受信する工程と、受信した前記クロック信号に基づいて、前記ドライバー回路により１つ以上のドライブ信号を生成する工程と、前記１つ以上のドライブ信号に基づいて、前記１つ以上のレーザーダイオードにより１つ以上のパルス光信号を生成するパルス光信号生成工程と、前記１つ以上のパルス光信号により前記複数のサンプルウェル内の複数の試料を励起する工程と、を備える。

次の図を参照しながら、本出願の様々な態様及び実施形態を説明する。図は必ずしも一定の縮尺である必要がないことが理解される。複数の図に現れる項目は前記項目が現れる全ての図において同じ参照番号によって示される。

いくつかの実施形態における１つ以上のレーザーダイオードを持った光源を有するシステム１００の一例を示した概略ブロック図。 図１の集積デバイス１０１の断面概略図。 いくつかの実施形態におけるシステム内の光結合の一例を示した概略図。 いくつかの実施形態における図３Ａに示したシステムの概略上面図。 いくつかの実施形態における図３Ａに示したシステムの変形例であるシステムの概略上面図。 いくつかの実施形態における別々の光路及び集積型モード変換器を用いた複数のレーザーダイオードの光結合の一例を示した概略図。 いくつかの実施形態における光ファイバーを用いた光結合を使用したシステムの一例を示した概略ブロック図。 いくつかの実施形態における複数の入力で集積デバイスを発光する一例を示した概略上面図。 いくつかの実施形態における信号クロストークを低減させるように図７Ａの光源及び導波路によって生成されたパルス信号のタイミング図群。

いくつかの生物分析システムは、発光アッセイを実施するための集積デバイス及び集積デバイスで分析される試料の励起を提供するための光源を備える。本出願の態様は発光アッセイの励起のための生物分析用途において使用するためのレーザーダイオードを備えるパルスレーザー源に関するものである。

本出願のいくつかの態様は単一分子の同定及び核酸の配列決定を含む、並列に試料を分析することが可能な集積デバイス、装置及び関連システムに関する。そうした装置はコンパクトであり、持ち運びが容易であり、さらに操作が容易であり、医師または他の提供者が装置を容易に使用すること及びケアが必要とされ得る所望の位置へ装置を移動すること可能にする。試料の分析は１つ以上の蛍光マーカーで標識された試料を含んでよく、その蛍光マーカーは試料の検出及び／または試料の単一分子の同定（例えば、核酸の配列決定の一部としての個々のヌクレオチドの同定）に使用されてよい。蛍光マーカーは、励起光（例えば、蛍光マーカーを励起状態へ励起し得る特定の波長を有する光）による蛍光マーカーの照射に応じて、励起され得る。そして、蛍光マーカーは、蛍光マーカーが励起されると、射出光（例えば、励起状態から基底状態へ戻ることにより蛍光マーカーが放出する特定の波長を有する光）を放出する。射出光の検出によって蛍光マーカーの同定が可能となり、したがって、試料（すなわち、蛍光マーカーで標識された試料の分子）の同定が可能となる。いくつかの実施形態によれば、装置は大規模並列試料分析が可能であり得、同時に数万個の試料を扱うように構成され得る。

発明者らは試料を受け取るように構成されているサンプルウェルと集積デバイス上に形成された集積光学系とを有する集積デバイス及び集積デバイスとインターフェース接続するように構成されている装置が係る個数の試料の分析を達成するように使用されていることを認識し、理解するに至った。装置は１つ以上の励起光源を備えてよく、励起光が集積デバイスの一部として形成される集積光学構成要素（例えば、導波路、光カプラ、光スプリッタ）を用いてサンプルウェル上に送達されるように、集積デバイスは装置とインターフェース接続してよい。光学構成要素は集積デバイスのサンプルウェルの間の照度の均一性が改善でき、本来ならば必要とされるかもしれない多くの外部の光学構成要素を減らしてよい。更に、発明者らは光検出器を集積デバイス上に集積することにより、サンプルウェルからの蛍光発光の検出効率が改善でき、本来ならば必要とされるかもしれない光収集構成要素の数を減らすことを認識し、理解するに至った。

１つの照明解決策はモードロックレーザーモジュール（例えば、２０１９年５月７日に発行された「コンパクトなモードロックレーザーモジュール」と題する米国特許第１０，２８３，９２８号に記載されるものなどを含み、その全体を参照によって本明細書に援用する）である。モードロックレーザーは１００ｐｓ未満の半値全幅（ＦＷＨＭ）の高出力で狭いパルスを提供するが、そうしたレーザーモジュールは高コストで、サイズが大きく、そして消費電力が大きい。本明細書に開示されるのは、コスト、サイズ及び要求電力の低減された、システムに励起を提供することができるレーザーダイオードベースのパルスレーザー源を有する生物分析システムの実施形態である。

一態様では、少ない光パワーを使用する間にセンサアレイを照射するために１つ以上のレーザーダイオードが使われてよい。発明者らはフォトニック構造の光収集効率のみならずセンサ感度における継続した改良で、集積デバイスの大きなセンサアレイを照射するために必要なレーザーパワーの量を大いに減少することができることを認識し、理解している。

別の態様では、レーザーダイオードは例えばアッセイに使用される有機分子の光誘発性損傷の低減及び高い光パワーでの導波路の安定性の改善によるシステムの構成要素の寿命を延ばすように、調節可能なパルス幅及びピーク強度を減少するための能力を提供してよい。発明者らは１００ｐｓ未満のＦＷＨＭの非常に狭いパルスを生成するための光源への要求がピクセル操作及び光学的除去構成に依存して緩和されることができることを認識し、理解している。レーザーダイオードでは、パルス幅の要求を緩和することで大きな量の光パワーの取り出しもまた可能にしてよい。

いくつかの態様は、集積デバイスを備える生物分析システムに関するものである。その集積デバイスは単一または複数のレーザーダイオードを有する光源によって照射される、センサチップであってよい。レーザーダイオードはシステム中のドライバー回路により駆動され、集積デバイス上の反応チャンバー内またはサンプルウェル内の試料の励起のためのパルスレーザー光が生成する。

いくつかの実施形態では、生成されたパルスレーザー光信号のタイミングはクロック源からの単一のクロック信号のタイミングに同期している。複数のレーザーダイオードを有する実施形態では、各レーザーダイオードからの光信号はチップ上の異なる位置に結合されてよく、そしてチップ上の複数の位置での励起がチップ上の検出動作のタイミングと同期され得るように単一のクロック信号に同期させる。いくつかの実施形態では、各レーザーダイオードからのパルス光信号のタイミングは、例えば、単一のクロック信号を所定量だけ独立して遅延させることによって調整可能でよい。個々のレーザーダイオードへのタイミング遅延の独立した調整は、単一のクロックからのスキュー（例えば各レーザーダイオードとチップを結合させる光路内の変動による）の低減または除去に使用されてよい。

いくつかの態様は、単一分子の同定及び核酸の配列決定を含む、生物的または化学的試料を並列に分析可能なコンパクトなシステムに関するものである。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接続するように構成されている装置とを備えてよい。装置は１つ以上の励起光源を備えてよく、集積デバイスの一部として形成された集積光学構成要素（例えば、導波路、光カプラ、光スプリッタ）を用いて励起光がサンプルウェルに送達されるように、集積デバイスは装置とインターフェース接続してよい。集積デバイスはピクセルアレイを備えてよく、各ピクセルはサンプルウェル及び１つ以上の光検出器を含む。集積デバイスの表面は複数のサンプルウェルを備えてよく、サンプルウェルは集積デバイスの表面上に配置される試料から試料を受け取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、別のタイプの試料を含んでよい。少なくとも一部分のサンプルウェルが試料から１つの試料を受け取るように、複数のサンプルウェルは適切なサイズ及び形状でよい。いくつかの実施形態では、いくつかのサンプルウェルが１つの試料を含み、その他のいくつかのサンプルウェルが０個，２個またはそれ以上の試料を含むように、サンプルウェル内の試料数はサンプルウェル間に分散されてよい。

いくつかの実施形態では、試料は核酸（例えば、ＤＮＡ，ＲＮＡ）の配列決定またはタンパク質の配列決定のための生物的及び／または化学的試料であってよい。例えば、試料は複数の一本鎖ＤＮＡテンプレートを含んでよく、集積デバイスの表面上の個々のサンプルウェルは配列決定テンプレートを受け取るように寸法及び形状が決定されていてよい。配列決定テンプレートは、集積デバイスの少なくとも一部分のサンプルウェルが配列決定テンプレートを含むように、集積デバイスの複数のサンプルウェル間に分散されてよい。試料は次いでサンプルウェルに入る標識ヌクレオチドを含んでよく、サンプルウェルの中の一本鎖ＤＮＡテンプレートに相補的なＤＮＡの鎖に取り込まれる際に、ヌクレオチドの同定を可能にしてよい。そうした一例では、「試料（ｓａｍｐｌｅ）」は配列決定テンプレート及びポリメラーゼにより現在取り込まれている標識ヌクレオチドの両方を指してよい。いくつかの実施形態では、試料は配列決定テンプレートを含んでよく、標識ヌクレオチドはヌクレオチドがサンプルウェル内の相補鎖に取り込まれる際に続いてサンプルウェルに導入されてよい。このように、ヌクレオチドが取り込まれるタイミングは、いつ標識ヌクレオチドが集積デバイスのサンプルウェルに導入されるかによって制御することができる。

励起光は集積デバイスのピクセルアレイから分離した励起源から提供される。励起光は少なくとも一部が集積デバイスの要素によって１つ以上のピクセルの方へ向けられ、サンプルウェル内の照明領域を照射する。マーカーは励起光による照射に応じて、照射領域内に位置する時に次いで射出光を放出してよい。いくつかの実施形態では、１つ以上の励起源は装置の構成要素及び集積デバイスが１つ以上のピクセルの方へ励起光を向けるように構成されているシステムの装置の一部である。

次いで、試料により放出される射出光は１つ以上の集積デバイスのピクセル内で光検出器により検出される。検出される射出光の特徴は、射出光に関連付けられたマーカーの同定の指標を提供してよい。そうした特徴は、任意の適切なタイプの特徴（光検出器により検出される光子の到達時間、光検出器により時間と共に累積した光子量、２つ以上の光検出器の間の光子の分布、波長値、強度、信号パルス幅、寿命、識別、またはそれらの任意の組み合わせを含む）を含んでよい。いくつかの実施形態では、光検出器は試料の射出光（例えば、蛍光寿命）に関連した１つ以上のタイミング特性の検出を可能にする構成を有してよい。光検出器は励起光のパルスが集積デバイスを通して伝搬した後の光子到達時間の分布を検出してよく、到達時間の分布は試料の射出光に関連付けられたタイミング特性の指標（例えば、蛍光寿命の代理）を提供してよい。いくつかの実施形態では、１つ以上の光検出器がマーカーによる射出光の確率の指標（例えば、蛍光強度）を提供する。いくつかの実施形態では、複数の光検出器が射出光の空間分布を捕捉するように寸法及び形状が決定されていてよい。次いで、１つ以上の光検出器からの出力信号は複数のマーカーから１つのマーカーを区別するように使用されてよく、複数のマーカーは試料中の１つの試料を同定するのに使われてよい。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り励起されてよく、射出光及び／または複数の励起エネルギーに応じて試料から放出される射出光のタイミング特性は複数のマーカーから１つのマーカーを区別することができる。

図１は、いくつかの実施形態における１つ以上のレーザーダイオードを有する光源を有するシステム１００の一例を示した概略ブロック図である。システム１００は装置１８０とインターフェース接続する集積デバイス１０１を備える。装置１８０はクロック源１３０と結合するドライバー回路１２０と結合する光源１０６を備えてよい。いくつかの実施形態では、光源１０６は、１つ以上のパルス光信号１０４を生成するとともに集積デバイスに向けるように構成されてよい。いくつかの実施形態では、励起光源は装置１８０及び集積デバイス１０１の両方の外部にあってよく、装置１８０は励起源からの励起光を受け取るとともに、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励起源と精密な光学位置合わせの状態に集積デバイスを保持する適切なソケットを使用して装置とインターフェース接続してよい。

集積デバイス１０１は複数のピクセル１１２を有し、少なくとも一部のピクセルは試料の独立した分析を行ってよい。それら複数のピクセル１１２は、１つのピクセルが、そのピクセルから分離した光源１０６からの励起光を受け取り、そうした光源からの励起光は複数のピクセル１１２の一部または全部を励起するので、「パッシブ・ソース・ピクセル（ｐａｓｓｉｖｅ ｓｏｕｒｃｅ ｐｉｘｅｌｓ）」と呼ばれる場合がある。

ピクセル１１２は試料を受け取るように構成されてよい、反応チャンバーとも呼ばれるサンプルウェル１０８と光源１０６により提供される励起光での試料の照射に応じた試料からの射出光の検出のための光検出器１１０とを有する。いくつかの実施形態では、サンプルウェル１０８は集積デバイス１０１の表面に近接して試料を保持してよく、それは励起光の試料への送達及び試料からの射出光の検出を容易にしてよい。

光源１０６からの励起光を集積デバイス１０１へ結合させ、パルス光信号１０４をサンプルウェル１０８へ導くための光学要素は集積デバイス１０１上及び集積デバイスの外部の両方に位置してよい。源からウェルまでの光学要素は集積デバイス１０１上に位置する１つ以上のグレーティングカプラを備えてよく、励起光を集積デバイス及び導波路に結合し、装置１０４からの励起光をサンプルウェル内のピクセル１１２に送達する。１つ以上の光スプリッタ要素はグレーティングカプラと導波路との間に配置されてよい。光スプリッタはグレーティングカプラからの励起光と結合し、励起光を１つ以上の導波路へ送達してよい。いくつかの実施形態では、光スプリッタは各々の導波路が実質的に同程度の励起光量を受け取るように実質的に全ての導波路に励起光を均一に送達することを可能にする構成を有してよい。いくつかの実施形態は集積デバイスのサンプルウェルにより受け取られる励起光の均一性を改善することにより集積デバイスの性能を改善してよい。源からウェルまでの光学要素のいくつかの例は、２０２０年１月３日に出願された「フォトニック要素のアレイへ光を送達するための光学導波路及びカプラ」と題する米国特許第１６／７３３，２９６号に記載され、その全体はその全体が参照によって本明細書に援用される。集積デバイスに備えるように励起光をサンプルウェルに結合する及び／または励起光を光検出器へ向けるための適切な構成要素の例は、２０１５年８月７日に出願された「分子をプローブし、検出し、及び分析するための集積デバイス」と題する米国特許第１４／８２１，６８８号及び２０１４年１１月１７日に出願された「分子をプローブし、検出し、及び分析するための外部光源を備えた集積デバイス」と題する米国特許第１４／５４３，８６５号に記載され、それら各々はその全体が参照によって本明細書に援用される。

励起源からウェルまでの光学の一部及びサンプルウェルから光検出器までの光学の一部であるサンプルウェル１０８は、集積デバイス１０１上に位置し、時にはチップまたはセンサチップとも呼ばれる。光源１０６及び源からウェルまでの構成要素の一部はチップ１０１から外れて位置する。いくつかの実施形態では、単一の構成要素は励起光のサンプルウェル１０８への結合及びサンプルウェル１０８からの励起光の光検出器１１０への送達の両方の役割を果たしてよい。ピクセル１１２はそれ自身の個々のサンプルウェル１０８及び１つ以上の光検出器１１０に関連付けられる。集積デバイス１０１の複数のピクセルは適切な形状、サイズ、及び／または寸法をもつように配置されてよい。集積デバイス１０１は任意の適切な数のピクセルまたはサンプルウェルをもってよい。いくつかの実施形態では、集積デバイス１０１は、１００万、８００万、３２００万、１００～１０００万、１０００～５０００万のアレイ、または光源１０６により生成される光信号１０４により励起される任意の適切な数のサンプルウェルをもってよい。

いくつかの実施形態では、ピクセルは５１２ピクセル×５１２ピクセルのアレイ上に配置されてよい。集積デバイス１０１は装置１８０と任意の適切な様式でインターフェース接続してよい。いくつかの実施形態では、ユーザーが集積デバイス１０１を使用するための装置１８０に集積デバイス１０１を取り付けて試料を分析する及び集積デバイス１０１を装置１８０から取り外してその他の集積デバイスが取り付けられることを可能にするように、装置１８０は集積デバイス１０１に取り外し可能に結合するインターフェースを有してよい。装置１８０のインターフェースは集積デバイス１０１を装置１８０の回路構成に結合するように配置してよく、１つ以上の光結合器からの読み出し信号を装置１８０へ伝えることを可能にしてよい。集積デバイス１０１及び装置１８０は大きなピクセルアレイ（例えば、１０，０００ピクセル以上）に関連するデータを扱うためのマルチチャネル高速通信リンクを備えてよい。

図１では、光源１０６は、３つのレーザーダイオード１０２を有する。３つのレーザーダイオードが示されているが、それらは単なる例示例であり、本出願の態様はそのように限定されず、光源１０６は、１つのレーザーダイオード、１６個のレーザーダイオード、３２個のレーザーダイオード、１～１０個のレーザーダイオード、１０～５０個のレーザーダイオード、または任意の適切な数のレーザーダイオードであってもよいことが理解される。各レーザーダイオード１０２はドライバー回路１２０により生成されるドライブ信号１２２により独立して駆動され、パルスレーザー光信号１０４を生成する。いくつかの実施形態では、レーザーダイオード１０２は低い出力パワーで動作し、サンプルウェル中で使用される有機分子への光誘発性損傷を低減し、高い光パワーでの導波路の安定性を改善する。光源１０６中のレーザーダイオード１０２へのトータル出力光パワーは５ｍＷ，１０ｍＷ，２５ｍＷ，１００ｍＷ，５～２００ｍＷ，または任意の適切な範囲の出力パワーレベルであってよい。いくつかの実施形態では、集積デバイス１０１は、５～１００ｍＷの光パワーで動作する光源１０６により励起される１００万個以上のサンプルウェルのアレイを有してよい。いくつかの実施形態では、集積デバイス１０１は、１０～１００ｍＷの光パワーで動作する光源１０６により励起される８００万個以上のサンプルウェルのアレイを有してよい。いくつかの実施形態では、集積デバイス１０１は、１０～１００ｍＷの光パワーで動作する光源１０６により励起される３２００万以上のサンプルウェルのアレイを有してよい。

レーザーダイオード１０２は熟練者に知られた任意の適切なレーザーダイオードにより実施されてよい。いくつかの実施形態では、レーザーダイオード１０２はマイクロディスクレーザーであってよい。レーザーダイオード１０２は利得スイッチモードで動作し、短いパルスの光を生成する。いくつかの実施形態では、レーザーダイオード１０２により生成される光パルスは１００ｐｓ以上のＦＷＨＭ，１０００ｐｓ以上のＦＷＨＭ，１００～１０００ｐｓのＦＷＨＭ，１ｎｓより大きいまたは任意の幅を有してよい。いくつかの実施形態では、レーザーダイオード１０２により生成される光パルスは４８８～５２５ｎｍの波長、６４０～６７０ｎｍの波長、または任意の適切な波長を有してよい。いくつかの実施形態では、レーザーダイオード１０２は振幅変調モードで動作してよく、正弦波信号であり得る入力電気信号により変調し、その入力電気信号は利得スイッチレーザーダイオードを動作するのに使用される電気信号と本質が異なる。パルス幅が１ｎｓより大きいいくつかの実施形態では、レーザーのパルス動作の他の形態は電流変調、または低速または正弦波駆動などが使用されてよい。

レーザーダイオード１０２はシングルモードエミッターであってよく、一例では緑色波長で５～２５ｍＷの出力パワーをもつエミッターであってよい。いくつかの実施形態では、光源１０６はレーザーダイオードバー上に配置されたレーザーダイオード１０２のアレイを備えてよい。レーザーダイオードはバー中にモノリシックに集積されてよいが、分離し及び別々のレーザーダイオードはアレイを形成するように用いられるとともに配列されてもよい。任意の適した数のレーザーダイオードまたは空間配置がレーザーダイオードバーに提供されてよく、本出願の態様がそのように限定されないように、レーザーダイオードは密に詰められてもよくまたは互いに離間してもよい。ダイオードエミッターのアレイはパラレル出力とともに駆動してよい。一例では、ダイオードはシングルモードエミッターのモノリシックアレイとして配置される。いくつかの実施形態では、レーザーダイオード１０２はマルチモード出力を提供してよい。

図１をなお参照すると、ドライバー回路１２０はクロック源１３０からのマスタクロック信号１３２を受信するとともにドライブ信号１２２を生成して光源１０６中のレーザーダイオード１０２によるパルス光信号１０４の生成を同期する。いくつかの実施形態では、各ドライブ信号のタイミングは調整可能でよく、例えば、１つ以上のプログラマブルディレイラインまたはドライバー回路１２０内の対応する遅延したタイミング信号（遅延したバージョンのマスタクロック信号１３２で各ドライブ信号１２２のタイミングの設定に用いられる）を生成できる任意の適切な遅延回路による。各ドライブ信号に適用されるプログラム可能な遅延の量はチップ１０１上の試料の励起を光源１０６中の異なるレーザーダイオード１０２により生成されるパルス光信号と同期するように選択されてよい。例えば、異なるレーザーダイオードの光路での伝達遅延の相違を相殺するように遅延が調整され、チップ上で同じタイミングでサンプルウェルを励起し、アレイのレーザーダイオード間におけるスキューを低減または解消する。いくつかの実施形態では、異なるレーザーダイオードによるチップ上のサンプルウェルでの励起がチップ上の時間領域センシング動作のタイミングと同期するように、各ドライブ信号に適用される遅延が選択されてよい。いくつかの実施形態では、プログラム可能な遅延の量は校正手順の間に決定されてよく、その校正手順はドライバー回路内の１つ以上の遅延の量を、測定されたスキューの量が所定の閾値以内であるようなタイミングの関係まで反復して調整する。

ドライバー回路１２０及びクロック源１３０は任意の適切な方法で実施されてよい。いくつかの実施形態では、ドライバー回路１２０は半導体基板中に配置される集積回路を備えてよい。いくつかの実施形態では、ドライバー回路１２０は、１つ以上のプリント基板（ＰＣＢ）を備えてよい。いくつかの実施形態では、ドライバー回路１２０は光源内の各レーザーダイオードに対応する複数のドライバーユニットを備えてよい。ドライバー回路１２０は受信したマスタクロック信号１３２をコピーしてよく、プログラム可能な遅延に適用してよく、そして複数のドライバーユニットの各々のタイミングのように遅延したクロック信号を生成してよい。いくつかの実施形態では、クロック源１３０及びドライバー回路１２０はチップ上のピクセル内の１つ以上の光検出器からの読み出し信号を分析するための集積デバイスとインターフェース接続する装置の一部でよく、クロック信号１３２はそうした読み出し信号の分析のための装置内のクロックと同期してよい。例えば、光パルスのセンシングから送達された信号は装置のエレクトロニクス（例えば、データ取得サイクル）を光源により生成される光パルスのタイミングと同期させるのに用いることができる電子クロック信号を生成するのに用いられることができる。装置の例は２０２０年１月３日に出願された「フォトニック要素のアレイへの光の送達のための光導波路及びカプラ」と題する米国特許第１６／７３３，２９６号に記載され、その全体はその全体が参照によって本明細書に援用される。その他の実施形態では、ドライバー回路１２０及び／またはクロック源１３０はそうした装置からは独立して提供されてもよい。

いくつかの実施形態では、レーザーダイオードアレイの極一部を通じて励起光を一度に操向することができ、それはシステムの消費電力を低減し得る。いくつかの実施形態では、ドライバー回路１２０は光源１０６内の一部のレーザーダイオードを、ピクセルを励起するように独立してアクティブ化／非アクティブ化してよい。発明者らは少なくともいくらかの消費電力はチップ内の論理ゲートのスイッチングに帰することを認識し、理解するに至り、それはチップ上のピクセルによりみられる励起光パルスの周波数の低減により低減される。非限定的な一例では、レーザーダイオードのアレイ全体が１０ｍＷのトータル出力電力で通常駆動する代わりに、半分の時間で半分のアレイに電力を集中させることができ、逆も同様である。これはピクセル中の論理ゲートのトグル周波数が２分の１に低減し、結果として全てのピクセルが半分の数の光パルスを受け取るが、その光パルスは２倍のパワー及び同じ平均パワーを有する。違った駆動部分のレーザーダイオードアレイの他の変形もまた用いられてよいことが理解される。

ピクセル１１２の列を示す集積デバイス１０１の断面概略図を図２に示す。集積デバイス１０１は結合領域２０１と、ルーティング領域２０２と、ピクセル領域２０３とを備えてよい。ピクセル領域２０３は結合領域２０１とは別の位置の表面上に配置されたサンプルウェル１０８を有する複数のピクセル１１２を備えてよく、そこで励起光（破線矢印として示される）が集積デバイス１０１と結合する。サンプルウェル１０８は金属層１１６を通して形成されてよい。１つのピクセル１１２（破線の矩形により示される）はサンプルウェル１０８と１つ以上の光検出器１１０を有する光検出器領域とを備える集積デバイス１０１の領域である。

図２は励起光のビームの結合領域２０１及びサンプルウェル１０８への結合による励起経路（破線で示される）を示す。図２に示されるサンプルウェル１０８の列は導波路２２０に光学的に結合するように配置されてよい。励起光による照射に対して試料は励起状態に達してよい。試料が励起状態にあるとき、試料は射出光を放出してよく、その射出光はサンプルウェルに関連する１つ以上の光検出器により検出されてよい。図２はサンプルウェル１０８からピクセル１１２の光検出器１１０への励起光の経路（実線として示される）を概略的に示す。ピクセル１１２の光検出器１１０はサンプルウェル１０８からの射出光を検出するように構成され、配置される。適切な光検出器の例は２０１５年８月７日に出願された「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」と題する米国特許第１４／８２１，６５６号に記載され、その全体が参照によって本明細書に援用される。適切な光検出器の追加の例は２０１７年１２月２２日に出願された「直接ビニングピクセルを備える集積光検出器」と題する米国特許第１５／８５２，５７１号に記載され、その全体が参照によって本明細書に援用される。個々のピクセル１１２のために、サンプルウェル１０８及びそのそれぞれの光検出器１１０は共通の軸に沿って（図２に示されるＹ方向に沿って）整列させられてよい。このように、光検出器はピクセル１１２内のサンプルウェルと重なり合ってよい。

サンプルウェルからの射出光の指向性は、金属層１１６に対するサンプルウェル１０８内の試料の配置に依存してよい。なぜなら、金属層１１６は射出光を反射するよう機能してよいからである。このように、金属層１１６とサンプルウェル１０８中に配置される蛍光マーカーとの間の距離は光検出器１１０の効率に影響を与え得り、その効率はサンプルウェルと同じピクセル内にある蛍光マーカーにより放出される光を検出するものである。金属層１１６とサンプルウェルの底面との間の距離（試料が動作の間に配置され得る場所に近接する）は、１００ｍｍ～５００ｍｍ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、金属層１１６とサンプルウェル１０８との間の距離は約３００ｍｍである。

試料と光検出器との間の距離もまた射出光の検出の効率に影響を与え得る。距離を減少させることにより光は試料と光検出器との間を伝わることとなり射出光の検出効率は改善し得る。加えて、試料と光検出器との間の距離がより短いと、ピクセルが集積デバイスのフットプリントのより小さい領域を占有することを可能にでき、それはより多い数のピクセルを集積デバイス中に備えることを可能にすることができる。サンプルウェル１０８の底部と光検出器との間の距離は１μｍ～１５μｍ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。

フォトニック構造２３０はサンプルウェル１０８と光検出器１１０との間に配置されてよく、励起光が光検出器１１０に到達するのを減少させるまたは妨げるように構成されてよく、その励起光はさもなければ射出光の検出において信号ノイズに寄与する可能性がある。図２に示すように、１つ以上のフォトニック構造２３０は導波路２２０と光検出器１１０との間に配置されてよい。フォトニック構造２３０は分光フィルタ、偏光フィルタ、及び空間フィルタを含む１つ以上の光リジェクションフォトニック構造を備えてよい。フォトニック構造２３０は個々のサンプルウェル１０８及びそれらのそれぞれの光検出器１１０と共通の軸に沿って整列するように配置されてよい。いくつかの実施形態において、金属層２４０（集積デバイス１０１の回路構成として機能し得る）は空間フィルタとしても機能し得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の金属層２４０は励起光の一部または全部が光検出器１１０に到達するのを遮断するように配置されてよい。

結合領域２０１は外部の励起源からの励起光と結合するように構成されている１つ以上の光学構成要素を備えてよい。結合領域２０１は励起光ビームの一部または全部を受け取るように配置されるグレーティングカプラ２１６を備えてよい。適切なグレーティングカプラの例は２０１７年１２月１５日に出願された「光カプラ及び導波路システム」と題する米国特許第１５／８４４，４０３号に記載され、その全体が参照によって本明細書に援用される。グレーティングカプラ２１６は励起光を導波路２２０に結合してよく、そのグレーティングカプラは１つ以上のサンプルウェル１０８の近傍へ励起光を伝えるように構成されてよい。代替として、結合領域２０１は光を導波路へ結合するためのその他のよく知られた構造を備えてよい。

集積デバイスから外れて位置する構成要素は励起源１０６を集積デバイスに配置するとともに整列するのに用いられてよい。そうした構成要素はレンズ、ミラー、プリズム、ウィンドウ、アパーチャ、減衰器、及び／または光ファイバーを含む光学構成要素を含んでよい。追加の機械的構成要素は１つ以上のアライメント構成要素の制御を装置内で可能にすることを含んでよい。そうした機械的構成要素はアクチュエータ、ステッパモーター、及び／またはノブを含んでよい。適切な励起源及びアライメント機構の例は２０１６年５月１２日に出願された「パルスレーザー及びシステム」と題する米国特許第１５／１６１，０８８号に記載され、その全体が参照によって本明細書に援用される。ビームステアリングモジュールのその他の例は２０１７年１２月１４日に出願された「コンパクトなビーム形成及びステアリングアセンブリ」と題する米国特許第１５／８４２，７２０号に記載され、その全体が参照によって本明細書に援用される。

分析される試料はピクセル１１２のサンプルウェル１０８中に導入されてよい。試料は生物的な試料または任意の他の適切な試料（化学的な試料など）であってよい。試料は複数の分子を含んでよく、サンプルウェルは単一分子を単離するように構成されてよい。いくつかの例では、サンプルウェルの寸法は単一分子をサンプルウェル内にとどめるように機能してよく、それは単一分子上で測定が行われるのを可能にする。試料または試料に付いているもしくはそうでなければ試料に関連する１つ以上の蛍光マーカーをサンプルウェル１０８内の照射領域内にある間に励起するように励起光はサンプルウェル１０８内に送達されてよい。

動作としては、サンプルウェル内の試料の並列分析はウェル内の一部または全部の試料が励起光により励起し、試料発光からの信号を光検出器で検出することで行われる。試料からの射出光は対応する光検出器により検出されてよく、１つ以上の電気信号へ変換されてよい。電気信号は集積デバイスの回路構成内の導電線（例えば金属層２４０）に沿って伝わってよく、それは集積デバイスとインターフェース接続する装置に接続してよい。次いで、電気信号は処理され及び／または分析されてよい。電気信号の処理または分析は装置上または装置から離れてのどちらかに位置する適切な演算装置で行われてよい。

装置１８０は装置１８０及び／または集積デバイス１０１の制御動作のためのユーザーインターフェースを備えてよい。ユーザーインターフェースはユーザーが装置へ情報（装置の機能を制御するのに用いられるコマンド及び／または設定などの）を入力するのを可能にするように構成されてよい。いくつかの実施形態では、ユーザーインターフェースはボタン、スイッチ、ダイアル、及び音声コマンドのためのマイクを備えてよい。ユーザーインターフェースはユーザーが装置及び／または集積デバイスの性能に対するフィードバック（適切な位置合わせ及び／または集積デバイス上の光検出器からの読み出し信号から得られる情報などの）を受け取るのを可能にしてよい。いくつかの実施形態では、ユーザーインターフェースは可聴なフィードバックを提供するようにスピーカーを使用するフィードバックを提供し得る。

いくつかの実施形態では、装置１８０は演算装置と接続するように構成されるコンピュータインターフェースを備えてよい。コンピュータインターフェースはＵＳＢインターフェース、ファイアワイヤー（Ｆｉｒｅ Ｗｉｒｅ）インターフェース、または任意のその他の適切なコンピュータインターフェースであってよい。演算装置はラップトップコンピュータまたはデスクトップコンピュータなどの汎用コンピュータであってよい。いくつかの実施形態では、演算装置は適切なコンピュータインターフェースを介してワイヤレスネットワークでアクセス可能なサーバー（例えば、クラウドベースのサーバー）であってよい。コンピュータインターフェースは装置１８０と演算装置との間の情報のやり取りを促進してよい。制御のための入力情報及び／または装置１８０の構成は演算装置へ提供されてよく、コンピュータインターフェースを介して装置１８０へ伝わってよい。出力情報は装置１８０の性能、集積デバイス１１２の性能、及び／または光検出器１１０の読み出し信号から生成されるデータについてのフィードバックを含んでよい。

いくつかの実施形態では、集積デバイス１０１の１つ以上の光検出器から受け取るデータを分析するように及び／または励起源１０６へ制御信号を送るように構成されている装置１８０は処理装置を備えてよい。いくつかの実施形態では、処置装置は汎用プロセッサー、特別に適合されたプロセッサー（例えば、１つ以上のマイクロプロセッサーまた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、デジタルシグナルプロセッサー（ＤＳＰ）またはそれらの組み合わせ）を備えてよい。いくつかの実施形態では、１つ以上の光検出器からのデータの処理は装置１８０の処理装置と外部の演算装置との両方により行われてよい。その他の実施形態では、外部の演算装置は省略されてよく、１つ以上の光検出器からのデータの処理は集積デバイス１０１の処理装置により単独で行われてよい。

図３Ａはいくつかの実施形態におけるシステム３００内の光結合の一例を示した概略図である。図３Ａでは、レーザーダイオード３０２により生成されるパルス光信号は１つ以上の光路によりチップ３０１の表面と結合する。レンズ３４０及びミラー３４２は整列し、形状が決定し、パルス光信号をチップ３０１の一部に向けるように光路２５０中に配置される。

図３Ｂは、いくつかの実施形態における図３Ａに示したシステム３００の概略上面図である。図３Ｂは複数のレーザーダイオード３０２が単一のバー２０６を形成するようにグループ化される様子を示す。ここでは生成される光信号がチップ３０１上に配置された一団のグレーティングカプラ３１０上でレンズ３４０及びそれぞれの光路３５０を介して結像する。Ｎ個のレーザーダイオード３０２の各々はＮ個のグレーティングカプラの個々のグレーティングカプラと光結合する。レーザーダイオード３０２は個々に駆動でき、ドライバー回路１２０などのドライバー回路による単一クロックと同期できる。だが一方、一部または全部のレーザーダイオード３０２がグループ化され、シリアル方式で駆動されてもよい。

図３Ａ及び図３Ｂはミラー及びレンズなどの同じ光学構成要素を共有する複数の光路を示すが、本出願の態様は本出願の態様はそのように限定されず、任意の適切な数の光学構成要素が提供されてよい。いくつかの実施形態では、例えば異なる部分のチップ３０１を照射するように、異なるレーザーダイオードに由来する光路が異なる配向及び長さを有してよい。いくつかの実施形態では、チップ上の対応するグレーティングカプラのピッチ及び位置が一致するように、１つ以上のレンズが焦点を合わせ、レーザーダイオードからの光信号を拡大するように用いられてよい。

図３Ｂでは、グレーティングカプラ３１０は導波路及びチップ３０１上のサンプルウェルとさらに光結合してよい。グレーティングカプラは限定されないが、テーパ型グレーティングカプラ、スライスグレーティングカプラ、導波路テーパ型カプラ、導波路エバネッセントカプラなどの任意の適切なタイプのカプラであってよい。

図４は、いくつかの実施形態における図３Ａに示したシステムの変形例であるシステム４００の概略上面図である。図４では、複数のレーザーダイオード４０２ａ，４０２ｂ，４０２ｃ，４０２ｄが互いに別で、チップ４０１の異なる側に配置される。例えば、レーザーダイオード４０２ａからの光路４５０ａがレーザーダイオード４０２ｃからの光路４５０ｃから約１８０度回転するように、チップ４０１はレーザーダイオード４０２ａと４０２ｃとの間に配置される。レーザーダイオード４０２ａからの光路４５０ａはレーザーダイオード４０２ｂからの光路４５０ｂから約９０度回転する。複数のレーザーダイオードを別々に配置することの１つの利点はレーザーダイオードからの光路が互いに離間できることで、それはチップ４０１上のグレーティングカプラが密集するとき、互いに近接している光ビームを接近させるのを防ぐ。その他の利点としては、レーザーダイオードをチップ４０１の各側面に接近して配置することは、励起光が伝導する光路長を減少してよく、それゆえに遅延及び導波路光損失が低減し、システム効率が向上する。例えば、上面から比較的遠くの位置から結合する光を送る長い導波路を必要とせずに、チップ４０１の上部のより近くに位置するサンプルウェルをチップ４０１の上部のより近くに位置するグレーティングカプラを介して励起するのに光路４５０ｂは用いられてよい。

図５は、いくつかの実施形態における別々の光路及び集積型モード変換器を用いた複数のレーザーダイオードの光結合の一例を示した概略図である。図５は各レーザーダイオード５０２により生成する光信号がモード変換器５４０、光路５５０、及びモード変換器５４２によってチップ５０１に結合することを示す。いくつかの実施形態では、別々の光路５５０が別々のレーザーダイオード５２０に対して提供される。モード変換器はマイクロ光学素子、集積フォトニック構造、または任意の適切な構造であってよく、いくつかの実施形態ではレーザーダイオードとチップとの間の高い結合効率を達成するのに必要な位置合わせ精度が緩和される。システム５００は部品故障を避けるように、露出した光インターフェースでの最小の光強度を提供してよく、モノリシックなマイクロ／ナノ加工のために３Ｄ印刷法を用いて実施されてよい。態様によれば、モード変換器を用いた結合はレーザーダイオード５０２のチップ５０１へのパッシブアライメントを可能にしてよい。

図３Ａ、図３Ｂ、図４では、光路３５０を自由空間内に示しているが、本出願の態様はそのように限定されないことが理解される。図６は、いくつかの実施形態における光ファイバーを用いた光結合を使用したシステムの一例を示した概略ブロック図である。図６はレーザーダイオード６０２をチップ６０１へ結合する一団の光ファイバー６５０を示す。各レーザーダイオード６０２は光ファイバー６５０に結合され、その光ファイバーはカプラ６１０を介してチップ６０１へ結合される。

いくつかの態様によれば、光ファイバー６５０は回折限界スポットを出力するモードフィルタとして機能してよい。任意で及びこれに加えてレーザーダイオード６０２から光ファイバー６５０への光信号の結合効率は１つ以上のレンズ６４０により高められてよい。いくつかの実施形態では、光ファイバー６５０の出力端はチップ６０１の近くに配置されたファイバーアレイに配置し、各光ファイバーからの光を対応するグレーティングカプラに結合する。ファイバーアレイは全ての光ファイバーの結合角を共に簡便に設定してよい。いくつかの実施形態では、ファイバーアレイの配置及び／または角度はそれぞれのグレーティングカプラとの位置合わせが整列及び安定し、結合効率を最適化するようにモーターなどのプログラム可能なマニピュレータにより調整されてよい。いくつかの実施形態では、カプラ６１０はチップ上にプラグ接続可能なレセプタクルを備えてよく、ファイバーアレイはレセプタクルに接続し、グレーティングカプラに関してファイバーアレイの配置及び角度を設定するのを助ける。

本出願の一態様はチップ上に隣接するセンサ間のクロストークの低減に関するものである。デバイスがスケーリングされる間、集積デバイス上の隣接するピクセル間または反応チャンバー間の間隔はより小さい領域に詰め込まれる。場合によってはそうしたスケーリングはセンサ間の信号の「クロストーク（ｃｒｏｓｓ－ｔａｌｋ）」をもたらし得る。発明者らは複数の励起入力が提供されるとき、近くのセンサ間の励起のタイミングをオフセットするとき、クロストークは低減または最小にできることを認識し、理解するに至った。

図７Ａは、いくつかの実施形態における複数の入力で集積デバイスを発光する一例を示した概略上面図である。図７Ａは、グレーティングカプラ７１０ａ，７２０ｂを介して各々の光源が光信号をそれぞれの導波路７２０ａ，７２０ｂと結合する複数の光源７０２ａ，７０２ｂを示す。光源７０２ａはレーザーダイオードＬ１を備える一方で、光源７０２ｂはレーザーダイオード７０２ｂを備える。ピクセルＰ１及びピクセルＰ２は各々導波路７２０ａ，７２０ｂとそれぞれ結合する。クロストークはピクセルＰ１，Ｐ２が空間的に互いに近接する時に起こり得る。

図７Ｂは、いくつかの実施形態における信号クロストークを減少させるように図７Ａの光源及び導波路によって生成されたパルス信号のタイミング図群を示す。図７Ｂでは、図７１はＬ１により生成されるレーザーパルスのタイミング図であり、図７２はＬ２により生成されるレーザーパルスのタイミング図であり、図７３はＰ１における検知信号の収集のタイミング図であり、図７３はＰ２における検知信号の収集のタイミング図である。図７Ｂに示すように、Ｌ１，Ｌ２パルスは時間的にずれており、Ｐ１，Ｐ２収集期間もまた時間的にずれている。特定の理論に束縛されることを望むものではないが、タイミング構成はピクセルＰ１，Ｐ２内のセンサでのクロストークを低減できる。なぜなら、調整されたセンサは収集期間外の異なる時間に励起するからである。図７Ｂに示されるタイミング図は単なる例であり、任意の適切な量のタイミングオフセットが一部または全部の収集及び励起タイミングにおいて用いられ、クロストークを低減することが理解される。

技術の様々な態様は単独で、組み合わせて、または前記に記載した実施形態において具体的に論じられていない様々な配置で用いられてよく、それゆえに前述の説明に明記したまたは図面に示したその適用の詳細及び構成要素の配置に限定されない。例えば、いくつかの例では単一のチップが示されている一方で、システムは１つ以上のチップを有してよく、本出願の態様における光源は複数のチップの励起に用いられてもよいことが理解される。一実施形態で記載される態様は他の実施形態で記載される態様と任意の方法で結合されてよい。

また、技術の態様は方法として具体化されてよく、その一例は提供されている。方法の一部として行われる行為は任意の適切な方法で順序付けられてもよい。それに応じて、示されているものと異なる順序で行為が行われる実施形態が構成され得、例示実施形態において逐次的な行為として示されていたとしても、その実施形態はいくつかの行為が同時に行われることを含み得る。

そうした変更形態、改変形態、及び改良形態は本開示の一部であると意図されており、本発明の精神及び範囲内であると意図されている。さらに、本発明の利点が示されるが、発明の全ての実施形態が記載される全ての利点が含まれるとは限らないことが理解される。いくつかの実施形態では、本明細書及びいくつかの例において有利と記載される任意の特徴が実施されなくてよい。それに応じて、前述した説明及び図面は単なる例である。

用語「約（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」及び「約（ａｂｏｕｔ）」はいくつかの実施形態における目標値の±２０％以内、いくつかの実施形態における目標値の±１０％以内、いくつかの実施形態における目標値の±５％以内、及びさらにいくつかの実施形態における目標値の±２％以内を意味するように用いられ得る。用語「約（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」及び「約（ａｂｏｕｔ）」は目標値を含み得る。

Claims (20)

1. システムであって、
   複数のサンプルウェルを備える集積フォトニックデバイスと、
   １つ以上のレーザーダイオードを備え、前記複数のサンプルウェル内の複数の試料を励起するための１つ以上のパルス光信号を生成するように構成された光源と、
   前記光源に結合されており、クロック信号を受信するとともに前記クロック信号に基づいて前記１つ以上のパルス光信号のタイミングを制御するように構成されたドライバー回路と、を備えるシステム。
2. 前記１つ以上のレーザーダイオードは複数のレーザーダイオードを備え、前記ドライバー回路は、前記クロック信号に基づいたタイミングを有する複数のドライブ信号を生成するとともに前記ドライブ信号を用いて前記複数のレーザーダイオードのそれぞれのレーザーダイオードを駆動するようにさらに構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ドライバー回路は、調整可能な遅延を前記複数のドライブ信号の一部または全部におけるタイミングに適用するようにさらに構成されている、請求項２に記載のシステム。
4. 前記１つ以上のレーザーダイオードは、振幅変調モードで動作するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
5. 前記集積フォトニックデバイスは、１００万個以上のサンプルウェルを備え、前記１つ以上のレーザーダイオードは、前記１つ以上のパルス光信号を１００ｍＷ未満の光パワーレベルで生成するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
6. 前記１つ以上のパルス光信号を前記複数のサンプルウェルの一部または全部に光学的に結合するように構成されている１つ以上の導波路をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
7. 前記集積フォトニックデバイスは、前記１つ以上のパルス光信号を前記１つ以上の導波路に光学的に結合するように構成されている１つ以上のグレーティングカプラをさらに備える、請求項６に記載のシステム。
8. 前記光源は、レーザーダイオードアレイを備え、前記１つ以上のグレーティングカプラは、複数のグレーティングカプラであり、前記システムは、前記レーザーダイオードアレイのレーザーダイオードを前記複数のグレーティングカプラの対応するグレーティングカプラに各々結合する複数の光路をさらに備える、請求項７に記載のシステム。
9. 前記複数の光路は、９０度以上の角度を形成する第１の光路及び第２の光路を備える、請求項８に記載のシステム。
10. 前記１つ以上のパルス光信号を前記１つ以上の導波路に光学的に結合するように構成された１つ以上の光学要素をさらに備え、前記１つ以上の光学要素は、ミラー、レンズ、光ファイバーまたはそれらの組み合わせである、請求項６に記載のシステム。
11. 前記１つ以上のレーザーダイオードは、利得スイッチレーザーダイオードを備え、前記１つ以上のパルス光信号は、１００～１０００ｐｓの間の半値全幅を有する、請求項１に記載のシステム。
12. システムであって、
    複数のサンプルウェルと１つ以上の導波路とを備えるチップと、
    前記１つ以上の導波路のうちの対応する導波路を介して前記チップの前記複数のサンプルウェル内の試料を励起するための１つ以上のパルス光信号を生成するように構成された１つ以上のレーザーダイオードと、
    クロック信号を受信するとともに、前記クロック信号に基づいて、生成した前記１つ以上のパルス光信号のタイミングを同期するように構成されたドライバー回路と、を備えるシステム。
13. 前記１つ以上のレーザーダイオードは、複数のレーザーダイオードを備え、前記ドライバー回路は、前記クロック信号に基づいたタイミングを有する複数のドライブ信号を生成するとともに前記ドライブ信号を用いて前記複数のレーザーダイオードのそれぞれのレーザーダイオードを駆動するようにさらに構成されている、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記チップは１００万個以上のサンプルウェルを備え、前記１つ以上のレーザーダイオードは、前記１つ以上のパルス光信号を１００ｍＷ未満の光パワーレベルで生成するように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
15. 前記チップは、前記１つ以上のパルス光信号を前記１つ以上の導波路に光学的に結合するように構成されている１つ以上のグレーティングカプラをさらに備える、請求項１２に記載のシステム。
16. チップと、１つ以上のレーザーダイオードと、ドライバー回路とを備えるシステムを動作させる方法であって、前記チップは複数のサンプルウェルを有し、前記方法は、
    前記ドライバー回路にてクロック信号を受信する工程と、
    受信した前記クロック信号に基づいて、前記ドライバー回路により１つ以上のドライブ信号を生成する工程と、
    前記１つ以上のドライブ信号に基づいて、前記１つ以上のレーザーダイオードにより１つ以上のパルス光信号を生成するパルス光信号生成工程と、
    前記１つ以上のパルス光信号により前記複数のサンプルウェル内の複数の試料を励起する工程と、を備える、方法。
17. 前記１つ以上のレーザーダイオードは複数のレーザーダイオードを備え、前記方法は、
    前記クロック信号に基づいて複数の同期したパルス光信号を生成する同期パルス光信号生成工程をさらに備える、請求項１６に記載の方法。
18. 前記同期パルス光信号生成工程は、
    前記ドライバー回路により、前記クロック信号に基づいたタイミングを各々有する複数のドライブ信号を生成するドライブ信号生成工程と、
    前記複数のレーザーダイオードの各レーザーダイオードを対応するドライブ信号により駆動する工程と、を備える、請求項１７に記載の方法。
19. 前記ドライブ信号生成工程は、
    プログラム可能な遅延を各々有する複数の遅延したタイミング信号を生成するように前記クロック信号を遅延させる工程と、
    前記ドライブ信号の各々の前記タイミングを対応する遅延したタイミング信号に基づいて設定する工程と、を備え、
    各ドライブ信号に対する前記プログラム可能な遅延は、前記複数の同期したパルス光信号が前記チップにおける前記複数の試料を所定のタイミング関係によって励起するように選択される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記チップは、１００万個以上のサンプルウェルを有し、前記パルス光信号生成工程は、１００ｍＷ未満の光パワーレベルでパルス光信号を生成するように前記１つ以上のレーザーダイオードを動作させる工程を含む、請求項１６に記載の方法。

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