KR20180008778A - 형광 수명 분석을 위한 광학 소스들 - Google Patents
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Abstract
짧은 및 극초단 광학 펄스들을 생성하기 위한 컴팩트한 광학 소스들 및 방법들이 설명된다. 억제된 테일 방출을 갖는 대략 85 ps 정도로 짧은 FWHM 지속시간들을 갖는 광학 펄스들을 생성하기 위해 반도체 레이저 또는 LED(2-423)가 양극성 파형을 사용해 구동될 수 있다. 적용분야들 중에서도 특히, 생물학적 샘플들의 형광 수명 분석 및 TOF(time-of-flight) 이미징을 위해 펄스 광학 소스들이 사용될 수 있다.
Description
관련 출원들의 상호 참조
본 출원은 2015년 5월 20일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Pulsed Laser"인 미국 가출원 제62/164,485호, 2015년 8월 7일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Integrated Device for Temporal Binning of Received Photons"인 미국 출원 제14/821,656호, 2016년 2월 17일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Sensor and Device for Lifetime Imaging and Detection Applications"인 미국 가출원 제62/296,546호, 및 2016년 3월 18일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Pulsed Laser and System"인 미국 가출원 제62/310,398호를 우선권 주장하며, 이 출원들 각각은 이로써 참조에 의해 그 전체가 원용된다.
기술분야
본 출원은 형광 수명 및 TOF(time-of-flight) 적용분야들을 포함하는 시간 영역 적용분야들을 위한 짧은 및 극초단 광학 펄스들을 생성하기 위한 디바이스들 및 방법들에 관한 것이다.
극초단 광학 펄스들(즉, 약 100 피코초 미만의 광학 펄스들)은 다양한 연구 개발 분야들은 물론, 시간 영역 분석들을 수반하는 상업적 적용분야들에서 유용하다. 예를 들어, 극초단 광학 펄스들은 시간 영역 분광법, 광학적 거리측정(optical ranging), TDI(time-domain imaging), 및 OCT(optical coherence tomography)에 유용할 수 있다. 극초단 펄스들은 또한 광학 통신 시스템들, 의료 적용분야들, 및 광전자 디바이스들 및 재료들의 테스트를 비롯한 상업적 적용분야들에 유용할 수 있다.
종래의 모드 동기 레이저(mode-locked laser)들은 극초단 광학 펄스들을 생성하기 위해 개발되어 왔고, 각종의 이러한 레이저들이 현재 상업적으로 이용가능하다. 예를 들어, 일부 고체 레이저(solid-state laser)들 및 파이버 레이저(fiber laser)들은 200 펨토초보다 많이 낮은 지속시간들을 갖는 펄스들을 전달하기 위해 개발되었다. 그렇지만, 일부 적용분야들에서, 이 펄스 지속시간들은 유용한 결과들을 획득하는 데 필요한 것보다 더 짧을 수 있으며, 이 레이징 시스템(lasing system)들의 비용은 엄청나게 높을 수 있다. 그에 부가하여, 이 레이징 시스템들은 상당한 크기의 풋프린트(예컨대, 1 ft2 이상 정도) 및 상당한 중량을 가지는 독립형 시스템들일 수 있으며, 용이하게 휴대가능하지 않을 수 있다. 이러한 레이징 시스템들 및 그들의 구동 전자장치들은 교체가능한 모듈로서 기기 내에 통합하기가 어려울 수 있거나, 심지어 핸드헬드 디바이스 내에 통합될 수도 없다. 그 결과, 극초단 펄스 레이저들이 종종 별도의 독립형 기기로서 제조되고, 그로부터의 출력 빔이 특정 적용분야를 위한 다른 기기에 결합될 수 있다.
본원에 설명되는 기술은 레이저 다이오드(LD)들 또는 발광 다이오드(LED)들을 사용해 짧은 및 극초단 광학 펄스들을 생성하기 위한 장치들 및 방법들에 관한 것이다. 짧은 펄스들은 약 100 피코초 내지 약 10 나노초의 FWHM(full-width-half-maximum) 시간 프로파일들을 갖는 펄스들이다. 극초단 펄스들은 약 100 피코초 미만의 FWHM 시간 프로파일들을 갖는 펄스들이다. 일부 실시예들에서 약 2 나노초 미만 그리고 일부 경우들에서 약 100 피코초 미만의 지속시간들을 갖는 펄스들을 생성하기 위해 컴팩트한 저가의 레이저 시스템들에서 구현될 수 있는 이득 스위칭 기법들 및 관련 회로부가 설명된다. 본 발명자들은 컴팩트한 저가의 펄스 레이저 시스템이 계측장비(예컨대, 형광 수명 이미징 디바이스들, 수명 분해 형광 검출(lifetime-resolved fluorescent detection)을 이용하는 바이오분석 기기들, TOF(time-of-flight) 기기들, OCT(optical coherence tomography) 기기들) 내에 통합될 수 있고, 이러한 계측장비가 용이하게 휴대가능하고 종래의 극초단 펄스 레이저 시스템들을 사용하는 이러한 시스템들에 대해 가능한 것보다 상당히 더 낮은 비용으로 생산될 수 있게 해줄 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 높은 휴대성은 이러한 기기들이 연구, 개발, 임상, 상용, 및 가정내 적용분야들에 보다 유용하게 되도록 할 수 있다.
일부 실시예들은 광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드, 및 반도체 다이오드의 단자에 결합된 트랜지스터를 포함하는 구동 회로 - 구동 회로는 단극성 펄스(unipolar pulse)를 수신하고 단극성 펄스를 수신한 것에 응답하여 양극성 전기 펄스(bipolar electrical pulse)를 반도체 다이오드에 인가하도록 구성됨 - 를 포함하는 펄스 광학 소스(pulsed optical source)에 관한 것이다.
일부 실시예들은 광학 펄스를 생성하는 방법들에 관한 것이다. 방법은 적어도 하나의 클록 신호를 수신하는 단계, 적어도 하나의 클록 신호로부터 전기 펄스를 생성하는 단계, 전기 펄스를 사용해 트랜지스터의 게이트 단자를 구동하는 단계 - 트랜지스터의 전류 전달 단자(current carrying terminal)는 광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드에 연결됨 -, 및 전기 펄스에 의한 트랜지스터의 활성화에 응답하여 광학 펄스를 생성하기 위해 양극성 전류 펄스(bipolar current pulse)를 반도체 다이오드에 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들은 광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드, 광학 펄스를 생성하기 위해 양극성 전류 펄스를 반도체 다이오드에 인가하도록 구성된 구동 회로, 광학 펄스를 샘플에 전달하도록 배열된 광학 시스템, 및 광자 도달 시간들을 광검출기의 단일 전하 축적 간격(single charge-accumulation interval) 동안 적어도 2개의 시간 빈(time bin)들 내로 판별하도록 구성된 광검출기를 포함하는 형광 수명 분석 시스템에 관한 것이다.
일부 실시예들은 광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드, 제1 논리 게이트의 출력에 제1 펄스를 형성하도록 구성된 제1 논리 게이트, 및 제1 논리 게이트에 결합된 구동 회로 - 구동 회로는 제1 펄스를 수신하고 제1 펄스를 수신한 것에 응답하여 광학 펄스를 생성하기 위해 양극성 전기 펄스를 반도체 다이오드에 인가하도록 구성됨 - 를 포함하는 펄스 광학 소스에 관한 것이다.
일부 실시예들은 광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드, 및 반도체 다이오드의 단자에 결합된 트랜지스터를 포함하는 구동 회로 - 구동 회로는 단극성 펄스를 수신하고 단극성 펄스를 수신한 것에 응답하여 양극성 전기 펄스를 반도체 다이오드에 인가하도록 구성되며, 트랜지스터는 전류 소스와 기준 전위 사이에서 반도체 다이오드와 병렬로 연결됨 - 를 포함하는 펄스 광학 소스에 관한 것이다.
일부 실시예들은 광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드, 및 반도체 다이오드의 제1 단자에 연결된 복수의 제1 회로 브랜치들 - 각각의 회로 브랜치는 트랜지스터를 포함하고, 트랜지스터의 전류 전달 단자들은 기준 전위와 반도체 다이오드의 제1 단자 사이에 연결됨 - 을 포함하는 펄스 광학 소스에 관한 것이다.
일부 실시예들은 신호 및 반전 신호(inverted signal)를 제공하는 무선 주파수 증폭기, 신호 및 위상 시프트된 반전 신호(phase-shifted inverted signal)를 수신하고 펄스 및 반전 펄스(inverted pulse)를 출력하도록 구성된 논리 게이트, 펄스 및 반전 펄스를 공통 출력 상으로 결합시키도록 구성된 결합기(combiner), 및 공통 출력에 결합되고, 펄스 및 반전 펄스를 수신한 것에 응답하여 광학 펄스를 생성하도록 구성된 반도체 다이오드를 포함하는 펄스 광학 소스에 관한 것이다.
일부 실시예들은 제1 신호 및 제1 신호의 반전된 버전을 수신하고 펄스 및 펄스의 반전된 버전을 출력하도록 구성된 무선 주파수 논리 게이트, 및 무선 주파수 논리 게이트에 연결되고, 반도체 다이오드의 제1 단자에서 펄스를 수신하고 반도체 다이오드의 제2 단자에서 펄스의 반전된 버전을 수신하며 광학 펄스를 방출하도록 배열된 반도체 다이오드를 포함하는 펄스 광학 소스에 관한 것이다.
본 교시내용의 전술한 및 다른 양태들, 구현들, 단계들, 기능들, 특징들, 및 실시예들은 첨부 도면들과 함께 이하의 설명으로부터 보다 완전히 이해될 수 있다.
통상의 기술자는 본원에 설명된 도면들이 예시를 위한 것에 불과하다는 것을 이해할 것이다. 일부 경우들에서, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 본 발명의 다양한 양태들이 과장 또는 확대되어 도시되어 있을 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 도면들에서, 유사한 참조 문자들은 일반적으로 다양한 도면들 전반에 걸쳐 유사한 특징들, 기능적으로 유사한 및/또는 구조적으로 유사한 요소들을 지칭한다. 도면들이 꼭 일정 축척으로 되어 있는 것은 아니며, 그 대신에 교시내용의 원리들을 설명하는 것에 중점을 두고 있다. 도면들이 결코 본 교시내용의 범주를 한정하는 것으로 의도되어 있지 않다.
도 1a는 일부 실시예들에 따른, 분석 기기와 통합된 펄스 레이징 시스템을 도시한 도면.
도 1b는 일부 실시예들에 따른, 극초단 광학 펄스들의 트레인을 도시한 도면.
도 2aa는 일부 실시예에 따른, 이득 스위칭을 위한 광학 펌프 및 출력 펄스들을 예시한 도면.
도 2ab는 일부 실시예들에 따른, 완화 진동(relaxation oscillation)들을 예시한 도면.
도 2ac는 일부 실시예들에 따른, 테일(tail)을 나타내는 광학 출력 펄스를 도시한 도면.
도 2ba는 일부 실시예들에 따른, 펄스 반도체 레이저 다이오드(pulsed semiconductor laser diode)를 도시한 도면.
도 2bb는 일 실시예에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 펄싱(pulsing)하기 위한 펄서 회로도(pulser circuit schematic)를 도시한 도면.
도 2bc는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드에 전달되는 전류의 개선들을 도시한 도면.
도 2c는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드를 이득 스위칭하기 위한 전류 구동 파형을 도시한 도면.
도 2da는 일부 실시예들에서의, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 구동하기 위한 펄서 회로를 도시한 도면.
도 2db는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 구동하기 위한 펄서 회로도를 도시한 도면.
도 2dc는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 구동하기 위한 펄서 회로도를 도시한 도면.
도 2dd는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 펄싱하기 위한 RF 구동기를 도시한 도면.
도 2de는 일부 실시예들에 따른, 도 2dd의 회로에 의해 생성된 구동 파형을 예시한 도면.
도 2df는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 펄싱하기 위한 RF 구동기를 도시한 도면.
도 2dg는 일부 실시예들에 따른, 도 2df의 회로에 의해 생성된 구동 파형들을 예시한 도면.
도 2dh는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 구동하기 위한 펄서 회로도를 도시한 도면.
도 2di는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드에의 파워 커플링(power coupling)의 효율을 예시한 도면.
도 2dj는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드로부터의 광학 방출을 펄싱하기 위한 펄서 및 구동기 회로를 도시한 도면.
도 2dk는 일부 실시예들에 따른, 펄스들의 트레인(train of pulses)을 생성하기 위한 펄서 회로를 도시한 도면.
도 2dl은 일부 실시예들에 따른, 펄서 회로 내의 논리 게이트에의 데이터 입력들을 예시한 도면.
도 2dm은 일부 실시예들에 따른, 전기 펄스들을 사용해 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 구동하기 위한 구동기 회로를 도시한 도면.
도 2ea는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드를 이득 스위칭하기 위한 펄서 회로를 도시한 도면.
도 2eb는 일부 실시예들에 따른, 펄서 회로로부터의 구동 전압을 예시한 도면.
도 2ec 및 도 2ed는 일부 실시예들에 따른, 이득 스위칭 레이저 다이오드(gain-switched laser diode)로부터 생성된 초고속 광학 펄스들의 예시적인 측정들을 예시한 도면.
도 2fa는 일부 실시예들에 따른, 이득 스위칭 또는 Q-스위칭될 수 있는 슬래브 결합 광학 도파관 반도체 레이저(slab-coupled optical waveguide semiconductor laser)를 도시한 도면.
도 2fb는 일부 실시예들에 따른, 슬래브 결합 광학 도파관 레이저에서의 광학 모드 프로파일을 예시한 도면.
도 2fc는 일부 실시예들에 따른, 집적된, 이득 스위칭 반도체 레이저 및 결합된 포화성 흡수체(integrated, gain-switched semiconductor laser and coupled saturable absorber)를 도시한 도면.
도 3a는 일부 실시예들에 따른, 광학 펄스들의 타이밍을 기기 전자장치들에 동기화시키기 위한 시스템을 도시한 도면.
도 3b는 일부 실시예들에 따른, 광학 펄스들의 타이밍을 기기 전자장치들에 동기화시키기 위한 시스템을 도시한 도면.
도 3c는 일부 실시예들에 따른, 2개의 펄스 소스들로부터의 광학 펄스들의 타이밍을 기기 전자장치들에 동기화시키기 위한 시스템을 도시한 도면.
도 3da는 일부 실시예들에 따른, 2개의 펄스 소스들로부터의 광학 펄스들의 인터리빙된 타이밍(interleaved timing)을 기기 전자장치들에 동기화시키기 위한 시스템을 도시한 도면.
도 3db는 일부 실시예들에 따른, 2개의 펄스 광학 소스들로부터의 인터리빙되고 동기화된 펄스 트레인들을 도시한 도면.
도 4a는 일부 실시예들에 따른, 샘플의 형광 수명들을 분석하기 위한 기기를 도시한 도면.
도 4b는 상이한 방출 수명들을 갖는 형광 분자들에 대한 방출 확률들을 도시한 도면.
도 4c는 형광 분자들로부터의 형광 방출의 시간-비닝 검출을 도시한 도면.
도 4d는 일부 실시예들에 따른, 시간-비닝 광검출기를 도시한 도면.
도 4ea는 일부 실시예들에 따른, 다수의 여기 펄스들 및 그에 뒤따른 형광 방출 및 대응하는 비닝된 신호들을 도시한 도면.
도 4eb는 일부 실시예들에 따른, 특정의 형광단(fluorophore)에 대한 비닝된 신호들로부터 생성된 히스토그램을 도시한 도면.
본 발명의 특징들 및 장점들은, 도면들과 관련하여 살펴볼 때, 이하에 기재되는 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다. 도면들을 참조하여 실시예들을 설명할 때, 방향 참조들("위", "아래", "상부", "하부", "좌측", "우측", "수평", "수직" 등)이 사용될 수 있다. 이러한 참조들은 도면들을 보통의 배향에서 보는 독자를 돕기 위한 수단으로서만 의도되어 있다. 이 방향 참조들은 구현된 디바이스의 선호된 또는 유일한 배향을 설명하려는 것으로 의도되어 있지 않다. 디바이스가 다른 배향들로 구현될 수 있다.
도 1a는 일부 실시예들에 따른, 분석 기기와 통합된 펄스 레이징 시스템을 도시한 도면.
도 1b는 일부 실시예들에 따른, 극초단 광학 펄스들의 트레인을 도시한 도면.
도 2aa는 일부 실시예에 따른, 이득 스위칭을 위한 광학 펌프 및 출력 펄스들을 예시한 도면.
도 2ab는 일부 실시예들에 따른, 완화 진동(relaxation oscillation)들을 예시한 도면.
도 2ac는 일부 실시예들에 따른, 테일(tail)을 나타내는 광학 출력 펄스를 도시한 도면.
도 2ba는 일부 실시예들에 따른, 펄스 반도체 레이저 다이오드(pulsed semiconductor laser diode)를 도시한 도면.
도 2bb는 일 실시예에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 펄싱(pulsing)하기 위한 펄서 회로도(pulser circuit schematic)를 도시한 도면.
도 2bc는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드에 전달되는 전류의 개선들을 도시한 도면.
도 2c는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드를 이득 스위칭하기 위한 전류 구동 파형을 도시한 도면.
도 2da는 일부 실시예들에서의, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 구동하기 위한 펄서 회로를 도시한 도면.
도 2db는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 구동하기 위한 펄서 회로도를 도시한 도면.
도 2dc는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 구동하기 위한 펄서 회로도를 도시한 도면.
도 2dd는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 펄싱하기 위한 RF 구동기를 도시한 도면.
도 2de는 일부 실시예들에 따른, 도 2dd의 회로에 의해 생성된 구동 파형을 예시한 도면.
도 2df는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 펄싱하기 위한 RF 구동기를 도시한 도면.
도 2dg는 일부 실시예들에 따른, 도 2df의 회로에 의해 생성된 구동 파형들을 예시한 도면.
도 2dh는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 구동하기 위한 펄서 회로도를 도시한 도면.
도 2di는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드에의 파워 커플링(power coupling)의 효율을 예시한 도면.
도 2dj는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드로부터의 광학 방출을 펄싱하기 위한 펄서 및 구동기 회로를 도시한 도면.
도 2dk는 일부 실시예들에 따른, 펄스들의 트레인(train of pulses)을 생성하기 위한 펄서 회로를 도시한 도면.
도 2dl은 일부 실시예들에 따른, 펄서 회로 내의 논리 게이트에의 데이터 입력들을 예시한 도면.
도 2dm은 일부 실시예들에 따른, 전기 펄스들을 사용해 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 구동하기 위한 구동기 회로를 도시한 도면.
도 2ea는 일부 실시예들에 따른, 레이저 다이오드를 이득 스위칭하기 위한 펄서 회로를 도시한 도면.
도 2eb는 일부 실시예들에 따른, 펄서 회로로부터의 구동 전압을 예시한 도면.
도 2ec 및 도 2ed는 일부 실시예들에 따른, 이득 스위칭 레이저 다이오드(gain-switched laser diode)로부터 생성된 초고속 광학 펄스들의 예시적인 측정들을 예시한 도면.
도 2fa는 일부 실시예들에 따른, 이득 스위칭 또는 Q-스위칭될 수 있는 슬래브 결합 광학 도파관 반도체 레이저(slab-coupled optical waveguide semiconductor laser)를 도시한 도면.
도 2fb는 일부 실시예들에 따른, 슬래브 결합 광학 도파관 레이저에서의 광학 모드 프로파일을 예시한 도면.
도 2fc는 일부 실시예들에 따른, 집적된, 이득 스위칭 반도체 레이저 및 결합된 포화성 흡수체(integrated, gain-switched semiconductor laser and coupled saturable absorber)를 도시한 도면.
도 3a는 일부 실시예들에 따른, 광학 펄스들의 타이밍을 기기 전자장치들에 동기화시키기 위한 시스템을 도시한 도면.
도 3b는 일부 실시예들에 따른, 광학 펄스들의 타이밍을 기기 전자장치들에 동기화시키기 위한 시스템을 도시한 도면.
도 3c는 일부 실시예들에 따른, 2개의 펄스 소스들로부터의 광학 펄스들의 타이밍을 기기 전자장치들에 동기화시키기 위한 시스템을 도시한 도면.
도 3da는 일부 실시예들에 따른, 2개의 펄스 소스들로부터의 광학 펄스들의 인터리빙된 타이밍(interleaved timing)을 기기 전자장치들에 동기화시키기 위한 시스템을 도시한 도면.
도 3db는 일부 실시예들에 따른, 2개의 펄스 광학 소스들로부터의 인터리빙되고 동기화된 펄스 트레인들을 도시한 도면.
도 4a는 일부 실시예들에 따른, 샘플의 형광 수명들을 분석하기 위한 기기를 도시한 도면.
도 4b는 상이한 방출 수명들을 갖는 형광 분자들에 대한 방출 확률들을 도시한 도면.
도 4c는 형광 분자들로부터의 형광 방출의 시간-비닝 검출을 도시한 도면.
도 4d는 일부 실시예들에 따른, 시간-비닝 광검출기를 도시한 도면.
도 4ea는 일부 실시예들에 따른, 다수의 여기 펄스들 및 그에 뒤따른 형광 방출 및 대응하는 비닝된 신호들을 도시한 도면.
도 4eb는 일부 실시예들에 따른, 특정의 형광단(fluorophore)에 대한 비닝된 신호들로부터 생성된 히스토그램을 도시한 도면.
본 발명의 특징들 및 장점들은, 도면들과 관련하여 살펴볼 때, 이하에 기재되는 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다. 도면들을 참조하여 실시예들을 설명할 때, 방향 참조들("위", "아래", "상부", "하부", "좌측", "우측", "수평", "수직" 등)이 사용될 수 있다. 이러한 참조들은 도면들을 보통의 배향에서 보는 독자를 돕기 위한 수단으로서만 의도되어 있다. 이 방향 참조들은 구현된 디바이스의 선호된 또는 유일한 배향을 설명하려는 것으로 의도되어 있지 않다. 디바이스가 다른 배향들로 구현될 수 있다.
I. 서론
본 발명자들은 1 GHz 미만의 펄스 반복 레이트들을 갖는 종래의 극초단 펄스 광학 소스들이 전형적으로 크고, 고가이며, 많은 모바일 적용분야들에 적당하지 않다는 것을 인식하고 알았다. 예를 들어, 종래의 극초단 펄스 레이저들은 컴팩트한 휴대용 계측장비 내에 통합되지 않을 수 있다. 본 발명자들은 소형의 짧은 또는 극초단 펄스 광학 소스가 광범위한 시간 영역 적용분야들에 대해 새롭고 유용한 디바이스들을 가능하게 할 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 이러한 적용분야들은 TOF(time-of-flight) 이미징, 거리측정(ranging), 형광 및 형광 수명 분석들, 생물학적 또는 화학적 분석들, OCT(optical coherence tomography), 및 POC(medical point-of-care) 계측장비를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 일부 경우들에서, POC 계측장비는 생물학적 샘플로부터 형광(fluorescence)을 검출하고, 생물학적 샘플의 속성을 결정하기 위해 형광을 분석하기 위한 장치를 포함할 수 있다. 이러한 계측장비에서 형광을 여기시키기 위해 펄스 광학 소스가 사용될 수 있다. 본 발명자들은, 일부 실시예들에 따른, 약 2 나노초 미만, 그리고 심지어 100 피코초 미만의 펄스 지속시간들을 갖는 다양한 파장들의 광학 펄스들을 생성할 수 있는 컴팩트한 짧은 및 극초단 펄스 광학 소스들 및 시스템들을 고안하였다.
개략적으로 말하면, 도 1a는, 형광을 여기시키고 검출하는 POC 또는 OCT 기기 또는 TOF(time-of-flight) 이미징 기기와 같은, 분석 기기(1-100) 내에 통합될 수 있는 펄스 광학 소스(1-110)를 도시하고 있다. 기기는 광학 시스템(1-140) 및 분석 시스템(1-160)을 포함할 수 있다. 광학 시스템(1-140)은 하나 이상의 광학 컴포넌트들(예컨대, 렌즈, 미러, 광학 필터, 감쇠기(attenuator))를 포함할 수 있고, 광학 소스(1-110)로부터의 광학 펄스들을 조작하도록 그리고/또는 그 광학 펄스들을 분석 시스템(1-160)에 전달하도록 구성될 수 있다. 분석 시스템은 분석될 샘플(1-170)로부터 광학 신호(예컨대, 형광, 후방산란된 방사)를 수신하고 수신된 광학 신호를 나타내는 전기 신호를 생성하도록 배열된 하나 이상의 컴포넌트들(예컨대, 렌즈, 거울, 광학 필터, 감쇠기, 광검출기)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분석 시스템(1-160)은 전기 신호를 처리하도록 구성된 전자장치들을 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 펄스 광학 소스(1-110)는 이득 스위칭되는 적어도 하나의 레이저 다이오드(LD)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄스 광학 소스(1-110)는 짧은 전류 펄스들을 사용해 구동되는 적어도 하나의 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있다. 나노초 스케일 또는 보다 짧은 전류 펄스들을 생성하는 펄서 회로(1-112)가 광학 소스(1-110)를 구동하기 위해 분석 기기(1-100)에 포함될 수 있다.
레이저 다이오드로서 구성될 때, 펄스 광학 소스(1-110)는 이득 매질(1-105)(예컨대, 다중 양자 우물들을 포함할 수 있거나 그렇지 않을 수 있는 임의의 적당한 반도체 접합부) 및 광학 레이저 캐비티의 단부들을 정의하는 적어도 2개의 캐비티 미러들(1-102, 1-104)(또는 레이저 다이오드의 반사 패싯(reflective facet)들)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 빔 정형(beam shaping), 편광 제어, 파장 선택, 및/또는 펄스 형성(pulse forming)을 위한 하나 이상의 부가 광학 요소들이 레이저 캐비티 내에 있을 수 있다. 집광 광학계(light-collecting optic)들이 레이저 다이오드에 포함될 수 있고, 레이저 다이오드로부터의 방사를 빔으로 집중시키도록 구성될 수 있다. 레이저 다이오드로부터의 빔이 집광 광학계들에 의해 평행화(collimate)될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 레이저가 이득 스위칭 모드에서 작동할 때, 레이저의 다이오드 접합부를 통한 전류 펄스의 인가에 응답하여 캐비티의 단부 미러들(1-102, 1-104) 사이의 레이저 캐비티 내에 광학 펄스가 형성(build up)될 수 있다. 광학 펄스(1-122)가 펄스 레이저(1-110)로부터 방출되도록, 캐비티 미러들 중 하나(1-104)(종종 출력 커플러라고 지칭됨)는 펄스의 일부분을 부분적으로 투과시킬 수 있다. 전류 구동 펄스들이 레이저 다이오드에 반복하여 인가될 때, 펄스들(1-122)의 트레인(하나만 도시됨)이 레이저 캐비티로부터 연속적으로 방출될 수 있다. 이 펄스 트레인은 빔 웨이스트(beam waist)(w)에 의해 특징지워질 수 있는 레이저 빔이라고 지칭될 수 있다. 레이저 빔은 평행화(평행한 점선들로 표시됨), 부분 평행화(partially-collimate)될 수 있거나 평행화되지 않을 수 있다. 빔 웨이스트는 방출된 레이저 빔의 횡방향 치수(예컨대, 가우시안 빔에 대한 횡방향 강도 프로파일의 ±1/e2 값들 또는 다른 횡방향 강도 빔 프로파일들에 대한 FWHM(full-width half-maximum) 값)를 나타내고, 출력 커플러와의 거리에 따라 값이 변할 수 있다. 빔 평행화 및 웨이스트는 레이저의 캐비티 기하형태 및 광학 속성들 그리고 임의의 광학 요소들(예컨대, 평행화 렌즈들)이 레이저 캐비티에 포함되는지 여부에 의존할 수 있다.
발광 다이오드로서 구성될 때, 펄스 광학 소스(1-110)는 비코히런트(incoherent) 또는 부분 코히런트(partially coherent) 광을 방출하도록 구성된 임의의 적당한 반도체 접합부를 포함할 수 있다. 집광 광학계들이 포함되고 LED로부터의 방출을 출력 빔으로 집중시키도록 배열될 수 있다. LED로부터의 빔이 집광 광학계들에 의해 평행화될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 작동할 때, LED는 LED 접합부에 걸쳐 전류 펄스를 인가하는 것에 응답하여 주로 자발 방출된 광자들의 광학 펄스를 생성하지만, 일부 유도 방출(stimulated emission)이 증폭된 자발 방출(amplified spontaneous emission)로서 출력에 존재할 수 있다. 전형적으로, LED로부터 방출되는 스펙트럼 대역폭은 수십 나노미터 정도인 반면, LD로부터 방출되는 스펙트럼 대역폭은 2 나노미터 미만일 수 있다.
LD 또는 LED로부터 방출되는 특성 파장은 반도체 재료들 및/또는 반도체 재료들에 첨가된 불순물들의 선택에 의해 선택될 수 있다. 인듐 인화물 기반 반도체들 및 그의 합금들은 스펙트럼의 적색 및 적외선 영역들에서의 보다 긴 파장들을 위해 사용될 수 있다. 갈륨 비화물 인화물 기반 반도체들 및 그의 합금들은 스펙트럼의 황색 영역 내의 보다 짧은 파장들을 위해 사용될 수 있다. 알루미늄 갈륨 인화물 또는 갈륨 질화물 및 이들의 합금들은 스펙트럼의 녹색 및 청색 영역들을 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 특정의 반도체 재료는 하기의 특성 파장들: 270 nm, 280 nm, 325 nm, 340 nm, 370 nm, 380 nm, 400 nm, 405 nm, 410 nm, 450 nm, 465 nm, 470 nm, 490 nm, 515 nm, 640 nm, 665 nm, 808 nm, 및 980 nm 중 하나 이상을 갖는 펄스들을 생성하기 위해 형광을 여기시키고 검출하는 기기(예컨대, POC 형광 수명 이미징 기기)의 펄스 광학 소스(1-110)를 위해 선택될 수 있다. 일부 구현들에서, 하기의 파장 범위들: 대략 270 nm 내지 대략 370 nm, 대략 340 nm 내지 대략 400 nm, 대략 380 nm 내지 대략 490 nm, 및 대략 410 nm 내지 대략 470 nm 중 하나의 범위 내에 있는 범위 또는 스펙트럼 분포의 파장들을 갖는 펄스들을 생성하기 위해 기기의 펄스 광학 소스(1-110)에 대해 반도체가 선택될 수 있다.
참조를 위해, "특성 파장" 또는 "파장"이라는 문구는 제한된 방사 대역폭 내의 중심 파장 또는 우세 파장을 지칭할 수 있다. 일부 경우들에서, 이는 방사 대역폭 내의 피크 파장을 지칭할 수 있다. "특성 에너지" 또는 "에너지"라는 문구는 특성 파장과 연관된 에너지를 지칭할 수 있다. "광학"이라는 용어는 자외선, 가시광, 근적외선, 및 단파장 적외선 스펙트럼 대역들을 지칭할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 시스템(1-140)은 펄스 광학 소스(1-110)로부터 방출된 펄스들(1-122)의 빔을 조작할 수 있다. 예를 들어, 광학 시스템은 빔을 재정형하고 그리고/또는 빔의 발산을 변경하기 위한 하나 이상의 렌즈들을 포함할 수 있다. 빔의 재정형은 빔 웨이스트의 값을 증가시키거나 감소시키는 것 및/또는 빔의 단면 형상을 (예컨대, 타원형으로부터 원형으로, 원형으로부터 타원형으로, 기타) 변경하는 것을 포함할 수 있다. 빔의 발산을 변경하는 것은 빔의 발산을 증가 또는 감소시키는 것을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 광학 시스템(1-140)은 빔 에너지의 양을 변경하기 위한 감쇠기 또는 광학 증폭기를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 광학 시스템은 파장 필터링 요소들을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 광학 시스템은 펄스 정형 요소들, 예컨대, 펄스 신장기(pulse stretcher) 및/또는 펄스 압축기(pulse compressor)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 시스템은, 펄스 길이를 감소시키기 위한 포화성 흡수체 또는 펄스 파장을 주파수 배가를 통해 보다 짧은 파장으로 또는 파라메트릭 증폭(parametric amplification)을 통해 보다 긴 파장으로 변환하기 위한 비선형 결정체와 같은, 하나 이상의 비선형 광학 요소들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 광학 시스템(1-140)은 광학 소스(1-110)로부터의 펄스들의 편광을 변경, 선택, 및/또는 제어하는 하나 이상의 요소들을 포함할 수 있다.
펄스 광학 소스(1-110) 및 광학 시스템(1-140)이 도 1a에서 분석 시스템(1-160)과 별개의 요소들로서 도시되어 있지만, 펄스 광학 소스 및 광학 시스템은, 일부 실시예들에 따르면, 분석 시스템(1-160) 내에 하우징될 수 있는 컴팩트한 교체가능 모듈로서 제조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄서 회로(1-112)와 펄스 광학 소스(1-110)는 동일한 보드(예컨대, 동일한 인쇄 회로 보드) 또는 동일한 기판(예컨대, 동일한 반도체 기판) 상에 집적될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 펄스 광학 소스로부터 방출된 펄스들(1-122)은 도 1b에 도시된 바와 같은 시간 강도 프로파일들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 방출된 펄스들의 피크 강도 값들은 대략 동일할 수 있고, 프로파일들은 가우시안 시간 프로파일을 가질 수 있지만, sech2 프로파일과 같은, 다른 프로파일들이 가능할 수 있다. 일부 경우들에서, 펄스들은 대칭적 시간 프로파일들을 갖지 않을 수 있고 다른 시간 형상들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 소스(1-110) 내의 이득 및/또는 손실 동태는, 도 2ac와 관련하여 이하에서 설명되는 바와 같이, 비대칭 프로파일들을 갖는 펄스들을 생성할 수 있다. 각각의 펄스의 지속시간은, 도 1b에 나타낸 바와 같이, FWHM(full-width-half-maximum) 값에 의해 특징지워질 수 있다. 극초단 광학 펄스들은 100 피코초 미만의 FWHM 값들을 가질 수 있다. 짧은 광학 펄스들은 대략 10 나노초 미만의 FWHM 값들을 가질 수 있다.
광학 소스(1-110)로부터 방출된 펄스들은, 때때로 펄스 분리 간격(pulse-separation interval)이라고 지칭되는, 규칙적인 간격들(T)만큼 시간상 이격될 수 있다. 일부 실시예들에서, T는 레이저에서의 능동 이득 및/또는 손실 변조 레이트들에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 레이저 다이오드가 이득 스위칭되는 반복 레이트 또는 발광 다이오드의 접합부에 인가되는 전류가 펄스 분리 간격(T)을 결정할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 펄스 분리 간격(T)은 약 1 ns 내지 약 100 ns일 수 있다. 일부 구현들에서, 예를 들어, 이미징 디바이스의 프레임 레이트로 반복하기 위해, 펄스 분리 간격(T)이 길 수 있다. 일부 경우들에서, 펄스 분리 간격(T)은 약 100 ns 내지 약 50 ms일 수 있다.
펄스들(1-122)의 횡방향 공간 프로파일은, 일부 실시예들에서, 단일 모드 가우시안(single-mode Gaussian)일 수 있지만, 본 발명이 이러한 프로파일들로 제한되지 않는다. 일부 구현들에서, 펄스들(1-122)의 횡방향 공간 프로파일은 다중 모드(multi-modal) - 예컨대, 다수의 구별되는 강도 피크들을 가짐 - 일 수 있다. 다중 모드 소스의 경우, 광학 시스템(1-140)은 펄스의 횡방향 강도 프로파일을 균질화(homogenize)하는 확산 광학계(diffusion optic)들을 포함할 수 있다. 다중 모드 소스의 사용을 가능하게 하는 것에 의해, 보다 높은 펄스 에너지들이 레이저 다이오드로부터 획득될 수 있다. 예를 들어, 레이저 다이오드의 광학 출력을 증가시키기 위해, 레이저 다이오드의 활성 영역이 레이저의 광학 축에 횡방향인 방향으로 확대될 수 있다.
형광을 여기시키는 데 사용될 때, 펄스 광학 소스로부터의 펄스들(1-122)은 "여기 펄스들"이라고 지칭될 수 있다.
"형광 분자(fluorescent molecule)들"이라는 용어는 형광 태그(fluorescent tag)들, 분자 프로브(molecular probe)들에 부착될 수 있는 형광 마커(fluorescent marker)들, 형광단들, 및 자가형광 분자(autofluorescent molecule)들을 지칭하는 데 사용될 수 있다. "형광(fluorescence)"이라는 용어는 형광 태그들, 분자 프로브들에 부착될 수 있는 형광 마커들, 형광단들, 및 자가형광 분자들로부터 방출되는 광을 지칭하는 데 사용될 수 있다.
II. 펄스 광학 소스들
본 발명자들은 레이저 다이오드들 및 발광 다이오드들로부터 짧은 및 극초단 광학 펄스들을 생성하기 위한 펄서 회로들 및 기법들을 고안하였다. 펄싱 회로들 및 기법들은, 일부 구현들에서, 반도체 레이저들을 이득 스위칭하고 100 MHz(T는 10 나노초 정도로 짧음)까지의 반복 레이트들에서 대략 1 W의 피크 파워들을 갖는 ~ 85 피코초(ps) 펄스들(FWHM)의 트레인을 생성하기 위해 이용되었다. 일부 실시예들에서, 단극성(unipoloar) 또는 양극성(bipolar) 전류 파형이 펄서 회로에 의해 생성되고, 광학 펄스들을 여기시키고 펄스들의 테일(tail)들에서 방출을 억제하는 방식으로, 레이저 다이오드의 이득 매질을 구동하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 단극성 또는 양극성 전류 파형이 펄서 회로에 의해 생성될 수 있고, 짧은 또는 극초단 광학 펄스들을 출력하기 위해 하나 이상의 발광 다이오드들을 구동하는 데 사용될 수 있다.
레이저 다이오드들에서의 이득 스위칭을 설명하기 위해, 도 2aa 내지 도 2ac는 이득 스위칭과 연관된 레이저 동태(laser dynamics)를 예시하기 위해 포함되어 있다. 도 2aa는, 일부 실시예들에 따른, 이득 스위칭 레이저의 이득 매질에 인가된 펌프 파워(pump power)를 나타내는 펌프 파워 곡선(2-110)을 예시하고 있다. 도시된 바와 같이, 펌프 파워는 짧은 지속시간(대략 0.6 마이크로초로서 도시됨) 동안 레이저 캐비티 내의 이득 매질에 인가될 수 있다. 반도체 레이저 다이오드의 경우, 펌프 파워의 인가는 레이저 다이오드의 p-n 접합부 또는 다중 양자 웰(multiple quantum well, MQW)들에 걸쳐 바이어스 전류를 인가하는 것을 포함할 수 있다. 펌프 파워 펄스는 일정하게 이격된(regularly-spaced) 시간 간격들에서, 예를 들어, 펄스 분리 간격 또는 펄스 반복 시간 T에서 반복적으로 인가될 수 있다.
펌프 파워 펄스의 인가 동안, 레이저 캐비티에서의 광학 이득은, 이득이 캐비티에서의 광학 손실들을 초과하기 시작할 때까지, 증가한다. 이 시점 이후에, 레이저는 레이징하기(예컨대, 유도 방출(stimulated emission)의 프로세스에 의해 이득 매질을 통과하는 광자들을 증폭시키기) 시작할 수 있다. 증폭 프로세스는, 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 출력 펄스(2-130)를 생성하기 위해 이득 매질에서의 레이저 광의 급격한 증가 및 여기 상태들의 고갈(depletion)을 가져온다. 일부 실시예들에서, 펌프 파워 펄스(2-110)는, 출력 펄스의 피크가 나타나는 것과 대략 동시에 턴 오프(turn off)되도록, 타이밍 조절된다. 펌프 파워 펄스를 턴 오프시키는 것은 추가의 레이징을 종료(terminate)시키고, 따라서 출력 펄스(2-130)가 소멸(quench)된다. 일부 실시예들에서, 출력 펄스(2-130)는, 도면에 도시된 바와 같이, 펌프 펄스(2-110)보다 더 짧은 지속시간을 가질 수 있다. 예를 들어, 이득 스위칭에 의해 생성된 출력 펄스(2-130)는 펌프 펄스(2-110)의 지속시간의 1/5 미만일 수 있다.
펌프 파워 펄스가 턴 오프되지 않으면, 도 2ab에 도시된 동태가 일어날 수 있다. 이 경우에, 계단 함수(step function)로서 도시된, 펌프 파워 곡선(펌프 전류 밀도로서 도시됨)(2-140)은 반도체 레이저에 인가되는 전류 밀도를 나타낸다. 그래프는 이득 매질이, 레이저 다이오드의 이득 영역에서 캐리어 밀도 N을 생성하는, 펌핑 전류 밀도에 의해 여기된다는 것을 보여준다. 레이징 문턱 전류 밀도(Ith)의 약 2배의 펌프 전류 밀도(I)가 시각 t = 0에서 인가되고, 이어서 온(on)인 채로 있다. 그래프는 레이저의 광학 이득이 캐비티에서의 손실을 초과할 때까지 반도체 이득 영역에 대한 캐리어 밀도 N의 증가를 보여준다. 이 시점 이후에, 제1 펄스(2-161)가 형성(build up)되어 - 이는 캐리어 밀도 및 광학 이득을 캐비티 손실보다 더 작은 값으로 고갈시킴 -, 방출된다. 차후에, 제2 펄스(2-162)가 형성되어 - 이는 캐리어 밀도(N)를 고갈시킴 -, 방출된다. 레이저가 연속파 작동으로 안정화(stabilize)될 때까지(예컨대, 이 예에서, 약 7 나노초 이후) 몇 사이클 동안 캐리어 밀도의 증가(build-up) 및 감소(depletion)가 반복된다. 펄스들의 사이클(펄스(2-161), 펄스(2-162), 및 후속 펄스들)은 레이저의 완화 진동들이라고 지칭된다.
본 발명자들은 극초단 펄스들을 생성하기 위해 레이저를 이득 스위칭할 때 계속되는 완화 진동들의 유해한 효과들을 피하는 것이 과제라는 것을 인식하고 알았다. 예를 들어, 펌프 파워 펄스(2-110)가 충분히 빠르게 종료되지 않으면, 도 2ac에 도시된 바와 같이, (완화 진동으로 인한) 적어도 제2 광학 펄스(2-162)가 레이저 캐비티에 형성(build up)되기 시작할 수 있고, 이득 스위칭 출력 펄스(2-170)에 테일(2-172)을 추가한다. 본 발명자들은 이러한 테일이, 형광 수명들에 기초하여 형광 분자들을 구별하는 것을 목표로 하는 적용분야들과 같은, 일부 적용분야들에서 바람직하지 않을 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 여기 펄스의 테일이 충분히 빠르게 감소되지 않으면, 파장 필터링이 이용되지 않는 한, 여기 방사가 검출기를 압도할 수 있다. 대안적으로 또는 그에 부가하여, 여기 펄스 상의 테일은 형광 분자를 계속하여 여기시킬 수 있고 형광 수명의 검출을 복잡하게 할 수 있다.
여기 펄스의 테일이 충분히 빠르게 감소되면, 형광 방출 동안 무시할 정도의 여기 방사가 존재할 수 있다. 이러한 구현들에서, 형광 방출을 검출하고 형광 분자 수명들을 구별하는 데 형광 방출의 검출 동안의 여기 방사의 필터링이 필요하지 않을 수 있다. 일부 경우들에서, 여기 필터링의 제거는 분석 시스템(1-160)을 상당히 단순화시켜 그의 비용을 크게 감소시킬 수 있는 것은 물론 시스템에 대한 보다 컴팩트한 구성을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 형광 방출 동안 여기 파장을 억제하기 위해 필터가 필요하지 않을 때, 여기 소스 및 형광 검출기가 가까이 근접하여(예컨대, 동일한 회로 보드 또는 집적 디바이스(integrated device) 상에서, 그리고 심지어 서로로부터 수 마이크로미터 이내에) 위치될 수 있다.
본 발명자들은 또한, 일부 경우들에서, 여기 펄스 상의 테일이 허용될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 예를 들어, 분석 시스템(1-160)은 파장 필터를 검출 광학 경로 내에 통합시키는 것을 용이하게 가능하게 하는 광학 구성을 가질 수 있다. 검출기가 생물학적 샘플로부터 정량화가능한 형광을 수신하도록, 파장 필터는 여기 파장들을 제거(reject)하도록 선택될 수 있다. 그 결과, 펄스 광학 소스로부터의 여기 방사가 검출된 형광을 압도하지 않는다.
일부 실시예들에서, 형광 분자의 방출 수명(τ)은, 일부 실시예들에 따르면, 1/e 강도 값에 의해 특징지워지지만, 일부 실시예들에서, 다른 메트릭들(예컨대, 1/e2, 방출 반감기 등)이 사용될 수 있다. 형광 분자를 여기시키는 데 사용되는 여기 펄스가 형광 분자의 수명보다 더 작은 지속시간을 가질 때, 형광 분자의 수명을 결정하는 정확도가 개선된다. 바람직하게는, 여기 펄스는 형광 분자의 방출 수명보다 적어도 3배 더 작은 FWHM 지속시간을 갖는다. 보다 긴 지속시간 또는 상당한 에너지를 갖는 테일(2-172)을 갖는 여기 펄스는 감쇠하는 방출(decaying emission)이 평가되고 있는 시간 동안 형광 분자를 계속하여 여기시키며, 형광 분자 수명의 분석을 복잡하게 할 수 있다. 이러한 경우들에서 형광 수명 결정을 개선시키기 위해, 검출된 형광으로부터 여기 펄스 프로파일을 디컨볼브(deconvolve)시키기 위해 디컨볼루션(deconvolution) 기법들이 사용될 수 있다.
일부 경우들에서, 형광 분자 또는 샘플의 소멸(quenching)을 감소시키기 위해 형광 분자들을 여기시키는 데 극초단 펄스들을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 형광 분자의 장시간 펌핑(extended pumping)이 시간의 경과에 따라 형광 분자를 표백 및/또는 손상시킬 수 있는 반면, (비록 분자에 대한 총 에너지 양은 동일하더라도) 보다 짧은 지속시간들 동안의 보다 높은 강도들이 보다 낮은 강도에서의 장시간 노출만큼 형광 분자에 손상을 입히지는 않을 수 있다는 것이 밝혀졌다. 노출 시간을 감소시키는 것은 형광 분자들에 대한 광 유도 손상(photo-induced damage)을 회피하거나 감소시킬 수 있고, 형광 분자들이 분석 시스템(1-160)에서 사용될 수 있는 시간의 양 또는 측정 횟수를 증가시킬 수 있다.
일부 적용분야들에서, 본 발명자들은 여기 펄스가 펄스의 피크 파워 레벨보다 적어도 약 40 dB 낮은 파워 레벨로 빠르게(예컨대, 펄스의 피크로부터 약 250 ps 내에) 종료되는 것이 바람직하다는 것을 발견하였다. 일부 실시예들은 약 250 ps 내에 보다 적은 양의 파워 감소, 예컨대, 약 20 dB 내지 약 40 dB의 감소를 허용할 수 있다. 일부 실시예들은 약 250 ps 내에 유사하거나 보다 많은 양의 파워 감소, 예컨대, 일부 실시예들에서는 약 40 dB 내지 약 80 dB, 또는 일부 실시예들에서는 약 80 dB 내지 약 120 dB를 요구할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이 파워 감소 레벨들은 펌핑 펄스의 피크로부터 약 100 ps 내에 요구될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 펄스 분리 간격(T)(도 1b를 참조)이 또한 펄스 레이저 시스템의 중요한 측면일 수 있다. 예를 들어, 형광 분자들의 방출 수명들을 평가 및/또는 구별하기 위해 펄스 레이저를 사용할 때, 여기 펄스들 사이의 시간은 바람직하게는 방출 수명의 충분히 정확한 결정을 가능하게 하기 위해 검사된 형광 종(fluorescent species)의 임의의 방출 수명보다 더 길다. 예를 들어, 이전의 펄스로부터 여기된 형광 분자 또는 형광 분자들의 앙상블이 형광을 발하기에 알맞은 양의 시간을 갖기 전에 후속 펄스가 도착해서는 안된다. 일부 실시예들에서, 간격(T)은 형광 분자를 여기시키는 여기 펄스와 여기 펄스의 종료 이후 다음 여기 펄스 이전에 형광 분자에 의해 방출된 후속 광자 사이의 시간을 결정하기에 충분히 길 필요가 있다.
여기 펄스들 사이의 간격(T)이 형광 종의 감쇠 속성들을 결정하기에 충분히 길어야만 하지만, 펄스 분리 간격(T)이 많은 측정들이 짧은 기간 내에 이루어질 수 있게 할 정도로 충분히 짧은 것이 또한 바람직하다. 제한이 아닌 예로서, 일부 적용분야들에서 사용되는 형광 분자들의 방출 수명들(1/e 값들)은 약 100 피코초 내지 약 10 나노초의 범위에 있을 수 있다. 따라서, 사용된 형광 분자들에 따라, 약 200 ps 정도로 짧은 펄스 분리 간격이 사용될 수 있는 반면, 보다 긴 수명의 형광 분자들에 대해서는 약 20 나노초 초과의 펄스 분리 간격(T)이 사용될 수 있다. 그에 따라, 형광 수명 분석을 위해 형광을 여기시키는 데 사용되는 여기 펄스들은, 일부 실시예들에 따르면, 약 25 피코초 내지 약 2 나노초의 FWHM 지속시간들을 가질 수 있다.
집적된 시간 영역 이미징 어레이(integrated time-domain imaging array)가 형광을 검출하고 수명 분석 및 시각적 디스플레이를 위한 데이터를 제공하는 형광 수명 이미징과 같은, 일부 적용분야들에서, 펄스 분리 간격(T)이 이미징 시스템의 프레임 레이트보다 더 짧을 필요가 없을 수 있다. 예를 들어, 단일 여기 펄스 이후에 적절한 형광 신호가 있으면, 이미징 프레임을 위한 다수의 여기 펄스들에 걸친 신호 축적이 필요하지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄스 반복 레이트가 약 30 Hz 정도로 느릴 수 있도록, 펄스 광학 소스(1-110)의 펄스 반복 레이트(Rp)가 이미징 시스템의 프레임 레이트(Rf)에 동기화될 수 있다. 다른 실시예들에서, 펄스 반복 레이트가 프레임 레이트보다 상당히 더 높을 수 있고, 이미지에서의 각각의 픽셀에 대한 형광 감쇠 신호들은 다수의 여기 펄스들 이후의 적분된 값들일 수 있다.
펄스 광학 소스(2-200)의 일 예가 도 2ba에 도시되어 있다. 일부 실시예들에 따르면, 펄스 광학 소스(2-200)는 기판(2-208) 상에 형성된 상용(commercial) 또는 커스텀(custom) 반도체 레이저 다이오드(2-201)(또는 하나 이상의 LED들)를 포함할 수 있다. 레이저 다이오드 또는 LED는 전기 커넥터(2-224)를 포함하는 하우징(2-212) 내에 패키징될 수 있다. 레이저 또는 LED로부터의 출력 빔의 발산을 재정형 및/또는 변경하기 위해 패키지에 포함된 하나 이상의 광학 요소들(2-205)(예컨대, 하나 이상의 렌즈들)이 있을 수 있다. 레이저 다이오드(2-201)(또는 하나 이상의 LED들)는 전류 펄스들의 시퀀스를 연결 케이블(2-226) 및 적어도 하나의 와이어(2-220)를 통해 다이오드(2-201)에 제공할 수 있는 펄서 회로(2-210)에 의해 구동될 수 있다. 펄서 회로(2-210)로부터의 구동 전류는 레이저 다이오드 또는 LED로부터 방출된 광학 펄스들의 트레인(2-222)을 생성할 수 있다.
LED들을 사용하는 것의 하나의 장점은 레이저 다이오드들에 비해 보다 낮은 비용이다. 그에 부가하여, LED들은 이미징 적용분야들에 보다 적합할 수 있는 보다 넓고 전형적으로 비코히런트(incoherent)인 스펙트럼 출력을 제공한다(예컨대, LED는 보다 적은 광학 간섭 아티팩트들을 생성할 수 있음). 레이저 다이오드의 경우, 수집된 이미지들에서의 스페클(speckle)을 회피하기 위한 조치들이 취해지지 않는 한, 코히어런트 방사(coherent radiation)는 스페클을 유입시킬 수 있다. 또한, LED들은 여기 파장들을 자외선(예컨대, 최저 약 240 nm) 내로 확장시킬 수 있고, 생물학적 샘플들에 자가형광(autofluorescence)을 여기시키는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 레이저 다이오드(2-201)는 제1 전도성 유형(예컨대, p-형)을 갖는 제1 층(2-202) 및 반대 전도성 유형을 갖는 제2 층(2-206)을 포함하는 반도체 접합부(semiconductor junction)를 포함할 수 있다. 제1 층과 제2 층 사이에 하나 이상의 중간 층들(2-204)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 중간 층들은 제1 층 및 제2 층으로부터 주입된 캐리어들이 재결합(recombine)하여 광자들을 생성하는 다중 양자 웰(MQW) 층들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 중간 층들은 전자 및/또는 정공 차단 층들을 포함할 수 있다. 레이저 다이오드는, 일부 구현들에서, 무기 재료들 및/또는 유기 반도체 재료들을 포함할 수 있다. 재료들은 원하는 방출 파장을 획득하도록 선택될 수 있다. 예를 들어 그리고 무기 반도체들에 대해, 약 500 nm 미만의 파장들에서 방출하는 레이저들에 대해서는 III족 질화물 조성물들이 사용될 수 있고, 약 500 nm 초과의 파장들에서 방출하는 레이저들에 대해서는 III족 비화물 또는 III족 인화물 조성물들이 사용될 수 있다. VCSEL(vertical cavity surface emitting laser), 에지 방출 레이저 다이오드(edge-emitting laser diode), 또는 SCOWL(slab-coupled optical waveguide laser) - 이들로 제한되지 않음 - 을 비롯한 임의의 적당한 유형의 레이저 다이오드(2-201)가 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 레이저 다이오드 대신에 하나 이상의 LED들이 사용될 수 있다. LED는 LD보다 더 낮은 강도를 가질 수 있고, 따라서 다수의 LED들이 사용될 수 있다. LED가 레이징 동작(lasing action)과 연관된 완화 진동들 또는 동태를 겪지 않기 때문에, 그의 출력 펄스들은 보다 긴 지속시간을 갖고 레이저에 대해 얻어지는 것보다 더 넓은 스펙트럼 대역폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 출력 펄스들은 약 50 ps 내지 약 2 ns일 수 있고, 스펙트럼 대역폭은 약 20 nm 이상일 수 있다. 일부 구현들에서, LED로부터의 출력 펄스들은 약 100 ps 내지 약 500 ps일 수 있다. 보다 긴 감쇠 시간들을 갖는 형광 분자들에 대해 보다 긴 여기 펄스들이 합당할 수 있다. 그에 부가하여, LED는 비편광(unpolarized) 또는 부분 편광(partially polarized) 출력 빔을 생성할 수 있다. 이하에서 설명되는 펄서 회로들의 실시예들은 펄스 광학 소스들의 일부 구현들에서 하나 이상의 LED들을 구동하는 데 사용될 수 있다.
본 발명자들은 일부 종래의 레이저 다이오드 시스템들이 도 2bb에 도시된 바와 같이 모델링될 수 있는 전류 구동기 회로부를 포함한다는 것을 인식하였다. 예를 들어, 전류 구동기(2-210)는 전류 펄스들을 레이저 다이오드에 전달하도록 구성된 펄스 전압 소스(pulsed voltage source)(2-230)를 포함할 수 있다. 레이저 다이오드에의 연결은 전형적으로 케이블(2-226), 어댑터 또는 커넥터(2-224), 및 레이저 다이오드(2-210) 상의 접촉 패드에 본딩된 단일 와이어(2-220)를 통해 이루어진다. 어댑터(2-224)와 레이저 다이오드 사이의 연결은 직렬 인덕턴스(L1) 및 직렬 저항(R1)을 포함할 수 있다. 연결은 또한 콘택트(contact)들 및/또는 다이오드 접합부(diode junction)와 연관된 작은 접합 커패시턴스(junction capacitance)들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
본 발명자들은 (예컨대, 커넥터(2-224)와 레이저 다이오드(2-201) 사이의) 와이어 본드들의 개수를 증가시키는 것이 레이저 다이오드(2-201)에의 연결의 인덕턴스 및/또는 저항을 감소시킬 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 인덕턴스 및/또는 저항의 이러한 감소는 레이저 다이오드의 보다 높은 속도의 전류 변조 및 보다 짧은 출력 펄스들을 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 레이저 다이오드의 속도를 개선시키기 위해 단일 와이어 본드(2-220)가 다수의 병렬 와이어 본드들로 대체될 수 있다. 예를 들어, 와이어 본드들의 개수가 3개 이상으로 증가될 수 있다. 일부 구현들에서, 레이저 다이오드에 최대 50개의 와이어 본드들이 있을 수 있다.
본 발명자들은 상용 레이저 다이오드 상의 와이어 본드들(2-220)의 개수를 증가시키는 것의 효과들을 조사하였다. 고려된 상용 레이저의 일 예는, 미국 캘리포니아주 사이프레스 소재의 Ushio로부터 현재 입수가능한, Oclaro 레이저 다이오드인 모델 HL63133DG였다. 와이어 본드들의 개수를 증가시키는 것의 수치 시뮬레이션들로부터의 결과들이 도 2bc에 예시되어 있다. 시뮬레이션은 상용 디바이스에 대한 단일 본드(곡선 2-250)로부터 3개의 와이어 본드들(곡선 2-252)로 그리고 36개의 와이어 본드들(곡선 2-254)로 와이어 본드들의 개수를 증가시켰다. 고정된 18V 펄스를 위해 레이저 다이오드에 전달되는 평균 구동 전류가 3개의 상이한 경우들에 대해 한 범위의 주파수들에 걸쳐 결정되었다. 결과들은 보다 많은 수의 와이어 본드들이 보다 높은 주파수들에서 보다 많은 전류가 레이저 다이오드에 전달될 수 있게 한다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 1 GHz에서, 단지 3개의 와이어 본드들(곡선 2-252)의 사용은 단일 와이어 본드의 경우보다 4배 초과의 전류가 레이저 다이오드에 전달될 수 있게 한다. 짧은 및 극초단 펄스들이 보다 높은 대역폭(짧은 펄스를 형성하기 위한 보다 높은 주파수 성분들)을 필요로 하기 때문에, 다수의 와이어 본드들을 추가하는 것은 보다 높은 주파수 성분들이 단일 와이어 본드보다 더 짧은 펄스로 레이저 다이오드를 구동할 수 있게 한다. 일부 구현들에서, 다수의 와이어 본드들이 레이저 다이오드 상의 단일 접촉 패드 또는 다수의 접촉 패드들과 레이저 다이오드 패키지 상의 어댑터 또는 커넥터(2-224) 사이에 연장될 수 있다. 커넥터는 외부의 표준화된 케이블(예컨대, 50-옴(ohm) BNC 또는 SMA 케이블)에의 연결을 위해 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 와이어 본드들의 개수 및 와이어 본드 구성은 레이저 다이오드에 연결된 어댑터 및/또는 케이블의 임피던스와 정합하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 따르면, 레이저 다이오드로부터 전류 구동기로의 전력 반사(power reflection)들을 감소시키기 위해 와이어 본드의 임피던스가 커넥터(2-224)의 임피던스와 정합될 수 있다. 다른 실시예들에서, 와이어 본드들의 임피던스는 포지티브 전류 구동 펄스들 사이에 네거티브 펄스를 생성하도록 선택적으로 미스매칭(mismatch)될 수 있다. 레이저 다이오드에 대한 패키징 방법을 선택하는 것(예컨대, 어댑터로부터 레이저 다이오드로의 와이어 본드들의 개수를 선택하는 것)은 보다 높은 고주파들에서 레이저 다이오드에 공급되는 전류 변조를 개선시킬 수 있다. 이것은 레이저 다이오드를 고속 이득 스위칭 신호들에 더 잘 반응하게 할 수 있고, 보다 짧은 광학 펄스들, 펄스 피크 이후의 광학 파워의 보다 빠른 감소, 및/또는 증가된 펄스 반복 레이트들을 가능하게 할 수 있다.
이제 도 2c를 참조하면, 본 발명자들은 양극성 펄스 파형(2-300)을 레이저 다이오드에 인가하는 것이 생성된 광학 펄스들 상의 원하지 않는 방출 테일(emission tail)(2-172)(도 2ac를 참조)을 억제할 수 있다는 것을 추가로 인식하고 알았다. 양극성 펄스는 또한 LED로부터의 광학 펄스를 단축시키는 데 사용될 수 있다. 양극성 펄스는 제1 극성의 제1 펄스(2-310) 및 그에 뒤따르는 반대 극성의 제2 펄스(2-312)를 포함할 수 있다. 제2 펄스(2-312)의 크기는 제1 펄스의 크기와 상이할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 펄스는 제1 펄스(2-310)와 대략 동일하거나 그보다 더 작은 크기를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 제2 펄스(2-312)는 제1 펄스(2-310)보다 더 큰 크기를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 펄스의 크기는 제1 펄스의 크기의 약 10% 내지 제1 펄스의 크기의 약 90%일 수 있다. 일부 구현들에서, 제2 펄스의 크기는 제1 펄스의 크기의 약 25% 내지 제1 펄스의 크기의 약 90%일 수 있다. 일부 경우들에서, 제2 펄스의 크기는 제1 펄스의 크기의 약 50% 내지 제1 펄스의 크기의 약 90%일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 펄스에서의 에너지의 양은 제1 펄스에서의 에너지의 양의 약 25% 내지 제1 펄스에서의 에너지의 양의 약 90%일 수 있다. 일부 구현들에서, 제2 펄스에서의 에너지의 양은 제1 펄스에서의 에너지의 양의 약 50% 내지 제1 펄스에서의 에너지의 양의 약 90%일 수 있다.
제1 구동 펄스는 레이저 다이오드 접합부를 순방향 바이어싱시킴으로써 다이오드의 활성 영역에 캐리어들을 생성할 수 있고, 이 캐리어들은 재결합하여 광학 펄스를 생성할 수 있다. 극성이 반대인 제2 구동 펄스(2-312)는 다이오드 접합부을 역방향 바이어싱시키고 광자 생성을 종료시키기 위해 활성 영역으로부터의 캐리어들의 제거를 가속시킬 수 있다. 제2 전기 펄스(2-312)가 제2 완화 진동 펄스(도 2ab의 펄스(2-162)를 참조)와 대략 동시에 또는 그 직전에(예컨대, 약 200ps 내에) 발생하도록 타이밍 조절될 때, 방출 테일(2-172)이 억제되도록, 그렇지 않았으면 제2 광학 펄스를 생성하게 될 캐리어 농도가 감소된다.
다양한 회로 구성들이 양극성 펄스 파형들을 생성하는 데 사용될 수 있다. 도 2da는 양극성 펄스 파형으로 레이저 다이오드 또는 하나 이상의 LED들을 구동하는 데 사용될 수 있는 회로의 단지 하나의 예를 도시하고 있다. 일부 실시예들에서, 양극성 펄스들을 반도체 레이저 다이오드(2-420) 또는 적어도 하나의 LED에 전달하기 위해, 전송 라인(2-410)(예컨대, 스트립 라인 또는 동축 도체 어셈블리)이 펄서 회로(2-400)에 구성될 수 있다. 전송 라인(2-410)은 U자 형상의 구성으로 형성되고, 제1 도체 상에서 충전 저항기(charging resistor)(Rch)를 통해 DC 전압 소스(VDD)에 의해 바이어싱될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 전송 라인은 레이저 다이오드의 임피던스와 대략 정합하는 임피던스를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 전송 라인의 임피던스는 대략 50 옴일 수 있다. 일부 구현들에서, 전송 라인의 임피던스는 대략 20 옴 내지 대략 100 옴일 수 있다. 일부 구현들에서, 전송 라인의 임피던스는 대략 1 옴 내지 대략 20 옴일 수 있다.
펄서(2-400)는 전송 선로의 한쪽 단부에 있는 전송 라인의 제2 도체와 기준 전위(예컨대, 도시된 예에서 접지) 사이에 연결된 종단 저항기(terminating resistor)(Zterm)를 추가로 포함할 수 있다. 전송 라인의 제2 도체의 다른 쪽 단부는 레이저 다이오드(2-420)에 연결될 수 있다. 전송 라인의 제1 도체의 단부들은 제1 도체의 단부들을 기준 전위(예컨대, 접지)로 주기적으로 션팅(shunt)하도록 활성화될 수 있는 스위치 M1(예컨대, 전계 효과 트랜지스터 또는 양극성 접합 트랜지스터)에 연결될 수 있다.
일부 경우들에서, 종단 임피던스(Zterm)는 라인 내로의 역반사들을 감소시키기 위해 전송 라인(2-410)의 임피던스와 대략 동일할 수 있다. 대안적으로, 종단 임피던스(Zterm)는 네거티브 펄스를 라인 내로(스위치 M1에 의해 션팅 이후에) 그리고 레이저 다이오드(2-420) 쪽으로 반사시키기 위해 라인의 임피던스보다 더 작을 수 있다. 일부 구현들에서, 종단 임피던스(Zterm)는 반사된 네거티브 펄스의 형상을 제어하도록 선택된 용량성 및/또는 유도성 성분을 포함할 수 있다. 도 2da에 도시된 바와 같은 전송 라인 펄서는 약 30 Hz 내지 약 200 MHz의 범위 내의 반복 레이트를 갖는 양극성 전기 펄스들을 생성하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 도 2ea에 도시된 바와 같이, 전송 라인 펄서에 대한 전송 라인(2-410)은 인쇄 회로 보드(PCB) 상에 형성될 수 있다.
도 2db는, 개별 컴포넌트들을 사용하여 형성될 수 있고 (칩 또는 PCB와 같은) 기판 상에 집적될 수 있는, 광학 반도체 다이오드(2-423)(예컨대, 레이저 다이오드 또는 하나 이상의 LED들)에 연결된 구동기 회로(2-401)의 일 실시예를 도시하고 있다. 일부 실시예들에서, 회로는 레이저 다이오드 또는 LED(2-423)와 동일한 기판 상에 집적될 수 있다. 레이저 구동기 회로(2-401)는 트랜지스터(M1)의 게이트 또는 베이스에 연결된 제어 입력(2-405)을 포함할 수 있다. 트랜지스터는 CMOS FET, 양극성 접합 트랜지스터, 또는 고 전자 이동도 트랜지스터(GaN pHEMT 등)일 수 있지만, 다른 고속, 고전류 핸들링 트랜지스터들이 사용될 수 있다. 트랜지스터는 전류 소스(2-430)와 기준 전위(예컨대, 접지 전위, 그렇지만 다른 기준 전위 값들이 사용될 수 있음) 사이에 연결될 수 있다. 트랜지스터(M1)는, 전류 소스(2-430)와 기준 전위 사이에, 레이저 다이오드(2-423)(또는 하나 이상의 LED들) 및 레이저 다이오드와 직렬로 연결된 저항기(R1)와 병렬로 연결될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 구동기 회로(2-401)는, 레이저 다이오드와 기준 전위 사이에, 저항기(R1)와 병렬로 연결된 커패시터(C1)를 추가로 포함할 수 있다. 트랜지스터(M1)가 설명되어 있지만, 고 전도 상태(high conductive state) 및 저 전도 상태(low conductive state)를 갖는 임의의 적당한 제어가능 스위치가 사용될 수 있다.
작동 중에, 트랜지스터(M1)가 온이거나 도통 상태(conducting state)에 있을 때, 구동기 회로(2-401)는 레이저 다이오드(2-423)를 바이패스하는 전류를 제공할 수 있다. 따라서, 레이저 다이오드로부터의 광학 출력이 없다. 트랜지스터(M1)가 스위치 오프(switch off)될 때, 전류는 트랜지스터에서의 저항이 증가된 경로(increased resistive path)로 인해 레이저 다이오드를 통해 흐를 수 있다. 트랜지스터가 다시 스위치 온(switch on)될 때까지, 전류는 레이저 다이오드를 턴 온(turn on)시킨다. 레이저 다이오드에 전류 펄스들을 제공하기 위해 트랜지스터의 제어 게이트를 온 상태와 오프 상태 간에 변조하는 것에 의해 광 펄스들이 생성될 수 있다. 이 접근법은, 일부 펄싱 기법들에 비해, 레이저를 구동하는 데 필요한 전원(supply)에 대한 전압의 양 및 트랜지스터에 대한 전압을 감소시킬 수 있으며, 이는 이러한 고속 회로들의 구현에 중요한 측면이다.
저항기(R1) 및 병렬 커패시터(C1)의 존재로 인해, 다이오드가 순방향으로 도통(forward conducting)하고 있을 때 커패시터에 전하가 축적(build up)될 것이다. 이것은, 트랜지스터(M1)가 "오프" 상태, 예컨대, 저 도통 상태(low-conducting state) 또는 비-도통 상태(non-conducting state)에 있을 때, 일어날 수 있다. 트랜지스터가 턴 온될 때, 커패시터에 걸쳐 저장된 전압은 레이저 다이오드를 역방향으로 바이어싱(reverse bias)할 것이다. 역방향 바이어스(reverse bias)는 사실상 레이저 다이오드에 걸쳐 네거티브 펄스를 생성하고, 이는 그렇지 않고 네거티브 펄스가 없었다면 발생하게 될 방출 테일(2-172)을 감소시키거나 제거할 수 있다. 저항기(R1)의 값은, 스위치가 차후에 열리기 전에 그리고/또는 후속 광 펄스가 레이저 다이오드에 의해 생성되기 전에, 커패시터 상의 전하의 실질적으로 전부가 방전되도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 시상수 t1 = R1C1은 펄스 반복 간격(T)의 약 1/2 또는 1/3 미만이도록 엔지니어링될 수 있다. 일부 구현들에서, 시상수 t1 = R1C1은 대략 0.2 ns 내지 대략 10 ns일 수 있다.
일부 구현들에서, 트랜지스터(M1)는 레이저 다이오드로부터의 출력 광 펄스의 첫 번째 피크 이후에 도통 상태로 스위칭하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2ab를 참조하면, 광학 검출 및 논리 회로(optical detection and logic circuit)는 제1 펄스(2-161)의 감쇠하는 강도를 감지하고, 도통 상태로 스위칭하기 위해, 트랜지스터(M1)를 트리거할 수 있다. 일부 실시예들에서, 트랜지스터(M1)는 안정된 클록 신호에 기초하여 도통 상태로 스위칭하도록 트리거될 수 있다(예컨대, 동기화 클록 에지를 참조하여 트리거됨). 일부 구현들에서, 트랜지스터(M1)는, 트랜지스터(M1)가 비-도통 상태로 스위칭하는 시각으로부터 측정되는, 미리 결정된 지연 시간에 따라 도통 상태로 스위칭하도록 트리거될 수 있다. 트랜지스터(M1)를 선택된 시각에 도통 상태로 스위칭하는 것은 피크 광 펄스 직후에 레이저 파워를 감소시키고, 레이저 펄스를 단축시키며, 그리고/또는 펄스의 테일 방출을 감소시킬 수 있다.
도 2db에 도시된 구동 회로가 전류 소스(2-430)가 레이저의 애노드측(anode side)에 위치된 것을 보여주고 있지만, 일부 실시예들에서, 전류 소스는, 대안적으로 또는 그에 부가하여, 레이저의 캐소드측(cathode side)에 위치될 수 있다(예컨대, 트랜지스터(M1), 저항기(R1), 및 접지와 같은 기준 전위 사이에 연결됨).
극초단 펄스들을 생성하기 위한 구동 회로부의 다른 실시예들이 가능하다. 예를 들어, 레이저 다이오드 또는 LED에 대한 전류 펄스 구동 회로(2-402)는, 도 2dc에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드의 노드에 연결된 복수의 전류 구동 브랜치(current drive branch)들을 포함할 수 있다. 구동기 회로(2-402)는 개별 또는 집적 컴포넌트들을 사용하여 형성되고 기판(예컨대, ASIC 칩 또는 PCB) 상에 집적될 수 있다. 일부 실시예들에서, 구동기 회로는 하나 이상의 광학 반도체 다이오드들(2-425)(예컨대, 레이저 다이오드 또는 하나 이상의 발광 다이오드들)과 동일한 기판 상에 집적될 수 있다. 도면이 구동기 회로를 레이저 다이오드(2-425)의 애노드에 연결된 것으로서 도시하고 있지만, 일부 실시예들에서, 유사한 구동 회로부가, 대안적으로 또는 그에 부가하여, 레이저 다이오드의 캐소드에 연결될 수 있다. 레이저 다이오드의 캐소드측에 연결된 구동 회로부는 레이저 다이오드의 애노드측에서 사용되는 것들과 반대 유형의 트랜지스터들 및 반대 극성의 전압 소스들을 이용할 수 있다.
일부 구현들에 따르면, N개의 순방향 바이어스 전류 펄스들을 레이저 다이오드(2-425) 또는 LED에 인가하도록 구성된 N개의 회로 브랜치들(예컨대, 회로 브랜치들(2-432, 2-434, 2-436)) 및 M개의 역방향 바이어스 전류 펄스들을 레이저 다이오드에 인가하도록 구성된 M개의 회로 브랜치들(예컨대, 회로 브랜치(2-438))이 있을 수 있다. 도 2dc에서, N=3이고 M=1이지만, 다른 값들이 사용될 수 있다. 각각의 순방향 바이어스 전류 브랜치는 레이저 다이오드에 순방향 바이어스 전류를 전달하도록 구성된 전압 소스(Vi)를 포함할 수 있다. 각각의 역방향 바이어스 전류 브랜치는 레이저 다이오드에 역방향 바이어스 전류를 전달하도록 구성된 전압 소스(Vj)를 포함할 수 있다. 각각의 회로 브랜치는 스위치 또는 트랜지스터(Mi)와 직렬로 연결된 저항기(Ri)를 추가로 포함할 수 있다. 각각의 회로 브랜치는, 한쪽은 트랜지스터(Mi)와 저항기(Ri) 사이의 노드에 연결되고, 다른 쪽은 고정 기준 전위(fixed reference potential)에 연결된, 커패시터(Ci)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 커패시턴스(Ci)는 트랜지스터(Mi)와 연관된 접합 커패시턴스(예컨대, 소스-보디 커패시턴스(source-to-body capacitance))일 수 있으며, 별도의 개별 커패시터가 제공되지 않을 수 있다. 일부 구현들에서, 회로 브랜치들로부터 전달되는 총 전류의 양을 제한하기 위해 적어도 하나의 부가 저항기가 다이오드(2-425)와 직렬로 포함될 수 있다.
작동 중에, 합산되어 레이저 다이오드 접합부에 걸쳐 인가되는 회로 브랜치들 각각으로부터의 전류 펄스들의 시퀀스를 생성하기 위해, 타이밍 조절된 펄스 제어 신호(pulsed control signal)들이 스위치들 또는 트랜지스터들 Mi의 제어 입력들 Si에 인가될 수 있다. 각각의 브랜치 내의 컴포넌트들의 값들(Vi, Vj, Ri, Ci) 및 제어 입력들(Si)에 인가되는 제어 펄스들의 타이밍 및 펄스 지속시간은 레이저 다이오드(2-425)에 인가되는 원하는 양극성 전류 펄스 파형을 생성하도록 독립적으로 선택될 수 있다. 단지 하나의 예로서, V1, V2, 및 V3의 값들은 상이한 값들을 갖도록 선택될 수 있다. R1, R2, 및 R3의 값들은 동일할 수 있고, C1, C2, 및 C3의 값들은 동일할 수 있다. 이 예에서, 제어 입력들(Si)에의 펄스 신호(pulsed signal)들을 스태거링(staggering)하는 것은, 유사한 펄스 지속시간들을 갖지만 상이한 펄스 진폭들을 갖는, 순방향 바이어스 회로 브랜치들로부터의 오버랩하는(overlapping) 전류 펄스들의 스태거링된 시퀀스를 생성할 수 있다. 역방향 바이어스 회로 브랜치로부터의 타이밍 조절된 펄스는 순방향 바이어싱 펄스(forward-biasing pulse)를 소멸시키거나 빠르게 턴 오프시킬 수 있는 반대 극성의 전류 펄스를 생성할 수 있고, 레이저 다이오드로부터 테일 방출을 억제할 수 있는 역방향 바이어싱 펄스(reverse-biasing pulse)를 추가로 생성할 수 있다. 역방향 바이어싱 펄스는, 순방향 바이어싱 펄스들 중 하나 이상과 시간적으로 오버랩하도록, 주의하여 타이밍 조절될 수 있다. 그에 따라, 도 2dc에 도시된 회로는 도 2c에 도시된 바와 같은 양극성 전류 펄스들을 합성하는 데 사용될 수 있다.
도 2dd는, 무선 주파수(RF) 컴포넌트들을 사용하여 제조될 수 있는, 펄스 구동기(pulse driver)(2-403)의 다른 실시예를 도시하고 있다. RF 컴포넌트들은, 일부 실시예들에 따르면, 약 50 MHz 내지 약 1 GHz의 주파수들의 신호들을 핸들링하도록 설계될 수 있다. 일부 구현들에서, 펄스 구동기(2-403)는 입력 파형(예컨대, 구형파(square wave) 또는 사인파(sinusoidal wave))을 구동기에 AC 커플링(AC couple)시키는 입력 DC 블록(2-435)을 포함할 수 있다. DC 블록에 뒤이어서 증폭기(2-440)가 있을 수 있고, 이 증폭기(2-440)는 개별적인 회로 경로들(2-440a, 2-440b)을 따라, 각각, 진행하는 비반전 및 반전 출력 파형들을 생성한다. 제1 회로 경로(2-440a)는 하나 이상의 어댑터들(2-442)을 포함할 수 있다. 제2 경로에서의 신호를 제1 경로에서의 신호에 대해 선택적으로 위상 시프트(phase shift)시키기 위해 가변 위상 시프터(variable phase shifter)(2-445)가 제2 회로 경로(2-440b)에 포함될 수 있다.
제1 및 제2 회로 경로들은 RF 논리 게이트(2-450)(예컨대, AND 게이트 또는 다른 논리 게이트)의 비반전 입력들에 연결될 수 있다. 논리 게이트(2-450)의 반전 입력들은, 게이트에서의 의사 전력 반사(spurious power reflection)들을 회피하기 위해, 적당한 임피던스 정합 터미네이터(impedance-matched terminator)들(2-446)로 종단(terminate)될 수 있다. 논리 게이트(2-450)의 비반전 및 반전 출력들은 2개의 회로 경로들(2-450a, 2-450b)을 따라 결합기(combiner)(2-460)에 연결될 수 있다. 반전 회로 경로(inverted circuit path)(2-450b)는 지연 요소(2-454) 및 감쇠기(2-456) - 이들 중 어느 하나 또는 둘 다가 조절가능할 수 있음 - 를 포함할 수 있다. 지연 요소는 반전 신호(inverted signal)를 비반전 신호(non-inverted signal)에 대해 지연시키는 데 사용될 수 있고, 감쇠기는 반전 신호의 진폭을 조절하는 데 사용될 수 있다.
논리 게이트로부터의 그 결과 얻어진 반전 신호 및 비반전 신호는 이어서 결합기(2-460)에서 합산될 수 있다. 결합기(2-460)로부터의 출력은 레이저 다이오드 또는 하나 이상의 LED들을 구동하기 위한 출력 양극성 펄스들을 제공하는 RF 증폭기(2-470)에 연결될 수 있다. 출력 양극성 펄스들은 도 2de에 도시된 바와 같은 파형을 가질 수 있다.
작동 중에, 입력 구형파 또는 사인파는 구동기 내로 AC 커플링되고 비반전 및 반전 버전들로서 2개의 회로 경로들(2-440a, 2-440b)로 분할될 수 있다. 제1 증폭기(2-440)는, 일부 실시예들에 따르면, 사인파 파형을 구형파로 만드는(square up) 제한 증폭기(limiting amplifier)일 수 있다. 제2 회로 경로(2-440b)에서, 반전 파형을 비반전 파형에 대해 시간적으로 지연시키기 위해, 반전 파형이 조절가능 위상 시프터(2-445)를 사용해 위상 시프트될 수 있다. 제1 증폭기(2-440)로부터의 그 결과 얻어진 파형들은 이어서, 논리 게이트의 비반전 및 반전 출력들에 짧은 RF 펄스들을 생성하기 위해, RF 논리 게이트(2-450)(예컨대, AND 게이트)에 의해 처리될 수 있다. 짧은 RF 펄스들의 지속시간은, 일부 실시예들에 따르면, 위상 시프터(2-445)를 사용하여 조절될 수 있다. 예를 들어, 위상 시프터는 논리 AND 게이트(2-450)에의 입력에서의 비반전 파형 및 반전 파형이 동시에 "온" 상태에 있는 기간 - 이 기간이 출력 펄스들의 길이를 결정할 것임 - 을 조절할 수 있다.
도 2de를 참조하면, 논리 게이트(2-450)로부터의 짧은 반전 펄스들(2-417)은, 비반전 펄스와 결합(combine)되기 전에, 지연 요소(2-454)에 의해 비반전 펄스들(2-415)에 대해 양 δ만큼 지연되고 감쇠기(2-456)에 의해 원하는 진폭으로 감쇠될 수 있다. 일부 실시예들에서, 네거티브 펄스 크기(|Vp-|)는 포지티브 펄스 진폭(Vp+)보다 더 작을 수 있다. 펄스 분리 간격(T)은 펄스 구동기(2-403)에 입력되는 사인파 또는 구형파의 주파수에 의해 결정될 수 있다. 출력 펄스 파형은 DC 오프셋을 포함할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 출력 파형이 사각형 형상의 파형(square-shaped waveform)을 갖는 것으로 도시되어 있지만, RF 컴포넌트들 및/또는 케이블(cabling)에서의 커패시턴스들 및 인덕턴스들은, 도 2c에 도시된 파형에 보다 가까운, 보다 둥근 파형들을 갖는 출력 펄스들을 생성할 수 있다.
도 2dc 및 도 2db와 관련하여 앞서 언급된 바와 같이, 레이저 다이오드 또는 LED에 전류 또는 전압을 인가하는 것은, 일부 실시예들에서, 다이오드의 캐소드 및 애노드 둘 다에 대해 그러할 수 있다. 분할(split) 또는 차동(differential) 전압 또는 전류 펄스를 다이오드의 캐소드 및 애노드 둘 다에 인가할 수 있는 무선 주파수 펄스 구동기 회로(2-404)가 도 2df에 도시되어 있다. 일부 실시예들에 따르면, 회로의 프런트 엔드(front end)는 도 2dd에 도시된 펄스 구동기 회로(2-403)의 프런트 엔드와 유사할 수 있다. 그렇지만, 펄스 구동기 회로(2-404)에서는, 논리 게이트(2-450)로부터의 비반전 및 반전 출력들이 결합되지 않고 그 대신에 레이저 다이오드의 애노드 및 캐소드에 차동 드라이브(differential drive)로서 인가될 수 있다. 단순화를 위해, 후속하는 네거티브 또는 역방향 바이어싱 펄스를 생성하는 것과 연관된 회로부는 도 2df에 도시되어 있지 않다.
차동 펄스 구동기 회로(2-404)에 의해 생성된 분할 또는 차동 드라이브의 일 예가 도 2dg에 도시되어 있다. 논리 게이트(2-450)로부터의 제1 출력은 진폭 +Vp의 포지티브 펄스(2-416)를 생성할 수 있고, 논리 게이트(2-450)로부터의 제2 반전 출력은 반대 진폭 -Vp의 네거티브 펄스(2-418)를 생성할 수 있다. 펄스 트레인들은, 일부 실시예들에서, 작은 DC 오프셋을 가질 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 포지티브 펄스(2-416) 및 네거티브 펄스(2-418)의 존재는 레이저 다이오드에 걸쳐 유효 진폭 2Vp를 갖는 순방향 바이어싱 펄스를 생성한다. 레이저 다이오드에 걸쳐 바이어스를 분할하고 애노드 및 캐소드에 부분 바이어스(partial bias)를 인가하는 것에 의해, 펄스 구동기(2-404)에 의해 핸들링되는 전압 펄스들의 진폭이 사실상 2배만큼 감소될 수 있다. 그에 따라, 펄스 구동기(2-404)는 보다 높은 주파수에서 작동하고, 그렇지 않았으면 보다 높은 진폭의 펄스들에 대해 달성할 수 있는 것보다 더 짧은 펄스들을 생성할 수 있다. 대안적으로, 펄스 구동기 회로(2-404)는, 레이저 다이오드의 애노드에 바이어싱 펄스(+Vp)를 제공하기만 하는 구동 회로와 비교하여, 레이저 다이오드에 걸쳐 인가되는 구동 펄스의 진폭을 사실상 배가시킬 수 있다. 이러한 실시예들에서, 레이저 다이오드로부터의 파워 출력이 증가될 수 있다.
레이저 다이오드에 인가된 전력 및/또는 구동 속도가 증가될 수 있는 다른 방법이 도 2dh에 도시되어 있다. 일부 실시예들에 따르면, 복수의 펄스 구동기 출력들(2-470)이 레이저 다이오드(2-425) 또는 LED의 애노드에 연결될 수 있다. 이 예에서, 4개의 펄스 구동기들이 레이저 다이오드의 애노드에 연결된다. 차동 펄스 구동기 회로부가 사용되는 일부 실시예들에서, 다수의 구동기들이 레이저 다이오드의 캐소드에도 연결될 수 있다. 각각의 구동기 및 그의 관련 케이블은 임피던스 Z0을 가질 수 있고, 레이저 다이오드(2-425)는 임피던스 ZL을 가질 수 있다. 그들의 병렬 연결로 인해, 구동기들의 출력 임피던스들은 레이저 다이오드에 연결된 구동기들의 개수로 나누어진다. 다이오드 내로 전달되는 전력은 펄스 구동기들의 결합 임피던스(combined impedance)들이 레이저 다이오드(2-425)의 임피던스와 대략 정합될 때 증가될 수 있거나 그 반대일 수 있다.
도 2di에서의 그래프는 4개의 구동 소스들에 대한 레이저 다이오드(2-425) 내로 커플링된 전력의 효율의 증가를 레이저 다이오드 및 레이저 다이오드 회로의 임피던스의 함수로서 예시하고 있다. 이 예에서, 4개의 펄스 구동기들 각각은 약 50 옴의 라인 임피던스(line impedance)를 가지며 대략 100 mA의 최대 전류로 5 V 진폭의 출력 펄스를 전달하도록 구성된다. 이 플롯(plot)은 레이저 다이오드의 임피던스가 대략 10 옴일 때 레이저 다이오드 내로 커플링되는 전력이 최댓값에 도달한다는 것을 보여준다. 이 값은 4개의 펄스 구동기 출력들(2-470)의 병렬 출력 임피던스와 거의 같다. 그에 따라, 일부 실시예들에 따르면, 레이저 다이오드(2-425) 및 그의 관련 회로부의 임피던스는 레이저 다이오드를 구동하는 데 사용되는 하나 이상의 펄스 구동기들의 결합 임피던스와 대략 정합하도록 설계될 수 있다.
다른 회로 구동기 구성들이 레이저 다이오드들 또는 발광 다이오드들을 펄싱하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 발광 다이오드 내로의 전류 주입은 P. H. Binh 등의 저서 "A simple sub-nanosecond ultraviolet light pulse generator with high repetition rate and peak power", Rev. Sci. Instr. Vol. 84, 083102 (2013), 또는 T. Araki 등의 저서 "An ultraviolet nanosecond light pulse generator using a light emitting diode for test of photodetectors", Rev. Sci. Instr. Vol. 68, 1365 (1997)에 설명되어 있는 펄서 회로를 사용하여 나노초 이하의 펄스들을 생성하기 위해 펄싱될 수 있다.
펄서 회로의 다른 예가 도 2dj에 도시되어 있다. 일부 실시예들에 따르면, 펄서 회로는, 예를 들어, 시스템 클록으로부터 하나 이상의 클록 신호들을 수신할 수 있는, 펄스 생성기(2-480)를 포함하고, 펄스 생성기로부터의 수신된 전기 펄스들에 응답하여, 전류 펄스들을 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드에 주입하는 구동기 회로(2-490)에 전기 펄스들의 트레인을 출력할 수 있다. 그에 따라, 출력 광학 펄스들은 시스템 클록에 동기화될 수 있다. 시스템 클록은 또한 검출 전자장치들(예컨대, 이미징 어레이)을 작동시키는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 펄스 생성기(2-480)는 수동 및 디지털 전자 컴포넌트들의 조합으로 형성될 수 있고, 제1 회로 보드 상에 형성될 수 있다. 일부 경우들에서, 펄스 생성기는 아날로그 회로 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 펄스 생성기의 일부분은 구동기 회로(2-490)와 동일한 보드 상에 형성될 수 있고, 펄스 생성기의 일부분은 구동기 회로로부터 멀리 떨어진 별도의 보드 상에 형성될 수 있다. 구동기 회로(2-490)는 수동, 아날로그, 및 디지털 전자 컴포넌트들로 형성될 수 있고, 펄스 생성기 또는 펄스 생성기의 일부분과 동일하거나 상이한 회로 보드 상에 형성될 수 있다. 광학 소스(레이저 다이오드 또는 발광 다이오드)는 구동기 회로와 함께 회로 기판 상에 포함될 수 있거나, 시스템에 위치되고 고속 케이블(예컨대, SMA 케이블들)에 의해 구동기 회로(2-490)에 연결될 수 있다. 일부 구현들에서, 펄스 생성기(2-480) 및 구동기 회로(2-490)는 이미터-결합 논리 요소(emitter-coupled logic element)들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 펄스 생성기(2-480), 구동기 회로(2-490), 및 광학 반도체 다이오드(2-423)는 동일한 인쇄 회로 보드, 라미네이트(laminate), 또는 집적 회로 상에 집적될 수 있다.
펄스 생성기(2-480)의 일 예가 도 2dk에 도시되어 있다. 일부 구현들에서, 펄스 생성기는 2개의 차동 클록 출력들 - 하나가 다른 것에 대해 지연됨 - 을 생성하는 제1 스테이지를 포함할 수 있다. 제1 스테이지는 클록 입력을 수신하고 팬-아웃(fan-out)(2-481) 및 지연(2-483)을 포함할 수 있다. 팬-아웃은, 클록 신호의 2개의 사본들 및 클록 신호의 2개의 반전 사본들을 생성하도록 배열된, 논리 구동기(logic driver)들 및 논리 인버터(logic inverter)들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 클록이 대칭 듀티 사이클을 가질 수 있지만, 다른 실시예들에서, 비대칭 듀티 사이클들이 사용될 수 있다. 하나의 사본과 하나의 반전 사본은 차동 클록 출력 
을 형성할 수 있고, 지연 요소(2-483)에 의해 제2 사본과 제2 반전 사본 
에 대해 지연될 수 있다. 지연 요소는 임의의 적당한 가변 또는 고정 지연 요소를 포함할 수 있다. 지연 요소들의 예들은 RF 지연 라인들 및 논리 게이트 지연들을 포함한다. 일부 구현들에서, 제1 클록 신호 쌍 
은 제2 클록 신호 쌍 
에 대해 클록 사이클의 적어도 수분의 1(at least a fraction)만큼 지연된다. 지연은, 부분 사이클(fractional cycle)에 부가하여, 하나 이상의 전체 사이클(full cycle)들을 포함할 수 있다. 각각의 클록 신호 쌍 내에서, 클록들의 상승 및 하강 에지들이 본질적으로 동시에 발생하도록 반전 신호가 그의 대응물에 동기화될 수 있다.
본 발명자들은, 펄스 생성기(2-480)로부터의 전류 구동 펄스의 길이를 조절하고 극초단 전류 구동 펄스의 진폭을 조절하기보다는 고정 진폭을 유지하는 것에 의해, 레이저 다이오드 또는 LED의 극초단 펄스가 보다 신뢰성있게 제어될 수 있다는 것을 발견하였다. 전류 구동 펄스의 길이를 조절하는 것은 펄스당 레이저 다이오드로 전달되는 에너지의 양을 조절한다. 일부 실시예들에서, 고속 회로들은, 일부 구현들에 따르면, 펄스 길이의 고분해능 제어를 달성하는 데 사용될 수 있는, 신호 위상의 고분해능 제어를 (예컨대, 아날로그 또는 디지털 지연 요소(2-483)를 사용해 지연 또는 위상을 조절하는 것에 의해) 가능하게 한다.
일부 경우들에서, 펄스 생성기(2-480)의 제1 스테이지는, 팬 아웃(2-481) 및 지연(2-483) 대신에, 듀얼 출력 클록(dual-output clock)을 포함할 수 있다. 듀얼 출력 클록은 2개의 차동 클록 신호들을 생성하고, 2개의 차동 클록 신호들 간에 조절가능 위상 지연을 제공할 수 있다. 일부 구현들에서, 조절가능 위상 지연은 3 ps 정도로 작은 대응하는 시간 분해능을 가질 수 있다.
지연된 클록 신호들(CK1, CK2) 및 그들의 역(inverse)들이 어떻게 생성되는지에 관계없이, 신호들은 고속 전송 라인들을 통해 고속 논리 게이트(2-485)에게 전송될 수 있다. 보드들 간의 케이블들을 통한 신호 전송의 경우, 케이블링(cabling)으로 인해 클록 펄스들이 열화될 수 있다. 예를 들어, 전송 라인들의 제한된 대역폭은 클록 펄스들을 상이하게 왜곡시키고, 동일하지 않은 타이밍(unequal timing)을 가져올 수 있다. 일부 구현들에서, 전송 왜곡들이 4개의 클록 신호들에 동일하게 영향을 미치도록, 모든 클록 신호들에 대해 동일한 유형의 케이블 또는 전송 라인이 사용될 수 있다. 예를 들어, 4개의 클록 신호들에 대해 신호 왜곡들 및 타이밍 오프셋들이 본질적으로 동일할 때, 수신측 논리 게이트(2-485)에 의해 생성된 결과 구동 펄스는 클록 신호들의 전송으로부터의 신호 왜곡들이 없는 경우와 본질적으로 동일할 것이다. 그에 따라, 구동 펄스 지속시간에 영향을 미치지 않고 수 피트의 거리에 걸친 클록 신호들의 전송이 허용될 수 있다. 이것은 시스템 클록에 동기화되고 미세하게 조절가능한 펄스 지속시간(예컨대, 약 3 ps의 증분들로 조절가능함)을 갖는 극초단 구동 펄스들을 생성하는 데 유용할 수 있다. 클록 신호들이 로컬적으로(예컨대, 구동기 회로(2-490)와 동일한 보드 상에서) 생성되는 경우, 클록 신호들의 전송과 연관된 신호 왜곡들이 크지 않을 수 있으며 전송 라인들이 어느 정도 상이해도 괜찮을 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 클록 신호들이 커패시터들(C1)과 AC 커플링되어, 고속 논리 게이트(2-485)의 데이터 입력들에 제공될 수 있다. 커패시터들(C1)은 약 10 nF 내지 약 1 μF의 커패시턴스를 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 논리 게이트는 이미터-결합 논리(ECL), 2-입력 차동 AND/NAND 게이트를 포함할 수 있다. 논리 게이트(2-485)의 일 예는 미국 로드 아일랜드주 이스트 그리니치 소재의 ON Semiconductor로부터 입수가능한 모델 MC100EP05를 포함한다. 논리 게이트에의 데이터 입력들에서의 AC 커플링 신호(AC-coupled signal)들은 도 2dl에 도시된 신호들과 유사하게 보일 수 있으며, 여기서 수평 점선은 제로 전압 레벨을 나타낸다. 도 2dl에 도시된 것들은 전송 라인들에 의해 유입되는 왜곡들을 포함하지 않는다. 왜곡들은 신호 프로파일들의 형상을 둥글게 만들어 변화시킬 수 있지만, 각각의 클록 신호에 대해 동일한 유형 및 길이의 케이블이 사용될 때 클록 신호들의 상대 위상들에 영향을 미치지 않을 수 있다. 지연 요소(2-483)는 수직 점선들에 의해 표시된 지연 Δt - 이는 3 ps 정도로 작은 증분들로 조절가능할 수 있음 - 를 제공할 수 있다. 일부 구현들에서, 지연 요소(2-483)는 1 ps 내지 10 ps의 값을 갖는 증분들로 조절가능 지연을 제공할 수 있다. 논리 게이트(2-485)는 수신된 클록 신호들을 처리하고 지연 요소(2-483)에 의해 유입된 지연에 대응하는 출력 신호를 출력 포트(Q)에 생성할 수 있다. 작은 지연에 의해, 출력은 짧은 또는 극초단 펄스들의 시퀀스를 포함한다. 고속 논리 게이트(2-485)의 경우, 펄스 지속시간들이, 일부 실시예들에서는 약 50 ps 내지 약 2 ns(FWHM), 일부 실시예들에서는 약 50 ps 내지 약 0.5 ns, 일부 실시예들에서는 약 50 ps 내지 약 200 ps, 그리고 또한 일부 실시예들에서는 약 50 ps 내지 약 100 ps일 수 있다. 포트(Q)로부터의 구동 펄스들은 ECL 논리 게이트(2-485)의 고속 슬루 레이트(slew rate)들로 인해 실질적으로 사각형인 프로파일을 가질 수 있다. 바이어싱 회로(2-487)은 출력 포트(Q) 및 포지티브 이미터-결합 논리에 대해 인가되는 전압 V1에 연결될 수 있다. 펄스 생성기(2-480)의 출력 단자(Pout)로부터 제공되는 출력 펄스들은, 일부 실시예들에 따르면, DC 오프셋을 포함할 수 있다.
일부 구현들에서, 2개 이상의 고속 논리 게이트들(2-485)이 커패시터들 C1과 바이어스 회로(2-487) 사이에 병렬로 연결될 수 있다. 논리 게이트들은 동일할 수 있고, 펄스 생성기의 출력에서 보다 큰 전류 구동 능력을 제공하기 위해 병렬로 작동할 수 있다. 본 발명자들은 논리 게이트(2-485) 또는 게이트들이 고속 스위칭(즉, 극초단 구동 펄스들을 생성하기 위한 빠른 상승 및 하강 시간들)을 제공할 필요가 있고, 구동기 회로(2-490) 내의 고전류 트랜지스터(high current transistor)(M1)를 구동하기에 충분한 출력 전류를 제공할 필요가 있다는 것을 인식하고 알았다. 일부 구현들에서, 논리 게이트들(2-485)을 병렬로 연결시키는 것은 펄서 회로의 개선된 성능을 제공하고, 100 ps 이하의(sub-100-ps) 광학 펄스들의 생성을 가능하게 한다.
도 2dm은, 레이저 다이오드 또는 LED(2-423)에 연결될 수 있는, 구동기 회로(2-490)의 일 실시예를 도시하고 있다. 구동기 회로는 고속 트랜지스터(M1)의 게이트에 연결된, 저항기(R3)와 직렬로 커패시터(C2)를 갖는, AC 커플링 입력(AC-coupled input)을 포함할 수 있다. C2의 커패시턴스는, 일부 실시예들에 따르면, 대략 0.1 μF 내지 대략 10 μF일 수 있고, R3은 대략 10 옴 내지 대략 100 옴의 값을 가질 수 있다. 트랜지스터(M1)는, 일부 실시예들에 따르면, 고전류들(예컨대, 적어도 1 암페어, 그리고 일부 경우들에서, 최대 4 암페어 이상)을 스위칭할 수 있는 HEMT FET(high-electron-mobility field-effect transistor)를 포함할 수 있다. 트랜지스터(M1)는 멀티 기가헤르츠 속도들로 이러한 대전류(large current)들을 스위칭할 수 있는 고속 트랜지스터일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 트랜지스터(M1)는 30 Hz 내지 대략 200 MHz의 반복 레이트로 약 50 ps 내지 약 2 ns의 전기 펄스 지속시간 동안 1 암페어 초과를 스위칭할 수 있다. 트랜지스터(M1)의 일 예는 미국 캘리포니아주 산호세 소재의 Avago Technologies로부터 입수가능한 모델 ATF-50189-BLK를 포함한다. 바이어싱 및 필터링 회로 요소들(예컨대, 저항기들 R4, R7, 및 C3)은 커패시터(C2)와 트랜지스터(M1)의 게이트 사이에 연결될 수 있다. 트랜지스터(M1)의 드레인은 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드(2-423)의 캐소드에 직접 연결될 수 있고, 트랜지스터(M1)의 소스는 기준 전위(예컨대, 접지)에 연결될 수 있다. 다이오드(2-423)의 애노드는 다이오드 전압 소스(VLD)에 연결될 수 있다. 저항기(R6) 및 커패시터(C4)는 다이오드(2-423) 양단에 병렬로 연결될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 저항기(R6)는 대략 50 옴 내지 대략 200 옴의 값을 가질 수 있고, C4는 대략 5 pF 내지 대략 50 pF의 커패시턴스를 가질 수 있다. (대략 1 μF 내지 대략 5 μF의 값을 갖는) 커패시터(C5)가 또한 다이오드 전압 소스(VLD)와 기준 전위(예컨대, 접지) 사이에 다이오드(2-423) 및 트랜지스터(M1)와 병렬로 연결될 수 있다.
일부 실시예들에서, 보호 다이오드(도시되지 않음)가 레이저 다이오드(2-423)의 캐소드 및 애노드에 걸쳐 역방향으로 연결될 수 있다. 보호 다이오드는 레이저 다이오드 접합부를 항복(break down)시킬 수 있는 과도한 역방향 바이어스 전위로부터 레이저 다이오드를 보호할 수 있다.
작동 중에, 펄스 생성기(2-480)로부터의 펄스는 트랜지스터(M1)를 순간적으로 턴 온시켜, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드(2-423)의 활성 영역 내로 전류가 주입될 수 있게 한다. 일부 구현들에서, 많은 양의 순방향 전류(예컨대, 최대 4 암페어)가 트랜지스터(M1)을 통해 잠시 흐른다. 순방향 전류는 캐리어들을 레이저 다이오드 접합부 내로 주입시키고 짧은 또는 극초단 광학 방사 펄스를 생성한다. 트랜지스터(M1)가 턴 오프될 때, 기생 인덕턴스들은 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 가로지르는 전류의 흐름을 계속하게 하여, 레이저 다이오드와 병렬로 연결된 RC 회로망에 의해 전하가 소산될 수 있을 때까지, 전하를 다이오드의 캐소드측에 축적한다. 캐소드에서의 이 일시적 전하 축적은 역방향 바이어스 펄스를 레이저 다이오드에 제공하고, 활성 영역으로부터의 캐리어들의 제거를 가속시킨다. 이것은 광학 펄스의 종료를 가속시킨다.
본 발명자들은 도 2dm의 실시예에 대해 설명된 광학 펄싱 기법이, 레이저 다이오드를 턴 온시키는 데 요구될 수 있는 보다 높고 보다 짧은 전류 펄스를 제공할 수 있기 때문에, 구형파 펄스들을 차동화하는 것에 기초한 펄싱 기법들보다 우수하다는 것을 발견하였다.
본 발명자들은 다양한 펄스 구동 회로들을 조립(assemble)하였고 레이저 다이오드들을 구동하는 데 그들을 사용하였다. 도 2ea는 조립된 펄서 회로(2-500)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예는 도 2da에 도시된 바와 같은 펄서(2-400)를 구현한다. 조립된 회로에서, 전송 라인(2-410)은, 도면에 도시된 바와 같이, 인쇄 회로 보드 상에 U자 형상의 구성으로 패터닝된 평행 플레이트 스트립 라인(parallel-plate strip line)으로서 형성된다. U자 형상의 전송 라인의 2개의 단부들을 단락시키기 위해 GaN pHEMT 트랜지스터가 션팅 스위치(shunting switch)(M1)로서 사용되었다. 펄서 회로(2-500)는 최대 100 MHz의 반복 레이트들로 작동될 수 있고 50 옴 부하를 구동하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄서 회로는 대략 10 MHz 내지 대략 1 GHz의 반복 레이트들로 작동될 수 있다.
펄서(2-500)로부터의 측정된 파형이 도 2eb에 도시되어 있다. 파형은 대략 19.5 V의 진폭을 갖는 포지티브 펄스 및 그에 뒤따른 네거티브 펄스 - 네거티브 펄스는 포지티브 펄스 이후에 대략 -5 V의 진폭에 도달함 - 를 나타내고 있다. 포지티브 펄스의 지속시간은 대략 1.5 나노초이다. 도 2da를 또다시 참조하면, 펄서(2-500)는 대략 50 옴의 종단 저항기(Zterm) 및 대략 200 옴의 풀업(pull-up) 또는 충전 저항기(Rch)를 갖도록 구성되었다. Zterm의 값은 종단 저항(terminating resistance)으로부터 다시 전송 라인으로의 전력 반사들을 감소시키도록 선택되었다. 전송 라인(2-410)에 인가된 바이어스는 100 V였고, 스위치(M1)는 100 MHz의 반복 레이트로 구동되었다. 0 V 바이어스로부터의 상대 오프셋(relative offset)을 조정하기 위해, 대략 -1.3 V의 DC 바이어스가 바이어스 티(bias tee)를 통해 다이오드에 결합되었다. 스위치(M1)에 대한 구동 펄스는 대략 0 V와 대략 2 V 사이에서 진동하는 구형파 신호였다.
100 ps 이하의 광학 펄스들을 생성하기 위해 상용 레이저 다이오드(Ushio 모델 HL63133DG)를 구동하는 데 상용 테스트 베드 구동기(commercial test-bed driver)가 사용되었다. 광학 펄스 측정들은 도 2ec 및 도 2ed에 도시되어 있다. 도 2ec에 도시된 바와 같이, 감소된 테일 방출을 갖는 펄스들이 100 MHz의 반복 레이트로 생성되었다. 레이저 다이오드로부터의 평균 파워는 약 8.3 밀리와트인 것으로 측정되었다. 도 2ed에 도시된, 펄스 지속시간은 대략 84 피코초인 것으로 측정되었다. 레이저 다이오드로부터의 광학 방출의 강도는 펄스의 피크로부터 대략 250 ps 이후에 대략 24.3 dB만큼 감소된 것으로 밝혀졌다. 레이저 다이오드가 다이오드에의 단일 본드 와이어를 가지고 있었지만, 100 ps 이하의 펄스들이 생성되었다. 보다 짧은 펄스들(예컨대, 약 25 ps 내지 약 75 ps)은 다수의 본드 와이어들을 사용해 또는 펄서 회로에 대한 추가적인 개선들을 사용해 생성될 수 있다.
도 2fa는, 앞서 설명된 이득 스위칭 장치들 및 기법들 중 임의의 것에 따른, 이득 스위칭에 의해 광학 펄스들을 생성하는 데 사용될 수 있는 반도체 레이저(2-600)의 일 예를 도시하고 있다. 레이저 및 펄스 구동 회로부는 대량 생산되고 저비용으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 레이저는 평면 집적 회로 기술(planar integrated circuit technology)을 사용하여 에지 방출 디바이스(edge-emitting device)로서 미세제조(microfabricate)될 수 있다. 이러한 레이저는 슬래브 결합 광학 도파관 레이저(SCOWL)라고 지칭될 수 있다. 도면은 레이저의 엔드-온 입면도(end-on, elevation view)를 도시하고 있다. 레이저는 (예컨대, 광학 스펙트럼의 녹색, 적색 또는 적외선 영역들에서 방사를 방출하기 위해) GaAs/AlGaAs 재료 시스템(material system)으로 형성될 수 있지만, (예컨대, 스펙트럼의 녹색, 청색 또는 자외선 영역들에서 방사를 방출하기 위해) 다른 재료 시스템들(GaN/AlGaN 등)이 일부 구현들에서 사용될 수 있다. 레이저 다이오드들은 InP, AlInGaP, InGaP, 및 InGaN - 이들로 제한되지 않음 - 을 포함하는 다른 반도체 재료 시스템들로 제조될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, SCOWL은 n-형 기판 또는 버퍼 층(2-627)(예컨대, Al을 포함하는 GaAs 기판 또는 GaAs 층) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 버퍼 층은 AlxGa1-xAs를 포함할 수 있고, 여기서 x는 대략 0.25 내지 대략 0.30이다. 기판 또는 베이스 층의 굴절률은, 일부 실시예들에 따르면, 약 3.4 내지 3.5인 제1 값 n1을 가질 수 있다. 저농도 도핑된(low-doped) n-형 반도체 재료의 전자 수송 층(2-617)이 기판(2-627) 상에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전자 수송 층(2-617)은 AlxGa1-xAs를 포함하도록 - x는 대략 0.20 내지 대략 0.25임 - 그리고 대략 5x1016 cm-3의 n-형 도펀트 농도를 갖도록 에피택셜 성장에 의해 형성될 수 있다. 전자 수송 층의 두께 h는 약 1 마이크로미터 내지 약 2 마이크로미터일 수 있다. 수송 층(2-617)은 n1보다 더 큰 제2 굴절률 값 n2를 가질 수 있다. 다중 양자 웰 영역(2-620)이 이어서 전자 수송 층(2-617) 상에 형성될 수 있다. 다중 양자 웰 영역은 MQW 영역에서의 에너지 밴드 갭들을 변조하는 상이한 도핑 농도들을 갖는 재료들의 교번 층들(예컨대, AlGaAs/GaAs의 교번 층들)을 포함할 수 있다. (대략 20 ㎚ 내지 대략 200 ㎚의 두께들을 가질 수 있는) 양자 웰 영역(2-620) 내의 층들은 에피택시, 원자 층 퇴적, 또는 적당한 기상 퇴적 공정에 의해 퇴적될 수 있다. 다중 양자 웰 영역은 n2보다 더 큰 제3 유효 굴절률 값 n3을 가질 수 있다. p-형 도핑된 재료의 정공 수송 층(2-615)이 양자 웰 영역에 인접하여 형성되고, n2보다 더 작은 굴절률 값 n4를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, SCOWL의 상이한 영역들에 대한 굴절률 값들은, 일부 실시예들에 따르면, 도 2fb에 예시된 바와 같을 수 있다. 일부 실시예들에서, SCOWL은 GaN 반도체 및 그의 합금들 또는 InP 반도체 및 그의 합금들을 포함할 수 있다.
"인접한"이라는 용어는 2개의 요소들이 서로 가까운 근접 범위 내에(예컨대, 2개의 요소들 중 큰 쪽의 횡방향 또는 수직 치수의 약 1/5 미만의 거리 내에) 배열된 것을 지칭할 수 있다. 일부 경우들에서, 인접한 요소들 사이에 개재 구조체들 또는 층들이 있을 수 있다. 일부 경우들에서, 인접한 요소들은 어떤 개재 구조체들 또는 요소들도 없이 서로 바로 인접해 있을 수 있다.
레이저 디바이스의 층들이 퇴적된 후에, 약 0.25 마이크로미터 내지 약 1.5 마이크로미터인 폭 w를 갖는 레이저의 활성 영역을 형성하기 위해 트렌치들(2-607)이 그 층들 내로 에칭될 수 있다. n-콘택트(n-contact)(2-630)는 디바이스의 제1 표면 상에 형성될 수 있고, p-콘택트(2-610)는, 활성 영역에 인접하여, p-형 수송 층(2-615) 상에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 반도체 층들의 노출된 표면들은 산화물 또는 다른 전기 절연 층으로 패시베이트(passivate)될 수 있다.
활성 영역에 인접한 트렌치들(2-607)과, 굴절률 값들 n1, n2, n3, 및 n4는, 도면에 도시된 바와 같이, 레이저의 광학 모드를, 양자 웰들에 인접하고 디바이스의 중앙 리브(central rib) 아래에 있는, 레이징 영역(2-625)으로 한정시킨다. SCOWL은 그렇지 않았으면 레이징 영역(2-625)에 형성되어 레이징할지도 모르는 고차 횡 모드(higher-order transverse mode)들을 인접 영역들에서의 손실있는 고차 슬래브 모드(lossy higher-order slab mode)들에 커플링시키도록 설계될 수 있다. 제대로 설계될 때, 레이징 영역(2-625)으로부터의 모든 고차 횡 모드들은 레이징 영역에서의 기본 모드(fundamental mode)에 비해 높은 상대 손실을 가지며 레이징하지 않을 것이다. 일부 구현들에서, SCOWL(2-600)의 횡 광학 모드(transverse optical mode)는 단일 횡 모드(single transverse mode)일 수 있다. 광학 모드의 폭은 대략 0.5 마이크로미터 내지 대략 6 마이크로미터일 수 있다. x 방향으로 취해진 모드 프로파일(2-622)은, 일부 실시예들에 따르면, 도 2fb에 도시된 바와 같이 정형될 수 있다. 다른 구현들에서, SCOWL은 관심 영역을 조명하기 위해 다중 광학 횡 모드(multiple optical transverse mode)들을 생성할 수 있다. (지면 내로 들어가는 차원을 따른) 활성 영역의 길이는, 일부 실시예들에서, 20 마이크로미터 내지 10 mm일 수 있다. 활성 영역의 보다 긴 길이를 선택하는 것에 의해 SCOWL의 출력 파워가 증가될 수 있다. 일부 실시예들에서, SCOWL은 300 mW 초과의 평균 출력 파워를 전달할 수 있다.
많은 적용분야들에 적당한 저가의 초고속 펄스 레이저를 제조하기 위해 반도체 레이저(예컨대, SCOWL) 및 펄서 회로부가 결합될 수 있지만, 도 2ed에 도시된 턴-오프 레이트(turn-off rate)는 일부 형광 수명 분석들에 적당하지 않을 수 있다. 일부 경우들에서, 보다 빠른 턴-오프가 필요할 수 있다. 예를 들어, 본 발명자들은 형광 수명에 기초한 일부 측정들이 펄스의 테일이 펄스 피크 이후 250 ps 내에 펄스 피크보다 대략 25 dB 내지 약 40 dB 아래의 레벨로 소광될 것을 요구할 수 있다는 것을 발견하였다. 일부 경우들에서, 펄스 파워는 펄스 피크 이후 100 ps 내에 이 범위의 값들로 떨어질 필요가 있을 수 있다. 일부 구현들에서, 펄스 테일은 펄스 피크 이후 250 ps 내에 펄스 피크보다 대략 40 dB 내지 대략 80 dB 아래의 레벨로 떨어질 필요가 있을 수 있다. 일부 구현들에서, 펄스 테일은 펄스 피크 이후 250 ps 내에 펄스 피크보다 대략 80 dB 내지 대략 120 dB 아래의 레벨로 떨어질 필요가 있을 수 있다.
펄스의 방출 테일을 추가로 억제하기 위한 하나의 접근법은 펄스 레이저 또는 고휘도 LED 시스템에 포화성 흡수체를 포함시키는 것이다. 일부 실시예들에 따르면, 반도체 포화성 흡수체(2-665)는, 도 2fc에 도시된 바와 같이, 반도체 레이저(2-600) 또는 고휘도 LED와 동일한 기판 상에 통합될 수 있다. 반도체 레이저는, 일부 실시예들에 따르면, 양자 웰 영역(2-620)을 포함하는 SCOWL 구조체를 포함할 수 있다. SCOWL은, 펄서 회로(2-400) 또는 앞서 설명된 다른 펄싱 회로와 같은, 펄스 소스(pulsed source)(2-670)를 사용해 구동될 수 있다.
SCOWL의 한쪽 단부에 인접하여, 포화성 흡수체(2-665)가 형성될 수 있다. 포화성 흡수체(2-665)는 반도체 레이저로부터의 광자들을 흡수하도록 테일러링된 밴드 갭을 갖는 영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 포화성 흡수체는 레이저의 광 방출의 특성 에너지와 거의 동일한 적어도 하나의 에너지 밴드 갭을 갖는 단일 양자 웰 또는 다중 양자 웰들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 다이오드 레이저 캐비티 내의 영역을 전기적으로 격리시키기 위해, 다이오드 레이저의 영역을 이온 주입하는 것에 의해 포화성 흡수체가 형성될 수 있다. 동일한 레이저 다이오드 구조체에 대해 이득보다는 흡수를 촉진(encourage)하기 위해 네거티브 바이어스(negative bias)가 그 영역에 인가될 수 있다. 레이저(2-600)로부터의 높은 플루엔스(fluence)에서, 포화성 흡수체의 가전자 밴드(valence band)는 캐리어들이 고갈될 수 있고 전도 밴드는 채워질 수 있어, 포화성 흡수체에 의한 추가 흡수를 방해할 수 있다. 그 결과, 포화성 흡수체가 표백되고, 레이저로부터 흡수된 방사의 양이 감소된다. 이러한 방식으로, 레이저 펄스의 피크는 펄스의 테일 또는 윙(wing)들보다 더 작은 강도 감쇠를 갖는 포화성 흡수체를 "펀치 스루(punch through)"할 수 있다. 펄스의 테일이 그러면 펄스의 피크에 대해 더욱 억제될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 고반사체(도시되지 않음)가 디바이스의 한쪽 단부에 형성 또는 위치될 수 있다. 예를 들어, 레이저 방사를 포화성 흡수체를 통해 방향전환시키고 출력 파워를 증가시키기 위해, 고반사체가 포화성 흡수체로부터 가장 멀리 있는, 레이저의 한쪽 단부에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 디바이스로부터의 추출을 증가시키기 위해, 반사방지 코팅이 포화성 흡수체 및/또는 SCOWL의 단부에 도포될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 포화성 흡수체는 바이어싱 전원(biasing supply)(2-660)을 포함할 수 있다. 각각의 펄스 이후에 캐리어들을 활성 영역 밖으로 스위핑(sweep)하고 포화성 흡수체의 응답을 개선시키기 위해 바이어싱 전원이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 포화성 회복 시간(saturable recovery time)을 시간 의존적으로 만들기 위해 바이어스가 (예컨대, 펄스 반복 레이트로) 변조될 수 있다. 이 변조는 펄스 특성들을 추가로 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 포화성 흡수체의 회복 시간이 충분하면, 포화성 흡수체는 낮은 강도에서의 차등적으로 더 높은 흡수(differentially higher absorption)에 의해 펄스 테일을 억제할 수 있다. 이러한 차등 흡수(differential absorption)가 또한 펄스 길이를 감소시킬 수 있다. 포화성 흡수체의 회복 시간은 포화성 흡수체에 역방향 바이어스를 인가하거나 증가시키는 것에 의해 조절될 수 있다.
III. 시스템
타이밍 조절 및 동기화
도 1a를 또다시 참조하면, 짧은 또는 극초단 펄스들을 생성하는 데 사용되는 방법 및 장치에 관계없이, 시스템(1-100)은 분석 시스템(1-160)의 적어도 일부 전자적 동작들(예컨대, 데이터 취득 및 신호 처리)을 광학 소스로부터의 광학 펄스들의 반복 레이트와 동기화시키도록 구성된 회로부를 포함할 수 있다. 펄스 반복 레이트를 분석 시스템(1-160) 상의 전자장치들에 동기화시키는 적어도 두 가지 방식들이 있다. 제1 기법에 따르면, 펄스 광학 소스 및 기기 전자장치들에서의 펄스들의 생성 둘 다를 트리거하기 위한 타이밍 소스로서 마스터 클록이 사용될 수 있다. 제2 기법에서, 타이밍 신호가 펄스 광학 소스로부터 도출되고 기기 전자장치들을 트리거하는 데 사용될 수 있다.
도 3a는 클록(3-110)이 동기화 주파수(fsync)의 타이밍 신호를 펄스 광학 소스(1-110)(예컨대, 이득 스위칭 펄스 레이저 또는 펄스 LED) 및, 각각의 여기 펄스(1-120)와 생물학적, 화학적, 또는 다른 물리적 물질 간의 상호작용들로 인해 생기는 신호들을 검출 및 처리하도록 구성될 수 있는, 분석 시스템(1-160) 둘 다에 제공하는 시스템을 도시하고 있다. 단지 하나의 예로서, 각각의 여기 펄스는 생물학적 샘플의 속성을 분석하는 데 사용되는 생물학적 샘플의 하나 이상의 형광 분자들을 여기시킬 수 있다(예컨대, 암성(cancerous) 또는 비-암성(non-cancerous), 바이러스 또는 박테리아 감염, 혈당 레벨). 예를 들어, 비-암성 세포들은 제1 값(τ1)의 특성 형광 수명(characteristic fluorescent lifetime)을 나타낼 수 있는 반면, 암성 세포들은 제1 수명 값과 상이하고 그와 구별될 수 있는 제2 값(τ2)의 수명을 나타낼 수 있다. 다른 예로서, 혈액 샘플로부터 검출된 형광 수명은 혈당 레벨에 의존하는 (다른 안정된 마커(marker)에 대한) 수명 값 및/또는 강도 값을 가질 수 있다. 각각의 펄스 또는 몇 개의 펄스들의 시퀀스 이후에, 분석 시스템(1-160)은 샘플의 속성을 결정하기 위해 형광 신호들을 검출 및 처리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분석 시스템은, 이미징된 구역 내의 영역들의 하나 이상의 속성들을 나타내는 구역의 2차원 또는 3차원 맵을 포함하는, 여기 펄스들에 의해 프로빙된 구역의 이미지를 생성할 수 있다.
행해지는 분석의 유형에 관계없이, 분석 시스템(1-160) 상의 검출 및 처리 전자장치들은 각각의 광학 여기 펄스의 도달과 주의하여 동기화될 필요가 있을 수 있다. 예를 들어, 형광 수명을 평가할 때, 방출 이벤트들의 타이밍이 올바르게 기록될 수 있도록, 샘플의 여기 시간을 정확하게 아는 것이 유익하다.
도 3a에 도시된 동기화 구성(synchronizing arrangement)은 광학 펄스들이 능동 방법들(예컨대, 외부 제어)에 의해 생성되는 시스템들에 적당할 수 있다. 능동 펄스 시스템들은 이득 스위칭 레이저들 및 펄스 LED들을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 이러한 시스템들에서, 클록(3-110)은 펄스 광학 소스(1-110)에서의 펄스 생성(예컨대, 이득 스위칭 또는 LED 접합부 내로의 전류 주입)을 트리거하는 데 사용되는 디지털 클록 신호를 제공할 수 있다. 기기 상에서의 전자적 동작들이 기기에서의 펄스 도달 시간(pulse-arrival time)들과 동기화될 수 있도록, 동일한 클록이 또한 동일한 또는 동기화된 디지털 신호를 분석 시스템(1-160)에 제공한다.
클록(3-110)은 임의의 적당한 클로킹 디바이스(clocking device)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 클록은 수정 발진기(crystal oscillator) 또는 MEMS 기반 발진기(MEMS-based oscillator)를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 클록은 트랜지스터 링 발진기(transistor ring oscillator)를 포함할 수 있다.
클록(3-110)에 의해 제공되는 클록 신호의 주파수(fsync)가 펄스 반복 레이트(R)와 동일한 주파수일 필요는 없다. 펄스 반복 레이트는 R = 1/T에 의해 주어질 수 있고, 여기서 T는 펄스 분리 간격이다. 도 3a에서, 광학 펄스들(1-120)는 거리 D만큼 공간적으로 분리된 것으로 도시되어 있다. 이 분리 거리는 관계식 T = D/c에 따라 분석 시스템(1-160)에의 펄스들의 도달 사이의 시간(T)에 대응하고, 여기서 c는 광의 속도이다. 실제로, 펄스들 사이의 시간(T)은 포토다이오드와 오실로스코프를 사용해 결정될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, T= fsync/N이고, 여기서 N은 1보다 크거나 같은 정수이다. 일부 구현들에서, T= Nfsync이고, 여기서 N은 1보다 크거나 같은 정수이다.
도 3b는 타이머(3-220)가 동기화 신호를 분석 시스템(1-160)에 제공하는 시스템을 도시하고 있다. 일부 실시예들에서, 타이머(3-220)는 펄스 광학 소스(1-110)로부터 동기화 신호를 도출할 수 있고, 도출된 신호는 동기화 신호를 분석 시스템(1-160)에 제공하는 데 사용된다.
일부 실시예들에 따르면, 타이머(3-220)는 펄스 소스(1-110)로부터의 광학 펄스들을 검출하는 포토다이오드로부터 아날로그 또는 디지털화된 신호를 수신할 수 있다. 타이머(3-220)는 수신된 아날로그 또는 디지털화된 신호로부터 동기화 신호를 형성하거나 트리거하기 위해 임의의 적당한 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 타이머는, 검출된 광학 펄스들로부터 디지털 펄스들의 트레인을 형성하기 위해, 슈미트 트리거(Schmitt trigger) 또는 비교기를 사용할 수 있다. 일부 구현들에서, 타이머(3-220)는 안정된 클록 신호를 검출된 광학 펄스들로부터 생성된 디지털 펄스들의 트레인에 동기화시키기 위해 지연 동기 루프(delay-locked loop) 또는 위상 동기 루프를 추가로 사용할 수 있다. 기기 상의 전자장치들을 광학 펄스들과 동기화시키기 위해, 디지탈 펄스들의 트레인 또는 동기된 안정된 클록 신호가 분석 시스템(1-160)에 제공될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 3c에 도시된 바와 같이, 2개 이상의 상이한 파장들의 광학 펄스들을 분석 시스템(1-160)에 공급하기 위해 2개 이상의 펄스 광학 소스들(1-110a, 1-110b)이 필요할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 광학 소스들의 펄스 반복 레이트들과 분석 시스템(1-160) 상에서의 전자적 동작들을 동기화시키는 것이 필요할 수 있다. 일부 구현들에서, 2개의 펄스 광학 소스들이 펄스들을 생성하기 위해 능동 방법들을 사용하는 경우, 도 3a와 관련하여 앞서 설명된 기법들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 클록(3-110)은 펄스 광학 소스들(1-110a, 1-110b) 둘 다에 그리고 분석 시스템(1-160)에 동기화 주파수(fsync)의 클록 또는 동기화 신호를 공급할 수 있다.
일부 구현들에서, 도 3da 및 도 3db에 도시된 바와 같이, 2개의 펄스 광학 소스들로부터의 펄스들을 시간상 인터리빙하는 것이 유익할 수 있다. 펄스들이 인터리빙될 때, 제1 소스(1-110a)로부터 펄스(3-120a)는 제1 시각(t1)에서 제1 특성 파장(λ1)을 사용해 분석 시스템(1-160)에서 하나 이상의 샘플들을 여기시킬 수 있다. 제1 펄스와 하나 이상의 샘플들 간의 상호작용을 나타내는 데이터가 이어서 기기에 의해 수집될 수 있다. 나중의 시각(t2)에서, 제2 소스(1-110b)로부터 펄스(3-120b)는 제2 특성 파장(λ2)을 사용해 분석 시스템(1-160)에서 하나 이상의 샘플들을 여기시킬 수 있다. 제2 펄스와 하나 이상의 샘플들 간의 상호작용을 나타내는 데이터가 이어서 기기에 의해 수집될 수 있다. 펄스들을 인터리빙하는 것에 의해, 하나의 파장에서의 펄스-샘플간 상호작용들의 효과들이 제2 파장에서의 펄스-샘플간 상호작용들의 효과들과 섞이지 않을 수 있다. 게다가, 2개 이상의 형광 마커(fluorescent marker)들과 연관된 특성들이 검출될 수 있다.
도 3da에 도시된 바와 같이, 펄스들이 타이밍 및 동기화 회로부에서 인터리빙될 수 있다. 도 3c와 관련하여 설명된 방법들은 2개의 펄스 광학 소스들(1-110a, 1-110b)로부터의 펄스 트레인들을 동기화시키는 데 그리고 분석 시스템(1-160) 상의 전자장치들 및 동작들을 펄스들의 도달과 동기화시키는 데 사용될 수 있다. 펄스들을 인터리빙하기 위해, 하나의 펄스 광학 소스의 펄스들이 다른 펄스 광학 소스로부터의 펄스들과 위상 동기되거나 위상이 어긋나게(out of phase) 트리거될 수 있다. 예를 들어, 제1 펄스 광학 소스(1-110a)의 펄스들이 제2 펄스 광학 소스(1-110b)로부터의 펄스들과 (위상 동기 루프 또는 지연 동기 루프를 사용하여) 위상 동기될 수 있거나 180도 위상이 어긋나게 트리거될 수 있지만, 일부 실시예들에서, 다른 위상 또는 각도 관계들이 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 펄스 광학 소스들 중 하나에 제공되는 트리거 신호에 타이밍 지연이 부가될 수 있다. 타이밍 지연은 트리거 에지를 펄스 분리 간격(T)의 대략 1/2만큼 지연시킬 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 주파수 배가된 동기화 신호가 타이머(3-220)에 의해 생성되고, 기기 전자장치들 및 동작들을 펄스 광학 소스들로부터의 인터리빙된 펄스들의 도달과 동기화시키기 위해 기기(3-160)에 제공될 수 있다.
IV. 펄스 광학 소스들의 시간 영역 적용분야들
앞서 설명된 펄스 광학 소스들은 다양한 시간 영역 적용분야들에 유용하다. 일부 실시예들에서, 펄스 광학 소스들은 형광 수명들, 형광 파장들, 형광 강도들, 또는 이들의 조합에 기초하여 생물학적 샘플의 조건(condition) 또는 속성(property)을 검출 및/또는 특성분석하도록 구성된 시스템에서 사용될 수 있다. 펄스 광학 소스들은 또한 TOF(time-of-flight) 시스템들에서 사용될 수 있다. TOF(time-of-flight) 시스템들은 짧은 또는 극초단 광학 펄스로 표적을 조명하고, 이어서, 표적의 3차원 이미지를 형성하거나 표적까지의 거리를 결정하기 위해, 표적으로부터의 후방산란 방사를 검출하는 이미징 시스템들 및 거리측정 시스템들을 포함할 수 있다.
형광을 이용하는 시간 영역 적용분야에서, 제1 특성 파장에서 작동하는 펄스 광학 소스는 샘플 내의 하나 이상의 형광 분자들을 여기시킬 수 있고, 분석 시스템은 펄스 광학 소스의 파장과 상이한 하나 이상의 파장들의 샘플로부터의 형광 방출을 검출 및 분석할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 생물학적 샘플의 하나 이상의 속성들은 샘플에 존재하는 하나 이상의 형광 분자들로부터의 형광 수명들의 분석에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 구현들에서, 생물학적 샘플의 하나 이상의 속성들을 결정하는 데 추가로 도움을 주기 위해, 형광 방출의 부가의 특성들(예컨대, 파장, 강도)이 분석될 수 있다. 형광 수명들에 기초하여 생물학적 샘플들의 속성들을 결정하는 시스템들은 이미징(imaging) 또는 비-이미징(non-imaging) 시스템일 수 있다. 이미징 시스템으로서 구성될 때, 픽셀 어레이는 형광 검출을 위해 사용될 수 있고, 이미징 광학계들은 샘플의 적어도 일부분의 이미지를 픽셀 어레이 상에 형성하기 위해 샘플과 픽셀 어레이 사이에 배치될 수 있다. 일부 구현들에서, 비-이미징 시스템은 복수의 샘플들로부터 병렬로 형광을 검출하기 위해 픽셀 어레이를 사용할 수 있다.
일부 실시예들에 따른, 형광 수명 분석에 적어도 부분적으로 기초하여 그리고 펄스 광학 소스를 사용하여 생물학적 샘플들의 속성들을 결정하기 위한 기기(4-100)가 도 4a에 도시되어 있다. 이러한 기기는 하나 이상의 펄스 광학 소스들(4-120), 시간-비닝 광검출기(4-150), 광학 시스템(4-130)(하나 이상의 렌즈들일 수 있고, 하나 이상의 광학 필터들을 포함 할 수 있음), 및 피험체(subject)와 맞닿게 압착될 수 있거나 생물학적 샘플이 배치될 수 있는 투명 창(transparent window)(4-140)을 포함할 수 있다. 펄스 광학 소스 또는 소스들 및 광학 시스템은, 소스 또는 소스들로부터의 광학 펄스들이 창(4-140)을 통해 한 구역을 조명하도록, 배열될 수 있다. 광학 여기 펄스들에 의해 여기되는 형광 방출은 광학 시스템(4-130)에 의해 집광되어, 이하에서 추가로 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 형광 분자들의 수명을 구별할 수 있는 시간-비닝 광검출기(4-150) 쪽으로 지향될 수 있다. 일부 구현들에서, 광검출기(4-150)는 비-이미징일 수 있다. 일부 구현들에서, 광검출기(4-150)는 샘플의 이미지들을 형성하기 위해, 각각이 시간-비닝 능력을 갖는, 픽셀들의 어레이를 포함할 수 있다. 이미지 데이터는 공간적으로 분해된 형광 수명 정보(spatially-resolved fluorescent lifetime information)는 물론 종래의 이미징 정보를 포함할 수 있다. 기기의 컴포넌트들은 케이싱(4-105) 내에 장착될 수 있으며, 케이싱(4-105)은 기기가 핸드헬드 디바이스서 작동될 수 있도록 크기가 작을 수 있다. 광학 소스(들)(4-120) 및 광검출기(4-150)는 동일한 회로 보드(4-110) 상에 장착될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 데이터가 처리 및/또는 데이터 저장을 위해 외부 디바이스(예컨대, 스마트폰, 랩톱, PC)에게 전송될 수 있도록, 기기(4-100)는 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있고 그리고/또는 데이터 통신 하드웨어를 포함할 수 있다.
형광 수명들에 기초하여 샘플들을 분석하도록 구성된 시스템들은 상이한 형광 분자들 간의 형광 수명들의 차이들, 및/또는 형광 수명들에 영향을 미치는 상이한 환경들에 있는 동일한 형광 분자들의 수명들 간의 차이들을 검출할 수 있다. 설명으로서, 도 4b는, 예를 들어, 2개의 상이한 형광 분자들, 또는 상이한 환경들에 있는 동일한 형광 분자로부터의 형광 방출을 나타낼 수 있는, 2개의 상이한 형광 방출 확률 곡선들(A 및 B)을 플로팅(plot)한 것이다. 곡선 A를 참조하면, 짧은 또는 극초단 광학 펄스에 의해 여기된 후에, 제1 분자로부터의 형광 방출의 확률(pA(t))은, 도시된 바와 같이, 시간에 따라 감쇠될 수 있다. 일부 경우들에서, 시간에 따른 광자 방출 확률의 감소는 지수 감쇠 함수(exponential decay function) 
에 의해 표현될 수 있고, 여기서, PAo는 초기 방출 확률이고, τA는 방출 감쇠 확률(emission decay probability)을 특징지우는 제1 형광 분자와 연관된 시간 파라미터이다. τA는 제1 형광 분자의 "형광 수명", "방출 수명", 또는 "수명"이라고 지칭될 수 있다. 일부 경우들에서, τA의 값은 형광 분자의 국소 환경(local environment)에 의해 변화될 수 있다. 다른 형광 분자들은 곡선 A에 도시된 것과 상이한 방출 특성들을 가질 수 있다. 예를 들어, 다른 형광 분자는 단일 지수 감쇠(single exponential decay)와 상이한 감쇠 프로파일을 가질 수 있고, 그의 수명은 반감기 값(half-life value) 또는 어떤 다른 메트릭에 의해 특징지워질 수 있다.
제2 형광 분자는, 도 4b에서 곡선 B에 대해 도시된 바와 같이, 지수적이지만, 어느 정도 상이한 수명 τB를 갖는 감쇠 프로파일을 가질 수 있다. 상이한 형광 분자들은, 일부 실시예들에서, 약 0.1 ns 내지 약 20 ns 범위에 있는 수명들 또는 반감기 값들을 가질 수 있다. 도시된 예에서, 곡선 B의 제2 형광 분자에 대한 수명은 곡선 A에 대한 수명보다 더 짧고, 방출 확률은, 제2 분자의 여기 이후 보다 이른 시점에서는, 곡선 A에 대해서보다 더 높다.
본 발명자들은 형광 방출 수명들의 차이들이 상이한 형광 분자들의 존재 여부를 구별하는 데 그리고/또는 형광 분자 또는 분자들의 수명에 영향을 주는 샘플 내의 상이한 환경들 또는 조건들을 구별하는 데 사용될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 일부 경우들에서, (예를 들어, 방출 파장이 아니라) 수명에 기초하여 형광 분자들을 구별하는 것은 분석 시스템(1-160)의 일부 양태들을 단순화시킬 수 있다. 일 예로서, 수명에 기초하여 형광 분자들을 구별할 때, 파장 판별 광학계(wavelength-discriminating optic)들(파장 필터들, 각각의 파장에 대한 전용 검출기들, 상이한 파장들의 전용 펄스 광학 소스들, 및/또는 회절 광학계들 등)이 개수가 감소되거나 제거될 수 있다. 일부 경우들에서, 광학 스펙트럼의 동일한 파장 영역 내에서 방출하지만 어느 정도 상이한 수명들을 갖는 상이한 형광 분자들을 여기시키기 위해, 단일 펄스 광학 소스가 사용될 수 있다. 동일한 파장 영역에서 방출하는 상이한 형광 분자들을 여기시키고 구별하기 위해, 상이한 파장들의 다수의 소스들이 아니라, 단일 펄스 광학 소스를 사용하는 분석 시스템은 작동시키고 유지 보수하기가 보다 덜 복잡하고, 보다 컴팩트하며, 보다 낮은 비용으로 제조될 수 있다.
형광 수명 분석에 기초한 분석 시스템들이 특정 이점들을 가질 수 있지만, 분석 시스템에 의해 획득되는 정보의 양이 부가의 검출 기법들을 참작함으로써 증가될 수 있다. 예를 들어, 일부 분석 시스템들(1-160)은 그에 부가하여 형광 파장 및/또는 형광 강도에 기초하여 샘플의 하나 이상의 속성들을 구별하도록 구성될 수 있다.
도 4b를 또다시 참조하면, 일부 실시예들에 따르면, 형광 분자의 여기 이후에 형광 방출 이벤트들을 시간-비닝하도록 구성되는 광검출기를 사용해 상이한 형광 수명들이 구별될 수 있다. 시간 비닝은 광검출기에 대한 단일 전하 축적 사이클(single charge-accumulation cycle) 동안 일어날 수 있다. 방출 이벤트들의 시간-비닝에 의해 형광 수명을 결정하는 개념이 도 4c에 그래픽으로 도시되어 있다. t1 직전인 시각 t1에서, 형광 분자 또는 동일한 유형(예컨대, 도 4b의 곡선 B에 대응하는 유형)의 형광 분자들의 앙상블(ensemble)이 짧은 또는 극초단 광학 펄스에 의해 여기된다. 분자들의 앙상블의 경우, 방출 강도는 도 4c에 도시된 바와 같은 시간 프로파일을 가질 수 있다.
그렇지만, 단일 분자 또는 작은 수의 분자들의 경우, 형광 광자들의 방출은 도 4b에서의 곡선 B의 통계에 따라 일어난다. 시간-비닝 광검출기(4-150)는 방출 이벤트들을, 형광 분자(들)의 여기 시각과 관련하여 측정되는 이산 시간 빈(discrete time bin)들(도 4c에 3개가 나타내어져 있음) 내에, 축적할 수 있다. 많은 수의 방출 이벤트들이 합산될 때, 그 결과 얻어진 시간 빈들은 도 4c에 도시된 감쇠하는 강도 곡선과 비슷할 수 있으며, 비닝된 신호(binned signal)들은 상이한 형광 분자들 또는 형광 분자가 위치되는 상이한 환경들을 구별하는 데 사용될 수 있다.
시간-비닝 광검출기의 예들은, 참조에 의해 본원에 원용되는, 국제 출원 제PCT/US2015/044360호에 설명되어 있으며, 이러한 광검출기의 일 실시예가 설명을 위해 도 4d에 도시되어 있다. 단일 시간-비닝 광검출기(4-400)는 광자 흡수/캐리어 생성 영역(4-402), 캐리어 이동 영역(carrier-travel region)(4-406), 및 복수의 캐리어 저장 빈들(4-408a, 4-408b, 4-408c) - 모두가 반도체 기판 상에 형성됨 - 을 포함할 수 있다. 캐리어 이동 영역은 캐리어 수송 채널(carrier-transport channel)들(4-407)에 의해 복수의 캐리어 저장 빈들에 연결될 수 있다. 3개의 캐리어 저장 빈들만이 도시되어 있지만, 더 많이 있을 수 있다. 캐리어 저장 빈들에 연결된 판독 채널(4-410)이 있을 수 있다. 반도체를 국소적으로 도핑하는 것 및/또는 광검출 능력을 제공하고 캐리어들을 한정하기 위해 인접한 절연 영역들을 형성하는 것에 의해, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(4-402), 캐리어 이동 영역(4-406), 캐리어 저장 빈들(4-408a, 4-408b, 4-408c), 및 판독 채널(4-410)이 형성될 수 있다. 시간-비닝 광검출기(4-400)는 또한, 디바이스를 통해 캐리어들을 수송하기 위한 전계들을 디바이스에 생성하도록 구성되는, 기판 상에 형성된 복수의 전극들(4-420, 4-422, 4-432, 4-434, 4-436, 4-440)을 포함할 수 있다.
작동 중에, 형광 광자들이 상이한 때에 광자 흡수/캐리어 생성 영역(4-402)에서 수광되어 캐리어들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 대략 시각 t1에서, 3개의 형광 광자들은 광자 흡수/캐리어 생생 영역(4-402)의 공핍 영역에 3개의 캐리어 전자들을 생성할 수 있다. (전극들(4-420 및 4-422)에 그리고 임의로 또는 대안적으로 전극들(4-432, 4-434, 4-436)에 대한 도핑 및/또는 외부 인가 바이어스(externally applied bias)로 인한 디바이스 내의 전계는 캐리어들을 캐리어 이동 영역(4-406)으로 이동시킬 수 있다. 캐리어 이동 영역에서, 이동 거리가 형광 분자들의 여기 이후의 시간으로 변환(translate)된다. 나중의 시각 t5에서, 다른 형광 광자가 광자 흡수/캐리어 생성 영역(4-402)에 수광되고 부가의 캐리어를 생성할 수 있다. 이 때, 처음 3개의 캐리어들은 제2 저장 빈(4-408b)에 인접한 캐리어 이동 영역(4-406) 내의 위치로 이동하였다. 나중의 시각 t7에서, 캐리어들을 캐리어 이동 영역(4-406)으로부터 저장 빈들로 측방으로 수송하기 위해 전극들(4-432, 4-434, 4-436)과 전극(4-440) 사이에 전기 바이어스(electrical bias)가 인가될 수 있다. 처음 3개의 캐리어들은 이어서 제1 빈(4-408a)으로 수송되어 제1 빈(4-408a)에 유지될 수 있고, 나중에 생성된 캐리어는 제3 빈(4-408c)으로 수송되어 제3 빈(4-408c)에 유지될 수 있다. 일부 구현들에서, 각각의 저장 빈에 대응하는 시간 간격들이 나노초 이하의 시간 스케일(sub-nanosecond time scale)로 되어 있지만, 일부 실시예들에서(예컨대, 형광단들이 더 긴 감쇠 시간들을 갖는 실시예들에서) 더 긴 시간 스케일들이 사용될 수 있다.
여기 이벤트(예컨대, 펄스 광학 소스로부터의 여기 펄스) 이후에 캐리어들을 생성하고 시간-비닝하는 프로세스는 단일 여기 펄스 이후에 한 번 일어날 수 있거나 광검출기(4-400)에 대한 단일 전하 축적 사이클 동안 다수의 여기 펄스들 이후에 여러 번 반복될 수 있다. 전하 축적이 완료된 후에, 캐리어들은 판독 채널(4-410)을 통해 저장 빈들로부터 판독될 수 있다. 예를 들어, 저장 빈들(4-408a, 4-408b, 4-408c)로부터 캐리어들을 제거하기 위해 적절한 바이어싱 시퀀스(biasing sequence)가 적어도 전극(4-440) 및 다운스트림 전극(downstream electrode)(도시되지 않음)에 인가될 수 있다.
신호 취득의 양태들은 도 4ea 및 도 4eb에서 다수의 여기 펄스들에 대해 보다 상세히 도시되어 있다. 도 4ea에서, 다수의 여기 펄스들이 시각들 te1, te2, te3, ...에서 샘플에 인가된다. 각각의 여기 펄스 이후에, 하나 이상의 형광 방출 이벤트들이 시각들 tfn에서 일어날 수 있고, 이로 인해 방출 이벤트가 언제 일어나는지에 따라 상이한 캐리어 저장 빈(carrier-storage bin)들에 캐리어들이 축적된다. 다수의 여기 이벤트들 이후에, 히스토그램(4-510)(도 4eb에 도시 됨)으로 표현될 수 있는 신호 시퀀스를 제공하기 위해 각각의 캐리어 저장 빈에 축적된 신호가 판독될 수 있다. 신호 시퀀스는 샘플 내의 형광단(들)의 여기 이후에 각각의 비닝된 시간 간격 동안 검출된 광자들의 수를 표시할 수 있고, 형광 방출 감쇠율을 나타낸다. 신호 시퀀스 또는 히스토그램은 상이한 형광 분자들 또는 형광 분자가 존재하는 상이한 환경들을 구별하는 데 사용될 수 있다.
상이한 형광 분자들을 구별하는 것의 일 예로서, 3개의 시간 빈들을 갖는 광검출기는, 도 4cb 및 도 4d에 도시된 바와 같이, 도 4eb의 빈 1 내지 빈 3에 대한 히스토그램에 의해 표현되고 도 4b의 곡선 B에 대응하는, 3개의 신호 값들(35, 9, 3.5)을 생성할 수 있다. 이 비닝된 신호 값들은 비닝된 값들(18, 12, 8)을 생성할 수 있는, 도 4b에서의 곡선 A에 대응하는 것과 같은, 상이한 형광 분자로부터 기록된 비닝된 신호 값들과는 상이한 상대 및/또는 절대 값들을 가질 수 있다. 비닝된 값들의 신호 시퀀스를 교정 표준(calibration standard)과 비교하는 것에 의해, 형광 수명에 영향을 주는 2개 이상의 형광 분자들 또는 환경들을 구별하는 것이 가능하다. 다수의 상이한 형광 분자들 및/또는 환경들이 단일 특성 파장에서만 작동하는 펄스 광학 소스를 사용하여 수명 정보에 기초하여 구별될 수 있다는 것이 유익할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 여기 펄스에 대한 신호 레벨을 기록하기 위해(예컨대, 여기 펄스에 의해 직접 생성된 캐리어들을 축적하기 위해) 적어도 하나의 시간-비닝 광검출기에 여기 빈(예컨대, 빈 0)이 포함될 수 있다. 기록된 신호 레벨은 형광 신호 레벨들을 정규화하는 데 사용될 수 있으며, 이는 강도에 기초하여 형광 분자들을 구별하는 데 유용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 저장 빈들(4-408)로부터의 신호 값들은 방출 감쇠 곡선(emission decay curve)(예컨대, 단일 지수 감쇠)을 피팅(fit)하고 검출된 수명을 결정하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 비닝된 신호 값들은, 이중 지수(double exponential) 또는 삼중 지수(triple exponential)와 같은, 다중 지수 감쇠(multiple exponential decay)들에 적합할 수 있다. Laguerre 분해 프로세스(Laguerre decomposition process)는 다중 지수 감쇠들을 분석하는 데 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 신호 값들은 벡터 또는 위치로서 취급되고 M-차원 공간에 매핑될 수 있으며, 클러스터 분석(cluster analysis)은 검출된 수명을 결정하는 데 사용될 수 있다. 일단 수명이 결정되면, 형광 분자의 유형 또는 형광 분자가 위치된 환경의 속성이 식별될 수 있다.
도 4c 및 도 4d와 관련하여 설명된 예가 3개의 시간 빈들을 도시하지만, 시간-비닝 광검출기는 보다 적은 또는 보다 많은 시간 빈들을 가질 수 있다. 예를 들어, 시간 빈들의 개수는 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개 또는 그 이상일 수 있다. 일부 경우들에서, 16개, 32개, 64개 또는 그 이상의 시간 빈들이 있을 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 광검출기 내의 시간 빈들의 개수는 재구성가능할 수 있다. 예를 들어, 판독될 때 하나 이상의 인접 빈들이 결합될 수 있다.
도 4c에 대한 논의가 한 번에 단일 유형의 형광 분자로부터의 방출을 검출하는 것에 관한 것이지만, 일부 경우들에서, 샘플은 상이한 수명들을 갖는 2개 이상의 상이한 형광 분자들을 포함할 수 있다. 다수의 상이한 형광 분자들이 시간 방출 프로파일(temporal emission profile)에 기여하는 경우, 앙상블을 표현하기 위해 평균 형광 수명이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분석 시스템(1-160)이 형광 분자들의 조합들을 구별하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 형광 분자들의 제1 조합은 형광 분자들의 제2 조합과 상이한 평균 수명을 나타낼 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 시간-비닝 광검출기들이 이미징 어레이에 사용될 수 있고, 이미징 광학계들이 시간-비닝 광검출기 어레이와 샘플 사이에 포함될 수 있다. 예를 들어, 이미징 어레이의 각각의 이미징 픽셀은 시간-비닝 광검출기(4-400)를 포함할 수 있다. 이미징 광학계들은 샘플의 영역의 이미지를 광검출기 어레이 상에 형성할 수 있다. 광검출기 어레이 내의 각각의 픽셀은, 픽셀에 대응하는 이미징된 영역의 부분에 대한 형광 수명을 결정하기 위해 분석되는, 시간 비닝된 신호 값들을 기록할 수 있다. 그에 따라, 이러한 이미징 어레이는 상이한 형광 수명 특성들을 갖는 이미지 내의 상이한 영역들을 구별하기 위해 공간적으로 분해된 형광 수명 이미징 정보를 제공할 수 있다. 일부 구현들에서, 동일한 시간-비닝 광검출기들이, 예컨대, 각각의 픽셀에서 모든 빈들을 합산하는 것에 의해 또는 여기 펄스 빈(빈 0)로부터 이미지를 구성하는 것에 의해 동일한 영역의 통상적인 이미지를 획득하는 데 사용될 수 있다. 형광 수명 변동들이, 오버랩하는 컬러-코딩된 맵으로서, 통상적인 그레이 스케일 또는 컬러 이미지 상에 디스플레이될 수 있다. 일부 경우들에서, 수명 매핑은 시술을 수행하는 의사가 조직의 비정상 또는 질환 부위(예컨대, 암성(cancerous) 또는 전암성(pre-cancerous))를 식별할 수 있게 할 수 있다.
본 발명자들은 형광 수명들을 검출하기 위한 컴팩트한 펄스 광학 소스들 및 시간-비닝 광검출기들이 임상 환경 또는 가정 환경에서 적용분야들을 가질 수 있는 저가의 휴대용 POC(point-of-care) 기기들에서 결합될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 이러한 기기들은 이미징 또는 비-이미징일 수 있고, 생물학적 샘플(예컨대, 인체 조직)의 하나 이상의 속성들을 결정하기 위해 형광 수명 분석을 이용할 수 있다. 일부 경우들에서, 생물학적 샘플들의 속성들을 결정하기 위한 기기(4-100)가 생물학적 물질들을 분석하기 위한(예컨대, 어쩌면 유해한 재료를 분석하기 위한) 분야에서 사용될 수 있다. 형광 수명들을 사용하는 POC 기기들 및 샘플 분석의 일부 양태들이 이하에서 설명된다.
본 발명자들은 일부 내인성 생물학적 분자(endogenous biological molecule)들이 환자의 상태 또는 환자의 조직 또는 기관의 상태를 결정하기 위해 분석될 수 있는 시그너처 수명(signature lifetime)들을 갖는 형광을 발한다는 것을 인식하고 알았다. 그에 따라, 일부 자연적 생물학적 분자(native biological molecule)들이 환자의 부위에 대한 내인성 형광 분자들로서 역할하고, 환자의 그 부위에 대한 무라벨 보고자(label-free reporter)들을 제공할 수 있다. 내인성 형광 분자들의 예들은, 제한이 아닌 예로서, 헤모글로빈, 콜라겐, 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 인산염(NAD(P)H), 레티놀, 리보플라빈, 콜레칼시페롤, 엽산, 피리독신, 티로신, 디티로신, 당화 부가물(glycation adduct), 인돌아민, 리포푸신, 폴리페놀, 트립토판, 플라빈, 및 멜라닌을 포함할 수 있다.
내인성 형광 분자들은 그들이 방출하는 광의 파장 및 여기 에너지에 대한 그들의 반응이 달라질 수 있다. 일부 예시적인 내인성 형광 분자들에 대한 여기 및 형광의 파장들이 표 1에 제공되어 있다. 부가의 내인성 형광 분자들 및 그들의 특성 형광 파장은: 레티놀 - 500 nm, 리보플라빈 - 550 nm, 콜레칼시페롤 - 380 내지 460 nm, 및 피리독신 - 400 nm를 포함한다.
내인성 형광 분자들은 또한 상이한 형광 수명들 및/또는 주변 환경에 민감한 형광 수명들을 가질 수 있다. 내인성 형광 분자들의 형광 수명들에 영향을 미칠 수 있는 환경 인자들은 조직 구조(tissue architecture), 형태(morphology), 산소화(oxygenation), pH, 혈관 분포(vascularity), 세포 구조(cell structure) 및/또는 세포 대사 상태(cell metabolic state)의 변화들을 포함한다. 일부 실시예에서, 건강한 조직에 대한 형광 수명(또는 결합된 수명들의 평균)은 건강하지 않은 조직에 대한 것과 상이할 수 있다. 짧은 또는 극초단 광학 펄스를 사용해 조명된 환자의 조직으로부터 검출된 형광 수명들을 분석하는 것은 임상의가 다른 평가 기법들보다 환자의 질환의 더 이른 단계를 검출할 수 있게 할 수 있다. 예를 들어, 일부 유형의 피부암은 암이 육안으로 보이기 전에 형광 수명 분석을 사용하여 초기 단계에서 검출될 수 있다.
일부 실시예들에서, 환자의 상태를 결정하기 위해 특정 생물학적 분자들의 존재 및/또는 상대 농도들이 검출될 수 있다. 일부 생물학적 분자들의 경우, 분자의 산화 상태가 환자의 상태의 표시를 제공할 수 있다. 분자에 대한 형광 수명이 분자의 산화 상태에 기초하여 변경될 수 있다. 검출된 형광 수명들의 분석은 환자의 조직 내의 생물학적 분자의 산화 상태 및 환원 상태의 상대 농도들을 결정하는 데 사용될 수 있다. 상대 농도들이 환자의 상태를 표시할 수 있다. 일부 경우들에서, 일부 생물학적 분자들(예컨대, NADH)은 세포 내의 다른 분자들(예컨대, 단백질)에 결합하는 것은 물론, 비결합 상태(unbound state) 또는 자유 용액 상태(free solution state)를 가질 수 있다. 결합 상태(bound state)와 비결합 상태(unbound state)는 상이한 형광 수명들을 가질 수 있다. 세포 또는 조직의 평가는 형광 수명들에 기초하여 자유 형태(free form)에 있는 분자들 대 결합 형태(bound form)에 있는 분자들의 상대 농도들을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
특정 생물학적 분자들은 암(예컨대, 흑색종), 종양, 박테리아 감염, 바이러스 감염, 및 당뇨병을 비롯한 다양한 질병들 및 상태들의 징후를 제공할 수 있다. 일 예로서, 특정 생물학적 분자들(예컨대, NAD(P)H, 리보플라빈, 플라빈)로부터의 형광 수명들을 분석하는 것에 의해 암성 세포들 및 조직들이 건강한 세포들 및 조직들과 구별될 수 있다. 암성 조직은 건강한 조직보다 이 생물학적 분자들 중 하나 이상의 생물학적 분자들의 농도가 더 높을 수 있다. 다른 예로서, 개인들에서의 당뇨병은, 헥소키나제 및 글리코겐 부가물과 같은, 포도당 농도를 나타내는 생물학적 분자들과 연관된 형광 수명들을 검출하는 것에 의해 평가될 수 있다. 다른 예로서, 노화로 인한 일반적인 변화들은 형광 수명들에 기초한 콜라겐 및 리포푸신의 농도들을 검출하는 것에 의해 평가될 수 있다.
일부 실시예들에서, 외인성 형광 분자들이 조직의 부위 내로 혼입되고, 내인성 형광 분자들에 대한 대안으로서 또는 그에 부가하여 사용될 수 있다. 일부 경우들에서, 외인성 형광 마커들이 프로브에 포함되거나 샘플 내의 표적(예컨대, 특정 분자, 박테리아, 또는 바이러스)의 존재를 식별하기 위한 마커로 제공될 수 있다. 외인성 형광 분자들의 예들은 형광 얼룩들, 유기 염료들, 형광 단백질들, 효소들 및/또는 양자점들을 포함한다. 이러한 외인성 분자들은 샘플에 존재할 것으로 의심되는 특정의 표적 또는 성분에 특이적으로 결합하는 프로브 또는 작용기(functional group)(예컨대, 분자, 이온 및/또는 리간드)에 콘쥬게이트(conjugate)될 수 있다. 외인성 형광 분자를 프로브에 부착시키는 것은 외인성 형광 분자를 나타내는 형광 수명을 검출하는 것에 의해 표적을 식별하는 것을 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 외인성 형광 분자들이 환자에게 쉽게 도포될 수 있는 조성물(예컨대, 젤 또는 액체)에 포함될 수 있다(예컨대, 피부에의 국소 도포(topical application), 위장관 이미징을 위한 섭취).
알 수 있는 바와 같이, 컴팩트한 POC 이미징 기기는 임상의가 환자의 상태를 비침습적 방식으로 평가 및/또는 진단할 수 있게 할 수 있다. 환자로부터 생물학적 샘플을 추출하는 것보다 접근가능한 조직 부위를 이미징 디바이스를 사용해 이미징하는 것에 의해, 결과들을 획득하는 데 관여된 시간의 양을 줄이고, 시술의 침습성을 감소시키며, 비용을 줄이고, 그리고/또는 환자를 멀리 떨어진 검사 장소로 이동시키는 일 또는 환자의 샘플을 검사 시설에 보내는 일 없이 임상의들이 환자들을 치료할 수 있는 것을 용이하게 하는 방식으로 환자의 평가들이 수행될 수 있다.
시간 영역 형광 수명 이미징의 다른 적용분야는 현미경 검사의 영역에 있다. FLIM(fluorescence lifetime imaging microscopy)은 현미경으로 관찰되는 샘플을 짧은 또는 극초단 광학 펄스를 사용해 여기시키고 샘플로부터의 형광을 시간-비닝 광검출기 어레이를 사용해 검출하는 것에 의해 수행될 수 있다. 검출된 형광이 현미경의 시야 내의 대응하는 이미징된 부분들에 대한 수명들을 결정하기 위해 픽셀 레벨에서 분석될 수 있고, 수명 데이터가 샘플의 결과 이미지에 매핑될 수 있다. 그에 따라, 샘플 속성들이 형광 수명들에 기초하여 현미경 레벨에서 결정될 수 있다.
펄스 광학 소스들 및 시간-비닝 광검출기 어레이들이 또한 형광 수명 분석을 수반하지 않는 시간 영역 적용분야들에서 사용될 수 있다. 하나의 이러한 적용분야는 TOF(time-of-flight) 이미징을 포함한다. TOF 이미징에서, 광학 펄스들은 멀리 떨어진 객체를 조명하는 데 사용될 수 있다. 이미징 광학계들은 펄스들로부터의 후방산란 방사를 집광하고 멀리 떨어진 객체의 이미지를 시간-비닝 광검출기 어레이 상에 형성하는 데 사용될 수 있다. 어레이 내의 각각의 픽셀에서, 광자들의 도달 시간이 결정될 수 있다(예컨대, 후방산란 펄스의 피크가 언제 발생하는지를 결정함). 도달 시간이 객체와 광검출기 어레이 사이의 거리에 비례하기 때문에, 이미징된 객체의 표면 토포그래피(surface topography)를 나타내는 객체의 3차원 맵이 작성될 수 있다.
V. 구성들
장치들 및 방법들의 다양한 구성들 및 실시예들이 구현될 수 있다. 일부 예시적인 구성들이 이 섹션에서 설명되지만, 본 발명은 열거된 구성들 및 실시예들만으로 제한되지 않는다.
(1) 펄스 광학 소스(pulsed optical source)로서, 광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드, 및 반도체 다이오드의 단자에 결합된 트랜지스터를 포함하는 구동 회로 - 구동 회로는 단극성 펄스(unipolar pulse)를 수신하고 단극성 펄스를 수신한 것에 응답하여 양극성 전기 펄스(bipolar electrical pulse)를 반도체 다이오드에 인가하도록 구성됨 - 를 포함하는, 펄스 광학 소스.
(2) 구성 (1)의 펄스 광학 소스로서, 양극성 전기 펄스는 제1 크기 및 제1 극성을 갖는 제1 펄스 및 그에 뒤따르는 제1 크기와 상이한 제2 크기를 갖는 반대 극성의 제2 펄스를 포함하는, 펄스 광학 소스.
(3) 구성 (2)의 펄스 광학 소스로서, 제2 크기는 제1 크기의 25% 내지 90%인, 펄스 광학 소스.
(4) 구성 (1) 내지 구성 (3) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 반도체 다이오드의 단자에 연결된 다수의 와이어 본드(wire bond)들을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(5) 구성 (1) 내지 구성 (4) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 구동 회로에 결합되고, 단극성 펄스를 형성하고 단극성 펄스를 구동 회로에 출력하도록 구성된 펄스 생성기를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(6) 구성 (5)의 펄스 광학 소스로서, 펄스 생성기, 구동 회로, 및 반도체 다이오드는 동일한 인쇄 회로 보드 상에 위치되는, 펄스 광학 소스.
(7) 구성 (5)의 펄스 광학 소스로서, 펄스 생성기, 구동 회로, 및 반도체 다이오드는 동일한 기판 상에 위치되는, 펄스 광학 소스.
(8) 구성 (1) 내지 구성 (7) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 단극성 펄스의 펄스 길이는 50 ps 내지 500 ps인, 펄스 광학 소스.
(9) 구성 (5) 내지 구성 (8) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 펄스 생성기는 2개의 차동 클록 신호(differential clock signal)들로부터 단극성 펄스를 형성하는 제1 논리 게이트를 포함하는, 펄스 광학 소스.
(10) 구성 (9)의 펄스 광학 소스로서, 제1 논리 게이트는 이미터-결합 논리 게이트(emitter-coupled logic gate)를 포함하는, 펄스 광학 소스.
(11) 구성 (9) 또는 구성 (10)의 펄스 광학 소스로서, 펄스 생성기는 단일 클록 신호를 수신하고 4개의 클록 신호들을 제1 논리 게이트에 출력하도록 구성된 팬-아웃 게이트(fan-out gate)를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(12) 구성 (9) 내지 구성 (11) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 펄스 생성기는 단극성 펄스의 펄스 길이를 1ps 내지 5ps의 증분들로 변화시키도록 구성된 조절가능 지연 요소를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(13) 구성 (9) 내지 구성 (12) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 트랜지스터는 반도체 다이오드의 캐소드(cathode)와 기준 전위(reference potential) 사이에 연결된 전류 전달 단자(current-carrying terminal)들을 가지며, 제1 논리 게이트에 결합된 게이트 단자를 갖는, 펄스 광학 소스.
(14) 구성 (13)의 펄스 광학 소스로서, 트랜지스터의 게이트 단자와 제1 논리 게이트로부터의 출력 사이에 연결된 커패시터를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(15) 구성 (1) 내지 구성 (14) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 트랜지스터는 고 전자 이동도 전계 효과 트랜지스터(high-electron-mobility field-effect transistor)를 포함하는, 펄스 광학 소스.
(16) 구성 (1) 내지 구성 (15) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 트랜지스터는 50ps 내지 2ns의 지속시간 동안 반도체 다이오드를 통해 최대 4 암페어를 스위칭하도록 구성되는, 펄스 광학 소스.
(17) 구성 (9) 내지 구성 (13) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 제1 논리 게이트와 병렬로 연결되고 2개의 차동 클록 신호들로부터 제2 단극성 펄스를 형성하도록 배열된 제2 논리 게이트 - 제2 논리 게이트로부터의 출력은 트랜지스터의 게이트 단자에 결합됨 - 를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(18) 구성 (1) 내지 구성 (17) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 트랜지스터의 드레인 단자는 반도체 다이오드의 캐소드에 직접 연결되는, 펄스 광학 소스.
(19) 구성 (18)의 펄스 광학 소스로서, 드레인 단자에 병렬로 연결된 제1 커패시터 및 저항기를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(20) 구성 (18) 또는 구성 (19)의 펄스 광학 소스로서, 반도체 다이오드의 애노드(anode)와 트랜지스터의 소스 단자 사이에 연결된 제2 커패시터를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(21) 구성 (5) 내지 구성 (20) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 펄스 생성기 및 구동 회로는 약 30 Hz 내지 약 200 MHz의 반복 레이트(repetition rate)로 반도체 다이오드를 양극성 전기 펄스를 사용해 변조하도록 구성되는, 펄스 광학 소스.
(22) 구성 (1) 내지 구성 (21) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 양극성 전기 펄스의 인가에 응답하여 50 ps 내지 500 ps의 FWHM(full-width half-maximum) 지속시간을 갖는 광학 펄스가 반도체 다이오드로부터 방출되는, 펄스 광학 소스.
(23) 구성 (1) 내지 구성 (21) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 광학 펄스는 하기의 그룹: 270 nm, 280 nm, 325 nm, 340 nm, 370 nm, 380 nm, 400 nm, 405 nm, 410 nm, 450 nm, 465 nm, 470 nm, 490 nm, 515 nm, 640 nm, 665 nm, 808 nm, 및 980 nm 중에서 선택되는 특성 파장(characteristic wavelength)을 갖는, 펄스 광학 소스.
(24) 구성 (1) 내지 구성 (23) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 광학 펄스의 테일(tail)은 펄스의 피크로부터 250 ps 이후에 펄스의 피크로부터 적어도 20 dB 아래에 유지되는, 펄스 광학 소스.
(25) 구성 (1) 내지 구성 (24) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 반도체 다이오드는 레이저 다이오드를 포함하는, 펄스 광학 소스.
(26) 구성 (25)의 펄스 광학 소스로서, 레이저 다이오드는 다중 양자 웰(multiple quantum well)들을 포함하는, 펄스 광학 소스.
(27) 구성 (1) 내지 구성 (26) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 반도체 다이오드는 발광 다이오드인, 펄스 광학 소스.
(28) 구성 (1) 내지 구성 (27) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 반도체 다이오드는 슬래브 결합 광학 도파관 레이저 다이오드(slab-coupled optical waveguide laser diode)인, 펄스 광학 소스.
(29) 구성 (1) 내지 구성 (28) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 반도체 다이오드로부터 광학 펄스를 수광하도록 배열된 포화성 흡수체(saturable absorber)를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(30) 구성 (1) 내지 구성 (29) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 포화성 흡수체는 반도체 다이오드와 동일한 기판에 형성되는, 펄스 광학 소스.
(31) 구성 (1) 내지 구성 (4), 구성 (15), 구성 (16), 구성 (18), 및 구성 (22) 내지 구성 (30) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 구동 회로는 전송 라인 펄스 생성기(transmission line pulse generator)를 포함하는, 펄스 광학 소스.
(32) 구성 (31)의 펄스 광학 소스로서, U자 형상으로 형성된 전송 라인을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(33) 구성 (31) 또는 구성 (32)의 펄스 광학 소스로서, 반도체 다이오드는 전송 라인의 제1 단부에 연결되고, 전송 라인의 제2 단부에 연결된 종단 임피던스(terminating impedance)를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(34) 구성 (33)의 펄스 광학 소스로서, 전송 라인의 제1 단부 및 제2 단부를 기준 전위에 단락(short)시키도록 배열된 단락 트랜지스터(shorting transistor)를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(35) 구성 (1) 내지 구성 (34) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 각각이 광자 도달 시간(photon arrival time)들을 단일 전하 축적 간격(single charge-accumulation interval) 동안 적어도 2개의 시간 빈(time bin)들 내로 판별하도록 구성된 복수의 픽셀들을 갖는 광검출기 어레이, 및 광검출기 어레이 상에, 펄스 광학 소스에 의해 조명되는, 객체의 이미지를 형성하도록 배열된 광학 시스템을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(36) 구성 (35)의 펄스 광학 소스로서, 광검출기 어레이는 멀리 있는 객체에 위치된 적어도 하나의 형광 분자의 형광 수명(fluorescent lifetime)을 나타내는 신호들을 생성하도록 배열되는, 펄스 광학 소스.
(37) 구성 (35) 또는 구성 (36)의 펄스 광학 소스로서, 광검출기 어레이로부터 형광 수명을 나타내는 신호들을 수신하고 객체의 전자적 이미지(electronic image)에 대한 디지털 데이터를 생성하도록 구성된 신호 처리 전자장치들 - 전자적 이미지는 형광 수명에 기초하여 객체의 적어도 하나의 특성을 표시함 - 을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(38) 광학 펄스를 생성하는 방법으로서, 적어도 하나의 클록 신호를 수신하는 단계, 적어도 하나의 클록 신호로부터 전기 펄스를 생성하는 단계, 전기 펄스를 사용해 트랜지스터의 게이트 단자를 구동하는 단계 - 트랜지스터의 전류 전달 단자는 광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드에 연결됨 -, 및 전기 펄스에 의한 트랜지스터의 활성화에 응답하여 광학 펄스를 생성하기 위해 양극성 전류 펄스를 반도체 다이오드에 인가하는 단계를 포함하는, 방법.
(39) 구성 (38)의 방법으로서, 전기 펄스는 단극성 펄스인, 방법.
(40) 구성 (38) 또는 구성 (39)의 방법으로서, 광학 펄스의 진폭을 제어하기 위해 단극성 펄스의 펄스 진폭이 아니라 펄스 지속시간을 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(41) 구성 (38) 내지 구성 (40) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 광학 펄스는 50 ps 내지 2 ns의 FWHM(full-width half-maximum) 지속시간을 갖는, 방법.
(42) 구성 (38) 내지 구성 (40) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 광학 펄스는 50 ps 내지 500 ps의 FWHM(full-width half-maximum) 지속시간을 갖는, 방법.
(43) 구성 (38) 내지 구성 (42) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 광학 펄스는 하기의 그룹: 270 nm, 280 nm, 325 nm, 340 nm, 370 nm, 380 nm, 400 nm, 405 nm, 410 nm, 450 nm, 465 nm, 470 nm, 490 nm, 515 nm, 640 nm, 665 nm, 808 nm, 및 980 nm 중에서 선택되는 특성 파장을 갖는, 방법.
(44) 구성 (38) 내지 구성 (43) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 30 Hz 내지 200 MHz 사이의 반복 레이트로 일련의 광학 펄스들을 수신, 생성, 구동, 및 인가하는 단계들을 반복하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(45) 구성 (38) 내지 구성 (44) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 양극성 전류 펄스는 제1 진폭을 갖는 제1 펄스 및 제1 펄스와 상이한 크기 및 반대 극성의 제2 진폭을 갖는 제2 펄스를 포함하는, 방법.
(46) 구성 (38) 내지 구성 (45) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 반도체 다이오드는 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 포함하는, 방법.
(47) 구성 (38) 내지 구성 (46) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 포화성 흡수체를 사용해 광학 펄스의 일부분을 차동적으로 감쇠시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(48) 구성 (38) 내지 구성 (47) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 적어도 하나의 클록 신호를 수신하는 단계는 트랜지스터의 게이트 단자에 결합된 논리 게이트에서 2개의 차동 클록 신호들을 수신하는 단계를 포함하는, 방법.
(49) 구성 (38) 내지 구성 (47) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 적어도 하나의 클록 신호를 수신하는 단계는 트랜지스터의 게이트 단자에 병렬로 결합된 2개의 논리 게이트들에서 2개의 차동 클록 신호들을 수신하는 단계를 포함하는, 방법.
(50) 구성 (38) 내지 구성 (49) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 전기 펄스를 생성하는 단계는 전기 펄스를 형성하기 위해 트랜지스터의 게이트 단자에 결합된 논리 게이트를 사용해 2개의 차동 클록 신호들을 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
(51) 구성 (50)의 방법으로서, 2개의 차동 클록 신호들 사이의 위상 지연에 의해 전기 펄스의 길이를 설정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(52) 구성 (38) 내지 구성 (51) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 전기 펄스를 생성하는 단계는 전기 펄스를 형성하기 위해 트랜지스터의 게이트 단자에 병렬로 결합된 2개의 논리 게이트들을 사용해 2개의 차동 클록 신호들을 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
(53) 구성 (38) 내지 구성 (52) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 반도체 다이오드로부터의 광학 펄스들로 샘플을 조명하는 단계, 및 샘플로부터 형광 수명들을 검출하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(54) 구성 (53)의 방법으로서, 2개의 상이한 형광 분자들 또는 분자들이 위치되는 환경들과 연관된 상이한 감쇠율들을 갖는 적어도 2개의 상이한 형광 수명들 간에 구별하는 단계를 추가로 포함하고, 광학 펄스들은 단일 특성 파장(single characteristic wavelength)인, 방법.
(55) 구성 (53) 또는 구성 (54)의 방법으로서, 검출된 형광 수명들에 기초하여 샘플의 적어도 하나의 속성을 결정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(56) 구성 (55)의 방법으로서, 샘플의 영역의 전자적 이미지를 생성하는 단계, 및 형광 수명에 기초하는 적어도 하나의 특성을 이미지에 표시하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(57) 구성 (38) 내지 구성 (52) 중 어느 한 구성의 방법으로서, 반도체 다이오드로부터의 광학 펄스들로 샘플을 조명하는 단계, 및 단일 광검출기에 대한 단일 전하 축적 간격 동안 단일 광검출기를 사용해 샘플로부터 후방 산란(scatter back)된 광자들의 도달 시간들을 적어도 2개의 시간 빈들 내로 판별하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(58) 구성 (57)의 방법으로서, 판별된 도달 시간들에 기초하여 샘플의 전자적 3차원 이미지를 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(59) 형광 수명 분석 시스템으로서, 광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드, 광학 펄스를 생성하기 위해 양극성 전류 펄스를 반도체 다이오드에 인가하도록 구성된 구동 회로, 광학 펄스를 샘플에 전달하도록 배열된 광학 시스템, 및 광자 도달 시간들을 광검출기의 단일 전하 축적 간격 동안 적어도 2개의 시간 빈들 내로 판별하도록 구성된 광검출기를 포함하는, 시스템.
(60) 구성 (59)의 시스템으로서, 전기 펄스를 전류 구동 회로에 제공하도록 배열된 펄스 생성기 - 전류 구동 회로는 전기 펄스를 수신한 것에 응답하여 양극성 펄스를 반도체 다이오드에 인가하도록 구성됨 - 를 추가로 포함하는, 시스템.
(61) 구성 (60)의 시스템으로서, 전기 펄스는 50 ps 내지 2 ns의 지속시간을 갖는 단극성 펄스인, 시스템.
(62) 구성 (60) 또는 구성 (61)의 시스템으로서, 전류 구동 회로는 펄스 생성기로부터의 출력에 결합된 게이트 단자를 가지며 반도체 다이오드의 단자와 기준 전위 사이에 연결된 전류 전달 단자들을 갖는 트랜지스터를 포함하는, 시스템.
(63) 구성 (62)의 시스템으로서, 반도체 다이오드의 애노드와 캐소드 사이에 병렬로 연결된 제1 저항기 및 제1 커패시터, 및 트랜지스터의 게이트 단자와 기준 전위 사이에 병렬로 연결된 제2 저항기 및 제2 커패시터를 추가로 포함하는, 시스템.
(64) 구성 (59) 내지 구성 (63) 중 어느 한 구성의 시스템으로서, 반도체 다이오드는 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 포함하는, 시스템.
(65) 구성 (59) 내지 구성 (63) 중 어느 한 구성의 시스템으로서, 반도체 다이오드의 단자에 연결된 다수의 와이어 본드들을 추가로 포함하는, 시스템.
(66) 구성 (59) 내지 구성 (63) 중 어느 한 구성의 시스템으로서, 광학 펄스는 50 ps 내지 500 ps의 FWHM(full-width half-maximum) 지속시간을 갖는, 시스템.
(67) 구성 (59) 내지 구성 (63) 중 어느 한 구성의 시스템으로서, 광학 펄스는 하기의 그룹: 270 nm, 280 nm, 325 nm, 340 nm, 370 nm, 380 nm, 400 nm, 405 nm, 410 nm, 450 nm, 465 nm, 470 nm, 490 nm, 515 nm, 640 nm, 665 nm, 808 nm, 및 980 nm 중에서 선택되는 특성 파장을 갖는, 시스템.
(68) 구성 (59) 내지 구성 (63) 중 어느 한 구성의 시스템으로서, 광검출기가 위치된 광검출기들의 어레이 - 광검출기들의 어레이는 광학 펄스에 대한 단일 전하 축적 간격 동안 샘플로부터의 형광을 시간-비닝(time-bin)하도록 구성됨 - 를 추가로 포함하는, 시스템.
(69) 구성 (68)의 시스템으로서, 샘플과 광검출기 어레이 사이에 위치된 이미징 광학계들 - 이미징 광학계들은 광학 펄스에 의해 조명된 샘플의 영역의 이미지를 광검출기 어레이에 형성하도록 배열됨 - 을 추가로 포함하는, 시스템.
(70) 구성 (69)의 시스템으로서, 광검출기 어레이에 형성된 이미지는 샘플의 미세 영역의 이미지인, 시스템.
(71) 펄스 광학 소스로서, 광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드, 제1 논리 게이트의 출력에 제1 펄스를 형성하도록 구성된 제1 논리 게이트, 및 제1 논리 게이트에 결합된 구동 회로 - 구동 회로는 제1 펄스를 수신하고 제1 펄스를 수신한 것에 응답하여 광학 펄스를 생성하기 위해 양극성 전기 펄스를 반도체 다이오드에 인가하도록 구성됨 - 를 포함하는, 펄스 광학 소스.
(72) 구성 (71)의 펄스 광학 소스로서, 제1 펄스는 단극성 펄스인, 펄스 광학 소스.
(73) 구성 (72)의 펄스 광학 소스로서, 제1 논리 게이트에 결합된 팬-아웃 게이트 및 지연 요소 - 지연 요소는 팬-아웃 게이트로부터의 적어도 하나의 출력을 지연시킴 - 를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(74) 구성 (73)의 펄스 광학 소스로서, 지연 요소는 단극성 펄스의 펄스 길이를 1 ps 내지 5 ps의 증분들로 변화시키도록 구성되는, 펄스 광학 소스.
(75) 구성 (71) 내지 구성 (74) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 제1 논리 게이트는 2개의 차동 클록 신호들로부터 제1 펄스를 형성하도록 구성되는, 펄스 광학 소스.
(76) 구성 (71) 내지 구성 (75) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 양극성 전기 펄스는 제1 크기 및 제1 극성을 갖는 제1 펄스 및 그에 뒤따르는 제1 크기와 상이한 제2 크기를 갖는 반대 극성의 제2 펄스를 포함하는, 펄스 광학 소스.
(77) 구성 (76)의 펄스 광학 소스로서, 제2 크기는 제1 크기의 25% 내지 90%인, 펄스 광학 소스.
(78) 구성 (71) 내지 구성 (77) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 반도체 다이오드의 단자에 연결된 다수의 와이어 본드들을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(79) 구성 (75) 내지 구성 (78) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 2개의 차동 클록 신호들로부터 제2 펄스를 형성하도록 구성된 제2 논리 게이트 - 제2 논리 게이트는 제1 논리 게이트와 병렬로 연결되고, 제2 논리 게이트의 출력은 구동 회로에 결합됨 - 를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(80) 구성 (71) 내지 구성 (79) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 반도체 다이오드와 기준 전위 사이에 연결된 전류 전달 단자들을 갖는 구동 회로 내의 트랜지스터를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(81) 구성 (80)의 펄스 광학 소스로서, 광학 펄스는 50 ps 내지 2 ns의 지속시간을 갖는, 펄스 광학 소스.
(82) 펄스 광학 소스로서, 광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드, 및 반도체 다이오드의 단자에 결합된 트랜지스터를 포함하는 구동 회로 - 구동 회로는 단극성 펄스를 수신하고 단극성 펄스를 수신한 것에 응답하여 양극성 전기 펄스를 반도체 다이오드에 인가하도록 구성되며, 트랜지스터는 전류 소스와 기준 전위 사이에서 반도체 다이오드와 병렬로 연결됨 - 를 포함하는, 펄스 광학 소스.
(83) 구성 (1)의 특징들을 제외하고, 구성 (2) 내지 구성 (4), 구성 (15) 및 구성 (22) 내지 구성 (30) 중 어느 한 구성의 특징들을 임의로 갖는 구성 (82)의 펄스 광학 소스로서, 반도체 다이오드와 기준 전위 사이에 병렬로 연결된 저항기 및 커패시터를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(84) 구성 (82) 또는 구성 (83)의 펄스 광학 소스로서, 트랜지스터는 평상시에 도통(normally conducting)하도록 구성되고 단극성 펄스를 사용해 펄싱 오프(pulse off)되는, 펄스 광학 소스.
(85) 구성 (82) 내지 구성 (84) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 각각이 광자 도달 시간들을 단일 전하 축적 간격 동안 적어도 2개의 시간 빈들 내로 판별하도록 구성된 복수의 픽셀들을 갖는 광검출기 어레이, 및 광검출기 어레이 상에, 펄스 광학 소스에 의해 조명되는, 객체의 이미지를 형성하도록 배열된 광학 시스템을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(86) 펄스 광학 소스로서, 광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드, 및 반도체 다이오드의 제1 단자에 연결된 복수의 제1 회로 브랜치들 - 각각의 회로 브랜치는 트랜지스터를 포함하고, 트랜지스터의 전류 전달 단자들은 기준 전위와 반도체 다이오드의 제1 단자 사이에 연결됨 - 을 포함하는, 펄스 광학 소스.
(87) 구성 (1)의 특징들을 제외하고, 구성 (4), 구성 (15), 구성 (16) 및 구성 (22) 내지 구성 (30) 중 어느 한 구성의 특징들을 임의로 갖는 구성 (86)의 펄스 광학 소스로서, 복수의 제1 회로 브랜치들 중 제1 회로 브랜치에서의 제1 기준 전위는 복수의 제1 회로 브랜치들 중 제2 회로 브랜치에서의 제2 기준 전위와 상이한 값을 갖는, 펄스 광학 소스.
(88) 구성 (86) 또는 구성 (87)의 펄스 광학 소스로서, 복수의 제1 회로 브랜치들 중 제1 회로 브랜치에서의 제1 기준 전위는 포지티브 값을 갖고, 복수의 제1 회로 브랜치들 중 제2 회로 브랜치에서의 제2 기준 전위는 네거티브 값을 갖는, 펄스 광학 소스.
(89) 구성 (86) 내지 구성 (88) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 각각의 회로 브랜치에서, 트랜지스터의 전류 전달 단자와 기준 전위 사이에 연결된 저항기를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(90) 구성 (86) 내지 구성 (89) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 각각의 회로 브랜치에서, 트랜지스터의 전류 전달 단자와 접지 전위 사이에 연결된 커패시터를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(91) 구성 (86) 내지 구성 (90) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 각각이 광자 도달 시간들을 단일 전하 축적 간격 동안 적어도 2개의 시간 빈들 내로 판별하도록 구성된 복수의 픽셀들을 갖는 광검출기 어레이, 및 광검출기 어레이 상에, 펄스 광학 소스에 의해 조명되는, 객체의 이미지를 형성하도록 배열된 광학 시스템을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(92) 펄스 광학 소스로서, 신호 및 반전 신호(inverted signal)를 제공하는 무선 주파수 증폭기,
신호 및 위상 시프트된 반전 신호(phase-shifted inverted signal)를 수신하고 펄스 및 반전 펄스(inverted pulse)를 출력하도록 구성된 논리 게이트, 펄스 및 반전 펄스를 공통 출력 상으로 결합시키도록 구성된 결합기(combiner), 및 공통 출력에 결합되고, 펄스 및 반전 펄스를 수신한 것에 응답하여 광학 펄스를 생성하도록 구성된 반도체 다이오드를 포함하는, 펄스 광학 소스.
(93) 구성 (1)의 특징들을 제외하고, 구성 (4), 구성 (15), 구성 (16) 및 구성 (22) 내지 구성 (30) 중 어느 한 구성의 특징들을 임의로 갖는 구성 (92)의 펄스 광학 소스로서, 펄스 또는 반전 펄스를 감쇠시키도록 배열된 가변 감쇠기(variable attenuator)를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(94) 구성 (92) 또는 구성 (93)의 펄스 광학 소스로서, 펄스 또는 반전 펄스를 시간적으로 지연시키도록 배열된 지연 요소를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(95) 구성 (92) 내지 구성 (94) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 무선 주파수 증폭기의 입력에 연결된 DC 블록을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(96) 구성 (92) 내지 구성 (95) 중 어느 한 구성의 펄스 광학 소스로서, 각각이 광자 도달 시간들을 단일 전하 축적 간격 동안 적어도 2개의 시간 빈들 내로 판별하도록 구성된 복수의 픽셀들을 갖는 광검출기 어레이, 및 광검출기 어레이 상에, 펄스 광학 소스에 의해 조명되는, 객체의 이미지를 형성하도록 배열된 광학 시스템을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(97) 펄스 광학 소스로서, 제1 신호 및 제1 신호의 반전된 버전을 수신하고 펄스 및 펄스의 반전된 버전을 출력하도록 구성된 무선 주파수 논리 게이트, 및 무선 주파수 논리 게이트에 연결되고, 반도체 다이오드의 제1 단자에서 펄스를 수신하고 반도체 다이오드의 제2 단자에서 펄스의 반전된 버전을 수신하며 광학 펄스를 방출하도록 배열된 반도체 다이오드를 포함하는, 펄스 광학 소스.
(98) 구성 (1)의 특징들을 제외하고, 구성 (4), 구성 (15), 구성 (16) 및 구성 (22) 내지 구성 (30) 중 어느 한 구성의 특징들을 임의로 갖는 구성 (97)의 펄스 광학 소스로서, 주기적인 신호를 수신하고 제1 신호 및 제1 신호의 반전된 버전을 출력하도록 배열된 제1 증폭기, 및 제1 신호 또는 제1 신호의 반전된 버전의 위상을 변화시키도록 배열된 위상 시프터(phase shifter)를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
(99) 구성 (97) 또는 구성 (98)의 펄스 광학 소스로서, 각각이 광자 도달 시간들을 단일 전하 축적 간격 동안 적어도 2개의 시간 빈들 내로 판별하도록 구성된 복수의 픽셀들을 갖는 광검출기 어레이, 및 광검출기 어레이 상에, 펄스 광학 소스에 의해 조명되는, 객체의 이미지를 형성하도록 배열된 광학 시스템을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
VI. 결론
펄스 레이저의 몇몇 실시예들의 몇몇 양태들을 설명하였으며, 다양한 변경들, 수정들, 및 개선들이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 용이하게 안출될 것임을 잘 알 것이다. 이러한 변경들, 수정들, 및 개선들은 본 개시내용의 일부인 것으로 의도되고, 본 발명의 사상 및 범주 내에 있는 것으로 의도된다. 본 교시내용들이 다양한 실시예들 및 예들과 관련하여 설명되었지만, 본 교시내용들이 이러한 실시예들 또는 예들로 제한되는 것으로 의도되어 있지 않다. 이와 반대로, 본 기술분야의 통상의 기술자가 잘 알 것인 바와 같이, 본 교시내용들은 다양한 대안들, 수정들, 및 균등물들을 포함한다.
다양한 발명 실시예들이 설명되고 예시되었지만, 본 기술분야의 통상의 기술자는 기능을 수행하고 그리고/또는 결과들 및/또는 설명된 장점들 중 하나 이상의 장점들을 달성하기 위한 다양한 다른 수단들 및/또는 구조들을 용이하게 구상할 것이고, 이러한 변형들 및/또는 수정들 각각은 설명된 발명 실시예들의 범주 내에 있는 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 본 기술분야의 통상의 기술자라면 설명된 모든 파라미터들, 치수들, 재료들, 및 구성들이 예들인 것으로 의도되어 있다는 것과, 실제 파라미터들, 치수들, 재료들, 및/또는 구성들이 발명 교시내용들이 사용되는 특정 적용분야 또는 적용분야들에 의존할 것임을 잘 알 것이다. 본 기술분야의 통상의 기술자는, 일상적인 실험만을 사용하여, 설명된 특정 발명 실시예들에 대한 많은 균등물들을 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 실시예들이 단지 예로서 제시되어 있다는 것과, 첨부된 청구항들 및 그의 균등물들의 범주 내에서, 발명 실시예들이 구체적으로 설명되고 청구된 것과 다른 방식으로 실시될 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 본 개시내용의 발명 실시예들은 설명된 각각의 개별적인 특징, 시스템, 시스템 업그레이드, 및/또는 방법에 관한 것일 수 있다. 그에 부가하여, 이러한 특징들, 시스템들, 시스템 업그레이드들, 및/또는 방법들이 상호 모순되지 않는 경우, 2개 이상의 이러한 특징들, 시스템들, 및/또는 방법들의 임의의 조합이 본 개시내용의 발명 범주 내에 포함된다.
게다가, 본 발명의 몇몇 장점들이 나타내어져 있을 수 있지만, 본 발명의 모든 실시예가 설명된 장점 모두를 포함하는 것은 아님을 이해해야 한다. 일부 실시예들은 유리하다고 설명된 어떤 특징들도 구현하지 않을 수 있다. 그에 따라, 전술한 설명 및 도면들은 단지 예일 뿐이다.
수치 값들 및 범위들이, 명세서 및 청구범위에서, 대략적인 또는 정확한 값들 또는 범위들로서 설명될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우들에서, "약", "대략", 및 "실질적으로"라는 용어들이 값에 대한 언급에서 사용될 수 있다. 이러한 언급들은 언급된 값은 물론 값의 합당한 ± 변동들을 포함하는 것으로 의도되어 있다. 예를 들어, "약 10 내지 약 20"이라는 문구는 일부 실시예들에서 "정확히 10 내지 정확히 20"은 물론, 일부 실시예들에서 "10 ± δ1 내지 20 ± δ2"를 의미하는 것으로 의도되어 있다. 값에 대한 변동량(δ1, δ2)은 일부 실시예들에서 값의 5% 미만, 일부 실시예들에서 값의 10% 미만, 그리고 게다가 일부 실시예들에서 값의 20% 미만일 수 있다. 값들의 큰 범위, 예컨대, 100배 이상을 비롯한 범위가 주어지는 실시예들에서, 값에 대한 변동량(δ1, δ2)은 50% 정도로 높을 수 있다. 예를 들어, 작동가능 범위가 2 내지 200으로 확장되면 "대략 80"은 40 내지 120의 값들을 포함할 수 있고, 범위는 1 내지 300 정도로 클 수 있다. 정확한 값들이 의도되어 있을 때, "정확히"라는 용어가 사용된다 - 예컨대, "정확히 2 내지 정확히 200" -.
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또한, 설명된 기술은 방법 - 그의 적어도 하나의 예가 제공되었음 - 으로서 구현될 수 있다. 방법의 일부로서 수행되는 단계들은 임의의 적당한 방식으로 순서 지정될 수 있다. 그에 따라, 단계들이 예시된 것과 상이한 순서로 수행되는 실시예들이 구성될 수 있으며, 이 실시예들은 일부 단계들을, 예시적인 실시예들에서 순차적인 단계들로서 도시되어 있지만, 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있다.
모든 정의들은, 정의되고 사용되는 바와 같이, 사전 정의(dictionary definition)들, 참조에 의해 원용된 문헌들에서의 정의들, 및/또는 정의된 용어들의 통상적인 의미들보다 우선하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 및 청구범위에서 사용되는 관형사 "한" 및 "어떤"은, 명확히 달리 표시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야만 한다.
"및/또는"이라는 문구는, 명세서 및 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 그와 같이 등위 접속된 요소들, 즉 일부 경우들에서 결합적으로(conjunctively) 존재하고 다른 경우들에서 택일적으로(disjunctively) 존재하는 요소들 중 "어느 하나 또는 둘 다"를 의미하는 것으로 이해되어야한다. "및/또는"을 사용해 열거된 다수의 요소들은 동일한 방식으로, 즉 그렇게 등위 접속된 요소들 중 "하나 이상"으로 해석되어야만 한다. "및/또는"절에 의해 구체적으로 식별되는 요소들 이외에 다른 요소들이, 구체적으로 식별된 그 요소들에 관련이 있는지 여부와 상관없이, 임의로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및/또는 B"에 대한 언급은, "포함하는(comprising)"과 같은 개방형 표현(open-ended language)과 함께 사용될 때, 일 실시예에서, A만(임의로 B 이외의 요소들을 포함함); 다른 실시예에서, B만(임의로 A 이외의 요소들을 포함함); 또 다른 실시예에서, A 및 B 둘 다(임의로 다른 원소들을 포함함); 기타를 지칭할 수 있다.
명세서에서 그리고 청구범위에서 사용되는 바와 같이, "또는"은 이상에서 정의된 바와 같은 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 목록에서 항목들을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포함적(inclusive)인 것으로 해석되어야 하며, 즉 다수의 요소들 또는 요소들의 목록 중 적어도 하나의 요소를 포함하는 것은 물론, 하나 초과의 요소, 그리고 임의로 부가의 열거되지 않은 항목들을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "~ 중 오직 하나(only one of)" 또는 "~ 중 정확히 하나(exactly one of)" 또는, 청구범위에서 사용될 때, "~로 이루어진(consisting of)"과 같은, 명확히 달리 표시되는 용어들만이 다수의 요소들 또는 요소들의 목록 중 정확히 하나의 요소를 포함하는 것을 지칭할 것이다. 일반적으로, "또는"이라는 용어는, 사용되는 바와 같이, "어느 하나", "~중 하나", "~중 오직 하나", 또는 " ~ 중 정확히 하나"와 같은, 배타성의 용어들이 선행될 때 배타적 양자택일(exclusive alternative)(즉, 둘 다가 아니라 한쪽 또는 다른 쪽)을 나타내는 것으로만 해석된다. "본질적으로 ~로 이루어진(consisting essentially of)"은, 청구범위에서 사용될 때, 특허법 분야에서 사용되는 것과 같이 그의 통상적인 의미를 갖는다.
명세서 및 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 요소들의 목록에 대한 언급에서 "적어도 하나"라는 문구는 요소들의 목록 내의 요소들 중 임의의 하나 이상의 요소들 중에서 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 하지만, 요소들의 목록 내에 구체적으로 열거된 각기의 요소 중 적어도 하나를 꼭 포함하는 것은 아니며 요소들의 목록 내의 요소들의 임의의 조합들을 배제하지 않는다. 이 정의는 또한 "적어도 하나"라는 문구가 언급하는 요소들의 목록 내에서 구체적으로 식별되는 요소들 이외에 요소들이, 구체적으로 식별된 그 요소들에 관련이 있는지 여부에 관계없이, 임의로 존재할 수 있는 것을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는 등가적으로, "A 또는 B 중 적어도 하나" 또는 등가적으로 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는, 일 실시예에서, B가 존재하지 않는 경우(그리고 임의로 B 이외의 요소들을 포함함), 적어도 하나의 A - 임의로 하나 초과의 A를 포함함 - 를 지칭할 수 있고; 다른 실시예에서, A가 존재하지 않는 경우(그리고 임의로 A 이외의 요소들을 포함함), 적어도 하나의 B - 임의로 하나 초과의 B를 포함함 - 를 지칭할 수 있으며; 또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 A - 임의로 하나 초과의 A를 포함함 -, 및 적어도 하나의 B - 임의로 하나 초과의 B를 포함함 - (그리고 임의로 다른 요소들을 포함함)를 지칭할 수 있고; 기타일 수 있다.
청구범위에서는 물론 이상의 명세서에서, "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "담고 있는(carrying)", "갖는(having)", "함유하는(containing)", "수반하는(involving)", "보유하는(holding)", "~로 구성되는(composed of)" 등과 같은 모든 이행적 어구(transitional phrase)들은 개방형(open-ended)인 것으로, 즉 "~를 포함하지만 이에 한정되지는 않는"을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이행적 어구들 "~로 이루어진(consisting of)" 및 "본질적으로 ~로 이루어진consisting essentially of)"만이, 각각, 폐쇄형(closed) 또는 반폐쇄형(semi-closed) 이행적 어구들이다.
청구범위는, 그 취지로 언급되지 않는 한, 설명된 순서 또는 요소들로 제한되는 것으로 읽혀져서는 안된다. 첨부된 청구항들의 사상 및 범주를 벗어남이 없이 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 형태 및 상세의 다양한 변경들이 행해질 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 하기의 청구항들 및 그 균등물들의 사상 및 범주 내에 있는 모든 실시예들이 청구된다.
Claims (99)
- 펄스 광학 소스(pulsed optical source)로서,
광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드; 및
상기 반도체 다이오드의 단자에 결합된 트랜지스터를 포함하는 구동 회로 - 상기 구동 회로는 단극성 펄스(unipolar pulse)를 수신하고 상기 단극성 펄스를 수신한 것에 응답하여 양극성 전기 펄스(bipolar electrical pulse)를 상기 반도체 다이오드에 인가하도록 구성됨 - 를 포함하는, 펄스 광학 소스. - 제1항에 있어서, 상기 양극성 전기 펄스는 제1 크기 및 제1 극성을 갖는 제1 펄스 및 그에 뒤따르는 상기 제1 크기와 상이한 제2 크기를 갖는 반대 극성의 제2 펄스를 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제2항에 있어서, 상기 제2 크기는 상기 제1 크기의 25% 내지 90%인, 펄스 광학 소스.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 다이오드의 단자에 연결된 다수의 와이어 본드(wire bond)들을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제1항에 있어서, 상기 구동 회로에 결합되고, 상기 단극성 펄스를 형성하고 상기 단극성 펄스를 상기 구동 회로에 출력하도록 구성된 펄스 생성기를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제5항에 있어서, 상기 펄스 생성기, 상기 구동 회로, 및 상기 반도체 다이오드는 동일한 인쇄 회로 보드 상에 위치되는, 펄스 광학 소스.
- 제5항에 있어서, 상기 펄스 생성기, 상기 구동 회로, 및 상기 반도체 다이오드는 동일한 기판 상에 위치되는, 펄스 광학 소스.
- 제5항에 있어서, 상기 단극성 펄스의 펄스 길이는 50 ps 내지 500 ps인, 펄스 광학 소스.
- 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스 생성기는 2개의 차동 클록 신호(differential clock signal)들로부터 상기 단극성 펄스를 형성하는 제1 논리 게이트를 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제9항에 있어서, 상기 제1 논리 게이트는 이미터-결합 논리 게이트(emitter-coupled logic gate)를 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제9항에 있어서, 상기 펄스 생성기는 단일 클록 신호를 수신하고 4개의 클록 신호들을 상기 제1 논리 게이트에 출력하도록 구성된 팬-아웃 게이트(fan-out gate)를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제9항에 있어서, 상기 펄스 생성기는 상기 단극성 펄스의 펄스 길이를 1ps 내지 5ps의 증분들로 변화시키도록 구성된 조절가능 지연 요소를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제9항에 있어서, 상기 트랜지스터는 상기 반도체 다이오드의 캐소드(cathode)와 기준 전위(reference potential) 사이에 연결된 전류 전달 단자(current-carrying terminal)들을 가지며, 상기 제1 논리 게이트에 결합된 게이트 단자를 갖는, 펄스 광학 소스.
- 제13항에 있어서, 상기 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 제1 논리 게이트로부터의 출력 사이에 연결된 커패시터를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제13항에 있어서, 상기 트랜지스터는 고 전자 이동도 전계 효과 트랜지스터(high-electron-mobility field-effect transistor)를 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제13항에 있어서, 상기 트랜지스터는 50ps 내지 2ns의 지속시간 동안 상기 반도체 다이오드를 통해 최대 4 암페어를 스위칭하도록 구성되는, 펄스 광학 소스.
- 제13항에 있어서, 상기 제1 논리 게이트와 병렬로 연결되고 상기 2개의 차동 클록 신호들로부터 제2 단극성 펄스를 형성하도록 배열된 제2 논리 게이트 - 상기 제2 논리 게이트로부터의 출력은 상기 트랜지스터의 상기 게이트 단자에 결합됨 - 를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제13항에 있어서, 상기 트랜지스터의 드레인 단자는 상기 반도체 다이오드의 캐소드에 직접 연결되는, 펄스 광학 소스.
- 제18항에 있어서, 상기 드레인 단자에 병렬로 연결된 제1 커패시터 및 저항기를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제18항에 있어서, 상기 반도체 다이오드의 애노드(anode)와 상기 트랜지스터의 소스 단자 사이에 연결된 제2 커패시터를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제5항에 있어서, 상기 펄스 생성기 및 상기 구동 회로는 약 30 Hz 내지 약 200 MHz의 반복 레이트(repetition rate)로 상기 반도체 다이오드를 상기 양극성 전기 펄스를 사용해 변조하도록 구성되는, 펄스 광학 소스.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극성 전기 펄스의 인가에 응답하여 50 ps 내지 500 ps의 FWHM(full-width half-maximum) 지속시간을 갖는 광학 펄스가 상기 반도체 다이오드로부터 방출되는, 펄스 광학 소스.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 펄스는 하기의 그룹: 270 nm, 280 nm, 325 nm, 340 nm, 370 nm, 380 nm, 400 nm, 405 nm, 410 nm, 450 nm, 465 nm, 470 nm, 490 nm, 515 nm, 640 nm, 665 nm, 808 nm, 및 980 nm 중에서 선택되는 특성 파장(characteristic wavelength)을 갖는, 펄스 광학 소스.
- 제22항에 있어서, 상기 광학 펄스의 테일(tail)은 상기 펄스의 피크로부터 250 ps 이후에 상기 펄스의 피크로부터 적어도 20 dB 아래에 유지되는, 펄스 광학 소스.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 다이오드는 레이저 다이오드를 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 다이오드는 다중 양자 웰(multiple quantum well)들을 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 다이오드는 발광 다이오드인, 펄스 광학 소스.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 다이오드는 슬래브 결합 광학 도파관 레이저 다이오드(slab-coupled optical waveguide laser diode)인, 펄스 광학 소스.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 다이오드로부터 광학 펄스를 수광하도록 배열된 포화성 흡수체(saturable absorber)를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포화성 흡수체는 상기 반도체 다이오드와 동일한 기판에 형성되는, 펄스 광학 소스.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동 회로는 전송 라인 펄스 생성기(transmission line pulse generator)를 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제31항에 있어서, U자 형상으로 형성된 전송 라인을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제32항에 있어서, 상기 반도체 다이오드는 상기 전송 라인의 제1 단부에 연결되고, 상기 전송 라인의 제2 단부에 연결된 종단 임피던스(terminating impedance)를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제33항에 있어서, 상기 전송 라인의 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부를 기준 전위에 단락(short)시키도록 배열된 단락 트랜지스터(shorting transistor)를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
각각이 광자 도달 시간(photon arrival time)들을 단일 전하 축적 간격(single charge-accumulation interval) 동안 적어도 2개의 시간 빈(time bin)들 내로 판별하도록 구성된 복수의 픽셀들을 갖는 광검출기 어레이; 및
상기 광검출기 어레이 상에, 상기 펄스 광학 소스에 의해 조명되는, 객체의 이미지를 형성하도록 배열된 광학 시스템을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스. - 제35항에 있어서, 상기 광검출기 어레이는 멀리 있는 객체에 위치된 적어도 하나의 형광 분자의 형광 수명(fluorescent lifetime)을 나타내는 신호들을 생성하도록 배열되는, 펄스 광학 소스.
- 제36항에 있어서, 상기 광검출기 어레이로부터 형광 수명을 나타내는 상기 신호들을 수신하고 상기 객체의 전자적 이미지(electronic image)에 대한 디지털 데이터를 생성하도록 구성된 신호 처리 전자장치들 - 상기 전자적 이미지는 형광 수명에 기초하여 상기 객체의 적어도 하나의 특성을 표시함 - 을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 광학 펄스를 생성하는 방법으로서,
적어도 하나의 클록 신호를 수신하는 단계;
상기 적어도 하나의 클록 신호로부터 전기 펄스를 생성하는 단계;
상기 전기 펄스를 사용해 트랜지스터의 게이트 단자를 구동하는 단계 - 상기 트랜지스터의 전류 전달 단자는 광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드에 연결됨 -; 및
상기 전기 펄스에 의한 상기 트랜지스터의 활성화에 응답하여 광학 펄스를 생성하기 위해 양극성 전류 펄스를 상기 반도체 다이오드에 인가하는 단계를 포함하는, 방법. - 제38항에 있어서, 상기 전기 펄스는 단극성 펄스인, 방법.
- 제39항에 있어서, 상기 광학 펄스의 진폭을 제어하기 위해 상기 단극성 펄스의 펄스 진폭이 아니라 펄스 지속시간을 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 펄스는 50 ps 내지 2 ns의 FWHM(full-width half-maximum) 지속시간을 갖는, 방법.
- 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 펄스는 50 ps 내지 500 ps의 FWHM(full-width half-maximum) 지속시간을 갖는, 방법.
- 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 펄스는 하기의 그룹: 270 nm, 280 nm, 325 nm, 340 nm, 370 nm, 380 nm, 400 nm, 405 nm, 410 nm, 450 nm, 465 nm, 470 nm, 490 nm, 515 nm, 640 nm, 665 nm, 808 nm, 및 980 nm 중에서 선택되는 특성 파장을 갖는, 방법.
- 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 30 Hz 내지 200 MHz 사이의 반복 레이트로 일련의 광학 펄스들을 수신, 생성, 구동, 및 인가하는 단계들을 반복하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극성 전류 펄스는 제1 진폭을 갖는 제1 펄스 및 상기 제1 펄스와 상이한 크기 및 반대 극성의 제2 진폭을 갖는 제2 펄스를 포함하는, 방법.
- 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 다이오드는 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 포함하는, 방법.
- 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 포화성 흡수체를 사용해 상기 광학 펄스의 일부분을 차동적으로 감쇠시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 클록 신호를 수신하는 단계는 상기 트랜지스터의 상기 게이트 단자에 결합된 논리 게이트에서 2개의 차동 클록 신호들을 수신하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 클록 신호를 수신하는 단계는 상기 트랜지스터의 상기 게이트 단자에 병렬로 결합된 2개의 논리 게이트들에서 2개의 차동 클록 신호들을 수신하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 펄스를 생성하는 단계는 상기 전기 펄스를 형성하기 위해 상기 트랜지스터의 상기 게이트 단자에 결합된 논리 게이트를 사용해 2개의 차동 클록 신호들을 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제50항에 있어서, 상기 2개의 차동 클록 신호들 사이의 위상 지연에 의해 상기 전기 펄스의 길이를 설정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 펄스를 생성하는 단계는 상기 전기 펄스를 형성하기 위해 상기 트랜지스터의 상기 게이트 단자에 병렬로 결합된 2개의 논리 게이트들을 사용해 2개의 차동 클록 신호들을 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 다이오드로부터의 광학 펄스들로 샘플을 조명하는 단계; 및
상기 샘플로부터 형광 수명들을 검출하는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 제53항에 있어서, 2개의 상이한 형광 분자들 또는 상기 분자들이 위치되는 환경들과 연관된 상이한 감쇠율들을 갖는 적어도 2개의 상이한 형광 수명들 간에 구별하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 광학 펄스들은 단일 특성 파장(single characteristic wavelength)인, 방법.
- 제53항에 있어서, 상기 검출된 형광 수명들에 기초하여 상기 샘플의 적어도 하나의 속성을 결정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제55항에 있어서,
상기 샘플의 영역의 전자적 이미지를 생성하는 단계; 및
형광 수명에 기초하는 적어도 하나의 특성을 상기 이미지에 표시하는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 다이오드로부터의 광학 펄스들로 샘플을 조명하는 단계; 및
단일 광검출기에 대한 단일 전하 축적 간격 동안 상기 단일 광검출기를 사용해 상기 샘플로부터 후방 산란(scatter back)된 광자들의 도달 시간들을 적어도 2개의 시간 빈들 내로 판별하는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 제57항에 있어서, 상기 판별된 도달 시간들에 기초하여 상기 샘플의 전자적 3차원 이미지를 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 형광 수명 분석 시스템으로서,
광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드;
광학 펄스를 생성하기 위해 양극성 전류 펄스를 상기 반도체 다이오드에 인가하도록 구성된 구동 회로;
상기 광학 펄스를 샘플에 전달하도록 배열된 광학 시스템; 및
광자 도달 시간들을 광검출기의 단일 전하 축적 간격 동안 적어도 2개의 시간 빈들 내로 판별하도록 구성된 상기 광검출기를 포함하는, 시스템. - 제59항에 있어서, 전기 펄스를 상기 전류 구동 회로에 제공하도록 배열된 펄스 생성기 - 상기 전류 구동 회로는 상기 전기 펄스를 수신한 것에 응답하여 양극성 펄스를 상기 반도체 다이오드에 인가하도록 구성됨 - 를 추가로 포함하는, 시스템.
- 제60항에 있어서, 상기 전기 펄스는 50 ps 내지 2 ns의 지속시간을 갖는 단극성 펄스인, 시스템.
- 제60항 또는 제61항에 있어서, 상기 전류 구동 회로는 상기 펄스 생성기로부터의 출력에 결합된 게이트 단자를 가지며 상기 반도체 다이오드의 단자와 기준 전위 사이에 연결된 전류 전달 단자들을 갖는 트랜지스터를 포함하는, 시스템.
- 제62항에 있어서,
상기 반도체 다이오드의 애노드와 캐소드 사이에 병렬로 연결된 제1 저항기 및 제1 커패시터; 및
상기 트랜지스터의 게이트 단자와 기준 전위 사이에 병렬로 연결된 제2 저항기 및 제2 커패시터를 추가로 포함하는, 시스템. - 제59항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 다이오드는 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드를 포함하는, 시스템.
- 제59항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 다이오드의 단자에 연결된 다수의 와이어 본드들을 추가로 포함하는, 시스템.
- 제59항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 펄스는 50 ps 내지 500 ps의 FWHM(full-width half-maximum) 지속시간을 갖는, 시스템.
- 제59항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 펄스는 하기의 그룹: 270 nm, 280 nm, 325 nm, 340 nm, 370 nm, 380 nm, 400 nm, 405 nm, 410 nm, 450 nm, 465 nm, 470 nm, 490 nm, 515 nm, 640 nm, 665 nm, 808 nm, 및 980 nm 중에서 선택되는 특성 파장을 갖는, 시스템.
- 제59항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광검출기가 위치된 광검출기들의 어레이 - 상기 광검출기들의 어레이는 상기 광학 펄스에 대한 단일 전하 축적 간격 동안 상기 샘플로부터의 형광을 시간-비닝(time-bin)하도록 구성됨 - 를 추가로 포함하는, 시스템.
- 제68항에 있어서, 상기 샘플과 상기 광검출기 어레이 사이에 위치된 이미징 광학계들을 추가로 포함하고, 상기 이미징 광학계들은 상기 광학 펄스에 의해 조명된 상기 샘플의 영역의 이미지를 상기 광검출기 어레이에 형성하도록 배열되는, 시스템.
- 제69항에 있어서, 상기 광검출기 어레이에 형성된 상기 이미지는 상기 샘플의 미세 영역의 이미지인, 시스템.
- 펄스 광학 소스로서,
광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드;
제1 논리 게이트의 출력에 제1 펄스를 형성하도록 구성된 상기 제1 논리 게이트; 및
상기 제1 논리 게이트에 결합된 구동 회로 - 상기 구동 회로는 상기 제1 펄스를 수신하고 상기 제1 펄스를 수신한 것에 응답하여 광학 펄스를 생성하기 위해 양극성 전기 펄스를 상기 반도체 다이오드에 인가하도록 구성됨 - 를 포함하는, 펄스 광학 소스. - 제71항에 있어서, 상기 제1 펄스는 단극성 펄스인, 펄스 광학 소스.
- 제72항에 있어서, 상기 제1 논리 게이트에 결합된 팬-아웃 게이트 및 지연 요소 - 상기 지연 요소는 상기 팬-아웃 게이트로부터의 적어도 하나의 출력을 지연시킴 - 를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제73항에 있어서, 상기 지연 요소는 상기 단극성 펄스의 펄스 길이를 1 ps 내지 5 ps의 증분들로 변화시키도록 구성되는, 펄스 광학 소스.
- 제71항 내지 제74항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 논리 게이트는 2개의 차동 클록 신호들로부터 상기 제1 펄스를 형성하도록 구성되는, 펄스 광학 소스.
- 제71항 내지 제74항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극성 전기 펄스는 제1 크기 및 제1 극성을 갖는 제1 펄스 및 그에 뒤따르는 상기 제1 크기와 상이한 제2 크기를 갖는 반대 극성의 제2 펄스를 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제76항에 있어서, 상기 제2 크기는 상기 제1 크기의 25% 내지 90%인, 펄스 광학 소스.
- 제71항 내지 제74항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 다이오드의 단자에 연결된 다수의 와이어 본드들을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제75항에 있어서, 상기 2개의 차동 클록 신호들로부터 제2 펄스를 형성하도록 구성된 제2 논리 게이트 - 상기 제2 논리 게이트는 상기 제1 논리 게이트와 병렬로 연결되고, 상기 제2 논리 게이트의 출력은 상기 구동 회로에 결합됨 - 를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제71항 내지 제74항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 다이오드와 기준 전위 사이에 연결된 전류 전달 단자들을 갖는 상기 구동 회로 내의 트랜지스터를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제80항에 있어서, 상기 광학 펄스는 50 ps 내지 2 ns의 지속시간을 갖는, 펄스 광학 소스.
- 펄스 광학 소스로서,
광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드; 및
상기 반도체 다이오드의 단자에 결합된 트랜지스터를 포함하는 구동 회로 - 상기 구동 회로는 단극성 펄스를 수신하고 상기 단극성 펄스를 수신한 것에 응답하여 양극성 전기 펄스를 상기 반도체 다이오드에 인가하도록 구성되며, 상기 트랜지스터는 전류 소스와 기준 전위 사이에서 상기 반도체 다이오드와 병렬로 연결됨 - 를 포함하는, 펄스 광학 소스. - 제82항에 있어서, 상기 반도체 다이오드와 상기 기준 전위 사이에 병렬로 연결된 저항기 및 커패시터를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제82항에 있어서, 상기 트랜지스터는 평상시에 도통(normally conducting)하도록 구성되고 상기 단극성 펄스를 사용해 펄싱 오프(pulse off)되는, 펄스 광학 소스.
- 제82항 내지 제84항 중 어느 한 항에 있어서,
각각이 광자 도달 시간들을 단일 전하 축적 간격 동안 적어도 2개의 시간 빈들 내로 판별하도록 구성된 복수의 픽셀들을 갖는 광검출기 어레이; 및
상기 광검출기 어레이 상에, 상기 펄스 광학 소스에 의해 조명되는, 객체의 이미지를 형성하도록 배열된 광학 시스템을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스. - 펄스 광학 소스로서,
광을 방출하도록 구성된 반도체 다이오드; 및
상기 반도체 다이오드의 제1 단자에 연결된 복수의 제1 회로 브랜치들 - 각각의 회로 브랜치는 트랜지스터를 포함하고, 상기 트랜지스터의 전류 전달 단자들은 기준 전위와 상기 반도체 다이오드의 상기 제1 단자 사이에 연결됨 - 을 포함하는, 펄스 광학 소스. - 제86항에 있어서, 상기 복수의 제1 회로 브랜치들 중 제1 회로 브랜치에서의 제1 기준 전위는 상기 복수의 제1 회로 브랜치들 중 제2 회로 브랜치에서의 제2 기준 전위와 상이한 값을 갖는, 펄스 광학 소스.
- 제86항에 있어서, 상기 복수의 제1 회로 브랜치들 중 제1 회로 브랜치에서의 제1 기준 전위는 포지티브 값을 갖고, 상기 복수의 제1 회로 브랜치들 중 제2 회로 브랜치에서의 제2 기준 전위는 네거티브 값을 갖는, 펄스 광학 소스.
- 제86항에 있어서, 각각의 회로 브랜치에서, 상기 트랜지스터의 전류 전달 단자와 상기 기준 전위 사이에 연결된 저항기를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제86항에 있어서, 각각의 회로 브랜치에서, 상기 트랜지스터의 전류 전달 단자와 접지 전위 사이에 연결된 커패시터를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제86항 내지 제89항 중 어느 한 항에 있어서,
각각이 광자 도달 시간들을 단일 전하 축적 간격 동안 적어도 2개의 시간 빈들 내로 판별하도록 구성된 복수의 픽셀들을 갖는 광검출기 어레이; 및
상기 광검출기 어레이 상에, 상기 펄스 광학 소스에 의해 조명되는, 객체의 이미지를 형성하도록 배열된 광학 시스템을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스. - 펄스 광학 소스로서,
신호 및 반전 신호(inverted signal)를 제공하는 무선 주파수 증폭기;
상기 신호 및 위상 시프트된 반전 신호(phase-shifted inverted signal)를 수신하고 펄스 및 반전 펄스(inverted pulse)를 출력하도록 구성된 논리 게이트;
상기 펄스 및 상기 반전 펄스를 공통 출력 상으로 결합시키도록 구성된 결합기(combiner); 및
상기 공통 출력에 결합되고, 상기 펄스 및 상기 반전 펄스를 수신한 것에 응답하여 광학 펄스를 생성하도록 구성된 반도체 다이오드를 포함하는, 펄스 광학 소스. - 제92항에 있어서, 상기 펄스 또는 상기 반전 펄스를 감쇠시키도록 배열된 가변 감쇠기(variable attenuator)를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제92항에 있어서, 상기 펄스 또는 상기 반전 펄스를 시간적으로 지연시키도록 배열된 지연 요소를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제92항에 있어서, 상기 무선 주파수 증폭기의 입력에 연결된 DC 블록을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
- 제92항 내지 제95항 중 어느 한 항에 있어서,
각각이 광자 도달 시간들을 단일 전하 축적 간격 동안 적어도 2개의 시간 빈들 내로 판별하도록 구성된 복수의 픽셀들을 갖는 광검출기 어레이; 및
상기 광검출기 어레이 상에, 상기 펄스 광학 소스에 의해 조명되는, 객체의 이미지를 형성하도록 배열된 광학 시스템을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스. - 펄스 광학 소스로서,
제1 신호 및 상기 제1 신호의 반전된 버전을 수신하고 펄스 및 상기 펄스의 반전된 버전을 출력하도록 구성된 무선 주파수 논리 게이트; 및
상기 무선 주파수 논리 게이트에 연결되고, 반도체 다이오드의 제1 단자에서 상기 펄스를 수신하고 상기 반도체 다이오드의 제2 단자에서 상기 펄스의 상기 반전된 버전을 수신하며 광학 펄스를 방출하도록 배열된 상기 반도체 다이오드를 포함하는, 펄스 광학 소스. - 제97항에 있어서,
주기적인 신호를 수신하고 상기 제1 신호 및 상기 제1 신호의 상기 반전된 버전을 출력하도록 배열된 제1 증폭기; 및
상기 제1 신호 또는 상기 제1 신호의 상기 반전된 버전의 위상을 변화시키도록 배열된 위상 시프터(phase shifter)를 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스. - 제97항 또는 제98항에 있어서,
각각이 광자 도달 시간들을 단일 전하 축적 간격 동안 적어도 2개의 시간 빈들 내로 판별하도록 구성된 복수의 픽셀들을 갖는 광검출기 어레이; 및
상기 광검출기 어레이 상에, 상기 펄스 광학 소스에 의해 조명되는, 객체의 이미지를 형성하도록 배열된 광학 시스템을 추가로 포함하는, 펄스 광학 소스.
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