KR20190097163A - 광 커플러 및 도파로 시스템 - Google Patents

광 커플러 및 도파로 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20190097163A
KR20190097163A KR1020197020562A KR20197020562A KR20190097163A KR 20190097163 A KR20190097163 A KR 20190097163A KR 1020197020562 A KR1020197020562 A KR 1020197020562A KR 20197020562 A KR20197020562 A KR 20197020562A KR 20190097163 A KR20190097163 A KR 20190097163A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
waveguide
integrated device
waveguides
sample
sample well
Prior art date
Application number
KR1020197020562A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102574176B1 (ko
Inventor
조나단 엠. 로스버그
알리 카비리
제라드 슈미드
제이슨 더블유. 시클러
폴 이. 글렌
로렌스 씨. 웨스트
카일 프레스톤
알렉산더 곤다렌코
벤자민 시프리아니
제임스 비치
키스 지. 파이프
파시드 가세미
Original Assignee
퀀텀-에스아이 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 퀀텀-에스아이 인코포레이티드 filed Critical 퀀텀-에스아이 인코포레이티드
Publication of KR20190097163A publication Critical patent/KR20190097163A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102574176B1 publication Critical patent/KR102574176B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12007—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer
    • G02B6/12009—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer comprising arrayed waveguide grating [AWG] devices, i.e. with a phased array of waveguides
    • G02B6/12016—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer comprising arrayed waveguide grating [AWG] devices, i.e. with a phased array of waveguides characterised by the input or output waveguides, e.g. tapered waveguide ends, coupled together pairs of output waveguides
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/34—Optical coupling means utilising prism or grating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6452—Individual samples arranged in a regular 2D-array, e.g. multiwell plates
    • G01N21/6454—Individual samples arranged in a regular 2D-array, e.g. multiwell plates using an integrated detector array
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
    • G01M11/35—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides in which light is transversely coupled into or out of the fibre or waveguide, e.g. using integrating spheres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/251—Colorimeters; Construction thereof
    • G01N21/253—Colorimeters; Construction thereof for batch operation, i.e. multisample apparatus
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6452—Individual samples arranged in a regular 2D-array, e.g. multiwell plates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/648—Specially adapted constructive features of fluorimeters using evanescent coupling or surface plasmon coupling for the excitation of fluorescence
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1228—Tapered waveguides, e.g. integrated spot-size transformers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29304—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by diffraction, e.g. grating
    • G02B6/29316—Light guides comprising a diffractive element, e.g. grating in or on the light guide such that diffracted light is confined in the light guide
    • G02B6/29317—Light guides of the optical fibre type
    • G02B6/29319—With a cascade of diffractive elements or of diffraction operations
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29344—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by modal interference or beating, i.e. of transverse modes, e.g. zero-gap directional coupler, MMI
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • G02B6/305—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device and having an integrated mode-size expanding section, e.g. tapered waveguide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
    • G01N2021/6439—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes" with indicators, stains, dyes, tags, labels, marks
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12133—Functions
    • G02B2006/12147—Coupler
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12166—Manufacturing methods
    • G02B2006/12195—Tapering

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Optical Measuring Cells (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Paper (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)

Abstract

단일 분자들을 분석하고 핵산 서열분석을 수행할 수 있는 통합 디바이스 내의 다수의 샘플 우물로의 광학 전력 분배를 위한 시스템 및 방법이 설명된다. 통합 디바이스는, 광학 소스로부터 광학 빔을 수신하도록 구성된 격자 커플러, 및 격자 커플러의 광학 전력을 샘플 우물들과 결합하도록 위치된 통합 디바이스의 도파로들에 분할하도록 구성된 광 스플리터들을 포함할 수 있다. 격자 커플러의 출력들은 광학 소스의 광학 강도 프로파일을 감당하기 위해 하나 이상의 치수에서 변할 수 있다.

Description

광 커플러 및 도파로 시스템
본 출원은 2016년 12월 16일자로 출원된, 발명의 명칭이 "OPTICAL COUPLER AND WAVEGUIDE SYSTEM"인 미국 가특허 출원 제62/435,693호에 대한 우선권을 주장하며, 이 출원은 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.
본 출원은 일반적으로 광학 에너지를 디바이스에 결합하고 광학 에너지를 디바이스의 많은 영역들에 분배하기 위한 디바이스들, 방법들, 및 기술들에 관한 것이다. 광학 디바이스는 생물학적 및/또는 화학적 샘플들의 병렬적이고 정량적인 분석을 수행하기 위해 사용될 수 있다.
생물학적 샘플들의 검출 및 분석은 생물학적 검정("bioassays(생물검정)")을 이용하여 수행될 수 있다. 생물검정은 연구 과학자들이 장비를 작동시키고 생물검정을 수행하도록 훈련받을 것을 필요로 하는 대형 고가의 비싼 연구실 장비를 통상적으로 수반한다. 더욱이, 생물검정은 통상적으로 대량으로 수행되고 검출 및 정량화를 위해서는 다량의 특정 종류의 샘플이 필요하다.
일부 생물검정은, 특정한 파장의 광을 방출하는 발광 마커(luminescent marker)로 샘플들을 태깅함으로써 수행된다. 마커는 발광을 유발하는 광원으로 조명되고, 발광 광은 광 검출기에 의해 검출되어 마커에 의해 방출된 발광 광의 양이 정량화된다. 발광 마커를 사용하는 생물검정은 샘플을 조명하기 위한 값비싼 레이저 광원과 조명된 샘플로부터의 발광을 수집하기 위한 복잡한 발광 검출 광학기기 및 전자기기를 통상적으로 수반한다.
일부 실시예는 복수의 도파로, 격자 영역을 갖는 격자 커플러, 변화하는 폭들을 갖고 격자 커플러와 광학적으로 결합하도록 구성된 복수의 출력 도파로, 및 복수의 광 스플리터를 포함하는 통합 디바이스에 관한 것이다. 광 스플리터들 중 적어도 하나는 복수의 출력 도파로 중 어느 하나와 복수의 도파로 중 적어도 2개 사이에 배치된다.
일부 실시예들에서, 격자 영역은 실질적으로 통합 디바이스의 표면에 평면인 방향으로 배향된 복수의 격자를 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 출력 도파로의 개별 출력 도파로들은 격자 영역의 한 측 상에 배열된다. 일부 실시예들에서, 복수의 출력 도파로는 제1 출력 도파로 및 제2 출력 도파로를 포함하고, 제1 출력 도파로는 제2 출력 도파로보다 격자 영역의 한 측의 중심에 더 근접하고 제2 출력 도파로보다 작은 폭을 갖는다. 일부 실시예들에서, 복수의 출력 도파로는 제1 출력 도파로 및 제2 출력 도파로를 포함하고, 제1 출력 도파로는 제2 출력 도파로보다 격자 영역의 한 측의 에지에 더 근접하고 제2 출력 도파로보다 작은 폭을 갖는다. 일부 실시예들에서, 제2 출력 도파로와 복수의 도파로 중 하나의 도파로 사이의 광 스플리터들의 개수는 제1 출력 도파로와 복수의 도파로 중 다른 도파로 사이의 광 스플리터들의 개수보다 크다. 일부 실시예들에서, 복수의 출력 도파로 및 복수의 광 스플리터는 격자 영역으로부터 방사상으로 분포된다. 일부 실시예들에서, 복수의 도파로의 개별 도파로들은 격자 영역에서의 격자들에 실질적으로 수직으로 배열된다. 일부 실시예들에서, 복수의 광 스플리터 중 적어도 하나는 격자 커플러로부터 1 mm 미만에 위치된다.
일부 실시예들에서, 복수의 도파로의 개별 도파로들은 복수의 도파로 중 하나를 따라 광 전파의 방향에 수직인 방향에서 테이퍼 치수를 가져서 테이퍼 치수가 말단 위치에서보다 격자 커플러에 근접한 위치에서 더 작도록 된다. 일부 실시예들에서, 복수의 도파로의 개별 도파로들은 복수의 샘플 우물(well)과 광학적으로 결합하도록 위치된다. 일부 실시예들에서, 복수의 도파로 중 적어도 하나는 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물과 중첩되는 위치에서의 제1 두께 및 적어도 하나의 샘플 우물과 중첩되지 않는 위치에서의 제2 두께를 가지며, 제1 두께는 제2 두께보다 크다. 일부 실시예들에서, 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물의 표면은 복수의 도파로 중 제1 도파로의 표면과 접촉한다. 일부 실시예들에서, 복수의 도파로 중 적어도 하나는 다중 모드 도파로를 따른 복수의 광학 모드의 전파를 지원하도록 구성된 다중 모드 도파로이다. 일부 실시예들에서, 다중 모드 도파로를 따른 전력 분포는 제1 영역과는 별개인 제2 영역에서보다 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나와 중첩되는 제1 영역에서 더 넓다. 일부 실시예들에서, 복수의 도파로의 개별 도파로들은 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물과 광학적으로 결합하는 복수의 도파로 중 하나로부터 연장되는 소멸장을 갖는 여기 에너지의 전파를 지원하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물은 적어도 하나의 샘플 우물의 측벽의 적어도 일부분 상에 형성된 측벽 스페이서를 포함한다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 적어도 하나의 금속 층을 더 포함하고, 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물의 표면은 적어도 하나의 금속 층으로부터 리세싱된다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 복수의 샘플 우물 중 하나로부터 광을 수신하도록 구성된 센서를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 하나의 샘플 우물과 센서 사이의 거리는 10 마이크로미터 미만이다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 통합 디바이스의 표면 상에 형성된 금속 층을 더 포함하고, 금속 층은 복수의 샘플 우물 중 하나의 애퍼처와 중첩되는 개구를 갖는다. 일부 실시예들에서, 복수의 도파로 중 제1 도파로는 복수의 샘플 우물 중 제1 세트의 일부분과 광학적으로 결합하도록 구성되고, 복수의 도파로 중 제2 도파로는 복수의 샘플 우물 중 제2 세트의 일부분과 광학적으로 결합하도록 구성되고, 복수의 광 스플리터 중 어느 한 광 스플리터는 샘플 우물들의 제1 세트와 샘플 우물들의 제2 세트 사이에 위치되고 또한 제1 및 제2 도파로들 중 적어도 하나의 도파로에 광학적으로 결합하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 격자 커플러를 통과하는 여기 에너지를 수신하도록 위치된 하나 이상의 광 검출기를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 격자 커플러에 근접한 영역을 통과하는 여기 에너지를 수신하도록 위치된 하나 이상의 광 검출기를 더 포함한다.
일부 실시예들은 통합 디바이스를 형성하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은, 복수의 도파로를 형성하는 단계, 격자 영역을 갖는 격자 커플러를 형성하는 단계, 변화하는 폭들을 갖고 격자 커플러와 광학적으로 결합하도록 구성된 복수의 출력 도파로를 형성하는 단계, 및 복수의 광 스플리터를 형성하는 단계를 포함하고, 광 스플리터들 중 적어도 하나는 복수의 출력 도파로 중 하나와 복수의 도파로 중 적어도 2개 사이에 위치된다.
일부 실시예들에서, 격자 커플러를 형성하는 단계는 격자 영역에 복수의 격자를 형성하는 단계를 더 포함하고, 복수의 격자는 통합 디바이스의 표면에 평면인 방향으로 실질적으로 배향된다. 일부 실시예들에서, 복수의 출력 도파로를 형성하는 단계는 격자 영역의 한 측 상에 배열된 복수의 출력 도파로의 개별 출력 도파로들을 형성하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 출력 도파로를 형성하는 단계는 제1 출력 도파로 및 제2 출력 도파로를 형성하는 단계를 더 포함한다. 제1 출력 도파로는 제2 출력 도파로보다 격자 영역의 한 측의 중심에 더 근접하고 제2 출력 도파로보다 작은 폭을 갖는다. 일부 실시예들에서, 복수의 출력 도파로를 형성하는 단계는 제1 출력 도파로 및 제2 출력 도파로를 형성하는 단계를 더 포함한다. 제1 출력 도파로는 제2 출력 도파로에서보다 격자 영역의 한 측의 에지에 더 근접하고 제2 출력 도파로보다 작은 폭을 갖는다. 일부 실시예들에서, 복수의 광 스플리터를 형성하는 단계는 제1 출력 도파로와 복수의 도파로 중 다른 도파로 사이의 광 스플리터의 개수보다 큰, 제2 출력 도파로와 복수의 도파로 중 하나의 도파로 사이의 광 분할기의 개수를 형성하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 출력 도파로를 형성하는 단계는 격자 영역으로부터 방사상으로 분포하도록 복수의 출력 도파로를 형성하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 도파로를 형성하는 단계는 격자 영역에서의 격자들에 실질적으로 수직으로 배열된 복수의 도파로의 개별 도파로들을 형성하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 도파로를 형성하는 단계는 복수의 도파로 중 하나를 따른 광 전파 방향에 수직인 방향에서 테이퍼 치수를 갖도록 복수의 도파로를 형성하여 테이퍼 치수가 말단 위치에서보다 격자 커플러에 근접한 위치에서 더 작도록 하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 방법은 복수의 샘플 우물을 형성하는 단계를 더 포함하고, 복수의 도파로의 개별 도파로들은 복수의 샘플 우물과 광학적으로 결합하도록 배치된다. 일부 실시예들에서, 복수의 도파로를 형성하는 단계는 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물과 중첩되는 위치에서의 제1 두께 및 적어도 하나의 샘플 우물과 중첩되지 않는 위치에서의 제2 두께를 갖는 복수의 도파로 중 적어도 하나를 형성하는 단계를 더 포함하고, 제1 두께는 제2 두께보다 크다. 일부 실시예들에서, 복수의 샘플 우물을 형성하는 단계는 복수의 도파로 중 제1 도파로의 표면과 접촉하는 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물의 표면을 형성하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 도파로를 형성하는 단계는 다중 모드 도파로를 따른 복수의 광학 모드의 전파를 지원하도록 구성된 다중 모드 도파로를 형성하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 도파로의 개별 도파로들은 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물과 광학적으로 결합하는 복수의 도파로 중 하나로부터 연장되는 소멸장을 갖는 여기 에너지의 전파를 지원하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 복수의 샘플 우물을 형성하는 단계는 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물의 측벽의 적어도 일부분 상에 측벽 스페이서를 형성하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 샘플 우물을 형성하는 단계는 적어도 하나의 금속 층을 형성하는 단계 및 상기 적어도 하나의 금속 층으로부터 리세싱된 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물의 표면을 형성하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법은 복수의 샘플 우물 중 하나의 샘플 우물로부터 광을 수신하도록 구성된 센서를 형성하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 하나의 샘플 우물과 센서 사이의 거리는 10 마이크로미터 미만이다. 일부 실시예들에서, 복수의 도파로 중 제1 도파로는 복수의 샘플 우물 중 제1 세트의 일부분과 광학적으로 결합하도록 구성되고, 복수의 도파로 중 제2 도파로는 복수의 샘플 우물 중 제2 세트의 일부분과 광학적으로 결합하도록 구성되고, 복수의 광 스플리터 중 어느 한 광 스플리터는 제1 세트의 샘플 우물들과 제2 세트의 샘플 우물들 사이에 위치되고 또한 제1 및 제2 도파로들 중 적어도 하나의 도파로에 광학적으로 결합하도록 구성된다.
일부 실시예들은 복수의 제1 도파로, 격자 영역을 갖는 격자 커플러, 변화하는 폭들을 갖고 격자 커플러와 광학적으로 결합하도록 구성된 복수의 출력 도파로, 및 복수의 광 스플리터를 포함하는 통합 디바이스에 관한 것이다. 광 스플리터들 중 적어도 하나는 복수의 출력 도파로 중 하나와 복수의 제1 도파로 중 적어도 2개 사이에 위치된다.
일부 실시예들은 제1 세트의 샘플 우물들의 일부분과 광학적으로 결합하도록 구성된 제1 도파로, 제2 세트의 샘플 우물들의 일부분과 광학적으로 결합하도록 구성된 제2 도파로, 및 제1 세트의 샘플 우물들과 제2 세트의 샘플 우물들 사이에 위치되고 또한 제1 및 제2 도파로들 중 적어도 하나에 광학적으로 결합하도록 구성된 광 스플리터를 포함하는 통합 디바이스에 관한 것이다.
일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 광 스플리터와 광학적으로 결합하도록 구성된 적어도 하나의 입력 도파로를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 적어도 하나의 입력 도파로와 광학적으로 결합하도록 구성된 격자 커플러를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 격자 커플러의 격자들은 적어도 하나의 입력 도파로에 실질적으로 평행하다.
일부 실시예들은 적어도 하나의 샘플 우물, 및 여기 에너지를 적어도 하나의 샘플 우물에 결합하도록 구성된 도파로를 포함하는 통합 디바이스에 관한 것으로, 여기서 도파로는 적어도 하나의 샘플 우물과 중첩되는 위치에서의 제1 두께 및 적어도 하나의 샘플 우물과 중첩되지 않는 위치에서의 제2 두께를 갖고, 제1 두께는 제2 두께보다 크다.
일부 실시예들에서, 도파로는 도파로로부터 연장되는 소멸장을 갖는 여기 에너지의 전파를 지원하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 도파로는 도파로를 따른 광 전파 방향에 수직인 방향으로 테이퍼 치수를 가져서, 테이퍼 치수가 말단 위치에서보다 격자 커플러에 근접한 위치에서 더 작도록 된다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 샘플 우물의 표면은 도파로의 표면과 접촉한다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 샘플 우물은 어레이에 복수의 샘플 우물을 포함한다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 샘플 우물은 통합 디바이스의 금속 층으로부터 리세싱된다. 일부 실시예에서, 도파로는 도파로를 따른 복수의 광학 모드의 전파를 지원하도록 구성된 다중 모드 도파로이다. 일부 실시예들에서, 다중 모드 도파로를 따른 전력 분포는 제1 영역과는 별개인 제2 영역에서보다 적어도 하나의 샘플 우물과 중첩되는 제1 영역에서 더 넓다. 일부 실시예들에서, 제1 두께는 200nm 내지 400nm 이다. 일부 실시예들에서, 제2 두께는 100nm 내지 250nm 이다. 일부 실시예들에서, 도파로는 적어도 부분적으로 실리콘 질화물 층으로부터 형성된다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 적어도 하나의 샘플 우물에 위치된 샘플에 의해 방출된 방출 에너지를 수신하도록 구성된 센서를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 샘플 우물과 센서 사이의 거리는 10 마이크로미터 미만이다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 샘플 우물과 센서 사이의 거리는 7 마이크로미터 미만이다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 샘플 우물과 센서 사이의 거리는 3 마이크로미터 미만이다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 통합 디바이스의 표면 상에 형성된 금속 층을 더 포함하고, 금속 층은 적어도 하나의 샘플 우물의 애퍼처와 중첩되는 개구를 갖는다. 일부 실시예들에서, 금속 층은 알루미늄을 갖는 제1 층 및 티타늄 질화물을 갖는 제2 층을 포함하고, 제1 층은 도파로에 근접한다.
일부 실시예들은 통합 디바이스의 표면 상에 배치된 금속 층을 포함하는 통합 디바이스에 관한 것으로, 금속 층은 불연속성, 및 금속 층의 불연속성에 대응하는 상부 애퍼처를 갖는 적어도 하나의 샘플 우물을 갖는다. 적어도 하나의 샘플 우물의 표면은 통합 디바이스의 표면에 실질적으로 수직인 방향을 따라 금속 층을 넘어 연장된다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 샘플 우물의 표면은 100 nm 내지 350 nm인 금속 층으로부터의 거리에 위치된다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 샘플 우물은 샘플 우물의 측벽의 적어도 일부분상에 형성된 측벽 스페이서를 포함한다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 적어도 하나의 샘플 우물의 표면에 대해 원위인 도파로를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 도파로는 슬래브(slab) 및 융기 영역을 포함한다. 일부 실시예들에서, 도파로는 테이퍼된다. 일부 실시예들에서, 금속 층은 알루미늄을 갖는 제1 층 및 티타늄 질화물을 갖는 제2 층을 포함하고, 제1 층은 도파로에 근접한다. 일부 실시예들에서, 도파로로부터 적어도 하나의 샘플 우물의 표면까지의 거리는 200 nm 미만이다. 일부 실시예들에서, 금속 층에서의 개구는 도파로에 대한 격자 커플러에 대응한다. 일부 실시예들에서, 도파로는 적어도 부분적으로 실리콘 질화물 층으로부터 형성된다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 적어도 하나의 샘플 우물에 위치된 샘플에 의해 방출된 방출 에너지를 수신하도록 구성된 센서를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 샘플 우물과 센서 사이의 거리는 10 마이크로미터 미만이다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 샘플 우물과 센서 사이의 거리는 7 마이크로미터 미만이다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 샘플 우물과 센서 사이의 거리는 3 마이크로미터 미만이다.
일부 실시예들은 통합 디바이스를 형성하는 방법에 관한 것인데, 이 방법은: 반도체 기판 상에 배치된 유전체 막을 갖는 반도체 기판을 제공하는 단계; 유전체 막의 일부분을 부분적으로 에칭함으로써 슬래브 및 융기 영역을 갖는 도파로를 형성하는 단계; 상부 클래딩이 상기 도파로와 접촉하도록 상기 상부 클래딩을 형성하는 단계; 상기 상부 클래딩의 표면 상에 금속 층을 형성하는 단계; 및 금속 층 및 상부 클래딩의 일부분을 에칭함으로써 도파로 위에 샘플 우물을 형성하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 도파로를 형성하는 단계는 타이밍된 에칭 공정을 포함한다. 일부 실시예들에서, 도파로를 형성하는 단계는 에칭 정지 층을 이용하는 에칭 공정을 포함한다. 일부 실시예들에서, 샘플 우물을 형성하는 단계는 도파로의 적어도 일부분이 커버되지 않을 때까지 상부 클래딩을 에칭하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 샘플 우물의 하부 표면과 도파로 사이의 거리는 10 nm 내지 200 nm 이다. 일부 실시예들에서, 방법은 샘플 우물의 측벽의 적어도 일부분 상에 스페이서를 형성하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법은 금속층을 형성하는 단계가 복수의 금속 서브 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법은 리지 도파로(ridge waveguide)를 형성하기 위해 슬래브의 일부분을 에칭하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법은 리브 도파로(rib waveguide)를 형성하기 위해 슬래브의 일부분을 에칭하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 도파로를 형성하는 단계는 가변 폭을 갖는 테이퍼를 형성하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들은 복수의 샘플 우물, 여기 에너지를 복수의 샘플 우물 중 제1 부분에 결합하도록 구성된 제1 광 도파로, 여기 에너지를 복수의 샘플 우물 중 제2 부분에 결합하도록 구성된 제2 광 도파로, 및 통합 디바이스 외부에 위치된 광학 소스로부터 여기 에너지를 수신하고, 또한 여기 에너지를 제1 광 도파로에 그리고 제2 광 도파로에 결합하도록 구성된 격자 커플러를 포함하는 통합 디바이스에 관한 것이다.
일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 격자 커플러를 통과하는 여기 에너지를 수신하도록 위치된 하나 이상의 광 검출기를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 격자 커플러에 근접한 영역에서 통과하는 여기 에너지를 수신하도록 위치된 하나 이상의 광 검출기를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 격자 커플러는 제1 광 격자 커플러이고, 통합 디바이스는 제1 도파로에 광학적으로 결합되고 또한 제1 도파로로부터 여기 에너지를 수신하고 및 여기 에너지를 통합 디바이스에 위치된 광 검출기에 결합하도록 구성된 제2 광 커플러를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 제1 광 도파로는 소멸 커플링을 통해 여기 에너지를 복수의 샘플 우물의 제1 부분에 결합하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 통합 디바이스의 표면 상에 배치된 금속 층을 더 포함하고, 여기서 복수의 샘플 우물은 금속 층을 통해 형성된다. 일부 실시예들에서, 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나는 제1 도파로에 근접한 하부 표면을 포함하고, 하부 표면은 금속 층을 통해 리세싱된다. 일부 실시예들에서, 하부 표면은 100 nm 내지 350 nm 인 금속 층으로부터의 거리에 위치된다. 일부 실시예들에서, 하부 표면은 10 nm 내지 200 nm인 제1 광 도파로로부터의 거리에 위치된다. 일부 실시예들에서, 금속 층은 알루미늄 층 및 티타늄 질화물 층을 포함하고, 알루미늄 층은 제1 및 제2 도파로들에 근접한다. 일부 실시예들에서, 광 격자는 실리콘 질화물의 층에 형성된 에칭된 영역을 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물은 적어도 하나의 샘플 우물의 측벽의 적어도 일부분 상에 형성된 측벽 스페이서를 포함한다.
본 출원의 다양한 양태들 및 실시예들이 다음의 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들은 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아니라는 것을 이해해야 한다. 다수의 도면에서 등장하는 아이템들은 그것들이 등장하는 모든 도면들에서 동일한 참조 번호로 표시된다.
도 1a는 일부 실시예들에 따른, 통합 디바이스 및 기기의 블록도이다.
도 1ba는 일부 실시예들에 따른, 픽셀들의 행에서의 샘플 우물들에 결합되는 여기 에너지 및 센서들을 향하는 각각의 샘플 우물로부터의 방출 에너지의 개략도이다.
도 1bb는 일부 실시예들에 따른, 기기의 블록도 묘사이다.
도 1bc는 일부 실시예들에 따른, 광학 펄스들의 트레인의 플롯이다.
도 1c는 일부 실시예들에 따른, 각각의 샘플 우물에 대해 하나 이상의 도파로 및 대응하는 검출기들을 통해 펄스 레이저에 의해 광학적으로 여기될 수 있는 병렬 샘플 우물들의 개략도이다.
도 1d는 일부 실시예들에 따른, 도파로로부터의 샘플 우물의 광 여기를 묘사하는 광학 전력의 플롯이다.
도 1e는 일부 실시예들에 따른, 샘플 우물, 광 도파로, 및 시간-비닝(time-binning) 광 검출기를 갖는 픽셀의 개략도이다.
도 1f는 일부 실시예들에 따른, 샘플 우물 내에서 발생할 수 있는 예시적인 생물학적 반응의 개략도이다.
도 1g는 상이한 감쇠 특성들을 갖는 2개의 상이한 형광단(fluorophore)에 대한 방출 확률 곡선들의 플롯이다.
도 1h는 일부 실시예들에 따른, 형광 방출의 시간-비닝 검출의 플롯이다.
도 1i는 일부 실시예들에 따른 예시적인 시간-비닝 광 검출기이다.
도 1ja는 일부 실시예들에 따른, 샘플로부터의 형광 방출의 펄스 여기 및 시간-비닝된 검출을 예시하는 개략도이다.
도 1jb는 일부 실시예들에 따른, 샘플의 반복된 펄스 여기 이후의 다양한 시간 빈(time bin)들에서의 누적된 형광 광자 카운트들의 히스토그램이다.
도 1ka 내지 도 1kd는 일부 실시예들에 따른, 4개의 뉴클레오티드(T, A, C, G) 또는 뉴클레오티드 유사체들에 대응할 수 있는 상이한 히스토그램들이다.
도 2는 3개의 상이한 광학 전력에서의 도파로에서의 시간-의존적 전송 손실을 도시하는 그래프이다.
도 2aa는 일부 실시예들에 따른, 긴 빔을 복수의 도파로에 결합하는 것을 도시하는 개략도이다.
도 2ab는 일부 실시예들에 따른, 길고 회전된 빔을 복수의 도파로에 결합하는 것을 도시하는 개략도이다.
도 2ac는 일부 실시예들에 따른, 빔 폭들을 변화시키기 위한 슬라이싱된 격자 커플러의 허용오차 값들의 플롯이다.
도 2ad는 일부 실시예들에 따른, 격자 커플러에 대한 강도 프로필의 플롯이다.
도 2ba는 일부 실시예들에 따른, 예시적인 슬라이싱된 격자 커플러이다.
도 2bb는 일부 실시예들에 따른, 슬라이싱된 격자 커플러 및 광 스플리터들의 예시적인 광학 시스템이다.
도 3a는 일부 실시예들에 따른 통합 디바이스의 예시적인 광 라우팅 레이아웃(optical routing layout)이다.
도 3b는 일부 실시예들에 따른 통합 디바이스의 예시적인 광 라우팅 레이아웃이다.
도 4a는 샘플 우물을 도시하는 단면도이다.
도 4ba는 리브 도파로(rib waveguide)를 도시하는 단면도이다.
도 4bb는 리지 도파로(ridge waveguide)를 도시하는 단면도이다.
도 4bc는 다중 층을 갖는 리브 도파로를 도시하는 단면도이다.
도 4ca는 도파로가 샘플 우물로부터 분리되는 구성을 도시하는 단면도이다.
도 4cb는 도파로가 샘플 우물과 접촉하는 구성을 도시하는 단면도이다.
도 4cc는 샘플 우물이 도파로 내에 부분적으로 배치되는 구성을 도시하는 단면도이다.
도 4da는 도 4ca의 구성의 절개 등각 투영도이다.
도 4db는 도 4cb의 구성의 절개 등각 투영도이다.
도 4dc는 도 4cc의 구성의 절개 등각 투영도이다.
도 4e는 리지 도파로에서의 광학 모드를 도시하는 단면도이다.
도 4f는 테이퍼 및 복수의 샘플 우물을 도시하는 평면도이다.
도 4g는 리브 도파로의 융기 영역의 폭의 함수로서 광학 모드의 전계를 도시하는 플롯이다.
도 4h는 직사각형 단면을 갖는 도파로와 연관된 광학 모드 프로필과 리브 도파로와 연관된 광학 모드 프로필 사이의 비교를 도시하는 플롯이다.
도 5aa는 다중 모드 도파로의 평면도이다.
도 5ab는 다중 모드 도파로를 따른 전력 분포를 도시하는 히트 맵(heat map)이다.
도 6aa, 도 6ab, 도 6ac, 및 도 6ad는 일부 실시예들에 따른, 시간 에칭 공정을 이용하여 리브 도파로를 제조하기 위한 방법을 도시한다.
도 6ba, 도 6ba, 도 6bc, 및 도 6bd는 일부 실시예들에 따른, 에칭 스톱(etch stop)을 이용하여 리브 도파로를 제조하기 위한 방법을 도시한다.
도 6ca, 도 6cb, 도 6cc, 및 도 6cd는 일부 실시예들에 따른, 엔드포인트 층을 이용하여 리브 도파로를 제조하기 위한 방법을 도시한다.
도 6da, 도 6db, 도 6dc, 및 도 6dd는 일부 실시예들에 따른, 리지 도파로를 제조하기 위한 방법을 도시한다.
I. 소개
본 발명자들은 단일 분자 또는 입자의 검출 및 정량(quantitation)을 수행하기 위한 콤팩트한 고속 장치가 생물학 및/또는 화학 샘플들의 복잡한 정량 측정들을 수행하는 비용을 감소시키고 생화학 기술 발견들의 속도를 빠르게 발전시킬 수 있다는 것을 인식하고 이해하였다. 더욱이, 용이하게 운반가능한 비용 효과적 디바이스는 선진국에서 생물검정이 수행되는 방식을 변환시킬 수 있을 뿐만 아니라, 개발도상국 지역의 사람들에게, 처음으로, 그들의 건강과 복지를 극적으로 개선시킬 수 있는 필수적인 진단 시험에의 접근을 제공할 수 있다.
본 발명자들은 또한 샘플 우물 및 센서를, 생물학적 샘플들로부터 방출된 발광 광을 측정할 수 있는 단일 통합 디바이스에 통합하는 것이 디바이스를 제조하는 비용을 감소시켜서 일회용 생체시료분석 통합 디바이스들이 형성될 수 있도록 하는 것을 인식하고 알았다. 베이스 기기와 인터페이싱하는 일회용의 단일 사용 통합 디바이스는, 샘플 분석을 위해 고가의 생물학 실험실을 필요로 하는 제약 없이 전세계 어느 곳에서나 사용될 수 있다. 그러므로, 이전에는 생물학적 샘플들의 정량적 분석을 수행할 수 없었던 세계의 지역들에 자동화된 생체시료 분석(automated bioanalytics)을 도입할 수 있게 되었다.
대단히 많은 수의 픽셀(예를 들어, 수백, 수천, 수백만 또는 그 이상)을 갖는 픽셀화된 센서 디바이스는 복수의 개별 분자 또는 입자를 병렬로 검출할 수 있게 한다. 분자는, 제한이 아닌 예로서, 단백질, DNA, 및/또는 RNA일 수 있다. 더욱이, 초당 100 프레임보다 많은 비율로 데이터를 획득할 수 있는 고속 디바이스는 분석되고 있는 샘플 내에서 시간이 지남에 따라 발생하는 동적인 프로세스들 또는 변화들의 검출 및 분석을 가능하게 한다.
본 발명자들은 또한, 샘플이 복수의 상이한 유형의 발광성 마커로 태깅될 때, 발광성 마커의 임의의 적합한 특성이 통합 디바이스의 특정 픽셀에 존재하는 마커의 유형을 식별하는 데 이용될 수 있음을 인식하고 알았다. 예를 들어, 마커에 의해 방출되는 발광의 특성 및/또는 여기 흡수의 특성이 마커를 식별하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 발광의 방출 에너지(이것은 광의 파장과 직접 관련됨)는 제1 유형의 마커를 제2 유형의 마커와 구별하는데 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 발광 수명 측정이 또한 특정한 픽셀에 존재하는 마커의 유형을 식별하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 발광 수명 측정은 수명 정보를 취득하기에 충분한 분해능으로 광자가 검출되는 시간을 구별할 수 있는 센서를 사용하여 펄스 여기 소스에 의해 이루어질 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상이한 유형의 마커에 의해 흡수된 여기 광의 에너지는 특정한 픽셀에 존재하는 마커의 유형을 식별하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 마커는 제1 파장의 광을 흡수할 수 있지만, 제2 파장의 광을 동등하게 흡수하지 못할 수 있는 한편, 제2 마커는 제2 파장의 광을 흡수할 수 있지만, 제1 파장의 광은 동등하게 흡수하지 못할 수 있다. 이러한 방식으로, 각각 상이한 여기 에너지를 갖는 둘 이상의 여기 광원이 인터리빙 방식으로 샘플을 조명하는 데 사용될 수 있는 경우에, 마커의 흡수 에너지는 어떠한 유형의 마커가 샘플에 존재하는지 식별하는데 사용될 수 있다. 상이한 마커들은 또한 상이한 발광 강도들을 가질 수 있다. 그에 따라서, 발광의 검출된 강도는 또한 특정한 픽셀에 존재하는 마커의 유형을 식별하는데 사용될 수 있다.
발명자들에 의해 고려되는 디바이스의 적용의 하나의 비제한적인 예는, 핵산 시퀀스(예를 들어, DNA, RNA) 또는 복수의 아미노산을 갖는 폴리펩티드(예를 들어, 단백질)와 같은 생체 분자의 서열분석을 수행할 수 있는 디바이스이다. 이러한 디바이스를 이용하여 수행될 수 있는 진단 테스트는, 피험체의 생물학적 샘플에서 무세포 데옥시리보핵산 분자 또는 발현 산물(expression product)의 서열 분석과 같은, 피험체의 생물학적 샘플에서의 핵산 분자의 서열 분석을 포함한다.
본 출원은 핵산 분자들과 같은, 생체 분자들 또는 그의 서브유닛들을 검출하기 위한 디바이스들, 시스템들 및 방법들을 제공한다. 서열분석은, 템플릿 핵산 분자와 상보적인 핵산 분자를 합성하고 시간 경과에 따라 뉴클레오티드의 혼입을 식별하는 것(예로서, 합성에 의한 서열분석) 등에 의해, 템플릿과 상보적인 또는 유사한 또 다른 생체분자를 합성함으로써 템플릿 생체분자(예를 들어, 핵산 분자)의 개개의 서브유닛을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 대안으로서, 서열분석은 생체 분자의 개개의 서브유닛들의 직접 식별을 포함할 수 있다.
서열분석 중에, 생체 분자의 개개의 서브유닛들을 나타내는 신호들이 메모리에 수집되고 생체 분자의 서열을 결정하기 위해 실시간으로 또는 나중 시점에 처리될 수 있다. 이러한 처리는 개개의 서브유닛들의 식별을 가능하게 하는 참조 신호들과의 신호들의 비교를 포함할 수 있고, 이는 일부 경우에 판독들을 산출한다. 판독들은, 예를 들어, 염색체 또는 게놈 영역 또는 유전자상의 한 로케이션에 정렬될 수 있는, 더 큰 서열 또는 영역을 식별하는데 이용될 수 있는 충분한 길이(예를 들어, 적어도 약 30, 50, 100의 염기 쌍(base pairs, bp)의 서열일 수 있다.
생체 분자들의 개개의 서브유닛들은 마커들을 사용하여 식별될 수 있다. 일부 예들에서, 발광성 마커들은 생체 분자들의 개개의 서브유닛들을 식별하는데 사용된다. 발광성 마커들(본 명세서에서 "마커들"이라고도 지칭함)은 외인성 또는 내인성 마커들일 수 있다. 외인성 마커들은 발광성 라벨링을 위한 리포터 및/또는 태그에서 사용되는 외부의 발광성 마커들일 수 있다. 외인성 마커들의 예들은 형광 분자, 형광단, 형광성 염료, 형광성 염색, 유기 염료, 형광성 단백질, 효소, 형광 공명 에너지 전달(fluorescence resonance energy transfer)(FRET)에 참여하는 종, 효소, 및/또는 양자점들을 포함할 수 있지만 이들에 제한되지는 않는다. 이러한 외인성 마커들은 특정 표적 또는 컴포넌트에 특히 바인딩하는 프로브 또는 관능기(functional group)(예를 들어, 분자, 이온, 및/또는 리간드)에 접합(conjugate)될 수 있다. 외인성 마커를 프로브에 부착하는 것은 외인성 마커의 존재의 검출을 통하여 표적의 식별을 가능하게 한다. 프로브의 예들은 단백질, 핵산(예를 들어, DNA, RNA) 분자, 지질, 및 항체 프로브를 포함할 수 있다. 외인성 마커와 관능기의 조합은, 분자 프로브, 라벨링된 프로브, 하이브리드화 프로브, 항체 프로브, 단백질 프로브(예를 들어, 바이오틴-바인딩 프로브), 효소 라벨, 형광 프로브, 형광 태그, 및/또는 효소 리포터를 포함하는, 검출에 이용되는 임의의 적절한 프로브, 태그, 및/또는 라벨을 형성할 수 있다.
외인성 마커들이 샘플에 부가될 수 있는 반면, 내인성 마커들은 이미 샘플의 일부일 수 있다. 내인성 마커들은 여기 에너지의 존재 하에서 발광하거나 또는 "자가형광"할 수 있는 현존의 임의의 발광성 마커를 포함할 수 있다. 내인성 형광단들의 자가형광은 외인성 형광단들의 도입을 요구하지 않고서 무 라벨의 비침습적 라벨링을 제공할 수 있다. 이러한 내인성 형광단의 예로서는, 제한없이 예로서, 헤모글로빈, 옥시헤모글로빈, 지질, 콜라겐 및 엘라스틴 가교결합, 환원된 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(NADH), 산화 플라빈(FAD 및 FMN), 리포푸신, 케라틴, 및/또는 프로피린이 포함될 수 있다.
일부 실시예가 시편에서 단일 분자들을 검출함으로써 진단 테스팅하는 것에 관한 것이기는 하지만, 발명자들은 또한 일부 실시예가 하나 이상의 핵산 세그먼트, 예를 들어 유전자 또는 폴리펩티드의 핵산(예를 들어, DNA, RNA) 서열분석을 수행하기 위한 단일 분자 검출 능력을 이용할 수 있다는 것을 인식했다. 핵산 서열분석은 표적 핵산 분자에서의 뉴클레오티드의 순서 및 위치의 결정을 가능하게 한다. 핵산 서열분석 기술은 핵산 서열을 결정하는 데 이용되는 방법들에서뿐만 아니라, 서열분석 프로세스에서의 속도(rate), 판독 길이, 및 오류 발생에 있어서 달라질 수 있다. 예를 들어, 일부 핵산 서열분석 방법들은 합성에 의한 서열분석에 기초하는데, 이 경우에 뉴클레오티드의 아이덴티티는 표적 핵산 분자와 상보적인 핵산의 새롭게 합성된 가닥(strand)에 뉴클레오티드가 통합될 때 결정된다. 합성 방법에 의한 일부 서열분석은 표적 핵산 분자의 모집단(예로서, 표적 핵산의 복제물들)의 존재 또는 표적 핵산의 모집단을 얻기 위한 표적 핵산의 증폭 단계를 요구한다.
단일 분자 검출 및/또는 핵산 서열분석을 수행하기 위한 단순하고 덜 복잡한 장치들에 대한 필요를 인식하였으므로, 본 발명자들은 상이한 분자들을 라벨링하기 위해, 광학(예를 들어, 발광성) 마커들과 같은, 마커들의 세트들을 이용하여 단일 분자들을 검출하는 기술들을 생각해 내었다. 태그는 뉴클레오티드 또는 아미노산 및 적절한 마커를 포함할 수 있다. 마커들은 단일 분자들에 바인딩된 동안 단일 분자들로부터의 방출 시에 검출되거나, 또는 단일 분자들에 바인딩되고 또한 그로부터 방출 시에 검출될 수 있다. 일부 예에서, 마커는 발광성 태그이다. 선택된 세트에서의 각각의 발광성 마커는 제각기 분자와 연관된다. 예를 들어, 4개의 마커의 세트가 DNA에 존재하는 핵염기들을 "라벨링(label)"하는 데 이용될 수 있다. 세트의 각각의 마커는 태그를 형성하기 위해 상이한 핵염기와 연관되는데, 예를 들어, 제1 마커는 아데닌(A)과 연관되고, 제2 마커는 시토신(C)과 연관되고, 제3 마커는 구아닌(G)과 연관되고, 제4 마커는 티민(T)과 연관된다. 더욱이, 마커들의 세트에서의 발광성 마커들 각각은 세트의 제1 마커를 세트에서의 다른 마커들과 구별하기 위해 이용될 수 있는 상이한 속성들을 가진다. 이런 방식으로, 각각의 마커는 이러한 구별되는 특성들 중 하나 이상을 이용하여 고유하게 식별 가능하다. 제한이 아닌 예로서, 하나의 마커를 다른 마커와 구별하기 위해 사용될 수 있는 마커들의 특성들은 여기(excitation)에 응답하여 마커에 의해 방출된 광의 방출 파장들의 방출 파장 또는 대역, 특정 마커를 여기시키는 여기 에너지의 파장들의 파장 또는 대역, 마커에 의해 방출된 광의 시간적 특성들(예를 들어, 방출 감쇠 기간들), 및/또는 방출 에너지에 대한 마커의 반응의 시간적 특성들(예를 들어, 여기 광자를 흡수할 확률)을 포함할 수 있다. 따라서, 발광성 마커들은 이들 속성들을 검출하는 것에 기초하여 다른 발광성 마커들로부터 식별되거나 차별화될 수 있다. 그러한 식별 또는 차별화 기술은 단독으로 또는 임의의 적합한 조합으로 사용될 수 있다. 핵산 서열분석의 맥락에서, 하나 이상의 마커의 방출 특성에 기초하여 4개의 마커의 세트 중에서 한 마커를 구별하는 것은 마커와 연관된 핵염기를 고유하게 식별할 수 있다.
II. 시스템의 개관
시스템은 통합 디바이스 및 통합 디바이스와 인터페이싱하도록 구성된 기기를 포함할 수 있다. 통합 디바이스는 픽셀들의 어레이를 포함하고, 한 픽셀은 한 샘플 우물 및 적어도 하나의 센서를 포함한다. 통합 디바이스의 표면은 복수의 샘플 우물을 가지며, 여기서 한 샘플 우물은 통합 디바이스의 표면 상에 놓인 시편(specimen)으로부터 한 샘플을 수용하도록 구성된다. 시편은 다중의 샘플을 포함할 수 있고, 일부 실시예들에서 상이한 유형들의 샘플들을 포함할 수 있다. 복수의 샘플 우물은, 샘플 우물들의 적어도 일부가 시편으로부터 하나의 샘플을 수용하도록 적합한 크기 및 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 우물 내의 샘플들의 수는, 일부 샘플 우물들은 하나의 샘플을 포함하고 다른 것은 0, 2 또는 그보다 많은 샘플을 포함하도록, 샘플 우물들 중에 분포될 수 있다.
일부 실시예들에서, 시편은 다중의 외가닥 DNA 템플릿을 포함할 수 있고, 통합 디바이스의 표면 상의 개별 샘플 우물들은 외가닥 DNA 템플릿을 수용하도록 크기 및 형상이 정해질 수 있다. 외가닥 DNA 템플릿들은 통합 디바이스의 샘플 우물들 중에 분포될 수 있어서 통합 디바이스의 샘플 우물들의 적어도 일부가 외가닥 DNA 템플릿을 포함하도록 한다. 시편은 또한 태깅된 dNTP들을 포함할 수 있고, 이것은 이후 샘플 우물로 진입하여 그것이 샘플 우물에서의 외가닥 DNA 템플릿에 상보적인 DNA의 가닥 내로 혼입됨에 따라 뉴클레오티드의 식별을 가능하게 할 수 있다. 이러한 예에서, "샘플"은 외가닥 DNA 및 폴리머라제에 의해 현재 혼입되고 있는 태깅된 dNTP 둘 다를 지칭할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시편은 외가닥 DNA 템플릿들을 포함할 수 있고, 태깅된 dNTPS는 뉴클레오티드들이 샘플 우물 내에서 DNA의 상보적 가닥에 혼입됨에 따라 샘플 우물에 후속적으로 도입될 수 있다. 이러한 방식으로, 뉴클레오티드들의 혼입 타이밍은 태깅된 dNTP들이 통합 디바이스의 샘플 우물들에 도입되는 시기에 의해 제어될 수 있다.
여기 에너지는 통합 디바이스의 픽셀 어레이로부터 분리되어 위치된 여기 소스로부터 제공된다. 여기 에너지는 샘플 우물 내에서 조명 영역을 조명하기 위해 하나 이상의 픽셀을 향하여 통합 디바이스의 요소들에 의해 적어도 일부가 지향된다. 그 후 마커 또는 태그는 조명 영역 내에 위치될 때 그리고 여기 에너지에 의해 조명되고 있는 것에 응답하여 방출 에너지를 방출한다. 일부 실시예들에서 하나 이상의 여기 소스는 시스템 기기의 일부이고, 여기서 기기 및 통합 디바이스의 컴포넌트들은 여기 에너지를 하나 이상의 픽셀 쪽으로 지향시키도록 구성된다.
이후 샘플에 의해 방출된 방출 에너지는 통합 디바이스의 픽셀 내의 1개 이상의 센서에 의해 검출될 수 있다. 검출된 방출 에너지의 특성들은 방출 에너지와 연관된 마킹을 식별하기 위한 표시를 제공할 수 있다. 이러한 특성들은, 센서에 의해 검출된 광자들의 도착 시간, 센서에 의해 시간에 걸쳐 축적된 광자들의 양, 및/또는 2개 이상의 센서에 걸친 광자들의 분포를 포함하는, 임의의 적절한 유형의 특성을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서는 샘플의 방출 에너지와 연관된 하나 이상의 타이밍 특성(예를 들어, 형광 수명)의 검출을 가능하게 하는 구성을 가질 수 있다. 센서는 여기 에너지의 펄스가 통합 디바이스를 통해 전파된 후 광자 도달 시간의 분포를 검출할 수 있고, 도달 시간의 분포는 샘플의 방출 에너지의 타이밍 특성의 지표(예를 들어, 형광 수명에 대한 프록시)를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 1개 이상의 센서는 마커 또는 태그에 의해 방출된 방출 에너지의 확률의 지표(예를 들어, 형광 강도)를 제공한다. 일부 실시예들에서, 복수의 센서는 방출 에너지의 공간 분포를 캡처하도록 크기가 정해지고 배열될 수 있다. 하나 이상의 센서로부터의 출력 신호들은 그 후 복수의 마커 중에서 마커를 구별하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 복수의 마커는 시료 내의 샘플을 식별하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플은 다중의 여기 에너지에 의해 여기될 수 있고, 다중의 여기 에너지에 반응하여 샘플에 의해 방출된 방출 에너지 및/또는 방출 에너지의 타이밍 특성은 복수의 마커로부터 한 마커를 구별할 수 있게 한다.
시스템(1-100)의 개략적 개요가 도 1a에 도시된다. 시스템은 기기(1-104)와 인터페이싱하는 통합 디바이스(1-102) 둘 다를 포함한다. 일부 실시예들에서, 기기(1-104) 는 기기(1-104)의 일부로서 통합된 하나 이상의 여기 소스(1-106)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 여기 소스는 기기(1-104) 및 통합 디바이스(2-102)의 외부에 있을 수 있고, 기기(1-104)는 여기 소스로부터 여기 에너지를 수신하여 여기 에너지를 통합 디바이스로 지향시키도록 구성될 수 있다. 통합 디바이스는 통합 디바이스를 수용하여 이것을 여기 소스와 정확한 광학 정렬로 잡아두기 위한 임의의 적합한 소켓을 사용하여 기기와 인터페이싱할 수 있다. 여기 소스(1-106)는 통합 디바이스(1-102)에 여기 에너지를 제공하도록 구성될 수 있다. 도 1a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 통합 디바이스(1-102)는 복수의 픽셀(1-112)을 가지며, 여기서 픽셀들의 적어도 일부는 샘플의 독립적 분석을 수행할 수 있다. 이러한 픽셀들(1-112)은, 픽셀이 픽셀로부터 분리된 소스(1-106)로부터의 여기 에너지를 수신하기 때문에 "수동 소스 픽셀들"로서 지칭될 수 있는데, 여기서 소스로부터의 여기 에너지는 픽셀들(1-112) 의 일부 또는 전부를 여기시킨다. 여기 소스(1-106)는 임의의 적합한 광원일 수 있다. 적합한 여기 소스의 예는, 2015년 8월 7일에 출원되고, 발명의 명칭이 "INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES"인 미국 특허 출원 제14/821,688호에 기술되어 있으며, 이 출원은 그 전체가 참조로 포함된다. 일부 실시예들에서, 여기 소스(1-106)는 통합 디바이스(1-102)에 여기 에너지를 전달하도록 조합된 다중의 여기 소스를 포함한다. 다중의 여기 소스는 다중의 여기 에너지 또는 파장을 산출하도록 구성될 수 있다.
픽셀(1-112)은 샘플을 수용하도록 구성된 샘플 우물(1-108), 및 여기 소스(1-106)에 의해 제공된 여기 에너지로 샘플을 조명하는 것에 반응하여 샘플에 의해 방출된 방출 에너지를 검출하기 위한 센서(1-110)를 갖는다. 일부 실시예들에서, 샘플 우물(1-108)은 통합 디바이스(1-102)의 표면에 근접하여 샘플을 보유할 수 있고, 이는 샘플로의 여기 에너지의 전달 및 샘플로부터의 방출 에너지의 검출을 용이하게 할 수 있다.
여기 에너지를 여기 에너지 소스(1-106)로부터 통합 디바이스(1-102)에 결합하고 또한 여기 에너지를 샘플 우물(1-108)로 안내하는 광학 소자들은 통합 디바이스(1-102) 및 기기(1-104) 둘 다에 위치된다. 소스-투-웰 광학 요소들은 여기 에너지를 통합 디바이스에 결합하기 위해 통합 디바이스(1-102)상에 위치된 하나 이상의 격자 커플러, 및 기기(1-104)로부터 픽셀들(1-112) 내의 샘플 우물들로 여기 에너지를 전달하기 위한 도파로들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 광 스플리터 요소가 격자 커플러와 도파로들 사이에 위치될 수 있다. 광 스플리터는 격자 커플러로부터의 여기 에너지를 결합하고 여기 에너지를 도파로들 중 적어도 하나에 전달할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광 스플리터는 도파로들 각각이 실질적으로 유사한 양의 여기 에너지를 수신하도록 모든 도파로들에 걸쳐 실질적으로 균일한 여기 에너지의 전달을 허용하는 구성을 가질 수 있다. 이러한 실시예들은 통합 디바이스의 샘플 우물들에 의해 수신된 여기 에너지의 균일성을 개선함으로써 통합 디바이스의 성능을 개선할 수 있다.
샘플 우물(1-108), 여기 소스-투-우물 광학계의 일부, 및 샘플 우물-투-센서 광학계는 통합 디바이스(1-102)상에 위치된다. 여기 소스(1-106) 및 소스-투-우물 컴포넌트의 일부는 기기(1-104)에 위치된다. 일부 실시예들에서, 단일 컴포넌트가 여기 에너지를 샘플 우물(1-108)에 결합할 뿐만 아니라 샘플 우물(1-108)로부터 센서(1-110)로 방출 에너지를 전달하는 역할도 할 수 있다. 통합 디바이스에 포함시키기 위한, 여기 에너지를 샘플 우물에 결합하고 및/또는 방출 에너지를 센서로 지향시키는데 적합한 컴포넌트의 예는 발명의 명칭이 "INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES"인 미국 특허 출원 제14/821,688호, 및 발명의 명칭이 "INTEGRATED DEVICE WITH EXTERNAL LIGHT SOURCE FOR PROBING, DETECTING, AND ANALYZING MOLECULES"인 미국 특허 출원 제14/543,865호에 설명되어 있는데, 이들 둘 다는 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
픽셀(1-112)은 그 자신의 개별 샘플 우물(1-108) 및 적어도 하나의 센서(1-110)와 연관된다. 통합 디바이스(1-102)의 복수의 픽셀은 임의의 적절한 형상, 크기 및/또는 치수를 갖도록 배열될 수 있다. 통합 디바이스(1-102)는 임의의 적합한 수의 픽셀을 가질 수 있다. 집적 디바이스(2-102)에서의 픽셀들의 수는 대략 10,000개의 픽셀 내지 1,000,000개의 픽셀의 범위에 있거나 또는 그 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위일 수 있다. 일부 실시예들에서, 픽셀은 512 픽셀 x 512 픽셀의 어레이로 배열될 수 있다. 통합 디바이스(1-102)는 임의의 적절한 방식으로 기기(1-104)와 인터페이싱할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기기(1-104)는 통합 디바이스(1-104)에 분리가능하게 결합된 인터페이스를 가질 수 있어서, 사용자가 통합 디바이스(1-102)의 사용을 위해 통합 디바이스(1-102)를 기기(1-104)에 부착할 수 있도록 하여, 샘플을 분석하고 기기(1-104)로부터 통합 디바이스(1-102)를 제거하여 또 다른 통합 디바이스가 부착될 수 있게 한다. 기기(1-104)의 인터페이스는 하나 이상의 센서로부터의 판독 신호들이 기기(1-104)에 전송되는 것을 허용하기 위해 기기(1-104)의 회로와 결합하도록 통합 디바이스(1-102)를 위치시킬 수 있다. 통합 디바이스(1-102) 및 기기(1-104)는 대형 픽셀 어레이들(예를 들어, 10,000 픽셀 초과)과 연관된 데이터를 취급하기 위한 다중 채널, 고속 통신 링크들을 포함할 수 있다.
기기(1-104)는 기기(1-104) 및/또는 통합 디바이스(1-102)의 동작을 제어하기 위한 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스는 사용자로 하여금 기기의 기능을 제어하는 데 이용되는 명령들 및/또는 설정들과 같은 정보를 기기에 입력할 수 있도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 사용자 인터페이스는 버튼들, 스위치들, 다이얼들, 및 음성 명령들을 위한 마이크로폰을 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스는 사용자로 하여금 적절한 정렬 및/또는 통합 디바이스상의 센서들로부터의 판독 신호들에 의해 획득된 정보와 같은, 기기 및/또는 통합 디바이스의 성능에 대한 피드백을 수신하도록 허용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 사용자 인터페이스는 가청 피드백을 제공하기 위해 스피커를 사용하여 피드백을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 사용자 인터페이스는 표시등 및/또는 사용자에게 시각적 피드백을 제공하기 위한 디스플레이 스크린을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 기기(2-104)는 컴퓨팅 디바이스와 연결하도록 구성된 컴퓨터 인터페이스를 포함할 수 있다. 컴퓨터 인터페이스는 USB 인터페이스, FireWire 인터페이스, 또는 임의의 다른 적절한 컴퓨터 인터페이스일 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 랩톱 또는 데스크톱 컴퓨터와 같은 임의의 범용 컴퓨터일 수 있다. 일부 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스는 적절한 컴퓨터 인터페이스를 통해 무선 네트워크를 통해 액세스 가능한 서버(예를 들어, 클라우드 기반 서버)일 수 있다. 컴퓨터 인터페이스는 기기(1-104)와 컴퓨팅 디바이스 사이의 정보의 통신을 용이하게 할 수 있다. 기기(1-104)를 제어 및/또는 구성하기 위한 입력 정보는 컴퓨팅 디바이스에 제공되고 컴퓨터 인터페이스를 통해 기기(1-104)에 전송될 수 있다. 기기(1-104)에 의해 생성된 출력 정보는 컴퓨터 인터페이스를 통해 컴퓨팅 디바이스에 의해 수신될 수 있다. 출력 정보는 기기(1-104)의 성능에 관한 피드백, 통합 디바이스(2-112)의 성능, 및/또는 센서(1-110)의 판독 신호들로부터 생성된 데이터를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 기기(1-104)는 통합 디바이스(1-102)의 하나 이상의 센서로부터 수신된 데이터를 분석하고 및/또는 제어 신호들을 여기 소스(들)(2-106)에 전송하도록 구성된 처리 디바이스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 처리 디바이스는 범용 프로세서, 특수하게 적응된 프로세서(예를 들어, 하나 이상의 마이크로프로세서 또는 마이크로제어기 코어들, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 주문형 집적 회로(ASIC), 커스텀 집적 회로, 디지털 신호 프로세서(DSP), 또는 이들의 조합과 같은 중앙 처리 디바이스(CPU))를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 센서로부터의 데이터의 처리는 기기(1-104)의 처리 디바이스 및 외부 컴퓨팅 디바이스 둘 다에 의해 수행될 수 있다. 다른 실시예들에서, 외부 컴퓨팅 디바이스는 생략될 수 있고, 하나 이상의 센서로부터의 데이터의 처리는 통합 디바이스(1-104)의 처리 디바이스에 의해서만 수행될 수 있다.
픽셀들(1-112)의 행을 나타내는 통합 디바이스(1-102)의 단면 개략도가 도 1ba에 도시되어 있다. 통합 디바이스(1-102)는 커플링 영역(1-201), 라우팅 영역(1-202), 픽셀 영역(1-203), 및 광학 덤프 영역(1-204)을 포함할 수 있다. 픽셀 영역(1-203)은 여기 소스(1-106)로부터의 광학 여기 에너지가 통합 디바이스(1-102)에 결합되는 커플링 영역(1-201)과는 별개의 위치에서 표면(1-200)상에 위치된 샘플 우물들(1-108)을 갖는 복수의 픽셀(1-112)을 포함할 수 있다. 점선 직사각형으로 도시된 하나의 픽셀(1-112)는 샘플 우물(1-108) 및 적어도 하나의 센서(1-110)를 포함하는 통합 디바이스(1-102)의 영역이다. 도 1ba에 도시된 바와 같이, 픽셀들(1-108)은 통합 디바이스의 표면(1-200)상에 형성된다. 도 1ba에 도시된 샘플 우물들(1-108)의 행은 도파로(1-220)와 광학적으로 결합하도록 배치된다.
도 1ba는 통합 디바이스(1-102)의 커플링 영역(1-201)에 그리고 샘플 우물들(1-108)에 여기 소스(1-106)를 결합함으로써 여기 에너지의 경로(파선으로 도시됨)를 도시한다. 여기 에너지는 샘플 우물 내에 위치된 샘플을 조명할 수 있다. 샘플은 여기 에너지에 의해 조명되는 것에 응답하여 여기 상태에 도달할 수 있다. 샘플이 여기 상태에 있을 때, 샘플은 방출 에너지를 방출하고 방출 에너지는 샘플 우물과 연관된 하나 이상의 센서에 의해 검출될 수 있다. 도 1ba는 샘플 우물(1-108)로부터 픽셀(1-112)의 하나 이상의 센서(1-110)로의 방출 에너지(실선으로 도시됨) 의 경로를 개략적으로 도시한다. 픽셀(1-112)의 하나 이상의 센서(1-110)는 샘플 우물(1-108)로부터의 방출 에너지를 검출하도록 구성되고 위치될 수 있다. 센서(1-110)는 광학 에너지를 전자들로 변환하도록 구성된 적합한 광 검출기를 지칭할 수 있다. 픽셀에서의 샘플 우물(1-108)과 센서(1-110) 사이의 거리(예를 들어, 샘플 우물의 하부 표면과 센서의 광 검출 영역 사이의 거리)는 10 나노미터 내지 200 나노미터의 범위, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위일 수 있다. 일부 실시예들에서, 픽셀에서의 샘플 우물과 센서 사이의 거리는 대략 10 마이크로미터 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서, 픽셀에서의 샘플 우물과 센서 사이의 거리는 대략 7 마이크로미터 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서, 픽셀에서의 샘플 우물과 센서 사이의 거리는 대략 3 마이크로미터 미만일 수 있다. 적합한 센서의 예는 발명의 명칭이 "INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS"인 미국 특허 출원 제14/821,656호에 설명되어 있고, 이 출원은 그 전문이 본 명세서에 참조로 포함된다. 도 1ba가 픽셀들의 행에서의 각각의 샘플 우물에 결합하는 여기 에너지를 도시하지만, 일부 실시예들에서, 여기 에너지는 행에서의 모든 픽셀들에 결합되지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 여기 에너지는 통합 디바이스의 픽셀들의 행에서의 픽셀들 또는 샘플 우물들의 일부에 결합될 수 있다.
커플링 영역(1-201)은 외부 여기 소스(1-106)로부터의 여기 에너지를 결합하도록 구성된 하나 이상의 광학 컴포넌트를 포함할 수 있다. 커플링 영역(1-201)은 여기 소스(1-106)로부터의 여기 에너지의 빔의 일부 또는 전부를 수신하도록 위치된 격자 커플러(1-216)를 포함할 수 있다. 여기 에너지의 빔은 임의의 적절한 형상 및/또는 크기를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 여기 에너지 빔의 단면은 타원 형상을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 여기 에너지 빔의 단면은 원형 형상을 가질 수 있다.
격자 커플러(1-216)는 여기 소스(1-106)로부터의 여기 에너지를 수신하도록 위치될 수 있다. 격자 커플러(1-216)는 하나 이상의 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자 커플러(1-216)는 도파로 내의 광의 전파에 평행한 방향을 따라 상이한 재료들로 된 교대하는 영역들을 포함할 수 있다. 격자 커플러(1-216)는 더 큰 굴절률을 갖는 재료로 둘러싸인 하나의 재료로 형성된 구조체들을 포함할 수 있다. 예로서, 격자 커플러는 실리콘 질화물로 형성되고 실리콘 이산화물로 둘러싸인 구조체들을 포함할 수 있다. 격자 커플러(1-216)를 형성하기 위해 임의의 적절한 치수들 및/또는 격자간 간격이 이용될 수 있다. 도 1ba에 도시된 바와 같이, 예를 들어 z방향을 따르는 도파로(1-220)에서의 광 전파에 평행한 방향을 따르는 격자 커플러(1-216)의 구조들 사이의 간격은 임의의 적절한 거리를 가질 수 있다. 인터-스페이싱 격자는 대략 300 nm 내지 대략 500 nm의 범위, 또는 해당 범위 내의 값들의 임의의 값 또는 값들의 범위일 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자간 간격은 격자 커플러 내에서 가변적일 수 있다. 격자 커플러(1-216)는 외부 여기 소스(1-106)와 결합하기에 적합한 영역을 제공하는 통합 디바이스(1-102)의 커플링 영역(1-201)에서의 표면(1-215)에 실질적으로 평행한 하나 이상의 치수를 가질 수 있다. 격자 커플러(1-216)의 영역은 여기 소스(1-214)로부터의 여기 에너지의 빔의 단면적의 하나 이상의 치수와 일치할 수 있어서 빔이 격자 커플러(1-216)와 중첩하도록 한다.
격자 커플러(1-216)는 여기 소스(1-214)로부터 수신된 여기 에너지를 도파로(1-220)에 결합할 수 있다. 도파로(1-220)는 여기 에너지를 하나 이상의 샘플 우물(1-108)의 근접한 곳에 전파하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 격자 커플러(1-216) 및 도파로(1-220)는 통합 디바이스(1-102)의 실질적으로 동일한 평면에 형성된다. 일부 실시예들에서, 격자 커플러(1-216) 및 도파로(1-220)는 통합 디바이스(4-200)의 동일한 층으로부터 형성되고 동일한 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자 커플러(1-216) 위에 배치된 미러는 여기 소스로부터의 여기 에너지를 격자 커플러(1-216) 쪽으로 안내할 수 있다. 미러는 샘플 우물들을 갖는 통합 디바이스의 표면 위에 위치된 하우징의 일부에 통합될 수 있고, 여기서 하우징은 샘플에 대한 유체 격납을 제공할 수 있다. 하나 이상의 센서(1-230)는 격자 커플러(1-216)를 통과하는 및/또는 격자 커플러(1-216) 외부의 격자 커플러(1-216)의 평면에서의 영역과 같은, 격자 커플러(1-216)에 근접한 영역을 통과하는 여기 에너지를 수신하도록 위치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도파로(1-220)와 센서들(1-110) 사이에 하나 이상의 필터가 배치될 수 있다. 하나 이상의 필터는 여기 에너지가 센서들(1-110)을 향해 통과하는 것을 감소시키거나 방지하도록 구성될 수 있고, 이는 센서들(1-110)의 신호 잡음에 기여할 수 있다.
커플링 영역은 (도 1ba에서 점선들로 도시된 바와 같이) 격자 커플러(1-216)를 통과할 수 있는 여기 에너지를 수신하도록 배치된 반사 층(1-226)을 포함할 수 있다. 반사 층은 여기 소스(1-106)로부터의 여기 에너지의 입사 빔에 대향하는 격자 커플러(1-216)의 측에 근접하게 위치한다. 반사 층(1-226)은 (도 1ba에서 파선으로 도시된 바와 같이) 여기 에너지를 격자 커플러를 향해 되돌려 반사함으로써 여기 에너지의 격자 커플러(1-216)에의 및/또는 도파로(1-220)에의 커플링 효율을 개선시킬 수 있다. 반사 층(1-226)은 Al, AlCu, TiN, 또는 하나 이상의 여기 에너지를 반사하는 임의의 다른 적합한 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 반사 층(1-226)은 여기 에너지가 하나 이상의 센서(1-230)까지 통과하는 것을 허용하는 하나 이상의 개구를 포함할 수 있다. 반사 층(1-226)의 하나 이상의 개구를 통과하는 여기 에너지를 수신하도록 배치된 하나 이상의 센서(1-230)는 여기 소스(1-106)로부터의 여기 에너지의 빔을 통합 디바이스(1-102)에 정렬하기 위해 사용되는 신호들을 생성할 수 있다. 특히, 커플링 영역(1-201)의 하나 이상의 센서(1-230)로부터의 신호들은 여기 에너지의 빔의 격자 커플러(1-216)에의 정렬의 표시를 제공할 수 있다. 정렬의 표시는 여기 에너지의 빔을 통합 디바이스(1-102)에 위치시키고 및/또는 정렬하기 위해 통합 디바이스(1-102)로부터 떨어져 위치된 하나 이상의 컴포넌트를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
통합 디바이스로부터 떨어져 위치된 컴포넌트들을 사용하여 여기 소스(1-106)를 통합 디바이스에 배치하고 정렬할 수 있다. 이러한 컴포넌트들은 렌즈, 미러, 프리즘, 애퍼처, 감쇠기, 및/또는 광 섬유를 포함하는 광학적 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 정렬 컴포넌트의 제어를 허용하기 위해 추가의 기계적 컴포넌트가 기기에 포함될 수 있다. 이러한 기계적 컴포넌트들은 액추에이터들, 스테퍼 모터들, 및/또는 노브들을 포함할 수 있다. 적절한 여기 소스 및 정렬 메커니즘의 예는, 발명의 명칭이 "PULSED LASER AND SYSTEM"인, 미국 특허 출원 제62/310,398호에 설명되어 있는데, 이 출원은 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 빔 스티어링 모듈의 다른 예는 발명의 명칭이 "Compact Beam Shaping and Steering Assembly"인 미국 특허 출원 제62/435,679호에 설명되어 있으며, 이 출원은 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
통합 디바이스(1-102)의 광학 덤프 영역(1-204)은 커플링 영역(1-201)에 대향하는 도파로(1-220)의 단부에서 하나 이상의 컴포넌트(1-240)를 포함할 수 있다. 컴포넌트(들)(1-240)는 샘플 우물들(1-110)과 결합한 후 도파로(1-220)을 통해 전파하는 남아있는 여기 에너지를 도파로(1-220) 밖으로 안내하도록 작용할 수 있다. 컴포넌트(들)(1-240)는 남아 있는 여기 에너지를 통합 디바이스(1-102)의 픽셀 영역(1-203)으로부터 멀어지게 지향시킴으로써 통합 디바이스의 성능을 향상시킬 수 있다. 컴포넌트(들)(1-240)는 격자 커플러(들), 광 커플러(들), 테이퍼(들), 헤어핀(들), 언듈레이터(들), 또는 임의의 다른 적절한 광학 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 덤프 영역(1-204)은 도파로(1-220)를 벗어나 결합되는 여기 에너지를 수신하도록 위치되는 하나 이상의 센서(1-242)를 포함한다. 하나 이상의 센서(1-242)로부터의 신호들은 도파로(1-220)를 통해 전파하는 여기 에너지의 광학 전력의 표시를 제공할 수 있고, 일부 실시예들에서, 여기 소스(1-106)에 의해 생성된 여기 에너지 빔의 광학 전력을 제어하는 데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 하나 이상의 센서(1-242)은 모니터링 센서(들)로서 역할을 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 범프 영역(1-204)은 통합 디바이스(1-102)의 각각의 도파로에 대한 컴포넌트(1-240) 및 센서(1-242)를 포함할 수 있다.
분석될 샘플은 픽셀(1-112)의 샘플 우물(1-108) 내에 도입될 수 있다. 샘플은 생물학적 샘플 또는 임의의 다른 적합한 샘플, 예를 들어 화학적 샘플일 수 있다. 샘플은 다중의 분자를 포함할 수 있으며, 샘플 우물은 단일 분자를 격리하도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 샘플 우물의 치수는 샘플 우물 내에 단일 분자를 가두도록 작용하여, 단일 분자에 대해 측정이 수행되게 할 수 있다. 여기 소스(1-106)는 샘플 우물(1-108) 내로 여기 에너지를 전달하여, 샘플, 또는 샘플에 부착되거나 다른 경우에는 샘플과 연관된 적어도 하나의 발광 마커를, 이것이 샘플 우물(1-108) 내의 조명 영역 내에 있는 동안 여기하도록 구성될 수 있다.
여기 소스가 샘플 우물에 여기 에너지를 전달할 때, 우물 내의 적어도 하나의 샘플이 발광할 수 있고, 결과적 방출은 센서에 의해 검출될 수 있다. 본원에 사용된 어구 "샘플은 발광할 수 있다" 또는 "샘플은 방사선을 방출할 수 있다" 또는 "샘플로부터의 방출"은 발광 태그, 마커, 또는 리포터, 샘플 자체, 또는 샘플과 연관된 반응 생성물이 방출된 방사선을 산출할 수 있다는 것을 의미한다.
통합 디바이스의 하나 이상의 컴포넌트는 방출 에너지가 센서로 향하게 지향시킬 수 있다. 방출 에너지 또는 에너지들은 센서에 의해 검출되고 적어도 하나의 전기 신호로 변환될 수 있다. 전기 신호들은 통합 디바이스 인터페이스를 통해 기기에 연결된 통합 디바이스의 회로에서의 도전 라인을 따라 전송될 수 있다. 전기 신호들은 후속적으로 처리 및/또는 분석될 수 있다. 전기 신호들의 처리 또는 분석은 기기 상에 또는 밖에 위치되는 적합한 컴퓨팅 디바이스상에서 발생할 수 있다.
동작 시에, 샘플 우물들 내의 샘플들의 병렬 분석은 여기 소스를 이용하여 우물들 내의 샘플들의 일부 또는 전부를 여기시키고 센서들에 의해 샘플 방출로부터의 신호들을 검출함으로써 수행된다. 샘플로부터의 방출 에너지는 대응하는 센서에 의해 검출되고 적어도 하나의 전기 신호로 변환될 수 있다. 결과적 신호, 또는 신호들은 일부 실시예들에서 통합 디바이스상에서 처리되거나, 또는 처리 디바이스 및/또는 컴퓨팅 디바이스에 의한 처리를 위해 기기에 전송될 수 있다. 샘플 우물로부터의 신호들은 다른 픽셀들과 연관된 신호들과 독립적으로 수신되고 처리될 수 있다.
일부 실시예들에서, 샘플은 하나 이상의 마커로 라벨링될 수 있으며, 마커들과 연관된 방출은 기기에 의해 분간가능하다. 예를 들어, 센서는 특정 마커로부터의 방출 에너지에 의존하는 수명을 확인하는데 사용될 수 있는 전기 신호를 형성하기 위해 방출 에너지로부터의 광자를 전자로 변환하도록 구성될 수 있다. 샘플들을 라벨링하기 위해 상이한 수명의 마커들을 사용함으로써, 센서에 의해 검출된 결과적인 전기 신호에 기초하여 특정 샘플들을 식별할 수 있다.
샘플은 다중 유형의 분자를 포함할 수 있고, 상이한 발광 마커들은 분자 유형과 고유하게 연관될 수 있다. 여기 동안 또는 여기 이후에, 발광 마커는 방출 에너지를 방출할 수 있다. 하나 이상의 방출 에너지의 속성은 샘플에서의 하나 이상의 분자 유형을 식별하는데 사용될 수 있다. 분자 유형을 구별하는데 사용되는 방출 에너지의 속성은 형광 수명 값, 강도, 및/또는 방출 파장을 포함할 수 있다. 센서는 방출 에너지의 광자를 포함하여 광자를 검출할 수 있고, 이들 속성 중 하나 이상을 나타내는 전기 신호를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서로부터의 전기 신호들은 하나 이상의 시간 간격에 걸쳐 광자 도달 시간의 분포에 관한 정보를 제공할 수 있다. 광자 도달 시간의 분포는 여기 소스에 의해 여기 에너지의 펄스가 방출된 후 광자가 검출되었을 때에 대응할 수 있다. 시간 간격에 대한 값은 시간 간격 동안 검출된 광자의 수에 대응할 수 있다. 다중의 시간 간격에 걸친 상대 값들은 방출 에너지의 시간적 특성(예를 들어, 수명)의 지표를 제공할 수 있다. 샘플을 분석하는 것은 분포 내의 2 이상의 상이한 시간 간격에 대한 값들을 비교함으로써 마커들 중에서 구별하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 강도의 지표는 분포에서 모든 시간 빈(time bin)에 걸쳐 광자들의 수를 결정함으로써 제공될 수 있다.
예시적인 기기(1-104)는, 도 1bb에 묘사된 바와 같이, 기기 내의, 또는 기타 방식으로 기기에 결합된 교체가능한 모듈로서 장착된 하나 이상의 모드 로킹 레이저 모듈(1-258)을 포함할 수 있다. 기기(1-104)는 광학 시스템(1-255) 및 분석 시스템(1-260)을 포함할 수 있다. 광학 시스템(1-255)은 광학 컴포넌트들의 일부 조합(예를 들어, 렌즈, 미러, 광학 필터, 감쇠기, 빔 스티어링 컴포넌트, 빔 성형 컴포넌트 각각 중 하나, 또는 그 이상을 포함할 수 있고, 이들 중 어느 것도 포함하지 않을 수 있음)을 포함할 수 있고, 모드 로킹 레이저 모듈(1-258)로부터의 출력 광학 펄스들(1-252)에 대해 동작하고 이들을 분석 시스템(1-260)으로 전달하도록 구성될 수 있다. 분석 시스템은 광학 펄스들을 분석될 적어도 하나의 샘플로 지향시키고, 적어도 하나의 샘플로부터 하나 이상의 광학 신호(예를 들어, 형광, 후방산란 방사(backscattered radiation))를 수신하며, 수신된 광학 신호들을 나타내는 하나 이상의 전기 신호를 생성하도록 배열된 복수의 컴포넌트(1-140)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분석 시스템(1-260)은 광 검출기들로부터의 전기 신호들을 처리하도록 구성된 하나 이상의 광 검출기 및 신호 처리 전자기기(예를 들어, 하나 이상의 마이크로제어기, 하나 이상의 필드 프로그래머블 게이트 어레이들, 하나 이상의 마이크로프로세서, 하나 이상의 디지털 신호 프로세서, 로직 게이트들 등)를 포함할 수 있다. 분석 시스템(1-260)은 또한 하나 이상의 데이터 통신 링크를 통해 외부 디바이스들로 그리고 그로부터 데이터를 송신 및 수신하도록 구성된 데이터 전송 하드웨어를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분석 시스템(1-260)은 분석될 하나 이상의 샘플을 수용할 수 있는 통합 디바이스(1-102)를 수용하도록 구성될 수 있다.
도 1bc는 출력 펄스들(1-252)의 시간 강도 프로파일들을 묘사한다. 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. 각각의 펄스의 지속시간은, 도 1b에 나타낸 바와 같이, FWHM(full-width-half-maximum) 값에 의해 특징지어질 수 있다. 모드 로킹 레이저의 일부 실시예들에 따르면, 극초단 광학 펄스들은 100 피코초(ps) 미만의 FWHM 값들을 가질 수 있다. 일부 경우들에서, FWHM 값들은 대략 5 ps 내지 대략 30 ps일 수 있다.
출력 펄스들(1-252)은 규칙적인 간격(T)만큼 분리될 수 있다. 예를 들어, T는 레이저 모듈(1-258)의 공동 단부 미러와 출력 커플러 사이의 왕복 이동 시간에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 펄스 분리 간격(T)은 대략 1 ns 내지 대략 30 ns의 범위, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위일 수 있다. 일부 경우들에서, 펄스 분리 간격(T)은 약 0.7 미터 내지 약 3 미터의 레이저 캐비티 길이(레이저 모듈(1-258)의 레이저 캐비티 내의 광학 축의 대략적인 길이)에 대응하는 대략 5 ns 내지 대략 20 ns의 범위에 있을 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 원하는 펄스 분리 간격(T) 및 레이저 캐비티 길이는 통합 디바이스(1-102)상의 샘플 우물들의 수, 형광 방출 특성들, 및 통합 디바이스(1-102)로부터 데이터를 판독하기 위한 데이터 처리 회로의 속도의 조합에 의해 결정될 수 있다. 본 발명자들은 상이한 형광단들이 그들의 상이한 형광 감쇠율들 또는 특징적 수명들에 의해 구별될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 그에 따라, 선택된 형광단들의 상이한 감쇠율들을 구별하기 위해 선택된 형광단들에 대한 적절한 통계를 수집하기에 충분한 펄스 분리 간격(T)이 필요하다. 그에 부가하여, 펄스 분리 간격(T)이 너무 짧으면, 데이터 핸들링 회로가 많은 수의 샘플 우물에 의해 수집되고 있는 많은 양의 데이터를 쫓아갈 수 없다. 본 발명자들은 약 5 ns 내지 약 20 ns의 펄스 분리 간격(T)이 약 2 ns까지의 감쇠율들을 갖는 형광단들에 대해 그리고 약 60,000 내지 600,000개의 샘플 우물로부터의 데이터를 핸들링하는 데에 적당하다는 것을 인식하고 알았다.
일부 구현들에 따르면, 빔 스티어링 모듈은 모드 로킹 레이저 모듈(1-125)로부터 출력 펄스들을 수신하고, 통합 디바이스(1-102)의 광학 커플러상으로 광학 펄스들의 적어도 위치 및 입사각들을 조정하도록 구성될 수 있다. 일부 경우들에서, 모드 로킹 레이저 모듈로부터의 출력 펄스들은 통합 디바이스(1-102)상의 광 커플러에서 빔 형상 및/또는 빔 회전을 추가로 또는 대안적으로 변경하기 위해 빔 스티어링 모듈에 의해 조작될 수 있다. 일부 구현들에서, 빔 스티어링 모듈은 출력 펄스들의 빔의 포커싱 및/또는 편광 조정들을 광 커플러상으로 추가로 제공할 수 있다. 빔 스티어링 모듈의 일 예는 2016년 5월 20일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Pulsed Laser and Bioanalytic System"인 미국 특허 출원 제15/161,088호에 설명되어 있으며, 이 출원은 참조로 본 명세서에 포함된다. 빔 스티어링 모듈의 다른 예는 발명의 명칭이 "Compact Beam Shaping and Steering Assembly"인 미국 특허 출원 제62/435,679호에 설명되어 있으며, 이 출원은 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 모드 로킹 레이저 모듈로부터의 출력 펄스들(1-522)은 통합 디바이스상의 하나 이상의 광학 도파로(1-312)에 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 펄스들은 격자 커플러(1-310)를 통해 하나 이상의 도파로에 결합될 수 있지만, 통합 디바이스상의 하나 이상의 광학 도파로의 단부에의 결합이 일부 실시예들에서 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 격자 커플러(1-310)에 대한 광학 펄스들(1-122)의 빔의 정렬을 돕기 위한 쿼드 검출기(quad detector)(1-320)가 반도체 기판(1-305)(예를 들어, 실리콘 기판) 상에 위치될 수 있다. 하나 이상의 도파로(1-312) 및 샘플 우물(1-330)은 기판, 도파로, 샘플 우물들, 및 광 검출기들(1-322) 사이의 개재 유전체 층들(예를 들어, 실리콘 이산화물 층들)을 갖는 동일한 반도체 기판 상에 집적될 수 있다.
각각의 도파로(1-312)는 도파로를 따라 샘플 우물들에 결합된 광학 전력을 균등화하기 위해 샘플 우물들(1-330) 아래에 테이퍼된 부분(1-315)을 포함할 수 있다. 감소하는 테이퍼(reducing taper)는 보다 많은 광학 에너지를 도파로의 코어 밖으로 강제로 내보내, 샘플 우물들에의 커플링을 증가시키고, 샘플 우물들 내로의 광 결합에 대한 손실들을 비롯한, 도파로를 따라 있는 광학 손실들을 보상할 수 있다. 제2 격자 커플러(1-317)는 광학 에너지를 통합된 포토다이오드(1-324)로 지향시키기 위해 각각의 도파로의 단부에 위치될 수 있다. 통합된 포토다이오드는 도파로 아래로 결합된 전력의 양을 검출하고 검출된 신호를 빔 스티어링 모듈을 제어하는 피드백 회로에 제공할 수 있다.
샘플 우물들(1-330)은 도파로의 테이퍼 부분(1-315)과 정렬되고 터브(tub)(1-340)에 리세싱될 수 있다. 각각의 샘플 우물(1-330)에 대해 반도체 기판(1-305)상에 위치된 시간-비닝(time-binning) 광 검출기들(1-322)이 있을 수 있다. 샘플 우물들 주위에 그리고 도파로 위에 금속 코팅 및/또는 다층 코팅(1-350)이 형성되어 샘플 우물들에 있지 않은(샘플 우물들 위의 용액에 분산된) 형광단들의 광학 여기를 방지할 수 있다. 각각의 도파로의 입력 및 출력 단부들에서 도파로(1-312)에서의 광학 에너지의 흡수 손실을 감소시키기 위해 금속 코팅 및/또는 다층 코팅(1-350)이 터브(1-340)의 에지들 너머에서 융기될 수 있다.
통합 디바이스상에 복수의 행의 도파로, 샘플 우물들, 및 시간-비닝 광 검출기들이 있을 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에서 총 65,536 샘플 우물에 대해, 512개의 샘플 우물을 각각 갖는 128개의 행이 있을 수 있다. 다른 구현들은 더 적거나 더 많은 샘플 우물들을 포함할 수 있고, 다른 레이아웃 구성들을 포함할 수 있다. 모드 로킹 레이저로부터의 광학 전력은 하나 이상의 스타 커플러(star coupler)들 및/또는 다중 모드 간섭 커플러들을 통해, 또는 통합 디바이스의 광 커플러와 복수의 도파로 사이에 위치되는 임의의 다른 수단에 의해 다중의 도파로에 분배될 수 있다.
도 1d는 도파로(1-315) 내의 광학 펄스(1-122)로부터 샘플 우물(1-330)로의 광학 에너지 커플링을 도시한다. 도파로(1-315)는 채널 도파로로서 간주될 수 있다. 도면은 도파로 치수, 샘플 우물 치수, 상이한 재료들의 광학 속성들, 및 샘플 우물(1-330)로부터의 도파로(1-315)의 거리를 고려한 광학파(optical wave)의 전자기 시뮬레이션으로부터 생성되었다. 도파로는, 예를 들어, 실리콘 이산화물의 주위 매질(1-410)을 가지며 실리콘 질화물로부터 형성될 수 있다. 도파로, 주위 매질, 및 샘플 우물은 2015년 8월 7일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Integrated Device for Probing, Detecting and Analyzing Molecules"인 미국 특허 출원 제14/821,688호에 설명된 마이크로제조 공정들에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 소멸 광학 필드(1-420)는 도파로에 의해 운반되는 광학 에너지를 샘플 우물(1-330)에 결합한다.
샘플 우물(1-330)에서 일어나는 생물학적 반응의 비제한적 예가 도 1e에 도시된다. 이 예에서, 표적 핵산에 상보적인 성장 가닥 내로의 뉴클레오티드들 및/또는 뉴클레오티드 유사체들의 순차적 혼입은 샘플 우물에서 일어나고 있다. 일련의 핵산(예를 들어, DNA, RNA)을 서열 분석하기 위해 순차적 혼입이 검출될 수 있다. 샘플 우물은 대략 150 내지 대략 250 nm의 범위, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위의 깊이, 및 대략 80 nm 내지 대략 160 nm의 범위의 직경을 가질 수 있다. 인접한 샘플 우물들 및 다른 원하지 않는 광원들로부터의 미광(stray light)을 차단하는 애퍼처(aperture)를 제공하기 위해 금속화 층(metallization layer)(1-540)(예를 들어, 전기적 기준 전위를 위한 금속화부(metallization))이 광 검출기 위쪽에 패터닝될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 폴리머라제(1-520)가 샘플 우물(1-330) 내에 위치될 수 있다(예를 들어, 샘플 우물의 베이스에 부착된다). 폴리머라제는 표적 핵산(예를 들어, DNA로부터 유래된 핵산의 일부분)을 받아들이고, DNA(1-512)의 성장 가닥을 생성하기 위해 상보적 핵산의 성장 가닥을 서열 분석할 수 있다. 상이한 형광단들로 라벨링된 뉴클레오티드들 및/또는 뉴클레오티드 유사체들은 샘플 우물 위 및 그 내의 용액에 분산될 수 있다.
도 1f에 도시된 바와 같이, 라벨링된 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체(1-610)가 상보적 핵산의 성장 가닥 내에 혼입될 때, 하나 이상의 부착된 형광단(1-630)이 도파로(1-315)로부터 샘플 우물(1-330) 내로 결합된 광학 에너지의 펄스들에 의해 반복하여 여기될 수 있다. 일부 실시예들에서, 형광단 또는 형광단들(1-630)은 임의의 적합한 링커(linker)(1-620)에 의해 하나 이상의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들(1-610)에 부착될 수 있다. 혼입 이벤트는 약 100 ms까지의 기간 동안 지속될 수 있다. 이 시간 동안, 모드 로킹 레이저로부터의 펄스들에 의한 형광단(들)의 여기로부터 기인하는 형광 방출의 펄스들은 시간-비닝 광 검출기(1-322)로 검출될 수 있다. 상이한 방출 특성들(예를 들어, 형광 감쇠율, 강도, 형광 파장)을 갖는 형광단들을 상이한 뉴클레오티드들(A, C, G, T)에 부착시키는 것에 의해, DNA(1-512)의 가닥이 핵산을 혼입하는 동안 상이한 방출 특징들을 검출 및 구별하는 것은 DNA의 성장 가닥의 뉴클레오티드 서열(nucleotide sequence)의 결정을 가능하게 한다.
일부 실시예들에 따르면, 형광 방출 특성들에 기초하여 샘플들을 분석하도록 구성된 기기(1-104)는 상이한 형광 분자들 사이의 형광 수명들 및/또는 강도들의 차이들, 및/또는 상이한 환경들에서 동일한 형광 분자들의 수명들 및/또는 강도들 사이의 차이들을 검출할 수 있다. 설명을 위한 것으로서, 도 1g는, 예를 들어, 2개의 상이한 형광 분자로부터의 형광 방출을 나타낼 수 있는, 2개의 상이한 형광 방출 확률 곡선(A 및 B)을 플로팅한 것이다. 곡선 A(파선)를 참조하면, 짧은 또는 극초단 광학 펄스에 의해 여기된 후에, 제1 분자로부터의 형광 방출의 확률
Figure pct00001
은, 묘사된 바와 같이, 시간에 따라 감쇠될 수 있다. 일부 경우들에서, 시간 경과에 따른 광자가 방출되는 확률의 감소는 지수 감쇠 함수
Figure pct00002
로 표현될 수 있고, 여기서
Figure pct00003
은 초기 방출 확률이고,
Figure pct00004
은 방출 감쇠 확률을 특징짓는 제1 형광 분자와 연관된 시간 파라미터이다.
Figure pct00005
은 제1 형광 분자의 "형광 수명", "방출 수명", 또는 "수명"이라고 지칭될 수 있다. 일부 경우들에서,
Figure pct00006
의 값은 형광 분자의 국소 환경에 의해 변경될 수 있다. 다른 형광 분자들은 곡선 A에 도시된 것과 상이한 방출 특성들을 가질 수 있다. 예를 들어, 또 다른 형광 분자는 단일 지수 감쇠(single exponential decay)와는 상이한 감쇠 프로파일을 가질 수 있고, 그 수명은 반감기 값(half-life value) 또는 소정의 다른 메트릭에 의해 특징지어질 수 있다.
Figure pct00007
제2 형광 분자는, 도 1g에서 곡선 B에 대해 묘사된 바와 같이, 지수적이지만, 잴 수 있을 정도로 상이한 수명
Figure pct00008
를 갖는 감쇠 프로파일을 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. 상이한 형광 분자들은, 일부 실시예들에서, 약 0.1 ns 내지 약 20 ns 범위에 있는 수명들 또는 반감기 값들을 가질 수 있다.
본 발명자들은 형광 방출 수명들에서의 차이들이 상이한 형광 분자들의 존재 여부를 분간하는 데 및/또는 형광 분자가 처해 있는 상이한 환경들 또는 조건들을 분간하는 데 사용될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 일부 경우들에서, (예를 들어, 방출 파장이 아닌) 수명에 기초하여 형광 분자들을 분간하는 것은 1 기기(1-104)의 양태들을 단순화시킬 수 있다. 일 예로서, 수명에 기초하여 형광 분자들을 분간할 때, 파장 판별 광학계(wavelength-discriminating optics)(파장 필터들, 각각의 파장에 대한 전용 검출기들, 상이한 파장들에서의 전용 펄스 광학 소스들, 및/또는 회절 광학계와 같은 것)가 개수에 있어서 감소되거나 제거될 수 있다. 일부 경우들에서, 광학 스펙트럼의 동일한 파장 영역 내에서 방출하지만 잴 수 있을 정도로 상이한 수명들을 갖는 상이한 형광 분자들을 여기시키기 위해, 단일 특성 파장에서 동작하는 단일 펄스 광학 소스가 사용될 수 있다. 동일한 파장 영역에서 방출하는 상이한 형광 분자들을 여기시키고 분간하기 위해, 상이한 파장들에서 동작하는 다중의 소스가 아니라 단일 펄스 광학 소스를 사용하는 분석 시스템이 동작하고 유지 보수하기에 덜 복잡하고, 보다 컴팩트하며, 보다 낮은 비용으로 제조될 수 있다.
형광 수명 분석에 기초한 분석 시스템이 특정 이점들을 가질 수 있지만, 분석 시스템에 의해 획득되는 정보의 양 및/또는 검출 정확도는 부가의 검출 기술들을 참작함으로써 증가될 수 있다. 예를 들어, 일부 분석 시스템(2-160)은 형광 파장 및/또는 형광 강도에 기초하여 샘플의 하나 이상의 속성들을 분간하도록 추가적으로 구성될 수 있다.
도 1g를 다시 참조하면, 일부 실시예들에 따르면, 형광 분자의 여기 이후에 형광 방출 이벤트들을 시간-비닝하도록 구성된 광 검출기를 사용해 상이한 형광 수명들이 구별될 수 있다. 시간 비닝은 광 검출기에 대한 단일 전하 축적 사이클(single charge-accumulation cycle) 동안 일어날 수 있다. 전하 축적 사이클은 광 생성 캐리어(photo-generated carrier)들이 시간-비닝 광 검출기의 빈(bin)들에 축적되는 판독 이벤트(read-out event)들 사이의 간격이다. 방출 이벤트들의 시간-비닝에 의해 형광 수명을 결정하는 개념이 도 1h에 그래픽으로 소개되어 있다. t1 직전인 시각 te에서, 형광 분자 또는 동일한 유형(예를 들어, 도 1g의 곡선 B에 대응하는 유형)의 형광 분자들의 앙상블(ensemble)이 짧은 또는 극초단 광학 펄스에 의해 여기된다. 분자들의 큰 앙상블의 경우, 방출 강도는, 도 1h에 묘사된 바와 같이, 곡선 B와 유사한 시간 프로파일을 가질 수 있다.
그렇지만, 단일 분자 또는 작은 수의 분자들의 경우, 형광 광자들의 방출은, 이 예에서, 도 1g에서의 곡선 B의 통계에 따라 일어난다. 시간-비닝 광 검출기(1-322)는 방출 이벤트들로부터 생성된 캐리어들을, 형광 분자(들)의 여기 시각과 관련하여 시간 분해(temporally resolve)되는 이산 시간 빈들(discrete time bins)(도 1h에 3개가 표시되어 있음) 내에 축적할 수 있다. 많은 수의 방출 이벤트들이 합산될 때, 시간 빈들에 축적된 캐리어들은 도 1h에 도시된 감쇠하는 강도 곡선을 근사화할 수 있으며, 비닝된 신호(binned signal)들은 상이한 형광 분자들 또는 한 형광 분자가 위치되는 상이한 환경들을 구별하는 데 사용될 수 있다.
시간-비닝 광 검출기(1-322)의 예들은 2015년 8월 7일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Integrated Device for Temporal Binning of Received Photons"인 미국 특허 출원 번호 제14/821,656호 - 이것은 참조에 의해 본 명세서에 포함됨 - 에 설명되어 있다. 설명 목적을 위해, 시간-비닝 광 검출기의 비제한적인 실시예가 도 1i에 묘사되어 있다. 단일 시간-비닝 광 검출기(1-900)는 광자 흡수/캐리어 생성 영역(1-902), 캐리어 이동 영역(carrier-travel region)(1-906), 및 복수의 캐리어 저장 빈(1-908a, 1-908b, 1-908c) - 모두가 반도체 기판상에 형성됨- 을 포함할 수 있다. 캐리어 이동 영역은 캐리어 수송 채널들(carrier-transport channels)(1-907)에 의해 복수의 캐리어 저장 빈에 연결될 수 있다. 3개의 캐리어 저장 빈만이 도시되어 있지만, 더 많거나 더 적은 것이 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 단일 시간-비닝 광 검출기(1-900)는 적어도 2개의 캐리어 저장 빈을 포함한다. 캐리어 저장 빈들에 연결된 판독 채널(1-910)이 있을 수 있다. 반도체를 국소적으로 도핑하는 것 및/또는 광 검출 능력을 제공하고 캐리어들을 가두기 위해 인접한 절연 영역들을 형성하는 것에 의해, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(1-902), 캐리어 이동 영역(1-906), 캐리어 저장 빈들(1-908a, 1-908b, 1-908c), 및 판독 채널(1-910)이 형성될 수 있다. 시간-비닝 광 검출기(1-900)는 또한, 디바이스를 통해 캐리어들을 수송하기 위한 전계들을 디바이스에 생성하도록 구성되는, 기판상에 형성된 복수의 전극(1-920, 1-922, 1-932, 1-934, 1-936, 1-940)을 포함할 수 있다.
동작 중에, 형광 광자들이 상이한 때에 광자 흡수/캐리어 생성 영역(1-902)에서 수광되어 캐리어들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 대략 시각 t1에서, 3개의 형광 광자가 광자 흡수/캐리어 생성 영역(1-902)의 공핍 영역에 3개의 캐리어 전자를 생성할 수 있다. (전극들(1-920 및 1-922)에 그리고 임의로 또는 대안적으로 전극들(1-932, 1-934, 1-936)에 대한 도핑 및/또는 외부 인가 바이어스(externally applied bias)로 인한 디바이스에서의 전계는 캐리어들을 캐리어 이동 영역(1-906)으로 이동시킬 수 있다. 캐리어 이동 영역에서, 이동 거리가 형광 분자들의 여기 이후의 시간으로 변환(translate)된다. 나중의 시각 t5에서, 또 다른 형광 광자가 광자 흡수/캐리어 생성 영역(1-902)에 수광되고 추가적 캐리어를 생성할 수 있다. 이 때, 처음 3개의 캐리어는 제2 저장 빈(1-908b)에 인접한 캐리어 이동 영역(1-906)에서의 위치로 이동하였다. 나중의 시각 t7에서, 캐리어들을 캐리어 이동 영역(1-906)으로부터 저장 빈들로 횡방향으로 수송하기 위해 전극들(1-932, 1-934, 1-936)과 전극(1-940) 사이에 전기 바이어스(electrical bias)가 인가될 수 있다. 이후 처음 3개의 캐리어는 제1 빈(1-908a)으로 수송되어 거기에 유지될 수 있고, 나중에 생성된 캐리어는 제3 빈(1-908c)으로 수송되어 거기에 유지될 수 있다. 일부 구현들에서, 각각의 저장 빈에 대응하는 시간 간격들이 나노초 이하의 시간 스케일(sub-nanosecond time scale)로 되어 있지만, 일부 실시예들에서(예를 들어, 형광단들이 더 긴 감쇠 시간들을 갖는 실시예들에서) 더 긴 시간 스케일들이 사용될 수 있다.
여기 이벤트(예를 들어, 펄스 광학 소스로부터의 여기 펄스) 이후에 캐리어들을 생성하고 시간-비닝하는 프로세스는 단일 여기 펄스 이후에 한 번 일어날 수 있거나 또는 광 검출기(1-900)에 대한 단일 전하 축적 사이클 동안 다중의 여기 펄스 이후에 여러 번 반복될 수 있다. 전하 축적이 완료된 후에, 캐리어들은 판독 채널(1-910)을 통해 저장 빈들로부터 판독될 수 있다. 예를 들어, 저장 빈들(1-908a, 1-908b, 1-908c)로부터 캐리어들을 제거하기 위해 적절한 바이어싱 시퀀스(biasing sequence)가 적어도 전극(1-940) 및 다운스트림 전극(downstream electrode)(도시되지 않음)에 인가될 수 있다.
다수의 여기 이벤트 이후에, 예를 들어, 형광 방출 감쇠율을 나타내는 대응하는 빈들을 갖는 히스토그램을 제공하기 위해, 각각의 전자 저장 빈에서의 축적된 신호가 판독될 수 있다. 이러한 프로세스는 도 1ja 및 도 1jb에 예시되어 있다. 히스토그램의 빈들은 샘플 우물에서의 형광단(들)의 여기 이후에 각각의 시간 간격 동안 검출된 광자들의 수를 나타낼 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 1ja에 묘사된 바와 같이, 많은 수의 여기 펄스에 뒤이어 빈들에 대한 신호들이 축적될 것이다. 펄스 간격 시간 T만큼 분리된 시각들
Figure pct00009
에서 여기 펄스들이 발생할 수 있다. 전자 저장 빈들에서의 신호들의 축적 동안 샘플 우물에 인가될 105 내지 107개의 여기 펄스가 있다. 일부 실시예들에서, 하나의 빈(빈 0)이 각각의 광학 펄스에 의해 전달된 여기 에너지의 진폭을 검출하고, (예를 들어, 데이터를 정규화하기 위해) 기준 신호로서 사용되도록 구성될 수 있다.
일부 구현들에서, 도 1ja에 묘사된 바와 같이, 여기 이벤트에 뒤이어 형광단으로부터 평균 하나의 광자만이 방출될 수 있다. 시각
Figure pct00010
에서의 제1 여기 이벤트 이후에, 시각
Figure pct00011
에서의 방출된 광자가 제1 시간 간격 내에서 발생할 수 있고, 따라서 결과적인 전자 신호(electron signal)가 제1 전자 저장 빈에 축적된다(빈 1에 기여함). 시각
Figure pct00012
에서의 후속 여기 이벤트에서, 시각
Figure pct00013
에서의 방출된 광자가 제2 시간 간격 내에서 발생할 수 있고, 따라서 결과적인 전자 신호는 빈 2에 기여한다.
많은 수의 여기 이벤트 및 신호 축적 이후에, 샘플 우물에 대한 다중 값 신호(예를 들어, 2개 이상의 값의 히스토그램, N-차원 벡터 등)를 제공하기 위해 시간-비닝 광 검출기(1-322)의 전자 저장 빈들이 판독될 수 있다. 각각의 빈에 대한 신호 값들은 형광단의 감쇠율에 의존할 수 있다. 예를 들어, 도 1h를 다시 참조하면, 감쇠 곡선 B를 갖는 형광단은 감쇠 곡선 A를 갖는 형광단보다 더 높은, 빈 1에서의 신호 대 빈 2에서의 신호의 비를 가질 것이다. 특정의 형광단 - 이 특정의 형광단은, 다음으로, 샘플 우물에 있을 때 형광단에 링크(link)된 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체(또는 임의의 다른 관심 분자 또는 시편)를 식별해줌 - 을 결정하기 위해, 빈들로부터의 값들이 분석되고 교정 값(calibration value)에 대하여 및/또는 서로 비교될 수 있다.
신호 분석을 이해하는 데 추가로 도움을 주기 위해, 축적된 다중의 빈 값(multi-bin value)이, 예를 들어, 도 1jb에 묘사된 바와 같이, 히스토그램으로서 플로팅될 수 있거나, 또는 N-차원 공간에서의 벡터 또는 위치로서 기록될 수 있다. 4개의 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체에 링크된 4개의 상이한 형광단에 대한 다중 값 신호에 대한 교정 값들(예를 들어, 교정 히스토그램들)을 취득하기 위해 교정 런(calibration run)들이 개별적으로 수행될 수 있다. 일 예로서, 교정 히스토그램들은 도 1ka(T 뉴클레오티드와 연관된 형광 라벨), 도 1kb(A 뉴클레오티드와 연관된 형광 라벨), 도 1kc(C 뉴클레오티드와 연관된 형광 라벨), 및 도 1kd(G 뉴클레오티드와 연관된 형광 라벨)에 묘사된 것처럼 보일 수 있다. 측정된 다중 값 신호(도 1jb의 히스토그램에 대응함)와 교정 다중 값 신호(도 1jb의 히스토그램에 대응함)의 비교는 DNA의 성장 가닥 내에 혼입되어 있는 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체의 동일성(identity) "T"(도 1ka)를 결정할 수 있다.
일부 구현들에서, 상이한 형광단들을 구별하기 위해 형광 강도가 그에 부가하여 또는 대안적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 형광단들이 상당히 상이한 강도들로 방출하거나 또는 그들의 여기 확률들에서의 상당한 차이(예를 들어, 적어도 약 35%의 차이)를 가질 수 있지만, 그들의 감쇠율들은 유사할 수 있다. 비닝된 신호들(빈 1 내지 빈 3)을 측정된 여기 에너지 빈 0과 대비하여 참조하는 것에 의해, 강도 레벨들에 기초하여 상이한 형광단들을 구별하는 것이 가능할 수 있다.
일부 실시예들에서, 형광단 강도에 기초하여 뉴클레오티드들이 식별될 수 있도록, 동일 유형의 형광단들의 상이한 수가 상이한 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들에 링크될 수 있다. 예를 들어, 2개의 형광단이 제1 뉴클레오티드(예를 들어, "C") 또는 뉴클레오티드 유사체에 링크될 수 있고, 4개 이상의 형광단이 제2 뉴클레오티드(예를 들어, "T") 또는 뉴클레오티드 유사체에 링크될 수 있다. 형광단들의 상이한 개수로 인해, 상이한 뉴클레오티드들과 연관된 상이한 여기 및 형광단 방출 확률들이 있을 수 있다. 예를 들어, 신호 축적 간격 동안 "T" 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체에 대한 방출 이벤트들이 더 많을 수 있고, 따라서 빈들의 겉보기 강도(apparent intensity)가 "C" 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체보다 상당히 더 높다.
본 발명자들은 형광단 감쇠율들 및/또는 형광단 강도들에 기초하여 뉴클레오티드들 또는 임의의 다른 생물학적 또는 화학적 시편들을 구별하는 것이 기기(1-104)에서의 광학 여기 및 검출 시스템의 단순화를 가능하게 할 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 예를 들어, 단일 파장 소스(예를 들어, 다중의 소스가 아니라 하나의 특성 파장을 생성하는 소스 또는 다중의 상이한 특성 파장에서 동작하는 소스)를 사용해 광학 여기가 수행될 수 있다. 또한, 검출 시스템에 파장 판별 광학계 및 필터들이 필요하지 않을 수 있다. 또한, 상이한 형광단들로부터의 방출을 검출하기 위해 각각의 샘플 우물에 대해 단일 광 검출기가 사용될 수 있다.
"특성 파장" 또는 "파장"이라는 문구는 제한된 방사 대역폭 내의 중심 또는 우세 파장(예를 들어, 펄스 광학 소스에 의해 출력된 20 nm 대역폭 내의 중심 또는 피크 파장)을 지칭하는 데 사용된다. 일부 경우들에서, "특성 파장" 또는 "파장"은 소스에 의해 출력된 총 방사 대역폭 내의 피크 파장을 지칭하는 데 사용될 수 있다.
본 발명자들은 약 560 nm 내지 약 900 nm의 범위에 있는 방출 파장들을 갖는 형광단들이 (CMOS 공정들을 사용하여 실리콘 웨이퍼상에 제조될 수 있는) 시간-비닝 광 검출기에 의해 검출될 적절한 양의 형광을 제공할 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 이 형광단들이, 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들과 같은, 생물학적 관심 분자들에 링크될 수 있다. 이 파장 범위에서의 형광 방출은 보다 긴 파장들에서의 형광보다 실리콘 기반 광 검출기에서 더 높은 응답도(responsivity)로 검출될 수 있다. 그에 부가하여, 이 파장 범위에서의 형광단들 및 연관 링커들은 DNA의 성장 가닥들 내로의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 혼입을 방해하지 않을 수 있다. 본 발명자들은 또한 약 560 nm 내지 약 660 nm 범위에 있는 방출 파장들을 갖는 형광단들이 단일 파장 소스를 사용해 광학적으로 여기될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 이 범위 내의 예시적인 형광단은 미국 메사추세츠주 월섬 소재의 Thermo Fisher Scientific Inc.로부터 입수가능한 Alexa Fluor 647이다. 본 발명자들은 또한 약 560 nm 내지 약 900 nm의 파장들에서 방출하는 형광단들을 여기시키기 위해 더 짧은 파장들(특히 약 500 nm 내지 약 650 nm)에서의 여기 에너지가 요구될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 일부 실시예들에서, 시간-비닝 광 검출기들은, 예를 들어, Ge와 같은 다른 재료들을 광 검출기의 활성 영역 내에 혼입시키는 것에 의해, 샘플들로부터의 보다 긴 파장의 방출을 효율적으로 검출할 수 있다.
단일 특성 파장을 방출하는 여기 소스를 사용하여 DNA를 서열 분석하는 것의 전망은 광학 시스템의 일부를 단순화할 수 있지만, 그것은 상기 언급된 바와 같이, 여기 소스에 대해 기술적으로 도전적인 요구를 할 수 있다. 예를 들어, 본 발명자들은 여기 소스로부터의 광학 펄스들이 상기 설명된 검출 스킴들에 대해 신속하게 소멸해야 하고, 따라서 여기 에너지가 후속적으로 검출된 형광 신호를 압도하거나 간섭하지 않는다는 것을 인식하고 알았다. 일부 실시예들에서, 도 1e를 다시 참조하면, 도파로(1-315)와 시간-비닝 광 검출기(1-322) 사이에 파장 필터들이 없을 수 있다. 여기 에너지가 차후의 신호 수집(signal collection)을 방해하는 것을 피하기 위해, 여기 펄스는 여기 펄스의 피크로부터 약 100 ps 내에 적어도 50 dB만큼 강도가 감소될 필요가 있을 수 있다. 일부 구현들에서, 여기 펄스는 여기 펄스의 피크로부터 약 100 ps 내에 적어도 80 dB만큼 강도가 감소될 필요가 있을 수 있다. 본 발명자들은 모드 로킹 레이저들이 이러한 고속 턴-오프(rapid turn-off) 특성들을 제공할 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 그러나, 모드 로킹 레이저들은 안정된 모드 로킹 상태에서 연장된 기간 동안 동작하기가 어려울 수 있다. 또한, 펄스 반복 레이트는 데이터 취득 목적을 위해 100 MHz보다 더 낮을 필요가 있을 수 있기 때문에, 모드 로킹 레이저 캐비티의 길이는 매우 길게 될 수 있다. 이러한 긴 길이들은 휴대용 데스크톱 기기에 통합될 수 있는 컴팩트 광학 소스와는 정반대이다. 추가적으로, 모드 로킹 레이저는 660 nm 미만의 파장들에서 형광단들의 여기를 위해 펄스 당 적절한 에너지(또는 높은 평균 전력들)를 제공해야만 하며, 따라서 형광은 병렬로 수천 또는 심지어 수백만 개의 샘플 우물들에 대해 통합 포토다이오드들로 검출가능하다. 본 발명자들은, 예를 들어, 통합 디바이스(1-102)의 광 커플러 및 도파로들에 효율적인 커플링이 달성될 수 있도록, 모드 로킹 레이저의 빔 품질이 높아야 한다(예를 들어, 1.5 미만의 M2 값)는 것을 추가로 인식하고 알았다. 현재, 휴대용 데스크톱 기기 내에 통합되고 연장된 기간 동안 안정적으로 유지되는 콤팩트한 모듈(예를 들어, 0.1 ft3 미만의 볼륨을 차지함)에서, 250 mW와 1 W 사이의 평균 전력에서 500 nm와 650 nm 사이의 파장들에서 50 MHz와 200 MHz 사이의 반복 레이트들로 펄스들을 제공하는 가용 상용 모드 로킹 레이징 시스템이 없다.
III. 통합 디바이스
샘플들을 분석하는데 있어서 통합 디바이스의 성능은 통합 디바이스의 광 커플러(예를 들어, 격자 커플러)의 커플링 효율, 여기 에너지를 개별 도파로들로 분할하는데 있어서의 광학 손실, 및 샘플 우물들 내로의 개별 도파로들의 커플링 효율을 포함하는, 통합 디바이스의 광학계에 관련된 다양한 인자들에 의존할 수 있다. 이러한 인자들은 샘플 우물들에 여기 에너지를 전달하기 위해 통합 디바이스상에 더 많은 샘플 우물들 및 광학 컴포넌트들이 포함됨에 따라 악화될 수 있다. 본 출원의 양태들은 광 커플러들, 광 스플리터들, 도파로들, 및 광학적 손실을 감소시키기 위해 및/또는 커플링 효율을 개선하기 위해 이러한 광학적 컴포넌트들을 통합 디바이스에 배열하기 위한 기술에 관한 것이다. 또한, 본 명세서에 설명되는 기술은 통합 디바이스의 샘플 우물들에의 여기 에너지의 전달에서의 균일성을 개선할 수 있다.
샘플을 분석하는데 있어서 통합 디바이스의 성능은, 개개의 샘플 우물들에 전달되는 여기 에너지(예를 들어, 광 전력)의 양에 또한 의존할 수 있다. 여기 에너지가 여기 소스로부터 샘플 우물로 전파됨에 따라, 샘플 우물에 결합되는 여기 에너지의 양을 감소시킬 수 있고 샘플을 검출할 때 샘플 우물과 연관된 픽셀의 성능에 영향을 줄 수 있는 광학 손실(optical loss)이 발생할 수 있다. 샘플 우물들의 어레이의 경우, 이러한 광학 손실은 샘플 검출이 가능한 픽셀들의 수를 제한할 수 있다. 이러한 광학 손실은 또한 여기 에너지를 어레이에서의 개별 샘플 우물들에 전달하는 데 있어서의 균일성을 감소시킬 수 있으며, 이는 또한 통합 디바이스의 성능에 영향을 줄 수 있다. 통합 디바이스의 도파로는, 여기 에너지를 도파로에 근접하게 위치된 다수의 샘플 우물(예를 들어, 512개의 샘플 우물)에 결합시킬 수 있다. 여기 에너지가 도파로를 따라 전파됨에 따라, 광학 손실의 총량은 증가하여, 도파로를 따라 더 멀리 위치한 샘플 우물들에 결합되는 여기 에너지의 양을 감소시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 도파로를 따른 광학 손실은, 도파로를 따라 위치된 개개의 샘플 우물들에 결합된 여기 에너지의 양에 있어서의 균일성에 영향을 줄 수 있다. 본 출원의 양태는, 여기 에너지가 도파로를 따라 전파될 때 광학 손실을 감소시킴으로써 샘플 우물들의 어레이 내의 여기 에너지의 균일성을 향상시키는, 통합 디바이스, 및 통합 디바이스를 형성하는 방법에 관한 것이다.
일부 경우들에서, 광원으로부터의 전력을 효율적으로 복수의 큰 통합 광학 도파로에 결합하려고 시도할 때 문제들이 발생할 수 있다. 많은 수의 샘플 우물들에 대한 각각의 도파로 및 샘플 우물에 충분한 전력을 제공하기 위해, 입력 빔에서의 평균 전력은 샘플 우물들의 수의 증가에 비례하여 상승한다. 일부 통합된 광학 도파로들(예를 들어, 실리콘 질화물 도파로 코어/실리콘 이산화물 클래딩)에 대해, 높은 전력들은 도파로의 전송 손실에서의 시간적 변화들을 야기할 수 있고 따라서 시간 경과에 따라 샘플 우물들에서 상당한 전력 불안정성을 야기할 수 있다. 높은 전력들에서 통합된 광학 도파로들에서의 시간 의존적인 전송 손실이 발명자들에 의해 측정되었고, 예시적인 결과들이 도 2에 플로팅된다.
삽입 손실은 실리콘 질화물 코어를 갖는 단일 모드 도파로들의 3개의 동일한 길이에 대해 시간의 함수로서 측정되었다. 3개의 도파로에 결합된 초기 평균 전력 레벨들은 0.5 mW, 1 mW, 및 2 mW였다. 도 2의 플롯은 3개의 전력 레벨에 대해 시간의 함수로서 각각의 도파로 길이에 대한 측정된 삽입 손실의 변화를 도시한다. 플롯은 높은 전력 레벨들에서 손실이 10 분 미만으로 3 dB만큼 변화할 수 있다는 것을 보여준다. 일부 응용에서, 반응들이 수십 분 또는 수 시간 동안 실행될 수 있는 단일 분자 핵산 서열 분석과 같은 일부 응용들에 대해, 이러한 전력 불안정성들은 수용가능하지 않을 수 있다.
샘플 우물들로부터의 방출 강도들이 낮거나 샘플의 특성화가 샘플 우물들로부터의 강도 값들에 의존하는 경우들에서, 샘플 우물들에 전달되는 전력은 시간에 따라 안정적으로 유지되는 것이 유익하다. 예를 들어, 샘플 우물들에 전달되는 전력이 도파로들에서의 시간 의존적 전송 손실로 인해 3 dB만큼 감소하면(도 2 참조), 형광 방출 이벤트들의 수는 기기의 잡음 플로어 아래에 있는 레벨까지 떨어질 수 있다. 일부 경우들에서, 광자 신호들을 잡음으로부터 구별하는 데 실패하는 것은 형광단 수명들을 구별하는 데 사용되는 광자 통계에 악영향을 미칠 수 있다. 그 결과, 중요한 분석 정보가 손실될 수 있고, 분석에서의 오류들이 발생할 수 있거나(예를 들어, 핵산 시퀀스 검출에서의 오류들), 또는 서열 분석 실행이 실패할 수 있다.
시간 의존적 도파로 전송 손실의 영향을 감소시키는 하나의 접근법은 통합 디바이스에서 사용되는 통합 도파로들의 길이를 감소시키는 것이다. 일부 경우들에서, 여기 에너지를 샘플 우물들에 라우팅하기 위해 상당한 길이의 도파로들이 필요할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 도파로들 내로 결합되는 복사의 강도가 감소될 수 있고 및/또는 금속 층으로부터 발생하는 도파로를 따른 광학 손실이 증가될 수 있다. 본 발명자들은 시간 의존적 도파로 전송 손실이, 여기 소스로부터의 빔이 먼저 통합 광학 회로의 단일 도파로 내에 결합되고, 이어서 (하나의 입력 및 2개의 출력을 갖는 다중모드 간섭 스플리터들의 이진 트리를 사용함으로써) 많은 도파로들 중에서 재분배되는 경우에 가장 문제가 될 수 있다는 것을 인식하고 알았다. 결합 영역에서, 이러한 경우에, 강도는 매우 높을 수 있고 도파로 전송 손실에서의 빠른 변화를 야기할 수 있다.
본 출원의 일부 실시예들은 도파로로부터 연장되는 원하는 소멸장을 갖는 광학 모드를 제공하는, 도파로 구조체들, 및 도파로 구조체들을 형성하는 방법들에 관한 것이다. 도파로를 따라 전파 방향에 수직으로 연장되는 소멸장은 도파로로부터 감소하는 광학 전력의 분포를 가질 수 있다. 소멸장은 광학 전력이 도파로로부터 감소하는 특성 감쇠를 가질 수 있다. 광학 모드의 전파를 지원하도록 구성된 도파로는 소멸장치 도파로로부터 빠르게 감쇠할 때 "가두어진" 광학 모드인 것으로 간주될 수 있다.
도파로의 하나 이상의 치수는 감쇠율, 도파로 물질과 주변 물질(예를 들어, 클래딩) 사이의 계면으로부터의 소멸장의 거리, 및 도파로 전파 방향으로부터 수직인 방향에서의 소멸장의 광학 전력 프로파일을 포함하여, 소멸장의 특성에 영향을 줄 수 있다. 도파로를 따른 전파 방향에 수직인 도파로의 치수는 소멸장의 하나 이상의 특성에 영향을 줄 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파로의 두께는 소멸장의 하나 이상의 특성에 영향을 줄 수 있다. 도파로의 두께는 도파로를 따라 전파하는 여기 에너지의 소멸장의 감쇠에 영향을 줄 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파로의 두께를 증가시키는 것은 소멸장의 감쇠를 증가시킬 수 있다.
일부 실시예들은 통합 디바이스의 하나 이상의 샘플 우물에 결합하기 위한 바라는 소멸장을 제공하기 위해 가변 두께를 갖는 도파로 구조체에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 도파로의 두께는 하나 이상의 샘플 우물과 중첩하지 않는 영역에서보다 하나 이상의 샘플 우물과 중첩하는 영역에서 더 클 수 있다. 이러한 실시예에서, 도파로는 금속 층의 존재로부터의 광학적 손실을 감소시키면서 여기 에너지의 샘플 우물 내로의 원하는 양의 커플링을 제공하는 소멸장을 갖는 광학 모드를 제공할 수 있다.
통합 디바이스의 광학 손실을 감소시키고 광학 성능을 개선하는 또 다른 기술은 통합 디바이스의 도파로의 길이를 따라 여기 에너지의 전력 분포를 변화시키는 것을 포함할 수 있다. 전력 분포는 샘플 우물과 중첩되는 도파로를 따른 위치들에서 증가 및/또는 넓어지고, 샘플 우물과 중첩하지 않는 도파로를 따른 위치들에서 감소 및/또는 좁아질 수 있다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스의 도파로는 복수의 광학 모드를 전파할 수 있다. 이러한 도파로는 "다중 모드 도파로"로 간주될 수 있다. 복수의 광학 모드는 도파로를 따라 광 전파 방향에 수직인 방향으로 여기 에너지의 전력 분포를 변화시키기 위해 간섭할 수 있다. 다중 모드 도파로의 전력 분포는, 전력 분포가 샘플 우물과 중첩되는 도파로를 따라 하나 이상의 위치에서 넓어지도록 변화할 수 있다.
A. 격자 커플러
커플링 영역(1-201)에서 시간 의존적 도파로 손실을 감소시키기 위해, 그 간략화된 예시가 도 2aa에 도시된 슬라이싱된 격자 커플러(2-100)가 구현될 수 있다. 슬라이싱된 격자 커플러는 격자 커플러(1-216)(특히, 도 1ba)일 수 있고, 출력 도파로들로서 간주될 수 있는 복수의 도파로(2-120)에 인접하여 형성된 길이 L의 격자(2-110)를 포함한다. 도파로들은 격자(2-110)에 의해 회절된 광을 수광하는 테이퍼 단부들(2-122)을 가질 수 있다. 테이퍼 단부들은 상이한 폭들(예를 들어, 묘사된 대로 격자의 대향 단부들을 향하여 더 넓은 폭들)을 가질 수 있다. 테이퍼 단부들에 의해 걸쳐 있는 총 폭은 격자의 길이 L보다 작거나 대략 동일할 수 있다.
일부 실시예들에서, 여기 소스(1-106)로부터의 빔은, 격자의 길이 L과 본질적으로 일치하기 위해 Y 방향으로 연장되도록 확장될 수 있다(또는 여기 소스에 의해 생성될 수 있다). 예를 들어, 연장된 빔(2-112)은 도 2aa에서 파선 타원에 의해 묘사된 바와 같은 형상을 가질 수 있으며, 여기서 파선 타원은 원하는 임계값(예를 들어, 80%, 90%)을 넘는 광학 강도를 갖는 빔의 일부분에 대응한다. 입사 빔은 도 2aa에 도시된 파선 타원을 넘어 연장되는 낮은 광학 강도의 꼬리 영역들을 가질 수 있다. 슬라이싱된 격자 커플러(2-100)는 75% 내지 99%의 범위에서 입사 빔의 일부, 또는 해당 범위 내의 임의의 백분율 또는 백분율의 범위를 캡처하도록 구성될 수 있다. 이러한 빔이 격자상에 입사하는 경우(예를 들어, +Z 방향으로 주로 이동하는 경우), 격자는 빔을 도파로들(2-120)의 테이퍼 단부들(2-122)을 향해 X 방향으로 회절시킬 것이다. 일부 실시예들에서, 빔은 격자(2-110)에 대한 법선(+Z 방향)으로부터 몇 도(예를 들어, 1-6 도)의 각도로 격자에 입사할 수 있다. 입사 빔을 출력 도파로들(2-120)을 향해 비스듬히 배치하는 것은 빔이 격자 커플러에 수직인 경우보다 격자 커플러에서의 회절의 양을 감소시킴으로써 격자 커플러 내로의 여기 에너지 결합 효율을 개선할 수 있다. 빔은 그 중심에서 가장 강한 Y 방향에서의 횡방향 강도 프로파일을 가질 수 있고 빔의 에지들을 향해 이동하면서 강도에 있어서 감소한다(±Y 방향들로 감소함). 이러한 빔에 대해, 도파로들의 테이퍼 단부들(2-122)은 격자(2-110)의 대향 단부들에서 더 넓을 수 있고 격자의 중심에서 더 좁을 수 있어서, 유사한 양의 전력이 복수의 도파로(2-120)의 각각의 도파로에 결합되도록 한다. 도면에는 10개의 도파로가 도시되어 있지만, 슬라이싱된 격자 커플러는 더 많은 도파로를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 슬라이싱된 격자 커플러는 20과 200 사이의 범위, 또는 해당 범위에서의 임의의 값 또는 임의의 값들의 범위에서 다수의 출력 도파로를 가질 수 있다. 많은 도파로들에 걸쳐 전력의 커플링을 분배함으로써, 초기에 모든 전력을 단일 도파로 내에 결합하는 것으로 인한 시간 의존적인 전송 손실과 연관된 악영향들이 감소되거나 제거될 수 있다. 확장된 빔은 또한 격자 커플러에서의 강도를 감소시키고, 격자(2-110), 반사 층(1-226), 통합 디바이스 내의 다른 구조체들, 및 광학 시스템 내의 다른 구조체들에 손상을 줄 위험을 감소시킨다.
일부 경우에, 도 2aa에 묘사된 슬라이싱된 격자 커플러(2-100) 및 빔 배열에 의해 복수의 도파로(2-120)에의 전력 커플링의 조절가능한 균일성을 제공하는 것이 바람직하다. 비록 빔의 횡방향 강도 프로파일이 가우시안이거나 또는 잘 특징지어져서 테이퍼 단부들(2-122)의 상이한 폭들이 이론적으로 동일한 양의 전력을 캡처하도록 미리 계산될 수 있도록 하기는 하지만, 커플링의 균일성은 빔의 횡방향 강도 프로파일에서의 변화들 및 Y 방향에서의 빔 변위에 매우 민감할 수 있다.
도 2ab는 복수의 도파로에 넓은 빔을 결합하는 접근법을 예시하는데, 이 접근법은 도파로들에 결합되는 전력 레벨들의 균일성을 개선하기 위한 조정들을 제공하고 또한 빔의 횡방향 강도 프로파일에 대한 및 빔 변위에 대한 커플링의 감도를 감소시킨다. 일부 실시예들에 따르면, 여기 소스(예를 들어, 레이저)로부터의 둥근 형상 빔은 격자(2-110)의 길이(L) 및 테이퍼 단부들(2-122)의 어레이를 초과하는 타원형 빔(2-122)으로 재성형될 수 있고, 타원의 장축이 격자(2-110)의 치형부들 또는 선들에 대해 각도α를 갖도록 회전된다. 각도 α는 일부 실시예들에서 1도와 10도 사이일 수 있다. 빔(2-122)의 부분들은 ±X 방향으로 격자(2-110)의 에지들을 넘어 연장될 수 있다. 도 2aa에 도시된 커플링 배열은 빔 영역의 95%를 초과하는 것으로부터의 전력이 테이퍼 단부들(2-122)에 결합되도록 허용할 수 있지만, 도 2ab에 도시된 커플링 배열은 빔 영역의 80%와 95% 사이의 전력이 테이퍼 단부들에 결합되도록 허용할 수 있다. 본 발명자들은 전반적 커플링 효율의 감소가 도파로들 내로의 결합된 전력의 커플링 안전성 및 균일성에 있어서의 개선들에 의해 보상되고도 남는다는 것을 인식하고 알았다. 도 2ac는 통합 디바이스의 바라는 성능을 유지하면서 상이한 빔 크기들을 허용하기 위해 격자 커플러의 능력을 드러내도록 상이한 빔 폭들에 대해 슬라이싱된 격자 커플러를 사용함으로써 통합 디바이스에 걸쳐 폐기된 백분율을 도시한다. 일부 실시예들에서, 슬라이싱된 격자 커플러는 대략 +/-10%의 빔 크기 허용오차, 대략 45%의 격자 커플러 효율, 및 대략 +/-25%의 샘플 우물들의 어레이에 걸친 조명 균일성의 변동을 허용할 수 있다.
동작 동안, 각도 α 및 X 및 Y 방향들에서의 빔 변위는 복수의 도파로(2-120)에 걸친 전력의 균일한 커플링을 획득하고 유지하도록 조절될 수 있다. 빔(2-122)이 Y 방향에서 비대칭 강도 프로파일을 갖는 경우, 비대칭을 보상하기 위해 빔의 위치가 X 방향으로 조절될 수 있다. 예를 들어, +Y 방향에서의 빔의 강도가 -Y 방향에서의 빔의 강도보다 큰 경우, 빔은 (도시된 각도에 대해) -X 방향으로 이동될 수 있어서, +Y 방향에서의 빔의 일부가 격자(2-110)를 벗어나 이동하고 또한 +Y 방향에서 테이퍼 단부들(2-122)에 결합된 전력의 양을 감소시키도록 된다. -Y 방향에서의 빔의 일부는 격자(2-110)상으로 이동하고-Y 방향에서 테이퍼 단부들(2-122)에 결합된 전력의 양을 증가시킬 수 있다. 빔(2-122) 이 Y 방향에서 대칭 강도 프로파일을 갖는 경우, ±Y 방향들 및/또는 ±α 방향들에서의 조정들이 도파로들에 결합된 전력의 균일성을 개선하도록 이루어질 수 있다. 타원형 빔을 슬라이싱된 격자 커플러에 정렬하기 위해 사용되는 빔 스티어링 모듈의 예는 발명의 명칭이 "Compact Beam Shaping and Steering Assembly"인 미국 특허 출원 제62/435,679호에 설명되어 있으며, 이 출원은 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
슬라이싱된 격자 커플러의 테이퍼 단부들의 하나 이상의 치수는 슬라이싱된 격자 커플러에 결합된 광학 강도의 변화를 보상하기 위해 변할 수 있다. 일부 실시예들에서, 테이퍼 단부들의 (도 2aa에 도시된 y-축을 따른) 폭은 슬라이싱된 격자 커플러의 측방에서 달라질 수 있다. 일부 실시예들에서, 테이퍼 단부들의 (도 2aa에 도시된 z-축을 따른) 높이는 격자 커플러의 측부에서 달라질 수 있다. 테이퍼 단부의 치수는 격자 커플러에 대한 테이퍼 단부의 위치에 의존할 수 있다. 격자 커플러 내의 강도 분포 프로파일은 테이퍼 단부들 각각이 특정 격자 커플러에 대한 강도 프로파일이 주어지는 경우 실질적으로 유사한 양의 광학 전력을 수신하는 것을 허용하는 테이퍼 영역들의 위치 결정 및/또는 크기의 표시를 제공할 수 있다. 도 2ad는 중심 점의 위치(x축을 따른 0)의 함수로서의 상대 강도의 플롯이다. 도 2ad에 도시된 강도 프로파일은 240 마이크론 길이를 갖는 슬라이싱된 격자 커플러에 대한 것이다(도 2aa에 도시된 치수 L). 격자 커플러의 격자들의 중심 지점에서의 강도 피크들이 격자들의 길이를 따라 감소되기 때문에, 테이퍼 단부들은 격자들의 중심 지점으로부터 외부 에지들로의 폭이 증가할 수 있어서, 테이퍼 단부들 내로 결합되는 광학 전력의 양의 균일성을 개선한다. 일부 실시예들에서, 테이퍼 단부들 각각은 테이퍼 단부들 각각이 실질적으로 동일한 양의 전력을 캡처하도록 적절하게 배치되고 크기가 정해질 수 있다. 도 2ad는 강도 프로파일에 대해 이 개념을 표현하기 위해 테이퍼 단부들(2-122a, 2-122b, 2-122c)의 가능한 위치들 및 폭들을 나타낸다. 테이퍼 단부들의 추가적인 폭들은 도 2ad에서 정사각형 점들에 의해 표현된다. 테이퍼 단부(2-122a)는 가장 바깥쪽 테이퍼 단부에 위치되고, 또한 이것이 낮은 강도를 갖는 격자 커플러의 위치에서 캡처하고 있기 때문에 가장 큰 폭을 갖는다. 테이퍼 단부들(2-122b 및 2-122c)은 중심점에 더 가깝게 위치되고 점진적으로 더 작은 폭들을 갖는다.
일부 실시예들에서, 슬라이싱된 격자 커플러의 테이퍼 단부들의 하나 이상의 치수는 통합 디바이스의 광학 시스템 내의 광학 컴포넌트들(예를 들어, 광 스플리터들)을 고려하기 위해 달라질 수 있다. 통합 디바이스 내의 많은 도파로들 중에서 여기 에너지를 분배하기 위해, 슬라이싱된 격자 커플러로부터의 출력 도파로들은 여기 에너지를 전파하는 도파로들의 수를 증가시키기 위해 광 스플리터와 결합할 수 있다. 출력 도파로들 중 일부는 하나의 광 스플리터만을 갖는 광 경로를 따라 여기 에너지를 결합할 수 있는 반면, 출력 도파로들은 2개 이상의 광 스플리터를 갖는 광학 경로를 따라 여기 에너지를 결합할 수 있다. 테이퍼 단부들의 치수는, 격자 내의 강도 분포를 고려하는 것에 더하여, 각각의 출력 도파로가 결합하는 광학 경로에서의 광 스플리터들의 수에 의존하여 달라질 수 있다. 일부 실시예들에서, 슬라이싱된 격자 커플러는 격자의 에지에 근접한 테이퍼 단부 및 격자의 측부의 중심에 근접한 테이퍼 단부 둘 다보다 큰 치수를 갖는 하나의 테이퍼 단부를 가질 수 있다.
도 2ba는 격자(2-210) 를 갖는 격자 커플러(2-200)의 개략도를 도시한다. 테이퍼 단부들(2-222a, 2-222b, 2-222c)은 측부(2-230)에서 격자(2-210)에 결합되고 출력 도파로들(2-220)에 결합된다. 이 예에서, 테이퍼 단부(2-222b)는 측부(2-230)의 에지에 근접하게 위치되는 테이퍼 단부(2-222a), 및 측부(2-230)의 중심 부근에 위치되는 테이퍼 단부(2-222c) 둘 다보다 더 큰 폭(y-축을 따른 치수)을 갖는다. 테이퍼 단부들의 이러한 변형은 격자(2-210)에서의 여기 에너지의 강도 프로파일에 더하여 출력 도파로들(2-220)이 결합하는 광 스플리터들의 수를 보상할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 강도는 격자의 중심에서 가장 높을 수 있고 격자의 에지들을 향해 감소할 수 있다. 테이퍼 단부(2-222a)에 대한 출력 도파로는 격자의 하류에 사용되는 광 스플리터들의 수를 감소시킴으로써 에지들에 근접한 더 낮은 강도를 책임질 수 있다. 일부 실시예들에서, 테이퍼 단부(2-222a)로부터 기인하는 여기 에너지의 경로는 단 하나의 광 스플리터를 포함할 수 있는 반면, 테이퍼 단부들(2-222b 및 2-222c)에 대한 경로들은 2개 이상의 광 스플리터를 포함할 수 있다.
B. 광 스플리터(들)
하나 이상의 광 스플리터(예를 들어, 멀티모드 간섭 스플리터)는 격자 커플러(1-216)와 도파로(1-220) 사이에 위치될 수 있고, 일부 실시예들에서 라우팅 영역(1-202)의 일부로서 포함될 수 있다. 광 스플리터는 광 스플리터에 대한 입력으로서 격자 커플러의 출력 도파로에 결합될 수 있고, 광 스플리터의 출력들로서 2개 이상의 도파로를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자 커플러(1-216)에 의해 수신된 광학 전력을, 통합 디바이스의 픽셀 영역(1-203)에서의 샘플 우물들(1-108)에 여기 에너지를 전파하는 도파로들(1-220) 내로 분할하기 위해 다중의 광 스플리터가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자 커플러와, 여기 에너지를 샘플 우물에 결합하는 도파로 사이의 광 스플리터들의 수는 격자 커플러로부터의 출력 도파로들이 위치 및/또는 크기를 갖는 방법에 좌우되어 변할 수 있다.
도 2bb는 도 2ba에 도시된 슬라이싱된 격자 커플러 및 광 스플리터들을 구현하는 예시적인 광학 라우팅 배열을 도시한다. 격자(2-110)에 추가하여, 격자의 측부(2-230)에서 테이퍼 단부들, 출력 도파로들(2-220), 및 멀티모드 간섭(MMI) 스플리터들(2-240a, 2-240b 및 2-242)은 출력 도파로들에서 전파되는 광학 전력을 도파로들(1-220)에 더 분할하기 위해 사용될 수 있고, 도파로들은 통합 디바이스의 픽셀 영역에서의 샘플 우물들에 여기 에너지를 전파한다. MMI 스플리터들(2-240a 및 2-240b)은 각각 출력 도파로(2-220)을 입력으로서 수신하고 2개의 출력을 갖는 MMI 스플리터들의 제1 그룹의 일부이다. 제1 그룹 내의 MMI 스플리터들은 격자 커플러(2-110)로부터 1 mm 미만에 있을 수 있다. MMI 스플리터(2-242)는 MMI 스플리터(2-240b)와 같은 MMI 스플리터로부터 출력을 각각 수신하고 도파로들(1-220)을 형성하는 2개의 출력을 갖는 MMI 스플리터들의 제2 그룹의 일부이다. 도 2ba에 도시된 MMI 스플리터들이 2개의 출력을 갖지만, 본 명세서에 설명된 기술들이 광 스플리터에서의 출력들의 수에 제한되지 않기 때문에 더 많은 출력이 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.
도 2bb에 도시된 바와 같이, 제1 그룹에서의 MMI 스플리터들(2-240)로부터의 모든 출력들이 제2 그룹에서의 MMI 스플리터들(2-242)에 대한 입력을 형성하지는 않는다. 도 2ba에 도시된 바와 같이, MMI 스플리터(2-240b)로부터의 출력들은 2개의 MMI 스플리터(2-242)에 결합되는 반면, MMI 스플리터(2-240a)는 임의의 MMI 스플리터(2-242)에 결합되지 않는다. 다시 도 2ba를 참조하면, 테이퍼 단부(2-222a)와 같은 외부 테이퍼 단부들은 테이퍼 단부(2-222b)와 같은 다른 테이퍼 단부보다 작은 폭을 가지며, 격자(2-110)에서의 강도 프로파일 때문에 더 적은 광학 전력을 전파할 것이다. 도파로들(1-220) 중에서 광학 전력의 개선된 균일성을 갖게 하기 위해, 외부 테이퍼 단부들은 더 적은 MMI 스플리터들을 갖는 경로들에 광학 전력을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 격자(2-110)의 출력들로부터 도파로들(1-220)을 형성하는 데 사용되는 테이퍼 단부들의 하나 이상의 치수 및 MMI 스플리터들의 수는 격자(2-110)에서의 강도 프로파일을 균형화할 수 있다.
C. 어레이 레이아웃
본 출원의 일부 실시예들은, 예를 들어 도파로 길이들을 감소시킴으로써, 앞서 논의한 대로, 디바이스 성능을 개선하고 및/또는 시간 의존적 도파로 손실을 감소시키기 위해, 통합 디바이스에서의 도파로들 및 광학 컴포넌트들의 라우팅을 위한 기술에 관한 것이다. 도파로들 및 광학 컴포넌트들의 라우팅에서의 또 다른 고려사항은 추가 샘플 우물들에 대해 이용가능한 더 많은 표면적을 허용하기 위해 광학 라우팅에 전용되는 통합 디바이스의 풋프린트를 감소시키는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 도파로들은 격자 커플러로부터 방사상 분포로 라우팅될 수 있다. 도 2bb에 도시된 바와 같이, 출력 도파로들(2-220), MMI 스플리터들(2-240 및 2-242), 도파로들(1-220)은 격자(2-110)로부터 방사상으로 배열된다. 여기 에너지를 통합 디바이스의 픽셀 영역(1-203)에서의 샘플 우물들로 향하게 하기 위해, 도파로들(1-220)은 행들로 배열되어, 개별 도파로(1-220)가 도 1ba에 도시된 샘플 우물들(1-108)의 행과 같은, 통합 디바이스의 샘플 우물들의 행과 결합하게 위치되도록 한다. 도 2bb의 평면도와 관련하여, 도파로들(1-220)은 통합 디바이스의 픽셀 영역 내에서 x축을 따라 선형으로 연장될 수 있다.
일부 실시예들에서, 통합 디바이스의 픽셀 영역에서의 도파로들은 격자 커플러의 격자들에 실질적으로 평행하게 위치될 수 있다. 광 전파 영역은 격자 커플러를 도파로들에 광학적으로 결합할 수 있다. 이러한 도파로 레이아웃은 더 짧은 도파로들을 허용할 수 있으며, 이는 시간 의존적 도파로 손실을 포함하여 광학 손실을 감소시킬 수 있다. 도 3a는 격자 커플러의 격자(3-110), 전파 영역(3-120), 및 도파로들(3-130a 및 3-130b)을 갖는 예시적인 광학 라우팅 배열의 개략도를 도시한다. 전파 영역(3-120)은 두 세트의 출력 도파로들(3-130a 및 3-130b) 사이에 배치될 수 있다. 전파 영역(3-120)이 여기 에너지를 다중의 도파로들(3-130)에 제공하도록 구성되기 때문에, 그것은 광 스플리터로서 간주될 수 있다. 도파로들(3-130a 및 3-130b)은 여기 에너지를 통합 디바이스의 픽셀 영역(들)에서의 샘플 우물들에 결합하도록 위치될 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 도파로들(3-130a 및 3-130b)은 격자 커플러의 격자들(3-110)에 실질적으로 평행한 방향(y-축)을 따라 전파 영역(3-120)으로부터 분기한다. 도파로 레이아웃의 중심 부분을 따라 배치된 전파 영역(3-120)을 가짐으로써, 도파로들(3-130)은 도파로들이(도 2bb에 도시된 바와 같이) 격자 커플러의 격자들에 실질적으로 수직으로 위치되는 도파로 레이아웃에서보다 더 짧은 길이를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 하나 이상의 광 스플리터(예를 들어, MMI 스플리터들)는 통합 디바이스의 픽셀 영역에 배치될 수 있고 또한 샘플 우물들의 행 또는 열과 광학적으로 결합하도록 구성된 2개 이상의 도파로와 결합하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 광 스플리터는 샘플 우물들의 2개 세트 사이에 위치될 수 있다. 광 스플리터에 대한 하나 이상의 입력 도파로가 샘플 우물들의 2개의 세트 사이에 위치될 수 있다. 입력 도파로들은 도 3a에 도시된 전파 영역(3-120)으로부터 분기하는 도파로들(3-130a 및 3-130b)과 같은 전파 영역에 결합되는 도파로일 수 있다. 도 3b는 제각기 광 스플리터들(3-214a 및 3-214b)에 대한 입력들로서 역할하도록 구성된 입력 도파로들(3-210a 및 3-210b)을 포함하는 예시적인 도파로 레이아웃의 개략도를 도시한다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 입력 도파로들(3-210a 및 3-210b)은 샘플 우물(3-212a)을 포함하는 샘플 우물들의 제1 세트와 샘플 우물(3-212b)을 포함하는 샘플 우물들의 제2 세트 사이에 위치된다. 또한, 광 스플리터들(3-214a 및 3-214b)은 샘플 우물들의 제1 세트와 샘플 우물들의 제2 세트 사이에 배치된다. 광 스플리터(3-214a)로부터의 출력 도파로들(3-216a 및 3-216b)은 샘플 우물들의 제1 세트에서의 샘플 우물들의 행과 각각 결합하도록 위치된다. 광 스플리터(3-214b)로부터의 출력 도파로들(3-218a 및 3-218b)은 샘플 우물들의 제2 세트에서의 샘플 우물들의 행과 각각 결합하도록 위치된다.
D. 샘플 우물들
본 명세서에 설명된 타입의 통합 디바이스는 그 안에 샘플들을 수용하도록 구성된 하나 이상의 샘플 우물을 포함할 수 있다. 통합 디바이스는 샘플 우물들(예를 들어, 512개의 샘플 우물)의 행들에 배치된 픽셀들을 포함할 수 있다. 각각의 샘플 우물은 바닥 표면과 같은 샘플 우물의 표면 상에 배치될 수 있는 샘플을 수용할 수 있다. 샘플이 그 상에 배치될 표면은 원하는 여기 에너지 레벨로 샘플을 여기시키도록 구성되는 도파로로부터의 거리를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 우물은 도파로에 대해 배치될 수 있어서, 도파로를 따라 전파되는 광학 모드의 소멸장이 샘플과 중첩하도록 한다.
샘플 우물은 하나 이상의 샘플이 그를 통해 샘플 우물에 액세스할 수 있는 상부 애퍼처를 가질 수 있다. 상부 애퍼처의 크기는 상이한 인자들에 의존할 수 있다. 하나의 이러한 인자는 하나 이상의 샘플이 샘플 우물에 위치될 수 있다는 사실에 관련된다. 따라서, 상부 애퍼처는 샘플 우물에서의 샘플의 배치를 허용할 만큼 충분히 클 수 있다. 또 다른 인자는 미광(stray light)과 같은 배경 신호들에 관한 것이다. 샘플 우물에 하나 이상의 샘플이 배치되고 여기 에너지로 여기되는 경우, 배경 신호들은 방출 에너지에서 원하지 않는 변동들을 야기할 수 있고, 따라서 잡음이 있는 측정을 하게 한다. 이러한 변동들을 제한하기 위해, 상부 애퍼처의 크기는 배경 신호들의 적어도 일부를 차단하도록 구성될 수 있다. 유사하게, 상부 애퍼처는 샘플의 노출을 차단하여 애퍼처 아래의 샘플의 부분만이 실질적인 여기 에너지를 수신하도록 한다. 또 다른 인자는 여기 에너지를 수신하는 것에 응답하여 샘플(들)에 의해 방출되는 방출 에너지의 지향성과 관련된다. 일부 실시예들에서는, 상부 애퍼처의 크기가 원하는 레벨의 지향성을 제공하도록 구성될 수 있다.
통합 디바이스의 일부 실시예들은 통합 디바이스의 표면 상의 금속 층 내에 형성된 샘플 우물들을 포함한다. 금속 층은 하나 이상의 센서에 의해 샘플 우물로부터의 방출 에너지를 검출하는데 있어서 이점을 제공할 수 있다. 금속 층은 배경 신호들을 감소시키고 하나 이상의 센서에 의해 검출된 방출 에너지의 양을 향상시키도록 작용할 수 있다. 이러한 금속 층들은 배경 신호들(예를 들어, 미광, 배경 광 또는 직접 여기 에너지)로부터 발생할 수 있는 잡음 아티팩트들을 감소시킴으로써 센서들의 신호 대 잡음비를 개선할 수 있다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 전기 신호들을 송신 및/또는 수신하는 배선으로서 작용하도록 구성된 금속 층들을 포함할 수 있다. 이러한 배선은 센서에 결합될 수 있고 그리고 신호들을 송신하여 센서를 제어하거나 및/또는 센서에 의해 검출된 방출 에너지를 나타내는 신호들을 수신할 수 있다.
샘플 우물의 깊이는 샘플(들)의 위치와 금속 층들 사이의 원하는 분리를 유지하도록 구성될 수 있다. 이러한 분리는 금속 층들에 의해 야기되는 광학 손실을 제한하면서 샘플 우물이 원하는 레벨의 여기 에너지를 제공받는 것을 보장할 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 우물의 깊이는, 도파로를 따라 전파되는 광학 모드의 소멸장이 그것이 금속 층들과 상호작용하는 정도를 제한하면서 샘플과 중첩하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 우물의 깊이는 샘플과 연관된 마커의 광자 방출 이벤트의 타이밍(예를 들어, 수명)에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 깊이는 상이한 마커들의 개별 수명들과 연관된 타이밍 특성들에 기초하여 샘플 우물에서의 상이한 마커들 간의 구별을 허용할 수 있다.
샘플 우물의 형상 및 크기 및/또는 금속 층들의 조성은 방출 에너지를 센서를 향해 지향시키도록 작용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 방출 에너지의 형태로 샘플에 의해 방출된 에너지의 일부는 통합 디바이스의 층들을 통해 하향으로 전파될 수 있다. 방출 에너지의 일부는 샘플 우물과 연관된 픽셀에서 통합 디바이스 상에 배치된 하나 이상의 센서에 의해 수신될 수 있다.
도 4a는 본 출원의 일부 비제한적인 실시예들에 따른, 샘플 우물(4-108)을 포함하는 통합 디바이스의 단면도이다. 샘플 우물(4-108)은 샘플 우물(4-108)의 표면에 유지될 수 있는 샘플(4-191)을 수용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 샘플 우물(4-108)의 표면(4-112)은 적어도 일시적으로 시간 지속기간 동안 샘플에 부착되는 조성물을 가질 수 있다. 샘플 우물(4-108)의 표면(4-112)은, 도 4a에 도시된 바와 같이, 샘플(4-191)이 샘플 우물(4-108)의 측벽이 아니라 표면에 부착되기 위한 선택성을 제공하는 하나 이상의 재료를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 우물(4-108)의 표면(4-112)은 샘플 우물(4-108)에의 샘플(4-191)의 광활성 바인딩을 허용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 우물(4-108)의 표면(4-112)은, 하나 이상의 실란올 기(Si-OH)로 종결될 수 있는 실리콘 산화물로 형성될 수 있다. 실란올 기는 표면을 위한 소정 유형의 표면 화학적 성질을 생성하기 위해 또 다른 재료(예를 들어, 하나 이상의 실란올 기를 가진 구조체를 갖는 화학물)와 상호작용할 수 있다. 샘플(4-191)은 샘플 우물(4-108)의 상부 애퍼처를 통해 샘플 우물(4-108) 내에 배치될 수 있다. 상부 애퍼처는 샘플(4-191)을 조명하는 것으로부터 주변 광 또는 미광을 감소시키도록 구성될 수 있다. 샘플 우물(4-108)에서의 샘플은, 샘플 우물(4-108) 위의 벌크 용액을 여기시킬 수 있는 미광이 통합 디바이스의 도파로 및/또는 샘플 우물로부터 유래할 수 있는 "암흑" 조건으로 지칭될 수 있는 조건 하에서 분석될 수 있다. 상부 애퍼처는 샘플 우물(4-108)에서의 미광이 샘플 우물(4-108) 위의 벌크 용액을 여기시키는 것으로부터 감소시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 우물(4-108)은, 통합 디바이스에 입사하는 광의 전파를 감소시키거나 억제할 수 있는, 서브 파장 단면 치수를 가질 수 있다. 샘플 우물(4-108)의 상부 애퍼처는 50nm 내지 300nm의 범위, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위에 있는 폭 WA를 가질 수 있다.
샘플(4-191)은, 샘플 우물(4-108)과 광학적으로 결합되는 도파로(4-102)에 의해 그런 것처럼, 도파로(4-102)를 통해 제공되는 여기 에너지로 여기될 수 있다. 도파로(4-102)가 도 4a에서 직사각형 단면을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 본 명세서에 설명된 도파로들을 포함하여, 임의의 다른 적절한 단면 형상이 사용될 수 있다. 도파로(4-102)는 도파로로부터 소멸하여 감쇠되는 광학 모드를 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 모드의 소멸장은 적어도 부분적으로 샘플 우물(4-108)과 중첩될 수 있다. 이러한 방식으로, 샘플(4-191)은 광학 모드의 소멸장을 통해 여기 에너지를 수신할 수 있다.
샘플 우물(4-108)은 샘플 우물(4-108)의 표면(4-112)과 클래딩(4-118)과 금속 층(들)(4-122) 사이의 계면(4-127) 사이의 깊이 dW를 가질 수 있다. 깊이 dW는 금속 층(들)(4-122)으로부터 표면(4-112)에 위치된 샘플 사이의 적절한 거리를 제공할 수 있다. 깊이 dW는 샘플(4-191)과 연관된 마커의 광자 방출 이벤트의 타이밍(예를 들어, 형광단의 형광 수명)에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 깊이 dW는 상이한 마커들의 개별 광자 방출 타이밍 특성들(예를 들어, 형광 수명들)과 연관된 타이밍 특성들에 기초하여 샘플 우물(4-108)에서 상이한 마커들 중에서 구별하는 것을 허용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 우물(4-108)의 깊이 dW는 수신된 여기 에너지의 양에 영향을 줄 수 있다. 샘플 우물(4-108)의 깊이 dW는 샘플(4-191)로부터의 방출 에너지의 지향성을 향상시키도록 구성될 수 있다. 깊이 dW는 50nm 내지 400nm의 범위, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 깊이 dW는 95 nm와 150 nm 사이에 있다. 일부 실시예들에서, 깊이 dW는 250 nm와 350 nm 사이에 있다.
통합 디바이스는 상부 클래딩(4-118) 위의 금속 층(들)(4-122)을 포함할 수 있다. 금속 층(들)(4-122)은 샘플 우물에서의 샘플에 의해 방출되는 방출 에너지에 대한 반사기로서 작용할 수 있고, 통합 디바이스의 센서를 향해 방출 에너지를 반사함으로써 방출 에너지의 검출을 개선할 수 있다. 금속 층(들)(4-122)은 샘플 우물 내에서 기원하지 않는 광자들로 인한 배경 신호를 감소시키도록 작용할 수 있다. 금속 층(들)(4-122)은 하나 이상의 서브 층을 포함할 수 있다. 금속 층(들)의 층들로서 사용될 적절한 재료들의 예들은 알루미늄, 구리, 알루미늄-구리 합금들, 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈, 및 탄탈 질화물을 포함할 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 금속 층(들)(4-122)은 2개 이상의 서브 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 클래딩(4-118)과 인터페이싱하도록 배치된 제1 서브 층(4-124)은 알루미늄, 탄탈, 또는 티타늄을 포함할 수 있다. 제1 서브 층(4-124)이 알루미늄을 포함하는 실시예들에서, 제1 서브 층(4-124)은 실리콘 및/또는 구리와의 알루미늄의 합금을 포함할 수 있다. 제1 서브 층에 알루미늄을 가짐으로써, 도파로를 따라 전파되는 여기 에너지의 광학 손실이 감소될 수 있다. 제1 서브 층(4-124)의 두께는 30nm 내지 165nm의 범위, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위에 있을 수 있다.
금속 층(들)(4-122)은 제1 서브 층(4-124) 위에 배치된 제2 서브 층(4-126)을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 서브 층(4-126)은 티타늄을 포함할 수 있다. 티타늄은 금속 층(들)(4-122) 내에서 발생하는 부식의 양을 감소시킬 수 있다. 제2 서브 층(4-126)의 두께는 1 nm 내지 100 nm의 범위, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 서브 층의 두께는 대략 10nm일 수 있다.
금속 층(들)(4-122)은 제2 서브 층(4-126) 위에 및/또는 제1 서브 층(4-124) 위에 배치된 제3 서브 층(4-128)을 더 포함할 수 있다. 제3 서브 층(4-128)은 티타늄 질화물 및/또는 탄탈 질화물을 포함할 수 있다. 제3 서브 층(4-128)은 5 nm 내지 100 nm의 범위의 두께, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제3 서브 층(4-128)은 대략 50 nm의 두께를 가질 수 있다.
샘플 우물(4-108)은 적어도 부분적으로 측벽 스페이서(4-190)로 커버되는 하나 이상의 측벽을 가질 수 있다. 측벽 스페이서(4-190)의 조성은 샘플(4-191)과의 특정 타입의 상호작용을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 측벽 스페이서(4-190)는, 샘플 우물(4-108)의 측벽에 부착되는 샘플의 양을 감소시키기 위해 샘플 우물(4-108)의 측벽들을 패시베이팅하도록 구성된 조성물을 가질 수 있다. 스페이서 재료로 코팅된 측벽들만을 갖는 샘플 우물을 제공함으로써, 샘플(4-191)과의 상이한 타입의 상호작용이 표면(4-112)에서가 아니라 측벽들(4-190)에서 발생할 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 우물(4-108)의 표면(4-112)은 관능화된 실란(functionalized silane)으로 코팅되어 표면에의 샘플(4-191)의 부착을 개선할 수 있다. 스페이서(4-190)로 측벽들을 코팅함으로써, 샘플 우물(4-108)의 표면(4-112)은 관능화된 실란으로 선택적으로 코팅될 수 있다. 측벽 스페이서(4-190)의 조성은, 샘플 우물의 "하부 표면"으로 간주될 수 있는, 도파로에 실질적으로 평행한 샘플 우물(4-108)의 표면(4-112)에 대해 측벽 스페이서(4-190)의 선택적 코팅들을 제공하도록 선택될 수 있다. 측벽 스페이서(4-190)는, 3 nm 내지 30 nm 범위, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 측벽 스페이서(4-190)는 대략 10 nm의 두께를 가질 수 있다. 측벽 스페이서(4-190)를 형성하는 데 사용되는 적절한 재료들의 예들은
Figure pct00014
Figure pct00015
및
Figure pct00016
를 포함한다. 일부 실시예들에서, 측벽 스페이서(4-190)는 TiN을 포함하고, 이는 TiN의 굴절률로 인해 센서를 향하는 방출 에너지의 원하는 레벨의 지향성을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 측벽 스페이서(4-190)는 산란된 광을 차단하도록 구성될 수 있고, 따라서 샘플(4-191)을 조명할 수 있는 산란된 광의 양을 감소시킨다.
일부 실시예들에서, 샘플 우물 구조는 측벽들 상의 스페이서 재료가 부족한 도파로(4-102)에 근접한 부분을 가질 수 있다. 도 4a에 도시된 표면(4-112)과 같은 하부 표면과 측벽 스페이서(4-190) 사이의 거리는 10 nm 내지 50 nm의 범위, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위에 있을 수 있다. 이러한 구성은 샘플 우물의 표면(4-112)을 도파로(4-102)에 더 가까이 배치하는 것을 허용할 수 있고, 이는 도파로(4-102)로부터 샘플 우물(4-108)로의 여기 에너지의 결합을 개선할 수 있고 또한 도파로(4-102)를 따라 전파되는 여기 에너지의 광학 손실에 대한 금속 층(들)(4-122)의 영향을 감소시킬 수 있다.
E. 도파로들
여기 소스는 원하는 파장(예를 들어, 532 nm)에서 여기 에너지를 생성하는데 사용될 수 있다. 여기 에너지는 하나 이상의 도파로를 이용하여 개별 샘플에 제공될 수 있다. 도파로(들)는 예를 들어 소멸 커플링을 통해 여기 에너지의 일부를 개별 샘플들에 결합하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 우물들은 행들 및 열들로 배열될 수 있고, 개별 도파로들은 대응하는 행 또는 열의 샘플 우물들에 여기 에너지를 전달하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파로는 행 또는 열에서의 샘플 우물 중에서 실질적으로 균일하게 (예를 들어, 10% 미만의 강도의 변동을 가짐) 여기 에너지를 제공하도록 구성될 수 있다. 샘플 우물들의 이러한 균일한 조명을 제공하기 위해, 도파로는 행 또는 열의 길이를 따라 변화하는, 샘플 우물에 대해 커플링 계수를 갖도록 구성될 수 있다. 따라서, 도파로에 대해 배치된 개별 샘플 우물들은 도파로를 따라 전파되는 여기 에너지의 일부를 수신할 수 있다. 도파로를 따라 전파되는 여기 에너지가 샘플 우물들과의 연속적인 커플링에 의해 고갈됨에 따라, 커플링 계수는 점진적으로 증가되어 도파로와 결합하는 샘플 우물들 중에서 실질적으로 균일한 양의 여기 에너지를 제공하게 된다. 이러한 공간 의존적 결합 계수들을 제공하기 위해, 도파로의 테이퍼가 사용될 수 있다. "테이퍼(taper)"는 그 길이를 따라 변하는 치수(예를 들어, 폭)를 갖는 도파로를 지칭할 수 있다. 테이퍼는 지원되는 광학 모드를 주변 영역(예를 들어, 클래딩) 내로 더 멀리 점진적으로 확장하도록 구성될 수 있다. 도파로의 이러한 테이퍼를 통해, 커플링 계수는 도파로의 전파 축을 따라 증가할 수 있다.
도파로(들)는 광학 손실을 감소시키면서 여기 에너지를 샘플 우물들에 효과적으로 결합하도록 더 구성될 수 있다. 샘플 우물들은 금속 층에 근접하여 배치될 수 있기 때문에, 도파로에서 안내되는 여기 에너지는 금속 산란 및/또는 금속 흡수로 인한 광학 손실을 경험할 수 있다. 금속 층(들)에 의해 야기되는 광학 손실을 감소시키기 위해, 도파로는 금속 층에 대한 모드의 공간적 중첩이 감소되도록 모드 구속(mode confinement)을 제공하게 구성될 수 있다. 모드 구속은 금속 층(들)과의 상호작용을 감소시키면서 샘플 우물들과의 원하는 중첩을 제공하도록 선택될 수 있다.
도파로들은 여기 에너지의 파장에서 투명한 (예를 들어, 2 dB/cm 미만인 전파 손실을 갖는) 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 질화물은 여기 에너지를 안내하기 위한 재료로서 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 채널 도파로들은 통합 디바이스의 샘플 우물들에 여기 에너지를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 적절한 채널 도파로의 예가 도 1d에 도시되어 있다. 통합 디바이스의 채널 도파로는 여기 에너지를 행 또는 열을 따라 하나 이상의 샘플 우물에 결합하는 것을 허용하기 위해 샘플 우물들의 행 또는 열에 대해 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 리브 도파로들(rib waveguides) 및/또는 리지 도파로들(ridge waveguides)이 여기 에너지를 샘플 우물들에 제공하기 위해 사용될 수 있다. 리브 도파로들 또는 리지 도파로들은 "슬래브"라고 지칭되는 제1 층, 및 "융기 영역"으로 지칭되는 제2 층을 포함할 수 있다. 슬래브에 대한 융기 영역의 위치는 광학 모드의 위치를 결정할 수 있다. 슬래브 및 융기 영역의 두께는 원하는 광학 프로파일을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 금속 층(들)과의 상호작용을 감소시키면서 소멸장이 샘플과 중첩하도록 광학 모드 프로파일을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 도 4ba는 일부 비제한적인 실시예들에 따른 예시적인 도파로의 단면도이다. 본 명세서에서 "리브 도파로"라고 지칭되는 도파로(4-200)는 슬래브(4-202) 및 융기 영역(4-204)을 포함할 수 있다. 도파로(4-200)은 원하는 파장에서 적어도 하나의 광학 모드를 지원하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파로(4-200)는 단일 광학 모드, 예를 들어 TE0 모드를 지원할 수 있다. 융기 영역은 일부 실시예들에서 100 nm와 4㎛ 사이의 폭
Figure pct00017
, 및 일부 실시예들에서 50 nm와 500 nm 사이의 두께
Figure pct00018
을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서,
Figure pct00019
은 100 nm와 200 nm 사이에 있다. 슬래브(4-202)는 50 nm와 500 nm 사이의 두께
Figure pct00020
를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서,
Figure pct00021
는 150 nm과 250 nm 사이에 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 융기 영역(4-204)이 슬래브(4-202) 상에 배치되도록, 슬래브(4-202)는 복수의 도파로(4-200) 중에서 공유될 수 있다. 이러한 융기 영역들은, y축을 따라, 슬래브들 사이의 상호 광학적 커플링을 감소시키기에 충분히 큰 거리만큼 분리될 수 있다. 예를 들어, 슬래브(4-202)는 다중의 샘플 우물 중에서 중첩하도록 연장될 수 있고, 융기 영역들(4-204)은 샘플 우물들의 개개의 행들 또는 열들과 중첩할 수 있다. 대안적으로, 개별 도파로들은 별개의 슬래브들을 포함할 수 있다. 도 4bb는 일부 비제한적인 실시예들에 따른 또 다른 예시적인 도파로의 단면도이다. 본 명세서에서 "리지 도파로"라고도 지칭하는 도파로(4-250)는 슬래브(4-252) 및 융기 영역(4-254)을 포함할 수 있다. 융기 영역(4-254)은 일부 실시예들에서 100 nm와 4㎛ 사이에 있는 폭
Figure pct00022
, 및 일부 실시예들에서 50 nm와 500 nm 사이에 있는 두께
Figure pct00023
을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서,
Figure pct00024
은 100 nm와 200 nm 사이에 있다. 슬래브(4-202)는 50 nm와 500 nm 사이의 두께
Figure pct00025
를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서,
Figure pct00026
는 150 nm과 250 nm 사이에 있다. 슬래브(4-208)는 일부 실시예들에서 500 nm와 5 ㎛의 폭
Figure pct00027
를 가질 수 있다.
도파로들(4-200 및 4-250)은 하부 클래딩(4-208) 및 상부 클래딩(4-206)을 포함할 수 있다. 하부 및 상부 클래딩은 융기 영역들(4-204 및 4-254)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료들로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하부 및 상부 클래딩은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 비율
Figure pct00028
는 광학 구속의 원하는 레벨을 획득하기 위해 선택될 수 있다. 예를 들어, 이러한 비율은, 도파로의 광학 모드가 금속 층(들)으로부터의 감소된 광학 손실을 경험하면서도 샘플 우물들에 대한 원하는 레벨의 커플링을 제공하도록 선택될 수 있다. 도파로(4-250)와 비교하여 더 적은 제조 단계들을 요구하면, 일부 실시예들에서 도파로(4-200)가 바람직할 수 있다. 다른 실시예들에서, 도파로(4-250)는 도파로(4-200)와 비교하여 다른 도파로들에 대한 더 낮은 정도의 커플링을 제공하기 때문에 바람직할 수 있다.
일부 실시예들에서, 도파로의 슬래브 및/또는 도파로의 융기 영역은 둘 이상의 층을 포함할 수 있다. 도 4bc는 층들(4-282 및 4-283)을 포함하는 슬래브를 갖는 리브 도파로를 도시한다. 층들(4-282 및 4-283)은 상이한 재료들로 형성될 수 있다. 슬래브의 두께에 대한 층(4-282)의 두께의 비율은 5%와 95% 사이에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 층(4-282)은 실리콘 질화물을 포함할 수 있고, 층(4-283)은 에칭 정지 재료 또는 엔드포인트 재료를 포함할 수 있으며, 이는 도파로의 융기 영역의 제조를 도울 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 도파로의 융기 영역은 층들(4-284 및 4-285)과 같은 복수의 층을 포함할 수 있다. 층들(4-284 및 4-285)은 상이한 재료들로 형성될 수 있다. 슬래브의 두께에 대한 층(4-284)의 두께의 비율은 5% 와 95% 사이일 수 있다. 일부 실시예들에서, 층들(4-284 및 4-285)은 각각 상이한 유전체 재료들(예를 들어, 실리콘 질화물, 알루미늄 산화물)을 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 유형의 도파로는 도 4a에 도시된 바와 같은 샘플 우물에 대응하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 도파로는 도파로를 따라 전파되는 광학 모드가 샘플 우물에 소멸하며 결합할 수 있도록 하는 방식으로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플이 배치되는 샘플 우물의 표면은 도파로의 표면과 접촉하여 배치될 수 있다. 다른 실시예들에서, 이러한 표면들은 분리될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 샘플이 배치되는 샘플 우물의 표면은 도파로 내부에 배치될 수 있다.
도 4ca 내지 도 4cc는 3개의 상이한 결합 구성을 도시하는 단면도이다. 결합 구성(4-300A)에 따르면, 도파로(4-301)는 거리
Figure pct00029
만큼 샘플(4-312)의 하부 표면으로부터 분리될 수 있다. 도파로(4-301)은 도파로(4-200, 4-250, 또는 4-280)을 이용하여 구현될 수 있다. 도파로(4-301)가 리지를 갖는 것으로 도시되지만, 이러한 결합 구성들은 임의의 적절한 타입의 도파로로 구현될 수 있다는 것을 알아야 한다. 일부 실시예들에서, 도파로(4-301)는 도 1 내지 도 4에 도시된 채널 도파로와 같은 채널 도파로일 수 있다. 도파로(4-301)는
Figure pct00030
보다 큰 거리
Figure pct00031
만큼 금속 층(4-310)으로부터 분리될 수 있다. 금속 층(4-310)은 도 4a의 금속 층(들)(4-122)을 포함할 수 있고, 샘플 우물(4-312)은 도 4a의 샘플 우물(4-108)로서 작용할 수 있다. 거리
Figure pct00032
는 원하는 정도의 광학 결합을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어,
Figure pct00033
는 일부 실시예들에서 50 nm와 500 nm 사이, 또는 일부 실시예들에서 100 nm와 200 nm 사이에 있을 수 있다. 거리
Figure pct00034
은 금속 층(4-310)에 의해 야기되는 광학 손실을 제한하도록 구성될 수 있다. 예를 들어,
Figure pct00035
은 일부 실시예들에서 200㎚와 2㎛ 사이일 수 있거나, 일부 실시예들에서 350㎚와 650㎚ 사이일 수 있다.
결합 구성(4-300B)에 따르면, 샘플 우물(4-312)의 하부 표면은 도파로(4-301) 내에 배치될 수 있다. 도 4ca에 도시된 구성과 비교하여, 이러한 구성은 샘플 우물에 대한 더 큰 결합 계수를 초래할 수 있다. 그러나, 광학 손실은 금속 층(4-310)에 대한 근접성으로 인해 이 구성에서 더 클 수 있거나, 또는 도파로에의 샘플 우물의 침투에 의해 야기되는 산란 손실이 더 클 수 있다.
결합 구성(4-300C)에 따르면, 샘플 우물(4-312)의 하부 표면은 도파로(4-301)의 표면과 접촉하여 배치될 수 있다. 이 구성은, 예를 들어, 샘플 우물(4-312)을 형성하기 위한 에칭 스톱으로서 도파로(4-301)의 표면을 이용함으로써 획득될 수 있다. 도 4ca에 도시된 구성과 비교하여, 이러한 구성은 샘플 우물에 대한 더 큰 결합 계수를 초래할 수 있다. 그러나, 도파로에 대한 금속층(4-310)의 근접에 의해 야기되는 광학 손실은 이 구성에서 더 클 수 있다.
도 4da 내지 도 4dc는 제각기 결합 구성들(4-300A, 4-300B, 및 4-300C)을 도시하는 절단 등각 투영도들이다. 예시된 바와 같이, 통합 디바이스는 복수의 샘플 우물(4-312)을 포함할 수 있다. 도파로(4-301)는 여기 에너지를 개별 샘플 우물들에 제공하도록 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 명세서에 설명된 유형의 도파로는 적어도 하나의 광학 모드를 지원하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 정의된 바와 같이, "광학 모드" 또는 간단히 "모드"는 특정 도파로와 연관된 전자기장의 프로파일을 지칭한다. 광학 모드는 도파로를 따라 여기 에너지를 전파할 수 있다. 광학 모드는 샘플 우물에 소멸하며 결합하도록 구성될 수 있고, 따라서 그 안에 배치된 샘플을 여기할 수 있다. 이에 응답하여 샘플은 방출 에너지를 방출할 수 있다. 동시에, 광학 모드는 디바이스의 표면에 형성된 금속 층(들)과 연관된 광학 손실을 제한하도록 구성될 수 있다. 도 4e는 일부 비제한적인 실시예들에 따른 예시적인 광학 모드를 도시하는 단면도이다. 구체적으로, 도 4e는 도파로를 따라 전파되는 광학 모드의 단면도를 예시하는 히트 맵(컬러 히트 맵의 흑백 변환)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 광학 모드는 도파로(4-301)의 영역에 대응하여 최대값(4-508)을 나타낼 수 있고, 도파로, 예를 들어 상부 및 하부 클래딩을 둘러싸는 영역들 내로 소멸하며 연장될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 모드는 샘플 우물(4-312)에 결합될 수 있는 소멸장(4-510)을 포함할 수 있다. 상부 클래딩과 금속 층 사이의 계면에서의 모드의 강도는 최대(4-508)에 대하여 실질적으로 작을 수 있다(예를 들어, 5% 미만).
일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 실질적으로 균일한 강도들을 갖는 개별 샘플들을 여기시키도록 구성될 수 있다(예를 들어, 10% 미만의 변동으로). 샘플들에 걸쳐 실질적으로 균일한 여기를 갖는 것은 샘플들에 의해 방출되는 방출 에너지가 센서들의 동적 범위 내에 있을 가능성을 향상시킬 수 있다. 본 명세서에 설명된 기술들에 따른 것을 포함하는 광 도파로는 샘플 우물들 내에 위치된 샘플들에 걸쳐 실질적으로 균일한 여기를 제공하기 위해 그 길이를 따라 변하는 샘플 우물들에의 광 결합을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 비제한적인 실시예들에 따르면, 도파로의 폭은 도파로의 길이를 따라 달라질 수 있고, 따라서 위치 의존 모드 프로파일을 제공한다. 일부 실시예들에서, 도파로의 길이를 따라 변하는 하나 이상의 치수를 갖는 도파로가 구현될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 따른 디바이스는 도파로의 길이를 따라 변하는 테이퍼 폭을 갖는 도파로를 포함할 수 있다. 도 4f는 테이퍼 도파로 및 복수의 샘플 우물을 예시하는 평면도이다. 테이퍼 도파로는 슬래브(4-602) 및 융기 영역(4-604)을 가질 수 있다. 도파로의 테이퍼는 x축을 따라 연장될 수 있고, 샘플 우물들 4-312A, 4-312B, 4-312C, 4-312D, 및 4-312E 각각에 소멸하며 결합하도록 구성될 수 있다. 도 4f는 5개의 샘플 우물을 갖는 통합 디바이스를 도시하지만, 임의의 다른 적절한 수의 우물이 사용될 수 있다. 융기 영역의 폭은 기하급수적으로, 로그함수적으로, 선형적으로, 이차적으로, 3차적으로, 또는 이들의 임의의 적절한 조합과 같은 임의의 적절한 함수에 따라 변할 수 있다. 도 4f에 도시된 도파로의 테이퍼는, 예를 들어 도파로에 광학적으로 결합된 격자 커플러에 입사하는 여기 에너지를 통해 좌측으로부터 여기 에너지를 수신하고, 또한 좌측으로부터 우측으로 하나 이상의 광학 모드의 전파를 지원하도록 구성될 수 있다. 융기 영역은 x=x1에서의 제1 폭
Figure pct00036
을 가질 수 있고, x=x2에서 제2 폭
Figure pct00037
을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서,
Figure pct00038
은
Figure pct00039
보다 클 수 있다. 이러한 방식으로, 샘플 우물(4-312A)에 대한 테이퍼의 결합 계수는 샘플 우물(4-312B)에 대한 테이퍼의 결합 계수보다 더 낮게 되고, 샘플 우물(4-312B)에 대한 테이퍼의 결합 계수는 샘플 우물(4-312C)에 대한 테이퍼의 결합 계수보다 더 낮게 되고, 등등과 같이 된다. 도파로를 따라 전파되는 여기 에너지가 샘플 우물들과의 결합 및/또는 광학 손실로 인해 감소하기 때문에, 도파로의 길이를 따라 증가하는 결합 계수를 갖는 것은 샘플들이 실질적으로 균일한 여기 에너지를 수신하는 것을 허용할 수 있다.
채널 도파로들에 대해, 결합 계수는 감소된 도파로 폭에 대해 증가될 수 있다. 따라서, 테이퍼 채널 도파로는 커플링 계수를 증가시키고 광학 손실에 대한 보상을 제공하기 위해 전파 방향을 따라 폭이 감소할 것이다. 일부 실시예들에서, 채널 도파로는 테이퍼의 시작에서 600 nm 내지 1500 nm의 범위 내의 치수, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위, 및 테이퍼의 끝에서 200 nm 내지 500 nm의 범위 내의 치수, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위를 갖는 테이퍼를 가질 수 있다.
리브 도파로들 및 리지 도파로들의 경우, 결합 계수는 융기 영역의 증가된 폭,
Figure pct00040
에 따라 증가할 수 있다. 따라서, 테이퍼 리브/리지 도파로는 결합 계수를 증가시키고 광학 손실에 대한 보상을 제공하기 위해 전파 방향을 따라
Figure pct00041
에 있어서 증가할 수 있다. 일부 실시예들에서,
Figure pct00042
은 150 nm와 500 nm 사이의 범위, 또는 해당 범위에서의 임의의 값 또는 값들의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서,
Figure pct00043
은 100 nm와 200 nm 사이, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위에 있을 수 있다. 도 4g는 융기 영역(4-604)의 폭의 함수로서, 샘플에 대응하는 위치에서 측정된, 전계를 예시하는 플롯이다. 도시된 바와 같이, 융기 영역의 폭이 증가함에 따라, 광학 모드가 주변 영역들 내로 더 멀리 연장되는 사실로 인해, 샘플에 대응하는 위치에서의 전계가 증가한다.
본 명세서에 설명된 유형의 도파로는 금속 층(들)에의 근접성과 연관된 광학 손실을 제한하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파로는, 예를 들어 소멸장의 감쇠율을 향상시키기 위한 구성을 가질 수 있다. 직사각형 단면을 갖는 채널 도파로에 비해, 리지 또는 리브 도파로들은 소멸장의 더 큰 감쇠율을 나타낼 수 있다. 도 4h는 직사각형 단면을 갖는 채널 도파로와 연관된 광학 모드 프로파일과 리브 도파로와 연관된 광학 모드 프로파일 사이의 비교를 도시하는 플롯이다. 플롯(4-800)은 z-축(전파 축)을 따른 위치의 함수로서 모드 강도를 도시한다. 도시된 예에서, 샘플은 라인들 (4-809)와 (4-810) 사이 내에 위치되고, 여기서 라인(4-809)은 z-축을 따라 샘플 우물의 하부에 대응하는 위치이고, 라인(4-810)은 z-축을 따라 클래딩(4-118)과 금속 층(들)(4-122) 사이의 계면(4-127)에 대응하는 위치이다. 모드 강도(4-801)는 리브 도파로(4-200)와 같은 리브 도파로와 연관된 모드 프로파일을 나타내고, 모드 강도(4-802)는 직사각형 채널 도파로와 연관된 모드 프로파일을 나타낸다. 2개의 도파로가 샘플의 위치에서 실질적으로 유사한 모드 강도를 나타내도록 구성될 수 있지만, 리브 도파로는 소멸 부분에서 더 큰 감쇠율을 나타낼 수 있고, 따라서 계면(4-127)에서 더 낮은 강도를 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 금속 층(4-122)에 의해 야기되는 광학 손실이 제한될 수 있다.
일부 실시예들은 다중 모드를 지원하도록 구성된 하나 이상의 도파로를 갖는 통합 디바이스에 관한 것이다. 이러한 다중 모드 도파로의 2개 이상의 모드는 여기 에너지의 전력 분포가 다중 모드 도파로를 따른 광 전파 방향에 수직인 방향에서 변하는 방식으로 모드들의 간섭을 통해 조합될 수 있다. 전력 분포의 변동은 전력 분포의 방향을 따른 영역들을 포함할 수 있고, 여기서 전력 분포는 다른 영역들에서보다 광 전파 방향에 수직인 하나 이상의 방향에서 더 넓다. 일부 실시예들에서, 전력 분포는 샘플 우물에 근접한 다중 모드 도파로의 영역에서 샘플 우물을 향한 방향으로 넓어질 수 있다. 여기 에너지의 전력 분포를 넓히는 것은 여기 에너지의 샘플 우물로의 결합을 향상시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 전력 분포는 샘플 우물과 중첩되지 않는 다중 모드 도파로의 영역에서의 방향을 따라 감소할 수 있다. 전력 분포에서의 감소는 도파로 외부로 연장되는 여기 에너지의 양을 감소시킴으로써 여기 에너지의 광학 손실을 감소시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 2개 이상의 모드가 특징적인 비트 길이(beat length)로 비트하도록 간섭할 수 있다. 특징적인 비트 길이는 다중 모드 도파로에 의해 조합되는 모드들의 유형에 의존할 수 있다. 일부 실시예들에서, 특징적인 비트 길이는 통합 디바이스의 이웃하는 샘플 우물들 사이의 거리와 실질적으로 유사할 수 있다. 다중 모드 도파로는 임의의 적합한 수의 모드들(예를 들어, 2, 3, 4), 모드들의 유형(예를 들어, TE, TM), 및/또는 모드들의 순서(예를 들어, 제1, 제3)를 지원하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 다중 모드 도파로는 여기 에너지의 제1 및 제3 순서 TE 모드들을 조합한다.
도 5aa는 다중의 모드를 지원하도록 구성된 예시적인 도파로 구조의 평면도를 도시한다. 도파로 구조는 단일 모드 영역(5-110), 다중 모드 영역(5-136), 및 모드 커플러(5-120)를 포함한다. 단일 모드 영역(5-110)은 단일 모드를 갖는 광의 전파를 지원하고, 광을 모드 커플러(5-120)에 결합하도록 구성된다. 모드 커플러(5-120)는 단일 모드를 갖는 광을 수신하고, 광을 2개 이상의 광 모드를 지원하도록 구성되는 다중 모드 영역(5-136)에 결합하도록 구성된다. 샘플 우물들(5-108a, 5-108b, 및 5-108c)은 이들이 다중 모드 영역(5-136)과 중첩하도록 도파로 구조에 평행한 xy 평면에 놓인다. 샘플 우물들(5-108a, 5-108b, 및 5-108c)은 도파로 구조의 광 전파의 방향(도 5aa에 도시된 바와 같은 x-방향)을 따라 치수 DS만큼 분리된다. 치수 DS는 대략 다중 모드 영역(5-136)에 의해 지원되는 다중 모드 간섭의 특징적인 비트 길이일 수 있다. 도 5ab는 도 5ab에 도시된 것에 평행한 xy 평면(상위 플롯) 및 도 5ab에 도시된 것에 수직인 zx 평면(하부 플롯) 둘 모두에서의 다중 모드 영역(5-136)을 따른 전력 분포의 히트 맵(컬러 히트 맵의 흑백 변환)이다. 샘플 우물들(5-108a, 5-108b, 및 5-108c)의 위치들은 이중 평행 라인들에 의해 도시되고, 치수 DS에 의해 분리되는데, 이것은 제1 및 제3 순서 TE 모드들의 조합에 대한 대략 특징적인 비트 길이이다. 도 5ab에 도시된 바와 같이, 전력 분포는 하부 플롯에 도시된 바와 같이 샘플 우물들을 향하는 방향(z-방향)으로 샘플 우물들 각각과 중첩되는 다중 모드 영역(5-136)의 영역에서 넓어지고, 이웃하는 샘플 우물들 사이의 다중 모드 영역들(5-136)의 영역에서 이 방향을 따라 감소한다. 상부 플롯에 도시된 바와 같이, 반대의 추세가, 전력 분포가 샘플 우물들과 중첩하는 영역들에서 더 좁고 이웃하는 샘플 우물들 사이의 영역들에서 더 넓은 xy 평면에서 발생한다.
IV. 제조 기술
본 명세서에 설명된 유형의 통합 디바이스의 형성은 다양한 제조 기술을 사용할 수 있으며, 이들 중 일부는 표준 반도체 파운드리 내에서 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 종래의 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 제조 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 다음의 제조 기술들 중 적어도 일부가 사용될 수 있다: 포토리소그래피, 습식 에칭, 건식 에칭, 평탄화, 금속 퇴적, 화학 기상 증착, 원자 층 퇴적, 산화, 어닐링, 에피택셜 성장, 이온 주입, 확산, 와이어 본딩, 플립-칩 본딩 등.
통합 디바이스의 형성은 복수의 포토리소그래피 공정 단계를 포함할 수 있다. 각각의 포토리소그래피 공정 단계는 포토마스크를 통한 자외선(UV) 광에의 노출, 포토레지스트에 릴리프 이미지를 형성하기 위한 현상 공정, 및 포토레지스트 릴리프 이미지를 적어도 하나의 하부 층으로 전사하기 위한 에칭 공정을 포함할 수 있다. 포토마스크는 포지티브 또는 네거티브일 수 있고, 원하는 구성에 따라 패터닝될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 유형의 도파로들을 형성하기 위해 하나 이상의 포토리소그래피 공정 단계들이 이용될 수 있다. 추가적으로, 본 명세서에 설명된 유형의 샘플 우물들을 형성하기 위해 하나 이상의 포토리소그래피 공정 단계가 이용될 수 있다.
도파로(4-200)와 같은 리브 도파로의 제조는 다양하고 상이한 공정들을 이용하여 수행될 수 있다. 활용되는 특정 공정에 관계없이, 제조는 융기 영역을 형성하기 위한 포토리소그래피 공정 단계를 포함할 수 있다. 따라서, UV 광에 대한 노출 및 릴리프 이미지의 후속적인 현상 후에, 슬래브의 적어도 일부분을 유지하면서 융기 영역을 형성하기 위해 부분적 에칭 공정이 수행될 수 있다.
일부 실시예들에서, 통합 디바이스의 형성은 타이밍된 에칭 공정을 포함할 수 있다. 타이밍된 에칭 공정은 리브 도파로를 형성하는 데 사용될 수 있다. 에칭 공정의 지속기간은 슬래브로부터 원하는 양의 유전체 재료를 제거하도록 선택될 수 있다. 따라서, 타이밍된 에칭 공정의 지속기간에 기초하여, 원하는 비율
Figure pct00044
이 정의될 수 있다. 타이밍된 에칭 공정에 기초한 리브 도파로의 형성은 포토리소그래피 제조 단계를 활용할 수 있다. 도 6aa 내지 도 6ad는 일부 비제한적인 실시예들에 따른, 타이밍된 에칭을 이용하는 리브 도파로의 제조 방법을 도시한다. 도 6aa에 도시된 제조 단계에서, 실리콘 기판과 같은 기판이 제공될 수 있다. 기판은 실리콘 산화물 층과 같은 하부 유전체 층(6-101)을 포함할 수 있다. 유전체 층(6-101)은 CMP(chemical mechanical planarization) 공정을 이용하여 평탄화될 수 있다. 기판은 유전체 막(6-102)을 더 포함할 수 있다. 유전체 막(6-102)은 일부 실시예들에서 실리콘 질화물을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 유전체 막의 두께는 90 nm와 500 nm 사이에 있을 수 있다.
도 6ab에 도시된 제조 단계에서, 포토레지스트(6-103)의 층이 유전체 막 상에 퇴적될 수 있다. 포토레지스트 층은 원하는 형상을 형성하기 위해 포토리소그래피 공정 단계를 이용하여 패터닝될 수 있다. 포토레지스트는 포지티브 또는 네거티브일 수 있다.
도 6ac에 도시된 제조 단계에서, 융기 영역(6-104)을 형성하기 위해 타이밍된 에칭 공정이 수행될 수 있다. 이러한 공정은 포토레지스트에 의해 커버되지 않은 유전체 막의 표면의 영역들을 에칭할 수 있다. 에칭 공정의 지속기간은 슬래브의 두께와 융기 영역의 두께 사이의 원하는 비율을 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 지속기간은 5% 와 95% 사이인 유전체 막의 부분을 에칭하도록 선택될 수 있다. 에칭 공정은 건식 또는 습식일 수 있다. 융기 영역의 형성 후에, 포토레지스트 층이 박리될 수 있다.
도 6ad에 도시된 제조 단계에서, 상부 유전체 층(6-105)은 타이밍된 에칭 공정으로부터 기인하는 융기 영역(6-104) 상에 성장되거나 퇴적될 수 있다. 상부 유전체 층은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상부 유전체 층은 CMP 공정을 이용하여 평탄화될 수 있다. 도 6ad에 도시된 도파로는 도 4ba의 도파로(4-200)로서 역할할 수 있다.
일부 실시예들은 본 명세서에 설명된 유형의 리브 도파로를 제조하는 다른 기술에 관한 것이다. 도 6aa 내지 도 6ad에 도시된 제조 공정과는 달리, 이러한 기술은 융기 영역의 두께를 정의하기 위해 에칭 정지 층을 활용할 수 있다. 타이밍된 에칭 공정에 비해, 에칭 스톱의 사용은 두께의 더 정확한 제어를 허용할 수 있고, 이는 광학 모드 프로파일의 더 정확한 제어를 이끌 수 있다. 단점으로서, 이러한 기술은 융기 영역과 슬래브 사이의 에칭 정지 재료의 층을 갖는 도파로를 낳을 수 있다. 이러한 에칭 정지 재료는 유전체 막의 흡수 계수보다 큰 흡수 계수를 가질 수 있고, 결과적으로, 광학 모드가 광학 손실을 경험하게 야기할 수 있다. 이러한 제조 기술은 또한 융기 영역을 형성하기 위해 포토리소그래피 제조 단계를 활용할 수 있다.
도 6ba 내지 도 6bd는 일부 비제한적인 실시예들에 따른 리브 도파로의 제조 방법을 도시한다. 도 6ba에 도시된 제조 단계에서, 실리콘 기판과 같은 기판이 제공될 수 있다. 기판은 실리콘 산화물 층과 같은 하부 유전체 층(6-201)을 포함할 수 있다. 유전체 층(6-201)은 CMP(chemical mechanical planarization) 공정을 이용하여 평탄화될 수 있다. 기판은 일부 실시예들에서 실리콘 질화물을 포함할 수 있는 제1 유전체 막(6-202)을 더 포함할 수 있다. 기판은 제1 유전체 막 상에 배치된 에칭 정지 층(6-203)을 더 포함할 수 있다. 기판은 에칭 정지 층 상에 배치된 제2 유전체 막(6-204)을 더 포함할 수 있다. 제2 유전체 막은 제1 유전체 막과 동일한 재료로 형성될 수 있거나, 또는 대안적으로는 상이한 재료로부터 형성될 수 있다. 제1 및 제2 유전체 막들의 두께는 원하는 비율
Figure pct00045
를 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 유전체 막의 두께는 100 nm와 300 nm 사이에 있다. 일부 실시예들에서, 제2 유전체 막의 두께는 100 nm와 200 nm 사이에 있다.
도 6bb에 도시된 제조 단계에서, 포토레지스트(6-205)의 층이 제2 유전체 막 상에 퇴적될 수 있다. 포토레지스트 층은 원하는 형상을 형성하기 위해 포토리소그래피 공정 단계를 이용하여 패터닝될 수 있다. 포토레지스트는 포지티브 또는 네거티브일 수 있다.
도 6bc에 도시된 제조 단계에서, 융기 영역(6-206)을 형성하기 위해 에칭 공정이 수행될 수 있다. 이러한 공정은 포토레지스트에 의해 커버되지 않은 유전체 막의 표면의 영역들을 에칭할 수 있다. 에칭 공정은 에칭 정지 층의 적어도 일부분이 커버되지 않을 때까지 계속될 수 있다. 에칭 공정은 건식 또는 습식일 수 있다. 융기 영역의 형성 후에, 포토레지스트 층이 박리될 수 있다.
도 6bd에 도시된 제조 단계에서, 상부 유전체 층(6-207)이 융기 영역(6-206) 상에 성장되거나 퇴적될 수 있다. 상부 유전체 층은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상부 유전체 층은 CMP 공정을 이용하여 평탄화될 수 있다. 도 6bd에 도시된 도파로는 도 4ba의 도파로(4-200)로서 역할할 수 있다.
일부 실시예들은 본 명세서에 설명된 유형의 리브 도파로를 제조하기 위한 또 다른 기술에 관한 것이다. 이러한 제조 기술은 엔드포인트 층을 활용할 수 있다. 하나의 그러한 기술에 따르면, 광은 에칭 공정의 지속기간 전체를 통해서 기판의 표면을 향하여 비춰질 수 있다. 반사된 광은 에칭 공정 동안 감지될 수 있다. 엔드포인트 층이 적어도 부분적으로 커버되지 않을 때, 반사된 광은 편광 패턴 및/또는 간섭 패턴 및/또는 미리 결정된 임계값보다 높거나 낮은 광학 강도와 같은 인식가능한 패턴을 드러낼 수 있다. 인식가능한 패턴이 감지될 때, 에칭 공정이 중지될 수 있다. 이러한 방식으로, 에칭된 영역의 두께가 미세하게 제어될 수 있다. 도 6ba 내지 도 6bd에 도시된 제조 기술과 유사하게, 이러한 기술은 리브 도파로의 융기 영역을 형성하기 위해 포토리소그래피 공정 단계를 이용할 수 있다. 또 다른 유형의 엔드포인트 층에 따르면, 에칭 플라즈마의 광학 방출 스펙트럼은 에칭 동안 모니터링될 수 있다. 이 광학 방출 스펙트럼은 플라즈마의 조성을 나타내는 강도 피크들을 포함하고, 이는 다음으로 에칭되고 있는 재료를 나타낸다. 이러한 방식으로, 엔드포인트 재료 층이 플라즈마에 먼저 노출되었을 때, 또는 엔드포인트 재료 층이 에칭 제거되었을 때를 결정하는 것이 가능할 수 있다.
도 6ca 내지 도 6cd는 일부 비제한적인 실시예들에 따른 리브 도파로의 제조 방법을 도시한다. 도 6ca에 도시된 제조 단계에서, 실리콘 기판과 같은 기판이 제공될 수 있다. 기판은 실리콘 산화물 층과 같은 하부 유전체 층(6-301)을 포함할 수 있다. 유전체 층(6-301)은 CMP(chemical mechanical planarization) 공정을 이용하여 평탄화될 수 있다. 기판은 일부 실시예들에서 실리콘 질화물을 포함할 수 있는 제1 유전체 막(6-302)을 더 포함할 수 있다. 기판은 제1 유전체 막 상에 배치된 엔드포인트 층(6-303)을 더 포함할 수 있다. 엔드포인트 층은 특정 광학 속성을 드러낼 수 있다. 예를 들어, 그것은 유전체 막들의 반사율보다 큰 반사율을 드러낼 수 있다. 대안적으로, 그것은 특징적인 방출 파장을 갖는 광학 방출 스펙트럼을 드러낼 수 있다. 기판은 엔드포인트 층 상에 배치된 제2 유전체 막(6-304)을 더 포함할 수 있다. 제2 유전체 막은 제1 유전체 막과 동일한 재료로 형성될 수 있거나, 또는 대안적으로는 상이한 재료로부터 형성될 수 있다. 제1 및 제2 유전체 막들의 두께는 원하는 비율
Figure pct00046
를 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 유전체 막의 두께는 100 nm와 300 nm 사이에 있다. 일부 실시예들에서, 제2 유전체 막의 두께는 80 nm와 200 nm 사이에 있다.
도 6cb에 도시된 제조 단계에서, 포토레지스트(6-305)의 층이 제2 유전체 막 상에 퇴적될 수 있다. 포토레지스트 층은 원하는 형상을 형성하기 위해 포토리소그래피 공정 단계를 이용하여 패터닝될 수 있다. 포토레지스트는 포지티브 또는 네거티브일 수 있다.
도 6cc에 예시된 제조 단계에서, 에칭 공정이 수행되어 융기 영역(6-306)을 형성할 수 있고, 기판의 표면 상에 광이 비춰질 수 있다. 이러한 공정은 포토레지스트에 의해 커버되지 않는 유전체 막의 표면의 영역들을 에칭할 수 있다. 에칭 공정은 엔드포인트 층의 적어도 일부분이 커버되지 않을 때까지 계속될 수 있다. 엔드포인트 층이 커버되지 않았을 때, 엔드포인트 층(6-303)에 의해 반사된 광의 수신은 에칭 공정을 저지하도록 구성된 회로를 트리거할 수 있다. 융기 영역의 형성 후에, 포토레지스트 층이 박리될 수 있다.
도 6cd에 도시된 제조 단계에서, 상부 유전체 층(6-307)이 융기 영역(6-306) 상에 성장되거나 퇴적될 수 있다. 상부 유전체 층은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상부 유전체 층은 CMP 공정을 이용하여 평탄화될 수 있다. 도 6cd에 도시된 도파로는 도 4ba의 도파로(4-200)로서 역할할 수 있다.
본 출원의 일부 실시예들은 도 4bb의 도파로(4-250)와 같은 리지 도파로를 형성하기 위한 기술에 관한 것이다. 리지 도파로의 제조는 리브 도파로를 형성하기 위해 이용되는 제조 단계들 중 일부를 포함할 수 있다. 이러한 제조는 도 6aa 내지 도 6ad와 관련하여 설명된 기술들, 도 6ba 내지 도 6bd와 관련하여 설명된 기술 또는 도 6ca 내지 도 6 cd와 관련하여 설명된 기술을 이용할 수 있다. 추가로, 리지 도파로를 형성하기 위해 원하는 슬래브 외부의 영역들에서 유전체 막을 완전히 에칭하기 위해 추가의 에칭 공정이 이용될 수 있다.
도 6da 내지 도 6dd는 일부 비제한적인 실시예들에 따른 리지 도파로의 제조 방법을 도시한다. 도 6da에 도시된 제조 단계에서, 리브 도파로가 제공될 수 있다. 리브 도파로는 전술한 제조 기술 중 임의의 하나를 이용하여 획득될 수 있다. 리브 도파로는 유전체 층(6-401), 슬래브(6-402), 및 융기 영역(6-403)을 포함할 수 있다.
도 6db에 도시된 제조 단계에서, 포토레지스트(6-404)의 층이 유전체 막 상에 퇴적될 수 있다. 포토레지스트 층은 원하는 형상을 형성하기 위해 포토리소그래피 공정 단계를 이용하여 패터닝될 수 있다. 포토레지스트는 포지티브 또는 네거티브일 수 있다.
도 6dc에 도시된 제조 단계에서, 에칭 공정이 수행되어 에칭된 슬래브(6-405)를 형성할 수 있다. 에칭 공정은 유전체 층(6-401)의 적어도 일부분이 커버되지 않을 때까지 계속될 수 있다.
도 6dd에 도시된 제조 단계에서, 상부 유전체 층(6-406)이 융기된 영역(6-403) 상에 성장되거나 퇴적될 수 있다. 상부 유전체 층은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상부 유전체 층은 CMP 공정을 이용하여 평탄화될 수 있다. 도 6dd에 도시된 도파로는 도 4bb의 도파로(4-250)로서 역할할 수 있다.
V. 결론
이와 같이 본 출원의 기술의 여러 양태 및 실시예가 설명되었으므로, 본 기술분야의 통상의 기술자에게 다양한 변경들, 수정들, 및 개선들이 쉽게 떠오를 수 있다는 것을 알 것이다. 그러한 변경들, 수정들, 및 개선들은 본 출원에 설명된 기술의 사상 및 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 전술한 실시예들은 단지 예로서 제시되고, 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에서 발명의 실시예들은 구체적으로 설명된 것과 달리 실시될 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 본 명세서에 설명된 둘 이상의 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법의 임의 조합은, 그러한 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법이 서로 모순되지 않는 경우에 본 개시내용의 범위 내에 포함된다.
또한, 설명된 것처럼, 일부 양태들은 하나 이상의 방법으로서 구체화될 수 있다. 이 방법의 일부로서 수행되는 액트들은 임의의 적당한 방식으로 순서가 매겨질 수 있다. 따라서, 예시된 실시예들에서 순차적인 액트들로 도시되어 있지만, 일부 액트들을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있는, 도시된 것과 상이한 순서로 액트들이 수행되는 실시예들이 구성될 수 있다.
본 명세서에서 정의되고 사용된 모든 정의는, 사전적 정의, 인용에 의해 포함된 문서에서의 정의, 및/또는 정의된 용어의 일반적 의미에 대해 통제하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 및 청구범위에 사용된 부정관사("a" 및 "an")은, 명확히 반대로 지시되지 않으면, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해해야 한다.
여기서 명세서 및 청구항에 사용된 "및/또는"이라는 구는 그렇게 등위 연결된 요소들의 "어느 하나 또는 양쪽", 즉 일부 경우에는 결합하여(conjunctively) 존재하고 다른 경우에는 분리하여(disjunctively) 존재하는 요소들을 의미하는 것으로 해석하여야 한다.
여기서 명세서 및 청구항에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 요소의 리스트에 관하여, "적어도 하나"라는 구는 요소들의 리스트에서의 요소들 중 임의의 하나 이상으로부터 선택되지만, 요소들의 리스트 내에 구체적으로 열거된 각기 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함하는 것은 아니고 요소들의 리스트에서의 요소들의 임의의 조합을 배제하지 않는 적어도 하나의 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 정의는 또한, 구체적으로 식별된 이들 요소들에 관련되든 관련되지 않든 간에, "적어도 하나"라는 구가 지칭하는 요소들의 리스트 내에 구체적으로 식별된 요소들 이외의 요소들이 선택적으로 존재할 수 있다는 것을 허용한다.
상기 명세서뿐만 아니라 청구항에서, 모든 연결구, 예를 들어 "구성하는", "포함하는", "운반하는", "갖는", "함유하는", "수반하는", "유지하는", "~로 이루어지는" 등은 개방형으로 이해되어야 하는데, 즉, 포함하지만 이것에만 제한되지는 않는 것으로 이해되어야 한다. 연결 구문 "~로 이루어진(consisting of~)" 및 "본질적으로 ~로 이루어진(consisting essentially of~)"은 제각기 폐쇄형 또는 반폐쇄형 연결 구문일 것이다.

Claims (100)

  1. 통합 디바이스로서:
    복수의 도파로;
    격자 영역을 갖는 격자 커플러;
    변하는 폭들을 갖고 상기 격자 커플러와 광학적으로 결합하도록 구성된 복수의 출력 도파로; 및
    복수의 광 스플리터를 포함하고, 상기 광 스플리터들 중 적어도 하나는 상기 복수의 출력 도파로 중 하나와 상기 복수의 도파로 중 적어도 2개 사이에 위치되는, 통합 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 격자 영역은 실질적으로 상기 통합 디바이스의 표면에 평면인 방향으로 배향된 복수의 격자를 포함하는, 통합 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 출력 도파로 중 개개의 출력 도파로들은 상기 격자 영역의 한 측 상에 배열되는, 통합 디바이스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 출력 도파로는 제1 출력 도파로 및 제2 출력 도파로를 포함하고, 상기 제1 출력 도파로는 상기 제2 출력 도파로보다 상기 격자 영역의 한 측의 중심에 더 근접하고 상기 제2 출력 도파로보다 작은 폭을 갖는, 통합 디바이스.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 출력 도파로는 제1 출력 도파로 및 제2 출력 도파로를 포함하고, 상기 제1 출력 도파로는 상기 제2 출력 도파로보다 상기 격자 영역의 한 측의 에지에 더 근접하고 상기 제2 출력 도파로보다 작은 폭을 갖는, 통합 디바이스.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 출력 도파로와 상기 복수의 도파로 중 하나 사이의 광 스플리터의 수는 상기 제1 출력 도파로와 상기 복수의 도파로 중 또 다른 것 사이의 광 스플리터들의 수보다 큰, 통합 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 출력 도파로 및 상기 복수의 광 스플리터는 상기 격자 영역으로부터 방사상 분포되는, 통합 디바이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 도파로 중 개개의 도파로들은 상기 격자 영역에서의 격자들에 실질적으로 수직으로 배열되는, 통합 디바이스.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 광 스플리터 중 적어도 하나는 상기 격자 커플러로부터 1 mm 미만에 위치되는, 통합 디바이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 도파로 중 개개의 도파로들은, 테이퍼 치수가 말단 위치에서보다 상기 격자 커플러에 근접한 위치에서 더 작게 되도록, 상기 복수의 도파로 중 하나를 따라 광 전파의 방향에 수직인 방향에서 테이퍼 치수를 갖는 통합 디바이스.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 도파로 중 개개의 도파로들은 복수의 샘플 우물과 광학적으로 결합하도록 위치되는, 통합 디바이스.
  12. 제11항에 있어서, 상기 복수의 도파로 중 적어도 하나는 상기 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물과 중첩되는 위치에서의 제1 두께 및 상기 적어도 하나의 샘플 우물과 중첩되지 않는 위치에서의 제2 두께를 가지며, 상기 제1 두께는 상기 제2 두께보다 큰, 통합 디바이스.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물의 표면은 상기 복수의 도파로 중 제1 도파로의 표면과 접촉하는, 통합 디바이스.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 도파로 중 적어도 하나는 다중 모드 도파로를 따른 복수의 광학 모드의 전파를 지원하도록 구성된 다중 모드 도파로인, 통합 디바이스.
  15. 제14항에 있어서, 상기 다중 모드 도파로를 따른 전력 분포는 상기 제1 영역과는 별개인 제2 영역에서보다 상기 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나와 중첩되는 제1 영역에서 더 넓은, 통합 디바이스.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 도파로 중 개개의 도파로들은 상기 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물과 광학적으로 결합하는 상기 복수의 도파로 중 하나로부터 연장되는 소멸장(evanescent field)을 갖는 여기 에너지의 전파를 지원하도록 구성된, 통합 디바이스.
  17. 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물은 상기 적어도 하나의 샘플 우물의 측벽의 적어도 일부분 상에 형성된 측벽 스페이서를 포함하는, 통합 디바이스.
  18. 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통합 디바이스는 적어도 하나의 금속 층을 추가로 포함하고, 상기 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물의 표면은 상기 적어도 하나의 금속 층으로부터 리세싱되는, 통합 디바이스.
  19. 제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통합 디바이스는 상기 복수의 샘플 우물 중 하나로부터 광을 수신하도록 구성된 센서를 추가로 포함하는 통합 디바이스.
  20. 제19항에 있어서, 상기 하나의 샘플 우물과 상기 센서 사이의 거리는 10 마이크로미터 미만인, 통합 디바이스.
  21. 제11항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통합 디바이스는 상기 통합 디바이스의 표면 상에 형성된 금속 층을 추가로 포함하고, 상기 금속 층은 상기 복수의 샘플 우물 중 하나의 샘플 우물의 애퍼처와 중첩되는 개구를 갖는, 통합 디바이스.
  22. 제11항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 도파로 중 제1 도파로는 상기 복수의 샘플 우물의 제1 세트의 일부와 광학적으로 결합하도록 구성되고, 상기 복수의 도파로 중 제2 도파로는 상기 복수의 샘플 우물의 제2 세트의 일부와 광학적으로 결합하도록 구성되고, 상기 복수의 광 스플리터 중 하나의 광 스플리터는 상기 샘플 우물들의 제1 세트와 상기 샘플 우물들의 제2 세트 사이에 위치되고 또한 상기 제1 및 제2 도파로들 중 적어도 하나에 광학적으로 결합하도록 구성된, 통합 디바이스.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통합 디바이스는 상기 격자 커플러를 통과하는 여기 에너지를 수신하도록 위치된 하나 이상의 광 검출기를 추가로 포함하는 통합 디바이스.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통합 디바이스는 상기 격자 커플러에 근접한 영역을 통과하는 여기 에너지를 수신하도록 위치된 하나 이상의 광 검출기를 추가로 포함하는 통합 디바이스.
  25. 통합 디바이스를 형성하는 방법으로서:
    복수의 도파로를 형성하는 단계;
    격자 영역을 갖는 격자 커플러를 형성하는 단계;
    변하는 폭들을 갖고 상기 격자 커플러와 광학적으로 결합하도록 구성된 복수의 출력 도파로를 형성하는 단계; 및
    복수의 광 스플리터를 형성하는 단계 - 상기 광 스플리터들 중 적어도 하나는 상기 복수의 출력 도파로 중 하나와 상기 복수의 도파로 중 적어도 2개 사이에 위치됨 - 를 포함하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 격자 커플러를 형성하는 단계는 상기 격자 영역에 복수의 격자를 형성하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 복수의 격자는 실질적으로 상기 통합 디바이스의 표면에 평면인 방향으로 배향되는, 방법.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서, 상기 복수의 출력 도파로를 형성하는 단계는 상기 격자 영역의 한 측 상에 배열된 상기 복수의 출력 도파로 중 개개의 출력 도파로들을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  28. 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 출력 도파로를 형성하는 단계는 제1 출력 도파로 및 제2 출력 도파로를 형성하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 제1 출력 도파로는 상기 제2 출력 도파로보다 상기 격자 영역의 한 측의 중심에 더 근접하고 상기 제2 출력 도파로보다 작은 폭을 갖는, 방법.
  29. 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 출력 도파로를 형성하는 단계는 제1 출력 도파로 및 제2 출력 도파로를 형성하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 제1 출력 도파로는 상기 제2 출력 도파로보다 상기 격자 영역의 한 측의 에지에 더 근접하고 상기 제2 출력 도파로보다 작은 폭을 갖는, 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 복수의 광 스플리터를 형성하는 단계는 제1 출력 도파로와 상기 복수의 도파로 중 또 다른 것 사이의 광 스플리터의 수보다 큰 광 스플리터의 수를 상기 제2 출력 도파로와 상기 복수의 도파로 중 하나 사이에 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  31. 제25항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 출력 도파로를 형성하는 단계는 상기 격자 영역으로부터 방사상으로 분포시키기 위해 상기 복수의 출력 도파로를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  32. 제25항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 도파로를 형성하는 단계는 상기 격자 영역에서의 격자들에 실질적으로 수직으로 배열된 상기 복수의 도파로 중 개개의 도파로들을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  33. 제25항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 도파로를 형성하는 단계는, 테이퍼 치수가 말단 위치에서보다 상기 격자 커플러에 근접한 위치에서 더 작도록 상기 복수의 도파로 중 하나를 따른 광 전파 방향에 수직인 방향에서 상기 테이퍼 치수를 갖도록 상기 복수의 도파로를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  34. 제25항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 샘플 우물을 형성하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 복수의 도파로 중 개개의 도파로들은 상기 복수의 샘플 우물과 광학적으로 결합하도록 위치되는, 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 복수의 도파로를 형성하는 단계는 상기 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물과 중첩되는 위치에서의 제1 두께 및 상기 적어도 하나의 샘플 우물과 중첩되지 않는 위치에서의 제2 두께를 갖는 상기 복수의 도파로 중 적어도 하나를 형성하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 제1 두께는 상기 제2 두께보다 큰, 방법.
  36. 제34항 또는 제35항에 있어서, 상기 복수의 샘플 우물을 형성하는 단계는 상기 복수의 도파로 중 제1 도파로의 표면과 접촉하는 상기 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물의 표면을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  37. 제34항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 도파로를 형성하는 단계는 다중 모드 도파로를 따른 복수의 광학 모드의 전파를 지원하도록 구성된 다중 모드 도파로를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  38. 제34항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 도파로 중 개개의 도파로들은 상기 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물과 광학적으로 결합하는 상기 복수의 도파로 중 하나로부터 연장되는 소멸장을 갖는 여기 에너지의 전파를 지원하도록 구성된, 방법.
  39. 제34항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 샘플 우물을 형성하는 단계는 상기 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물의 측벽의 적어도 일부분 상에 측벽 스페이서를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  40. 제34항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 샘플 우물을 형성하는 단계는 적어도 하나의 금속 층을 형성하는 단계 및 상기 적어도 하나의 금속 층으로부터 리세싱된 상기 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물의 표면을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  41. 제34항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 샘플 우물 중 하나로부터 광을 수신하도록 구성된 센서를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  42. 제41항에 있어서, 상기 하나의 샘플 우물과 상기 센서 사이의 거리는 10 마이크로미터 미만인, 방법.
  43. 제34항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 도파로 중 제1 도파로는 상기 복수의 샘플 우물의 제1 세트의 일부와 광학적으로 결합하도록 구성되고, 상기 복수의 도파로 중 제2 도파로는 상기 복수의 샘플 우물의 제2 세트의 일부와 광학적으로 결합하도록 구성되고, 상기 복수의 광 스플리터 중 하나의 광 스플리터는 상기 샘플 우물들의 제1 세트와 상기 샘플 우물들의 제2 세트 사이에 위치되고 또한 상기 제1 및 제2 도파로들 중 적어도 하나에 광학적으로 결합하도록 구성되는, 방법.
  44. 통합 디바이스로서:
    샘플 우물들의 제1 세트의 일부와 광학적으로 결합하도록 구성된 제1 도파로;
    샘플 우물들의 제2 세트의 일부와 광학적으로 결합하도록 구성된 제2 도파로; 및
    상기 샘플 우물들의 제1 세트와 상기 샘플 우물들의 제2 세트 사이에 위치되고 또한 상기 제1 및 제2 도파로들 중 적어도 하나에 광학적으로 결합하도록 구성된 광 스플리터를 포함하는 통합 디바이스.
  45. 제44항에 있어서, 상기 통합 디바이스는 상기 광 스플리터와 광학적으로 결합하도록 구성된 적어도 하나의 입력 도파로를 추가로 포함하는 통합 디바이스.
  46. 제44항 또는 제45항에 있어서, 상기 통합 디바이스는 상기 적어도 하나의 입력 도파로와 광학적으로 결합하도록 구성된 격자 커플러를 추가로 포함하는 통합 디바이스.
  47. 제46항에 있어서, 상기 격자 커플러의 격자들은 상기 적어도 하나의 입력 도파로에 실질적으로 평행한, 통합 디바이스.
  48. 통합 디바이스로서:
    적어도 하나의 샘플 우물; 및
    여기 에너지를 상기 적어도 하나의 샘플 우물에 결합하도록 구성된 도파로를 포함하고, 상기 도파로는 상기 적어도 하나의 샘플 우물과 중첩되는 위치에서의 제1 두께 및 상기 적어도 하나의 샘플 우물과 중첩되지 않는 위치에서의 제2 두께를 갖고, 상기 제1 두께는 상기 제2 두께보다 큰, 통합 디바이스.
  49. 제48항에 있어서, 상기 도파로는 상기 도파로로부터 연장되는 소멸장을 갖는 여기 에너지의 전파를 지원하도록 구성된 통합 디바이스.
  50. 제48항 또는 제49항에 있어서, 상기 도파로는, 테이퍼 치수가 말단 위치에서보다 상기 격자 커플러에 근접한 위치에서 더 작도록 상기 도파로를 따른 광 전파 방향에 수직인 방향으로 테이퍼 치수를 갖는, 통합 디바이스.
  51. 제48항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 샘플 우물의 표면은 상기 도파로의 표면과 접촉하는, 통합 디바이스.
  52. 제48항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 샘플 우물은 복수의 샘플 우물을 어레이로 포함하는, 통합 디바이스.
  53. 제48항 내지 제52항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 샘플 우물은 상기 통합 디바이스의 금속 층으로부터 리세싱되는, 통합 디바이스.
  54. 제48항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파로는 상기 도파로를 따라 복수의 광학 모드의 전파를 지원하도록 구성된 다중 모드 도파로인, 통합 디바이스.
  55. 제54항에 있어서, 상기 다중 모드 도파로를 따른 전력 분포는 제1 영역과는 별개인 제2 영역에서보다 상기 적어도 하나의 샘플 우물과 중첩되는 상기 제1 영역에서 더 넓은, 통합 디바이스.
  56. 제48항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 두께는 200 nm와 400 nm 사이에 있는, 통합 디바이스.
  57. 제48항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 두께는 100 nm와 250 nm 사이에 있는, 통합 디바이스.
  58. 제48항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파로는 적어도 부분적으로 실리콘 질화물 층으로부터 형성되는, 통합 디바이스.
  59. 제48항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통합 디바이스는 상기 적어도 하나의 샘플 우물에 위치된 샘플에 의해 방출된 방출 에너지를 수신하도록 구성된 센서를 추가로 포함하는 통합 디바이스.
  60. 제59항에 있어서, 상기 적어도 하나의 샘플 우물과 상기 센서 사이의 거리는 10 마이크로미터 미만인, 통합 디바이스.
  61. 제59항에 있어서, 상기 적어도 하나의 샘플 우물과 상기 센서 사이의 거리는 7 마이크로미터 미만인, 통합 디바이스.
  62. 제59항에 있어서, 상기 적어도 하나의 샘플 우물과 상기 센서 사이의 거리는 3 마이크로미터 미만인, 통합 디바이스.
  63. 제48항 내지 제62항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통합 디바이스는 상기 통합 디바이스의 표면 상에 형성된 금속 층을 추가로 포함하고, 상기 금속 층은 상기 적어도 하나의 샘플 우물의 애퍼처와 중첩되는 개구를 갖는, 통합 디바이스.
  64. 제63항에 있어서, 상기 금속 층은 알루미늄을 갖는 제1 층 및 티타늄 질화물을 갖는 제2 층을 포함하고, 상기 제1 층은 상기 도파로에 근접하는, 통합 디바이스.
  65. 통합 디바이스로서:
    상기 통합 디바이스의 표면 상에 배치되는 금속 층 - 상기 금속 층은 불연속성을 가짐 -; 및
    상기 금속 층의 불연속성에 대응하는 상부 애퍼처를 갖는 적어도 하나의 샘플 우물을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 샘플 우물의 표면은 상기 통합 디바이스의 표면에 실질적으로 수직인 방향을 따라 상기 금속 층을 넘어 연장되는, 통합 디바이스.
  66. 제65항에 있어서, 상기 적어도 하나의 샘플 우물의 표면은 상기 금속 층으로부터 100 nm와 350 nm 사이의 거리에 위치되는, 통합 디바이스.
  67. 제65항 또는 제66항에 있어서, 상기 적어도 하나의 샘플 우물은 상기 샘플 우물의 측벽의 적어도 일부분 상에 형성된 측벽 스페이서를 포함하는, 통합 디바이스.
  68. 제65항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통합 디바이스는 상기 적어도 하나의 샘플 우물의 표면에 대해 원위인 도파로를 추가로 포함하는 통합 디바이스.
  69. 제68항에 있어서, 상기 도파로는 슬래브 및 융기 영역을 포함하는, 통합 디바이스.
  70. 제68항 또는 제69항에 있어서, 상기 도파로는 테이퍼되는, 통합 디바이스.
  71. 제68항 내지 제70항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 층은 알루미늄을 갖는 제1 층 및 티타늄 질화물을 갖는 제2 층을 포함하고, 상기 제1 층은 상기 도파로에 근접한, 통합 디바이스.
  72. 제68항 내지 제71항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파로로부터 상기 적어도 하나의 샘플 우물의 표면까지의 거리는 200 nm 미만인, 통합 디바이스.
  73. 제68항 내지 제72항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 층에서의 개구는 상기 도파로에 대한 격자 커플러에 대응하는, 통합 디바이스.
  74. 제68항 내지 제73항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파로는 적어도 부분적으로 실리콘 질화물 층으로부터 형성되는, 통합 디바이스.
  75. 제65항 내지 제74항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통합 디바이스는 상기 적어도 하나의 샘플 우물에 위치된 샘플에 의해 방출된 방출 에너지를 수신하도록 구성된 센서를 추가로 포함하는 통합 디바이스.
  76. 제75항에 있어서, 상기 적어도 하나의 샘플 우물과 상기 센서 사이의 거리는 10 마이크로미터 미만인, 통합 디바이스.
  77. 제75항에 있어서, 상기 적어도 하나의 샘플 우물과 상기 센서 사이의 거리는 7 마이크로미터 미만인, 통합 디바이스.
  78. 제75항에 있어서, 상기 적어도 하나의 샘플 우물과 상기 센서 사이의 거리는 3 마이크로미터 미만인, 통합 디바이스.
  79. 통합 디바이스를 형성하는 방법으로서:
    반도체 기판 상에 배치된 유전체 막을 갖는 반도체 기판을 제공하는 단계;
    상기 유전체 막의 일부분을 부분적으로 에칭함으로써 슬래브 및 융기 영역을 갖는 도파로를 형성하는 단계;
    상부 클래딩이 상기 도파로와 접촉하도록 상기 상부 클래딩을 형성하는 단계;
    상기 상부 클래딩의 표면 상에 금속 층을 형성하는 단계; 및
    상기 금속 층 및 상기 상부 클래딩의 일부분을 에칭함으로써 상기 도파로 위에 샘플 우물을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  80. 제79항에 있어서, 상기 도파로를 형성하는 단계는 타이밍된 에칭 공정을 포함하는, 방법.
  81. 제79항 또는 제80항에 있어서, 상기 도파로를 형성하는 단계는 에칭 정지 층을 이용하는 에칭 공정을 포함하는, 방법.
  82. 제79항 내지 제81항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플 우물을 형성하는 단계는 상기 도파로의 적어도 일부분이 커버되지 않을 때까지 상기 상부 클래딩을 에칭하는 단계를 포함하는, 방법.
  83. 제79항 내지 제82항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플 우물의 하부 표면과 상기 도파로 사이의 거리는 10 nm와 200 nm 사이에 있는, 방법.
  84. 제79항 내지 제83항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 상기 샘플 우물의 측벽의 적어도 일부분 상에 스페이서를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  85. 제79항 내지 제84항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층을 형성하는 단계는 복수의 금속 서브층을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  86. 제79항 내지 제85항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 리지 도파로(ridge waveguide)를 형성하기 위해 상기 슬래브의 일부분을 에칭하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  87. 제79항 내지 제86항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 리브 도파로(rib waveguide)를 형성하기 위해 상기 슬래브의 일부분을 에칭하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  88. 제79항 내지 제87항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파로를 형성하는 단계는 가변 폭을 갖는 테이퍼를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  89. 통합 디바이스로서:
    복수의 샘플 우물;
    여기 에너지를 상기 복수의 샘플 우물 중 제1 부분에 결합하도록 구성된 제1 광 도파로;
    상기 여기 에너지를 상기 복수의 샘플 우물 중 제2 부분에 결합하도록 구성된 제2 광 도파로; 및
    상기 통합 디바이스 외부에 위치된 광학 소스로부터 상기 여기 에너지를 수신하고, 및 상기 여기 에너지를 상기 제1 광 도파로에 그리고 상기 제2 광 도파로에 결합하도록 구성된 격자 커플러를 포함하는 통합 디바이스.
  90. 제89항에 있어서, 상기 통합 디바이스는 상기 격자 커플러를 통과하는 여기 에너지를 수신하도록 위치된 하나 이상의 광 검출기를 추가로 포함하는 통합 디바이스.
  91. 제89항 또는 제90항에 있어서, 상기 통합 디바이스는 상기 격자 커플러에 근접한 영역에서 통과하는 여기 에너지를 수신하도록 위치된 하나 이상의 광 검출기를 추가로 포함하는 통합 디바이스.
  92. 제89항 내지 제91항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 격자 커플러는 제1 광 격자 커플러이고, 상기 통합 디바이스는 상기 제1 도파로에 광학적으로 결합되고 또한 상기 제1 도파로로부터 상기 여기 에너지를 수신하고 상기 통합 디바이스에 위치된 광 검출기에 상기 여기 에너지를 결합하도록 구성된 제2 광 커플러를 추가로 포함하는 통합 디바이스.
  93. 제89항 내지 제92항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 광 도파로는 소멸 커플링을 통해 상기 복수의 샘플 우물의 제1 부분에 상기 여기 에너지를 결합하도록 구성된, 통합 디바이스.
  94. 제89항 내지 제93항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통합 디바이스는:
    상기 통합 디바이스의 표면 상에 배치된 금속 층을 추가로 포함하고;
    상기 복수의 샘플 우물은 상기 금속 층을 통해 형성되는, 통합 디바이스.
  95. 제94항에 있어서, 상기 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나는 상기 제1 도파로에 근접한 하부 표면을 포함하고, 상기 하부 표면은 상기 금속 층을 통해 리세싱되는, 통합 디바이스.
  96. 제95항에 있어서, 상기 하부 표면은 상기 금속 층으로부터 100 nm와 350 nm 사이의 거리에 위치되는, 통합 디바이스.
  97. 제95항에 있어서, 상기 하부 표면은 상기 제1 광학 도파로로부터 10 nm와 200 nm 사이의 거리에 위치되는, 통합 디바이스.
  98. 제94항 내지 제97항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 층은 알루미늄 층 및 티타늄 질화물 층을 포함하고, 상기 알루미늄 층은 상기 제1 및 제2 도파로들에 근접하는, 통합 디바이스.
  99. 제89항 내지 제98항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 격자는 실리콘 질화물 층에 형성된 에칭된 영역을 포함하는, 통합 디바이스.
  100. 제89항 내지 제99항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 샘플 우물 중 적어도 하나의 샘플 우물은 상기 적어도 하나의 샘플 우물의 측벽의 적어도 일부분 상에 형성된 측벽 스페이서를 포함하는, 통합 디바이스.
KR1020197020562A 2016-12-16 2017-12-15 광 커플러 및 도파로 시스템 KR102574176B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662435693P 2016-12-16 2016-12-16
US62/435,693 2016-12-16
PCT/US2017/066717 WO2018112367A2 (en) 2016-12-16 2017-12-15 Optical coupler and waveguide system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190097163A true KR20190097163A (ko) 2019-08-20
KR102574176B1 KR102574176B1 (ko) 2023-09-06

Family

ID=60943149

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197020562A KR102574176B1 (ko) 2016-12-16 2017-12-15 광 커플러 및 도파로 시스템

Country Status (11)

Country Link
US (2) US20180172906A1 (ko)
EP (2) EP3555591B1 (ko)
JP (2) JP7189874B2 (ko)
KR (1) KR102574176B1 (ko)
CN (2) CN110088594B (ko)
AU (2) AU2017377057B2 (ko)
BR (1) BR112019012070A2 (ko)
CA (1) CA3047122A1 (ko)
MX (1) MX2019007070A (ko)
TW (1) TWI778993B (ko)
WO (1) WO2018112367A2 (ko)

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3088855B1 (en) * 2015-04-28 2020-10-21 IMEC vzw A compact interferometer
US11226290B2 (en) * 2016-06-01 2022-01-18 Quantum-Si Incorporated Photonic structures and integrated device for detecting and analyzing molecules
MX2020007284A (es) 2018-01-08 2020-09-10 Quantum Si Inc Sistema y metodos para la carga electrocinetica de camaras de reaccion a escala submicrometrica.
FR3086758B1 (fr) * 2018-09-28 2020-10-02 Commissariat Energie Atomique Procede et dispositif d'observation d'un echantillon sous lumiere ambiante
KR20210091243A (ko) 2018-11-15 2021-07-21 퀀텀-에스아이 인코포레이티드 단백질 시퀀싱을 위한 방법 및 조성물
AU2020289796A1 (en) * 2019-06-28 2021-01-28 Illumina Cambridge Limited Flowcells with linear waveguides
WO2021086985A1 (en) 2019-10-29 2021-05-06 Quantum-Si Incorporated Peristaltic pumping of fluids and associated methods, systems, and devices
AU2021207501A1 (en) 2020-01-14 2022-09-08 Quantum-Si Incorporated Integrated sensor for lifetime characterization
KR20220140523A (ko) 2020-01-14 2022-10-18 퀀텀-에스아이 인코포레이티드 수명 플러스 스펙트럼 특성화를 위한 센서
US11378750B2 (en) 2020-01-17 2022-07-05 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Germanium photodetector embedded in a multi-mode interferometer
JP2021139657A (ja) * 2020-03-02 2021-09-16 富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社 光デバイス及び光デバイスの試験方法
US11719639B2 (en) 2020-03-02 2023-08-08 Quantum-Si Incorporated Integrated sensor for multi-dimensional signal analysis
EP4133524A2 (en) 2020-04-08 2023-02-15 Quantum-si Incorporated Integrated sensor with reduced skew
JP2021196478A (ja) * 2020-06-12 2021-12-27 住友電気工業株式会社 光モジュール
CN112129775B (zh) * 2020-09-23 2023-03-24 哈尔滨工业大学 一种匀光棒条形光源及基于该光源的光学元件损伤检测装置
EP4305405A1 (en) * 2021-04-13 2024-01-17 Quantum-si Incorporated Optical pulse stretcher
CN114637072B (zh) * 2022-01-18 2023-10-13 浙江大学 一种浅刻蚀多模干涉耦合的多通道平顶型波分复用接收器
US11899240B2 (en) 2022-06-09 2024-02-13 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Photonic device, system and method of making same
US20240126027A1 (en) * 2022-10-18 2024-04-18 Visera Technologies Company Limited Optical device

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160084761A1 (en) * 2014-08-08 2016-03-24 Quantum-Si Incorporated Integrated device with external light source for probing detecting and analyzing molecules

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7560273B2 (en) * 2002-07-23 2009-07-14 Applied Biosystems, Llc Slip cover for heated platen assembly
JPH08271744A (ja) * 1995-02-03 1996-10-18 Nhk Spring Co Ltd 光分岐デバイス
JP2003532123A (ja) * 2000-04-28 2003-10-28 エッジライト バイオサイエンシズ インコーポレイテッド マイクロアレーエバネッセント波蛍光検出装置
US7452712B2 (en) * 2002-07-30 2008-11-18 Applied Biosystems Inc. Sample block apparatus and method of maintaining a microcard on a sample block
US7148043B2 (en) * 2003-05-08 2006-12-12 Bio-Rad Laboratories, Inc. Systems and methods for fluorescence detection with a movable detection module
US9813152B2 (en) * 2004-01-14 2017-11-07 Luxtera, Inc. Method and system for optoelectronics transceivers integrated on a CMOS chip
US20060030037A1 (en) * 2004-05-28 2006-02-09 Victor Joseph Thermo-controllable high-density chips for multiplex analyses
WO2006060875A1 (en) * 2004-12-09 2006-06-15 Rpo Pty Limited Optical power distribution devices
US7483140B1 (en) * 2004-12-10 2009-01-27 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Micro integrated planar optical waveguide type SPR sensor
TWI247886B (en) * 2005-01-06 2006-01-21 Univ Nat Taiwan Improved linear wave-guide type surface plasmon resonance micro sensor
US8288157B2 (en) * 2007-09-12 2012-10-16 Plc Diagnostics, Inc. Waveguide-based optical scanning systems
KR100795447B1 (ko) * 2006-09-11 2008-01-16 노키아 코포레이션 광 가이드, 광가이드 제조 장치, 제조 시스템, 및 제조 방법
US7974504B2 (en) * 2008-03-28 2011-07-05 Infinera Corporation Reflection suppression in a photonic integrated circuit
DK3629011T3 (da) * 2008-09-16 2024-01-29 Pacific Biosciences California Inc Integreret optisk indretning
US8218151B2 (en) * 2009-03-12 2012-07-10 Tel Aviv University Future Technology Development Ltd Light-emitting intra-cavity interferometric sensors
US8636955B2 (en) * 2009-08-03 2014-01-28 Omega Optics, Inc. Packaged chip for multiplexing photonic crystal waveguide and photonic crystal slot waveguide devices for chip-integrated label-free detection and absorption spectroscopy with high throughput, sensitivity, and specificity
US8865078B2 (en) * 2010-06-11 2014-10-21 Industrial Technology Research Institute Apparatus for single-molecule detection
CA3178340A1 (en) * 2012-08-20 2014-02-27 Illumina, Inc. Method and system for fluorescence lifetime based sequencing
TW201416061A (zh) * 2012-10-19 2014-05-01 Nat Univ Chung Cheng 雙面光柵波導生物感測器
WO2014130900A1 (en) * 2013-02-22 2014-08-28 Pacific Biosciences Of California, Inc. Integrated illumination of optical analytical devices
JP6548581B2 (ja) * 2014-01-24 2019-07-24 技術研究組合光電子融合基盤技術研究所 グレーティングカプラ
EP2977801B1 (en) * 2014-07-24 2019-11-06 IMEC vzw Integrated grating coupler and power splitter
CN104155244B (zh) * 2014-08-08 2017-05-03 浙江大学 一种应用于智能手机上的光波导生物传感器
EP4220256A1 (en) * 2015-03-16 2023-08-02 Pacific Biosciences of California, Inc. Analytical system comprising integrated devices and systems for free-space optical coupling
JP2016197020A (ja) * 2015-04-02 2016-11-24 富士通株式会社 光センサ
MX2017014821A (es) * 2015-05-20 2018-06-27 Quantum Si Inc Método para determinar la secuencia de un acido nucleico usando luminiscencia resuelta por tiempo.
CA2986151A1 (en) * 2015-05-20 2016-11-24 Quantum-Si Incorporated Pulsed laser and bioanalytic system
US10365434B2 (en) * 2015-06-12 2019-07-30 Pacific Biosciences Of California, Inc. Integrated target waveguide devices and systems for optical coupling

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160084761A1 (en) * 2014-08-08 2016-03-24 Quantum-Si Incorporated Integrated device with external light source for probing detecting and analyzing molecules

Also Published As

Publication number Publication date
AU2017377057B2 (en) 2022-11-17
CN110088594B (zh) 2022-09-20
BR112019012070A2 (pt) 2020-01-07
WO2018112367A3 (en) 2018-07-26
TW202323893A (zh) 2023-06-16
TW201831938A (zh) 2018-09-01
EP4141416A2 (en) 2023-03-01
JP2020515880A (ja) 2020-05-28
CN110088594A (zh) 2019-08-02
CA3047122A1 (en) 2018-06-21
MX2019007070A (es) 2019-08-01
EP4141416A3 (en) 2023-06-07
EP3555591A2 (en) 2019-10-23
AU2017377057A1 (en) 2019-06-20
KR102574176B1 (ko) 2023-09-06
EP3555591B1 (en) 2022-07-06
CN115327709A (zh) 2022-11-11
TWI778993B (zh) 2022-10-01
JP7189874B2 (ja) 2022-12-14
JP2023039960A (ja) 2023-03-22
US20230258862A1 (en) 2023-08-17
AU2023200860A1 (en) 2023-03-16
WO2018112367A2 (en) 2018-06-21
US20180172906A1 (en) 2018-06-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102574176B1 (ko) 광 커플러 및 도파로 시스템
US20230375475A1 (en) Photonic structures and integrated device for detecting and analyzing molecules
US11804499B2 (en) Optical and electrical secondary path rejection
JP2023510577A (ja) 寿命特性評価のための集積センサ
US20210215606A1 (en) Waveguide excitation uniformity
CN116670494A (zh) 具有按序耦合电荷存储的集成电路及相关技术
TWI842077B (zh) 光學耦合器及波導系統
JP2024500353A (ja) 電荷移動効率を向上した集積回路および関連技術

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant