TWI778993B - 光學耦合器及波導系統 - Google Patents

光學耦合器及波導系統 Download PDF

Info

Publication number
TWI778993B
TWI778993B TW106144267A TW106144267A TWI778993B TW I778993 B TWI778993 B TW I778993B TW 106144267 A TW106144267 A TW 106144267A TW 106144267 A TW106144267 A TW 106144267A TW I778993 B TWI778993 B TW I778993B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
waveguides
waveguide
integrated device
sample
optical
Prior art date
Application number
TW106144267A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201831938A (zh
Inventor
強納森 M 羅斯伯格
阿里 卡畢里
格瑞德 史區米德
傑森 W 西克勒
保羅 E 葛林
羅倫斯 C 威斯特
凱爾 普雷斯頓
艾力山大 剛達藍可
班傑明 席普來安尼
詹姆士 畢區
凱斯 G 菲夫
法席德 葛哈賽米
Original Assignee
美商寬騰矽公司
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 美商寬騰矽公司 filed Critical 美商寬騰矽公司
Publication of TW201831938A publication Critical patent/TW201831938A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI778993B publication Critical patent/TWI778993B/zh

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
    • 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
    • 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
    • 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)
  • Pathology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (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)

Abstract

本發明闡述用於至整合式裝置內之大量樣本井之光學功率分佈的系統及方法，該整合式裝置可分析單分子且執行核酸定序。該整合式裝置可包含：光柵耦合器，其經組態以自光學源接收光學光束；及光學分離器，其經組態以將該光柵耦合器之光學功率劃分至該整合式裝置之波導，該等波導經定位以與該等樣本井耦合。該光柵耦合器之輸出之一或多個尺寸可變化以說明該光學源之光學強度分佈型。

Description

光學耦合器及波導系統
本申請案一般而言針對於用於將光學能量耦合至裝置中且將光學能量分佈至該裝置之諸多區域之裝置、方法及技術。光學裝置可用於執行對生物及/或化學樣本之並行定量分析。
可使用生物檢定(biological assay)(「生物檢定(bioassay)」)執行對生物樣本之偵測及分析。生物檢定習用地涉及大型昂貴實驗室設備，此需要經訓練以操作該設備且執行該等生物檢定之研究科學家。此外，習用地批量執行生物檢定使得大量特定類型之樣本對於偵測及定量係必要的。
藉由用發射特定波長之光之發光標誌給樣本加標籤而執行某些生物檢定。用光源照射該等標誌以導致發光，且用光偵測器偵測發光以量化由該等標誌發射之發光量。使用發光標誌之生物檢定習用地涉及用以照射樣本之昂貴雷射光源及用以自該等經照射樣本收集發光之複雜發光偵測光學器件及電子器件。
某些實施例針對於一種整合式裝置，其包括：複數個第一波導；光柵耦合器，其具有光柵區域；複數個輸出波導，其具有變化寬度且經組態以與該光柵耦合器光學耦合；及複數個光學分離器。該等光學分離器中之 至少一者定位在該複數個輸出波導中之一者與該複數個第一波導中之至少兩者之間。
在某些實施例中，該光柵區域包括實質上在與該整合式裝置之表面同平面之方向上定向之複數個光柵。在某些實施例中，該複數個輸出波導中之個別輸出波導配置在該光柵區域之一側上。在某些實施例中，該複數個輸出波導包含第一輸出波導及第二輸出波導，且其中該第一輸出波導比該第二輸出波導更接近於該光柵區域之該側之中心且具有比該第二輸出波導小之寬度。在某些實施例中，該複數個輸出波導包含第一輸出波導及第二輸出波導，且其中該第一輸出波導比該第二輸出波導更接近於該光柵區域之該側之邊緣且具有比該第二輸出波導小之寬度。在某些實施例中，在該第二輸出波導與該複數個第一波導中之一者之間的光學分離器之數目大於在該第一輸出波導與該複數個第一波導中之另一者之間的光學分離器之數目。在某些實施例中，該複數個輸出波導及該複數個光學分離器自該光柵區域徑向分佈。在某些實施例中，該複數個第一波導中之個別第一波導實質上垂直於該光柵區域中之光柵而配置。在某些實施例中，該複數個第一波導中之個別第一波導經定位以與形成於該整合式裝置之表面上之複數個樣本井光學耦合。在某些實施例中，該複數個光學分離器中之至少一者定位在距該光柵耦合器小於1mm處。
某些實施例針對於一種整合式裝置，其包括：第一波導，其經組態以與第一樣本井集合之一部分光學耦合；第二波導，其經組態以與第二樣本井集合之一部分光學耦合；及光學分離器，其定位在該第一樣本井集合與該第二樣本井集合之間且經組態以光學耦合至該第一波導及該第二波導中之至少一者。
在某些實施例中，該整合式裝置進一步包括經組態以與該光學分離器光學耦合之至少一個輸入波導。在某些實施例中，該整合式裝置進一步包括經組態以與該至少一個輸入波導光學耦合之光柵耦合器。在某些實施例中，該光柵耦合器之光柵實質上平行於該至少一個輸入波導。
某些實施例針對於一種整合式裝置，其包括：至少一個樣本井；及波導，其經組態以將激發能量耦合至該至少一個樣本井，其中該波導在與該至少一個樣本井重疊之位置處具有第一厚度且在與該至少一個樣本井不重疊之位置處具有第二厚度，且該第一厚度大於該第二厚度。
在某些實施例中，該波導經組態以支援具有自該波導延伸之漸消場之激發能量之傳播。在某些實施例中，該波導在垂直於沿著該波導之光傳播方向之方向上具有漸縮尺寸，使得該漸縮尺寸在接近於該光柵耦合器之位置處比在遠端位置處小。在某些實施例中，該至少一個樣本井之表面接觸該波導之表面。在某些實施例中，該至少一個樣本井包含陣列中之複數個樣本井。在某些實施例中，該至少一個樣本井自該整合式裝置之金屬層凹陷。在某些實施例中，該波導係經組態以支援複數個光學模式沿著該波導之傳播之多模波導。在某些實施例中，沿著該多模波導之功率分佈在與該至少一個樣本井重疊之第一區域中比在與該第一區域分開之第二區域中寬。在某些實施例中，該第一厚度介於200nm與400nm之間。在某些實施例中，該第二厚度介於100nm與250nm之間。在某些實施例中，該波導至少部分地由氮化矽層形成。在某些實施例中，該整合式裝置進一步包括感測器，該感測器經組態以接收由位於該至少一個樣本井中之樣本發射之發射能量。在某些實施例中，該至少一個樣本井與該感測器之間的距離小於10微米。在某些實施例中，該至少一個樣本井與該感測器之間的距離 小於7微米。在某些實施例中，該至少一個樣本井與該感測器之間的距離小於3微米。在某些實施例中，該整合式裝置進一步包括形成於該整合式裝置之表面上之金屬層，該金屬層具有與該至少一個樣本井之孔隙重疊之開口。在某些實施例中，該金屬層包含具有鋁之第一層及具有氮化鈦之第二層，且其中該第一層接近於該波導。
某些實施例針對於一種整合式裝置，其包括：金屬層，其安置在該整合式裝置之表面上，該金屬層具有間斷部；及至少一個樣本井，其具有與該金屬層之該間斷部對應之頂部孔隙。該至少一個樣本井之表面沿著實質上垂直於該整合式裝置之該表面之方向延伸超過該金屬層。
在某些實施例中，該至少一個樣本井之該表面定位在距該金屬層介於100nm與350nm之間的距離處。在某些實施例中，該至少一個樣本井包括形成於該樣本井之側壁之至少一部分上之側壁間隔件。在某些實施例中，該整合式裝置進一步包括在該至少一個樣本井之該表面遠端之波導。在某些實施例中，該波導包括板條及凸起區域。在某些實施例中，該波導係漸縮的。在某些實施例中，該金屬層包含具有鋁之第一層及具有氮化鈦之第二層，且該第一層接近於該波導。在某些實施例中，自該波導至該至少一個樣本井之該表面之距離小於200nm。在某些實施例中，該金屬層中之開口對應於該波導之光柵耦合器。在某些實施例中，該波導至少部分地由氮化矽層形成。在某些實施例中，該整合式裝置進一步包括感測器，該經組態以接收由位於該至少一個樣本井中之樣本發射之發射能量。在某些實施例中，該至少一個樣本井與該感測器之間的距離小於10微米。在某些實施例中，該至少一個樣本井與該感測器之間的距離小於7微米。在某些實施例中，該至少一個樣本井與該感測器之間的距離小於3微米。
某些實施例針對於一種形成整合式裝置之方法，其包括：提供半導體基板，該半導體基板具有安置在該半導體基板上之介電膜；藉由部分地蝕刻該介電膜之一部分而形成具有板條及凸起區域之波導；形成頂部包覆層使得該頂部包覆層與該波導接觸；在該頂部包覆層之表面上形成金屬層；及藉由蝕刻該金屬層及該頂部包覆層之一部分而在該波導上方形成樣本井。
在某些實施例中，形成該波導包括定時蝕刻程序。在某些實施例中，形成該波導包括使用蝕刻停止層進行之蝕刻程序。在某些實施例中，形成該樣本井包括蝕刻該頂部包覆層直至該波導之至少一部分露出為止。在某些實施例中，該樣本井之底部表面與該波導之間的距離介於10nm與200nm之間。在某些實施例中，該方法進一步包括在該樣本井之側壁之至少一部分上形成間隔件。在某些實施例中，該方法進一步包括形成金屬層，包括形成複數個金屬子層。在某些實施例中，該方法進一步包括蝕刻該板條之一部分以形成脊狀波導。在某些實施例中，該方法進一步包括蝕刻該板條之一部分以形成肋狀波導。在某些實施例中，形成該波導進一步包括形成具有可變寬度之漸縮體。
某些實施例針對於一種整合式裝置，其包括：複數個樣本井；第一光學波導，其經組態以將激發能量耦合至該複數個樣本井之第一部分；第二光學波導，其經組態以將該激發能量耦合至該複數個樣本井之第二部分；及光柵耦合器，其經組態以自定位在該整合式裝置以外之光學源接收該激發能量，且將該激發能量耦合至該第一光學波導並耦合至該第二光學波導。
在某些實施例中，該整合式裝置進一步包括經定位以接收傳遞穿過 該光柵耦合器之激發能量之一或多個光偵測器。在某些實施例中，該整合式裝置進一步包括經定位以接收在接近於該光柵耦合器之區域中傳遞之激發能量之一或多個光偵測器。在某些實施例中，該光柵耦合器係第一光學光柵耦合器，且該整合式裝置進一步包括第二光學耦合器，該第二光學耦合器光學耦合至該第一波導且經組態以自該第一波導接收該激發能量且將該激發能量耦合至定位在該整合式裝置中之光偵測器。在某些實施例中，該第一光學波導經組態以經由漸消耦合將該激發能量耦合至該複數個樣本井之該第一部分。在某些實施例中，該整合式裝置進一步包括安置在該整合式裝置之表面上之金屬層，其中該複數個樣本井係穿過該金屬層而形成。在某些實施例中，該複數個樣本井中之至少一者包括接近於該第一波導之底部表面，該底部表面穿過該金屬層而凹陷。在某些實施例中，該底部表面定位在距該金屬層介於100nm與350nm之間的距離處。在某些實施例中，該底部表面定位在距該第一光學波導介於10nm與200nm之間的距離處。在某些實施例中，該金屬層包含鋁層及氮化鈦層，且該鋁層接近於該第一波導及該第二波導。在某些實施例中，該光學光柵包括形成於氮化矽層中之經蝕刻區域。在某些實施例中，該複數個樣本井中之至少一個樣本井包括形成於該至少一個樣本井之側壁之至少一部分上之側壁間隔件。
1-100:系統
1-102:整合式裝置
1-104:儀器
1-106:激發源/源/激發能量源/外部激發源
1-108:樣本井
1-110:感測器
1-112:像素
1-122:光學脈衝
1-140:組件
1-200:表面
1-201:耦合區域
1-202:路由區域
1-203:像素區域
1-204:光學轉儲區域
1-215:表面
1-216:光柵耦合器
1-220:波導
1-226:反射層/反射體
1-230:感測器
1-240:組件
1-242:感測器
1-252:輸出光學脈衝/輸出脈衝
1-255:光學系統
1-258:鎖模雷射模組/雷射模組
1-260:分析系統
1-305:半導體基板
1-310:光柵耦合器
1-312:光學波導/波導
1-315:漸縮部分/波導
1-317:第二光柵耦合器
1-320:象限偵測器
1-322:光偵測器/時間方格化光偵測器
1-324:整合式光電二極體
1-330:樣本井
1-340:桶形件
1-350:金屬塗層/多層塗層
1-410:周圍介質
1-420:漸消光學場
1-512:生長DNA鏈/DNA鏈
1-520:聚合酶
1-540:金屬化層
1-610:核苷酸或核苷酸類似物
1-620:連接體
1-630:螢光團
1-900:時間方格化光偵測器
1-902:光子吸收/載波產生區域
1-906:載波行進區域
1-907:載波輸送通道
1-908a:載波儲存方格/第一方格/儲存方格
1-908b:載波儲存方格/第二儲存方格/儲存方格
1-908c:載波儲存方格/第三方格/儲存方格
1-910:讀出通道
1-920:電極
1-922:電極
1-932:電極
1-934:電極
1-936:電極
1-940:電極
2-100:切片式光柵耦合器
2-110:光柵
2-112:經延伸光束
2-120:波導/輸出波導
2-122:漸縮端/橢圓形光束/光束
2-122a:漸縮端
2-122b:漸縮端
2-122c:漸縮端
2-200:光柵耦合器
2-210:光柵
2-220:輸出波導
2-222a:漸縮端
2-222b:漸縮端
2-222c:漸縮端
2-230:側
2-240a:多模干擾分離器
2-240b:多模干擾分離器
2-242:多模干擾分離器
3-110:光柵
3-120:傳播區域
3-130a:波導/輸出波導
3-130b:波導/輸出波導
3-210a:輸入波導
3-210b:輸入波導
3-212a:樣本井
3-212b:樣本井
3-214a:光學分離器
3-214b:光學分離器
3-216a:輸出波導
3-216b:輸出波導
3-218a:輸出波導
3-218b:輸出波導
4-102:波導
4-108:樣本井
4-112:表面
4-118:包覆層
4-122:金屬層
4-124:第一子層
4-126:第二子層
4-127:介面
4-128:第三子層
4-190:側壁間隔件/側壁/間隔件
4-191:樣本
4-200:波導
4-202:板條
4-204:凸起區域
4-206:頂部包覆層
4-208:底部包覆層
4-250:波導
4-252:板條
4-254:凸起區域
4-280:波導
4-282:層
4-283:層
4-284:層
4-285:層
4-300A:耦合組態
4-300B:耦合組態
4-300C:耦合組態
4-301:波導
4-310:金屬層
4-312:樣本井
4-312A:樣本井
4-312B:樣本井
4-312C:樣本井
4-312D:樣本井
4-312E:樣本井
4-508:最大值
4-510:漸消場
4-602:板條
4-604:凸起區域
4-800:圖表
4-801:模式強度
4-802:模式強度
5-108a:樣本井
5-108b:樣本井
5-108c:樣本井
5-110:單模區域
5-120:模式耦合器
5-136:多模區域
6-101:底部介電層
6-102:介電層
6-103:光蝕劑層
6-104:凸起區域
6-105:頂部介電層
6-201:底部介電層/介電層
6-202:第一介電膜
6-203:蝕刻停止層
6-204:第二介電膜
6-205:光蝕劑層
6-206:凸起區域
6-207:頂部介電層
6-301:底部介電層/介電層
6-302:第一介電膜
6-303:端點層
6-304:第二介電膜
6-305:光蝕劑層
6-306:凸起區域
6-307:頂部介電層
6-401:介電層
6-402:介電層
6-403:凸起區域
6-404:光蝕劑層
6-405:經蝕刻板條
6-406:頂部介電層
A:螢光發射機率曲線/曲線
B:螢光發射機率曲線/曲線
Ds:尺寸
dw:深度
hM:距離
hW:距離
L:長度/尺寸
P Ao :初始發射機率
p A (t):機率
p B (t):機率
T:規律間隔/脈衝分開間隔
TRR:厚度
TS:厚度
te:時間
te1:時間
te2:時間
te3:時間
tf1:時間
tf2:時間
t1:時間
t5:時間
t7:時間
WA:寬度
WRR:寬度
WRRIN:第一寬度
WRROUT:第二寬度
WS:寬度
α:角度
τ1:螢光壽命/發射壽命/壽命
τ2:螢光壽命/發射壽命/壽命
將參考附圖闡述本申請案之各種態樣及實施例。應瞭解，各圖未必按比例繪製。出現在多個圖中之物項在所有圖(在其中出現該等物項)中由同一元件符號指示。
圖1-1係根據某些實施例之整合式裝置及儀器之方塊圖。
圖1-2A係根據某些實施例之激發能量耦合至像素列中之樣本井且來自每一樣本井之發射能量指向感測器之示意圖。
圖1-2B係根據某些實施例之儀器之方塊圖繪示。
圖1-2C係根據某些實施例之一連串光學脈衝之圖表。
圖1-3係根據某些實施例之可由脈衝雷射經由一或多個波導及針對每一樣本井之對應偵測器光學激發之並行樣本井之示意圖。
圖1-4係根據某些實施例之繪示自波導對樣本井進行光學激發之光學功率圖表。
圖1-5係根據某些實施例之具有樣本井、光學波導及時間方格化光偵測器之像素之示意圖。
圖1-6係根據某些實施例之可在樣本井內發生之例示性生物反應之示意圖。
圖1-7係具有不同衰變特性之兩個不同螢光團之發射機率曲線之圖表。
圖1-8係根據某些實施例之螢光發射之時間方格化偵測之圖表。
圖1-9係根據某些實施例之例示性時間方格化光偵測器。
圖1-10A係圖解說明根據某些實施例之脈衝激發及對來自樣本之螢光發射之經時間方格化偵測之示意圖。
圖1-10B係根據某些實施例之在樣本之重複脈衝激發之後在各種時間方格中之所累積螢光光子計數之直方圖。
圖1-11A至1-11D係根據某些實施例之可對應於四個核苷酸(T、A、C、G)或核苷酸類似物之不同直方圖。
圖2-0係圖解說明在三個不同光學功率下波導中之時間相依損耗之圖 表。
圖2-1A係圖解說明根據某些實施例之細長光束至複數個波導之耦合之示意圖。
圖2-1B係圖解說明根據某些實施例之細長且經旋轉光束至複數個波導之耦合之示意圖。
圖2-1C係根據某些實施例之切片式光柵耦合器針對變化光束寬度之容差值之圖表。
圖2-1D係根據某些實施例之光柵耦合器之強度分佈型之圖表。
圖2-2A係根據某些實施例之例示性切片式光柵耦合器。
圖2-2B係根據某些實施例之切片式光柵耦合器及光學分離器之例示性光學系統。
圖3-1係根據某些實施例之整合式裝置之例示性光學路由佈局。
圖3-2係根據某些實施例之整合式裝置之例示性光學路由佈局。
圖4-1係圖解說明樣本井之剖面圖。
圖4-2A係圖解說明肋狀波導之剖面圖。
圖4-2B係圖解說明脊狀波導之剖面圖。
圖4-2C係圖解說明具有多個層之肋狀波導之剖面圖。
圖4-3A係圖解說明其中波導與樣本井分開之組態之剖面圖。
圖4-3B係圖解說明其中波導與樣本井接觸之組態之剖面圖。
圖4-3C係圖解說明其中樣本井部分地安置在波導內之組態之剖面圖。
圖4-4A係圖4-3A之組態之剖視立面圖。
圖4-4B係圖4-3B之組態之剖視立面圖。
圖4-4C係圖4-3C之組態之剖視立面圖。
圖4-5係圖解說明脊狀波導中之光學模式之剖面圖。
圖4-6係圖解說明漸縮體及複數個樣本井之俯視圖。
圖4-7係圖解說明光學模式之電場作為肋狀波導之凸起區域之寬度之函數之圖表。
圖4-8係圖解說明與具有矩形剖面之波導相關聯之光學模式分佈型和與肋狀波導相關聯之光學模式分佈型之間的比較之圖表。
圖5-1A係多模波導之平面圖。
圖5-1B係圖解說明沿著多模波導之功率分佈之熱圖。
圖6-1A、圖6-1B、圖6-1C及圖6-1D圖解說明根據某些實施例之用於使用時間蝕刻程序製作肋狀波導之方法。
圖6-2A、圖6-2B、圖6-2C及圖6-2D圖解說明根據某些實施例之用於使用蝕刻停止製作肋狀波導之方法。
圖6-3A、圖6-3B、圖6-3C及圖6-3D圖解說明根據某些實施例之用於使用端點層製作肋狀波導之方法。
圖6-4A、圖6-4B、圖6-4C及圖6-4D圖解說明根據某些實施例之用於製作脊狀波導之方法。
相關申請案
本申請案主張2016年12月16日提出申請之標題為「OPTICAL COUPLER AND WAVEGUIDE SYSTEM」之美國臨時專利申請案62/435,693之優先權，該美國臨時專利申請案據此以其全文引用方式併入。
I.簡介
發明人已認識到且瞭解到，用於執行單分子或顆粒之偵測及定量之緊密的高速設備可降低執行對生物及/或化學樣本之複雜定量量測之成本且使生化技術發現之速率迅速地進展。此外，可容易運輸之具成本效益裝置不僅可以轉變在發達國家執行生物檢定之方式，而且為發展中地區中之人首次提供可顯著地改良其健康及幸福之基本診斷測試。
發明人亦已認識到且瞭解到，將樣本井及感測器整合於能夠量測自生物樣本發射之發光之單個整合式裝置中會降低生產此裝置之成本，使得可形成拋棄式生物分析整合式裝置。在不具有需要高成本生物實驗室來進行樣本分析之約束之情況下，可在全世界任何地方使用與基地儀器介接之拋棄式一次性整合式裝置。因此，可將自動化生物分析帶至先前不可執行對生物樣本之定量分析之世界各地。
具有大量像素(例如，數百個、數千個、數百萬個或更多個)之像素化感測器裝置允許對複數個個別分子或顆粒進行並行偵測。藉由實例而非限制方式，該等分子可係蛋白質、DNA及/或RNA。此外，可以多於100個訊框/秒獲取資料之高速裝置允許對隨著時間而在經分析之樣本內發生之動態程序或改變之偵測及分析。
發明人亦已認識到且瞭解到，當用複數個不同類型之發光標誌給樣本加標籤時，發光標誌之任一適合特性可用於識別存在於整合式裝置之特定像素中之標誌類型。舉例而言，由該等標誌發射之發光之特性及/或激發吸收之特性可用於識別該等標誌。在某些實施例中，發光之發射能量(其與光之波長直接相關)可用於區分第一類型之標誌與第二類型之標誌。另外或另一選擇係，發光壽命量測亦可用於識別存在於特定像素處之標誌 類型。在某些實施例中，可使用能夠區分以足以獲得壽命資訊之解析度偵測光子之時間的感測器關於脈衝激發源進行發光壽命量測。另外或另一選擇係，由不同類型之標誌吸收之激發光之能量可用於識別存在於特定像素處之標誌類型。舉例而言，第一標誌可吸收第一波長之光，但不同樣地吸收第二波長之光，而第二標誌可吸收第二波長之光，但不同樣地吸收第一波長之光。以此方式，當不止一個激發光源(每一者具有不同激發能量)可用於以交錯方式照射樣本時，標誌之吸收能量可用於識別哪一類型之標誌存在於樣本中。不同標誌亦可具有不同發光強度。因此，發光之所偵測強度亦可用於識別存在於特定像素處之標誌類型。
發明人所預期之裝置之應用之一個非限制性實例係能夠執行對生物分子(諸如核酸序列(例如，DNA、RNA)或具有複數個氨基酸之多肽(例如，蛋白質))之定序之裝置。可使用此裝置來執行之診斷測試包含將受驗者之生物樣本中之核酸分子定序，諸如將該受驗者之生物樣本中之無細胞去氧核糖核酸分子或表達產物定序。
本申請案提供用於偵測生物分子或其子單元(諸如核酸分子)之裝置、系統及方法。定序可包含藉由合成與模板互補或相似之另一生物分子(諸如藉由合成與模板核酸分子互補之核酸分子)且識別核苷酸隨時間之併入(例如，合成定序)而判定模板生物分子之個別子單元(例如，核酸分子)。作為替代方案，定序可包含直接識別生物分子之個別子單元。
在定序期間，指示生物分子之個別子單元之信號可收集在記憶體中且即時或在稍後時間點經處理以判定生物分子之序列。此處理可包含該等信號與使得能夠識別個別子單元之參考信號之比較，此在某些情形中產生若干讀數。讀數可係充足長度(例如，至少大約30、50、100個鹼基對(bp) 或更多)之序列，該等序列可用於識別(例如)可對準至染色體或基因區域或基因上之位置之較大序列或區域。
可使用標誌來識別生物分子之個別子單元。在某些實例中，發光標誌用於識別生物分子之個別子單元。發光標誌(亦在本文中稱為「標誌」)可係外生標誌或內生標誌。外生標誌可係在用於發光標記之報告子及/或標籤中使用之外部發光標誌。外生標誌之實例可包含但不限於螢光分子、螢光團、螢光染料、螢光染色、有機染料、螢光蛋白、酵素、參與螢光共振能量轉移(FRET)之物種、及/或量子點。此等外生標誌可共軛至具體地結合至特定目標或組件之探針或功能群組(例如，分子、離子及/或配位子)。將外生標誌附接至探針允許透過偵測外生標誌之存在來識別目標。探針之實例可包含蛋白質、核酸(例如，DNA、RNA)分子、脂質及抗體探針。外生標誌與功能群組之組合可形成用於偵測之任何適合探針、標籤及/或標記，包含分子探針、經標記探針、雜交探針、抗體探針、蛋白質探針(例如，生物素結合探針)、酵素標記、螢光探針、螢光標籤及/或酵素報告子。
雖然可將外生標誌添加至樣本，但內生標誌可已經係樣本之一部分。內生標誌可包含可在存在激發能量之情況下發光或「自發螢光」之所存在之任何發光標誌。內生螢光團之自發螢光可在不需要引入外生螢光團之情況下提供無標記且非入侵式標記。藉由實例而非限制方式，此等內生螢光團之實例可包含血紅素、氧合血紅素、脂質、膠原蛋白與彈性蛋白交聯、還原型菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、氧化黃素(FAD及FMN)、脂褐質、角蛋白及/或卟啉。
雖然某些實施例可針對於藉由偵測試樣中之單分子而進行診斷測 試，但發明人亦已認識到，某些實施例可使用單分子偵測能力來執行對一或多個核酸片段(諸如，舉例而言，基因或多肽)之核酸(例如DNA、RNA)定序。核酸定序允許判定核苷酸在目標核酸分子中之次序及位置。核酸定序技術可在用於判定核酸序列之方法中而且在定序程序中之速率、讀取長度及錯誤發生率中變化。舉例而言，某些核酸定序方法基於合成定序，其中在將核苷酸併入至與目標核酸分子互補之新合成之核酸鏈中時判定核苷酸之身份。某些合成定序方法需要目標核酸分子(例如，目標核酸之複本)群體之存在或用以達成目標核酸群體之目標核酸之放大步驟。
在認識到對用於執行單分子偵測及/或核酸定序之簡單、不那麼複雜之設備之需要之後，發明人已設想出一種偵測單分子之技術，該技術使用標誌(諸如光學(例如，發光)標誌)集合來標記不同分子。標籤可包含核苷酸或氨基酸及適合標誌。標誌可在結合至單分子時在自該等單分子釋放之後旋即經偵測到，或在結合至單分子時且在自單分子釋放之後旋即經偵測到。在某些實例中，標誌係發光標籤。選定集合中之每一發光標誌與各別分子相關聯。舉例而言，四個標誌之集合可用於「標記」存在於DNA中之核鹼基-該集合中之每一標誌與不同核鹼基相關聯以形成標籤，例如，第一標誌與腺嘌呤(A)相關聯，第二標誌與胞嘧啶(C)相關聯，第三標誌與鳥嘌呤(G)相關聯，且第四標誌與胸腺嘧啶(T)相關聯。此外，該標誌集合中之發光標誌中之每一者具有可用於區分該集合中之第一標誌與該集合中之其他標誌之不同性質。以此方式，可使用此等區分特性中之一或多者唯一地識別每一標誌。藉由實例而非限制方式，可用於區分一個標誌與另一標誌的標誌之特性可包含由標誌回應於激發而發射之光之發射波長或發射波長頻帶、激發特定標誌之激發能量之波長或波長頻帶、由標誌發射之光 之時間特性(例如，發射衰變時間週期)及/或標誌對發射能量之回應之時間特性(例如，吸收激發光子之機率)。因此，可基於偵測此等性質而識別發光標誌或將該等發光標誌與其他發光標誌區別開。可單獨或以任何適合組合使用此識別或區別技術。在核酸定序之情況下，基於標誌之一或多個標誌之發射特性而區分來自四個標誌之集合當中之標誌可唯一地識別與標誌相關聯之核鹼基。
II.系統之概觀
系統可包含整合式裝置及經組態以與該整合式裝置介接之儀器。該整合式裝置可包含像素陣列，其中像素包含樣本井及至少一個感測器。該整合式裝置之表面可具有複數個樣本井，其中樣本井經組態以自放置在該整合式裝置之該表面上之試樣接納樣本。試樣可含有多個樣本，且在某些實施例中含有不同類型之樣本。該複數個樣本井可具有適合大小及形狀，使得該等樣本井之至少一部分自試樣接納一個樣本。在某些實施例中，樣本井內之樣本數目可在該等樣本井當中經分佈使得某些樣本井含有一個樣本，其中其他樣本井含有零個、兩個或兩個以上樣本。
在某些實施例中，試樣可含有多個單鏈DNA模板，且整合式裝置之表面上之個別樣本井可經定大小且經塑形以接納單鏈DNA模板。單鏈DNA模板可在該整合式裝置之該等樣本井當中經分佈使得該整合式裝置之該等樣本井之至少一部分含有單鏈DNA模板。該試樣亦可含有然後進入樣本井之經加標籤dNTP，且可允許在核苷酸併入至與樣本井中之單鏈DNA模板互補之DNA鏈中時識別核苷酸。在此實例中，「樣本」可係指單鏈DNA及當前藉由聚合酶併入之經加標籤dNTP兩者。在某些實施例中，該試樣可含有單鏈DNA模板，且經加標籤dNTPS可在核苷酸併入至 樣本井內之互補DNA鏈中時隨後引入至樣本井。以此方式，併入核苷酸之定時可受經加標籤dNTP引入至整合式裝置之樣本井之時間控制。
自與整合式裝置之像素陣列分開定位之激發源提供激發能量。至少部分地由整合式裝置之元件將該激發能量朝向一或多個像素引導以照射樣本井內之照射區域。標誌或標籤可然後在位於照射區域內時且回應於由激發能量照射而發出發射能量。在某些實施例中，一或多個激發源係系統之儀器之一部分，其中儀器及整合式裝置之組件經組態以將激發能量朝向一或多個像素引導。
由樣本發射之發射能量可然後由整合式裝置之像素內之一或多個感測器偵測。所偵測發射能量之特性可提供用於識別與發射能量相關聯之標誌之指示。此等特性可包含任何適合類型之特性，包含由感測器偵測之光子之到達時間、由感測器隨時間而累積之光子量及/或跨越兩個或兩個以上感測器之光子分佈。在某些實施例中，感測器可具有允許對與樣本之發射能量相關聯之一或多個定時特性(例如，螢光壽命)之偵測的組態。該感測器可偵測在激發能量之脈衝傳播穿過整合式裝置之後光子到達時間分佈，且到達時間分佈可提供樣本之發射能量之定時特性之指示(例如，螢光壽命之代表)。在某些實施例中，該一或多個感測器提供由標誌或標籤發射之發射能量機率(例如，螢光強度)之指示。在某些實施例中，複數個感測器可經定大小且經配置以捕獲發射能量之空間分佈。來自該一或多個感測器之輸出信號可然後用於區分來自複數個標誌當中之標誌，其中該複數個標誌可用於識別試樣內之樣本。在某些實施例中，樣本可由多個激發能量激發，且由樣本回應於多個激發能量而發射之發射能量及/或發射能量之定時特性可區分來自複數個標誌之標誌。
在圖1-1中圖解說明系統1-100之示意性概觀。該系統包括與儀器1-104介接之整合式裝置1-102兩者。在某些實施例中，儀器1-104可包含整合為儀器1-104之一部分之一或多個激發源1-106。在某些實施例中，激發源可在儀器1-104及整合式裝置1-102兩者外部，且儀器1-104可經組態以自激發源接收激發能量且將激發能量引導至整合式裝置。該整合式裝置可使用任何適合插座與儀器介接，該插座用於接納整合式裝置且將該整合式裝置固持為與激發源精確光學對準。激發源1-106可經組態以將激發能量提供至整合式裝置1-102。如圖1-1中示意性地圖解說明，整合式裝置1-102具有複數個像素1-112，其中像素之至少一部分可執行對樣本之獨立分析。此等像素1-112可稱為「被動源像素」，此乃因像素自與該像素分開之源1-106接收激發能量，其中來自該源之激發能量激發像素1-112中之某些或所有像素。激發源1-106可係任何適合光源。在標題為「INTEGRATED DEVICE FOR PROBING,DETECTING AND ANALYZING MOLECULES」之美國專利申請案14/821,688中闡述適合激發源之實例，該美國專利申請案以其全文引用方式併入。在某些實施例中，激發源1-106包含經組合以將激發能量遞送至整合式裝置1-102之多個激發源。該多個激發源可經組態以產生多個激發能量或波長。
像素1-112具有經組態以接納樣本之樣本井1-108及用於偵測由該樣本回應於用激發源1-106所提供之激發能量照射該樣本而發射之發射能量的感測器1-110。在某些實施例中，樣本井1-108可使樣本保持接近於整合式裝置1-102之表面，此可使將激發能量遞送至樣本及偵測來自樣本之發射能量更容易。
用於將激發能量自激發能量源1-106耦合至整合式裝置1-102且將激 發能量導引至樣本井1-108之光學元件位於整合式裝置1-102及儀器1-104兩者上。源與井間光學元件可包括位於整合式裝置1-102上以將激發能量耦合至整合式裝置之一或多個光柵耦合器及用以將激發能量自儀器1-104遞送至像素1-112中之樣本井之若干波導。一或多個光學分離器元件可定位於光柵耦合器與波導之間。該光學分離器可耦合來自光柵耦合器之激發能量且將激發能量遞送至該等波導中之至少一者。在某些實施例中，該光學分離器可具有允許激發能量遞送跨越所有波導實質上均勻使得該等波導中之每一者接收實質上類似量之激發能量的組態。此等實施例可藉由改良由整合式裝置之樣本井接收之激發能量之均勻性而改良整合式裝置之效能。
樣本井1-108、激發源與井間光學器件之一部分及樣本井與感測器間光學器件位於整合式裝置1-102上。激發源1-106及源與井間組件之一部分位於儀器1-104中。在某些實施例中，單個組件可在將激發能量耦合至樣本井1-108且將發射能量自樣本井1-108遞送至感測器1-110兩個方面發揮作用。在標題為「INTEGRATED DEVICE FOR PROBING,DETECTING AND ANALYZING MOLECULES」之美國專利申請案14/821,688及標題為「INTEGRATED DEVICE WITH EXTERNAL LIGHT SOURCE FOR PROBING,DETECTING,AND ANALYZING MOLECULES」之美國專利申請案14/543,865中闡述將包含在整合式裝置中之用於將激發能量耦合至樣本井及/或將發射能量引導至感測器之適合組件之實例，該兩個美國專利申請案以其全文引用方式併入。
像素1-112與其自身之個別樣本井1-108及至少一個感測器1-110相關聯。整合式裝置1-102之該複數個像素可經配置以具有任何適合形狀、大 小及/或尺寸。整合式裝置1-102可具有任何適合數目個像素。整合式裝置1-102中之像素數目可在大致10,000個像素至1,000,000個像素之範圍中或係彼範圍內之任何值或值範圍。在某些實施例中，該等像素可配置在512個像素乘以512個像素之陣列中。整合式裝置1-102可以任一適合方式與儀器1-104介接。在某些實施例中，儀器1-104可具有以可拆卸方式耦合至整合式裝置1-102之介面，使得使用者可將整合式裝置1-102附接至儀器1-104以使用整合式裝置1-102來分析樣本且自儀器1-104移除整合式裝置1-102以允許附接另一整合式裝置。儀器1-104之該介面可將整合式裝置1-102定位為與儀器1-104之電路耦合以允許來自一或多個感測器之讀出信號傳輸至儀器1-104。整合式裝置1-102及儀器1-104可包含用於處置與大像素陣列(例如，多於10,000個像素)相關聯之資料之多信道高速通信鏈路。
儀器1-104可包含用於控制儀器1-104及/或整合式裝置1-102之操作之使用者介面。該使用者介面可經組態以允許使用者將資訊輸入至儀器中，諸如用於控制儀器之功能化之命令及/或設定。在某些實施例中，該使用者介面可包含按鈕、開關、撥號盤及用於語音命令之麥克風。該使用者介面可允許使用者接收關於儀器及/或整合式裝置之效能(諸如恰當對準)之回饋及/或由來自整合式裝置上之感測器之讀出信號獲得之資訊。在某些實施例中，該使用者介面可使用揚聲器提供回饋以提供可聽回饋。在某些實施例中，該使用者介面可包含若干指示燈及/或用於將可視回饋提供給使用者之顯示螢幕。
在某些實施例中，儀器1-104可包含經組態以與計算裝置連接之電腦介面。電腦介面可係USB介面、火線介面或任何其他適合電腦介面。計算裝置可係任何一般用途電腦，諸如膝上型或桌上型電腦。在某些實施例 中，計算裝置可係可在無線網路上經由適合電腦介面存取之伺服器(例如，基於雲計算之伺服器)。該電腦介面可促進儀器1-104與計算裝置之間的資訊通信。用於控制及/或組態儀器1-104之輸入資訊可提供至計算裝置且經由電腦介面傳輸至儀器1-104。由儀器1-104產生之輸出資訊可由計算裝置經由電腦介面接收。輸出資訊可包含關於儀器1-104之效能、整合式裝置1-102之效能之回饋及/或自感測器1-110之讀出信號產生之資料。
在某些實施例中，儀器1-104可包含經組態以分析自整合式裝置1-102之一或多個感測器接收之資料及/或將控制信號傳輸至(若干)激發源1-106之處理裝置。在某些實施例中，該處理裝置可包括一般用途處理器、經特殊調適之處理器(例如，中央處理單元(CPU)，諸如一或多個微處理器或微控制器核心、場可程式化閘極陣列(FPGA)、特殊應用積體電路(ASIC)、定製積體電路、數位信號處理器(DSP)或其組合。)在某些實施例中，可由儀器1-104之處理裝置及外部計算裝置兩者執行對來自一或多個感測器之資料之處理。在其他實施例中，可省略外部計算裝置且可由整合式裝置1-102之處理裝置單獨執行對來自一或多個感測器之資料之處理。
在圖1-2A中展示圖解說明像素1-112列的整合式裝置1-102之剖面示意圖。整合式裝置1-102可包含耦合區域1-201、路由區域1-202、像素區域1-203及光學轉儲區域1-204。像素區域1-203可包含具有樣本井1-108之複數個像素1-112，樣本井1-108定位在表面1-200上在與耦合區域1-201分開之位置處，在耦合區域1-201中來自激發源1-106之光學激發能量耦合至整合式裝置1-102。由虛線矩形所圖解說明之一個像素1-112係整合式裝置1-102之包含樣本井1-108及至少一個感測器1-110之區域。如圖1-2A中所 展示，樣本井1-108形成於整合式裝置之表面1-200上。圖1-2A中所展示之樣本井1-108列經定位以與波導1-220光學耦合。
圖1-2A圖解說明藉由將激發源1-106耦合至整合式裝置1-102之耦合區域1-201且耦合至樣本井1-108而產生之激發能量路徑(以虛線展示)。激發能量可照射位於樣本井內之樣本。該樣本可回應於由激發能量照射而達到經激發狀態。當樣本處於經激發狀態中時，樣本可發出發射能量且該發射能量可由與樣本井相關聯之一或多個感測器偵測。圖1-2A示意性地圖解說明自樣本井1-108至像素1-112之一或多個感測器1-110之發射能量路徑(經展示為實線)。像素1-112之一或多個感測器1-110可經組態且經定位以偵測來自樣本井1-108之發射能量。感測器1-110可係指經組態以將光學能量轉化成電子之適合光偵測器。像素中之樣本井1-108與感測器1-110之間的距離(例如，樣本井之底部表面與感測器之光偵測區域之間的距離)可在10奈米至200奈米之範圍中，或係彼範圍中之任何值或值範圍。在某些實施例中，像素中之樣本井與感測器之間的距離可小於大致10微米。在某些實施例中，像素中之樣本井與感測器之間的距離可小於大致7微米。在某些實施例中，像素中之樣本井與感測器之間的距離可小於大致3微米。在標題為「INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS」之美國專利申請案14/821,656中闡述適合感測器之實例，該美國專利申請案以其全文引用方式併入。儘管圖1-2A圖解說明激發能量耦合至像素列中之每一樣本井，但在某些實施例中，激發能量可不耦合至列中之所有像素。在某些實施例中，激發能量可耦合至整合式裝置之像素或像素列中之樣本井之一部分。
耦合區域1-201可包含經組態以耦合來自外部激發源1-106之激發能 量之一或多個光學組件。耦合區域1-201可包含經定位以自激發源1-106接收某些或所有激發能量光束之光柵耦合器1-216。該激發能量光束可具有任何適合形狀及/或大小。在某些實施例中，該激發能量光束之剖面可具有橢圓形形狀。在其他實施例中，該激發能量光束之剖面可具有圓形形狀。
光柵耦合器1-216可經定位以自激發源1-106接收激發能量。光柵耦合器1-216可由一或多種材料形成。在某些實施例中，光柵耦合器1-216可沿著平行於波導中之光傳播之方向包含不同材料之交替區域。光柵耦合器1-216可包含由被具有較大折射率之材料環繞之一種材料形成之結構。作為實例，光柵耦合器可包含由氮化矽形成且由二氧化矽環繞之結構。可使用任何適合尺寸及/或光柵間間隔來形成光柵耦合器1-216。沿著平行於波導1-220中之光傳播之方向(諸如沿著如圖1-2A中所展示之z方向)的光柵耦合器1-216之結構之間的間隔可具有任何適合距離。間隔間光柵可在大致300nm至大致500nm之範圍中，或係彼範圍內之任何值或值範圍。在某些實施例中，光柵間間隔在光柵耦合器內可係可變的。光柵耦合器1-216可在整合式裝置1-102之提供用於與外部激發源1-106耦合之適合區之耦合區域1-201中具有實質上平行於表面1-215之一或多個尺寸。光柵耦合器1-216之區可與來自激發源1-214之激發能量光束之剖面區域之一或多個尺寸重合使得光束與光柵耦合器1-216重疊。
光柵耦合器1-216可將自激發源1-214接收之激發能量耦合至波導1-220。波導1-220經組態以將激發能量傳播至一或多個樣本井1-108附近。在某些實施例中，光柵耦合器1-216及波導1-220形成於整合式裝置1-102之實質上同一平面中。在某些實施例中，光柵耦合器1-216及波導1-220由 整合式裝置1-102之同一層形成且可包含相同材料。在某些實施例中，定位在光柵耦合器1-216上方之鏡可將激發能量自激發源朝向光柵耦合器1-216引導。該鏡可整合至定位在具有樣本井之整合式裝置之表面上方之殼體之一部分中，其中該殼體可為樣本提供流體封攔。一或多個感測器1-230可經定位以接收穿過光柵耦合器1-216及/或穿過接近於光柵耦合器1-216之區域(諸如在光柵耦合器1-216之平面中及/或在光柵耦合器1-216外側之區域)之激發能量。
在某些實施例中，一或多個濾波器可定位於波導1-220與感測器1-110之間。該一或多個濾波器可經組態以減少激發能量或阻止激發能量朝向感測器1-110傳遞，此可促成感測器1-110之信號噪聲。
耦合區域可包含經定位以接收可穿過光柵耦合器1-216之激發能量(如由圖1-2A中之虛線所展示)之反射層1-226。反射層接近於光柵耦合器1-216之與來自激發源1-106之激發能量之入射光束相對之側而定位。反射層1-226可藉由使激發能量往回朝向光柵耦合器反射(如由圖1-2A中之虛線所展示)而改良激發能量至光柵耦合器1-216中及/或至波導1-220中之耦合效率。反射層1-226可包含反射一或多個激發能量之Al、AlCu、TiN或任何其他適合材料。在某些實施例中，反射層1-226可包含允許激發能量傳遞至一或多個感測器1-230之一或多個開口。經定位以接收穿過反射層1-226之一或多個開口之激發能量的一或多個感測器1-230可產生用於將激發能量光束自激發源1-106對準至整合式裝置1-102之信號。特定而言，來自耦合區域1-201之一或多個感測器1-230之信號可提供激發能量光束對準至光柵耦合器1-216之指示。該對準指示可用於控制位於整合式裝置1-102之外之一或多個組件以將激發能量光束定位及/或對準至整合式裝置1-102。
位於整合式裝置之外之組件可用於將激發源1-106定位且對準至整合式裝置。此等組件可包含光學組件，該等光學組件包含透鏡、鏡、稜鏡、孔隙、衰減器及/或光纖。額外機械組件可包含於儀器中以允許對一或多個對準組件之控制。此等機械組件可包含致動器、步進馬達及/或旋鈕。在標題為「PULSED LASER AND SYSTEM」之美國專利申請案62/310,398中闡述適合激發源及對準機制之實例，該美國專利申請案以其全文引用方式併入。在標題為「COMPACT BEAM SHAPING AND STEERING ASSEMBLY」之美國專利申請案62/435,679中闡述光束操縱模組之另一實例，該美國專利申請案以其全文引用方式併入本文中。
整合式裝置1-102之光學轉儲區域1-204可包含在波導1-220之與耦合區域1-201相對之一端處之一或多個組件1-240。(若干)組件1-240可用以引導在與波導1-220外部之樣本井1-108耦合之後傳播穿過波導1-220之剩餘激發能量。(若干)組件1-240可藉由將剩餘激發能量引導遠離整合式裝置1-102之像素區域1-203而改良整合式裝置之效能。(若干)組件1-240可包含(若干)光柵耦合器、(若干)光學耦合器、(若干)漸縮體、(若干)U形件、(若干)波紋機或任何其他適合光學組件。在某些實施例中，光學轉儲區域1-204包含經定位以接收自波導1-220耦出之激發能量之一或多個感測器1-242。來自一或多個感測器1-242之信號可提供傳播穿過波導1-220之激發能量之光學功率之指示，且在某些實施例中，可用於控制由激發源1-106產生之激發能量光束之光學功率。以此方式，一或多個感測器1-242可用作(若干)監測感測器。在某些實施例中，光學轉儲區域1-204可針對整合式裝置1-102之每一波導包含組件1-240及感測器1-242。
待分析之樣本可經引入至像素1-112之樣本井1-108中。該樣本可係 生物樣本或任何其他適合樣本，諸如化學樣本。該樣本可包含多個分子且該樣本井可經組態以隔離單分子。在某些例項中，樣本井之尺寸可用以將單分子拘限在樣本井內，從而允許對單分子執行量測。激發源1-106可經組態以將激發能量遞送至樣本井1-108中，以便在樣本位於樣本井1-108內之照射區內時激發樣本或者附接至樣本或以其他方式與樣本相關聯之至少一個發光標誌。
當激發源將激發能量遞送至樣本井時，井內之至少一個樣本可發光，且可由感測器偵測所得發射。如本文中所使用，片語「樣本可發光」或「樣本可發射輻射」或「來自樣本之發射」意味發光標籤、標誌或報告子、樣本自身或與樣本相關聯之反應產物可產生所發射輻射。
整合式裝置之一或多個組件可將發射能量朝向感測器引導。可由感測器偵測該或該等發射能量且將該或該等發射能量轉化為至少一個電信號。可沿著透過整合式裝置介面連接至儀器之整合式裝置之電路中之傳導線傳輸該等電信號。可隨後處理及/或分析該等電信號。電信號之處理或分析可發生在位於儀器上或儀器外之適合計算裝置上。
在操作中，藉由使用激發源激發井內之某些或所有樣本且用感測器偵測來自樣本發射之信號而實施對樣本井內之樣本之並行分析。可由對應感測器偵測來自樣本之發射能量且將該發射能量轉化為至少一個電信號。在某些實施例中，可在整合式裝置上處理該或該等所得信號，或將該或該等所得信號傳輸至儀器以用於由處理裝置及/或計算裝置進行處理。可獨立於與其他像素相關聯之信號而接收且處理來自樣本井之信號。
在某些實施例中，可用一或多個標誌來標記樣本，且與標誌相關聯之發射係可由儀器辨別的。舉例而言，感測器可經組態以將來自發射能量 之光子轉化成電子以形成電信號，該電信號可用於辨別取決於來自特定標誌之發射能量之壽命。藉由使用具有不同壽命之標誌來標記樣本，可基於由感測器偵測之所得電信號而識別特定樣本。
樣本可含有多個類型之分子且不同發光標誌可唯一地與分子類型相關聯。在激發期間或之後，發光標誌可發出發射能量。發射能量之一或多個性質可用於識別樣本中之一或多個類型之分子。用於在若干類型之分子當中進行區分之發射能量之性質可包含螢光壽命值、強度及/或發射波長。感測器可偵測光子，包含發射能量之光子，且提供指示此等性質中之一或多者之電信號。在某些實施例中，來自感測器之電信號可提供關於跨越一或多個時間間隔之光子到達時間分佈之資訊。該光子到達時間分佈可對應於在由激發源發射激發能量脈衝之後偵測光子之時間。時間間隔之值可對應於在時間間隔期間偵測之光子數目。跨越多個時間間隔之相對值可提供發射能量之時間特性(例如，壽命)之指示。分析樣本可包含藉由比較分佈內之兩個或兩個以上不同時間間隔之值而在若干標誌當中進行區分。在某些實施例中，可藉由跨越分佈中之所有時間方格判定光子數目而提供強度之指示。
例示性儀器1-104可包括經安裝為在該儀器內或以其他方式耦合至該儀器之可替換模組的一或多個鎖模雷射模組1-258，如圖1-2B中所繪示。儀器1-104可包含光學系統1-255及分析系統1-260。光學系統1-255可包含光學組件(其可包含(舉例而言)以下各項中之非任一者、一或多者：透鏡、鏡、光學濾波器、衰減器、光束操縱組件、光束整形組件)之某一組合且經組態以對輸出光學脈衝1-252進行操作及/或將輸出光學脈衝1-252自鎖模雷射模組1-258遞送至分析系統1-260。該分析系統可包含經配置以 將光學脈衝引導至待分析之至少一個樣本、自該至少一個樣本接收一或多個光學信號(例如，螢光、背向散射輻射)且產生表示所接收光學信號之一或多個電信號的複數個組件1-140。在某些實施例中，分析系統1-260可包含一或多個光偵測器及經組態以處理來自該等光偵測器之電信號之信號處理電子器件(例如，一或多個微控制器、一或多個場可程式化閘極陣列、一或多個微處理器、一或多個數位信號處理器、邏輯閘等)。分析系統1-260亦可包含經組態以經由一或多個資料通信鏈路將資料傳輸至外部裝置且自外部裝置接收資料之資料傳輸硬體。在某些實施例中，分析系統1-260可經組態以接納整合式裝置1-102，整合式裝置1-102可接納待分析之一或多個樣本。
圖1-2C繪示輸出脈衝1-252之時間強度分佈型。在某些實施例中，所發射脈衝之峰值強度值可係大致相等的，且該等分佈型可具有高斯時間分佈型，儘管諸如sech2分佈型之其他分佈型可係可能的。在某些情形中，該等脈衝可不具有對稱時間分佈型且可具有其他時間分佈型。每一脈衝之持續時間可由半高全寬(FWHM)值表徵，如圖1-2中所指示。根據鎖模雷射之某些實施例，超短光學脈衝可具有小於100皮秒(ps)之FWHM值。在某些情形中，該等FWHM值可介於大致5ps與大致30ps之間。
輸出脈衝1-252可分開規律間隔T。舉例而言，T可由輸出耦合器與雷射模組1-258之腔端鏡之間的往返行進時間判定。根據某些實施例，脈衝分開間隔T可在大致1ns至大致30ns之範圍中，或係彼範圍內之任何值或值範圍。在某些情形中，脈衝分開間隔T可在大致5ns至大致20ns之範圍中，對應於介於大約0.7米與大約3米之間的雷射腔長度(在雷射模組1-258之雷射腔內之光學軸線之大致長度)。
根據某些實施例，所要脈衝分開間隔T及雷射腔長度可由整合式裝置1-102上之樣本井數目、螢光發射特性及用於自整合式裝置1-102讀取資料之資料處置電路之速度的組合來判定。發明人已認識到且瞭解到，不同螢光團可藉由其不同螢光衰變速率或特性壽命來區分。因此，需要存在足以收集可用以在其不同衰變速率之間進行區分之選定螢光團之充足統計資料的脈衝分開間隔T。另外，若脈衝分開間隔T太短，則資料處置電路無法與由大量樣本井收集之大量資料保持同步。發明人已認識到且瞭解到，介於大約5ns與大約20ns之間的脈衝分開間隔T適合用於具有高達大約2ns之衰變速率之螢光團且適合用於處置來自介於大約60,000個與600,000個之間的樣本井之資料。
根據某些實施方案，光束操縱模組可自鎖模雷射模組1-258接收輸出脈衝且經組態以至少調整光學脈衝至整合式裝置1-102之光學耦合器上之位置及入射角。在某些情形中，可由光束操縱模組對來自鎖模雷射模組之輸出脈衝進行操作以另外或另一選擇係在整合式裝置1-102上之光學耦合器處改變光束形狀及/或光束旋轉。在某些實施方案中，該光束操縱模組可進一步提供輸出脈衝光束至光學耦合器上之聚焦及/或偏振調整。在2016年5月20日提出申請之標題為「PULSED LASER AND BIOANALYTIC SYSTEM」之美國專利申請案15/161,088中闡述光束操縱模組之一項實例，該美國專利申請案以引用方式併入本文中。在標題為「COMPACT BEAM SHAPING AND STEERING ASSEMBLY」之美國專利申請案62/435,679中闡述光束操縱模組之另一實例，該美國專利申請案以其全文引用方式併入本文中。
參考圖1-3，來自鎖模雷射模組之輸出脈衝1-252可耦合至整合式裝 置上之一或多個光學波導1-312中。在某些實施例中，該等光學脈衝可經由光柵耦合器1-310耦合至一或多個波導，儘管在某些實施例中可使用耦合至整合式裝置上之一或多個光學波導之端。根據某些實施例，象限偵測器1-320可位於半導體基板1-305(例如，矽基板)上以用於輔助光學脈衝1-122之光束對準至光柵耦合器1-310。一或多個波導1-312及樣本井1-330可整合於同一半導體基板上，其中介入介電層(例如，二氧化矽層)位於基板、波導、樣本井與光偵測器1-322之間。
每一波導1-312可包含在樣本井1-330下面之漸縮部分1-315以等化沿著波導耦合至樣本井之光學功率。縮減漸縮體可將更多光學能量驅迫至波導之芯外側，從而增加至樣本井之耦合且補償沿著波導之光學損耗，包含耦合至樣本井中之光之損耗。第二光柵耦合器1-317可位於每一波導之端處以將光學能量引導至整合式光電二極體1-324。該整合式光電二極體可偵測沿著波導向下耦合之功率量且將所偵測信號提供至控制光束操縱模組之回饋電路。
樣本井1-330可與波導之漸縮部分1-315對準且凹陷在桶形件1-340中。可針對每一樣本井1-330存在位於半導體基板1-305上之時間方格化光偵測器1-322。金屬塗層及/或多層塗層1-350可在樣本井周圍且在波導上面形成以阻止不在樣本井中(例如，分散在樣本井上面之溶液中)之螢光團之光學激發。金屬塗層及/或多層塗層1-350可凸起而超出桶形件1-340之邊緣以在每一波導之輸入端及輸出端處減少波導1-312中之光學能量之吸收性損耗。
在整合式裝置上可存在複數個波導列、樣本井及時間方格化光偵測器。舉例而言，在某些實施方案中，可存在128列，每一列具有512個樣 本井，總共65,536個樣本井。其他實施方案可包含更少或更多樣本井，且可包含其他佈局組態。可經由一或多個星形耦合器及/或多模干擾耦合器或藉由位於整合式裝置之光學耦合器與該複數個波導之間的任何其他構件將來自鎖模雷射之光學功率分佈至多個波導。
圖1-4圖解說明自波導1-315內之光學脈衝1-122至樣本井1-330之光學能量耦合。波導1-315可被視為通道波導。已依據考量到波導尺寸、樣本井尺寸、不同材料之光學性質及波導1-315距樣本井1-330之距離的光學波之電磁場模擬產生圖式。舉例而言，該波導在二氧化矽之周圍介質1-410中可由氮化矽形成。可藉由在2015年8月7日提出申請之標題為「INTEGRATED DEVICE FOR PROBING,DETECTING AND ANALYZING MOLECULES」之第14/821,688號美國申請案中所闡述之微製作程序形成波導、周圍介質及樣本井。根據某些實施例，漸消光學場1-420將由波導輸送之光學能量耦合至樣本井1-330。
在圖1-5中繪示在樣本井1-330中發生之生物反應之非限制性實例。在此實例中，在樣本井中發生核苷酸及/或核苷酸類似物至與目標核酸互補之生長鏈中之順序併入。可偵測該順序併入以將一系列核酸(例如，DNA、RNA)定序。該樣本井可具有在大致150nm至大致250nm之範圍中或係彼範圍內之任何值或值範圍之深度以及在大致80nm至大致160nm之範圍中之直徑。金屬化層1-540(例如，用於電參考電位之金屬化)可在光偵測器上面經圖案化以提供阻擋來自毗鄰樣本井及其他非需要光源之雜散光之孔隙。根據某些實施例，聚合酶1-520可位於樣本井1-330內(例如，附接至該樣本井之基底)。該聚合酶可吸收目標核酸(例如，源自DNA之核酸之一部分)，且將互補核酸之生長鏈定序以產生生長DNA鏈1-512。 用不同螢光團標記之核苷酸或核苷酸類似物可分散在樣本井上面及樣本井內之溶液中。
當將所標記核苷酸或核苷酸類似物1-610併入至互補核酸之生長鏈中(如圖1-6中所繪示)時，可藉由自波導1-315耦合至樣本井1-330中之光學能量脈衝重複地激發一或多個所附接螢光團1-630。在某些實施例中，一或若干螢光團1-630可用任一適合連接體1-620附接至一或多個核苷酸或核苷酸類似物1-610。併入事件可持續高達大約100ms之一段時間。在此時間期間，可用時間方格化光偵測器1-322偵測由藉由來自鎖模雷射之脈衝激發(若干)螢光團引起之螢光發射脈衝。藉由將具有不同發射特性(例如，螢光衰變速率、強度、螢光波長)之螢光團附接至不同核苷酸(A、C、G、T)，在DNA鏈1-512併入核酸且達成對生長DNA鏈之核苷酸序列之判定時偵測且區分不同發射特性。
根據某些實施例，經組態以基於螢光發射特性分析樣本之儀器1-104可偵測不同螢光分子之間的螢光壽命及/或強度差異及/或不同環境中之相同螢光分子之間的壽命及/或強度差異。藉由闡釋方式，圖1-7標繪可表示來自兩個不同螢光分子(舉例而言)之螢光發射之兩個不同螢光發射機率曲線(A及B)。參考曲線A(虛線)，在由短或超短光學脈衝激發之後，來自第一分子之螢光發射之機率p A (t)可隨時間衰變，如所繪示。在某些情形中，發射光子之機率隨時間之減小可由指數衰變函數
Figure 106144267-A0305-02-0032-1
表示，其中P Ao 係初始發射機率且τ1係表徵發射衰變機率之與第一螢光分子相關聯之時間參數。τ1可稱為第一螢光分子之「螢光壽命」、「發射壽命」或「壽命」。在某些情形中，τ1之值可因螢光分子之區域環境而變更。其他螢光分子可具有不同於曲線A中所展示之發射特性。舉例而言，另一螢光 分子可具有不同於單一指數衰變之衰變分佈型，且其壽命可由半生期值或某一其他度量來表徵。
第二螢光分子可具有係指數的但具有可量測地不同之壽命τ2之衰變分佈型，如針對圖1-7中之曲線B所繪示。在所展示之實例中，曲線B之第二螢光分子之壽命比曲線A之壽命短，且在第二分子之激發之後不久發射機率p B (t)比曲線A之發射機率高。在某些實施例中，不同螢光分子可具有介於自大約0.1ns至大約20ns之範圍內之壽命或半生期值。
發明人已認識到且瞭解到，螢光發射壽命之差異可用於辨別不同螢光分子之存在或不存在及/或用於辨別螢光分子所經受之不同環境或條件。在某些情形中，基於壽命(而非發射波長，舉例而言)辨別螢光分子可簡化儀器1-104之態樣。作為實例，波長區別光學器件(諸如波長濾波器、每一波長之專用偵測器、在不同波長下之專用脈衝光學源，及/或繞射光學器件)可在數目上減少或在基於壽命而辨別螢光分子時經消除。在某些情形中，可使用以單個特性波長操作之單個脈衝光學源來激發在光學光譜之同一波長區域內發射但具有可量測地不同之壽命的不同螢光分子。使用單個脈衝光學源而非在不同波長下操作之多個源來激發且辨別在同一波長區域內發射之不同螢光分子的分析系統可操作且維護起來不那麼複雜，更緊密，且可以更低成本來製造。
儘管基於螢光壽命分析之分析系統可具有特定益處，但可藉由允許額外偵測技術而增加由分析系統獲得之資訊量及/或偵測準確度。舉例而言，某些分析系統2-160可另外經組態以基於螢光波長及/或螢光強度而辨別樣本之一或多個性質。
再次參考圖1-7，根據某些實施例，可用經組態以在激發螢光分子之 後將螢光發射事件時間方格化之光偵測器區分不同螢光壽命。可在光偵測器之單個電荷累積循環期間發生時間方格化。電荷累積循環係讀出事件之間的間隔，在該間隔期間將光生載波累積在時間方格化光偵測器之方格中。在圖1-8中用圖表方式介紹藉由發射事件之時間方格化判定螢光壽命之概念。在就在t1之前之時間te處，同一類型(例如，對應於圖1-7之曲線B之類型)之螢光分子中之一螢光分子或螢光分子總體由短或超短光學脈衝激發。對於大分子總體，發射強度可具有類似於曲線B之時間分佈型，如圖1-8中所繪示。
然而，對於單個分子或小數目個分子，針對此實例，根據圖1-7中之曲線B之統計資料發生螢光光子發射。時間方格化光偵測器1-322可將自發射事件產生之載波累積至關於(若干)螢光分子之激發時間在時間上經解析之離散時間方格(圖1-8中指示三個)中。當對大量發射事件求和時，累積在時間方格中之載波可近似圖1-8中所展示之衰變強度曲線，且經方格化信號可用於區分不同螢光分子或螢光分子位於其中之不同環境。
在2015年8月7日提出申請、標題為「INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS」之第14/821,656號美國專利申請案中闡述時間方格化光偵測器1-322之實例，該美國專利申請案以引用方式併入本文中。出於闡釋目的，在圖1-9中繪示時間方格化光偵測器之非限制性實施例。單個時間方格化光偵測器1-900可包括全部形成於半導體基板上之光子吸收/載波產生區域1-902、載波行進區域1-906及複數個載波儲存方格1-908a、1-908b、1-908c。該載波行進區域可藉由載波輸送通道1-907連接至該複數個載波儲存方格。展示僅三個載波儲存方格，但可存在更多或更少載波儲存方格。在某些實施例中，單個時 間方格化光偵測器1-900包含至少兩個載波儲存方格。可存在連接至該等載波儲存方格之讀出通道1-910。可藉由區域地摻雜半導體及/或形成毗鄰絕緣區域而形成光子吸收/載波產生區域1-902、載波行進區域1-906、載波儲存方格1-908a、1-908b、1-908c及讀出通道1-910以提供光偵測能力且拘限載波。時間方格化光偵測器1-900亦可包含形成於基板上之複數個電極1-920、1-922、1-932、1-934、1-936、1-940，該等電極經組態以在裝置中產生用於將載波輸送穿過裝置之電場。
在操作中，螢光光子可在光子吸收/載波產生區域1-902處在不同時間經接收且產生載波。舉例而言，大致在時間t1處，三個螢光光子可在光子吸收/載波產生區域1-902之耗盡區域中產生三個載波電子。裝置中之電場(歸因於至電極1-920及1-922以及視情況或另一選擇係至電極1-932、1-934、1-936之摻雜及/或外部施加之偏壓)可使載波移動至載波行進區域1-906。在載波行進區域中，行進距離轉變為在激發螢光分子之後之時間。在稍後時間t5處，另一螢光光子可經接收在光子吸收/載波產生區域1-902中且產生額外載波。此時，前三個載波已行進至載波行進區域1-906中之毗鄰於第二儲存方格1-908b之位置。在稍後時間t7處，可在電極1-932、1-934、1-936與電極1-940之間施加電偏壓以將載波自載波行進區域1-906側向輸送至儲存方格。可然後將前三個載波輸送至第一方格1-908a且保持在第一方格1-908a中，而且可將稍後產生之載波輸送至第三方格1-908c且保持在第三方格1-908c中。在某些實施方案中，對應於每一儲存方格之時間間隔處於亞奈秒時間尺度，儘管可在某些實施例中(例如，在其中螢光團具有更長衰變時間之實施例中)使用更長時間尺度。
在光偵測器1-900之單個電荷累積循環期間，在激發事件(例如，來 自脈衝光學源之激發脈衝)之後產生且時間方格化載波之程序可在單個激發脈衝之後發生一次或在多個激發脈衝之後重複多次。在完成電荷累積之後，可經由讀出通道1-910自儲存方格讀出載波。舉例而言，適當偏壓序列可施加至至少電極1-940及下游電極(未展示)以將載波自儲存方格1-908a、1-908b、1-908c移除。
在若干個激發事件之後，可讀出每一電子儲存方格中之所累積信號以提供具有表示螢光發射衰變速率之對應方格之直方圖(舉例而言)。在圖1-10A及圖1-10B中圖解說明此程序。該直方圖之方格可指示在激發樣本井中之(若干)螢光團之後在每一時間間隔期間所偵測到之光子數目。在某些實施例中，將在大量激發脈衝之後累積針對該等方格之信號，如圖1-10A中所繪示。該等激發脈衝可發生在分開脈衝間隔時間T之時間te1、te2、te3、...teN處。可存在在信號累積於電子儲存方格中期間施加至樣本井之介於105與107個之間的激發脈衝。在某些實施例中，一個方格(方格0)可經組態以偵測隨每一光學脈衝遞送之激發能量之振幅，且用作參考信號(例如，以將資料正規化)。
在某些實施方案中，可在激發事件之後自螢光團發射平均僅單個光子，如圖1-10A中所繪示。在時間te1處之第一激發事件之後，時間tf1處之所發射光子可出現在第一時間間隔內，使得所得電子信號累積在第一電子儲存方格中(貢獻於方格1)。在時間te2處之隨後激發事件中，時間tf2處之所發射光子可出現在第二時間間隔內，使得所得電子信號貢獻於方格2。
在大量激發事件及信號累積之後，可讀出時間方格化光偵測器1-322之電子儲存方格以針對樣本井提供多值信號(例如，兩個或兩個以上值之直方圖、N維向量等)。每一方格之信號值可取決於螢光團之衰變速率。舉 例而言且再次參考圖1-8，具有衰變曲線B之螢光團將具有比具有衰變曲線A之螢光團高的方格1中之信號與方格2中之信號之比率。可分析來自該等方格之值且將該等值與校準值及/或彼此進行比較，以判定特定螢光團，此又識別在處於樣本井中時鏈接至螢光團之核苷酸或核苷酸類似物(或所關注之任何其他分子或試樣)。
為進一步輔助理解信號分析，所累積多方格值可經標繪為直方圖，如圖1-10B中所繪示(舉例而言)，或可經記錄為N維空間中之向量或位置。可單獨執行校準運行以獲取鏈接至四個核苷酸或核苷酸類似物之四個不同螢光團之多值信號(例如，校準直方圖)之校準值。作為實例，可如圖1-11A(與T核苷酸相關聯之螢光標記)、圖1-11B(與A核苷酸相關聯之螢光標記)、圖1-11C(與C核苷酸相關聯之螢光標記)及圖1-11D(與G核苷酸相關聯之螢光標記)中所繪示而出現校準直方圖。所量測多值信號(對應於圖1-10B之直方圖)與校準多值信號之比較可判定併入至生長DNA鏈中之核苷酸或核苷酸類似物之身份「T」(圖1-11A)。
在某些實施方案中，另外或另一選擇係，可使用螢光強度來區分不同螢光團。舉例而言，某些螢光團可以顯著不同強度發射或具有其激發機率之顯著差異(例如，至少大約35%之差異)，即使其衰變速率可為類似的。藉由使經方格化信號(方格1至3)以所量測激發能量方格0作為參考，基於強度位準而區分不同螢光團可係可能的。
在某些實施例中，同一類型之不同數目個螢光團可鏈接至不同核苷酸或核苷酸類似物，使得可基於螢光團強度而識別核苷酸。舉例而言，兩個螢光團可鏈接至第一核苷酸(例如，「C」)或核苷酸類似物且四個或四個以上螢光團可鏈接至第二核苷酸(例如，「T」)或核苷酸類似物。由於 不同數目個螢光團，因此可存在與不同核苷酸相關聯之不同激發及螢光團發射機率。舉例而言，在信號累積間隔期間針對「T」核苷酸或核苷酸類似物可存在更多發射事件，使得方格之表觀強度顯著高於「C」核苷酸或核苷酸類似物之表觀強度。
發明人已認識到且瞭解到，基於螢光團衰變速率及/或螢光團強度而區分核苷酸或任何其他生物或化學試樣達成儀器1-104中之光學激發及偵測系統之簡化。舉例而言，可用單波長源(例如，產生一個特性波長之源而非多個源或以多個不同特性波長操作之源)執行光學激發。另外，在偵測系統中可不需要波長區別光學器件及濾波器。而且，可針對每一樣本井使用單個光偵測器以偵測來自不同螢光團之發射。
片語「特性波長」或「波長」用於係指在輻射之有限頻寬內之中央或主要波長(例如，在由脈衝光學源輸出之20nm頻寬內之中央或峰值波長)。在某些情形中，「特性波長」或「波長」可用於係指在由源輸出之輻射之總頻寬內之峰值波長。
發明人已認識到且瞭解到，具有在介於大約560nm與大約900nm之間的範圍中之發射波長的螢光團可提供充足量之螢光以由時間方格化光偵測器(其可使用CMOS程序在矽晶圓上製作)檢測。此等螢光團可鏈接至所關注之生物分子，諸如核苷酸或核苷酸類似物。可在基於矽之光偵測器中以比處於較長波長之螢光高之響應率偵測在此波長範圍中之螢光發射。另外，在此波長範圍中之螢光團及相關聯連接體可不干擾核苷酸或核苷酸類似物至生長DNA鏈中之併入。發明人亦已認識到且瞭解到，可用單波長源光學激發具有在介於大約560nm與大約660nm之間的範圍中之發射波長之螢光團。在此範圍中之實例性螢光團係自馬薩諸塞州沃爾瑟姆之賽默 飛世爾科技公司購得之Alexa Fluor 647。發明人亦已認識到且瞭解到，可需要處於較短波長(例如，介於大約500nm與大約650nm之間)之激發能量來激發以介於大約560nm與大約900nm之間的波長發射之螢光團。在某些實施例中，時間方格化光偵測器可(例如)藉由將其他材料(諸如Ge)併入至光偵測器主動區域中而有效地偵測來自樣本之較長波長發射。
儘管使用發射單個特性波長之激發源將DNA定序之預期可簡化光學系統之某些部分，但其可將技術上具挑戰性之需求放在激發源上，如上文所述。舉例而言，發明人已認識到且瞭解到，來自激發源之光學脈衝應針對上文所闡述之偵測方案快速地熄滅，使得激發能量不淹沒或干擾隨後所偵測之螢光信號。在某些實施例中且再次參考圖1-5，在波導1-315與時間方格化光偵測器1-322之間可不存在波長濾波器。為避免激發能量干擾隨後信號收集，激發脈衝可需要在強度方面在大約100ps內自激發脈衝之峰值減少至少50dB。在某些實施方案中，激發脈衝可需要在強度方面在大約100ps內自激發脈衝之峰值減少至少80dB。發明入已認識到且瞭解到，鎖模雷射可提供此等迅速關斷特性。然而，鎖模雷射可難以在穩定鎖模狀態中操作延長時間週期。而且，由於脈衝重複速率出於資料獲取目的而可需要低於100MHz，因此鎖模雷射腔之長度可變得非常長。此等長長度與可併入至可攜式臺式儀器中之緊密光學源背道而馳。另外，鎖模雷射必須為在低於660nm之波長下激發螢光團而提供每脈衝充足能量(或高平均功率)，使得可用針對數千個或甚至數百萬個樣本井之整合式光電二極體並行偵測螢光。發明人已進一步認識到且瞭解到，鎖模雷射之光束品質應係高的(例如，M2值小於1.5)，使得可達成至整合式裝置1-102之光學耦合器及波導(舉例而言)之高效耦合。當前，在可併入至可攜式臺式儀器中 且保持穩定達延長時間週期之緊湊模組(例如，佔據小於0.1ft3之體積)中不存在以介於50MHz與200MHz之間的重複速率、以介於500nm與650nm之間的波長、以介於250mW與1W之間的平均功率提供脈衝的可商購之鎖模雷射系統。
III.整合式裝置
整合式裝置在分析樣本時之效能可取決於與整合式裝置之光學器件有關之各種因素，包含整合式裝置之光學耦合器(例如，光柵耦合器)之耦合效率、將激發能量分裂至個別波導中之光學損耗及個別波導至樣本井中之耦合效率。此等因素可在更多樣本井及光學組件包含於整合式裝置上以將激發能量遞送至樣本井時變得誇大。本申請案之態樣係關於光學耦合器、光學分離器、波導及用於將此等光學組件配置在整合式裝置中以減少光學損耗及/或改良耦合效率之技術。另外，本文中所闡述之技術可改良將激發能量遞送至整合式裝置之樣本井之均勻性。
整合式裝置在分析樣本時之效能亦可取決於遞送至個別樣本井之激發能量(例如，光學功率)之量。當激發能量自激發源傳播至樣本井時，可發生光學損耗，此可減少耦合至樣本井之激發能量之量且可影響與樣本井相關聯之像素在偵測樣本時之效能。對於樣本井陣列，此光學損耗可限制能夠進行樣本偵測之像素之數目。此光學損耗亦可降低將激發能量遞送至陣列中之個別樣本井之均勻性，此亦可影響整合式裝置之效能。整合式裝置之波導可將激發能量耦合至接近於波導定位之若干個樣本井(例如，512個樣本井)。當激發能量沿著波導傳播時，總光學損耗量可增加，從而減少耦合至沿著波導定位在更遠處之樣本井之激發能量之量。以此方式，沿著波導之光學損耗可影響耦合至沿著波導定位之個別樣本井之激發能量之 量之均勻性。本申請案之態樣係關於整合式裝置及形成整合式裝置之方法，該等裝置及方法藉由在激發能量沿著波導傳播時減少光學損耗而改良樣本井陣列內之激發能量之均勻性。
在某些情形中，在嘗試將功率自光學源高效地耦合至複數個(大量)整合式光學波導時可出現問題。為針對大量樣本井將充足功率提供至每一波導及樣本井，輸入光束中之平均功率隨著樣本井數目之增加而成比例上升。對於某些整合式光學波導(例如，氮化矽波導芯/二氧化矽包覆層)，高功率可導致波導之傳輸損耗之暫時改變且因此導致隨時間而變的樣本井中之明顯功率不穩定性。發明人已量測在高功率下之整合式光學波導中之時間相依傳輸損耗，且在圖2-0中標繪實例性結果。
針對具有氮化矽芯之單模波導之三個相同長度，將插入損耗量測為時間之函數。耦合至三個波導中之初始平均功率位準係0.5mW、1mW及2mW。圖2-0之圖表針對三個功率位準將波導之每一長度之所量測插入損耗之改變展示為時間之函數。該圖表展示在高功率位準下損耗可在少於10分鐘內改變3dB。對於某些應用，諸如其中可運行反應達數十分鐘或小時之單分子核酸定序，此等功率不穩定性可並非係可接受的。
在其中來自樣本井之發射強度為低或其中樣本之表徵取決於來自樣本井之強度值之情形中，遞送至樣本井之功率隨時間而保持穩定係有益的。舉例而言，若遞送至樣本井之功率由於波導中之時間相依損耗而減小3dB(參見圖2-0)，則螢光發射事件數目可降至低於儀器之雜訊本底之位準。在某些情形中，區分光子信號與雜訊之失敗可不利地影響用於區分螢光團壽命之光子統計資料。因此，可丟失重要分析資訊，可發生分析錯誤(例如，核酸序列偵測錯誤)，或定序運行可失敗。
減少時間相依波導損耗之效應之一種方法係減小在整合式裝置中使用之整合式波導之長度。在某些情形中，可需要明顯長度之波導來將激發能量路由至樣本井。另一選擇係或另外，可減少耦合至波導中之輻射強度及/或可增加自金屬層產生之沿著波導之光學損耗。發明人已認識到且瞭解到，時間相依波導傳輸損耗可係最有問題的，其中來自激發源之光束首先耦合至整合式光學電路之單個波導中且然後在諸多波導當中重新分佈(例如，藉由使用具有一個輸入及兩個輸出之多模干擾分離器之二叉樹)。在耦合區域處，在此等例項中，強度可係非常高的且導致波導傳輸損耗之迅速改變。
本申請案之某些實施例係關於波導結構及形成波導結構之方法，該等波導結構提供具有自波導延伸之所要漸消場之光學模式。垂直於沿著波導之傳播方向而延伸之漸消場可具有自波導減小之光學功率分佈。該漸消場可具有特性衰變，在該特性衰減下光學功率自波導減小。經組態以支援光學模式之傳播之波導可被視為在漸消場自波導迅速地衰減時之「經拘限」光學模式。
波導之一或多個尺寸可影響漸消場之特性，包含衰變速率、漸消場距波導材料與周圍材料(例如，包覆層)之間的介面之距離及漸消場在與波導傳播方向垂直之方向上之光學功率分佈型。垂直於沿著波導之傳播方向的波導之尺寸可影響漸消場之一或多個特性。在某些實施例中，波導之厚度可影響漸消場之一或多個特性。波導之厚度可影響沿著波導傳播之激發能量之漸消場之衰變。在某些實施例中，增加波導之厚度可增加漸消場之衰變。
某些實施例係關於具有可變厚度以提供用於耦合至整合式裝置之一 或多個樣本井之所要漸消場的波導結構。在某些實施例中，波導之厚度可在與一或多個樣本井重疊之區域中比在不與該一或多個樣本井重疊之區域中大。在此等實施例中，波導可提供具有漸消場之光學模式，該漸消場提供激發能量至樣本井中之所要量之耦合同時減少因金屬層之存在而產生之光學損耗。
用於減少整合式裝置之光學損耗且改良光學效能之另一技術可包含沿著整合式裝置之波導之長度使激發能量之功率分佈變化。功率分佈可在沿著波導之與樣本井重疊之位置處增加及/或加寬且在沿著波導之不與樣本井重疊之位置處減小及/或變窄。在某些實施例中，整合式裝置之波導可傳播複數個光學模式。此波導可被視為「多模波導」。該複數個光學模式可相互干擾以在垂直於沿著波導之光傳播方向之方向上使激發能量之功率分佈變化。多模波導之功率分佈可變化使得功率分佈在沿著波導之與樣本井重疊之一或多個位置處加寬。
A.光柵耦合器
為減少耦合區域1-201處之時間相依波導損耗，可實施切片式光柵耦合器2-100，在圖2-1A中展示切片式光柵耦合器2-100之經簡化圖解說明。該切片式光柵耦合器可係光柵耦合器1-216(例如，圖1-2A)，且包括毗鄰於複數個波導2-120(其可被視為輸出波導)形成之為長度L之光柵2-110。該等波導可具有接收由光柵2-110繞射之光之漸縮端2-122。該等漸縮端可具有不同寬度(例如，寬度朝向該光柵之相對端更寬，如所繪示)。由該等漸縮端橫跨之總寬度可小於或大致等於光柵之長度L。
在某些實施例中，來自激發源1-106之光束可經擴展(或由該激發源產生)使得其在Y方向上延伸以基本上匹配光柵之長度L。舉例而言，經延 伸光束2-112可具有如由圖2-1A中之虛線橢圓所繪示之形狀，其中該虛線橢圓對應於具有高於所要臨限值(例如，80%、90%)之光學強度之光束之一部分。入射光束可具有延伸超出圖2-1A中所展示之虛線橢圓的低光學強度之尾區域。切片式光柵耦合器2-100可經組態以捕獲在75%至99%之範圍中或者係彼範圍中之任何百分比或百分比範圍之入射光束之分率。當此光束入射於光柵上(例如，主要在+Z方向上行進)時，光柵將使該光束在X方向上朝向波導2-120之漸縮端2-122繞射。在某些實施例中，光束可以自法向(+Z方向)至光柵2-110之幾度(例如，1度至6度)之角度入射至光柵。將入射光束以一角度朝向輸出波導2-120定位可藉由與光束法向於光柵耦合器之情況相比較減少光柵耦合器中之繞射量而改良至光柵耦合器中之激發能量耦合效率。光束可具有在Y-方向上之橫向強度分佈型，該橫向強度分佈型在其中心處最密集且使其強度朝向光束之邊緣移動而減小(在±Y方向上減小)。對於此光束，該等波導之漸縮端2-122可在光柵2-110之相對端處較寬且在該光柵之中心處較窄，使得類似功率量耦合至複數個波導2-120中之每一波導中。儘管在圖式中展示10個波導，但切片式光柵耦合器可具有更多波導。在某些實施例中，切片式光柵耦合器可具有一定數目個輸出波導，該數目在介於20與200之間的範圍中，或係彼範圍中之任何值或任何值範圍。藉由跨越諸多波導分佈功率耦合，可減少或消除因最初將所有功率耦合至單個波導中而產生之與時間相依傳輸損耗相關聯之不利效應。經擴展光束亦減小光柵耦合器處之強度且降低損壞光柵2-110、反射體1-226、整合式裝置中之其他結構及光學系統中之其他結構之風險。
在某些例項中，期望提供用切片式光柵耦合器2-100及圖2-1A中所繪 示之光束配置來將功率耦合至該複數個波導2-120之可調整均勻性。即使光束之橫向強度分佈型可係高斯的或良好表徵的使得可預先計算漸縮端2-122之不同寬度以在理論上捕獲相等量之功率，耦合均勻性亦可對光束之橫向強度分佈型之改變且對Y方向上之光束位移高度敏感。
圖2-1B圖解說明一種將寬光束耦合至複數個波導之方法，該方法提供用於改良耦合至該等波導之功率位準之均勻性的調整，降低耦合對光束之橫向強度分佈型及對光束位移之敏感度。根據某些實施例，來自激發源(例如，雷射)之圓形光束可經重新整形為橢圓形光束2-122，橢圓形光束2-122超過光柵2-110及漸縮端陣列2-122之長度L且經旋轉使得橢圓之長軸相對於光柵2-110之齒或線處於角度α。在某些實施例中，角度α可介於1度與10度之間。光束2-122之部分可在±X方向上延伸超過光柵2-110之邊緣。然而圖2-1A中所展示之耦合配置可允許來自95%以上之光束區之功率耦合至漸縮端2-122中，圖2-1B中所展示之耦合配置可允許來自介於80%與95%之間的光束區之功率耦合至漸縮端中。發明人已認識到且瞭解到，總體耦合效率之減小不止由至波導中之所耦合功率之耦合穩定性及均勻性之改良來補償。圖2-1C展示藉由針對不同光束寬度使用切片式光柵耦合器而跨越整合式裝置拋棄之百分比以證明光柵耦合器容忍不同光束大小同時維持整合式裝置之所要效能之能力。在某些實施例中，切片式光柵耦合器可允許大致+/-10%之光束大小公差、大致45%之光柵耦合器效率及跨越樣本井陣列之大致+/-25%之照射均勻性變化。
在操作期間，角度α及在X及Y方向上之光束位移可經調整以獲得且維持功率跨越該複數個波導2-120之均勻耦合。若光束2-122在Y方向上具有對稱強度分佈型，則可在X方向上調整光束之位置以補償不對稱性。舉 例而言，若光束在+Y方向上之強度大於光束在-Y方向上之強度，則可使光束在-X方向上移動(針對所展示之角度)使得光束在+Y方向上之一部分移動離開光柵2-110且減少在+Y方向上耦合至漸縮端2-122之功率量。光束在-Y方向上之一部分可移動至光柵2-110上且增加在-Y方向上耦合至漸縮端2-122之功率量。若光束2-122在Y方向上具有對稱強度分佈型，則可進行在±Y方向及/或±α方向上之調整以改良耦合至波導中之功率之均勻性。在標題為「COMPACT BEAM SHAPING AND STEERING ASSEMBLY」之美國專利申請案62/435,679中闡述用於將橢圓形光束對準至切片式光柵耦合器之光束操縱模組之實例，該美國專利申請案以其全文引用方式併入本文中。
切片式光柵耦合器之漸縮端之一或多個尺寸可變化以補償耦合至切片式光柵耦合器之光學強度之變化。在某些實施例中，漸縮端之寬度(沿著圖2-1A中所展示之y軸)可在切片式光柵耦合器之側處變化。在某些實施例中，漸縮端之高度(沿著圖2-1A中所展示之z軸)可在光柵耦合器之側處變化。漸縮端之尺寸可取決於漸縮端相對於光柵耦合器之位置。在光柵耦合器內之強度分佈分佈型可提供將允許漸縮端中之每一者接收實質上類似量之光學功率(給定特定光柵耦合器之強度分佈型)之漸縮區域之定位及/或大小之指示。圖2-1D係相對強度作為中心點(沿著x軸之零)之位置之函數之圖表。圖2-1D中所展示之強度分佈型係針對具有240微米長(圖2-1A中所展示之尺寸L)之光柵之切片式光柵耦合器。由於強度在光柵耦合器之光柵之中心點處達到峰值且沿著光柵之長度減小，因此漸縮端之寬度可自中心點至光柵之外邊緣增加以改良耦合至漸縮端中之光學功率量之均勻性。在某些實施例中，漸縮端中之每一者可以適合方式經定位且經定大小使得 漸縮端各自捕獲實質上相等量之功率。圖2-1D指示漸縮端2-122a、2-122b、2-122c之可能位置及寬度以表示關於強度分佈型之此概念。漸縮端之額外寬度在圖2-1D中由方點表示。漸縮端2-122a定位在最外部漸縮端處且亦具有最大寬度，此乃因其正在光柵耦合器之具有低強度之位置處進行捕獲。漸縮端2-122b及2-122c更靠近於中心點而定位且具有逐漸變小之寬度。
在某些實施例中，切片式光柵耦合器之漸縮端之一或多個尺寸可變化以考量到在整合式裝置之光學系統內之光學組件(例如，光學分離器)。為在整合式裝置內之諸多波導當中分佈激發能量，來自切片式光柵耦合器之輸出波導可與光學分離器耦合以增加傳播激發能量之波導之數目。某些輸出波導可沿著僅具有一個光學分離器之光學路徑耦合激發能量，儘管輸出波導可沿著具有兩個或兩個以上光學分離器之光學路徑耦合激發能量。除考量到光柵內之強度分佈之外，漸縮端之尺寸亦可取決於每一輸出波導所耦合至之光學路徑中之光學分離器數目而變化。在某些實施例中，切片式光柵耦合器可具有一個漸縮端，該一個漸縮端具有比接近於光柵之邊緣之漸縮端及接近於光柵之側之中心之漸縮端兩者大之尺寸。
圖2-2A展示具有光柵2-210之光柵耦合器2-200之示意圖。漸縮端2-222a、2-222b、2-222c在側2-230處耦合至光柵2-210且耦合至輸出波導2-220。在此實例中，漸縮端2-222b具有比接近於側2-230之邊緣定位之漸縮端2-222a及接近於側2-230之中心定位之漸縮端2-222c兩者大之寬度(沿著y軸之尺寸)。除光柵2-210中之激發能量之強度分佈型之外，漸縮端之此變化亦可補償輸出波導2-220所耦合至之光學分離器之數目。如上文所論述，強度可在光柵之中心處最高且朝向光柵之邊緣減小。漸縮端2-222a 之輸出波導可藉由減少在光柵下游使用之光學分離器之數目而考量到接近於邊緣之較低強度。在某些實施例中，起源於漸縮端2-222a之激發能量路徑可包含僅一個光學分離器，而用於漸縮端2-222b及2-222c之路徑可包含兩個或兩個以上光學分離器。
B.(若干)光學分離器
一或多個光學分離器(例如，多模干擾分離器)可定位在光柵耦合器1-216與波導1-220之間，且在某些實施例中可作為路由區域1-202之一部分經包含。光學分離器可耦合至光柵耦合器之輸出波導作為至光學分離器之輸入且具有兩個或兩個以上波導作為光學分離器之輸出。在某些實施例中，多個光學分離器可用於將由光柵耦合器1-216接收之光學功率劃分至將激發能量傳播至整合式裝置之像素區域1-203中之樣本井1-108之波導1-220中。在某些實施例中，光柵耦合器與將激發能量耦合至樣本井之波導之間的光學分離器之數目可取決於來自光柵耦合器之輸出波導如何經定位及/或經定大小而變化。
圖2-2B展示實施圖2-2A中所展示之光學分離器及切片式光柵耦合器之例示性光學路由配置。除光柵2-110、在光柵之側2-230處之漸縮端及輸出波導2-220之外，亦可使用多模干擾(MMI)分離器2-240a、2-240b及2-242來進一步劃分在輸出波導中傳播至波導1-220之光學功率，波導1-220將激發能量傳播至整合式裝置之像素區域中之樣本井。MMI分離器2-240a及2-240b係各自接收輸出波導2-220作為輸入且具有兩個輸出之MMI分離器之第一群組之一部分。該第一群組中之MMI分離器可距光柵2-110小於1mm。MMI分離器2-242係各自接收來自MMI分離器(諸如MMI分離器2-240b)之輸出且具有形成波導1-220之兩個輸出之MMI分離器之第二群 組之一部分。雖然圖2-2B中所展示之MMI分離器具有兩個輸出，但應瞭解，可使用更多輸出，此乃因本文中所闡述之技術不受限於光學分離器中之輸出數目。
如圖2-2B中所展示，並非來自第一群組中之MMI分離器2-240之所有輸出皆形成至第二群組中之MMI分離器2-242之輸入。如圖2-2B中所展示，來自MMI分離器2-240b之輸出耦合至兩個MMI分離器2-242，而MMI分離器2-240a不耦合至任何MMI分離器2-242。再次參考圖2-2A，諸如漸縮端2-222a之外漸縮端具有小於另一漸縮端(諸如漸縮端2-222b)之寬度，且將由於光柵2-110中之強度分佈型而傳播較少光學功率。為具有光學功率在波導1-220當中之經改良均勻性，外漸縮端可將光學功率提供至具有較少MMI分離器之路徑。以此方式，漸縮端之一或多個尺寸及用於自光柵2-110之輸出形成波導1-220之MMI分離器數目可平衡光柵2-110中之強度分佈型。
C.陣列佈局
本申請案之某些實施例係關於用於路由整合式裝置中之波導及光學組件以便(諸如)藉由減小波導長度而改良裝置效能及/或減少時間相依波導損耗(如上文所論述)之技術。波導及光學組件之路由之另一考量可包含減少致力於光學路由之整合式裝置之佔用面積以允許更多表面積可用於額外樣本井。
在某些實施例中，可以自光柵耦合器之徑向分佈來路由波導。如圖2-2B中所展示，輸出波導2-220、MMI分離器2-240及2-242、波導1-220自光柵2-110徑向配置。為將激發能量朝向整合式裝置之像素區域1-203中之樣本井引導，波導1-220可配置成列使得個別波導1-220經定位以與整合 式裝置之樣本井列(諸如圖1-2A中所展示之樣本井1-108列)耦合。關於圖2-2B之平面圖，波導1-220可在整合式裝置之像素區域內沿著x軸線性延伸。
在某些實施例中，整合式裝置之像素區域中之波導可實質上平行於光柵耦合器之光柵定位。光學傳播區域可將光柵耦合器光學耦合至波導。此波導佈局可允許更短波導，此可減少光學損耗，包含時間相依波導損耗。圖3-1展示具有光柵耦合器之光柵3-110、傳播區域3-120以及波導3-130a及3-130b之例示性光學路由配置之示意圖。傳播區域3-120可定位在輸出波導3-130a及3-130b之兩個集合之間。由於傳播區域3-120經組態以將激發能量提供至多個波導3-130，因此其可被視為光學分離器。波導3-130a及3-130b可經定位以將激發能量耦合至整合式裝置之(若干)像素區域中之樣本井。如圖3-1中所展示，波導3-130a及3-130b沿著實質上平行於光柵耦合器之光柵3-110之方向(y軸)起源於傳播區域3-120。藉由使傳播區域3-120沿著波導佈局之中心部分定位，波導3-130可具有比在其中波導實質上垂直於光柵耦合器之光柵定位(諸如圖2-2B中所展示)之波導佈局中短之長度。
在某些實施例中，一或多個光學分離器(例如，MMI分離器)可定位在整合式裝置之像素區域中且經組態以與兩個或兩個以上波導耦合，該兩個或兩個以上波導經組態以與樣本井列或行光學耦合。該一或多個光學分離器可定位在樣本井之兩個集合之間。至光學分離器之一或多個輸入波導可定位在樣本井之該兩個集合之間。輸入波導可係耦合至傳播區域之波導，諸如源自於圖3-1中所展示之傳播區域3-120之波導3-130a及3-130b。圖3-2展示包含經組態以分別用作至光學分離器3-214a及3-214b之輸入之 輸入波導3-210a及3-210b之例示性波導佈局之示意圖。如圖3-2中所展示，輸入波導3-210a及3-210b定位在包含樣本井3-212a之第一樣本井集合與包含樣本井3-212b之第二樣本井集合之間。另外，光學分離器3-214a及3-214b定位在第一樣本井集合與第二樣本井集合之間。來自光學分離器3-214a之輸出波導3-216a及3-216b經定位以各自與第一樣本井集合中之樣本井列耦合。來自光學分離器3-214b之輸出波導3-218a及3-218b經定位以各自與第二樣本井集合中之樣本井列耦合。
D.樣本井
本文中所闡述之類型之整合式裝置可包括經組態以將樣本接納在其中之一或多個樣本井。該整合式裝置可包括安置在樣本井列(例如，512個樣本井)中之像素。每一樣本井可接納一樣本，該樣本可安置在樣本井之表面(諸如底部表面)上。樣本將安置於其上之表面距經組態而以所要激發能量位準激發樣本之波導可具有一距離。在某些實施例中，樣本井可相對於波導經定位，使得沿著波導傳播之光學模式之漸消場與樣本重疊。
樣本井可具有頂部孔隙，一或多個樣本可透過該頂部孔隙接達樣本井。頂部孔隙之大小可取決於不同因素。一個此類因素係關於一或多個樣本可定位在樣本井中之事實。因此，頂部孔隙可足夠大以允許將樣本放置在樣本井中。另一因素係關於背景信號，諸如雜散光。當一或多個樣本安置在樣本井中且用激發能量來激發時，背景信號可導致發射能量中之非所要波動，因此使量測具有雜訊。為限制此等波動，頂部孔隙之大小可經組態以阻抗背景信號之至少一部分。類似地，頂部孔隙阻抗樣本之曝露使得僅樣本之在孔隙下方之部分接收實質上激發能量。另一因素係關於由(若干)樣本回應於接收激發能量而發射之發射能量之方向性。在某些實施例 中，頂部孔隙之大小可經組態以提供所要方向性位準。
整合式裝置之某些實施例包含形成於在整合式裝置之表面上之金屬層內之樣本井。金屬層可在由一或多個感測器偵測來自樣本井之發射能量時提供益處。金屬層可用以減少背景信號且用以改良由一或多個感測器所偵測之發射能量之量。此等金屬層可藉由減少可自背景信號(例如，雜散光、背景光或引導激發能量)產生之雜訊假影而改良感測器之信雜比。在某些實施例中，整合式裝置可包含經組態以用作佈線以傳輸及/或接收電信號之金屬層。此佈線可耦合至感測器且傳輸信號以控制感測器及/或接收指示由感測器所偵測之發射能量之信號。
樣本井之深度可經組態以維持(若干)樣本與金屬層之間的所要位置分開。此分開可確保樣本井具備所要激發能量位準同時限制由金屬層導致之光學損耗。在某些實施例中，樣本井之深度可經組態使得沿著波導傳播之光學模式之漸消場與樣本重疊同時限制其與金屬層相互作用之程度。在某些實施例中，樣本井之深度可影響與樣本相關聯之標誌之光子發射事件之定時(例如，壽命)。因此，深度可允許基於與不同標誌之個別壽命相關聯之定時特性而在樣本井中之不同標誌當中進行區分。
樣本井之形狀及大小及/或金屬層之組合物可用以將發射能量朝向感測器引導。在某些實施例中，由樣本以發射能量之形式發射之能量之一部分可向下傳播穿過整合式裝置之層。發射能量之一部分可由安置在整合式裝置上之在與樣本井相關聯之像素中之一或多個感測器接收。
圖4-1係根據本申請案之某些非限制性實施例之包含樣本井4-108之整合式裝置之剖面圖。樣本井4-108可經組態以接納樣本4-191，樣本4-191可經保持在樣本井4-108之表面處。舉例而言，樣本井4-108之表面4- 112可具有至少暫時地黏附至樣本達一持續時間之組合物。樣本井4-108之表面4-112可具有為使樣本4-191黏附至表面而非樣本井4-108之側壁提供選擇性的一或多種材料，如圖4-1中所展示。在某些實施例中，樣本井4-108之表面4-112可允許樣本4-191至樣本井4-108之經光敏化結合。在某些實施例中，樣本井4-108之表面4-112可由可端接有一或多個矽醇基團(Si-OH)之氧化矽形成。矽醇基團可與另一材料(例如，具有具一或多個矽醇基團之結構之化學物)相互作用以針對表面形成特定類型之表面化學反應。樣本4-191可透過樣本井4-108之頂部孔隙安置在樣本井4-108內。頂部孔隙可經組態以減少照射樣本4-191之周圍光或雜散光。可在可稱為「黑暗」條件之條件下分析樣本井4-108中之樣本，其中可激發在樣本井4-108上方之本體溶液之雜散光來自整合式裝置之波導及/或樣本井。頂部孔隙可經組態以減少激發在樣本井4-108上方之本體溶液的樣本井4-108中之雜散光。在某些實施例中，樣本井4-108可具有子波長剖面尺寸，此可減少或抑制入射於整合式裝置上之光之傳播。樣本井4-108之頂部孔隙可具有在50nm至300nm之範圍中或係彼範圍內之任何值或值範圍之寬度WA。
可用透過波導4-102提供之激發能量(諸如藉由與樣本井4-108光學耦合之波導4-102)激發樣本4-191。雖然波導4-102在圖4-1中經圖解說明為矩形剖面，但可使用任何其他適合剖面形狀，包含本文中所闡述之波導。波導4-102可經組態以提供自波導漸消地衰變之光學模式。在某些實施例中，模式之漸消場可至少部分地與樣本井4-108重疊。以此方式，樣本4-191可透過光學模式之漸消場接收激發能量。
樣本井4-108可在樣本井4-108之表面4-112與位於包覆層4-118與(若 干)金屬層4-122之間的介面4-127之間具有深度dW。深度dW可提供定位在表面4-112處之樣本與(若干)金屬層4-122之間的適合距離。深度dW可影響與樣本4-191相關聯之標誌之光子發射事件之定時(例如，螢光團之螢光壽命)。因此，深度dW可允許基於與不同標誌之個別光子發射定時特性(例如，螢光壽命)相關聯之定時特性而在樣本井4-108中之不同標誌當中進行區分。在某些實施例中，樣本井4-108之深度dW可影響所接收之激發能量之量。樣本井4-108之深度dW可經組態以改良來自樣本4-191之發射能量之方向性。深度dW可在50nm至400nm之範圍中，或係彼範圍內之任何值或值範圍。在某些實施例中，深度dW介於95nm與150nm之間。在某些實施例中，深度dW介於250nm與350nm之間。
整合式裝置可包含在頂部包覆層4-118上方之(若干)金屬層4-122。(若干)金屬層4-122可用作由樣本井中之樣本發射之發射能量之反射體且可藉由使發射能量朝向整合式裝置之感測器反射而改良對發射能量之偵測。(若干)金屬層4-122可用以由於未在樣本井內源起之光子而減少背景信號。(若干)金屬層4-122可包括一或多個子層。適合於用作(若干)金屬層之層之材料之實例可包含鋁、銅、鋁銅合金、鈦、氮化鈦、鉭及氮化鉭。如圖4-1中所展示，(若干)金屬層4-122可包含兩個或兩個以上子層。在某些實施例中，經定位以與包覆層4-118介接之第一子層4-124可包含鋁、鉭或鈦。在其中第一子層4-124包含鋁之實施例中，第一子層4-124可包含鋁與矽及/或銅之合金。藉由在第一子層中具有鋁，可減少沿著波導傳播之激發能量之光學損耗。第一子層4-124之厚度可在30nm至165nm之範圍中，或係彼範圍內之任何值或值範圍。
(若干)金屬層4-122可進一步包含安置於第一子層4-124上方之第二子 層4-126。在某些實施例中，第二子層4-126可包含鈦。鈦可減少發生在(若干)金屬層4-122內之腐蝕量。第二子層4-126之厚度可在1nm至100nm之範圍中，或係彼範圍範圍內之任何值或值範圍。在某些實施例中，第二子層之厚度可係大致10nm。
(若干)金屬層4-122可進一步包含安置於第二子層4-126上方及/或第一子層4-124上方之第三子層4-128。第三子層4-128可包含氮化鈦及/或氮化鉭。第三子層4-128可具有在5nm至100nm之範圍中或係彼範圍內之任何值或值範圍之厚度。在某些實施例中，第三子層4-128可具有大致50nm之厚度。
樣本井4-108可具有至少部分地用側壁間隔件4-190覆蓋之一或多個側壁。側壁間隔件4-190之組合物可經組態以達成與樣本4-191之特定類型之相互作用。在某些實施例中，側壁間隔件4-190可具有經組態以使樣本井4-108之側壁鈍化以減少黏附至樣本井4-108之側壁之樣本量的組合物。藉由給樣本井提供僅塗佈有間隔件材料之側壁，與樣本4-191之不同類型之相互作用可發生在側壁4-190處而非表面4-112處。在某些實施例中，樣本井4-108之表面4-112可塗佈有功能化矽烷以改良樣本4-191至表面之黏附。藉由用間隔件4-190塗佈側壁，樣本井4-108之表面4-112可選擇性地塗佈有功能化矽烷。側壁間隔件4-190之組合物可經選擇以提供側壁間隔件4-190相對於樣本井4-108之實質上平行於波導之表面4-112(其可被視為樣本井之「底部表面」)的選擇性塗佈。側壁間隔件4-190可具有在3nm至30nm之範圍中或係彼範圍內之任何值或值範圍之厚度。在某些實施例中，側壁間隔件4-190可具有大致10nm之厚度。用於形成側壁間隔件4-190之適合材料之實例包含Al2O3、TiO2、TiN、TiON、TaN、Ta2O5、 Zr2O5、Nb2O5及HfO2。在某些實施例中，側壁間隔件4-190包含TiN，此可由於TiN之折射率而提供發射能量朝向感測器之所要方向性位準。在某些實施例中，側壁間隔件4-190可經組態以阻擋所散射光，因此減少可照射樣本4-191之所散射光量。
在某些實施例中，樣本井結構接近於波導4-102可具有缺乏側壁上之間隔件材料之一部分。底部表面(諸如圖4-1中所展示之表面4-112)與側壁間隔件4-190之間的距離可在10nm至50nm之範圍中，或係彼範圍內之任何值或值範圍。此組態可允許更靠近於波導4-102定位樣本井之表面4-112，此可改良激發能量自波導4-102至樣本井4-108之耦合且減少(若干)金屬層4-122對沿著波導4-102傳播之激發能量之光學損耗的影響。
E.波導
可使用激發源來以所要波長(例如，532nm)產生激發能量。可使用一或多個波導將該激發能量提供至個別樣本。該(等)波導可經組態以(舉例而言)經由漸消耦合將該激發能量之一部分耦合至個別樣本。在某些實施例中，該等樣本井可配置成列及行，且個別波導可經組態以將激發能量遞送至對應列或行之樣本井。在某些實施例中，該波導可經組態以在列或行中之樣本井當中實質上均勻地提供(例如，具有小於10%之強度變化)激發能量。為提供樣本井之此均勻照射，波導可經組態以關於樣本井具有沿著列或行之長度而變化之耦合係數。因此，相對於波導定位之個別樣本井可接收沿著波導傳播之激發能量之分率。當沿著波導傳播之激發能量因與樣本井之連續耦合而耗盡時，耦合係數可逐漸地增加以在與波導耦合之樣本井當中提供實質上均勻量之激發能量。為提供此等空間相依耦合係數，可使用波導之漸縮。「漸縮體」可係指具有沿著其長度變化之尺寸(例 如，寬度)之波導。漸縮體可經組態以逐漸地將所支援光學模式進一步擴展至周圍區域(例如，包覆層)中。透過波導之此漸縮，耦合係數可沿著波導之傳播軸線增加。
(若干)波導可進一步經組態以有效地將激發能量耦合至樣本井同時減少光學損耗。由於樣本井可接近於金屬層安置，因此在波導中導引之激發能量可由於金屬散射及/或金屬吸收而經歷光學損耗。為減少由(若干)金屬層導致之光學損耗，波導可經組態以提供模式拘限使得減少模式相對於金屬層之空間重疊。該模式拘限可經選擇以提供與樣本井之所要重疊同時減少與(若干)金屬層之相互作用。
波導可由在激發能量之波長下透明(例如，具有小於2dB/cm之傳播損耗)之材料製作。舉例而言，氮化矽可用作用於導引激發能量之材料。
在某些實施例中，通道波導可用於將激發能量提供至整合式裝置之樣本井。在圖1-4中展示適合通道波導之實例。整合式裝置之通道波導可相對於樣本井之列或行定位以允許沿著該列或行將激發能量耦合至一或多個樣本井。
在某些實施例中，肋狀波導及/或脊狀波導可用於將激發能量提供至樣本井。肋狀波導或脊狀波導可包括稱為「板條」之第一層及稱為「凸起區域」之第二層。該凸起區域相對於該板條之位置可判定光學模式之位置。板條及凸起區域之厚度可經組態以提供所要光學分佈型。舉例而言，可期望具有光學模式分佈型使得漸消場與樣本重疊同時減少與(若干)金屬層之相互作用。圖4-2A係根據某些非限制性實施例之例示性波導之剖面圖。波導4-200(亦在本文中稱為「肋狀波導」)可包括板條4-202及凸起區域4-204。波導4-200可經組態以在所要波長下支援至少一個光學模式。在 某些實施例中，波導4-200可支援單個光學模式，例如，TE0模式。該凸起區域可具有在某些實施例中介於100nm與4μm之間的寬度WRR及在某些實施例中介於50nm與500nm之間的厚度TRR。在某些實施例中，TRR介於100nm與200nm之間。板條4-202可具有介於50nm與500nm之間的厚度TS。在某些實施例中，TS介於150nm與250nm之間。在某些實施例中，板條4-202可在複數個波導4-200當中共享，使得複數個凸起區域4-204安置於板條4-202上。此等凸起區域可沿著y軸分開足夠大以減少板條之間的相互光學耦合之距離。舉例而言，板條4-202可延伸以在多個樣本井當中重疊且凸起區域4-204可與樣本井之個別列或行重疊。另一選擇係，個別波導可包括單獨板條。圖4-2B係根據某些非限制性實施例之另一例示性波導之剖面圖。波導4-250(亦在本文中稱為「脊狀波導」)可包括板條4-252及凸起區域4-254。凸起區域4-254可具有在某些實施例中介於100nm與4μm之間的寬度WRR及在某些實施例中介於50nm與500nm之間的厚度TRR。在某些實施例中，TRR介於100nm與200nm之間。板條4-252可具有介於50nm與500nm之間的厚度TS。在某些實施例中，TS介於150nm與250nm之間。在某些實施例中，板條4-252可具有介於500nm與5μm之間的寬度Ws。
波導4-200及4-250可包括底部包覆層4-208及頂部包覆層4-206。該底部包覆層及該頂部包覆層可由具有低於凸起區域4-204及4-254之折射率之折射率之材料形成。在某些實施例中，該底部包覆層及該頂部包覆層可包括氧化矽。比率TRR/TS可經選擇以獲得所要位準之光學拘限。舉例而言，此比率可經選擇使得波導之光學模式經歷由(若干)金屬層引起之經減少光學損耗同時亦提供至樣本井之所要位準之耦合。與波導4-250相比較 需要較少製作步驟，波導4-200在某些實施例中可係較佳的。在其他實施例中，波導4-250可由於其與波導4-200相比較提供至其他波導之較低程度之耦合而係較佳的。
在某些實施例中，波導之板條及/或波導之凸起區域可包括一個以上層。圖4-2C圖解說明肋狀波導，該肋狀波導具有包括層4-282及4-283之板條。層4-282及4-283可由不同材料形成。層4-282之厚度與板條之厚度之比率可介於5%與95%之間。在某些實施例中，層4-282可包括氮化矽且層4-283可包括蝕刻停止材料或端點材料，此可輔助波導之凸起區域之製作。另一選擇係或另外，波導之凸起區域可包括複數個層，諸如層4-284及4-285。層4-284及4-285可由不同材料形成。層4-284之厚度與板條之厚度之比率可介於5%與95%之間。在某些實施例中，層4-284及4-285可各自包括不同介電材料(例如，氮化矽、氧化鋁)。
本文中所闡述之類型之波導可與樣本井對應地經安置，如圖4-1中所圖解說明。舉例而言，波導可以使得沿著波導傳播之光學模式可漸消地耦合至樣本井之方式定位。在某些實施例中，其中安置有樣本之樣本井之表面可與波導之表面接觸地經放置。在其他實施例中，可分開此等表面。在又其他實施例中，其上安置有樣本的樣本井之表面可放置在波導內。
圖4-3A圖至4-3C係圖解說明三種不同耦合組態之剖面圖。根據耦合組態4-300A，波導4-301可與樣本井4-312之底部表面分開距離hW。波導4-301可使用波導4-200、4-250或4-280來實施。儘管波導4-301經展示為具有脊部，但應瞭解，可用任何適合類型之波導來實施此等耦合組態。在某些實施例中，波導4-301可係通道波導，諸如圖1-4中所展示之通道波導。波導4-301可與金屬層4-310分開大於hW之距離hM。金屬層4-310可包 含為圖4-1之(若干)金屬層4-122，且樣本井4-312可用作圖4-1之樣本井4-108。距離hW可經組態以提供所要程度之光學耦合。舉例而言，hW可在某些實施例中介於50nm與500nm之間，或在某些實施例中介於100nm與200nm之間。距離hM可經組態以限制由金屬層4-310導致之光學損耗。舉例而言，hM可在某些實施例中介於200nm與2μm之間，或在某些實施例中介於350nm與650nm之間。
根據耦合組態4-300B，樣本井4-312之底部表面可安置在波導4-301內。與圖4-3A中所圖解說明之組態相比較，此組態可針對樣本井導致更大耦合係數。然而，光學損耗可在此組態中由於接近於金屬層4-310或由樣本井穿透至波導中導致之散射損耗而更大。
根據耦合組態4-300C，樣本井4-312之底部表面可與波導4-301之表面接觸地經安置。可(舉例而言)藉由使用波導4-301之表面作為蝕刻停止來形成樣本井4-312而獲得該組態。與圖4-3A中所圖解說明之組態相比較，此組態可針對樣本井導致更大耦合係數。然而，由金屬層4-310接近於波導導致之光學損耗在此組態中可更大。
圖4-4A至圖4-4C係分別圖解說明耦合組態4-300A、4-300B及4-300C之剖視立面圖。如所圖解說明，整合式裝置可包括複數個樣本井4-312。波導4-301可經組態以將激發能量提供至個別樣本井。
如上文所闡述，本文中所闡述之類型之波導可經組態以支援至少一個光學模式。如本文中所定義，「光學模式」或僅僅「模式」係指與特定波導相關聯之電磁場之分佈型。該光學模式可沿著波導傳播激發能量。該光學模式可經組態以漸消地耦合至樣本井，因此激發安置於其中之樣本。作為回應，樣本可發出發射能量。同時，光學模式可經組態以限制與形成 於裝置之表面處之(若干)金屬層相關聯之光學損耗。圖4-5係圖解說明根據某些非限制性實施例之例示性光學模式之剖面圖。具體而言，圖4-5展示圖解說明沿著波導傳播之光學模式之剖面圖之熱圖(色彩熱圖之黑白轉換)。如所圖解說明，光學模式可展現與波導4-301之區域對應之最大值4-508，且可漸消地延伸至環繞波導之區域(例如，頂部及底部包覆層)中。在某些實施例中，光學模式可包括可耦合至樣本井4-312之漸消場4-510。在頂部包覆層與金屬層之間的介面處之模式之強度相對於最大值4-508可係實質上小的(例如，小於5%)。
在某些實施例中，整合式裝置可經組態而以實質上均勻強度(例如，具有小於10%之變化)激發個別樣本。跨越樣本具有實質上均勻激發可改良由樣本發射之發射能量在感測器之動態範圍內之可能性。光學波導(包含根據本文中所闡述之技術之光學波導)可經組態以將光學耦合提供至樣本井(沿著其長度變化)以便跨越位於樣本井內之樣本提供實質上均勻激發。根據某些非限制性實施例，波導之寬度可沿著波導之長度變化，因此提供位置相依模式分佈型。在某些實施例中，可實施具有沿著波導之長度變化之一或多個尺寸之波導。舉例而言，根據某些實施例之裝置可包含具有沿著波導之長度變化之漸縮寬度之波導。圖4-6係圖解說明漸縮波導及複數個樣本井之俯視圖。該漸縮波導可具有板條4-602及凸起區域4-604。波導之漸縮體可沿著x軸延伸，且可經組態以漸消地耦合至樣本井4-312A、4-312B、4-312C、4-312D及4-312E中之每一者。雖然圖4-6圖解說明具有五個樣本井之整合式裝置，但可使用任何其他適合數目個井。凸起區域之寬度可根據任何適合函數(諸如以指數方式、以對數方式、以線性方式、以平方方式、以立方方式或其任何適合組合)變化。圖4-6中所圖解 說明之波導之漸縮體可經組態以自左手側接收激發能量(諸如透過入射至光學耦合至波導之光柵耦合器之激發能量)，且支援一或多個光學模式自左至右之傳播。凸起區域可具有在x=x1處之第一寬度WRRIN及在x=x2處之第二寬度WRROUT。在某些實施例中，WRROUT可大於WRRIN。以此方式，漸縮體相對於樣本井4-312A之耦合係數低於漸縮體相對於樣本井4-312B之耦合係數，漸縮體相對於樣本井4-312B之耦合係數低於漸縮體相對於樣本井4-312C之耦合係數等。由於沿著波導傳播之激發能量由於與樣本井之耦合及/或光學損耗而減小，因此具有沿著波導之長度增加之耦合係數可允許樣本接收實質上均勻激發能量。
對於通道波導，耦合係數可針對經減小波導寬度而增加。因此，漸縮通道波導之寬度將沿著傳播方向減小以增加耦合係數且提供對光學損耗之補償。在某些實施例中，通道波導可具有一漸縮體，該漸縮體在漸縮體之開始處具有在600nm至1500nm之範圍中或係彼範圍中之任何值或值範圍之尺寸且在漸縮體之端處具有在200nm至500nm之範圍中或係彼範圍中之任何值或值範圍之尺寸。
對於肋狀波導及脊狀波導，耦合係數可隨凸起區域之寬度WRR增加而增加。因此，漸縮肋狀/脊狀波導之WRR可沿著傳播方向增加以增加耦合係數且提供對光學損耗之補償。在某些實施例中，WRRIN可在介於150nm與500nm之間的範圍中，或係彼範圍中之任何值或值範圍。在某些實施例中，WRROUT可介於100nm與200nm之間，或係彼範圍中之任何值或值範圍。圖4-7係圖解說明電場在對應於樣本之位置處經量測為凸起區域4-604之寬度之函數之圖表。如所圖解說明，隨著凸起區域之寬度增加，在對應於樣本之位置處之電場增加，此歸因於光學模式進一步延伸至周圍 區域中之事實。
本文中所闡述之類型之波導可經組態以限制與接近於(若干)金屬層相關聯之光學損耗。在某些實施例中，波導可具有(舉例而言)增強漸消場之衰變速率之組態。與具有矩形剖面之通道波導相比較，脊狀或肋狀波導可展現漸消場之更大衰變速率。圖4-8係圖解說明與具有矩形剖面之通道波導相關聯之光學模式分佈型和與肋狀波導相關聯之光學模式分佈型之間的比較之圖表。圖表4-800圖解說明模式強度作為沿著z軸(傳播軸線)之位置之函數。在所圖解說明之實例中，樣本位於線4-809與4-810之間，其中線4-809係對應於樣本井之底部的沿著z軸之位置，且線4-810係對應於包覆層4-118與(若干)金屬層4-122之間的介面4-127的沿著z軸之位置。模式強度4-801表示與肋狀波導(諸如肋狀波導4-200)相關聯之模式分佈型，且模式強度4-802表示與矩形通道波導相關聯之模式分佈型。雖然兩個波導可經組態以在樣本之位置處展現實質上類似模式強度，但肋狀波導可在漸消部分中展現較大衰變速率，因此在介面4-127處提供較低強度。以此方式，可限制由金屬層4-122導致之光學損耗。
某些實施例係關於具有經組態以支援多個模式之一或多個波導之整合式裝置。此多模波導之兩個或兩個以上模式可透過模式之干擾以其中激發能量之功率分佈在垂直於沿著多模波導之光傳播方向的方向上變化之方式組合。功率分佈之變化可包含沿著光傳播方向之區域，其中功率分佈在垂直於光傳播方向之一或多個方向上比在其他區域中寬。在某些實施例中，功率分佈可在接近於樣本井之多模波導之區域中在朝向樣本井之方向上加寬。激發能量之功率分佈之加寬可改良激發能量至樣本井之耦合。在某些實施例中，功率分佈可在多模波導之不與樣本井重疊之區域中沿著該 方向減小。功率分佈之減小可藉由減少延伸至波導外側之激發能量之量而減少激發能量之光學損耗。在某些實施例中，兩個或兩個以上模式可相互干擾從而以特性拍長拍振。特性拍長可取決於由多模波導組合之模式類型。在某些實施例中，特性拍長可實質上類似於整合式裝置之相鄰樣本井之間的距離。該多模波導可經組態以支援任何適合數目個模式(例如，2、3、4)、模式類型(例如，TE、TM)及/或模式階數(例如，一階、三階)。在某些實施例中，多模波導組合激發能量之一階TE模式與三階TE模式。
圖5-1A圖解說明經組態以支援多個模式之例示性波導結構之平面圖。該波導結構包含單模區域5-110、多模區域5-136及模式耦合器5-120。單模區域5-110經組態以支援具有單模之光之傳播且將光耦合至模式耦合器5-120中。模式耦合器5-120經組態以接收具有單模之光且將光耦合至多模區域5-136中，多模區域5-136經組態以支援兩個或兩個以上光模式。樣本井5-108a、5-108b及5-108c位於平行於波導結構之xy平面中使得其與多模區域5-136重疊。樣本井5-108a、5-108b及5-108c沿著波導結構之光傳播方向(如圖5-1A中所展示之x方向)分開一尺寸Ds。該尺寸Ds可大致係由多模區域5-136支援之多模干擾之特性拍長。圖5-1B係功率分佈沿著多模區域5-136在平行於圖5-1B中所展示之平面之xy平面中(上部圖表)且在垂直於圖5-1B中所展示之平面之zx平面中(下部圖表)之熱圖(色彩熱圖之黑白轉換)。樣本井5-108a、5-108b及5-108c之位置由雙平行線展示且分開尺寸Ds，尺寸Ds大致係一階TE模式與三階TE模式之組合之特性拍長。如圖5-1B中所展示，功率分佈在多模區域5-136之與樣本井中之每一者重疊之區域中在朝向樣本井之方向上(沿著z方向)加寬，如下部圖表中所展示，且沿著此方向在多模區域5-136之在相鄰樣本井之間的區域中減 小。如上部圖表中所展示，相反趨勢發生在xy平面中，其中功率分佈在與樣本井重疊之區域處較窄且在相鄰樣本井之間的區域中較寬。
IV.製作技術
本文中所闡述之類型之整合式裝置之形成可使用各種製作技術，可在標準半導體鑄造廠內執行該等製作技術中之某些製作技術。在某些實施例中，可使用習用互補金屬氧化物半導體(CMOS)製作技術。舉例而言，可使用以下製作技術中之至少某些製作技術：光微影、濕式蝕刻、乾式蝕刻，平坦化、金屬沈積、化學汽相沈積、原子層沈積、氧化、退火、磊晶生長、離子植入、擴散、線接合、覆晶接合等。
整合式裝置之形成可包含複數個光微影程序步驟。每一光微影程序步驟可包括：透過光遮罩曝露於紫外線(UV)光；用以在光蝕劑中形成浮雕影像之顯影程序；及用以將光蝕劑浮雕影像轉印至至少一個下伏層中之蝕刻程序。該光遮罩可係正性的或負性的，且可根據所要組態來圖案化。舉例而言，可使用一或多個光微影程序步驟來形成在此處所闡述之類型之波導。另外，可使用一或多個光微影程序步驟來形成在此處所闡述之類型之樣本井。
可使用各種不同程序執行諸如波導4-200之肋狀波導之製作。不管所利用之特定程序如何，製作可包括用以形成凸起區域之光微影程序步驟。因此，在曝露於UV光及浮雕影像之隨後顯影之後，可執行部分蝕刻程序以形成凸起區域同時保持板條之至少一部分。
在某些實施例中，整合式裝置之形成可包含經定時蝕刻程序。可使用該經定時蝕刻程序來形成肋狀波導。蝕刻程序之持續時間可經選擇以便自板條移除所要量之介電材料。因此，基於經定時蝕刻程序之持續時間， 可定義所要比率TRR/Ts。基於經定時蝕刻程序而形成肋狀波導可利用光微影製作步驟。圖6-1A至圖6-1D圖解說明根據某些非限制性實施例之使用經定時蝕刻製作肋狀波導之方法。在圖6-1A中所圖解說明之製作步驟中，可提供諸如矽基板之基板。該基板可包括底部介電層6-101，諸如氧化矽層。可使用化學機械平坦化(CMP)程序將介電層6-101平坦化。該基板可進一步包括介電膜6-102。在某些實施例中，介電膜6-102可包括氮化矽。在某些實施例中，該介電膜之厚度可介於90nm與500nm之間。
在圖6-1B中所圖解說明之製作步驟中，可將光蝕劑層6-103沈積在介電膜上。可使用光微影程序步驟圖案化該光蝕劑層以形成所要形狀。該光蝕劑可係正性的或負性的。
在圖6-1C中所圖解說明之製作步驟中，可執行經定時蝕刻程序以形成凸起區域6-104。此程序可蝕刻介電膜之表面之未被光蝕劑覆蓋之區域。蝕刻程序之持續時間可經選擇以便提供板條之厚度與凸起區域之厚度之間的所要比率。舉例而言，持續時間可經選擇以蝕刻介電膜之介於5%與95%之間的分率。該蝕刻程序可係乾式的或濕式的。在形成凸起區域之後，可剝離光蝕劑層。
在圖6-1D中所圖解說明之製作步驟中，可起因於經定時蝕刻程序而在凸起區域6-104上生長或沈積頂部介電層6-105。頂部介電層可包括氧化矽。可使用CMP程序將該頂部介電層平坦化。圖6-1D中所圖解說明之波導可用作圖4-2A之波導4-200。
某些實施例係關於技術用以製作本文中所闡述之類型之肋狀波導之另一技術。與圖6-1A至圖6-1D中所圖解說明之製作程序不同，此技術可利用蝕刻停止層來界定凸起區域之厚度。與經定時蝕刻處理相比較，蝕刻 停止之使用可允許對厚度之更準確控制，此可導致對光學模式分佈型之更準確控制。作為消極面，此技術可導致波導具有在凸起區域與板條之間的蝕刻停止材料層。此蝕刻停止材料可具有大於介電膜之吸收係數之吸收係數，且因此可導致光學模式經歷光學損耗。此製作技術亦可利用光微影製作步驟來形成凸起區域。
圖6-2A至圖6-2D圖解說明根據某些非限制性實施例之製作肋狀波導之方法。在圖6-2A中所圖解說明之製作步驟中，可提供諸如矽基板之基板。該基板可包括底部介電層6-201，諸如氧化矽層。可使用化學機械平坦化(CMP)程序將介電層6-201平坦化。該基板可進一步包括在某些實施例中可包括氮化矽之第一介電膜6-202。該基板可進一步包括安置在第一介電膜上之蝕刻停止層6-203。該基板可進一步包括安置在該蝕刻停止層上之第二介電膜6-204。該第二介電膜可由與第一介電膜相同之材料形成，或另一選擇係由不同材料形成。該第一介電膜及該第二介電膜之厚度可經組態以提供所要比率TRR/TS。在某些實施例中，該第一介電膜之厚度介於100nm與300nm之間。在某些實施例中，該第二介電膜之厚度介於100nm與200nm之間。
在圖6-2B中所圖解說明之製作步驟中，可在第二介電膜上沈積光蝕劑層6-205。可使用光微影程序步驟來圖案化光蝕劑層以形成所要形狀。該光蝕劑可係正性的或負性的。
在圖6-2C中所圖解說明之製作步驟中，可執行蝕刻程序以形成凸起區域6-206。此程序可蝕刻介電膜之表面之未被光蝕劑覆蓋之區域。該蝕刻程序可繼續直至蝕刻停止層之至少一部分露出為止。該蝕刻程序可係乾式的或濕式的。在形成凸起區域之後，可剝離光蝕劑層。
在圖6-2D中所圖解說明之製作步驟中，可在凸起區域6-206上生長或沈積頂部介電層6-207。該頂部介電層可包括氧化矽。可使用CMP程序將該頂部介電層平坦化。圖6-2D中所圖解說明之波導可用作圖4-2A之波導4-200。
某些實施例係關於用以製作本文中所闡述之類型之肋狀波導之再一技術。此製作技術可利用端點層。根據一個此類技術，貫穿蝕刻程序之持續時間可使光朝向基板之表面照耀。可在蝕刻程序期間感測所反射光。當至少部分地露出端點層時，所反射光可展現可辨識圖案，諸如偏振圖案及/或干擾圖案及/或高於或低於預定臨限值之光學強度。當感測到可辨識圖案時，可阻止蝕刻程序。以此方式，可精細地控制經蝕刻區域之厚度。類似於圖6-2A至圖6-2D中所圖解說明之製作技術，此技術可利用光微影程序步驟來形成肋狀波導之凸起區域。根據另一類型之端點層，可在蝕刻期間監測蝕刻電漿之光學發射光譜。此光學發射光譜含有表示電漿之組合物之強度峰值，電漿又表示正在經蝕刻之材料。以此方式，判定端點材料層首先曝露至電漿之時間或端點材料層已經蝕除之時間可係可能的。
圖6-3A至圖6-3D圖解說明根據某些非限制性實施例之製作肋狀波導之方法。在圖6-3A中所圖解說明之製作步驟中，可提供諸如矽基板之基板。該基板可包括底部介電層6-301，諸如氧化矽層。可使用化學機械平坦化(CMP)程序將介電層6-301平坦化。該基板可進一步包括第一介電膜6-302，第一介電膜6-302在某些實施例中可包括氮化矽。該基板可進一步包括安置在第一介電膜上之端點層6-303。該端點層可展現特定光學性質。舉例而言，其可展現大於介電膜之反射率之反射率。另一選擇係，其可展現具有特性發射波長之光學發射光譜。該基板可進一步包括安置在端 點層上之第二介電膜6-304。該第二介電膜可由與第一介電膜相同之材料形成，或另一選擇係由不同材料形成。第一介電膜及第二介電膜之厚度可經組態以提供所要比率TRR/Ts。在某些實施例中，該第一介電膜之厚度介於100nm與300nm之間。在某些實施例中，該第二介電膜之厚度介於80nm與200nm之間。
在圖6-3B中所圖解說明之製作步驟中，可將光蝕劑層6-305沈積在第二介電膜上。可使用光微影程序步驟圖案化該光蝕劑層以形成所要形狀。該光蝕劑可係正性的或負性的。
在圖6-3C中所圖解說明之製作步驟中，可執行蝕刻程序以形成凸起區域6-306，且可使光照耀在基板之表面上。此程序可蝕刻介電膜之表面之未由光蝕劑覆蓋之區域。該蝕刻程序可繼續直至端點層之至少一部分已露出為止。當端點層已露出時，由端點層6-303反射之光之接收可觸發經組態以阻止蝕刻程序之電路。在形成凸起區域之後，可剝離光蝕劑層。
在圖6-3D中所圖解說明之製作步驟中，可將頂部介電層6-307生長或沈積在凸起區域6-306上。該頂部介電層可包括氧化矽。可使用CMP程序將該頂部介電層平坦化。圖6-3D中所圖解說明之波導可用作圖4-2A之波導4-200。
本申請案之某些實施例係關於用於形成脊狀波導(諸如圖4-2B之波導4-250)之技術。脊狀波導之製作可包括用以形成肋狀波導之製作步驟中之某些製作步驟。此製作可利用結合圖6-1A至圖6-1D所闡述之技術、結合圖6-2A至圖6-2D所闡述之技術或結合圖6-3A至圖6-3D所闡述之技術。另外，可利用進一步蝕刻程序來完全地蝕刻在所要板條外側之區域中之介電膜以形成脊狀波導。
圖6-4A至圖6-4D圖解說明根據某些非限制性實施例之製作脊狀波導之方法。在圖6-4A中所圖解說明之製作步驟中，可提供肋狀波導。可使用上文所闡述之製作技術中之任何一者來獲得該肋狀波導。該肋狀波導可包括介電層6-401、板條6-402及凸起區域6-403。
在圖6-4B中所圖解說明之製作步驟中，可將光蝕劑層6-404沈積在介電膜上。可使用光微影程序步驟圖案化該光蝕劑層以形成所要形狀。該光蝕劑可係正性的或負性的。
在圖6-4C中所圖解說明之製作步驟中，可執行蝕刻程序以形成經蝕刻板條6-405。該蝕刻程序可繼續直至介電層6-401之至少一部分已露出為止。
在圖6-4D中所圖解說明之製作步驟中，可將頂部介電層6-406生長或沈積在凸起區域6-403上。該頂部介電層可包括氧化矽。可使用CMP程序將該頂部介電層平坦化。圖6-4D中所圖解說明之波導可用作圖4-2B之波導4-250。
V.總結
在如此闡述本申請案之技術之數個態樣及實施例之後，應瞭解，熟習此項技術者將容易地想到各種變更、修改及改良。此等變更、修改及改良意欲在本申請案中所闡釋之技術之精神及範疇內。因此，應理解，前述實施例僅係以實例方式呈現且在隨附申請專利範圍及其等效內容之範疇內，可不同於所具體闡述來實踐發明性實施例。另外，若兩個或兩個以上特徵、系統、物件、材料、套組及/或方法不相互矛盾，則此等特徵、系統、物件、材料、套組及/或方法之任何組合包含在本發明之範疇內。
而且，如所闡述，某些態樣可體現為一或多個方法。作為方法之一 部分實施之行動可以任一適合方式排序。因此，實施例可經構建，其中以不同於所圖解說明之次序執行行動，其可包含同時執行某些行動，即使在說明性實施例中經展示為依序行動。
如本文中所定義及使用之所有定義應理解為控制在辭典定義、以引用方式併入之文檔中之定義及/或所定義術語之普遍意義以內。
除非明確指示相反情形，否則如本文中在說明書中及在申請專利範圍中所使用之不定冠詞「一(a及an)」應理解為意指「至少一個」。
如本文中在說明書中及在申請專利範圍中所使用之片語「及/或」應理解為意指如此結合之元件中之「任一者或兩者」，亦即，在某些情形中以結合方式存在且在其他情形下以分離方式存在之元件。
如本文中在說明書中及在申請專利範圍中所使用，參考一或多個要素之清單之片語「至少一個」應理解為意指選自要素清單中之任一或多個要素之至少一個要素，但未必包含要素清單內具體列出之各自及每一要素中之至少一者，且不排除要素清單中之要素之任何組合。此定義亦允許可視情況存在除片語「至少一」所指之要素清單內特定識別之要素之外之要素，無論與特定識別之彼等要素相關還是不相關。
在申請專利範圍中以及在上文說明書中，所有過渡性片語(諸如「包括」、「包含」、「攜載」、「具有」、「含有」、「涉及」、「固持」、「由......構成」及諸如此類)應理解為係開放式，亦即，意指包括但不限於。過渡性片語「由......組成」及「基本上由......組成」應分別係封閉式或半封閉式過渡性片語。
2-200‧‧‧光柵耦合器
2-210‧‧‧光柵
2-220‧‧‧輸出波導
2-222a‧‧‧漸縮端
2-222b‧‧‧漸縮端
2-222c‧‧‧漸縮端
2-230‧‧‧側

Claims (24)

  1. 一種整合式裝置，其包括：複數個波導，其包括第一群組之波導和第二群組之波導，該第一群組具有比該第二群組少的波導；光柵耦合器，其具有光柵區域；複數個輸出波導，其經組態以與該光柵耦合器光學耦合，該複數個輸出波導係配置在該光柵區域之一側，該複數個輸出波導在該光柵區域之該側具有不同之寬度，其中該複數個輸出波導包含光學耦合至該第一群組之波導的第一輸出波導及光學耦合至該第二群組之波導的第二輸出波導，且其中該第一輸出波導定位在比該第二輸出波導更接近於該光柵區域之該側之邊緣且在該光柵區域之該側具有比該第二輸出波導小之寬度；及複數個光學分離器，其定位在該第一輸出波導及該第一群組之波導之間及該第二輸出波導及該第二群組之波導之間。
  2. 如請求項1之整合式裝置，其中該光柵區域包括實質上在與該整合式裝置之表面同平面之方向上定向之複數個光柵。
  3. 如請求項1或2之整合式裝置，其中該等複數個輸出波導包含第三輸出波導定位在比該第二輸出波導更接近於該光柵區域之該側之中心，且在該光柵區域之該側上具有比該第二輸出波導小之寬度。
  4. 如請求項1之整合式裝置，其中在該第二輸出波導與該第二群組之波導之間光學耦合的光學分離器之數目大於在該第一輸出波導與該第一群組之波導之間光學耦合的光學分離器之數目。
  5. 如請求項1或2之整合式裝置，其中該等複數個輸出波導及該等複數個光學分離器自該光柵區域徑向分佈。
  6. 如請求項1或2之整合式裝置，其中該等複數個波導中之個別波導係實質上垂直於該光柵區域中之光柵而配置。
  7. 如請求項1或2之整合式裝置，其中該等複數個光學分離器中之至少一者係定位在距該光柵耦合器小於1mm處。
  8. 如請求項1或2之整合式裝置，其中該等複數個波導中之個別波導在垂直於沿著該等複數個波導中之一者之光傳播方向之方向上具有漸縮尺寸，使得該漸縮尺寸在接近於該光柵耦合器之位置處比在遠端位置處小。
  9. 如請求項1或2之整合式裝置，其中該等複數個波導中之個別波導經定位以與複數個樣本井光學耦合。
  10. 如請求項9之整合式裝置，其中該等複數個波導中之至少一者在與該等複數個樣本井中之至少一個樣本井重疊之位置處具有第一厚度且在與該至少一個樣本井不重疊之位置處具有第二厚度，該第一厚度大於該第二厚 度。
  11. 如請求項9之整合式裝置，其中該等複數個樣本井中之至少一個樣本井之表面與該等複數個波導中之第一波導之表面接觸。
  12. 如請求項9之整合式裝置，其中該等複數個波導中之至少一者係多模波導，該多模波導經組態以支援複數個光學模式沿著該多模波導之傳播。
  13. 如請求項12之整合式裝置，其中沿著該多模波導之功率分佈在與該等複數個樣本井中之至少一個樣本井重疊之第一區域中比在與該第一區域分開之第二區域中寬。
  14. 如請求項9之整合式裝置，其中該等複數個波導中之個別波導經組態以支援具有自與該等複數個樣本井中之至少一個樣本井光學耦合之該等複數個波導中之一者延伸之漸消場之激發能量之傳播。
  15. 如請求項9之整合式裝置，其中該等複數個樣本井中之至少一個樣本井包括形成於該至少一個樣本井之側壁之至少一部分上之側壁間隔件。
  16. 如請求項9之整合式裝置，其中該整合式裝置進一步包括至少一個金屬層，且該等複數個樣本井中之至少一個樣本井之表面係自該至少一個金屬層凹陷。
  17. 如請求項9之整合式裝置，該整合式裝置進一步包括感測器，該感測器經組態以接收由該等複數個樣本井中之一者之光。
  18. 如請求項17之整合式裝置，其中該一個樣本井與該感測器之間的距離小於10微米。
  19. 如請求項9之整合式裝置，其中該整合式裝置進一步包括形成於該整合式裝置之表面上之金屬層，該金屬層具有與該複數個樣本井中之一者之孔隙重疊之開口。
  20. 如請求項9之整合式裝置，其中該等複數個波導中之第一波導經組態以與該等複數個樣本井之第一集合之一部分光學耦合；該等複數個波導中之第二波導經組態以與該等複數個樣本井之第二集合之一部分光學耦合；且其中該等複數個光學分離器之光學分離器係定位在樣本井之該第一集合與樣本井之該第二集合之間且經組態以光學耦合至該第一波導及該第二波導中之至少一者。
  21. 如請求項1或2之整合式裝置，其中該整合式裝置進一步包括經定位以接收傳遞穿過該光柵耦合器之激發能量之一或多個光偵測器。
  22. 如請求項1或2之整合式裝置，其中該整合式裝置進一步包括經定位以接收在接近於該光柵耦合器之區域中傳遞穿過之激發能量之一或多個光偵測器。
  23. 一種形成整合式裝置之方法，其包括：形成複數個波導，其包括第一群組之波導和第二群組之波導，該第一群組具有比該第二群組少的波導；形成具有光柵區域之光柵耦合器；形成複數個輸出波導，其經組態以與該光柵耦合器光學耦合，該複數個輸出波導係配置在該光柵區域之一側且在該光柵區域之該側具有不同之寬度，其包含光學耦合至該第一群組之波導的第一輸出波導及光學耦合至該第二群組之波導的第二輸出波導，其中該第一輸出波導定位在比該第二輸出波導更接近於該光柵區域之該側之邊緣且在該光柵區域之該側具有比該第二輸出波導小之寬度；及形成複數個光學分離器，其定位在該第一輸出波導及該第一群組之波導之間及該第二輸出波導及該第二群組之波導之間。
  24. 如請求項23之方法，其中形成該等複數個光學分離器進一步包括：光學耦合在該第二輸出波導與該第二群組之波導之間形成數個光學分離器，該等光學分離器之數目大於光學耦合在該第一輸出波導與該第一群組之波導之間之光學分離器之數目。
TW106144267A 2016-12-16 2017-12-15 光學耦合器及波導系統 TWI778993B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662435693P 2016-12-16 2016-12-16
US62/435,693 2016-12-16

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201831938A TW201831938A (zh) 2018-09-01
TWI778993B true TWI778993B (zh) 2022-10-01

Family

ID=60943149

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW106144267A TWI778993B (zh) 2016-12-16 2017-12-15 光學耦合器及波導系統

Country Status (11)

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

Families Citing this family (18)

* 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
CA3025431A1 (en) * 2016-06-01 2018-01-18 Quantum-Si Incorporated 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
TW202032125A (zh) 2018-11-15 2020-09-01 美商寬騰矽公司 用於蛋白質定序之方法及組合物
AU2020289796A1 (en) * 2019-06-28 2021-01-28 Illumina Cambridge Limited Flowcells with linear waveguides
JP2023510578A (ja) 2020-01-14 2023-03-14 クアンタム－エスアイ インコーポレイテッド 寿命およびスペクトル特性評価用センサ
JP2023510577A (ja) 2020-01-14 2023-03-14 クアンタム－エスアイ インコーポレイテッド 寿命特性評価のための集積センサ
US11378750B2 (en) * 2020-01-17 2022-07-05 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Germanium photodetector embedded in a multi-mode interferometer
WO2021178438A1 (en) 2020-03-02 2021-09-10 Quantum-Si Incorporated Integrated sensor for multi-dimensional signal analysis
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
KR20220165754A (ko) 2020-04-08 2022-12-15 퀀텀-에스아이 인코포레이티드 스큐가 감소된 통합 센서
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 (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200624795A (en) * 2005-01-06 2006-07-16 Univ Nat Taiwan Improved linear wave-guide type surface plasmon resonance micro sensor
US20120085894A1 (en) * 2008-09-16 2012-04-12 Pacific Biosciences Of California, Inc. Substrates and optical systems and methods of use thereof
TW201416061A (zh) * 2012-10-19 2014-05-01 Nat Univ Chung Cheng 雙面光柵波導生物感測器
US20160084761A1 (en) * 2014-08-08 2016-03-24 Quantum-Si Incorporated Integrated device with external light source for probing detecting and analyzing molecules
WO2016201387A1 (en) * 2015-06-12 2016-12-15 Pacific Biosciences Of California, Inc. Integrated target waveguide devices and systems for optical coupling

Family Cites Families (24)

* 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
US7175811B2 (en) * 2000-04-28 2007-02-13 Edgelight Biosciences Micro-array evanescent wave fluorescence detection device
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
US7833709B2 (en) * 2004-05-28 2010-11-16 Wafergen, Inc. Thermo-controllable chips for multiplex analyses
CA2588806A1 (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
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
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
EP2959283B1 (en) * 2013-02-22 2022-08-17 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
CN107615121B (zh) * 2015-03-16 2021-04-16 加利福尼亚太平洋生物科学股份有限公司 用于自由空间光耦合的集成装置及系统
JP2016197020A (ja) * 2015-04-02 2016-11-24 富士通株式会社 光センサ
MX2022001187A (es) * 2015-05-20 2023-01-04 Quantum Si Inc Método para determinar la secuencia de un ácido nucleico usando luminiscencia resuelta por tiempo.
KR20180009772A (ko) * 2015-05-20 2018-01-29 퀀텀-에스아이 인코포레이티드 펄스 레이저 및 바이오분석 시스템

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200624795A (en) * 2005-01-06 2006-07-16 Univ Nat Taiwan Improved linear wave-guide type surface plasmon resonance micro sensor
US20120085894A1 (en) * 2008-09-16 2012-04-12 Pacific Biosciences Of California, Inc. Substrates and optical systems and methods of use thereof
TW201416061A (zh) * 2012-10-19 2014-05-01 Nat Univ Chung Cheng 雙面光柵波導生物感測器
US20160084761A1 (en) * 2014-08-08 2016-03-24 Quantum-Si Incorporated Integrated device with external light source for probing detecting and analyzing molecules
WO2016201387A1 (en) * 2015-06-12 2016-12-15 Pacific Biosciences Of California, Inc. Integrated target waveguide devices and systems for optical coupling

Also Published As

Publication number Publication date
CN110088594B (zh) 2022-09-20
TW202323893A (zh) 2023-06-16
KR102574176B1 (ko) 2023-09-06
AU2023200860A1 (en) 2023-03-16
EP4141416A3 (en) 2023-06-07
JP7189874B2 (ja) 2022-12-14
JP2023039960A (ja) 2023-03-22
CN115327709A (zh) 2022-11-11
KR20190097163A (ko) 2019-08-20
AU2017377057B2 (en) 2022-11-17
CA3047122A1 (en) 2018-06-21
EP3555591A2 (en) 2019-10-23
CN110088594A (zh) 2019-08-02
WO2018112367A2 (en) 2018-06-21
US20180172906A1 (en) 2018-06-21
MX2019007070A (es) 2019-08-01
WO2018112367A3 (en) 2018-07-26
EP4141416A2 (en) 2023-03-01
JP2020515880A (ja) 2020-05-28
TW201831938A (zh) 2018-09-01
AU2017377057A1 (en) 2019-06-20
EP3555591B1 (en) 2022-07-06
BR112019012070A2 (pt) 2020-01-07
US20230258862A1 (en) 2023-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI778993B (zh) 光學耦合器及波導系統
US11422092B2 (en) Photonic structures and integrated device for detecting and analyzing molecules
US9784679B2 (en) Integrated device with external light source for probing detecting and analyzing molecules
US9863880B2 (en) Optical system and assay chip for probing, detecting and analyzing molecules
TW202102888A (zh) 具有提升之波束校準靈敏度之分割光柵耦合器
JP2023511550A (ja) 集積システムにおける励起光生成用パルスレーザー光源
US20210215606A1 (en) Waveguide excitation uniformity

Legal Events

Date Code Title Description
GD4A Issue of patent certificate for granted invention patent