具有提升的波束校准灵敏度的分割光栅耦合器的制作方法

具有提升的波束校准灵敏度的分割光栅耦合器
1.相关申请
2.本技术根据35 u.s.c.
§
119(e)要求于2019年6月14日提出申请的标题为“sliced grating coupler with increased beam alignment sensitivity”的美国临时申请案第62/861,832号的优先权，该申请的全文以引用方式并入本文中。
技术领域
3.本技术涉及借助一个或多个光栅将辐射耦合到多个光学波导中。


背景技术：

4.在光学仪器和集成光学装置的领域中，可以将光学辐射递送到芯片上的多个离散位点。对于通信装置或分析装置，可以将光学辐射递送到形成于芯片上的多个波导，该波导可以将光学辐射输送到芯片上的一个或多个位点(例如，用于信号处理或用于样本探测)。将辐射递送到多个位点的一种方法是使用一个或多个光栅耦合器将来自入射波束的辐射耦合到多个波导中。


技术实现要素：

5.本发明阐述了关于将光学辐射耦合到形成于基板上的一个或多个波导中的设备及方法。在某些实施例中，一种光栅耦合器经图案化以具有到两个或更多个波导的偏移或交错入口，使得入口的偏移提供来自该波导的信号，该信号消除光学波束在朝向或远离入口的方向上在光栅耦合器上的运动。在某些实施例中，一种光栅耦合器经图案化以具有相邻于到两个或更多个波导的入口的不同光栅周期性的区域，使得变化的周期性提供来自波导的信号，该信号消除光学波束在光栅耦合器上的入射角的改变。在其他实施例中，入口的偏移和变化的仰俯可以在光栅耦合器中组合以消除光学波束在光栅耦合器上的运动和入射角的改变两者。对波束运动和入射角的消除可以改良光栅耦合器对入射波束的校准和失准的灵敏度。
6.某些实施例是关于一种集成装置，其包括：光栅，其安置在基板上且配置为将入射在光栅上的辐射耦合到安置在该基板上的多个光学波导中；到多个光学波导的第一接收区域的第一入口；以及到多个光学波导的第二接收区域的第二入口，其中，第二入口在垂直于光栅的线的第一方向上相对于第一入口偏移第一量。
7.某些实施例是关于一种将辐射耦合到形成于基板上的多个光学波导中的方法，该方法包括以下动作：在形成于基板上的光栅上接收一个或多个辐射波束；将来自一个或多个波束的辐射耦合到连接到多个光学波导的多个接收区域中；监测从多个光学波导的第一波导接收的第一辐射量；以及至少部分地基于所监测辐射量而判定一个或多个波束在垂直于该光栅的线的方向上是朝向还是远离第一波导的入口移动。
8.某些实施例是关于一种制造集成装置的方法。该方法可以包括以下动作：在基板上形成多个波导；在基板上形成跨越到多个波导的入口光栅；沿着光栅的参考线定位到多
个波导中的第一波导的第一入口；以及使到多个波导中的第二波导的第二入口从参考线偏移第一距离，其中，第一距离是在垂直于光栅的线的第一方向上。
9.某些实施例是关于一种集成装置，其包括：光栅，其被安置在基板上且被配置为将入射在光栅上的辐射耦合到安置在基板上的多个光学波导中；到多个光学波导的第一波导的第一入口；以及到多个光学波导的第二波导的第二入口，其中，相邻于第一入口定位的光栅的第一部分具有与相邻于第二入口定位的光栅的第二部分不同的周期性。
10.某些实施例是关于一种将辐射耦合到形成于基板上的多个光学波导中的方法，该方法包括以下动作：在光栅上接收一个或多个辐射波束；将来自一个或多个波束的辐射耦合到多个光学波导中；监测从多个光学波导的第一波导接收的信号；以及至少部分地基于从第一波导监测的信号判定光栅上的一个或多个波束的入射俯仰角是否在垂直于该光栅的线的方向上改变。
11.某些实施例是关于一种制造集成装置的方法。该方法可以包括以下动作：在基板上形成多个波导，每一波导具有相邻于光栅的入口；以及在基板上形成光栅以跨越到过个波导的入口，其中，相邻于到多个波导中的第一波导的第一入口定位的光栅的第一部分具有与相邻于到多个波导中的第二波导的第二入口定位的光栅的第二部分不同的周期性。
12.可结合附图依据以下说明更全面理解本发明教示的前述及其他方面、实施方式、动作、功能性、特征及实施例。
附图说明
13.本领域技术人员将理解，本文中所描述的图仅用于图解说明目的。应当理解，在某些示例中，本发明的各个方面可以展示为经扩大或放大，以促进对本发明的理解。在附图中，遍及各种图，相似参考字符一般而言是指相似特征、功能上类似和/或结构上类似的元件。附图不一定按比例绘制，而是，重点放在图解说明本教示的原理上。附图并非旨在以任何方式限制本发明教示的范围。
14.图1-1是根据某些实施例的描绘入射于光栅耦合器上的光学脉冲的透视图。
15.图1-2是根据某些实施例的描绘光栅耦合器的示例的平面图，该光栅耦合器被配置为将光学辐射耦合到多个波导中。
16.图1-3是根据某些实施例的光栅耦合器的立面图。
17.图2-1是根据某些实施例的对波束校准具有改良的灵敏度的示例光栅耦合器的平面图。
18.图2-2是根据某些实施例的对波束校准具有改良的灵敏度的示例光栅耦合器的平面图。
19.图2-3是根据某些实施例的对针对多个入射波束的波束校准具有改良的灵敏度的示例光栅耦合器的平面图。
20.图2-4描绘了根据某些实施例的从光栅耦合器的接收区域接收的信号的信号特性，该光栅耦合器对波束校准具有改良的灵敏度。
21.图3-1是根据某些实施例的对波束校准具有改良的灵敏度的示例光栅耦合器的平面图。
22.图3-2是根据某些实施例的对波束校准具有改良的灵敏度的示例光栅耦合器的平
面图。
23.图3-3描绘了根据某些实施例的从光栅耦合器的接收区域接收的信号的信号特性，该光栅耦合器对波束校准具有改良的灵敏度。
24.图3-4描绘了根据某些实施例的接收区域及对应光栅部分的示例。
25.图3-5是根据某些实施例的用于在光栅耦合器上对入射波束进行校准并维持校准的方法的流程图描述。
26.图4描绘了根据某些实施例的集成装置的部分的剖面透视图。
27.图5-1a是根据某些实施例的包括紧凑模式锁定激光模块的分析仪器的方框图描述。
28.图5-1b描绘了根据某些实施例的并入至分析仪器中的紧凑模式锁定激光模块。
29.图5-2描绘了根据某些实施例的光学脉冲列。
30.图5-3描绘了根据某些实施例的可以由脉冲式激光经由一个或多个波导光学激发的并行反应室的示例且进步一步展示每一室的对应检测器。
31.图5-4图解说明根据某些实施例的来自波导的反应室的光学激发。
32.图5-5描绘了根据某些实施例的集成反应室、光学波导和时间分级光检测器的进一步细节。
33.图5-6描绘了根据某些实施例的可以在反应室内发生的生物反应的示例。
34.图5-7描绘了具有不同衰减特性的两个不同荧光团的发射概率曲线。
35.图5-8描绘了根据某些实施例的对荧光发射的时间分级检测。
36.图5-9描绘了根据某些实施例的时间分级光检测器。
37.图5-10a描绘了根据某些实施例的来自反应室的荧光发射的脉冲激发和时间分级检测。
38.图5-10b描绘了根据某些实施例的在对分析物进行重复脉冲激发之后在各种时间分级格中的经累积荧光光子计数的直方图。
39.图5-11a至图5-11d描绘了根据某些实施例的可以对应于四个核苷酸(t、a、c、g)或核苷酸类似物的不同直方图。
40.依据下文在结合附图时所陈述的详细说明，本发明的特征和优点将变得更加显而易见。当参考附图描述实施例时，可以使用方向性参考(“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”、“左侧”、“右侧”、“水平”、“垂直”等)。这种参考仅旨在帮助读者以正常定向观看附图。这些方向性参考并非旨在描述所体现装置的特征的优选或唯一定向。可以使用其他定向来体现装置。
具体实施方式
41.i.光栅耦合器
42.光栅耦合器是用于将来自外部光学波束的光学辐射耦合到位于基板上的集成光学波导中的有用的集成光学装置。出于解释目的，图1-1示出了集成在基板1-105上的光栅耦合器1-100的示例。光栅耦合器1-100可以包括光学光栅1-110和具有入口1-111的光学波导的接收区域1-112。在所示示例中，光栅1-110被定位相邻于入口1-111，并且光栅耦合器1-100被配置为经由入口1-111将入射光学辐射(描绘为沿着波束的光轴1-101行进的光学
脉冲1-122的波束)重新引导并耦合到波导的接收区域1-112中。接收区域1-112可以连接到入口1-111下游的一个或多个波导，如图1-2中所示。对于图1-1的图解说明中方向性参考，选择坐标轴使得x及y方向平行于光栅耦合器形成于其上的基板1-105的顶部表面。然而，本发明并不限于笛卡尔坐标参考系的所示定向。其他参考系(极性、球形)和其他定向可以用于描述本发明。
43.当将组件描述为是在基板或层“上”或“上方”时，组件可以直接在基板或层上，或者在组件与基板或层之间可以存在一个或多个介入材料层和/或一个或多个介入组件。短语“直接在
……
上”用于指示组件与紧邻基板或层的直接实体接触。
44.图1-2是形成于基板1-105上的示例光栅耦合器1-100和波导1-213a、1-213b的部分的平面图。光栅耦合器1-100可以连接到第一波导1-213并且将辐射耦合到第一波导1-213中，第一波导可以连接到两个或更多个波导1-213a、1-213b。波导区段中的任一者可以是单横向模式或多模式波导。波导区段中的任一者可以包括由具有第一折射率的第一介电材料形成的波导芯及环绕或部分环绕该芯的一个或多个包覆层。一个或多个包覆层的折射率的值可以小于波导芯的折射率。
45.根据某些实施例，功率分配器1-225可以将从第一波导1-213接收的功率分配到两个所示波导1-213a、1-213b中。在某些实施方案中，可以将来自第一波导1-213的功率分配到不止两个波导中。在某些情形中，可以不使用功率分配器并且仅单个波导1-213可以从光栅耦合器1-100延伸。在某些情形中，波导1-213a、1-213b可以连接到额外功率分配器使得波导中的光学功率可以进一步分布到多个波导中。
46.功率分配器1-225的某些示例包括波导耦合器或波导分裂器，其中第一波导中的传播模式短暂地耦合到一个或多个相邻波导中的一个或多个传播模式。功率分配器1-225的其他实例包括干涉分裂器，例如马赫-任德干涉仪和多模式干涉耦合器。无论功率分配器1-225的类型和下游波导的数目如何，可通过选择功率分配器1-225的适合设计和分裂比在下游波导当中同等或不同等地分配来自第一波导1-213的功率。
47.图1-3描绘了根据一项实施例的粗略地对应于图1-1中所展示的结构的立面图。光学光栅1-110可以被图案化为第一材料中的线1-116，第一材料具有比相邻于光栅线的相邻材料1-310高(或在某些情形中低)的折射率。(图1-1中未展示相邻材料1-310。)在某些实施例中，光学光栅1-110被嵌入于一个或多个环绕材料中。举例而言，替代环绕光栅1-110的单个相邻材料1-310，可以在两个或更多个不同材料层之间形成光栅。光栅1-110的线(或齿)1-116可以由单个材料层形成(如图1-1中所示)，或者可以包括两个或更多个材料层(如图1-3中所示)。举例而言，第二材料1-312可以被放置在第一材料1-311上方且在形成线1-116时图案化。一个或多个第二材料层的添加可以改良光栅1-110的绕射效率。当使用两个或更多个层时，可以用于形成光栅线1-116的材料包含但不限于介电质(氧化物、氮化物)、半导体、金属和这些材料的组合。这些示例材料包含氧化硅、氧化钽、氧化铝、氮化硅、富氮氮化硅(例如，具有比si3n4的化学计量比多的氮化物)、硅、硅-锗、锗、铝、钨及聚合物材料。在一项示例实施例中，光栅1-110可以主要由富氮氮化硅形成并且环绕光栅的相邻材料1-310可以包括氧化硅。
48.环绕光学光栅1-110的一个或多个相邻材料1-310对将通过光学光栅1-110耦合到接收区域1-112中的光学辐射可以是光学透明的。优选地，一个或多个相邻材料1-310对将
耦合到波导中的光学辐射呈现低光学损耗。可以用于一个或多个相邻材料1-310的材料包含但不限于如上文所描述的氧化物、氮化物和聚合物。
49.根据某些实施例，光学光栅1-110可以具有介于200nm与800nm之间的周期性p。在其他实施例中，光栅1-110可以具有小于200nm或大于800nm的周期性p。光栅的负载循环(光栅线1-116在x方向上的宽度对周期性p的比率)可以介于20％与80％之间。根据某些实施例，光栅线1-116的厚度tg可以介于20nm与500nm之间。与耦合到单个入口1-111中相关联的光栅齿1-116的宽度wg可以介于50nm与500nm之间。根据某些实施例，相邻于入口1-111的光栅1-110的最后线1-116可以与入口1-111间隔相当于光栅线1-116之间的间隔的距离(如图1-1中所示)。在某些情形中，光栅1-110的最后线1-116可以与入口1-111间隔是光栅线1-116之间的整数个间隔或光栅线1-116之间的非整数个间隔的距离。
50.接收区域1-112和光学波导1-213可以在第一材料中被图案化，第一材料具有高于接收区域1-112和/或波导1-213的相邻材料1-310的折射率。在某些实施例中，接收区域1-112和光学波导1-213可以被嵌入在一个或多个环绕材料中。接收区域、波导和一个或多个环绕材料对由波导输送的辐射可以是光学透明的。优选地，接收区域1-112、波导1-213和一个或多个相邻材料1-310对由波导输送的光学辐射呈现低光学损耗(例如，小于1db/cm)。可以用于接收区域1-112、波导1-213、下游波导1-213a、1-213b的材料和一个或多个第二材料1-310包括但不限于如上文所描述的氧化物及氮化物。作为示例，波导1-213、接收区域1-112和下游波导1-213a、1-213b可以由氮化硅(或富氮氮化硅)形成并且一个或多个相邻材料1-310可以由氧化硅形成。
51.根据某些实施例，接收区域1-112可以是渐缩的，如图1-1的示例中所图示的。沿着渐缩区域，接收区域中的波导芯的宽度w
t
可以在x方向上在大小上减小，从而远离入口1-111移动，直到其在下游位置处匹配波导1-213的均匀部分中的芯的宽度w为止，如图1-2中所示。在其他实施例中，渐缩区域1-112中的波导芯的宽度w
t
可以在x方向上在大小上增加，从而远离入口1-111而移动，直到其匹配波导1-213的芯的均匀部分的宽度w为止。附加地或可替选地，接收区域1-112中的芯的厚度tw可以是渐缩的，从而在大小上改变，直到其匹配连接的波导1-213的芯的厚度为止。例如，当入射波束的横向大小(模式轮廓)显著不同于由波导1-213支持的光学模式(例如，基本模式大小)的大小时，使接收区域1-112中的芯的宽度和/或厚度渐缩可以改良光学辐射到接收区域和下游波导中的耦合效率。
52.根据某些实施例，波导1-213的均匀部分中的芯的宽度w可以介于200nm与800nm之间。波导1-213的均匀部分中的芯的厚度tw可以介于20nm与500nm之间。在某些实施方案中，选择波导芯的宽度和厚度使得波导1-213仅支持波导内的单横向光学模式(基本光学模式)。在某些情形中，波导1-113可以支持一个以上横向光学模式。渐缩接收区域1-112中的芯的宽度w
t
在某些情形中在入口1-111处可以小于200nm，或者在其他情形中在入口处可以大于800nm。在某些实施方案中，接收区域可以不是渐缩的。接收区域1-112的入口处的芯的厚度tw可以介于20nm与500nm之间。
53.可以使用平坦化的微制作技术来制作光栅1-110、接收区域1-112和波导1-213，例如在于2017年12月15日提出申请且标题为“optical coupler and waveguide system”的美国专利申请第15/844,403号中描述的那些技术，该申请的全文以引用方式并入本文中。这种微制作技术可以包括以下步骤：使用光罩和光微影技术在抗蚀剂中图案化光栅和波
导；以及使用例如各向异性反应性离子蚀刻的蚀刻程序在氧化物和/或氮化物层中蚀刻光栅和波导的图案。这种微制作技术也可以包括以下步骤：沉淀抗蚀剂和用于形成光栅耦合器的层；以及移除残余抗蚀剂和层的部分。
54.在操作中，光栅耦合器1-100可以将入射光学辐射绕射成远离入射波束的路径(其沿着光轴1-101前进)的一个或多个不同方向上。通过仔细设计光栅耦合器(例如，针对操作特性波长选择光栅1-110的合适间距p)和正确定向入射波束，大部分入射光学辐射可以从光栅1-100朝向入口1-111绕射并且基本上与接收区域1-112同轴。因此，大部分入射辐射可以耦合到接收区域1-112和下游波导1-213中。可以通过波束的位置和入射角来描述入射波束(在图1-1的示例中展示为脉冲1-122)的定向。举例而言，在某些情形中，波束在光栅1-110上的位置可以被描述为波束的中心(例如，光轴1-101)相对于光栅1-110的中心或入口1-111的中心的位置(在x和y方向上)。波束之入射角可以由第一入射角或俯仰角θi(例如，自z轴朝向x方向测量，围绕y轴旋转)和第二入射角或倾斜角φi(例如，自z轴朝向y方向测量，围绕x轴旋转)描述。波束在光栅1-110上的位置、俯仰角θi及倾斜角φi的改变可以改变入射波束到接收区域1-112和下游波导1-213中的耦合效率。
55.上文针对图1-1、图1-2和图1-3的光栅耦合器的实施例所描述的特征、材料和尺寸可以实施于在直接从光栅1-110耦合到一个以上接收区域的以下实施例中描述的光栅耦合器中。
56.发明人已经认识并了解到，一旦针对最高耦合效率将光学脉冲1-122的入射波束(或连续波入射波束)校准到光栅耦合器1-100，则当检测到耦合到接收区域1-112或下游波导中的功率降低时，知晓波束的定向已如何改变可以存在歧义或不确定性。举例而言，当针对关于入射波束在光栅1-110上的位置的最高耦合效率定向时，波束朝向入口1-111或远离入口1-111的运动在耦合效率上产生非常类似的特性减少。因此，通过检测下游波导中的功率降低，无法容易地判定入射波束是否已朝向或远离入口1-111移动。因此，因在波束的x方向上的运动存在歧义而使波束位置自动校正以维持高耦合效率复杂化。
57.类似结果在俯仰角θi的改变时发生。举例而言，在获得关于俯仰角的最高耦合效率之后，俯仰角的增加或减小在耦合效率上产生基本上相同的降低。因此，因在波束的θi方向上的运动存在歧义而使波束位置自动校正以维持高耦合效率进一步复杂化。
58.图2-1描绘了具有改良的波束校准灵敏度的光栅耦合器2-100的实施例，其中可以消除入射波束2-102在x方向上的移动方向(导致耦合效率降低)。该图解示出了光栅耦合器的平面图。在图示的实施例中，光栅耦合器2-100包括具有五个入口2-111a至2-111e的五个接收区域2-112a至2-112e，所述入口的一些在x方向上或在垂直或基本上垂直于光栅的线2-116的方向上相对于其他入口偏移。在某些实施方案中，可以存在少于或多于五个接收区域。对于某些应用，在光栅耦合器2-100中可以存在数十个或超过一百个接收区域和入口。为了简化图示，仅展示光栅线和波导的接收区域。光栅线2-116和波导的接收区域2-112a至2-112e可以连同环绕材料一起形成在基板1-105上，如上文结合图1-1至图1-3所描述的。
59.通过使用多个入口2-111a至2-111e，光栅耦合器2-100可以将来自高功率波束2-102的辐射直接耦合到多个波导中。(例如1/e2宽度的示例横向波束轮廓指示为虚线椭圆形。)直接耦合到多个波导中可以有利于避免损坏光学波导并且避免可以在较高功率下发生的不期望非线性光学行为。此外，入口2-111a至2-111e在y方向上的横向宽度w
t
可以被确
112d的两个波导的功率信号差异化可以增加检测输入波束2-102的运动的灵敏度。
64.图2-2描绘了具有改良的波束校准灵敏度的光栅耦合器2-200的另一个实施例。光栅耦合器2-200可以几乎与图2-1的光栅耦合器2-100相同，只是入口和接收区域2-112a至2-112e是在y方向上空间分离而不是邻接并且在他们的边缘处接触。光栅2-210可以包括经分离部分2-210a至2-210e，如图2-2中所示，或者可以形成为连续线2-116，如图2-1中所示。在y方向上将入口2-111a至2-111e和接收区域2-112a至2-112e分离可以导致降低的耦合效率，但可以通过降低直接邻接入口面的不连续性的效应来改良接收区域中的光学模式轮廓。光栅2-210和接收区域2-112a至2-112e可以连同环绕材料一起形成于基板1-105上，如上文结合图1-1至图1-3所描述的。
65.在某些应用中，可以期望将多个入射波束2-330耦合到多个集成波导中。图2-3示出了用于这种应用的具有改良的波束校准灵敏度的光栅耦合器2-300的另一个实施例。光栅耦合器2-300可以包括光栅2-310和相邻于光栅2-310的多个接收区域2-312a至2-312d。该光栅可以包括分离部分2-310a至2-310d，如图所示，或者可以形成为像图2-1中具有连续线2-116的光栅一样。接收区域2-312a至2-312d可以在y方向上分离，如图所示，或者可以彼此直接相邻而邻接。接收区域和入口中的至少一者可以在x方向上从参考线2-115偏移。根据某些实施方案，接收区域与入口的宽度可以是大约相同的。在某些实施例中，偏移光栅的接收区域和入口之宽度可以大于放置在参考线2-115上的入口的接收区域和入口的宽度(例如，以便在每一接收区域中获得相同量的功率)。
66.假如多个入射波束2-330作为单元一起而不是独立地移动，则多个入射波束2-330在x方向上的运动将产生耦合到偏移接收区域中的相同功率改变，如上文结合图2-1所描述的。举例而言，入射波束2-330在+x方向上的运动可以检测为连接到接收区域2-312b的波导的功率增加和连接到接收区域2-312c的波导的功率降低。而且，入射波束2-330在
–
x方向上的运动可以检测为连接到接收区域2-312b的波导的功率降低和连接到接收区域2-312c的波导的功率增加。光栅2-310和接收区域2-312至2-312e可以与环绕材料一起形成于基板1-105上，如上文结合图1-1至图1-3所描述。
67.图2-4绘制了对入射波束的x位置上的改变具有改良的灵敏度的光栅耦合器(例如图2-1中所示的耦合器)的模拟结果。第一曲线2-402示出了从具有放置在参考线2-115上的入口的接收区域2-112c接收的信号sc的改变。对于定位在参考x位置(任意设定为0微米)处的入射波束，获得到接收区域2-112c中的最高耦合效率。从第一曲线2-402可以看出，对于沿着x方向的波束位置的增加或减少，信号电平类似地改变。尽管曲线中存在不对称性，但差异可能很小且难以或不可能在实施的自动系统中可靠地辨别。举例而言，介于-20微米和20微米之间的每一个信号值并不唯一地识别波束位置。第二曲线2-404示出了从两个接收区域(其从参考线2-115偏移)接收的差信号s
d-sb的改变，如图2-1中所示。差信号展示波束位置从x≈-7微米到x≈+7的改变的连续增加，并且可以清楚地区分波束在
–
x方向上的运动与波束在+x方向上的运动。曲线中的非线性可以以电子方式进行校对及补偿。对于该模拟，两个接收区域偏移+5微米和-5微米，但本发明并不限于仅这些偏移值。在某些实施例中，可以使用较小或较大的偏移。
68.图3-1中描绘了具有改良的波束校准灵敏度的光栅耦合器3-100的另一个实施例。所示示例可以消除入射波束2-102的俯仰角θi(图1-1中所示)的改变。对于这种实施例，光
栅耦合器3-100可以包括具有多个部分3-110a至3-110e的光栅3-110，该多个部分中的至少两者具有不同或偏移光栅周期性(例如，p1、p2)。在某些实施方案中，接收区域3-112a至3-112e的入口可以沿着共同参考线2-115放置，该参考线可以是笔直或弯曲的，如上文所描述。光栅部分3-110a至3-110e和接收区域3-112a至3-112e可以在y方向上彼此直接邻接，如图所示，或者可一彼此分离(像图2-2中所描绘的那些一样)。在某些实施例中，光栅部分3-110a至3-110e和接收区域3-112a至3-112e可以被分离并且确定大小以便如图2-3中所描绘地将多个入射波束耦合到多个波导中。
69.光栅部分3-110a、3-110c、3-110e中的一个或多个可以具有相同光栅周期性p1，其可以是参考周期性。在某些情形中，大部分光栅部分3-110a、3-110c、3-110e可以具有相同参考光栅周期性p1。参考周期性可以是当入射波束2-102针对到对应接收区域的每一个中的最高耦合效率而定向时提供到对应接收区域(例如，接收区域3-112a、3-112c、3-112e)的每一个中的最高耦合效率的参考周期性。光栅部分3-110b中的至少一个可以具有与参考周期性p1不同的偏移周期性p2。偏移周期性可以导致到对应接收区域3-112b中的降低的耦合效率。在某些情形中，可以存在具有一个或多个额外偏移周期性p3的一个或多个额外光栅部分3-110d。光栅3-110和接收区域3-112a至3-112e可以连同环绕材料一起形成于基板1-105上，如上文结合图1-1至图1-3所描述。
70.对于具有参考周期性p1的光栅部分3-110a，入射波束的一部分的绕射可以基本上在y方向上(例如，直接到对应入口中)并且基本上与接收区域的芯同轴。入射波束在+θi方向上的间距改变将产生与在
–
θi方向上的间距改变基本上相同的功率降低行为(再次参考图1-1)。对于具有小于p1的周期性p2的光栅部分3-110b，入射波束的一部分的绕射可以主要在y方向上但是也可以部分地在
–
z方向上(不在纸张中)。这可能导致到接收区域3-112b中的降低的耦合效率。然而，入射波束在+θi方向上的间距改变将降低耦合到接收区域3-112b中的功率，而入射波束在
–
θi方向上的间距改变将增加耦合到接收区域3-112b中的功率。监测来自耦合到接收区域3-112b的波导的功率或强度然后可以消除入射波束2-102在
±
θi方向上的间距改变。
71.对于具有大于p1的周期性p3的光栅部分3-110d，可以获得与光栅部分3-110b的相反的行为。在周期性p3大于参考周期性p1的情况下，入射波束的部分的绕射可以主要在y方向上但也可以部分地在+z方向上(在该图的平面之中)。入射波束在+θi方向上的间距改变将增加耦合到接收区域3-112d中的功率，而入射波束在
–
θi方向上的间距改变将降低耦合到接收区域3-112d中的功率。将从接收区域3-112b、3-112d两者接收的信号差异化可以增加入射波束定向在
±
θi方向上的改变的检测灵敏度。
72.根据某些实施例，光栅周期性从参考周期性p1的偏移量可以介于参考周期性p1的0.1％与1％之间。对于某些可见光学组态，偏移光栅的周期性改变可以介于0.5nm与4nm之间，或介于大约0.5nm与大约4nm之间。
73.图3-2描绘了组合偏移接收区域3-212b、3-212d与偏移光栅周期性p2、p3的态样的光栅耦合器3-200的示例。光栅耦合器3-200可以包括光栅3-210，其包含具有参考周期性p1的光栅部分3-210b和具有一个或多个偏移周期性p2、p3的一个或多个额外部分3-210a、3-210c。光栅耦合器3-200可以进一步包括：一个或多个接收区域3-212a、3-212c、3-212e，其具有沿着参考线2-115定位的入口及具有在x方向上从参考线2-115偏移的入口的一个或多
个接收区域3-212b、3-212d。对于所示示例，从连接到接收区域3-212b和/或3-212d的波导检测的功率改变可以无歧义地指示光栅3-210上的入射波束位置在+x或
–
x方向上的运动。从连接到接收区域3-212a、3-212e的波导检测的功率改变可以无歧义地指示光栅3-210上的入射波束位置在+θi或
–
θi方向上的运动。
74.图3-3绘制了对入射波束的俯仰角θi的改变具有改良的灵敏度的光栅耦合器(例如图3-1中所示的耦合器)的模拟结果。第一曲线3-302示出了从相邻于具有参考周期性p1的光栅的接收区域3-112c接收的信号sc的改变。对于所选择的光栅设计和特性波长，针对-4.0度的入射俯仰角，获得到相邻于具有参考周期性的光栅部分的接收区域中的最高耦合效率。从第一曲线3-302可以看到，对于波束从成-4.0度的校准位置的入射俯仰角的增加或减小，信号电平基本上等同地改变。每个信号电平不唯一地识别波束的入射角。第二曲线3-304示出了从相邻于具有偏移周期性(p2《p1,p3》p1)的两个光栅部分的两个接收区域接收的差信号s
d-sb的改变。差信号在入射角的范围内基本上是线性的，并且可以清楚地指示俯仰角改变的方向。对于该模拟，偏移光栅周期性和参考光栅的周期性p1的差是+1nm和-1nm，尽管光栅周期性的偏移并不仅限于这些值。可以使用光栅周期性的较小或较大偏移。
75.尽管在图2-1至图3-2中所示的实施例中，光栅线和接收区域的入口被描绘为笔直的，但在某些实施方案中，光栅线和入口在实施例中的任一者中可以是弯曲的。图3-4示出了其中相邻于接收区域3-412的光栅3-410具有弯曲线3-416的示例。另外，接收区域3-412的入口3-411可以具有弯曲表面。弯曲光栅线3-416和/或弯曲入口3-411可以改良到接收区域3-412中的耦合效率。在某些情形中，附加地或可替选地，弯曲光栅线3-416和/或弯曲入口3-411可以改良接收区域3-412中的光学模式轮廓。
76.图3-5是说明用于在本发明实施例的光栅耦合器上对入射波束进行校准或维持校准的示例方法3-500的流程图。方法的动作中的某些或全部动作可以是自动的(例如，通过使用自动波束转向和定位仪器)。方法3-500可以包括首先在光栅耦合器2-100的光栅2-110上对入射波束2-102进行校准(动作3-510)的动作。校准的位置可以是提供到参考接收区域(例如，具有放置在参考线2-115上的入口2-111的接收区域和/或具有用于对应参考光栅周期性p1的入口的接收区域)中的最高或大约最高耦合效率的定向。在获得校准的定向之后，可以在x和/或θi方向上扫描波束定向以在一组未经校准定向内校对(动作3-520)传感器和信号电平。对于每个独立自由度，可以监测(动作3-530)校准信号电平。校准信号电平可以由整合在其上形成波导及光栅耦合器的基板上的一个或多个传感器监测。在某些实施方式中，传感器可以位于分析仪器的像素中，这将在下文进一步详细描述。自动系统可以测试信号电平增加(动作3-540)或减少(动作3-550)。如果检测到信号电平增加(例如，由在+x方向上的波束运动所导致)，则自动系统可以在
–
x方向上移动波束(动作3-545)，直到信号电平复原到本来校准的信号电平并恢复监测信号(动作3-530)为止。校准的信号电平可以是在自动校准系统的校对(动作3-520)期间判定的电压电平va，并且该系统可以被配置为接受在va的百分之几内的值范围作为指示校准。如果检测到信号电平减小(例如，由
–
x方向上的波束运动所导致)，则自动系统可以在+x方向上移动波束(动作3-555)，直到信号电平复原到校准的电平并恢复对信号进行监测(动作3-530)为止。根据某些实施例，可以使用电流计或步进马达来实施波束的运动以使光学组件在入射波束的路径中移动并且借此移动或改变入射波束的俯仰角。可以执行类似动作以用于检测波束俯仰角θi的改变并且将波束复原
到校准的定向。
77.前述实施例中所描述的光栅耦合器可以用于上文所提及的各种光学应用中。其中可以使用这种光栅耦合器的一个领域是关于分析芯片上的一个或多个样本(例如，芯片实验室应用)。用于分析样本的仪器继续改良并且可以并入微制作组件(例如，电子芯片、微流体芯片)，这可以帮助减小仪器的总体大小。待分析的样本可以包括空气(例如，感测有害气体泄漏、燃烧副产物或有毒化学成分)、水或其他可摄取液体、食品样本和自受试者(血液、尿液等)提取的生物样本。在某些情形中，可以期望具有用于分析样本的可携式手持仪器，使得技术人员或医疗人员可以容易地将仪器携载到可执行服务并且需要快速且准确地分析样本的现场。在临床环境中，桌上型大小仪器可以期望用于更复杂的样本分析，例如对人类基因或蛋白质的定序或执行全血细胞计数分析。
78.在高级分析仪器(例如描述于美国专利申请案第2015/0141267号和美国专利第9,617,594号中的那些仪器，其两者以引用的方式并入本文中)中，可弃式集成装置(出于简洁的目的，其可以被称为“晶片”和“可弃式芯片”)可以用于执行大规模并行样本分析。可弃式集成装置可以包括封装的生物光电芯片，其上可以存在具有用于一个样本或不同样本的并行分析的反应室的大量的像素。举例而言，生物光电芯片上具有反应室的像素的数目在某些情形中可以介于约10,000与约10,000,000之间并且在某些情形中可以介于100,000与约100,000,000之间。上文所描述的光栅耦合器和波导可以将光学辐射递送到该生物光电芯片上的像素中的每一个。在某些实施例中，可弃式芯片可以安装到高级分析仪器的容座中并且与仪器中的光学和电子组件连接。可弃式芯片可以容易地由使用者替换以用于每个新样本分析。
79.图4中示出了根据某些实施例的可弃式芯片的示例结构4-100。可弃式芯片结构4-100可以包括生物光电芯片4-110，其具有半导体基板4-105并且包括形成于基板上的多个像素4-140。在实施例中，可以存在列或行波导4-115，其将激发辐射提供到像素4-140的列或行。可以使用上文所描述的实施例的光栅耦合器将激发辐射耦合到波导中。举例而言，光栅耦合器可以形成于生物光电芯片4-110的表面上以将来自聚焦激光波束的激发辐射耦合到连接到多个波导4-115的一个或多个接收波导中。
80.可弃式芯片结构4-100可以进一步包括壁4-120，其围绕生物光电芯片4-110的像素区域形成。壁4-120可以是支撑生物光电芯片4-110的塑料或陶瓷壳体的部分。壁4-120可以形成至少一个储槽4-130，至少一个样本可以放置于其中且与生物光电芯片4-110的表面上的反应室1-130进行直接接触。举例而言，壁4-120可以防止储槽4-130中的样本流动到含有光学端口4-150和光栅耦合器的区域中。在某些实施例中，可弃式芯片结构4-100可进一步包括可弃式芯片的外部表面上的电触点和封装内的互连件，使得可以在生物光电芯片4-110上的电路与可弃式芯片安装到其中的仪器中的电路之间进行电连接。
81.ii.示例生物分析应用
82.描述示例生物分析应用，其中集成光栅耦合器可以用于高级分析仪器中。举例而言，本发明实施例的光栅耦合器可以用于改良自动维持入射波束与光栅耦合器的校准并且在一时间周期内在下游波导中维持恒定功率电平的能力。
83.当安装在仪器的容座中时，可弃式芯片4-100(像图4中所示的芯片一样)可以与高级分析仪器内的光学和电子设备进行光学和电子通信。该仪器可以包括用于外部界面的硬
件，使得可以将来自芯片的数据传递到外部网络。在实施例中，术语“光学”可以指紫外光、可见光、近红外光和短波全线飘红外光光谱频带。尽管可以对各种样本执行各种类型的分析，但以下解释描述基因定序并且至少部分地适用于蛋白质定序。然而，本发明并不限于被配置为用于基因或蛋白质定序的仪器。
84.在概述中并参考图5-1a，可携式高级分析仪器5-100可以包括一个或多个脉冲光源5-108，其作为可以替换模块安装在仪器5-100中或以其他方式耦合到仪器5-100。可携式分析仪器5-100可以包括光学耦合系统5-115和分析系统5-160。光学耦合系统5-115可以包括光学组件(例如，其可以不包括或包括来自以下组件当中的一个或一个以上组件：透镜、镜、光学滤光器、衰减器、波束转向组件、波束定形组件)的某一组合并且被配置为在分析系统5-160上操作和/或将来自脉冲光源5-108的输出光学脉冲5-122耦合到分析系统5-160。分析系统5-160可以包括多个组件，其被布置为将光学脉冲引导到至少一个反应室以供样本分析，从至少一个反应室接收一个或多个光学信号(例如，荧光、背向散射辐射)并且产生表示所接收光学信号的一个或多个电信号。在某些实施例中，分析系统5-160可以包括一个或多个光检测器并且也可以包括信号处理电子装置(例如，一个或多个微控制器、一个或多个场可程式化门阵列、一个或多个微处理器、一个或多个数位信号处理器、逻辑门等)，其被配置为处理来自光检测器的电信号。分析系统5-160也可以包括数据传输硬件，其被配置为将数据传输到外部装置(例如，仪器5-100可经由一个或多个数据通信链路连接到其网络上的一个或多个外部装置)并且从外部装置接收数据。在某些实施例中，分析系统5-160可以被配置为接收生物光电芯片5-140，其保持一个或多个待分析的样本。
85.图5-1b描绘了包括紧凑脉冲光源5-108的可携式分析仪器5-100的另一个详细示例。在该示例中，脉冲光源5-108包括紧凑被动模式锁定激光模块5-110。被动模式锁定激光可以自主产生光学脉冲，而无需施加外部脉冲信号。在某些实施方式中，模块可以安装到仪器机架或框架5-102，并且可以位于仪器之外部壳体内部。根据某些实施例，脉冲光源5-108可以包括可用于操作光源并对来自光源5-108的输出波束进行操作的额外组件。模式锁定激光5-110可以包括在激光腔中或耦合到激光腔的元件(例如，饱和吸收体、声光调变器、kerr透镜)，此诱发激光的纵向频率模式的相位锁定。激光腔可以部分地由腔端镜5-111、5-119界定。频率模式的这种锁定导致激光的脉冲操作(例如，腔内脉冲5-120在腔端镜之间来回反弹)且从正部分地传输的一个端镜5-111产生输出光学脉冲5-122的串流。
86.在某些情形中，分析仪器5-100被配置为接收可移除经封装生物光电或光电芯片5-140(也被称为“可弃式芯片”)。可弃式芯片可以包括生物光电芯片4-110，例如如图4中所示，该生物光电芯片包括：多个反应室；集成光学组件，其被布置为将光学激发能量递送到反应室；以及集成光检测器，其被布置为检测来自反应室的荧光发射。在某些实施方式中，芯片5-140可以在单次使用之后被丢弃，而在其他实施方式中，芯片5-140可以重复使用两次或更多次。当芯片5-140由仪器5-100接收时，其可以与脉冲光源5-108和分析系统5-160中的设备进行电通信或光学通信。例如，可以通过芯片的封装上的电触点来进行电通信。
87.在某些实施例中并参考图5-1b，可弃式芯片5-140可以安装(例如，经由插口连接)在可以包括额外仪器电子装置的电子电路板5-130上，例如印刷电路板(pcb)。例如，pcb 5-130可以包括配置为将电功率、一个或多个时脉信号和控制信号提供到芯片5-140的电路，以及设置为接收表示从反应室检测的荧光发射的信号的信号处理电路。从芯片5-140返回
的数据可以部分或完全由仪器5-100上的电子装置处理，尽管在某些实施方式中，数据可以经由网络连接传输到一个或多个远端数据处理器。pcb 5-130也可以包括配置为从芯片接收关于耦合到芯片5-140的波导中的光学脉冲5-122的光学耦合和功率电平的回馈信号的电路。可以将回馈信号提供到脉冲光源5-108和光学系统5-115中的一者或两者以控制光学脉冲5-122的输出波束的一个或多个参数。在某些情形中，pcb 5-130可以将功率提供或路由到脉冲光源5-108以便操作光源和光源5-108中的相关电路。
88.根据某些实施例，脉冲光源5-108包括紧凑模式锁定激光模块5-110。模式锁定激光可以包括增益介质5-105(在某些实施例中，其可以是固态材料)、输出耦合器5-111和激光腔端镜5-119。模式锁定激光的光学腔可以由输出耦合器5-111和端镜5-119界定。激光腔的光轴5-125可以具有一个或多个折叠(匝)以增加激光腔的长度并提供所期望脉冲重复率。脉冲重复率由激光腔的长度(例如，光学脉冲在激光腔内进行往返的时间)判定。
89.在某些实施例中，在激光腔中可以存在额外光学元件(图5-1b中未示出)以用于波束定形、波长选择和/或脉冲形成。在某些情形中，端镜5-119包括饱和吸收体镜(sam)，其诱发纵向腔模式的被动模式锁定并且导致模式锁定激光的脉冲操作。模式锁定激光模块5-110可以进一步包括泵浦源(例如，激光二极管，图5-1b中未示出)以用于激发增益介质5-105。模式锁定激光模块5-110地进一步细节可以在于2017年12月15日提出申请的标题为“compact mode-locked laser module”的美国专利申请案第15/844,469号中找到，该申请案以引用方式并入本文。
90.当将激光5-110模式锁定时，腔内脉冲5-120可以在端镜5-119与输出耦合器5-111之间循环，并且腔内脉冲的部分可以作为输出脉冲5-122经由输出耦合器5-111传输。因此，如图5-2的图表中所示，当腔内脉冲5-120在激光腔中的输出耦合器5-111与端镜5-119之间来回反弹时，可以在输出耦合器处检测到输出脉冲5-122的列。
91.图5-2描绘了输出脉冲5-122的时间强度轮廓，尽管该图解未按比例绘制。在某些实施例中，所发射脉冲的峰值强度值可以是大约相等的，并且该轮廓可以具有高斯时间轮廓，尽管诸如sech2轮廓的其他轮廓也是可能的。在某些情形中，脉冲可以不具有对称时间轮廓，而是可以具有其他时间形状。每一脉冲的持续时间可以由半高全宽(fwhm)值来表征，如图5-2中所指示。根据模式锁定激光的某些实施例，超短光学脉冲可以具有小于100皮秒(ps)的fwhm值。在某些情形中，fwhm值可以介于大约5ps与大约30ps之间。
92.输出脉冲5-122可以通过规则间隔t分离。例如，t可以由输出耦合器5-111和腔端镜5-119之间的往返行进时间判定。根据某些实施例，脉冲分离间隔t可以介于约1ns与约30ns之间。在某些情形中，脉冲分离间隔t可以介于约5ns与约20ns之间，对应于约0.7米与约3米之间的雷射腔长度(激光腔内的光轴5-125的大约长度)。在实施例中，脉冲分离间隔对应于激光腔中的往返行进时间，使得3米的腔长度(6米的往返距离)提供大约20ns的脉冲分离间隔t。
93.根据某些实施例，所期望的脉冲分离间隔t和激光腔长度可以由芯片5-140上的反应室的数目、荧光发射特性和用于自芯片5-140读取数据的数据处置电路的速度的组合判定。在实施例中，不同萤光团可以由它们不同的荧光衰减速率和特性寿命来区分。因此，需要存在充足的脉冲分离间隔t以收集用于所选择荧光团的足够统计数据以区分它们不同的衰减速率。另外，若脉冲分离间隔t过短，则数据处置电路不能跟上由大量反应室收集的大
量数据。介于约5ns与约20ns之间的脉冲分离间隔t适合于具有高达约2ns的衰减速率的荧光团并且适合于处置来自约60,000个与10,000,000个之间的反应室的数据。
94.根据某些实施方案，波束转向模块5-150可以接收来自脉冲光源5-108的输出脉冲，并且被配置为至少调整光学脉冲至芯片5-140的光学耦合器(例如，光栅耦合器)上的位置及入射角。在某些情形中，来自脉冲光源5-108的输出脉冲5-122可以由波束转向模块5-150操作以(附加地或可替选地)在芯片5-140上的光学耦合器处改变波束形状和/或波束旋转。在某些实施方案中，波束转向模块5-150可以进一步提供输出脉冲的波束到光学耦合器上的聚焦和/或偏光调整。波束转向模块的一项示例描述于于2016年5月20日提出申请的标题为“pulsed laser and bioanalytic system”的美国专利申请案第15/161,088号中，该申请案以引用方式并入本文中。波束转向模块的另一个示例描述于于2016年12月16日提出申请且标题为“compact beam shaping and steering assembly”的单独美国专利申请案第62/435,679号中，该申请案以引用方式并入本文。
95.参考图5-3，例如，来自脉冲光源的输出脉冲5-122可以耦合到可弃式生物光电芯片5-140上的一个或多个光学波导5-312中。在某些实施例中，光学脉冲可以经由一个或多个光栅耦合器5-310耦合到一个或多个波导，尽管在某些实施例中可以使用耦合到芯片5-140上的一个或多个光学波导的一端。光栅耦合器的简化示例在图解中示出。根据某些实施例，四象限检测器5-320可以位于半导体基板5-305(例如，硅基板)上，以用于辅助光学脉冲5-122的波束与光栅耦合器5-310的校准。一个或多个波导5-312和反应室或反应室5-330可以被整合在同一半导体基板上，在基板、波导、反应室与光检测器5-322之间具有介入介电层(例如，二氧化硅层)。
96.每个波导5-312可以在反应室5-330下方包括渐缩部分5-315以均衡化沿着波导耦合到反应室的光学功率。减小的锥度可以将更多光学能量驱迫到波导的芯外部，从而增加到反应室的耦合并且补偿沿着波导的光学损耗，包括耦合到反应室中的辐射的损耗。第二光栅耦合器5-317可以位于每的波导的一端处以将光学能量引导至集成光电二极管5-324。例如，集成光电二极管可以检测沿波导耦合的功率量并且将检测的信号提供到控制波束转向模块5-150的回馈电路。
97.反应室5-330或反应室5-330可以与波导的渐缩部分5-315校准且凹入于槽座5-340中。对于每一反应室5-330，可以存在位于半导体基板5-305上的光检测器5-322。在某些实施例中，半导体吸收体(图5-5中显示为光学滤光器5-530)可以在每个像素处定位在波导与光检测器5-322之间。可以围绕反应室并且在波导上方形成金属涂层和/或多层涂层5-350以防止不在反应室中(例如，分散在反应室上方的溶液中)的荧光团的光学激发。金属涂层和/或多层涂层5-350可以升高得超出槽座5-340的边缘以减少波导5-312中的光学能量在每个波导的输入和输出端处的吸收损耗。
98.在芯片5-140上可以存在多列的波导、反应室和时间分级光检测器。例如，在某些实施方式中，可以存在128个列，各自具有512个反应室，总共65,536个反应室。其他实施方式可以包括更少个或更多个反应室，并且可以包括其他布局组态。来自脉冲光源5-108的光学功率可以经由一个或多个星形耦合器或多模式干涉耦合器或者通过位于到芯片5-140的光学耦合器5-310与多个波导5-312之间的任何其他构件分配到多个波导。
99.图5-4示出了从波导的渐缩部分5-315内的光学脉冲5-122耦合到反应室5-330的
光学能量。该附图是依据光波的电磁场模拟而产生，该电磁场模拟计和波导尺寸、反应室尺寸、不同材料的光学性质和波导的渐缩部分5-315与反应室5-330的距离。例如，该波导可以在二氧化硅的环绕介质5-410中由氮化硅形成。波导、环绕介质和反应室可以通过以下申请案中描述的微制作程序形成：于2015年8月7日提出申请的标题为“integrated device for probing，detecting and analyzing molecules”的美国申请案第14/821,688号。根据某些实施例，渐逝光场5-420将由波导输送的光学能量耦合到反应室5-330。
100.图5-5中描绘了在反应室5-330中发生的生物反应的非限制性示例。该示例描绘了将核苷酸或核苷酸类似物依序并入到与靶标核酸互补的生长股中。依序并入可以发生于反应室5-330中，并且可以由高级分析仪器检测以定序dna。该反应室可以具有介于约150nm与约250nm之间的深度和介于约80nm与约160nm之间的直径。可以在光检测器5-322上方图案化金属化层5-540(例如，用于电参考电势的金属化)以提供阻挡来自相邻反应室和其他不需要的辐射源的杂散辐射的孔口或虹膜。根据某些实施例，聚合酶5-520可以位于反应室5-330内(例如，附接到室的基底)。聚合酶可以抓取靶标核酸5-510(例如，源自dna的核酸的部分)，并且定序互补核酸的生长股以产生dna 5-512的生长股。以不同荧光团标记的核苷酸或核苷酸类似物可以分散在上述溶液中和在反应室内。
101.当标记的核苷酸或核苷酸类似物5-610并入到互补核酸的生长股中时，如图5-6中所示，一个或多个附接的荧光团5-630可以由从波导5-315耦合到反应室5-330中的光学能量脉冲重复激发。在某些实施例中，一个或多个荧光团5-630可以借助任何适合连接体5-620附接到一个或多个核苷酸或核苷酸类似物5-610。并入事件可以持续高达约100ms的时间周期。在此时间期间，例如，可以借助时间分级光检测器5-322来检测由通过来自模式锁定激光的脉冲的荧光团的激发导致的荧光发射的脉冲。在某些实施例中，在每个像素处可以存在一个或多个额外集成电子装置5-323以用于信号处置(例如，放大、读出、路由、信号预处理等)。根据某些实施例，每个像素可以包括至少一个光学滤光器5-530(例如，半导体吸收体)，其使荧光发射通过并减少来自激发脉冲的辐射的透射。某些实施方式可以不使用光学滤光器5-530。通过将具有不同发射特性(例如，荧光衰减速率、强度、荧光波长)的荧光团附接到不同核苷酸(a、c、g、t)，检测并区分不同发射特性，同时dna 5-512的股并入有核酸并使得能够判定dna的生长股的基因序列。
102.根据某些实施例，被配置为基于荧光发射特性而分析样本的高级分析仪器5-100可以检测不同荧光分子之间的荧光寿命和/或强度的差异和/或同一荧光分子在不同环境中的寿命和/或强度之间的差异。作为解释，图5-7绘制了两个不同荧光发射概率曲线(a和b)，例如，其可以表示来自两个不同荧光分子的荧光发射。参考曲线a(虚线)，在由短或超短光学脉冲激发之后，来自第一分子的荧光发射的概率pa(t)可以随时间衰减，如图所示。在某些情形中，光子随时间发射的概率的降低可以由指数衰减函数表示，其中p
ao
是初始发射概率，且τ1是与第一荧光分子相关联的时间参数，表征发射衰减概率。τ1可以被称为第一荧光分子的“荧光寿命”、“发射寿命”或“寿命”。在某些情形中，τ1的值可以因荧光分子的局部环境而变更。其他荧光分子可以具有与曲线a中所展示的发射特性不同的发射特性。例如，另一个荧光分子可以具有不同于单个指数衰减的衰减轮廓，并且其寿命可以由半衰期值或某一其他度量表征。
103.第二荧光分子可以具有呈指数的衰减轮廓pb(t)，但具有可测量的不同寿命τ2，如
图5-7中的曲线b所示。在所示示例中，曲线b的第二荧光分子的寿命比曲线a的寿命短，并且在激发第二分子之后，发射的概率pb(t)比曲线a高。在某些实施例中，不同的荧光分子可以具有自约0.1ns至约20ns的范围内的寿命或半衰期值。
104.荧光发射寿命的差异可以用于辨别不同荧光分子的存在或缺席和/或在荧光分子所经受的不同环境或条件之间进行辨别。在某些情形中，基于寿命(例如，而不是发射波长)辨别荧光分子可以简化分析仪器5-100的态样。作为示例，当基于寿命辨别荧光分子时，波长区别光学器件(例如波长滤光器、每个波长的专用检测器、不同波长处的专用脉冲光源和/或绕射光学器件)可以在数目上减少或消除。在某些情形中，可以使用在单个特性波长下操作的单个脉冲光源来激发不同荧光分子，这些荧光分子在光谱的相同波长范围内发射但具有可测量的不同寿命。使用单个脉冲光源而不是在不同波长下操作的多个源来激发并辨别在同一波长区域处发射的不同荧光分子的分析系统可以降低操作和维持的复杂度，使其更紧凑并且可以较低成本制造。
105.尽管基于荧光寿命分析的分析系统可以具有某些益处，但通过允许额外检测技术可以增加通过分析系统获得的信息量和/或检测准确度。例如，某些分析系统5-160可以另外被配置为基于荧光波长和/或荧光强度来辨别试样的一个或多个性质。
106.再次参考图5-7，根据某些实施例，可以借助光检测器来区分不同荧光寿命，该光检测器被配置为在荧光分子的激发之后对荧光发射事件进行时间分级。时间分级可以在光检测器的单个电荷累积循环期间发生。电荷累积循环是读取事件之间的间隔，在此期间，光产生的载体累积在时间分级光检测器的分级格中。通过发射事件的时间分级来判定荧光寿命的概念在图5-8中以图标方式引入。就在t1之前的时间te处，通过短或超短光学脉冲来激发同一类型(例如，对应于图5-7的曲线b的类型)的荧光分子或荧光分子的系集。对于大分子系集，发射强度可以具有类似于曲线b的时间轮廓，如图5-8中所示。
107.然而，对于单个分子或少量分子，对于这个示例，根据图5-7中的曲线b的统计数据发生荧光光子的发射。时间分级光检测器5-322可以将从发射事件产生的载体累积至离散时间分级格中。在图5-8中指示三个分级格，尽管在实施例中可以使用更少分级格或更多分级格。相对于荧光分子的激发时间te在时间上解析该分级格。例如，第一分级格可以累积在时间t1与t2之间的间隔期间产生的载体，这在时间te的激发事件之后发生。第二分级格可以累积在时间t2与t3之间的间隔期间产生的载体，并且第三分级格可以累积在时间t3与t4之间的间隔期间产生的载体。当对大量发射事件加总时，时间分级格中所累积的载体可近似图5-8中所示的衰减强度曲线，并且经分级的信号可用于区分不同荧光分子或荧光分子所位于的不同环境。
108.时间分级光检测器5-322的示例描述于以下申请案中：于2015年8月7日提出申请的标题为“integrated device for temporal binning of received photons”的美国专利申请案第14/821,656号和于2017年12月22日提出申请的标题为“integrated photodetector with direct binning pixel”的美国专利申请案第15/852,571号，其两者的全文以引用方式并入本文。出于解释目的，图5-9中描绘了时间分级光检测器的非限制性实施例。单个时间分级光检测器5-322可以包括光子吸收/载体产生区域5-902、载体放电信道5-906及多个载体存储分级格5-908a、5-908b，其全部形成于半导体基板上。载体输送信道5-907可以连接在光子吸收/载体产生区域5-902与载体存储分级格5-908a、5-908b之间。
在所示示例中，示出了两个载体存储分级格，但可以存在更多或更少载体存储分级格。可以存在连接到载体存储分级格的读出信道5-910。可以通过局部地掺杂半导体和/或形成相邻绝缘区域来形成光子吸收/载体产生区域5-902、载体放电信道5-906、载体存储分级格5-908a、5-908b和读出信道5-910，以提供光电检测能力、拘限及载体的输送。时间分级光检测器5-322也可以包括形成于基板上的多个电极5-920、5-921、5-922、5-923、5-924，其被配置为在装置中产生电场以便通过装置输送载体。
109.在操作中，经由时间分级光检测器5-322将来自脉冲光源5-108(例如，模式锁定激光)的激发脉冲5-122的一部分递送到反应室5-330。最初，某些激发辐射光子5-901可以到达光子吸收/载体产生区域5-902处并产生载体(显示为浅色阴影圆圈)。也可以存在与激发辐射光子5-901一起到达并产生对应载体(显示为深色阴影圆圈)得某些荧光发射光子5-903。最初，与由荧光发射产生的载体数目相比，由激发辐射产生的载体数目可能是过大的。例如，在时间间隔|te–
t1|期间产生的初始载体可以通过将它们闸控到具有第一电极5-920的载体放电信道5-906中来拒绝。
110.在稍后时间处，大多数荧光发射光子5-903到达光子吸收/载体产生区域5-902处并产生提供表示来自反应室5-330的荧光发射的有用和可检测信号的载体(表示为深色阴影圆圈)。根据某些检测方法，可以在稍后时间处对第二电极5-921和第三电极5-923进行闸控以将在稍后时间处(例如，在第二时间间隔|t1–
t2|期间)产生的载体引导到第一载体存储分级格5-908a。随后，可以在稍后时间处(例如，在第三时间间隔|t2–
t3|期间)对第四电极5-922及第五电极5-924进行闸控以将载体引导到第二载体存储分级格5-908b。在大量激发脉冲的激发脉冲之后，电荷累积可以以此方式继续以在每一载体存储分级格5-908a、5-908b中累积相当可观数量的载体和信号电平。在稍后时间处，可以从分级格读出信号。在某些实施方式中，对应于每个存储分级格的时间间隔是亚纳秒时间标度，但在某些实施例中(例如，在荧光团具有较长衰减时间的实施例中)可以使用较长时间标度。
111.在时间分级光检测器5-322的单个电荷累积循环期间，在激发时间(例如，来自脉冲光源的激发脉冲)之后产生和时间分级载的之程序可以在单个激发脉冲之后发生一次或在多个激发脉冲之后重复多次。在电荷累积完成之后，可以经由读出信道5-910自存储分级格读出载体。例如，可以对电极5-923、5-924和至少对电极5-940施加适当加偏压序列以从存储分级格5-908a、5-908b移除载体。电荷累积和读出程序可以在芯片5-140上的大规模并行操作中发生，从而导致数据的帧。
112.尽管结合图5-9所描述的示例包括多个电荷存储分级格5-908a、5-908b，但在某些情形中，可替代地使用单个电荷存储分级格。例如，时间分级光检测器5-322中仅可以存在分级格1。在此情形中，可以以可变时间闸控方式操作单个存储分级格5-908a，以在不同激发事件之后查看不同时间间隔。例如，在第一序列激发脉冲中的脉冲之后，可以对用于存储分级格5-908a的电极进行闸控，以收集在第一时间间隔处(例如，在第二时间间隔|t1–
t2|期间)产生的载体，并且可以在第一预定数量的脉冲之后读出所累积信号。在同一反应室中的一序列后续激发脉冲中的脉冲之后，可以对存储分级格5-908a的相同电极进行闸控，以收集在不同间隙期间(例如，在第三时间间隔|t2–
t3|期间)产生的载体，并且可以在第二预定数量的脉冲之后读出所累积信号。如果需要，可以在稍后时间间隔期间以类似方式收集载体。以此方式，可以使用单个载体存储分级格来产生对应于激发脉冲到达反应室处之后的
不同时间周期期间的荧光发射的信号位准。
113.例如，不管在激发之后如何在不同时间间隔内进行电荷累积，所读出的信号都可以提供表示荧光发射衰减特性的分级格直方图。在图5-10a和图5-10b中示出的示例程序，针对该程序，两个电荷存储分级格用于从反应室获取荧光发射。直方图的分级格可以指示在反应室5-330中的荧光团的激发之后的每一时间间隔期间检测的光子数目。在某些实施例中，用于分级格的信号将在大量激发脉冲之后累积，如图5-10a中所示。激发脉冲可以发生于时间t
e1
、t
e2
、t
e3
、
…
、t
en
处，其由脉冲间隙时间t分离。在某些情形中，对于在反应室中观察到的单个事件(例如，dna分析中的单个核苷酸并入事件)，在电子存储分级格中的信号累积期间可以存在施加到反应室的介于105个与107个之间的激发脉冲5-122(或其部分)。在某些实施例中，一个分级格(分级格0)可以被配置为检测以每个光学脉冲递送的激发能量的幅度，并且可以用作参考信号(例如，以对数据进行正规化)。在其他情形中，激发脉冲幅度可以是稳定的，可以在信号获取期间判定一次或多次，并且在每个激发脉冲之后不判定，使得在每个激发脉冲之后不存在分级格0信号获取。在这种情形中，由激发脉冲产生的载体可以如上文结合图5-9所描述地从光子吸收/载体产生区域5-902被拒绝和转储。
114.在某些实施方式中，在激发事件之后仅可以从荧光团发射单个光子，如图5-10a中所示。在时间t
e1
处的第一激发事件之后，时间t
f1
处的所发射光子可以发生在第一时间间隔内(例如，介于时间t1与t2之间)，使得所得电子信号累积于第一电子存储分级格中(有助于分级格1)。在时间t
e2
处之后续激发事件中，时间t
f2
处的所发射光子可以发生在第二时间间隔内(例如，介于时间t2与t3之间)，使得所得电子信号有助于分级格2。在时间t
e3
处的下一激发事件中，光子可以在时间t
f3
处发射，从而发生在第一时间间隔内。
115.在某些实施方式中，在反应室5-330处接收的每个激发脉冲之后，可能不存在发射和/或检测的荧光光子。在某些情形中，对于递送到反应室的每10,000个激发脉冲，可能存在在反应室中检测的少至一个的荧光光子。将模式锁定激光5-110实施为脉冲激发源5-108的一个优点系，模式锁定激光可以高脉冲重复率(例如，介于50mhz与250mhz之间)产生具有高强度的短光学脉冲和快速关闭时间。在这种高脉冲重复率的情况下，在10毫秒电荷累积间隙内的激发脉冲数量可以是50,000至250,000，使得可以累积可检测信号。
116.在大量激发事件和载体累积之后，时间分级光检测器5-322的载体存储分级格可以读出以为反应室提供多值信号(例如，两个或更多个值的直方图、n维向量等)。每一分级格的信号值可以取决于荧光团的衰减速率。例如并再次参考图5-8，具有衰减曲线b的荧光团将在分级格1至分级格2中具有比具有衰减曲线a的荧光团高的信号速率。可以分析来自分级格的值并将其与校对值进行比较和/或相互比较以判定存在特定荧光团。对于定序应用，例如，识别荧光团可以判定将并入到dna的生长股中的核苷酸或核苷酸类似物。对于其他应用，识别荧光团可以判定可连接到荧光团或用荧光团标记的所关注分子或试样的身份。
117.为进一步辅助理解信号分析，经累积多分级格值可以被绘制为直方图，例如如图5-10b中所示，或者可以记录为n维空间中的向量或位置。可以单独执行校对运行以获取连接到四个核苷酸或核苷酸类似物的四个不同荧光团的多值信号(例如，校对直方图)的校对值。作为示例，校对直方图可以显现为在图5-11a(与t核苷酸相关联的荧光标签)、图5-11b(与a核苷酸相关联的荧光标签)、图5-11c(与c核苷酸相关联的荧光标签)和图5-11d(与g核
苷酸相关联的荧光标签)中所示。所测量多值信号(对应于图5-10b的直方图)与校对多值信号的比较可以判定将并入到dna的生长股中的核苷酸或核苷酸类似物的身份“t”(图5-11a)。
118.附加地或可替选地，在某些实施方式中，荧光强度可用于在不同荧光团之间进行区分。例如，即便某些荧光团衰减速率可以是类似的，但该荧光团可以显著不同强度发射或在其激发概率上具有显著差异(例如，至少约35％的差异)。通过将经分级信号(分级格5至3)参考到所测量激发能量和/或其他所获取信号，基于强度位准区分不同荧光团是可能的。
119.在某些实施例中，同一类型的不同数量的荧光团可以连接到不同核苷酸或核苷酸类似物，使得可以基于荧光团强度来识别核苷酸。例如，两个荧光团可以连接到第一核苷酸(例如，“c”)或核苷酸类似物且四个或更多个荧光团可以连接到第二核苷酸(例如，“t”)或核苷酸类似物。由于荧光团的不同数目，因此可以存在与不同核苷酸相关联的不同激发和荧光团发射概率。例如，在信号累积间隙期间针对“t”核苷酸或核苷酸类似物可以存在更多发射事件，使得分级格的视在强度显著高于“c”核苷酸或核苷酸类似物。
120.基于荧光团衰减速率和/或荧光团强度区分核苷酸或任何其他生物或化学试样使得能够简化分析仪器5-100中的光学激发及检测系统。例如，可以借助单波长源(例如，产生一个特性波长的一源而非以多个不同特性波长操作的多个源或一源)来执行光学激发。另外，在检测系统中可以不需要波长区分光学器件和滤光器来在不同波长的荧光团之间进行区分。而且，单个光检测器可以用于每个反应室以检测来自不同荧光团的发射。
121.短语“特性波长”或“波长”用于指代辐射的有限频带宽度内的中心或主导性波长(例如，由脉冲光源输出的20nm频带宽度内的中心或峰值波长)。在某些情形中，“特性波长”或“波长”可以用于指代由源输出的辐射的总频带宽度内的峰值波长。
122.具有在约560nm与约900nm之间的范围内的发射波长的荧光团可以提供充足量的荧光，以由时间分级光检测器(其可以使用cmos程序在硅晶圆上制作)检测。这些荧光团可以连接到所关注生物分子，例如用于基因定序应用的核苷酸或核苷酸类似物。在基于硅的光检测器中可以比较长波长处的荧光高的响应度来检测此波长范围中的荧光发射。另外，在此波长范围中的荧光团和相关联连接体可以不干扰核苷酸或核苷酸类似物并入到dna的生长股中。在某些实施方式中，可以借助单波长源来光学地激发具有介于约560nm与约660nm之间的范围中的发射波长的荧光团。在此范围中的实例荧光团是可以从马萨诸塞州沃尔瑟姆的赛默飞世尔科技公司(thermo fisher scientific inc.)购得的alexa fluor 647。较短波长(例如，介于约500nm与约650nm之间)处的激发能量可用于激发以介于约560nm与约900nm之间的波长发射的荧光团。在某些实施例中，时间分级光检测器可以例如通过将诸如ge的其他材料并入到光检测器的活动区域中来有效地检测来自反应室的较长波长发射。
123.iv.结论
124.因此，已经描述了用于高级分析系统5-100的系统架构的几个实施例的几个方面，应当了解，本领域技术人员将易于想到各种更改、修改和改良。这种更改、修改和改良旨在本发明的部分并且旨在本发明的精神和范围内。虽然已结合各种实施例和示例描述了本发明教示，但并不旨在将本发明教示限制于这些实施例或示例。相反，本发明教示涵盖各种替代方案、修改和等效形式，如本领域技术人员将了解的。
125.虽然已经描述并图示了各种发明性实施例，但本领域技术人员将易于想像用于执行功能和/或获得所描述的结果和/或优点中的一个或多个的各种其他方法和/或结构，并且个变化和/或修改中的每一个都被视为是在所描述的发明性实施例的范围内。更一般而言，本领域技术人员将易于了解，所描述的全部参数、尺寸、材料和组态都意指示例，并且实际参数、尺寸、材料和/或组态将取决于使用发明性教示的一个或多个具体应用。本领域技术人员将仅仅使用常规实验认识到或能够断定所描述的特定发明性实施例的诸多等效内容。因此，应理解前述实施例仅以实例方式呈现并且在随附申请专利范围及其等效内容的范围内，可以不同于所特定描述和主张来实践发明性实施例。本发明的发明性实施例是针对所描述的每个单独特征、系统、系统升级和/或方法。另外，如果这种特征、系统、系统升级和/或方法不相互矛盾，则两个或更多个这种特征、系统和/或方法的任一组合包含于本发明的发明性范围内。
126.此外，尽管可以指示本发明的某些优点，但应当了解，并非本发明的每个实施例都将包含每个所描述的优点。某些实施例可以不实施描述为有利的任何特征。因此，前述说明和附图是仅通过示例的方式。
127.本技术中所引用全部文献和类似材料(包括但不限于专利、专利申请、文章、书籍、论文和网页)的全文皆以引用方式明确并入而不管这些文献和类似材料的格式如何。如果所并入的文献和类似材料中的一者或多者与本技术不同或矛盾，包括但不限于所定义的术语、术语用途、所描述的技术等，则以本技术为准。
128.所使用的各章节标题仅出于组织目的，而不能解释为以任何方式限制所描述的主题。
129.而且，所描述的技术可以体现为一种方法，其中已提供了至少一项示例。作为方法的部分执行的动作可以以任何适合的方式排序。因此，实施例可以被构造，其中以不同于所图示的顺序执行动作，其可以包括同时执行某些动作，即使在说明性实施例中展示为顺序动作。
130.如所定义和所使用的，全部定义都应理解为控制在字典定义、以引用方式并入的文件中的定义和/或所定义术语的普遍含义。
131.数值和范围可以在本说明书和权利要求中描述为近似或准确值或范围。例如，在某些情形中，术语“约”、“大约”及“基本上”可以用于参考一值。这种参考旨在涵盖参考值以及该值的正负合理变化。例如，短语“介于约10与约20之间”旨在在某些实施例中意指“介于恰好10与恰好20之间”，以及在某些实施例中意指“介于10
±
δ1与20
±
δ2之间”。值的变化量δ1、δ2在某些实施例中可以小于该值的5％，在某些实施例中可以小于该值的10％，且在某些实施例中还可以小于该值的20％。在给出值的大范围(例如，包含两个或更多个数量级的范围)的实施例中，值的变化量δ1、δ2可高达50％。例如，如果可操作的范围从2扩展至200，则“大约80”可以涵盖40与120之间的值，且该范围可以大至1与300之间。当想要准确值时，使用术语“恰好”，例如，“介于恰好2与恰好200之间”。
132.术语“相邻”可以是指被布置在紧邻彼此内的两个元件(例如，在小于两个元件中的较大者的横向或垂直尺寸的约五分之一的距离内)。在某些情形中，相邻元件之间可以存在介入结构或层。在某些情形中，相邻元件可以彼此紧邻而不具有介入结构或元件。
133.除非明确指示为相反，否则在说明书中和在权利要求中使用的不定冠词“a”和“an”应理解为表示“至少一个”。
134.如在说明书中和在权利要求中所使用的，短语“和/或”应理解为意指如此结合的元件中的“任一者或两者”，即在某些情形中以结合方式存在且在其他情形中以分离方式存在的元件。以“和/或”列出的多个元件应视为呈相同方式，即如此结合的元件中的“一者或多者”。可视情况存在除由“和/或”从句特定识别的元件以外的其他元件，无论与特定识别的那些元件相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，当结合诸如“包括”的开放式语言使用时，对“a和/或b”的提及在一项实施例中可以是指仅a(视情况包含除b以外的元件)；在另一实施例中，是指仅b(视情况包含除a以外的元件)；在又一实施例中，是指a和b两者(视情况包含其他元件)；等等。
135.如在说明书中和在权利要求中所使用的，“或”应理解为具有与上文所定义的“和/或”相同的含义。例如，当分离清单中的物项时，“或”或者“和/或”应解释为是包含性的，即包含若干元件或元件清单中的至少一个，但也包含一个以上，以及可选地，附加的未列出的物项。仅术语明确指示为相反，例如当用于权利要求中时，“仅其中之一”或“恰好其中之一”或“由
……
组成”将是指包含若干元件或元件清单中的恰好一个元件。一般而言，如所使用的术语“或”仅应被解释为在排他性术语之前指示排他性替代方案(即，“一个或另一个，但不是两个”)，例如“任一”、“其中之一”、“仅其中之一”或“恰好其中之一”。当在权利要求中使用时，“基本上由
……
组成”应具有如其用于专利法领域中的普遍含义。
136.如在说明书中和在权利要求中所使用的，参考一个或多个元件的清单的短语“至少一个”应理解为意指选自元件清单中的任何一个或多个元件中的至少一个元件，但不一定包含元件清单内具体列出的每个元件中的至少一个，并且不排除元件清单中的元件的任何组合。该定义还允许可选地存在除短语“至少一个”所指的元件清单内特定识别的元件之外的元件，无论与具体识别的那些元件相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，在一项实施例中，“a和b中的至少一个”(或等效地，“a或b中的至少一个”，或等效地，“a和/或b中的至少一个”)可以是指至少一个(可选地包含一个以上)a，而不存在b(并且可选地包含除b以外的元件)；在另一实施例中，是指至少一个(可选地包含一个以上)b，而不存在a(并且可选地包含除a以外的元件)；在又一实施例中，是指至少一个(可选地包含一个以上)a和至少一个(可选地包含一个以上)b(并且可选地包含其他元件)；等等。
137.在权利要求中以及在上文说明中，所有过渡性短语(例如“包含”、“包括”、“携载”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“由
……
构成”等)应被理解为是开放式的，即意指包括但不限于。仅过渡性短语“由
……
组成”和“基本上由
……
组成”应分别是封闭或半封闭的过渡性短语。
138.权利要求不应被解读为限于所描述的顺序或元件，除非说明了那种效果。应当理解，本领域普通技术人员可以在形式及细节上进行各种改变，而不脱离所附权利要求的精神和范围。要求保护归属于所附权利要求及其等效内容的精神和范围内的全部实施例。