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CN107924027A - 用于光耦合的集成靶点波导器件和系统 - Google Patents

用于光耦合的集成靶点波导器件和系统 Download PDF

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CN107924027A CN201680047806.3A CN201680047806A CN107924027A CN 107924027 A CN107924027 A CN 107924027A CN 201680047806 A CN201680047806 A CN 201680047806A CN 107924027 A CN107924027 A CN 107924027A
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Abstract

提供了集成靶点波导器件和包括该器件的光学分析系统。靶点器件包括光耦合器，其光耦合到集成波导并且被配置为通过自由空间，特别是通过低数值孔径接口接收来自光源的光输入。该器件和系统可用于大量、高密度的高度多路复用光学反应的分析，包括诸如核酸测序反应的生物化学反应。该器件提供了光激发能量从光源到光学反应的高效且可靠的耦合。因此可以以高灵敏度和分辨率来测量从反应中发出的光信号。这些器件和系统非常适合小型化和高通量。

Description

用于光耦合的集成靶点波导器件和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年6月12日提交的美国临时申请No.62/175,139的优先权，其公开内容通过引用其全部合并于此。
背景技术
随着多路复用光学分析系统持续小型化、大规模和大功率，开发能够向这种系统传送光能的改进系统的需求变得更加重要。例如，在美国专利申请公开No.2008/0128627和No.2012/0085894号中描述了包括用于照射纳米级样品的集成波导的高度多路复用分析系统。在美国专利申请公开No.2012/0014837、No.2012/0021525和No.2012/0019828中描述了用于分析纳米级样品(包括照射和检测这些样品)的其他光学系统。在美国专利申请公开No.2014/0199016和No.2014/0287964中描述了用于高度多路复用分析的额外的纳米级照明系统。
在传统的光学系统中，通常采用光具组来引导、聚焦、滤光、分束、分离和检测到达样品材料的光以及来自样品材料的光。这样的系统通常采用各种不同的光学元件来引导、改变和以其他方式操纵进入反应区域的光和离开反应区域的光。这样的系统通常是复杂且昂贵的，并且往往具有显著的空间要求。例如，典型的系统采用反射镜和棱镜将来自光源的光引导到期望的目的地。此外，这样的系统可以包括诸如分束棱镜的分光光学器件，以从单个原始光束产生两个或更多个光束。
已经描述了对传统光学系统的替代方案，特别是具有在高度受限环境中设计和制造的具有集成光学部件的替代系统。例如，已经开发了用于电信应用的包括光纤接口、波长滤波器或组合器、相位延迟光学干涉仪、光学隔离器、偏振控制和/或抽头的平面光波电路(PLC)。在某些情况下，这些设备还包括一个或多个激光源和一个或多个光检测器。有时也被称为光纤间隔集中器(FSC)的设备使用集成光波导来发送光子通过光路，这与发送电子通过电路的方式大致相同。该设备使用标准的半导体制造技术来制造，并且因此该设备可以在制造过程中将诸如光学滤波器和光纤尾纤连接器的无源元件与诸如光学开关和衰减器的有源元件集成起来。如在电信设备中使用的，例如，为了复用/解复用、光分支和/或光交换的目的，该设备通常用于耦合和/或分离来自光纤芯的光信号。因此，这些设备提供了更传统的光具组的功能，同时便宜得多、更紧凑和更鲁棒。
在刚刚描述的光学系统中，光源及其靶点器件在系统内通常紧密且永久地彼此相关联。例如，在电信应用中使用的PLC通常在制造过程中机械地对准并结合到其激光源及其相关的光电检测器。因此，光源及其靶点器件之间的这种紧密和不可逆的关联不适用于具有可移除样品保持器的分析系统，在这种分析系统中来自诸如传统光具组的光源的光输出通常通过自由空间而耦合到靶点样保持器。在通过自由空间光耦合的系统中，每次更换靶点器件时，来自光源的光信号需要与靶点器件对准，由于与光学系统相关的机械因素、热因素和其他干扰因素，甚至在分析过程中需要监测和维持这种对准。另外，不将通常用于电信应用的集成光路设计成携带用来分析在上述高度多路复用分析系统中存在的大量纳米级样品所必需的光能强度，也不将所述集成光路设计为与以下光源一起使用：所述光源具有适用于具有标准生物试剂的光学系统的波长。
光学分析系统设计中的另一个考虑是将来自光源的光耦合到靶点器件中的方法。例如，在靶点器件包括用于发送光能通过该器件的集成光波导的情况下，将光能发射到波导中可能是不可靠和低效的。已经描述了各种光耦合器来实现该目的，包括使用直接“端面激励(endfire)”耦合到波导的抛光端，使用棱镜耦合器将光引导到波导中，以及使用光栅耦合器来将光引导入波导。然而，取决于实施方式，每种方法在效率、可靠性、适用性、成本等方面都存在限制。
因此，持续需要改进集成光波导器件的性能和特性，特别是那些可逆地耦合到外部光源的器件。还需要改进包含这种集成波导器件的光学分析系统的性能和特性。
发明内容
在一个方面，本发明通过提供一种集成靶点波导器件来解决这些和其他需要，该集成靶点波导器件包括光耦合器和与该光耦合器光耦合的集成波导。在该器件中，光耦合器是低数值孔径耦合器，并且尺寸至少为100μm2。
另一方面，本发明提供一种集成靶点波导器件，该集成靶点波导器件包括波导器件、与该波导器件光耦合的集成波导以及至少一个对准特征。在该器件中，光耦合器也是低数值孔径耦合器，并且尺寸也至少为100μm2。
在又一个方面中，本公开提供了一种光学分析系统，该光学分析系统包括光源以及本文所公开的任何集成靶点波导器件。在该系统中，光源通过自由空间以至少1mm的距离光耦合到靶点波导器件的光耦合器。
附图说明
图1A至图1C示出从具有高数值孔径的光源(诸如光纤探针)
通过自由空间到靶点波导器件的耦合与从具有低数值孔径的光源通过自由空间到靶点波导器件的耦合之间的差异。
图2A示出作为距光束轴的距离的函数的高斯光束的强度的曲线图。图2B示出半径为w(z)的发散高斯光束的形状。
图3A示出标准光栅耦合器的基本设计特征和结构，图3B示出闪耀式光栅耦合器的基本设计特征和结构。图3C至图3L示出可替换的光栅耦合器的设计和结构特征。
图4A示出具有有源波导对准特征的示例性靶点波导器件的输入耦合区域。图4B更详细地示出图4A的波导器件中使用的两种类型的输入耦合器。图4C示出包括波导对准特征和图案化区域对准特征两者的另一示例性输入耦合区域。图4D示出了示例性集成靶点波导器件的俯视图，其包括输入耦合区域、路由路径、扇出区域以及阵列纳米级样品区域。图4E示出示例性的光学分析系统，其包括包含激光器的光源、光束功率控制器和“光刷”以将光输入引导至集成靶点波导器件。还示出了对准照相机。图4F示出在光源和靶点器件的对准期间待控制的自由度。沿径(AT)、交径(CT)、俯仰、偏航和滚动(或模式旋转)来指定运动。未示出的是在上下维度上的移动。
图5A至图5D示出示例性光栅耦合器。图5A示出基本光栅耦合器。图5B示出在耦合器正下方包括光学反射层的结构。图5C示出在耦合器正下方具有热扩散层的结构。图5D示出在耦合器下方具有反射层和热扩散层两者的结构。
图6示出由多模耦合器产生的“热点”。
图7示出线偏振激发光对纳米孔/ZMW中不同位置处靶点的影响。
图8示出圆偏振激发光对纳米孔/ZMW中不同位置处靶点的影响。
图9示出不同TE模的激发对纳米孔/ZMW中不同位置处靶点的影响。
图10示出矩形波导中的TE模、TM模和TEM模的图案。
图11A至图11B示出光栅耦合波导器件(A)和端面激励耦合波导器件(B)的单视和多视耦合。
图12A-图12C示出了被配置用于由三个单独的输入光束照明的单视装置(A)和多视装置(B和C)。这些装置包括输入光栅耦合器(A和B)或端面激励耦合器(C)。
图13示出使用热马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)开关来控制端面激励耦合的靶点器件中的多视照明。
图14A示出基于偏振的双视系统的仪器级实施方式。图14B示出了基于偏振的双视系统的设备级实施方式。
图15示出使用阵列波导光栅(AWG)来调谐多视反应的激发波长。
图16示出具有有源芯对准的新型光纤间隔集中器。
图17A示出二维低NA光栅耦合器模型。图17B示出通过该器件耦合到集成波导中的建模的光能，其中光能从该装置的中部朝向该装置的左侧引导。
图18提供了对各种二元光栅耦合器设计的耦合效率的比较。
图19提供了对具有不同数值孔径值的各种二元光栅耦合器设计的耦合效率的比较。
图20示出各种数值孔径值下的光纤对光栅的对准公差。
图21A至图21D示出在各种数值孔径值下的光栅周期(A)、掩埋氧化物包覆层厚度(B)、占空比(C)和刻蚀深度(D)对耦合效率的影响。
图22总结了使用所示参数来设计和模拟的示例性耦合器的模拟效率。
图23A示出本靶点器件的示例性波导的横截面，图23B示出了通过波导中心的电场强度。
图24示出原型耦合波导器件的模式分布。
图25示出y未对准对耦合效率的影响。
图26示出棱镜耦合器件的棱镜折射率与输入入射角之间的关系。
图27示出光栅耦合器件的光栅周期与输入入射角之间的关系。
图28示出用于测试热扩散层在减轻激光诱导的热损伤方面的有效性的实验装置。
图29A至图29G示出含有热扩散层的测试样品的结果。
图30示出在552nm光的情况下，两个不同波导芯中的单模操作的优化波导尺寸的模拟。
图31示出模拟输入光束源的高斯分布。
图32A-图32B示出用于靶点波导器件的二维光栅耦合器模型以及通过该器件耦合到集成波导中的建模的光能。
图33示出对于具有二氧化钛芯的高NA光栅耦合器设计，波长对建模的耦合效率的影响。
图34A至图34B示出对于具有二氧化钛芯和552nm输入源的高NA光栅耦合器设计，光栅耦合器周期对建模的耦合效率的影响。
图35A至图35B示出对于具有二氧化钛芯和552nm输入源的高NA光栅耦合器设计，光栅耦合器占空比对建模的耦合效率的影响。
图36A至图36B示出对于具有二氧化钛芯和552nm输入源的高NA光栅耦合器设计，光栅耦合器刻蚀深度对建模的耦合效率的影响。
图37A至图37B示出对于具有二氧化钛芯和552nm输入源的高NA光栅耦合器设计，反射器距离对建模的耦合效率的影响。
图38A至图38B示出对于具有二氧化钛芯和552nm输入源的高NA光栅耦合器设计，顶部包覆层厚度对建模的耦合效率的影响。
图39A至图39B示出对于具有二氧化钛芯和552nm输入源的高NA光栅耦合器设计，波导芯折射率对建模的耦合效率的影响。
图40绘出具有二氧化钛芯和532nm输入源的高NA光栅耦合器设计的建模的耦合效率。
图41A至图41B示出对于具有二氧化钛芯和532nm输入源的高NA光栅耦合器设计，光栅耦合器周期对建模的耦合效率的影响。
图42A至图42B示出对于具有二氧化钛芯和532nm输入源的高NA光栅耦合器设计，光栅耦合器占空比对建模的耦合效率的影响。
图43A至图43B示出对于具有二氧化钛芯和532nm输入源的高NA光栅耦合器设计，光栅耦合器刻蚀深度对建模的耦合效率的影响。
图44A至图44B示出对于具有二氧化钛芯和532nm输入源的高NA光栅耦合器设计，反射器距离对建模的耦合效率的影响。
图45A至图45B示出对于具有二氧化钛芯和532nm输入源的高NA光栅耦合器设计，顶部包覆层厚度对建模的耦合效率的影响。
具体实施方式
光学分析系统
多路复用光学分析系统用于各种不同的应用中。这样的应用可以包括分析单个分子，并且可以涉及例如实时观察彼此相互作用时的单个生物分子。为了便于讨论，这里按照优选的应用来讨论这样的多路复用系统：分析核酸序列信息，特别是在单分子核酸序列分析。尽管按照特定的应用进行了描述，但是应该理解，本文描述的器件和系统具有更广泛的应用。
在单分子核酸测序分析的背景下，单个固定化核酸合成复合物包含聚合酶、其序列正在阐明的模板核酸、以及与模板序列的部分互补的引物序列，对所述单个固定化核酸合成复合物进行分析观察，以识别掺入到扩展的引物序列中的单个核苷酸。通常在核苷酸被掺入扩展的引物之前、期间或之后，通过观察核苷酸上的光学检测标记来监测掺入。在一些情况下，这样的单分子分析采用“一次一个碱基法”，由此一次将单一类型的标记的核苷酸引入并与复合物接触。在一些情况下，在反应后从复合物中洗掉未掺入的核苷酸，并且检测到标记的已掺入核苷酸作为固定化复合物的一部分。在其他情况下，可以实时监测核苷酸的掺入，而不洗去未掺入的核苷酸。
为了获得在例如研究和诊断中基因测序的广泛应用所需的大量的序列信息，需要更高通量的系统。举例来说，为了增强系统的测序通量，通常监测多个复合物，其中每个复合物序列是独立的DNA模板。在基因组测序或其他大型DNA组分测序的情况下，这些模板通常包含重叠的基因组DNA片段。通过对每个片段进行测序，因此可以使用来自单独片段的重叠序列数据来组装连续序列。
可以提供这样的测序系统的单个模板/DNA聚合酶-引物复合物，通常将其固定在透明衬底、光波导等的表面上或附近的纳米级的光学受限区域内。美国专利No.7,056,661中描述了这种方法，其全部内容通过引用并入本文。优选在合适衬底上将这些光学受限区域制造成大阵列形式的纳米级样品孔，也被称为纳米级反应孔、纳米孔或零模式波导(ZMW)，以实现基因组或其他大规模DNA测序方法所需的规模。这样的阵列优选地还包括：相关的一个光源或多个光源，以提供激发能量；相关的一个发射检测器或多个发射检测器，以采集从样品发射的光能；以及相关的电子器件。同时，因此这些部件包括完全可操作的光学分析装置或系统。在单分子核酸序列分析有用的分析装置和系统的示例包括在美国专利No.6,917,726、No.7,170,050和No.7,935,310中描述的装置；在美国专利申请公开No.2012/0014837、No.2012/0019828和No.2012/0021525中描述的装置；以及在美国专利申请No.13/920,037中描述的装置，它们各自通过引用整体并入本文。
在实施例中，当前光学分析系统包括耦合到靶点器件(通常是集成靶点波导器件)的光源。如将在下面更详细地描述的，光源和相关的靶点器件被配置用于通过自由空间(例如以至少1mm、至少2mm、至少3mm、至少5mm、至少10mm、至少20mm、至少30mm、至少50mm、或者甚至至少100mm的距离)来有效耦合。
如下面还将更详细地描述的那样，将光学能量从光源有效耦合到光学器件中的要配置低数值孔径的靶点器件可能是有利的。“低数值孔径”是指数值孔径小于近场耦合的光学器件的数值孔径。具体来说，这意味着数值孔径不超过0.1。因此，在一些系统实施例中，光源和相关的靶点器件具有不大于0.1、不大于0.08、不大于0.05、不大于0.03、不大于0.02或甚至不大于0.01的数值孔径。此外，在一些实施例中，光源被配置成照射相关靶点器件上的光斑，其中每个光斑的表面积为至少100μm2、至少144μm2、至少225μm2、至少400μm2、至少625μm2、至少900μm2、至少1600μm2、至少2500μm2、至少4900μm2、至少10,000μm2、或甚至更大。在其他实施例中，光源被配置为照射相关靶点器件上的光斑，其中每个光斑的表面积为至多250,000μm2、至多62,500μm2、至多22,500μm2、至多10,000μm2、至多6400μm2、至多3600μm2、或至多2500μm2。在其他实施例中，光源被配置为照射相关靶点器件上的光斑，其中每个光斑的表面积为100μm2至250,000μm2、225μm2至62,500μm2、400μm2至22,500μm2、625μm2至10,000μm2、900μm2至6400μm2、或者甚至1600μm2至3600μm2。
在一些系统实施例中，光源被配置成以每光斑至少1mW、至少2mW、至少3mW、至少5mW、至少10mW、至少20mW、至少30mW、至少50mW或至少100mW的功率来照射相关靶点器件上的光斑。
在一些系统实施例中，光源发射多个光束。各个光束优选地被布置成照射相关靶点器件上的对应的多个光输入耦合器。将光能分束成多个光束在减少每个光束的输入能量方面是有利的，并且因此降低了对靶点器件散热的要求。在一些实施例中，光源发射至少四个光束。在特定实施例中，光源发射至少八个光束或甚至至少十二个光束。
在一些实施例中，光源发射至少一个样品激发光束和至少一个对准光束。如下面将更详细描述的，样品激发光束通过自由空间被引导到靶点波导器件上的输入耦合器，并且从那里(通常通过集成波导的阵列)被引导到排列在该器件上的纳米级样品孔。对准光束通过自由空间被引导到靶点波导器件上的对准特征，并用于对准靶点器件和光源或者用于保持这种对准，如下面将进一步详细描述的。在具体实施例中，对准光束具有比样品激发光束低的输出功率。在一些实施例中，对准光束的输出功率不大于样品激发光束的输出功率的10％。更具体地说，对准光束的输出功率不大于样品激发光束的输出功率的5％，或者对准光束的输出功率甚至不大于样品激发光束的输出功率的1％。
因此，在一些系统实施例中，靶点器件包括对准特征，并且光学系统还包括对准检测器。靶点器件上的对准特征与系统内的对准光束和对准检测器的组合在靶点器件被设计为可移除的系统中特别有用。在这样的系统中，当将新的靶点器件安装到系统中时，对准检测器可以使用靶点器件上的一个或多个对准特征来调节靶点器件相对于系统的其他部件的位置，特别是相对于光源的位置，因此可以优化从光源到靶点器件的光能的耦合。
例如，在光源发射多个光束的系统中，诸如共同拥有的2015年3月16日提交的美国专利申请No.62/133,965中以及2016年3月16日提交的美国专利申请No.15/072,146中描述的一些集成光学传输设备中，其公开内容通过引用整体并入本文，难以实现多个光束与靶点器件的多输入耦合器的最佳对准，以及难以在测量过程期间保持对准。通过促进光学系统内的光源与靶点器件的初始对准以及通过在分析测定过程期间保持该对准，本系统的对准光束和相关的对准特征克服了这些困难。
特别地，将光源与靶点器件对准的过程可以包括粗对准过程、精对准过程、或者粗对准过程和精对准过程二者。在对准过程期间，靶点波导器件本身可以相对于光源移动、光源可以相对于靶点波导器件移动、或者两个器件可以彼此相对移动。在优选的系统实施例中，对准检测器提供了集成靶点波导器件与光源的动态对准，使得在测定期间保持部件之间的对准。在一些系统实施例中，对准检测器是照相机。
如美国专利申请No.62/133,965和No.15/072,146所述，本系统的光源可以提供调制的光信号。在特定实施例中，调制的光信号可以是幅度调制的、相位调制的、频率调制的或这些调制的组合。
在某些实施例中，本光学系统的光源是一个或多个激光器，其包括垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting lasers)、一个或多个发光二极管、或一个或多个其他类似的光学器件。在特定实施例中，光源是一个或多个激光器。
如已经指出的那样，在基因组序列信息的分析中，本光学分析系统的靶点器件包括具有大量纳米级样品孔的阵列可能是有利的。为了实现这样的规模，可以以超高密度来制造阵列，从而在任何地方提供从每平方厘米1000个纳米孔到每平方厘米10000000个纳米孔，甚至更高密度。因此，在任何给定的时间，可能需要分析在单个分析系统内且优选在单个合适衬底上的100、1000、3000、5000、10000、20000、50000、100000、100万、500万、1000万甚至更多纳米孔中，或其他样品区域中发生的反应。
为了实现这种阵列所需的超高密度的纳米孔，每个纳米孔的尺寸必须相对较小。例如，每个纳米孔的长度和宽度通常在50nm至600nm的范围内，理想地在100nm至300nm的范围内。应该理解的是，尺寸越小允许使用的试剂的体积越小，并且在一些情况下，可以帮助使来自反应区外和/或照明体积外的试剂的背景信号最小化。因此，在一些实施例中，纳米孔的深度可以在50nm至600nm的范围内，更理想地在100nm至500nm的范围内，或者甚至更理想地在150至300nm的范围内。
还应该理解的是，纳米孔的形状将根据期望的性质和制造方法来选择。例如，纳米孔的形状可以是圆形、椭圆形、正方形、矩形或任何其他期望的形状。此外，如果需要的话，可以将纳米孔的壁制造成垂直的，或者可以将纳米孔的壁制造成向内或向外倾斜。在圆形纳米孔的情况下，向内或向外倾斜将导致例如锥形纳米孔或倒立的锥形纳米孔。
使用上述系统，阵列中的数千、数万、数十万、数百万、甚至数千万个纳米孔的同时靶点照明是可能的。随着对多路复用的期望增加，并且随着阵列上的纳米孔的密度相应地增加，提供这种阵列的靶点照明的能力也困难重重，由于纳米孔串扰(当来自相邻纳米孔的信号离开阵列时他们彼此干扰)的问题，因此降低了信噪比，并且对较高等级的密集照明的更多散热要求增加。本说明书的靶点波导器件和光学分析系统通过提供对光耦合到阵列式纳米孔的波导的改进照明来解决这些问题中的一些问题。
因此，本公开提供了光学分析系统，其包括光源，诸如激光器或另一合适的光源；以及集成靶点波导器件，诸如多路复用的集成DNA测序芯片成，其中光源和靶点器件彼此光耦合。
在一些系统实施例中，特别是如下所述，在靶点波导器件包括热扩散层的情况下，本光学分析系统还包括散热件，其中散热件与靶点器件的热扩散层热接触。因此散热件从热扩散层接收热能，从而防止靶点器件上的光耦合器过热。可选地这样的散热件可以包含翅片等，以便使表面积最大化，从而与周围环境进行热交换。替代地或另外地，散热件可以包含制冷剂或其他适当的液体，以进一步提高器件的效率和热容量。可选地散热件还可以包括风扇或其它这样的循环装置，以进一步改善热传递。
靶点波导器件
如上所述，本说明书的光学分析系统包括靶点器件，在一些实施例中，所述靶点器件包括多个集成光波导以将激发能量传送到该器件内的样品阵列。出于很多原因，使用集成光波导来传送激发照明是有利的。例如，因为以空间聚焦的方式施加照明光，例如使用高效的光学系统(例如光纤、波导、多层电介质叠层(例如，电介质反射器))等以至少一个横向和一个正交维度来限定照明光，所以该方法提供对照明(例如，激光)功率的有效使用。例如，与使用自由空间照明方案来照明相同衬底相比，使用本文所述的波导阵列来照明包括纳米孔阵列的器件可以使照明功率降低10倍至1000倍，所述自由空间照明方案包括例如(例如，经由激光束)单独照明每个反应位置。通常，多路复用越高(即，在衬底上要照明的表面区域越多)，波导照明所提供的潜在节能越多。另外，如果例如来自激光源的光能被有效地耦合到光学分析系统中，则在到达待照明的表面区域之前，波导照明不需要穿过自由空间光具组，并且可以进一步减少照明功率。
另外，因为从靶点器件本身的限定区域(例如，光波导)内提供对样品的照明，所以实质减少了背景区域或非相关区域的照明问题(例如对溶液中的不相关材料的照明、衬底的自发荧光、和/或其他材料、照明辐射的反射等等)。
除了减轻靶点器件内衬底材料的自发荧光之外，激发照明与集成波导的耦合可以实质上减轻与光具组相关的自发荧光。具体地，在典型的荧光光谱中，激发光通过用于采集信号荧光的相同光具组的至少一部分(例如物镜和其他光具组部件)而被引导至感兴趣的反应。如此，这些部件的自发荧光将有助于检测到的荧光水平，并且可以提供整体检测中的信号噪音。由于本文提供的系统通常通过光学连接到靶点器件中波导的不同路径(例如，通过光栅耦合器等)而将激发光引导到该器件中，因此消除了该自发荧光的光源。
波导介导的照明在照明光与待照明的表面区域的对准方面也是有利的。具体而言，基于衬底的分析系统，特别是那些依靠荧光或荧光信号来监测反应的分析系统通常采用照明方案，由此每个分析物区域必须由适当波长的光能来照明(例如，激发照明)。当用激发照明沐浴或淹没衬底来照亮大量离散区域时，这样的照明可能遭受上述大量因素的困扰。为了解决这些问题，靶点激发照明可以用于选择性地例如，使用波导阵列来将单独的激发照明光束引导至各个反应区域或反应区域群。当将多个(例如数百、数千、数百万或数千万)分析物区域布置在衬底上时，分离的照明光束与各个分析物区域的对准在技术上变得更具挑战性，并且光束与分析物区域未对准的风险增加。然而，通过将照明图案与反应区域集成到系统的同一部件(例如，靶点波导器件)中，可以将照明源与分析物区域的对准构建到系统中。在一些情况下，将光波导制造到衬底的限定区域处的衬底中，并且将分析物区域设置在器件中由波导占据的区域上。
最后，在一些方面中，用于靶点波导器件中的衬底由已经在恶劣环境(例如极冷、极热、化学组分(例如高盐环境、酸性环境或碱性环境)、真空和零重力)中证明寿命长的耐用材料(例如，硅、玻璃、石英或聚合物或无机材料)来制造。因此，它们为广泛的应用提供了优异的性能。
在本说明书的分析系统中使用的波导器件通常包括通常用于制造波导衬底的基质(例如，基于硅的基质(诸如硅、玻璃、石英等)、聚合物基质、陶瓷基质或其他固体有机或无机材料)以及设置在该基质上或基质内的一个或多个波导，其中波导被配置为通过自由空间(可选地通过中间光纤、PLC、一个或多个透镜、棱镜、反射镜等)光耦合到光能量源(例如，激光器)。本集成器件的波导可以是各种构造，包括但不限于，平面波导和通道波导。波导的一些优选实施例包括两个或更多个波导的阵列，例如，离散的通道波导，并且在本文中这样的波导也被称为波导阵列。此外，通道波导可以具有不同的横截面尺寸和形状(例如，矩形、圆形、椭圆形、叶状等)；并且在某些实施例中，不同构造的波导(例如，通道和/或平面)可以存在于单个波导器件中。
在典型实施例中，靶点波导器件中的波导包括光芯和邻近该光芯的波导包覆层，其中光芯具有比波导包覆层的折射率高得多的折射率以促进光能通过光芯的传播与控制。通常，波导包覆层是指衬底的一部分，其与光芯相邻且部分地、基本地或完全包围该光芯。波导包覆层可以延伸到整个基质，或者基质可以包括另外的“非包覆”层。“衬底封闭”波导或其区域完全被基质的非包覆层包围；“表面暴露”波导或其区域具有波导包覆层的暴露在衬底表面上的至少一部分；并且“光芯暴露”波导或其区域具有光芯的暴露在衬底表面上的至少一部分。此外，波导阵列可以包括各种构造的离散波导，包括但不限于，平行、垂直、会聚、发散、完全分开、分支、末端连接、蛇形及其组合。通常，在本器件之一(例如，靶点波导器件)中的“设置在”衬底上的波导可以包括上述配置中的任意一种或其组合。
波导器件的表面或表面区域通常是与器件的与围绕器件的空间接触的一部分，并且这种空间可以是流体填充的，例如，含有各种反应组分的分析反应混合物。在某些优选实施例中，衬底表面设置在下降到衬底中的孔中，并且可选地衬底表面设置在下降至波导包覆层和/或光芯中的孔中。如上所述，在某些特定实施例中，这种孔径非常小，例如，具有微米或纳米级的尺寸。
本靶点器件的波导经由光能量从光芯逃逸而产生的消逝场(evanescent field)来提供照明。消逝场是当光能通过波导时作为距离波导表面的距离的函数以指数方式衰减的光能场。这样，为了使用波导照射感兴趣的分析物，必须将其放置为足够靠近光芯以暴露于消逝场。在优选实施例中，将这种分析物直接或间接地固定在靶点波导器件的表面上。例如，可以固定在表面暴露的波导上，或者固定在器件表面刻蚀的纳米孔内。在一些优选的方面，纳米孔延伸穿过器件以使分析物区域更靠近光芯。这样的纳米孔可以延伸穿过围绕光芯的波导包覆层，或者可以延伸到波导自身的光芯中。在美国专利No.7,820,983和美国专利号申请公开No.2012/0085894中提供了使用光波导来照射纳米级反应体积中的分析样品的示例，其通过引用整体并入本文。
具有低数值孔径的靶点波导器件
因为本公开的靶点波导器件被设计成可从光学分析系统移除，并且因为光源与其相关的靶点波导器件之间的公差必须由此相对放宽，所以本靶点波导器件的一个或多个光输入端被配置为从光源经由自由空间来接收一个或多个光信号。特别地，本靶点器件的光耦合器被配置通过距离为至少1mm、至少2mm、至少3mm、至少5mm、至少10mm、至少20mm、至少30mm、至少50mm、至少100mm、或甚至更长距离的自由空间与光源进行耦合。在一些实施例中，所述器件被配置通过距离为至少5mm的自由空间与光源进行光耦合。更具体地说，可以以至少10mm的距离进行耦合。甚至更具体地，可以以至少20mm的距离进行耦合。
本器件可以被配置为以各种方式通过自由空间接收光能。具体而言，选择该器件的光学部件的尺寸、形状、取向、组成和其他性质以提供通过自由空间的这种光耦合，如下面更详细地描述和在示例部分的描述。在一些实施例中，靶点器件的光耦合器是衍射光栅耦合器，但是其他光耦合器(诸如，端面激励耦合器、棱镜耦合器或任何其他合适的光学输入端)可以有用地耦合到本器件中的集成波导。此外，本靶点波导器件优选地具有多个光学输入端，使得光能被耦合到在该器件内排列的多个独立的波导路径中。
这些和其他特征将本器件和系统与通常用于电信和其他相关应用中的光传输和耦合的那些器件和系统(其中光源通常通过非常短的距离耦合到它们的靶点)区分开来。实际上，通常在集成电信光学器件中耦合的距离大约为10μm或甚至更小。例如，美国专利申请公开No.2014/0177995中公开了用于从集成器件到外部光纤的光耦合器件，其中输出端包括耦合器，所述耦合器包括集成波导结构、反射镜结构和锥形垂直波导，其中垂直波导具有在0.1μm至10μm范围内的孔径以及5μm至30μm的典型高度。这些耦合器(也被称为垂直光斑尺寸转换器)被设计用于在集成波导结构与相关的输出光纤之间的直接连接或几乎直接连接。可选地该器件包括在垂直波导内制造的直径小于1mm的微透镜。在美国专利申请公开No.2015/0001175中提供了在集成波导器件与相关的靶点光纤之间的直接耦合或几乎直接耦合的另一个示例，其公开了使用圆柱形微透镜或球形微透镜来促进光耦合。这些透镜被制造为半径大致与典型电信光纤的10μm模式大小相同，其中光纤直接与微透镜靠近。因此这些耦合器也被设计成用于在制造器件时在集成波导结构与靶点光纤之间的直接连接或几乎直接连接。
因此，本公开的靶点器件包括光耦合器和光耦合到该光耦合器的集成波导。在一些实施例中，本器件的光耦合器是低数值孔径耦合器，并且在一些实施例中，光耦合器是衍射光栅耦合器。
光栅耦合器及其将光(通常为来自光纤的光)耦合到波导器件的用途在本领域中是已知的。例如，美国专利No.3,674,335公开了适于将光路由到薄膜波导中的反射透射光栅耦合器。另外，美国专利No.7,245,803公开了包括多个伸长的散射元件的改进式光栅耦合器。该耦合器优选具有窄端和宽端的喇叭形结构。据说这些结构在耦合进出平面波导结构的光信号方面提供了增强的效率。美国专利No.7,194,166公开了波导光栅耦合器，其适用于将波分复用光耦合进入单模光纤和多模光纤的以及耦合来自单模光纤和多模光纤的波分复用光。所公开的器件包括设置在表面上的一组波导光栅耦合器，其全部被来自光纤的光斑照射。将耦合器组内的至少一个光栅耦合器调谐到光束中的每个通道，因此该耦合器组解复用在光纤中传播的通道。在美国专利No.7,792,402和PCT国际公开No.WO 2011/126718和No.WO 2013/037900中公开光栅耦合器的另外的示例。美国专利No.7,058,261公开了将多波长光源棱镜耦合和光栅耦合至集成波导器件的组合。
图1A至图1C提供了直接或几乎直接耦合到具有高数值孔径的光源的靶点波导器件与如本文所公开的靶点波导器件(其中通过自由空间与具有低数值孔径的光源进行耦合)之间的一般比较。如图1A所示，其中光从具有高数值孔径的光纤(100)或其他光源耦合到靶点波导器件(110)，光束(102)传播相对较短的距离并因此显示相对较小的光束半径。如所示，光束对与靶点器件内的集成波导(108)光学连接的光栅耦合器(106)进行照明。为了比较，如图1B所示，本公开的靶点波导器件(例如，160)由光束(152)照射，该光束从光源(150)传播更长的距离，与图1A所示的系统相比显示出更大的光束半径。在选择性地穿过透镜元件(154)等之后，较大的光束照射相对较大的光栅耦合器(156)，然后被发射到与耦合器相关的光耦合集成波导(158)中。
图1C示出了这类光学系统的替代实施例。具体而言，在该系统中，一个或多个光学元件(例如，184)位于光源(例如，180)与靶点波导器件(例如，190)之间。这种光学元件可用于在照射靶点波导器件之前，聚焦、准直或以其他方式改变光束(例如，182)。例如，如本领域普通技术人员将会理解的，光学元件可以调节光束的焦点，从而与靶点器件上的光栅耦合器(例如，186)的数值孔径(NA)更接近地匹配。同样，光学元件可以例如根据需要来调节光束在光栅耦合器上的覆盖区大小。从该示例应当理解，光源的光输出端的NA不需要与靶点器件上的输入耦合器的NA精确匹配，因为中间透镜或其他光学元件可以用于调节光源和靶点波导器件之间的光束的光学性质。
因此在一个方面中，本公开提供了具有一个或多个光学输入端的靶点波导器件，所述一个或多个光学输入端被配置为耦合来自一个或多个光源经由自由空间的光。光源可以通过中间光学部件(例如通过PLC等)传送到靶点器件，所述PLC是诸如共同拥有的美国专利申请No.62/133,965和No.15/072146中公开的PLC。根据一些实施例，调节靶点波导器件中的光学输入端的数值孔径(NA)，以便以各种方式促进和优化到靶点器件中的耦合。如光学领域的普通技术人员所理解的，NA涉及角度范围，可以从透镜、光纤、波导、光栅耦合器等发射和接收该角度范围内的光(特别是接近高斯光束的光源)。在高斯光束照射在物镜上的情况下，可以使用下面的等式来计算NA，其是一个无量纲的值：
NA＝n sinθmax
其中，n是传播光束的介质的折射率，θmax是透镜的最大接收角。该角度对应于透镜接收锥体(即，能够进入或离开透镜的光锥)的半角。
在多模光纤的情况下，根据以下等式，数值孔径取决于纤芯的折射率ncore和包覆层的折射率nclad：
因此，诸如光纤或集成波导的光学器件的NA可以取决于用于制造该器件的材料(例如，光纤或波导的光芯和包覆层)的光学特性以及该器件的尺寸和几何形状。NA还取决于通过该器件传播的光的波长。因此应该理解，可以有效地调节特定光学器件的NA以获得该器件针对特定应用和目的合适行为。
从实际的观点来看，也可以凭经验确定给定的光学器件的NA，例如，通过例如使用根据规格EIA/TIA-455-47的直接远场扫描仪，在离该器件端部一定距离处测量由该器件发射的传播光的特性。这种测量提供了光学器件的模场直径(MFD)、有效面积和数值孔径的经验值。在单模光纤的情况下，MFD与基模的光斑大小有关，并表示光纤光输出端的远场功率分布。高斯光束的NA与MFD之间的关系由以下等式提供，其中λ是传播光的波长：
表1示出了针对532nm的光，NA与光束直径之间的关系，其中在三个不同的功率水平(1/e2、1/e3和1/e4)处截短高斯光束分布。在1/e2的功率截断处列出的光束直径对应于每个NA值的光束的MFD。在1/e3的功率截断处列出的光束直径在设计靶点器件上的光耦合器的尺寸时提供有用的估计。更具体地说，该列中所示横截面尺寸的耦合器将捕获来自传输光束的大部分能量。
如本领域已知的，单模光纤器件通常用于各种光学设备中，以用于光信号的传输和耦合，特别是在电信行业中。这样的器件通常显示0.12或更大的NA值。如表1所示，这样的NA(例如0.12和0.13的NA)在该波长的光下分别导致相对较窄的光束尺寸：2.82μm和2.61μm。通过比较，NA为0.01的532nm光的高斯光束显示大约34μm的光束尺寸——超过了10倍以上。图2A示出了这样的高斯光束(NA等于0.01)的二维分布。如刚刚所提到的，通过在1/e2功率水平处的光束分布的截断来确定光束大小。
表1：作为NA的函数的针对532nm光的功率截断的光束分布。
NA 1/e2(μm) 1/e3(μm) 1/e4(μm)
0.13 2.61 3.91 5.21
0.12 2.82 4.23 5.64
0.05 6.77 10.16 13.55
0.015 22.58 33.87 45.16
0.01 33.87 50.80 67.74
0.005 67.74 101.60 135.47
还应该理解的是，由于光束发散，高斯光束的直径将沿着光束轴而变化。更具体地说，对于在自由空间中传播的发散高斯光束，根据以下等式，光束半径w作为沿光束轴的长度距离为z的函数而变化：
其中wo是沿光束轴的特定位置(称为“光束腰”)处出现的最小光束半径(即“束腰半径”)，z是沿光束轴距离光束腰的距离，zR是瑞利(Rayleigh)长度，对于给定光束来说，根据以下等式，zR是取决于束腰半径和波长λ的常数，
相应地，在沿着光束轴距离光束腰zR处，光束半径等于鉴于以上所述，还可以根据下面的等式，将瑞利长度和数值孔径相互关联：
在图2B中以图形方式示出了上述参数，图2B表示半径为w的发散高斯光束。
根据以上描述，具有相对大NA值的透镜、光纤和波导通常用于通过自由空间在短距离上照射靶点表面，并且这种照明的光斑尺寸通常较小。这些区别在图1A和图1B所示的示例性系统中是显而易见的。具体而言，图1A所示的系统的光学器件(100)，例如光纤，具有高NA，并且最适合于照射紧邻靶点波导器件(110)的小直径耦合器。相比之下，图1B所示的系统的光源(150)和透镜(154)具有低NA，并且如本文所述，非常适合于以大自由空间耦合距离来照射大直径耦合器。如上所述，图1C示出了例如使用中间光学元件来允许以靶点放大率对输出光束的光覆盖区进行重新成像的替代设计，以在靶点器件的表面处提供优选尺寸的光束腰。在本文中应该进一步注意，贯穿本公开内容提供的图示不一定旨在精确地表示所示器件的尺寸、角度或其他特定设计特征，特别是对发散角、光束半径、层厚度、波导弯曲半径、特定路由路径等的任意表示。
如本文所公开的器件和系统，相对于电信和相关系统中通常使用的直接或几乎直接的耦合，自由空间耦合提供若干优点。首先，通过自由空间的耦合避免了近表面光纤探针至芯片的操作，并且因此安装和操作更容易，并且更不易受到芯片表面灰尘和污染以及由于具有可移除靶点波导器件的光学分析系统的误操作而导致的尖端损坏。其次，如图1B和图1C所示，通过自由空间与低NA发送器件的耦合允许靶点波导器件上的更大光束直径，由此减轻了由于注入高激光功率而导致的靶点芯片上的热限制。第三，更大的光栅耦合器尺寸也极大地减少了光源与芯片对准的困难，并使耦合器表面上的灰尘和其他污染物的影响最小化。第四，自由空间耦合允许靶点芯片更容易的芯片封装解决方案，所述靶点芯片(其例如在多路复用的DNA测序芯片中)需要适应所有封装接口要求，诸如电子部件、热部件、机械部件和流体部件。使用较大的耦合器在表面积约束不重要的应用中(例如在使用商用CMOS芯片的一些应用中)是特别有利的。鉴于以上所述，应当显而易见的是，因此可以调节本靶点波导器件的输入端NA，以改善和优化来自相关光源的光耦合。
因此，本公开内容提供了具有一个或多个光学输入端的靶点波导器件，所述光学输入端被配置为通过高效输入耦合器来耦合来自一个或多个光源经由自由空间的光。可选地这样的器件可以包括附加特征，例如优选为阵列的其他集成波导、以及光耦合到该波导或波导阵列的多个纳米孔。如上所述，在例如使用荧光标记的核苷酸试剂执行高度多路复用的DNA测序反应中，可以有效地采用与激发源光学连接的纳米孔阵列。
光能至本靶点器件的自由空间耦合优选地通过使用高效低NA的光栅耦合器来实现。在图3A中示出示例性光栅耦合器。使用标准半导体处理技术在例如硅芯片或其他合适的衬底(320)上方便地制备这种耦合器。光栅通常包括底部包覆层(324)、波导芯层(308)和顶部包覆层(322)，其中芯层具有比包覆层更高的折射率，从而使得通过在光芯/包覆层边界处的全内反射来传播入射到光芯的光。通常在制造过程期间在波导芯中产生具有期望的占空比(312)、刻蚀深度(314)和光栅周期(316)的光栅结构(306)，使得入射在光栅表面上的光能(302)可以进入光栅并且可以有效地沿着波导芯传播。图3B示出了图3A的光栅耦合器的变型，其中如图所示刻蚀波导芯以提供“闪耀式”耦合器区域(326)。
可以以多种方式改变具体的光栅耦合器结构和形状，以提高耦合效率。对于简单的二元光栅耦合器，如图3A、图3B和图3E所示，可以仅从顶部刻蚀该结构，或者如图3C所示，仅从底部刻蚀该结构。可替换地，如图3D和图3F所示，可以从顶部和底部两处对结构进行双侧刻蚀。此外，可以在该结构上增加覆盖层以增加齿高，如图3E和图3F的光栅耦合器结构所示，从而进一步提高了光栅的耦合效率。光栅耦合器的周期可以被固定为均匀的光栅，或者也可以通过制造具有非均匀周期的齿而具有特定功能的“啁啾”，以更好地匹配高斯光束分布，如图3G所示光栅耦合器(346)，从而提高了耦合效率。可替代地或另外地，可以向该结构添加底部反射层(370)，如图3H所示，以反射下耦合光，从而提高耦合效率。
在一些实施例中，本光栅耦合器的光栅周期在300nm至1000nm的范围内。在更具体的实施例中，光栅周期在300nm至500nm和300nm至400nm的范围内。在甚至更具体的实施例中，光栅周期是从340nm到380nm，并且在一些实施例中，光栅周期可以约为355nm。在其他甚至更具体的实施例中，光栅周期是从300nm到340nm，并且在一些实施例中，光栅周期可以约为315nm。
在一些实施例中，本光栅耦合器的刻蚀宽度在150nm至500nm的范围内。在更具体的实施例中，刻蚀宽度在150nm到400nm的范围内。在甚至更具体的实施例中，刻蚀宽度在150至300nm的范围内，并且在一些实施例中，刻蚀宽度可以约为185nm。
在实施例中，本光栅耦合器的刻蚀深度在30nm至200nm的范围内、在50nm至150nm的范围内、或者在50nm至100nm的范围内。具体而言，刻蚀深度可以约为68nm。在一些实施例中，刻蚀深度在30nm至80nm的范围内。具体而言，刻蚀深度可以约为55nm。
优选地针对使用期望波长的光的单模操作来优化本光栅耦合器的波导芯的厚度。因此可以使用以下关系来估计最佳光芯厚度(“d”)：
对于具有氮化硅芯(例如，ncore≈1.9085)和二氧化硅包覆层(例如，nclad≈1.46)的典型波导结构，对于波长为532nm的光，约217nm的光芯厚度是最佳的；对于波长为552nm的光，约225nm的光芯厚度是最佳的。在例如通过使用氧化钛芯等来增加波导芯的折射率的情况下，最佳的光芯厚度可以足够薄。例如，在ncore＝2.55且nclad＝1.46的情况下，可以估计最佳的光芯厚度是127nm(对于波长为532nm的光)和132nm(对于波长为552nm的光)。鉴于上述情况，本光栅耦合器的波导芯厚度可以在约100nm至约300nm的范围内。更具体地，波导芯厚度可以在约100nm到约150nm的范围内，甚至更具体地在约125nm到约135nm的范围内。在一些实施例中，波导芯厚度可以在约150nm至约250nm的范围内，更具体地在约200nm至约240nm的范围内，并且甚至更具体地在约215nm至约230nm的范围内。在一些实施例中，波导芯厚度可以约为180nm。
在实施例中，本光栅耦合器的波导芯的折射率在1.9至3.5的范围内，更具体地约为1.9。在一些实施例中，波导芯的折射率在约2.4至约2.7的范围内，更具体地在约2.5至约2.6的范围内。在实施例中，本光栅耦合器的顶部包覆层厚度在250nm至1000nm的范围内，更具体地，约为280nm。在实施例中，本光栅耦合器的底部包覆层厚度在2μm到10μm的范围内，并且更具体地约为2.1μm。在实施例中，本光栅耦合器的包覆层折射率在1至2的范围内，更具体地说，约为1.47。应该理解的是，正如本领域普通技术人员将会理解的那样，优选地，以透射穿过给定材料的光的波长来为该材料指定折射率。
在包括反射层的器件实施例中，该器件的反射器距离(从耦合器底部到反射器的距离)可以从250nm到500nm的范围内，并且可以更具体地约为260nm。
如上所述，可以调节本靶点波导器件的NA，以改善从光源经由自由空间的耦合。在实施例中，调节靶点波导器件的NA以与光源的NA相匹配。根据一些实施例，本器件的光学输入端的数值孔径不大于0.1、不大于0.08、不大于0.05、不大于0.03、不大于0.02、不大于0.01、不大于0.005、甚至更低。在一些实施例中，数值孔径不大于0.05。在具体实施例中，数值孔径不大于0.015。
从图1A和图1B的比较应当显而易见的是，尽管传统光源和靶点(例如，100和110)的NA明显高于在本系统中使用的光源和靶点(例如，150和160)的NA，但是照射在本靶点器件的表面积或“覆盖区”更大。(例如，比较光栅耦合器106和156的大小)。如上所述，尤其在靶点器件的加热和/或简化光源与靶点器件的对准方面，较大的光覆盖区是有利的。具体地，透射光的功率强度比光在更加聚焦的光束中传输的情况下要低得多。
当然，传送到靶点波导器件的光的精确光斑尺寸将取决于光源的光输出端的NA以及光源与靶点器件之间自由空间的距离。在实施例中，靶点波导器件被设计成具有与来自光源的照射的光斑大小相匹配的耦合器尺寸。在实施例中，靶点器件的耦合器尺寸为至少100μm2、至少144μm2、至少225μm2、至少400μm2、至少625μm2、至少900μm2、至少1600μm2、至少2500μm2、至少4900μm2、至少10000μm2、或甚至更大。
在其他实施例中，靶点器件的耦合器尺寸至多是250000μm2、至多62500μm2、至多22500μm2、至多10000μm2、至多6400μm2、至多3600μm2、或至多2500μm2。
在特定实施例中，靶点器件的耦合器尺寸为100μm2至250000μm2、225μm2至62500μm2、400μm2至22500μm2、625μm2至10000μm2、900μm2至6400μm2、或1600μm2至3600μm2。
在实施例中，在以光源与靶点器件之间的1mm至100mm的自由空间距离来实现上述照明。更具体地，自由空间距离可以从2mm到90mm、从5mm到80mm、从10mm到60mm、或者甚至从20mm到50mm。
从以上描述中还可以看出，由于照射在靶点器件上的相对较大的光斑尺寸，本靶点波导器件能够从光源接收相对较高水平的光能。相应地，在实施例中，靶点器件被配置为接收光能，其中每个耦合器的功率为至少1mW、至少2mW、至少3mW、至少5mW、至少10mW、至少20mW、至少30mW、至少50mW、至少100mW、或每个耦合器的功率甚至更高。在特定实施例中，在至少10mm的自由空间距离处实现这些功率水平。
根据本公开的另一方面，可以期望调节靶点波导器件中的集成波导的设计，以改善光源与靶点波导器件之间的耦合。具体而言，可以期望调节集成波导的成分和形状以实现这些效果。例如，在光学领域已知，如果不解决集成光波导的高度约束模式与光纤输入端的大直径模式之间的模式大小和有效折射率之间的失配的问题，则可能导致耦合损耗。因此，有利的是使波导几何形状变细或以其他方式改变波导结构和/或成分，以便改善该器件的行为和效率，特别是在约束光学模式与无约束光学模式之间的转换。这种结构和成分的变化可以包括例如包覆层成分和几何形状的调节或者光芯成分和几何形状的调节。具体而言，可以调节光芯横截面的几何形状以改善耦合效率。可以使用广泛可用的商业软件对这些和其他特征进行建模和测试，以在器件制造之前预测和优化器件的光子特性。
在一些应用中，根据靶点器件的特定要求来改变从光源的每个光输出端发射的光功率可以是有利的，例如以便在光通过靶点波导时补偿传播损耗。在共同拥有的美国专利申请No.62/133,965和No.15/072,146中描述了这些方法。在美国专利申请公开No.2014/0199016和No.2014/0287964中公开了可选地被包括在本靶点波导器件中的其他有利的特征和设计，其通过引用整体并入本文。
本公开内容的波导器件和系统可以进一步与常用于电信应用中传输光信号的波导器件和系统区分开。具体地，本靶点波导器件被设计成用于更高强度的光能，并且被设计为将该能量传输更短的距离。另外，由这些器件透射的光的波长适用于与生物测定中常用的光学活性试剂一起使用。这些波长通常比用于电信目的波长短得多。具体地，用于具有荧光标记的DNA试剂的DNA测序反应中的光学照明通常在可见光范围内，最通常地，在450nm至650nm的范围内。因此，本文所公开的靶点器件和系统的波导和其它部件因此优选地被设计和缩放以有效地传输可见光范围内的光能。在一些实施例中，波长在约400nm至约700nm的范围内。在更具体的实施例中，波长在约450nm至650nm，或甚至约500nm至约600nm的范围内。在一些具体实施例中，波长从约520nm到约540nm，例如约532nm。在其他具体实施例中，波长从约620nm到约660nm，例如约635nm或650nm。在其他具体实施例中，该器件被设计用于波长约540nm至约560nm(例如，约552nm)的光的最佳透射。在一些实施例中，可以同时在器件内传输多个波长的可见光。最近已经报道了用于传输可见光波长的包括集成光栅耦合器的氮化硅波导器件。Romero-Garcia等人(2013)Opt.Express 21,14036。因此，在一些实施例中，波导芯材料是氮化硅。在其他实施例中，波导芯材料是在本器件中使用的波长处具有甚至更高折射率的材料，例如钛氧化物(诸如二氧化钛(TiO2))。这种较高折射率材料也优选地显示较低的自发荧光。
在一些实施例中，本器件的光栅耦合器可以是光束聚焦耦合器。具体而言，为了避免与大覆盖区、低NA光栅耦合器的模式大小(其中模式大小可以例如为50μm)减小为照射纳米级样品孔的有效的模式大小(例如模式大小是0.5μm)相关的较长锥形，耦合器的形状可以从矩形(从顶部看)变成锥形(从顶部看)以形成超紧凑式聚焦光栅耦合器。在图3I中示出一个这样的示例性耦合器设计的俯视图。
光束聚焦耦合器可以将光栅线弯曲成焦点位于光栅-波导界面处的一系列共焦椭圆。因此，光学模式可以以更小的距离(在一些情况下，约几百微米)直接从光栅聚焦到波导中。如图3J和图3K所示，这两个图是耦合器的俯视图，光栅耦合器与集成波导芯之间的过渡区域可以例如是锥形波导(图3J)或平板波导(图3K)。在每种情况下，弯曲的光栅线将光聚焦到集成波导的孔径中。在这些图中还确定了两个相关的参数-焦距和离焦–这两个参数在光束聚焦耦合器的设计中非常重要。此外，如图3K的平板波导过渡区域所示，由光栅耦合器瞄准的集成波导的孔径可以是宽度更宽的锥形以实现最佳耦合。图3L示出示例性聚焦光栅耦合器的横截面轮廓，其指示各层的优选化学组成和各种特征的示例性尺寸。
就这一点而言，对于耦合器是聚焦光栅耦合器的一些靶点波导器件实施例，聚焦耦合器的焦距可以在150μm到500μm的范围内，并且可以更具体地是约170μm。在一些实施例中，本光栅耦合器的聚焦耦合器的离焦在0至10μm的范围内，并且更具体地为约0μm。在一些实施例中，聚焦耦合器的孔径宽度在1μm至5μm的范围内，并且更具体地约为3μm。在一些实施例中，聚焦光栅耦合器的波导锥形长度在50μm至200μm的范围内，并且更具体地约为75μm。在一些实施例中，本光栅耦合器的耦合角度在10度±2度的范围内。在具体设计中，耦合器是焦距＝150μm，离焦＝0，孔径宽度＝3μm的平板耦合器。
此外，可以以任何合适的方式来组合靶点波导器件的上述设计特征和参数，以使耦合效率最大化。上述结构的设计和制造在本领域普通技术人员的技术范围内。在上面提供的参考文献中描述了示例性的光栅耦合器。也已经报道了具有光栅耦合器(包括聚焦耦合器和具有反射金属层的耦合器)的其他示例性波导器件。参见例如等人(1997)Applied Optics 36,9383；van Laere等人(2007)J.Lightwave Technol.25，151；van Laere等人(2007)DOI：10.1109/OFC.2007.4348869(光纤通信与国家光纤工程师大会)；美国专利No.7,283,705。然而，应该理解的是，这些参考文献中公开的耦合器通常被设计为用于来自高NA光源(而不是来自低NA光源)的最佳耦合。
具有对准特征的靶点波导器件
在一些实施例中，本公开的靶点器件和系统包括以下特征：提供光源与靶点器件之间的自由空间耦合，同时保持空间中各部件达到亚微米精度的对准(包括角度公差)。从安装起传递到分析系统的干扰(诸如震动和振动)可能会导致实质亚微米级的对准误差。已经在一些现有技术的分析系统中使用体积庞大且昂贵的气动隔离来防范这些被动干扰。这种被动方法的替代方案是使用积极防范，即通过估计对准误差、并且控制校准、并且根据物理伺服系统的特定响应进行可能的迭代。这种对振动的积极防范可以很小、成本低且高效：然而，这种积极防范需要误差信号。在感兴趣的时间尺度上，一些现有技术的仪器中使用的用来估计误差的图像相关方法不够快。基于抖动(或干扰和观察)的爬山法(Hillclimbing)需要更高的带宽、更昂贵的制动器、或者不够快。
本文公开的动态对准方法涉及一个或多个对准特征，其可以低成本地并入光学分析系统内的靶点波导器件中。这种对准特征与分析系统内的对准检测器(诸如对准照相机)组合使用，以提供对准误差的连续估计，因此能够实现低成本的制动和检测系统。
在一些实施例中，对准特征采取额外的光栅耦合器的形式，其可以与用于将主泵浦功率耦合到该器件中的光栅耦合器设计成相同或不同。光栅耦合器将输入光信号耦合到相关的对准波导中。各个光栅耦合器可以布置在至少一个(通常是2个)，有时被布置在更多的位置处，以更好地估计放大率、滚动和其他误差。对准结构检测来自指向靶点波导的一个或多个对准光束或“支腿(outrigger)”光束的光。对准光束通常从与一个或多个样品激发光束(即，靶向分析样品的光束)相同的光源发出，使得对准光束的位置可以用作该一个或多个样品激发光束的位置的代替。
对准波导的输入耦合器将来自指定光束的耦合光引导到指定的输出耦合器，所述输出耦合器可以是或者可以不是光栅耦合器。这些输出耦合器应该易于彼此区分，以便可以针对每个输出耦合器来唯一地估算输出功率。例如，在使用低NA外部照相机作为检测器的情况下，间距可以是150μm。
然后可以通常用简单的公式将为每个输出器件估计的输出进行组合，以形成(被指定为)跟踪误差信号(TES)。对于每一个感兴趣的维度，这个TES都可以被转换成命令来对当前未对准状态进行计数。在图4A中示出对准耦合器连同其相关的对准波导和输出耦合器以及样品激发耦合器连同其相关的样品激发波导或“测序”波导的示例性布置。如所示，该示例性靶点波导器件包括两个三个一组的对准波导，在图中示出为顶部的三个耦合器/波导的组合和底部的三个耦合器/波导的组合。每个三个一组的对准耦合器由单个光输入端来照明，如图中的圆形阴影区域所示，使得穿过每个波导的一部分光取决于光输入端与每个对准耦合器的对准。通过照相机或其他合适的对准检测器件来监测来自顶部三个一组的对准波导中的各对准波导的输出(被指定为A1、B1和C1)以及来自底部三个一组的对准波导中的各对准波导的输出(被指定为A2、B2和C2)，以产生TES。如果在测量过程中光源和靶点器件相对于彼此移动，则显然的是，由每个三个一组的波导产生的TES将改变。通过监测TES值，可以保持对准，并且可以使未对准逆转。出于本公开的目的，三个一组对准输入耦合器和输出耦合器及其相关的对准波导中的每组应当被认为是单个对准特征。
还在图4A的器件中示出样品激发耦合器，在这种情况下，在两个三个一组对准耦合器之间制造样品激发耦合器。样品激发耦合器用于将输入光束的光能通常经由该器件的扇出区域传送至该器件内的分析纳米级样品，在图4A中所述输入光束被示出为每个耦合器内部的圆形阴影区域。扇出区域将输入的激发信号分至更多数量的分离波导，从而传送到该器件中的纳米级样品孔阵列。与每个输入耦合器相关的一个或多个样品激发波导还可以用于监测输入到样品激发输入耦合器中的光能的功率水平。这些功率监测波导可以将其光信号传送到输出耦合器，以由功率输出检测器进行监测。在一些实施例中，例如如图4A的器件所示，在图4A中的“测序WG”的端部，功率输出监测耦合器被标识为圆形阴影区域，功率输出监测耦合器位于对准波导输出耦合器附近。在这些实施例中，可以使用单个检测器(例如单个照相机)来同时监测对准波导信号和样品激发波导的功率输出监测信号二者。
在图4B中更详细地示出了对准波导的各输入耦合器和样品激发波导的输入耦合器(被标记为“低NA输入耦合器”)。在该示例性器件中对准特征的光输入是1％的光束，也就是说，对准光束携带了到达该器件的所有组合光束的约1％的功率。样品激发耦合器的光输入是全功率光束，也称为“测序光束”或“泵浦功率光束”。在图4A中由这些光束照射的覆盖区被示为阴影圆形，在图4B中由这些光束照射的覆盖区被示为空心圆。在图4B中还示出了示例性输入耦合器的近似尺寸。
在图4C中示意性地示出靶点波导器件中的对准特征的另一示例性布置。该器件包括可以用作对准特征的两个“图案化”或“斑点”区域(460)。这些特征可以独立于以上在图4A和图4B中描述且在图4C的器件中示出的对准特征来起作用，或者除了以上在图4A和图4B中描述且在图4C的器件中示出的对准特征以外，这些特征也可以起作用。可以由对准光束照射图4C的器件上的图案化区域，各图案化区域在图中被标识为阴影圆形(470)。如前所述，优选地对准光束携带了其他光束的约1％的功率。因此可以通过分析器件内的照相机或其他检测器件来观察和监测被照射的图案化区域，以建立和/或维持光源与靶点波导的对准。如刚刚所提到的，图4C的靶点器件还包括上述对准特征中的两个，所述对准特征包括三个一组的对准输入耦合器(462)及其相关的对准波导(464)、及其相关的对准输出耦合器(466)。对准输出耦合器通常是高数值孔径的输出耦合器，其可以从上方通过对准检测器(诸如对准照相机)来监测以促进光源与靶点波导器件的对准。
图4C还示出了四个阴影圆形(472)，其表示由来自光源的样品激发光束照射的光斑。如本公开其他地方详细描述的，这些全功率光束经由自由空间、优选地使用低数值孔径耦合器而耦合到该器件。如图所示，在靶点器件的这个实施例中，耦合器将来自光源的输入光能引导到锥形集成波导中，所述锥形集成波导被引导通过“扇出”区域以将样品激发光束分成更大数量的分离样品激发波导，在这种情况下，每个输入光束有10个分离波导。分离波导最终将输入光能传送到排列在该器件上的纳米级样品孔。在图4C的器件中，如上所述，与每个耦合器相关联的10个分离波导中的一个被引导至用作功率监测耦合器的输出耦合器(474)。该耦合器可以由外部检测器(诸如检测照相机)观察，以监测穿过激发波导的功率水平。如果在测量期间光源的功率输出改变，或者如果丧失了光源与靶点波导器件之间的对准，则功率监测耦合器可以向系统提供即时反馈。
图4D示出了另一个示例性靶点波导器件(480)。该器件包括器件左下角的输入耦合区域(481)和器件主要中心上部的大阵列纳米级样品孔区域(490)。输入耦合区域可以进一步包括对准特征，如上面详细描述的。图4D还示出了两个样品激发波导路径，一个路径在低NA输入耦合器482处开始，另一个路径在低NA输入耦合器484处开始。输入样品激发光束耦合到这些路径中，并且通过输入耦合器482的顶部扇出区域(483)或者通过输入耦合器484的底部扇出区域(485)而被引导至纳米级样品孔。在各扇出区域内，激发波导被分开多次以产生分离激发波导的阵列，以将光能传送到纳米级样品孔。如在共同拥有的美国专利申请No.62/133,965和No.15/072,146中详细描述的，可以通过调节来自不同耦合器的光输入的功率水平或者通过以其他方式调制光信号来补偿输入到不同耦合器中的光能所遇到的不同路径长度以及由不同激发波导路径导致的不同传播损耗。图4D的示例还示出可以可选地由同时从两个不同方向通过相同激发波导传输的光能来激发纳米级样品。如该图所示，如果需要，从输入耦合器482传送的光和从输入耦合器484传送的光可以从相反的方向通过其相关的阵列波导而被引导到相同的纳米级样品孔。
图4E示出了本公开的光学分析系统，其包括具有在该部分中描述的至少一个对准特征的靶点波导器件。该系统包括由一个或多个激光器、光束功率控制器和“光刷”组成的光源，其可以对应于共同拥有的美国专利申请No.62/133,965和No.15/072,146的光传送器件之一。该系统还包括对准照相机；集成检测器部件，包括用于检测来自排列在靶点器件上的纳米级样品孔的光输出的“像素”阵列；以及“传感器读出”部件，接收并分析来自检测器的信号。由激光器发射并穿过光束功率控制器和光刷的一个或多个光束被表示为照亮靶点器件上的输入耦合器的粗箭头。光输入耦合到该器件中并且被引导到该器件内的一个或多个集成波导，如由较小箭头所示。可选地可以将光输入引导至一个或多个对准波导和/或一个或多个功率监测波导。图中示出了对准照相机，其接收来自该器件远端处的输出耦合器的、甚至在附图中用更小箭头所示的光输出。这些耦合器可以用来输出来自对准波导和/或功率监测波导的光。还应该理解的是，额外地或可替换地，对准照相机可以接收来自靶点器件表面上的其他对准特征(诸如一个或多个图案化区域、基准点或其他参考标记)的光信号。通过样品激发波导传播的光能照射阵列纳米孔中的样品，并且从样品发射的荧光被引导至测量输出信号的检测器层中的适当对准的像素。
图4F以图形形式示出了图4E的光刷是如何使用上述对准特征中的任意一个与本文公开的靶点波导器件进行对准的。具体而言，该图示出了在光源与靶点器件的对准期间，可以被监测和调节的自由度。如图所示，飞机象征着相对于靶点器件的三个旋转维度，并且“单元表面”对应于靶点器件的表面。除了图中所示的作为俯仰、偏航和滚动(或模式旋转)的旋转运动之外，光刷和靶点器件可以在x、y和z坐标空间中相对于彼此运动。这些运动中的两种运动在图中显示为“沿径”(AT)和“交径”(CT)运动。在附图中未示出的是，用来改变光刷和靶点波导之间距离的上下运动。如插图所示，“滚动”轴上的旋转使输入光束围绕特定轴旋转。在这个特定示例中，光刷提供了12个独立的输入“子束”。照明图案的每个端部处的两个子束是低功率对准子束。沿器件表面上的输入耦合器的线，这些子束在器件上的靶点被示为较小的圆形。
因此，如上所述，可以出于各种目的以各种方式布置本公开的对准特征。例如，如上所述，对准特征可以被布置使入射功率归一化。同样如上所述，对准特征可以以一些效率作为代价来用作泵浦功率光栅耦合器。另外，输出监测器件可以是光栅耦合器，或者可以是被配置为将光重新引导至对准检测器(诸如照相机)的其他器件。
此外，耦合到对准光栅耦合器中的光可以具有与泵浦功率相同的波长，但不一定具有与泵浦功率相同的波长。同样地，根据需要，偏振、输入角度(和输出角度)可以不同于泵浦光栅耦合器。对准光栅耦合器中的光可以与泵浦光栅耦合器相干或不相干。
因此，在一些特定实施例中，对准特征可以包括一个或多个波导。在更特定的实施例中，对准特征可以包括多个低功率波导抽头或高功率光束抽头。在其他实施例中，对准特征可以包括参考标记，例如基准图案化区域或其他类型的图案化区域。在印刷电路板制造和计算机视觉领域中，在光学分析系统的不同部件的对准中使用参考标记是公知的。参见，例如美国专利No.5,140,646和No.7,831,098。在分析测定开始之前，光学系统可以使用通过对准检测器监测本器件的对准特征而获得的位置信息，以相对于彼此来定位光源和靶点器件。如本领域技术人员将会理解的，还可以在测定过程中使用位置信息，以通过反馈回路来动态地维持光源和靶点器件的位置。
具有改进的功率处理的靶点波导器件
在一些实施例中，本公开的靶点波导器件包括具有改善的功率处理能力的光栅耦合器。具体地，限制可通过光栅耦合器耦合的光功率量的一个关键因素是在高光功率密度的聚焦光束附近的峰值局部温度的上升。在对于光耦合性能以及典型材料和设计而言合理的参数的情况下，即使输入功率适中(例如，可能远低于1W)，耦合器下方区域中的局部温度也可以迅速达到可能损害性能或造成物理损伤的水平。
实际上，虽然存在光栅耦合器作为微加工的集成光子电路中自由空间或光纤输入端与波导之间的接口的各种示例，但是当这种耦合器用于传输大量的光功率时，可能会出现问题。尽管理想的耦合效率是不可能实现的，但是在所报道的最佳耦合效率在50％范围内(即，-3dB)的情况下，大部分入射功率不会耦合到波导中。然而，即使大部分未耦合的功率从耦合器附近反射或散射，一些局部吸收也是不可避免的。随着输入功率的增加，在紧聚焦光束的局部吸收附近的温度可能上升到可能影响耦合器性能或造成物理损伤的程度。
然而，如本文所述，通过降低有限吸收区域与微加工部件块体之间的局部热阻，可以耦合更高的输入功率，而不损害或影响耦合器性能。对于荧光应用来说，这意味着可以利用更大的泵浦强度来提高信噪比性能，并且可以检测更大面积或数量的样品区域。另外，对于本靶点器件和系统来说，由于热限制可能需要多个输入端口，从而允许每个输入端口有更多的功率，这允许减少输入端口的数量，从而简化了光学系统和相关的靶点器件。
因此，在本发明靶点器件的光栅耦合器中，可以在光栅下面制造具有相对较高热导率的材料层，以改善器件内的横向热传导，从而降低峰值温度。
如果耦合器的设计包括光栅下方的反射层(可选地，在其间具有一些底部包覆层材料)以提高耦合效率，那么导电层可以位于材料层的正下方并与其接触，所述材料层与底部包覆层形成反射层界面。取决于材料，耦合器下方的导电层和底部包覆层之间的界面本身可以形成反射层，例如，在用于可见波长应用的SiO2和Al之间的界面的情况下。
为了起到有效的散热器的作用，导热层应具有比纯粹光学目的所需厚度(在特定实施例中可以仅在10nm左右)更大的厚度。在一些实施例中，热扩散层可以是10nm至1000nm厚。在更特定的实施例中，该层可以是20nm至500nm厚。在甚至更特定的实施例中，该层可以是50至250nm厚。可选地可以在导电层上方设置电介质叠层以便进一步降低吸收并因此降低热负荷峰值。
具体地，在一些实施例中，可以改变用于光栅耦合器制造和光栅耦合器具体设计(例如，二元光栅、闪耀光栅、聚焦光栅等)的工作波长、数值孔径/模式大小、材料。此外，可以改变用于制造散热器的材料和工艺细节，例如，任何适当工艺兼容的充分导热材料可以用于散热器。例如，根据工艺技术，可以使用铝、钨、碳化硅、铜、铟、锡、氮化钛等。在具体实施例中，导热材料是铝。可以在散热器上方提供额外的薄膜层以调整光学性能(例如，针对特定波长的反射和吸收、偏振等)。
可以改变散热器的具体尺寸(例如，横向范围和厚度)以适应相关的设计约束，包括光子电路几何形状、材料和期望的功率。尽管在光栅耦合器下方的反射层可以由具有相对较高导热率的材料制成并且因此本身可以在一定程度上作为散热器，但是从光学角度来看，这种反射层所需厚度可以非常小(例如，10nm至100nm)；在这样的厚度下，作为散热器的性能相应地有所限制。当层厚显著大于光学目所需的厚度(例如，100nm至1μm或更多，这取决于所使用的几何形状和材料)时，散热性能可以得到显着提高。
在图5中详细示出示例性的靶点波导结构，其中图5A和图5B的结构不包括散热器，并且图5C和图5D的结构包括光栅结构下方的散热器。图5B和图5D所示的结构还包括耦合器下方的反射层，以改善如上所述的光耦合效率。
通常，散热器将从光栅下方的区域延伸到芯片的边缘，其与载有该芯片的载体热接触。与载有该芯片的载体的接触允许将芯片上的热量从芯片上转移出来用于热量管理。在一些情况下，载体具有与芯片上的散热器热接触的散热件。在某些情况下，为散热件提供有源冷却。散热器也可以用作(或以下被用作)吸收界面，而不是在光栅耦合器下面的反射界面。例如，这在工艺公差不足以保证光栅耦合器处的入射光束与底部包覆层下方的反射层之间的期望的相位关系的情况下可以是有利的。在这种公差不足的情况下，由于工艺变化，耦合效率可能会不理想地变化。在这种情况下，对于给定的耦合功率，预期吸收的热负荷会更高，因此热缓解手段变得更加重要。
为了便于描述，本文的术语“上方”和“下方”指的是对于输入光束从叠层的顶部入射的情况下的各层的相对位置，如通常描述的那样。然而，在一些实施例中，可以使用倒置的叠层，在这种情况下，光束从下面入射。在这种情况下，散热器仍然可以用于横向散热和/或帮助从叠层顶部提取热量。
下面的示例6从实验上证明了热扩散层在减轻本器件和系统中通常使用的功率密度下的激光损伤方面的益处。
有源波导耦合
根据另一方面，本说明书提供了包括光源和靶点波导器件的光学系统，其中将来自光源的光能有源地耦合到靶点器件。在包含光源和靶点波导或光纤器件的传统光学系统中，使用永久耦合或连接化耦合来关联这些部件。例如，在靶点光学器件被包含在集成光学芯片内、被埋在地下、或以电信电缆被串在海底的系统中，靶点器件与一个或多个输入源(例如，激光器二极管、LED等)仔细对准，并且靶点器件被永久地固定在适当位置。这个过程昂贵、耗时、并且通常需要胶水或其他永久性粘合剂。连接化方法的相似之处在于：需要将连接器与靶点器件仔细对准。另外，连接化连接通常由操作人员手动完成。
本文描述的有源耦合方法不同于传统耦合系统之处在于：其涉及容易插入光学系统并容易从光学系统移除的靶点波导器件。靶点器件在插入系统后尽快与光源耦合的情况下，在快速循环时间方面还有额外的优点。虽然连接化方法显然比永久耦合方法更适合这种类型的操作，但连接化方法通常需要人为干预才能建立连接。在电信系统的情况下，该连接化还会给系统增加大量成本，通常每个连接器100美元。
有源耦合策略可用于本文所述的任何耦合系统。有源耦合策略通常包括激光路径，其包括机动光束控制(在某些情况下还有机动对焦)，并且还优选包括反馈回路。在共同拥有的美国专利申请No.62/133,965和No.15/072,146中描述了简单的反馈回路。例如，可以使用在靶点波导器件内制造的波导抽头来从导引模式中分出少量的激光功率，并且可以将抽出的功率路由到方便的位置以供照相机或其他检测器采集以监测和调节通过系统的光耦合。可替换地或另外地，光不一定需要明确地耦合出器件以提供反馈。取而代之的是，朝着特定波导区域取向的摄像机可以以与通过量化沿着波导的散射损耗来估计波导耦合损耗相同的方式来确定波导内的光量。
用于监测耦合的另一个闭环反馈替代方案是将检测器集成到波导本身。尽管这种方法可能使靶点器件的制造复杂化并且可能增加成本(例如，混合倒装芯片方法是普遍的但是昂贵的，而单片方法需要导线)，但是这种集成的检测器在本领域中是已知的。
对于任何有源耦合系统，理想地，光源可以在x方向、y方向和/或倾斜/倾侧方向上可操纵，并且额外地可以调焦。在特定实施例中，可以有利的是，响应于在闭合反馈回路中测量到的耦合效率，来将更复杂的光束整形应用于光源光束。这种对光输入的有源控制使得在仪器内放置靶点波导器件的仪器公差、靶点器件封装公差和衬底公差以及波导对准公差(例如，掩模对准)放宽要求。波导形状和尺寸的制造变化也可以通过具有闭环反馈的自适应光输入来放宽要求。最后，通过闭环自适应光耦合，仪器漂移公差可以显着放宽。
可以独立地使用各种耦合方法来将光信号输入到靶点波导器件中。可以附加地或可选地不受限地使用这些方法，以将离开该器件的光信号耦合至例如一个或多个光检测器等。用于耦合的三种经典方法包括横向耦合或端面激励耦合、棱镜耦合和光栅耦合。关于其在光学分析系统中的应用，这些技术中的每一种都具有某些优点。具体地，横向耦合在靶点器件上需要很小的空间或者不需要空间，并且提供高水平的整体耦合效率(70％-90％)。然而，横向耦合需要抛光靶点波导器件的侧面，这会影响该器件在光学系统内的封装，并且可能需要靶点器件在三维上的对准很敏感。棱镜耦合也显示出较高的耦合效率(50％-80％)，但是该方法需要将高折射率棱镜引入系统封装中，需要靶点器件表面上的空间以及需要靶点器件相对于棱镜倾斜的对准。标准光栅耦合效率可以相对较低，但是在特定光栅轮廓和入射光束能量分布的情况下，效率得到显着提高(达到90％)。光栅耦合也需要靶点器件表面上的空间，并且对光源和靶点器件之间的倾斜对准很敏感。
如将在示例中进一步描述的，光学系统的整体耦合效率被定义为
η＝ηinstrument·ηtarget device·ηoptical source
其中，仪器耦合效率(ηinstrument)描述了导引模式下的功率与传送至仪器的靶点器件的总功率之比，其中分母包括以衬底模式或其他形式未耦合到靶点器件的未使用功率：
其中靶点器件耦合效率(ηtargetdevice)描述了导引模式中的功率与耦合到该器件的总功率之比，其中分母包括衬底模式下的功率，必须阻止该功率到达任何检测器元件：
并且其中，光源效率描述了耦合到各引导层中的光的部分，所述各引导层可以成功地耦合到单独的通道波导：
在集成系统中，通常认为ηtargetdevice的值和ηopticalsource的值比ηinstrument更重要，因为这两个值表示在靶点波导器件内部散射的光，其可以增加背景信号，并且因此对激光抑制滤波器和其他背景缓解策略施加压力。仪器的低效率可以通过改变仪器设计来补偿。在下面的示例2中提供示例性靶点波导设计和耦合效率估计。
多模集成耦合器
根据另一方面，本说明书提供了多模集成光耦合器件和包括这种器件的光学系统。如上所述，靶点波导器件通常包括耦合到光源的有限数量的光输入端。进入该器件的光能通过波导、经由在靶点器件的“扇出”区域内制造的分束器而被引导到器件内的感兴趣位置。然而，本公开该部分中公开的器件包括多模耦合器元件。在这些器件中，多模耦合器元件的作用不是将光路由到单独的输出波导，而是将光分布到纳米级样品孔所在的预先规划的“热点”。
多模耦合器件的设计允许热点的间隔、位置、数量和相对亮度的灵活性。多模耦合器是一项成熟的技术，已经有了大量的工艺开发和设计方法。在图6中示出了示例性的1×8分束器装置的照片。其中在器件表面上的阵列图案中的热点清楚可见。纳米孔可以相应地放置在每个热点的顶部。
这种多模器件的设计空间非常灵活，器件被设计成具有不同间隔和强度。具体地，在一些实施例中，器件被设计来显示对激光功率更有效地利用、较低的传播损耗、较低的自发荧光，从而允许纳米孔的更灵活的布局，并且使用芯片上更少的空间以进行路由和/或分离。在一些实施例中，扇出并照亮特定数量的波导，但是波导终止于多模耦合器结构中。在特定实施例中，该结构是正方形或矩形的，或者可以是更高效地使用空间的另一种结构，例如具有更大的填充密度。多模耦合器的使用可以部分或完全消除扇出区域中所需的大型级联分束器，所述大型级联分束器用于将单个输入波导分成数千个或更多个分离的波导，来将光传输到纳米级样品孔。
在一些实施例中，多模耦合器被设计成提供变化的强度。例如，该强度可以被编程以补偿散射损耗、传播损耗、纳米孔损耗等。
在一些实施例中，器件被设计成提供可编程激发。这样的器件类似于经典的波导照明，其中光学开关被实现为打开和关闭芯片的不同区域。在一些实施例中，器件被设计成提供可变的激发。正如在经典的波导照明中使用的那样，可变光衰减器(VOA)可以被集成到不同的线路中以提供对不同组的纳米孔处功率密度的调节。这种可变激发可以用于“每芯片SNR”的最优化，其中其可以用来调节来自特定芯片的子部分的初始结果之后的功率输出。也可以用多种激发功率对芯片进行编程，并同时采集激光滴定曲线的不同优化点处的数据。
所有的上述光学特征可以使用传统光具组以及经典的波导照明方法来实现，但是使用多模耦合器件来实现要简单得多。另外，多模耦合器克服了传统光耦合器件可能出现的一些问题。例如，由于波导模式之间的干扰，按照期望将输出波导紧密地放置在一起是很困难的。自发荧光还可能限制经典波导器件的潜在SNR。因为，经典波导器件中使用的分束器在器件上需要大量空间，所以所述分束器还可能存在问题。因为每个阶段都在不同分支中增加可变性，所以传统的分束器也可能限制器件的准确性。
纳米孔高效激发的偏振方案
根据另一方面，本说明书提供了用于优化光学分析器件中阵列纳米孔的激发的方法和器件。如上所述，利用激光来激发通常在金属纳米结构附近的分析反应(优选固定化单模板/DNA聚合酶测序反应)。在这样的系统中，光源的偏振是实现设计的重要考虑因素。在典型的系统中，由于光具组的性质，输入光是线性偏振的。然而，在大多数情况下，不同的偏振会更有效率。更高的效率导致更好的激发均匀性和更低的激发功率要求。更好的均匀性改善了分析反应产生的数据的质量，而较低的功率需求转化为较低的自发荧光和较低的发热。
在上述集成靶点器件中，由该器件内的光源(通常是激发波导)来照射纳米孔。纳米孔优选为圆柱形，其中内壁通常由金属层形成，并且纳米孔的底部通常是玻璃/水界面。如本领域已知的那样消逝电场向金属中的穿透随着光源的偏振而变化，并且相应地，由于包围纳米孔的金属层，因此对于激发该种器件中纳米孔的瞬逝场，存在强烈的偏振依赖性。当诸如DNA聚合酶之类的酶固定在纳米孔内的特定位置时，因此来自光源的电场的强度根据纳米孔内的固定化酶(因此根据荧光靶分子)的位置而显着变化。
本发明人已经发现，激发光的简单线性偏振通常在金属纳米孔内提供相对较差的场均匀性，但是可以通过替代偏振的方法来改善均匀性。具体而言，对于使用线性偏振的激发光的一些系统，在与激光线性偏振偏振(0°和180°)对准的各边缘位置与正交于偏振方向(90°和270°)的各位置之间，激发能量的衰减可能是两倍。例如，如图7所示，位于位置1或位置2处的纳米孔(即，ZMW)中的靶分子在被线偏振激光激发时经历高激光电场，而位于位置3或位置4处的靶分子经历显着较低的电场。在图7中还示出表示沿着x和y坐标的电场中的估计衰减的曲线图。比较而言，圆偏振光将激发场的变化降低了一半。应该理解，荧光信号随激发电场呈二次曲线变化，因此激发场的非均匀性的影响可能是显着的。
作为替代方案，如果用圆偏振光来激发纳米孔，且在纳米孔中心的峰值电场位置与边缘相比仍然存在衰减，则该衰减是径向的并且不是很深。相应地，如图8所示，位于位置1、位置2或位置3的纳米孔中的靶分子在被圆偏振光激发时将经历类似的电场。还应该注意，其他系统性能指标可能会以不同的方式受到靶分子位置的影响，激发场的均匀性增加只是提高系统性能的一个因素。然而，转换为圆偏振光消除了作为纳米孔内的方位角和径向位置的函数的显着因素，并因此降低了激发水平的总体变化。
取决于特定的光学系统，激发子束从线性偏振到圆偏振的转换可能更复杂或不复杂。对于相对简单的情况，例如在传统光具组中提供激发光束的情况下，例如可以通过在激光路径中的准直位置处简单地添加四分之一波片来实现该转换。这种修改将该光斑处的光从线性偏振转换为圆偏振。然而，由于反射和不对称的滤光器，纳米孔处的最终偏振将稍微不同。然而，如本领域普通技术人员将理解的，如果系统中的透镜和滤光器的光学设计细节是已知的，则导致纳米孔中真正的圆偏振的一个或两个波片的合适设计是简单的。
对于更复杂和紧凑的光学系统，例如，如上所述的经由波导来传输光学信号并且在使用金属的情况下，为了限定激发体积并提供激光场强度的增强，在空间上场强可以依赖于偏振方向。光波导通常是偏振的，具有彼此正交的两个可能的取向(TE和TM)。平板波导可以组合TE模和TM模，使得TE模可以用于传播一个激光波长(532nm)，而TM模可以用于传播第二波长(642nm)。然而，为了本公开的目的，可以使用平板波导来在波导中产生圆偏振或者近似圆偏振。这种方案或甚至更复杂的偏振方案在涵盖了由该波导照射的样品中的所有可能靶分子位置的电场中提供最大的均匀性。图9提供了表示不同TE模下靶分子位置对激发的影响的示意图。
此外，尽管波导通常被设计用于传输TM或TE模，但是存在第三独特模式定义-TEM，其可以用于将光能传输到靶点器件中的阵列纳米孔。例如，在所有包覆层方向上具有相同折射率的正方形嵌入式波导可以同时支持TE和TM传输两者，并且如果对称性是理想的或接近理想，则TE和TM将具有相同的群速度。类似地，TEM模可以用于最小偏振各向异性，并且通常可以相当普遍地构建混合模式以匹配期望的偏振配置。图10示出了这些模式如何可以与不同的群速度组合以在波导中创建期望的电场模式。
多视方法和多热启动方法
根据又一个方面，本说明书提供了用于高度阵列光学分析的装置和系统，其中靶点纳米孔不一定被同时照射。在其它方面，在靶点纳米孔内发生的分析反应可能不一定在所有纳米孔中同时开始。
在一些实施例中，本集成靶点器件涉及每个芯片的单个测序实验，并且同时照射该器件上的所有纳米孔。然而，在其他实施例中，每次只有一半的纳米孔被照亮。在其他实施例中，每次照射三分之一、四分之一或更少的纳米孔。
在一些实施例中，单个“热启动”同时启动所有纳米孔中的聚合酶活性。在其他实施例中，在给定靶点器件上，启动聚合酶活性达2次、3次、4次或甚至更多次。聚合酶活性的启动可以以各种方式触发，例如通过加入酶促反应的基本组分，例如在DNA聚合酶催化反应中最初不存在于样品中或最初以有限量存在的四种核苷酸之一。在一些实施方案中，聚合酶活性是通过释放捕获形式的基本组分或者通过活化其它非活性形式的组分来触发。在这些实施例中，基本组分可以是例如DNA聚合酶反应所需的四种核苷酸之一，或者可以是DNA聚合酶本身。
本文公开的多视概念和多热启动概念解决了使用集成波导器件测量纳米级分析反应的一些挑战。例如，波导芯材料中的自发荧光、与激光阻挡滤光器的有限设计空间相结合的激光散射光水平、由于不良耦合效率导致的对耦合垫的加热、以及所需的大激光功率都可能是有问题的。除了波导照明方案以外，计算带宽也是一个重要的工程问题。所有这些问题的品质因数除以多视方法中的视数(例如，如果单视需要10W激光，则双视需要5W；如果单视中的自发荧光水平是X，则在双视中是X/2，等等)。虽然使用多视方法可以减少仪器的通量，但也可以降低仪器每次分析反应的成本，还可以简化/降低仪器的成本。
就波导照明而言，存在几种实现多视激发的方式。以仪器为中心的方法是在靶点波导器件上包括多个光学输入端，并且每次将输入光束瞄准在这些输入端之一上。图11示出了如何用两种基本耦合方案来实现这种方法。具体而言，图11A将包含光栅耦合器的靶点波导器件的单视设计(顶部)和三视变型(底部)相比较。在三视变型的情况下，将单个输入光束依次对准三个单独的输入光栅耦合器，以便分别沿着“视角1”波导、“视角2”波导和“视角3”波导来激发样品。图11B示出了采用端面激励耦合的靶点器件的相应的单视(顶部)和三视(底部)设计变型。没有示出采用棱镜耦合的靶点器件的相应设计，但该设计将类似于图11A的光栅耦合器件所示的设计。具体地，在棱镜耦合器件中，图11A所示设计的输入光栅耦合器将被输入棱镜耦合器取代。
多视方法的另一个示例，特别是在仪器为靶点器件的照明提供多个光束的情况下，在图12中详细示出了这种情况。在图12A中示出具有输入光栅耦合器并被设计成与三个输入光束一起使用的单视器件。图12B中示出具有输入光栅耦合器并被设计成与三个输入光束一起使用的相应的三视器件。在每种情况下，三个输入光束在附图中被表示为位于相应器件左侧的椭圆。然而，应该理解的是，在每种情况下，实际上这些光束将照亮该器件上的输入耦合器，并分别发射到集成光波导中。可以使用棱镜输入耦合器代替光栅输入耦合器来准备类似的设计。图12C示出了与三个输入光束一起使用的三视端面激励耦合器件。该器件中的输入光束由以波导为靶点的三对会聚线来表示。在图12B和图12C中，三个输入光束各视角之间的移动由小箭头表示。
多种片上光开关也可用于实现多视概念。高效率和便宜的示例是热激活式马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)开关。由于这些开关相对较慢并且显示出不同的开/关速度，所以主要适用于切换时间为一秒或两秒就足够的仪器中。还应该注意的是，片上切换与耦合方案无关。在图13中示出了具有单个光输入端的端面激励耦合靶点器件。但是也可以设计相应的光栅耦合靶点器件和/或棱镜耦合靶点器件。如图13的器件所示，使用三个马赫-曾德尔开关来控制四个不同波导的激发，从而在该器件中提供四个独立的“视角”。在图13中还示出了单独的马赫-曾德尔开关的更详细的视图。这种开关在本领域中是已知的，并且可以容易地包括在集成波导器件的设计和制造中。
偏振也可以用于实现双视方案。有利地，与片上版本相比，偏振的使用可以需要仪器中的更少的移动部件或者更小的调节范围以及更少的基板面(real estate)。在图14A中示出这种方法的仪器级实施方式，在图14B中示出片上实施方式。具体而言，图14A所示的靶点器件包括用于在两个不同波导(“视角1”和“视角2”)之间路由光的偏振敏感分束器。光输入由仪器在偏振状态(例如，s和p)之间切换以供分束器识别。图14B所示的靶点器件包括通向简并波导(degenerate guide)的偏振保持输入波导。普克尔单元(Pockels cell)偏振开关等用于调制穿过该器件的光的偏振状态，并且下游的偏振敏感分束器在两个不同波导(“视角1”和“视角2”)之间路由光以用于传输到相应的纳米级样品孔。
波长调谐也可以用于实现多视概念。在这种方法中，仪器中的激光器是可调谐激光器，并且根据波长来将光输入路由穿过该器件。根据已建立的阵列波导光栅(AWG)技术，本文中可以使用启用大量视角的基本阵列波导光栅(AWG)器件。图15中示出了具有六个输出波导的示例性的AWG实现的靶点器件。注意，可以例如以25nm为增量来调谐激发源，每个增量指向不同的“视角”。可替换地，宽带光源(例如，LED)可以与每次选择一个波长的可调谐滤光器一起使用。波长步长大小应选择得足够小，使得差异不会对本分析反应的激发产生显著的影响。
光纤间隔集中器和光纤对准
根据又一方面，本说明书提供了损耗低且改善了通道间均匀性的光纤间隔集中器。
多通道微加工的光学器件用于电信应用中，以用于计算时的高速光学互连，并可能用于生物分析应用。光纤通常用于传输宏观尺度的信号，并且可以使用各种方式来用于耦合微加工结构与光纤之间的信号。然而，在微加工部件上的耦合结构的最小间距(该结构大致可以是光纤模的尺寸，因此在该尺度上间隔开)与光纤阵列的最小间距(受到光纤包覆层直径或涂层直径的限制，其可以是模式直径的30倍或更大)之间存在较大失配。从实际的角度来看，这意味着与光学角度相比，必须对芯片上的耦合结构贡献的更多面积，并且因此贡献更多的成本。
光纤间隔集中器(FSC)是平面微加工无源光学部件，用于为多个单独光学通道的限定好的间隔提供固定间距，所述固定间距可以比光纤阵列中的光纤之间的间隔更紧密。这种FSC的实施例在商业上可用。参见，例如来自Teem Photonics，Meylan，France的光纤间隔集中器(http://www.teem-photonics.com/fiber-spacing-concentrator.html)。将FSC用于光耦合使得耦合器在靶点微加工光学器件上的间隔更紧密，从而减少了给定数量通道所需的面积和成本。然而，这种好处是以一些光传输损耗为代价的，这种损耗在阵列中可能是不均匀的。可能需要额外的功率和潜在额外的功率控制自由度来补偿这种不均匀的损耗，这最终增加了系统成本。
从物理角度来看，FSC由三个关键部件组成：限定波导的微加工组件、用于保持光纤阵列的机械构件以及光纤阵列本身。在机械构件的后续对准和接合到波导部件之前，可以将光纤阵列固定(例如，接合)在机械构件中。
FSC构件中的大部分损耗可能是由于微加工部件中的波导结构与阵列中各个光纤芯的位置之间的空间不匹配而引起的。虽然将FSC的主要部件光刻图案化达到纳米级精度，但是光纤阵列中的光斑阵列被机械限定。光斑位置的误差可能由于用于保持光纤的V形槽阵列中的制造公差而引起的，对于也是光刻制造的部件来说，这种误差可以是亚微米，这种误差还可能是由于单个光纤的光芯包覆层同心度误差而引起的，在光斑直径的尺度上该误差可能相当大(例如，单模光纤在可见波长中的模场直径为3.4μm的情况下，同心度误差为1μm)。美国专利No.7,058,275中描述了示例性V形槽构件及其替代物。
为了减少FSC中的光通量的损失，并且为了改善FSC中的各通道之间的均匀性，有利的是，更好地控制光纤阵列与波导结构之间接口处的光纤模式的间隔。这可以通过在组装时有效控制单个光纤的位置来实现，但是同时固定许多小型光纤以用于有效对准并随后在非常有限体积(光纤间隔与光纤直径大小差不多)中进行适当接合是有挑战性的。
为了提高FSC构件中的均匀性并且减少损耗，机械构件(例如V形槽阵列)中的裸光纤可以由预对准光纤和套管构件来替代，从而可以提供更严格的同心度。参照图16，单个光纤与套管的有效对准是现有工艺，其能够在光纤-光纤链路中提供非常低的损耗。对于裸光纤，光芯与精密抛光的套管之间的同心度公差可以从1μm减小到125nm。合适的套管与光芯的对准技术可以在市场上(例如，瑞士，Losone的Diamond SA公司)买到。这种方法大大降低了FSC中光芯与波导之间的整体对准误差，从而导致均匀性提高和传输损耗降低。
该器件的各个方面可以变化，包括：
·工作波长、光纤模场直径和类型。
·FSC的输入数量-这种方法容易地应用于具有任意通道数的FSC。
·FSC中各个输入的有效对准技术的详细信息。
商业产品可提供预先对准的套管，只需稍稍改变V形槽的几何形状/间距，就可以将套管容易整合到集成解决方案中。
·设计FSC的微加工部分。
·去除FSC的微加工部分，留下带有预对准光纤的V形槽阵列。这种替代方法在大间距上提供了精确间隔的光斑阵列以用于任何合适的应用。
·V形槽阵列的材料(玻璃或硅或其他)和组装方法(例如，粘接接合或机械固定)。
光纤间隔集中器可在市场上买到，其中对于近IR的典型电信波长中的应用来说，损耗约为1dB。对于使用现有器件的可见波长来说，损耗会增加，因为对给定程度的机械未对准的敏感度随着光斑尺寸/MFD的减小而增加。这里描述的方法改善了现有FSC的通量损耗和非均匀性。
根据又一方面，本说明书进一步提供了用于光纤的对准和连接的创新方法。具体而言，这些方法涉及使用有源致动器来完成互连。这种方法成本低，易于使用。
如已知的，低功率和低功率密度光纤模式可以通过精密套管和无源配合套筒有效地耦合。然而，由于受到污染和严格公差的两重风险，高功率、高功率密度和小模场直径光纤对于无源互连来说更具挑战性。
已经使用无源自由空间互连进行耦合，损坏风险较低。但是，这些互连通常是昂贵且耗时的。对于电信应用，无源物理接触互连是众所周知的。物理接触互连不太适用于大功率可见光应用，即使是微小的污染也会导致致使光纤损坏(又名光纤熔接)的失控，或者虽然可能导致灾难性更少，但是仍然大大降低了传输。
高功率光纤使用端帽(一种熔接的非引导部分)来扩大模式并增加阈值以免受污染的损害。不幸的是，由于相同的原因，这种端帽也妨碍了高效物理接触连接器的使用。
具有端帽的光纤的自由空间互连可以在市场上买到。这种器件可以基于例如由手动导螺杆驱动的机械制动。对准光学器件可以是例如一对镜子。虽然这种方法可能是有效的，但却是昂贵的并且需要熟练工人花时间在每个光纤插入处进行对准。
另一种选择是使用有源光学元件来匹配这两种单模器件之间的扩展模式。这可以使用光学器件来创建多个光束来引导对准(例如，衍射光学元件(DOE))或其他伺服特征。诸如Varioptic Baltic 617或类似装置可以有效地匹配模式以确保高效、低成本互连和良好的耐污染性。
有源光学器件可以基于不同的致动方法(EAP、VCM、PZT等)。该器件可以基于扫描棱镜(例如，Risley棱镜对)，尽管这些棱镜可能更昂贵。也可以使用基于衍射光栅的实时或非实时方法。
集成片上系统
在另一方面，本说明书提供了包括集成光源的波导器件，其中光源被制造在波导器件内，或者在制造之后被附接到该器件。先前描述的光学分析系统通常包括与靶点波导器件物理分离的光源(或多个光源)(例如，PLC)。因此，从光源发出的光能通过自由空间而耦合到靶点器件，如上面详细描述的。然而，在一些情况下，在封装(SIP)方法中例如使用多芯片模块或系统将光源集成到靶点器件封装件中可能是有利的。这种方法在电子工业中是众所周知的，但以前没有被应用于集成波导器件(诸如在多路复用DNA测序芯片中使用的集成波导器件)。通过将激光器或其他合适的光源直接集成到芯片封装件中，每个单元成为能够照射和观察光耦合纳米孔阵列内的靶点分子的独立光学平台。
因此传统的SIP方法可以适用于本集成系统，例如通过使用倒装芯片组装技术等来改变波导器件等等，例如以直接将激光二极管芯片或其他紧凑型光源安装在波导器件上。倒装芯片接合技术已经广泛用于电子工业，包括其在光电子部件领域中更新的应用。参见例如Han等人(1998)J.Electron。Mater，27：985；Li等人，(2004)P.Elecr.C.2：1925。有利地，倒装芯片技术可以使用焊料凸块来将部件安装在互连上。在回流时由于熔融焊料的表面张力，焊料凸块可以将部件拉到位，从而便于在组装期间光学部件的对准。光源的选择将取决于系统的需求。尽管传统的激光二极管是边缘发射器，并且因此可能需要更复杂的组装布置，但是更新的技术(诸如，例如，垂直腔面发射激光器(VCSEL)技术)使得能够实现从光源到波导器件的更直接的光耦合。
对于相关领域的普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明或其任何实施例的范围的情况下，可以对在此描述的器件和系统进行其他适当的修改和调整。现在详细描述本发明，通过参考以下实施例将更清楚地理解本发明，这些实施例仅用于说明的目的而并不意在限制本发明。
示例
示例1.具有低数值孔径的二元光栅耦合器
该示例描述了具有低NA的各种二元光栅耦合器的设计、优化和建模。可以使用麦克斯韦方程的有限差分时域(FDTD)数值分析(例如使用来自Lumerical(www.lumerical.com)等的计算机软件)来对光能穿过自由空间到二维光栅耦合器的耦合进行建模。在图17A中示出这种建模的示例，其中在器件模型上方以浅阴影示出了二维高斯光源(1702)。光源内所示的箭头表示10度的耦合角。示出了箭头与表示光栅耦合器结构(1704)的矩形框相交。氧化物包覆层(1706)是围绕耦合器的固体层。波导芯(1708)表示为从耦合器延伸到左侧的细线。光能从上述结构上方穿过光栅耦合器而耦合到波导芯。图17B示出了FDTD模拟的结果，示出了光(以功率单位)耦合穿过光栅并向左下传播到波导芯。
图18总结了各种二元光栅耦合器设计的结构特点，并比较了这些设计的FDTD建模耦合效率。这些设计对应于图3C-图3F中所描述的设计。图19示出了具有不同数值孔径(NA)的、具有与图3A的结构相应结构的光栅耦合器的FDTD建模结果。在模型中改变了光束尺寸和光栅尺寸，从而与数值孔径一致。
图20示出了数值孔径对光束与光栅对的对准公差的影响。从模型中可以清楚地看出，与高NA耦合器的耦合相比，低NA耦合器的耦合效率对光源与光栅耦合器之间的对准的敏感度要小得多。
图21比较了光栅周期(A)、掩埋氧化物厚度(B)、占空比(C)和刻蚀深度(D)对耦合效率的建模的影响。如图21A所示，耦合效率对光栅耦合器周期的变化很敏感，当数值孔径减小时，耦合效率对周期的变化更加敏感。由于周期主要由在芯片制造期间光刻和掩模的精确度决定，因此可以很好地控制这些变化。还应该注意，耦合效率对周期的敏感度也显示出角公差。较小的数值孔径对应于更严格的角公差。
图21B显示了耦合效率非常依赖于底部氧化物包覆层的厚度。在所有的数值孔径值处可观察到对底部氧化物包覆层厚度的依赖性。在不受理论束缚的情况下，认为这种依赖性是由来自硅衬底的光能的反射引起的。
图21C显示了对于具有高数值孔径的耦合器，耦合效率对光栅耦合器占空比的变化相对不敏感，但随着数值孔径减小，耦合效率对占空比的变化变得更为敏感。同样，如图21D所示，在高数值孔径下，耦合效率对光栅耦合器的刻蚀深度的变化相对不敏感，但对于较小的数值孔径，对刻蚀深度变化的敏感度增加。
图22总结了使用从图19的模拟获得的参数来设计的耦合器的模拟。最下面的三行显示了在使用115nm的刻蚀深度进行模拟时，使用这些参数的结果。在图中最后一行示出了最佳的底部氧化物厚度。
示例2.估计进入模型靶点波导器件的耦合效率
该示例提供对具有Si3N4光芯的波导器件的估计耦合效率，所述波导器件的尺寸约为0.600×0.050μm，由SiO2包覆层围绕，且支持单TM0模。
耦合效率：
波导的有效折射率：
λ＝532μm，k＝1.18×10-9cm-1
β＝1.87×105cm-1
κ＝耦合系数(模式重叠积分)
最大条件：κL＝π/2
对最小曲率半径的要求：0.9mm
每次弯曲的辐射损耗：0.5dB
在图23A中示出未按比例表示的示例性波导截面。耦合效率的估计基于期望模式分布与激发场之间的重叠积分的计算。这种几何结构的场分析解决方案是未知的，但可以逼近该波导的TE0模的基本模式分布(Schlosser和Unger，基于大长宽比的假设)。在图23B中绘制了通过波导中心的电场强度(Schlosser逼近)。
示例3.进入具有抛光面的波导器件中的理论横向耦合
具有抛光面的器件的总体耦合效率是反射率损耗与模式重叠的乘积，其中自由空间耦合的反射损耗比入射平面波的反射损耗大9.6％。完全耦合需要这样的入射能量分布，该入射能量分布正好是离开波导的光的远场分布相反(inverse)。然而，对反射率损耗的更精确计算需要在这些角度上进行积分。在高NA值上的积分结果只有12.4％。在简单的方法下，器件的最佳情况的插入损耗是：
ηinstrument＝0.876
可以通过使用AR涂层来提高效率。也可以通过在靶点器件与照明源的出射面之间包括非常小的气隙(光波长的量级)来提高效率。
效率由模式重叠积分来确定：
在图24中示出了对原型耦合波导器件的模拟，其中左面板显示了简单通道波导(channel guide)的模式分布，而右面板显示了具有添加了附加纳米孔的同一通道波导。在中心顶部边缘处，对场分布的小扰动是显而易见的，但是对于耦合估计来说这种扰动被忽略掉了。
原则上，可以与模式分布非常好的匹配来产生输入光束。作为极限情况，可以假定重叠积分对于精确对准来说是非常理想的。在这种情况下，可以通过计算作为光束位移的函数的重叠积分来估计对准的敏感度。由于y方向上的约束程度比x方向的约束程度强得多，所以只能考虑y未对准。具体而言，y未对准影响的空间尺度比x未对准大了约5倍，通过利用波导输入部分在平面内缩小，可以更容易地缓解x未对准。
在图25中示出y未对准的影响，并且该影响可以从模式重叠积分来计算。在未对准达100纳米时，功率下降了约一半。如果需要较高的器件效率，或者如果需要在靶点器件的测量位置处强度漂移较小，则有必要进行有效对准。增加光束尺寸来放宽对在靶点器件的测量位置处达到特定的最小场强的机械方面的要求，也是值得考虑的，但是增加的光束尺寸不会改变下面的比例，也不会改变对给定功率稳定性需求的公差。可以考虑平顶强度分布；在这样的配置中，以“安全”范围边缘处的快速衰减为代价，避免了强度的缓慢下降。
示例4.使用棱镜耦合器的进入波导器件的理论耦合
光波导将光限制在x维度和y维度中；该限制需要全内反射，以及折射率比光芯低的包覆层。通过简单的折射耦合到靶点波导器件中是不可能的。根据以下公式，耦合的几何形状受自由空间光源光束与导引模式之间的相位匹配的约束：
假设，完全准直的输入光束的直径为W，θm是棱镜内输入光束的入射角。耦合系数κ通过与示例2中的描述类似的模式重叠来确定。耦合效率η由K和相互作用长度L来确定。最后，假设是弱耦合模式。
在精确受控气隙和波导公差、以及平顶入射光束的情况下，理论上可以在这种配置中实现100％的耦合效率。然而实际上，在实验室中已经证实了耦合效率为90％。这种效率需要非高斯光束和逐渐变小的气隙。在均匀气隙和高斯光束的简单方法中，已经证明，效率非常接近81％的理论极限。在这个示例中，这种方法所需的公差如下：
气隙：30nm
气隙变化＝0
z对准精度：50nm
y对准精度：50nm*cosθm
对于理想的几何结构，在相互作用长度处发生完全耦合。
应该理解的是，z方向上的未对准会防止完全耦合。此外，只针对平顶光束才能发生完全耦合；即使是理想的几何结构，高斯光束在理论上也仅限于80％的效率。如果效率要求放宽至60％，则公差变得更为放宽。因此，就本示例而言，
ηinstrument·ηdevice＝0.6，其中ηdevice＝0.80
已经注意到，棱镜必须具有比包覆层材料更高的折射率。这个要求是非常普遍的，但最大耦合效率和仪器配置取决于所选择的棱镜折射率。较高的折射率意味着较低的入射角(这便于仪器和器件封装的灵活性)以及较高的理论耦合效率。例如，图26示出棱镜耦合器件的棱镜折射率与输入入射角之间的关系，其中器件的有效折射率为1.58。
示例5.使用光栅耦合器的进入波导器件的理论耦合
对于简单的光栅结构，光栅耦合靶点器件的效率基本上比横向耦合器件或棱镜耦合器件的效率低了通常10％。值得注意的是，光栅耦合器缺乏棱镜耦合的主要优点，这使得入射能量大部分被限制在单一模式。具体来说，零阶能量通过光栅耦合器直接进入衬底，许多非零阶的能量也是如此。另外，没有内全反射就意味着强耦合，每个波导模式在光栅下面都有一套完整的空间谐波，而光栅本身的阶数较高。通过制造复杂的光栅分布，可以提高光栅耦合器的效率。例如，可以将较高效能输入至一个能量阶来改善耦合。此外，z和y的机械公差与棱镜耦合的情况非常相似，不同之处在于，在光栅的情况中，由于光束未对准，光会更快地耦合到衬底模式中。
周期为d的光栅的基本相位匹配条件是：
可以在大范围的角度和光栅周期上实现相位匹配，所以严格来说，在选择光栅周期上存在灵活性。然而，仪器方面的考虑支持更大的入射角，而靶点器件空间的考虑支持更小的入射角。图27示出了该示例的器件的光栅周期与输入入射角之间的关系，其中器件的有效折射率为1.58。
表2.用于三种示例性耦合方法的最佳情况的耦合参数的总结。
横向 棱镜 光栅
ηdevice 1.0 0.80
ηoptical source 0.68 0.68 0.68
ηinstrument 0.88 0.96
y未对准(3dB) 110nm
x未对准(3dB) 670nm
示例6.对靶点波导器件的加热而引起的激光诱导损伤
如上所述，由于照射高密度波导阵列中被分析的大量纳米级反应所需的高强度激发能量，靶点波导器件可能容易受到热损伤。这个示例证明了在靶点器件内包括热扩散层的保护作用。
图28示出了测试装置，并示出了具有各种数值孔径的激光器的功率密度。如在该图中明显的是，即使在低数值孔径(例如，0.01)和较大光束尺寸(例如，33.87μm)的情况下，100mW的激光器仍将具有相对高的功率密度(例如，1.11×104W/cm2)。因此，选择测试装置中使用的功率密度，来模拟该范围(例如，5mW至780mW的激光功率；对应于1.38×102至2.15×104W/cm2)。该图还从下面和横截面示出了这些测试中使用的样品。具体而言，用2μm的SiO2层、0.5μm的非晶Si层、另一个2μm的SiO2层、最后是100nm的Al层来涂覆Si衬底。样品还包括通过Si层刻蚀的8个窗口。作为参考，SiO2、Si和Al的导热率分别为1.4、149和240。
在用不同强度的激光能量照射之前，在显微镜下目视检查样品的两个表面。在第一个实验中，如图29A的结构图的箭头所示，引导激光穿过Si层中的窗口以靶向SiO2层。以5mW功率或50mW功率照射样品5分钟没有造成损伤，但是当以100mW激光功率照射时，样品立即受损。在图29B的最上面一行示出了三个样品的SiO2侧。并且在该图的最下一行示出了100mW对样品Al侧的损伤。在第二个实验中，如图29C的结构图中的箭头所示，将激光导向至刻蚀窗口区域的样品的Al侧。在这个实验中，以100mW激光功率照射5分钟没有造成损伤，而以500mW激光功率时立即观察到损伤。在图29D中示出了这些样品。第三个实验类似于第二个实验，如图29E的结构图中的箭头所示，将激光引导至刻蚀窗口区域的样品的Al侧。将200mW、300mW和400mW的激光输出施加到样品上，没有明显的损伤。然而，用450mW的激光功率照射样品时，则会在3秒内造成损伤。在图29F中示出该样品。进行最后的实验，如图29G的结构图中的箭头所示，激光在距穿过Si衬底的窗口一定距离的区域中照射样品的Al侧。在这个实验中，在500mW或780mW激光功率下没有观察到损伤。
示例7.对单模工作的最佳波导尺寸的模拟
图30示出了在552nm下，对于两种不同光芯材料(顶部是SiN；底部是TiO)，对满足单模条件的波导尺寸的模拟。左上角和右下角的插图分别显示了又薄又宽的波导和又窄又厚的波导的FDTD模拟结果。图32A中示出了Lumerical 2D模拟设置。在图32B中示出了功率耦合模拟结果。
示例8.具有氧化钛光芯的光栅耦合器设计的模拟
具有氧化钛光芯和高数值孔径(NA＝0.13)但在设计上类似于在示例1中所述以及在图17A中建模的光栅耦合器的光栅耦合器已经通过FDTD数值分析模拟了两个波长。输入光束(在532nm或552nm处)具有1.75μm的光束腰(光束MFD＝3.5μm)、7μm的光源尺寸和10度的光纤耦合角(在优化期间没有角度调谐)。在图31中示出输入光束的高斯分布。相应的单模光纤(460HP)的几何结构、机械规格和光学规格可以从例如美国新泽西州，牛顿的Thorlabs公司获得(www.thorlabs.us)。图32A示出使用Lumerical软件进行FDTD2D模拟的设置。在图32B中示出了模拟的功率耦合结果。
图33中示出在不同波长的输入光下，具有二氧化钛波导芯的高NA光栅耦合器中心设计的耦合效率的建模。在这个模拟中，耦合器使用表3第二列中列出的参数来建模。
表3.用于552nm模拟和532nm模拟的高NA光栅耦合器中心设计特征
图34A示出了在552nm的输入波长下，耦合效率与光栅耦合器周期之间的关系，图34B示出了耦合效率作为模拟设计的光栅耦合器周期和输入波长的函数而变化。
图35A示出了在552nm的输入波长下，耦合效率与光栅耦合器占空比之间的关系，图35B示出了耦合效率作为模拟设计的光栅耦合器占空比和输入波长的函数而变化。
图36A示出了在552nm的输入波长下，耦合效率与光栅耦合器刻蚀深度之间的关系，图36B示出了耦合效率作为模拟设计的光栅耦合器刻蚀深度和输入波长的函数而变化。
图37A示出了在552nm的输入波长下，耦合效率与反射器距离之间的关系，图37B示出了耦合效率作为模拟设计的反射器距离和输入波长的函数而变化。
图38A示出了在552nm的输入波长下，耦合效率与顶部包覆层厚度之间的关系，图38B示出了耦合效率作为模拟设计的顶部包覆层厚度和输入波长的函数而变化。
图39A示出了在552nm的输入波长下，耦合效率与波导芯折射率之间的关系，图39B示出了耦合效率作为模拟设计的波导芯折射率和输入波长的函数而变化。
在图40中示出了使用532nm输入光对具有二氧化钛波导芯的高NA光栅耦合器中心设计的耦合效率的建模。在这个模拟中，耦合器使用表3第三列中列出的参数来建模。
图41A示出了在532nm的输入波长下，耦合效率与光栅耦合器周期之间的关系，图41B示出了耦合效率作为模拟设计的光栅耦合器周期和输入波长的函数而变化。
图42A示出了在532nm的输入波长下，耦合效率与光栅耦合器占空比之间的关系，图42B示出了耦合效率作为模拟设计的光栅耦合器占空比和输入波长的函数而变化。
图43A示出了在532nm的输入波长下，耦合效率与光栅耦合器刻蚀深度之间的关系，图43B示出了耦合效率作为模拟设计的光栅耦合器刻蚀深度和输入波长的函数而变化。
图44A示出了在532nm的输入波长下，耦合效率与反射器距离之间的关系，图44B示出了耦合效率作为模拟设计的反射器距离和输入波长的函数而变化。
图45A示出了在532nm的输入波长下，耦合效率与顶部包覆层厚度之间的关系，图45B示出了耦合效率作为模拟设计的顶部包覆层厚度和输入波长的函数而变化。
上述模拟表明：波导芯具有相对较高折射率(例如，ncore≥约1.9)的光栅耦合器适合于在大于532nm的波长处,将输入光束有效耦合到靶点波导器件中。具体而言，可以调节这种靶点器件中的光栅耦合器的设计特征，以便使其波长(例如，约552nm)能够使荧光DNA测序试剂具有最大吸光度的光束的耦合效率最大化。如本领域普通技术人员将会理解的，也可以使用具有较低NA值的输入光束和输入光栅耦合器来执行模拟。
本文提到的所有专利、专利出版物和其他公开参考文献通过引用其全部内容并入本文，如同每个文献都已经单独地并且具体地通过引用并入本文。
虽然已经提供了具体示例，但是以上描述是说明性的而不是限制性的。先前描述实施例的任何一个或多个特征可以以任何方式与本发明中的任何其它实施例的一个或多个特征组合。此外，在阅读说明书后，本发明的许多变化对于本领域技术人员将变得显而易见。因此，本发明的范围应该通过参考所附权利要求以及它们的等同物的全部范围来确定。

Claims (95)

1.一种集成靶点波导器件，包括：
光耦合器；以及
集成波导，其光耦合到所述光耦合器；
其中，所述光耦合器是低数值孔径耦合器；并且
其中，所述光耦合器的尺寸至少为100μm2。
2.根据权利要求1所述的靶点波导器件，其中，所述光耦合器具有不大于0.10的数值孔径。
3.根据权利要求1所述的靶点波导器件，其中，所述光耦合器是光栅耦合器。
4.根据权利要求3所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有闪耀式刻蚀。
5.根据权利要求3所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有顶侧刻蚀。
6.根据权利要求3所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有底侧刻蚀。
7.根据权利要求3所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有双侧刻蚀。
8.根据权利要求3所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有覆盖层。
9.根据权利要求8所述的靶点波导器件，其中，所述覆盖层是氮化硅层或碳化硅层。
10.根据权利要求3所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有双侧刻蚀和覆盖层。
11.根据权利要求3所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器是啁啾的。
12.根据权利要求3所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器是光束聚焦耦合器。
13.根据权利要求12所述的靶点波导器件，其中，所述光束聚焦耦合器包括锥形波导区域。
14.根据权利要求12所述的靶点波导器件，其中，所述光束聚焦耦合器包括平板波导区域。
15.根据权利要求3所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有约365nm到约380nm的光栅周期。
16.根据权利要求3所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有约2.05μm至约2.2μm的掩埋氧化物厚度。
17.根据权利要求3所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有约0.47至约0.52的占空比。
18.根据权利要求3所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有约125nm到约145nm的刻蚀深度。
19.根据权利要求1所述的靶点波导器件，还包括位于所述光耦合器下方的反射层。
20.根据权利要求19所述的靶点波导器件，其中，所述反射层是金属层。
21.根据权利要求1所述的靶点波导器件，还包括与所述光耦合器热接触的热扩散层。
22.根据权利要求21所述的靶点波导器件，其中，所述热扩散层位于所述光耦合器的正下方。
23.根据权利要求21所述的靶点波导器件，其中，所述热扩散层包括导热材料。
24.根据权利要求23所述的靶点波导器件，其中，所述导热材料是金属。
25.根据权利要求24所述的靶点波导器件，其中，所述金属是铝。
26.根据权利要求21所述的靶点波导器件，其中，所述热扩散层的厚度为20nm至500nm。
27.根据权利要求26所述的靶点波导器件，其中，所述热扩散层的厚度为50nm至250nm。
28.根据权利要求1所述的靶点波导器件，还包括对准特征。
29.根据权利要求28所述的靶点波导器件，其中，所述对准特征包括对准耦合器。
30.根据权利要求29所述的靶点波导器件，其中，所述对准特征包括多个对准耦合器。
31.根据权利要求28所述的靶点波导器件，其中，所述对准特征包括参考标记。
32.根据权利要求31所述的靶点波导器件，其中，所述参考标记包括基准区域或图案化区域。
33.根据权利要求1所述的靶点波导器件，包括多个光耦合器和光耦合到所述多个光耦合器的多个集成波导。
34.根据权利要求33所述的靶点波导器件，其中，所述器件包括光耦合到至少四个光耦合器的至少四个集成波导。
35.根据权利要求1所述的靶点波导器件，还包括光耦合到所述集成波导的多个纳米级样品孔。
36.根据权利要求35所述的靶点波导器件，其中，所述器件包括光耦合到所述集成波导的至少100个纳米级样品孔。
37.根据权利要求35所述的靶点波导器件，其中，所述多个纳米级样品孔含有DNA聚合酶。
38.一种集成靶点波导器件，包括：
光耦合器；
集成波导，其光耦合到所述光耦合器；以及
至少一个对准特征；
其中，所述光耦合器是低数值孔径耦合器；并且
其中，所述光耦合器的尺寸至少为100μm2。
39.根据权利要求38所述的靶点波导器件，其中，所述对准特征包括对准耦合器。
40.根据权利要求39所述的靶点波导器件，其中，所述对准特征包括多个对准耦合器。
41.根据权利要求38所述的靶点波导器件，其中，所述对准特征包括参考标记。
42.根据权利要求41所述的靶点波导器件，其中，所述参考标记包括基准区域或图案化区域。
43.根据权利要求38所述的靶点波导器件，其中，所述光耦合器具有不大于0.10的数值孔径。
44.根据权利要求38所述的靶点波导器件，其中，所述光耦合器是光栅耦合器。
45.根据权利要求44所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有闪耀式刻蚀。
46.根据权利要求44所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有顶侧刻蚀。
47.根据权利要求44所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有底侧刻蚀。
48.根据权利要求44所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有双侧刻蚀。
49.根据权利要求44所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有覆盖层。
50.根据权利要求49所述的靶点波导器件，其中，所述覆盖层为氮化硅层或碳化硅层。
51.根据权利要求44所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有双侧刻蚀和覆盖层。
52.根据权利要求44所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器是啁啾的。
53.根据权利要求44所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器是光束聚焦耦合器。
54.根据权利要求53所述的靶点波导器件，其中，所述光束聚焦耦合器包括锥形波导区域。
55.根据权利要求53所述的靶点波导器件，其中，所述光束聚焦耦合器包括平板波导区域。
56.根据权利要求44所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有约365nm到约380nm的光栅周期。
57.根据权利要求44所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有约2.05μm至约2.2μm的掩埋氧化物厚度。
58.根据权利要求44所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有约0.47至约0.52的占空比。
59.根据权利要求44所述的靶点波导器件，其中，所述光栅耦合器具有约125nm到约145nm的刻蚀深度。
60.根据权利要求38所述的靶点波导器件，还包括位于所述光耦合器下方的反射层。
61.根据权利要求60所述的靶点波导器件，其中，所述反射层是金属层。
62.根据权利要求38所述的靶点波导器件，还包括与所述光耦合器热接触的热扩散层。
63.根据权利要求62所述的靶点波导器件，其中，所述热扩散层位于所述光耦合器的正下方。
64.根据权利要求62所述的靶点波导器件，其中，所述热扩散层包括导热材料。
65.根据权利要求64所述的靶点波导器件，其中，所述导热材料是金属。
66.根据权利要求65所述的靶点波导器件，其中，所述金属是铝。
67.根据权利要求62所述的靶点波导器件，其中，所述热扩散层的厚度为20nm至500nm。
68.根据权利要求67所述的靶点波导器件，其中，所述热扩散层的厚度为50nm至250nm。
69.根据权利要求38所述的靶点波导器件，包括多个光耦合器和光耦合到所述多个光耦合器的多个集成波导。
70.根据权利要求69所述的靶点波导器件，其中，所述器件包括光耦合到至少四个光耦合器的至少四个集成波导。
71.根据权利要求38所述的靶点波导器件，还包括光耦合到所述集成波导的多个纳米级样品孔。
72.根据权利要求71所述的靶点波导器件，其中，所述器件包括光耦合到所述集成波导的至少100个纳米级样品孔。
73.根据权利要求71所述的靶点波导器件，其中，所述多个纳米级样品孔含有DNA聚合酶。
74.一种光学分析系统，包括：
光源；以及
如权利要求1-73中任一项所述的集成靶点波导器件；
其中，所述光源通过自由空间以至少1mm的距离光耦合到所述靶点波导器件的光耦合器。
75.根据权利要求74所述的光学分析系统，其中，所述光源具有不大于0.1的数值孔径。
76.根据权利要求74所述的光学分析系统，其中，所述光源被配置成照射所述靶点波导器件上的光斑，其中每个光斑的表面积至少为100μm2。
77.根据权利要求74所述的光学分析系统，其中，所述光源被配置为照射所述靶点波导器件上的光斑，其中每个光斑的表面积至多为250000μm2。
78.根据权利要求74所述的光学分析系统，其中，所述光源被配置成照射所述靶点波导器件上的光斑，其中每个覆盖区的表面积为100μm2至250000μm2。
79.根据权利要求78所述的光学分析系统，其中，所述光源被配置为以1mm至100mm的距离来照射所述靶点波导器件上的光斑。
80.根据权利要求74所述的光学分析系统，其中，所述光源被配置成以每个光斑至少1mW的功率来照射所述靶点波导器件上的光斑。
81.根据权利要求80所述的光学分析系统，其中，所述光源被配置成以1mm至100mm的距离来照射所述靶点波导器件上的光斑。
82.根据权利要求74所述的光学分析系统，其中，所述光源发射多个光束。
83.根据权利要求82所述的光学分析系统，其中，所述光源发射至少四个光束。
84.根据权利要求82所述的光学分析系统，其中，所述光源发射至少一个样品激发光束和至少一个对准光束。
85.根据权利要求84所述的光学分析系统，其中，所述对准光束具有对准光束输出功率，并且所述样品激发光束具有样品光束输出功率，并且其中，所述对准光束输出功率低于所述样品激发光束输出功率。
86.根据权利要求85所述的光学分析系统，其中，所述对准光束输出功率不大于所述样品激发光束输出功率的10％。
87.根据权利要求84所述的光学分析系统，还包括对准检测器。
88.根据权利要求87所述的光学分析系统，其中，所述对准检测器是照相机。
89.根据权利要求74所述的光学分析系统，其中，所述光源包括平面光波电路。
90.根据权利要求74所述的光学分析系统，其中，所述光源提供波长在450nm至650nm范围内的光。
91.根据权利要求74所述的光学分析系统，还包括散热件。
92.根据权利要求74所述的光学分析系统，其中，所述集成靶点波导器件是可移除的。
93.根据权利要求74所述的光学分析系统，还包括光学元件，其中所述光学元件位于所述光源与所述靶点波导器件之间。
94.根据权利要求93所述的光学分析系统，其中，所述光学元件调节从所述光源传输到所述靶点波导器件的光束的焦点。
95.根据权利要求93所述的光学分析系统，其中，所述光学元件调节从所述光源传输到所述靶点波导器件的光束的覆盖区的大小。
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