用于自由空间光耦合的集成装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种光传输装置以及包括光传输装置的集成分析系统。光传输装置包括光输入端、光输出端和集成光波导，集成光波导构造为使光能量经由自由空间耦合至目标波导装置。集成分析系统包括与目标波导装置组合起来的光传输装置。该装置及系统在高密度下的大量高度多路复用光反应的分析中有用，这些反应包括例如核酸测序反应等生物化学反应。该装置设置用于使来自光源的光激发能量与光反应高效耦合。因此，可以以高灵敏度和识别力来测量从反应中发射的光信号。该装置及系统良好地适于小型化和高通量。

Integrated devices and systems for free space optical coupling

The present invention provides an optical transmission device and an integrated analysis system including an optical transmission device. The optical transmission device includes the optical input terminal, the optical output terminal and the integrated optical waveguide. The integrated optical waveguide is constructed to make the optical energy coupled to the target waveguide device through free space. The integrated analysis system includes an optical transmission device combined with a target waveguide device. The device and system are useful for the analysis of high density multiplexed light reactions under high density. These reactions include biochemical reactions such as nucleic acid sequencing reaction. The device is set up to make the light excitation energy from the light source coupled with the light reaction efficiently. Therefore, the light signals emitted from the reaction can be measured with high sensitivity and recognition. The device and system are well suited for miniaturization and high throughput.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于自由空间光耦合的集成装置及系统相关申请的交叉引用本申请要求2015年3月16日提交的美国临时申请No.62/133,965以及2015年6月12日提交的美国临时申请No.62/175,139的优先权，这些申请的完整公开内容通过引用并入本文。
技术介绍
随着多路复用光学分析系统在尺寸上继续小型化、在范围上继续扩大并且在功率上继续增大，对开发能够将光能量传输至这种系统的改进系统的需要变得更加重要。例如，美国专利申请公开No.2008/0128627和2012/0085894中描述了一种高度多路复用分析系统，该分析系统包括用于照射纳米级样品的集成波导。美国专利申请公开No.2012/0014837、2012/0021525和2012/0019828中描述了另一种光学系统，该光学系统用于分析纳米级样品，包括照射和检测这种样品。美国专利申请公开No.2014/0199016和2014/0287964中描述了另一种用于进行高度多路复用分析的纳米级照射系统。在常规光学系统中，通常使用光学组件(opticaltrain)来对到达样品材料和来自样品材料的光进行引导、聚焦、过滤、分束、分离和检测。这种系统通常使用各种不同光学元件来引导、修改并以其它方式控制进入和离开反应部位的光。这种系统通常是复杂且昂贵的，并趋于具有显著的空间需求。例如，典型系统使用反射镜和棱镜来将光从光源引导至期望目的地。此外，这种系统可以包括例如光分束棱镜等光分束光学装置来从单束初始光束中产生两束以上的光束。已描述了对常规光学系统的替代，特别描述了具有在极其受限的环境中设计并制作的集成光学部件的替代系统。例如，已开发了在远程通信应用中使用的包括光纤接口、波长过滤器或组合器、相位延迟光学干涉仪、光隔离器、偏振控制器和/或分光器的平面光波导线路(PLC)。在一些情况中，这些装置还包括一个或多个激光源以及一个或多个光探测器。这些装置使用集成光波导来以与电子行进通过电路大致相同的方式使光子行进通过光路。这些装置使用标准的半导体制作技术来制作，并且在制作过程期间这些装置可以因此集成有例如光学过滤器和光纤尾纤连接器等无源部件以及例如光开关和衰减器等有源元件。如在远程通信设备中所使用的那样，这些装置通常用于使来自光纤芯部中的光信号耦合和/或分束，以便例如进行多路复用/多路分用、光分路和/或光切换。因此，这些装置提供了更常规的光学组件的功能，且同时是显著便宜、更紧凑且更耐用的。在远程通信应用中使用的PLC在制造过程期间通常被机械地对准并结合至它们的激光光源以及它们的相关光电探测器。因此，这些装置并不适合用于与具有可拆卸样品保持部的分析系统连接，其中，从例如常规光学组件等光传输装置输出的光通常经由自由空间耦合至目标样品保持部。因此，每当更换目标装置时来自输出传输装置的光信号需要与目标装置对准，并且在分析过程期间甚至可能因分析期间的与集成系统相关的机械、热和其他干扰因素而需要监测并保持该对准。另外，在远程通信应用中使用的PLC不设计为传输用于分析上述高度多路复用分析系统中存在的大量纳米级样品所需的光能量的强度，而且PLC也不设计为与如下光源一起使用，该光源具有适合于在具有标准生物反应物的分析系统中使用的波长。因此，需要提高光传输装置及系统的性能和特性，以便在这些应用中使用。
技术实现思路
本公开内容的一个方面通过提供光传输装置来解决这些和其他需要，该光传输装置包括：光输入端；光输出端；光输出波导，其布置在基板上并与所述光输入端和所述光输出端光连接；其中，所述光输出端构造为经由自由空间与目标波导装置光耦合。在一些实施例中，调整传输装置的光输出端的数值孔径。在一些实施例中，该装置构造为照射在目标波导装置上的覆盖区。在一些实施例中，该装置的光输出波导包括功率调制器。在一些实施例中，该装置包括一个或多个分束元件。在一些实施例中，该装置包括一个或多个相位调制器、一个或多个振幅调制器、一个或多个频率调制器、一个或多个模消除器或它们的组合。在一些实施例中，该装置构造为将可见光光输出至目标波导装置。在另一个方面中，本公开内容提供了一种分析系统，包括：集成光传输装置；以及集成目标波导装置。在特定系统实施例中，集成光传输装置为本文所公开的传输装置。在其他特定系统实施例中，系统还包括对准装置，该对准装置可以提供集成目标波导装置和集成光传输装置的动态对准。在一些特定实施例中，所述目标波导装置包括对准特征。在一些特定实施例中，所述目标波导装置包括光栅耦合器。在优选系统实施例中，所述集成目标波导装置为多路复用DNA测序装置。在一些实施例中，系统包括位于集成光传输装置与集成目标波导装置之间的例如光学透镜元件等介入光学元件。在这些实施例中的一些实施例中，所述集成光传输装置包括多个光输出端，其中，所述多个光输出端中的至少一个光输出端具有不大于0.1的数值孔径。在特定实施例中，所述集成目标波导装置包括与集成波导光耦合的光栅耦合器，其中，所述光栅耦合器具有比所述光传输装置的所述光输出的所述数值孔径小的数值孔径。更具体地说，所述光栅耦合器具有不大于0.05的数值孔径。附图说明图1A至图1C示出了来自光纤末端的耦合和经由自由空间与目标波导装置的耦合之间的区别。图1D示出了作为与光束轴线的距离的函数的高斯光束的强度的曲线图。图1E示出了半径w(z)的发散高斯光束的形状。图2A至图2C示意性地示出了三个光学装置设计，其中，光输出端构造为经由自由空间耦合。图3示出了一种光学装置布局，其中，单个光输入被分成具有相等输出强度的四个光输出。图4A和图4B示出了示例性目标波导阵列的布局以及块数与阵列上的两个不同光学路径的路由路径长度之间的关系。图5示出了该装置的光输出端与目标波导阵列匹配的集成光学装置布局。在该设计中，存在两个光输入端，并且来自与各个光输入端相关的1×4分束器的光输出不相等。图6A至图6E示出了在各个示例性光学装置中进行功率监测的构造。图6A：输出光栅将光从2％分光器传输至位于芯片上方的探测器；图6B：PIN二极管被安装在芯片的用于接收来自2％分光器的光的一侧；图6C和图6D：使用相机监测在芯片之上或芯片一侧经由自由空间的光；图6E：示出了功率监测分光器可以彼此相交的示例性构造。这里，可以在从芯片一侧串联地监测自四个波导输出的功率。图7A和图7B示出了通过“模”消除(图7A)或通过调整弯曲半径或其他波导特征(图7B)来消除经由光传输装置传输的光的偏振。图8A至图8C示出了能够使光能量耦合到多路复用目标波导阵列中的三个不同光传输装置实施例。图8A：与两个光输入端耦合的光传输装置，每个光输入端均穿过1×4等功率分束器，以产生8个等功率光输出。图8B：光传输装置与8个光输入端耦合，以产生8个等功率光输出。图8C：光传输装置与4个光输入端耦合，每个光输入端均穿过1×2分束器，以产生8个等功率光输出。图9示出了具有用作对准光束的两个2％输出分光器的示例性光传输装置。图10A示出了具有11个光纤输入端、11个竖直分光器和11个水平分光器的示例性光传输装置。图10B更详细地示出了竖直分光器和水平分光器。图11示出了具有2个光输入端和分束器的替代示例性光传输装置，分束器将8个输出提供至测序波导并提供4个“外伸臂(ou本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成光传输装置，包括：光输入端；光输出端；光输出波导，其布置在基板上并与所述光输入端和所述光输出端光连接，其中，所述光输出端构造为经由自由空间在至少1mm、至少2mm、至少3mm、至少5mm、至少10mm、至少20mm、至少30mm、至少50mm或至少100mm的距离处光耦合至目标波导装置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.16 US 62/133,965;2015.06.12 US 62/175,1391.一种集成光传输装置，包括：光输入端；光输出端；光输出波导，其布置在基板上并与所述光输入端和所述光输出端光连接，其中，所述光输出端构造为经由自由空间在至少1mm、至少2mm、至少3mm、至少5mm、至少10mm、至少20mm、至少30mm、至少50mm或至少100mm的距离处光耦合至目标波导装置。2.根据权利要求1所述的集成光传输装置，其中，所述光输出端具有不大于0.1、不大于0.08、不大于0.05、不大于0.03、不大于0.02或不大于0.01的数值孔径。3.根据权利要求1所述的集成光传输装置，其中，所述装置构造为以每覆盖区至少144μm2、至少225μm2、至少400μm2、至少625μm2、至少900μm2、至少1600μm2或至少2500μm2的表面积在所述目标波导装置上照射覆盖区。4.根据权利要求1所述的集成光传输装置，其中，所述装置构造为以每覆盖区至多250,000μm2、至多62,500μm2、至多22,500μm2、至多10,000μm2、至多6400μm2、至多3600μm2或至多2500μm2的表面积在所述目标波导装置上照射覆盖区。5.根据权利要求1所述的集成光传输装置，其中，所述装置构造为以每覆盖区144μm2至250,000μm2、225μm2至62,500μm2、400μm2至22,500μm2、625μm2至10,000μm2、900μm2至6400μm2或1600μm2至3600μm2的表面积在所述目标波导装置上照射覆盖区。6.根据权利要求5所述的集成光传输装置，其中，所述装置构造为照射在1mm至100mm的距离处的所述目标波导装置上的所述覆盖区。7.根据权利要求1所述的集成光传输装置，其中，所述装置构造为以至少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的功率在所述目标波导装置上照射覆盖区。8.根据权利要求7所述的集成光传输装置，其中，所述装置构造为照射在1mm至100mm的距离处的所述目标波导装置上的所述覆盖区。9.根据权利要求1所述的集成光传输装置，其中，所述光输出波导包括功率调制器。10.根据权利要求9所述的集成光传输装置，其中，所述功率调制器为可变光衰减器。11.根据权利要求10所述的集成光传输装置，其中，所述可变光衰减器为集成马赫-曾德光学干涉仪。12.根据权利要求1所述的集成光传输装置，其中，所述装置还包括分束元件，所述分束元件经由光输入波导光耦合至所述光输入端并经由多个光输出波导光耦合至多个光输出端。13.根据权利要求12所述的集成光传输装置，其中，所述装置包括至少两个、至少四个、至少六个或至少八个光输出端和光输出波导。14.根据权利要求12所述的集成光传输装置，包括：多个分束元件，每个分束元件经由多个光输入波导中的一个光输入波导光耦合至多个光输入端中的一个光输入端，并经由多个光输出波导光耦合至多个光输出端。15.根据权利要求12所述的集成光传输装置，其中，至少一个光输出波导包括功率调制器。16.根据权利要求1所述的集成光传输装置，其中，所述装置包括多个光输入端、多个光输出端以及多个光输出波导，所述多个光输出波导布置在基板上并与所述多个光输入端和所述多个光输出端光连接，至少一个光输出端构造为经由自由空间在至少1mm、至少2mm、至少3mm、至少5mm、至少10mm、至少20mm、至少30mm、至少50mm或至少100mm的距离处光耦合至目标波导装置。17.根据权利要求16所述的集成光传输装置，其中，所述多个光输出端中的至少一个光输出端具有不大于0.1、不大于0.08、不大于0.05、不大于0.03、不大于0.02或不大于0.01的数值孔径。18.根据权利要求17所述的集成光传输装置，其中，所述装置还包括分束元件，所述分束元件经由多个光输入波导中的一个光输入波导光耦合至所述多个光输入端中的一个光输入端并经由多个光输出波导光耦合至多个光输出端...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗·伦德奎斯特，马克·麦克唐纳，阿龙·鲁利森，
申请(专利权)人：加利福尼亚太平洋生物科学股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US