波导激发均匀性的制作方法

波导激发均匀性
1.相关申请的交叉参考
2.本技术根据35 u.s.c.
§
119(e)于2020年1月14日提交且标题为“waveguide excitation uniformity”的美国临时申请第62/960,954号的权益，该美国临时专利申请以其全文引用的方式在此并入。
技术领域
3.本技术总的来说是关于用于将光学能量耦合到集成装置中且将光学能量分布到该装置的多个区域的装置、方法及技术。集成装置可用于执行生物和/或化学样本的并行定量分析(包含针对核酸测序及蛋白质测序)。


背景技术：

4.能够进行生物或化学样本的大规模并行分析的仪器通常限制于实验室环境，因为可包含以下各项的数个因素：该仪器的较大尺寸、缺乏可移植性、需要本领域技术人员来操作仪器、功率要求、需要受控制操作环境以及成本。此外，一些生物或化学样本的分析成批地执行，使得需要大量特定类型的样本来进行检测及定量。
5.生物或化学样本的分析可涉及用发射特定波长的光的发光标记物给样本加卷标、用光源照射经加卷标样本且用光电检测器检测发光。该技术通常涉及用以照射经加卷标样本的昂贵雷射光源和系统以及用以从经加卷标样本收集发光的复杂检测光学器件及电子器件。


技术实现要素：

6.一些实施例针对一种系统，该系统包括反应室阵列和波导，该波导将激发光传送到反应室的至少一部分，其中波导的光模的垂直范围被调制以调节光在波导内的限制。
7.在一些实施例中，通过沿波导的长度改变波导芯层的厚度来调制光模的垂直范围。
8.在一些实施例中，通过沿波导的长度改变波导芯或包覆材料的折射率来调制光模的垂直范围。
9.在一些实施例中，沿波导长度的波导芯层的厚度通过转移光刻胶层的形貌而改变。
10.在一些实施例中，该系统包括多个具有均匀宽度的波导；和多个具有锥形宽度的虚拟结构，其中，多个波导与多个虚拟结构被交替设置。
11.在一些实施例中，多个波导和多个虚拟结构在波导芯层中。
12.一些实施例针对一种系统，该系统包括反应室阵列和波导，该波导将激发光传送到反应室的至少一部分，其中波导和反应室之间的距离被调制以补偿波导损失。
13.在一些实施例中，控制波导的包覆层的厚度以调制波导和反应室之间的距离。
14.在一些实施例中，该系统包括多个具有均匀宽度的波导；和多个具有锥形宽度的
虚拟结构，其中，多个波导与多个虚拟结构被交替设置。
15.在一些实施例中，该系统包括多个具有锥形宽度的波导；和多个具有锥形宽度的虚拟结构，其中，多个波导与多个虚拟结构被交替设置。
16.在一些实施例中，该系统包括在第一方向上多个具有锥形宽度的波导；在与第一方向相反的第二方向上多个具有锥形宽度的虚拟结构，其中多个波导和多个虚拟结构被交替设置。
17.一些实施例针对一种方法，该方法包括提供波导以将激发光传送到反应室阵列，以及调制波导的光模的垂直范围以调整光在波导内的限制。
18.在一些实施例中，调制包括沿波导的长度改变波导芯层的厚度。
19.在一些实施例中，调制包括改变波导芯或包覆材料的折射率。
20.一些实施例针对一种方法，该方法包括提供波导以将激发光传送到反应室阵列以及调制波导和反应室之间的距离。
21.在一些实施例中，调制包括控制波导的包覆层的厚度。
22.在一些实施例中，控制波导的包覆层的厚度包括通过平坦化调制的波导图案上的包覆层的材料来提供具有锥形厚度的包覆层。
23.在一些实施例中，控制波导的包覆层的厚度包括通过将包覆层的材料沉积在调制的波导图案上来提供具有锥形厚度的包覆层。
24.在一些实施例中，控制波导的包覆层的厚度包括通过将光刻胶层的形貌转移到包覆层来提供具有锥形厚度的包覆层。
25.一些实施方案针对一种方法，该方法包括形成反应室阵列；形成波导以将激发光传送到反应室；以及调制波导以向每个反应室传送尽可能接近等量的激发光。
26.在一些实施例中，调制包括调制波导的光模的垂直范围。
27.在一些实施例中，调制包括沿波导的长度调制厚度。
28.在一些实施例中，调制包括沿波导的长度调制距每个反应室的距离。
29.一些实施例针对一种方法，该方法包括用通过波导传送的激发光激发多个反应室中的每个反应室内的样本，其中波导被调制使得基本上相同量的光被传送到每个反应室。
30.前述发明内容通过说明的方式被提供并且不旨在进行限制。
附图说明
31.将参考以下各图阐述本技术的各个方面及实施例。应了解，附图未必按比例绘制。在多个附图中出现的项在其出现的所有图中由相同的附图标记表示。
32.图1-1是根据一些实施例的集成装置的剖面图。
33.图1-2是根据一些实施例的集成装置的平面示意图。
34.图2-1是根据一些实施例的波导阵列的平面示意图，示出了样本井、波导和虚拟结构。
35.图2-2是根据一些实施例的图2-1的波导阵列沿标记为“2-2”的线的剖面图，示出了沿波导长度具有调制厚度的波导包覆层。
36.图2-3a至图2-3c是根据一些实施例的图2-1的波导阵列沿标记为“2-3”的线的剖面图，示出了用于制造波导阵列的第一方法。
37.图2-4a至图2-4c是根据一些实施例的图2-1的波导阵列沿标记为“2-4”的线的剖面图，示出了用于制造波导阵列的第一方法。
38.图2-5a至图2-5b是根据一些实施例的图2-1的波导阵列沿标记为“2-3”的线的剖面图，示出了用于制造波导阵列的第二方法。
39.图2-6a至图2-6b是根据一些实施例的图2-1的波导阵列沿标记为“2-4”的线的剖面图，示出了用于制造波导阵列的第二方法。
40.图2-7a是根据一些实施例的图2-3c中标记为“2-7”的区域的放大图。
41.图2-7b是示出根据一些实施例的图2-7a的波导内和波导附近的光模的场强的示意图。
42.图2-8是根据一些实施例的具有样本井的替代布局的波导阵列的平面示意图。
43.图3-1是根据一些实施例的波导阵列的平面示意图，示出了样本井、波导和虚拟结构。
44.图4-1是根据一些实施例的波导阵列的平面示意图，示出了样本井、波导和虚拟结构。
45.图4-2a至图4-2b是根据一些实施例的图4-1的波导阵列沿标记为“4-2”的线的剖面图，示出了用于制造波导阵列的方法。
46.图5-1a是根据一些实施例的集成装置及仪器的方块图。
47.图5-1b是根据一些实施例的包含集成装置的设备的示意图。
48.图5-2是根据一些实施例的具有样本井、光波导及时间分级光检测器的像素的示意图。
49.图5-3是根据一些实施例的可在样本井内发生的例示性生物反应的示意图。
50.图5-4是针对具有不同衰减特性的两个不同荧光团的发射机率曲线的曲线图。
51.图5-5是荧光发射的时间分级检测的曲线图。
52.图5-6是根据一些实施例的例示性时间分级光检测器。
53.图5-7a是根据一些实施例的图解说明来自样本的荧光发射的脉冲激发及时间分级检测的示意图。
54.图5-7b是根据一些实施例的在样本的重复脉冲激发后在各种时间分级箱中累积的荧光光子计数的直方图。
55.图5-8a至图5-8d是根据一些实施例的可对应于四个核苷酸(t、a、c、g)或核苷酸类似物的不同直方图。
具体实施方式
56.本技术的各个方面是关于能够并行地分析样本(包含识别单个分子及核酸测序)的集成装置、仪器及相关系统。此仪器可为紧凑的、易于携载且易于操作，从而允许医师或其他提供者容易地使用该仪器并将该仪器运输至可需要进行护理的期望位置。分析样本可包含用一个或多个荧光标记物来标记样本，该一个或多个荧光标记物可用于检测样本和/或识别样本的单个分子(例如，作为核酸测序的一部分的单独的核苷酸识别)。荧光标记物可响应于用激发光(例如，具有可将荧光标记物激发到经激发状态的特征波长的光)照射荧光标记物而被激发，且若荧光标记物被激发，则发射发射光(例如，具有由荧光标记物通过
自经激发状态返回至基态而发射的特征波长的光)。检测发射光可允许识别荧光标记物以及因此识别由荧光标记物标记的样本或样本的分子。根据一些实施例，仪器可能够进行大规模并行样本分析且可被配置成同时处置数以万计的样本或更多样本。
57.发明人已认识到并了解，可使用集成装置以及被配置成与该集成装置接口连接的仪器来实现对多个样本的分析，该集成装置具有被配置成接收样本的样本井[还被称为反应室]及形成于该集成装置上的集合光学器件。仪器可包含一个或多个激发光源，且集成装置可与仪器接口连接，使得使用形成在集成装置上的集成光学组件(例如，波导、光学耦合器、分光器)将激发光传送到样本井。光学组件可改善跨越集成装置的样本井的照射均匀度且可减少可原本需要的大量外部光学组件。此外，发明人已认识到并了解，将光检测器集成到集成装置上可改善来自样本井的荧光发射的检测效率且减少可原本需要的光收集组件的数量。
[0058]
根据一些实施例，集成装置具有样本井阵列(此允许跨越该阵列而对多个样本进行多任务分析)及被配置成将激发光传送到样本井阵列的光学系统。集成装置的性能可取决于集成装置使用光学系统来跨越样本井阵列传送激发光的能力。另外，集成装置的性能可与光学系统以基本上均匀方式将激发光传送到单独的样本井(诸如通过将相对恒定强度或电场强度传送到单独的样本井)的能力相关。具体而言，与光学系统有关的性能相关因素可包含：由样本井进行的散射和/或吸收引起的光学损失、光学耦合器(例如，被配置成从外部光源接收光的光栅耦合器)的耦合效率、由在多个波导当中分离激发光引起的光学损失以及单独的波导与多个样本井的耦合效率。
[0059]
为增加集成装置的多任务能力，可期望增加阵列中的样本井的数量以允许在使用集成装置时在任何特定时间分析较多样本的能力。由于集成装置是通过增加样本井的数量而缩放，因此可由于该因素中的一个或多个而对集成装置的性能引起挑战。举例而言，样本井的行可通过耦合到光学系统的波导而接收光，使得当光沿着波导传播时，该行的样本井接收光的一部分。光学损失可由单独的样本井散射和/或吸收光引起，此可累积地导致该行中的最后样本井(例如，远离波导的光学输入端)接收比该行中的第一样本井(例如，接近于波导的光学输入端的样本井)低的强度或电场强度。此光学损失可影响通过使用集成装置而进行的测量的信噪比。随着将更多样本井添加至阵列，该光学损失可导致信噪比的进一步减小，其可影响所进行的分析的质量及可靠性。
[0060]
因此，本技术的各方面涉及包含于集成装置的光学系统中的可允许在样本井阵列当中的经改善光分布的光学组件及特定配置。该光学组件及配置可允许以基本上均匀方式传送光，使得单独的样本井(包含同行内的样本井)接收类似强度和/或电场强度。本文中所阐述的光学组件及配置可允许在阵列中具有较大数量样本井的集成装置的实施方案，以及在跨越阵列而分析样本时期望性能。
[0061]
作为按比例增加阵列中的样本井数量的一部分的额外考虑可包含制作成本及约束。因此，本技术的各方面是关于考虑制作成本及约束(例如，通过减少制作步骤的数量或复杂性)同时允许所得集成装置实现期望光学性能的光学组件及系统。
[0062]
本技术的某些方面是关于可允许以基本上均匀方式照射大量样本井和/或其他光子组件的波导配置。
[0063]
特别地，一些方面针对调制波导的光模的垂直范围以调整光在波导内和沿波导长
度的限制。这种调制可以补偿光学损失。这种调制使激发光能够更均匀地分布到样本井，提高激发效率，并防止集成装置区域上的超功率。可以通过改变波导的厚度和/或宽度、改变波导的折射率和/或波导的包覆层材料的折射率、或本文所述技术的任何合适组合来实现调制。
[0064]
其他方面针对调制波导和样本井之间的距离以补偿光学损失。可以通过控制波导的包覆层的厚度来执行这种距离调制。因此，本技术的方面涉及用于控制沿波导长度的波导包覆层的厚度的技术。在一些实施例中，该技术可以包括调制波导图案密度。在一些实施例中，该技术可以包括调制包覆层的形貌。在一些实施例中，该技术可以包括调制样本井相对于波导的横向位置。在一些实施例中，可以单独地或以任何合适的组合形式使用这些技术。
[0065]
标题为“optical waveguides and couplers for delivering light to an array of photonic elements”的美国专利申请第16/733,296号中描述了用于将均匀激发光传送到样本井阵列的附加系统和方法，该美国专利申请以其全文引用的方式并入本文中。
[0066]
尽管结合将激发光传送到样本井阵列而论述如本技术中所阐述的用于光学系统的技术，但应了解，可在涉及将光分布到集成装置内的光子组件阵列的其他内容脉络中单独地或以组合形式使用该技术中的一个或多个。举例而言，可在光学组件阵列(诸如传感器阵列)中实施本技术的技术。换言之，除或除了提供将均匀激发光传送到样本井阵列的技术之外，还可以采用技术来解决用于传送或接收来自样本井内的激发样本的发射光的光学组件内激发光传送的不均匀性。另外，应了解，本文中所阐述的技术并不限于分析生物或化学样本的内容脉络，而是可在其中期望以基本上均匀方式在诸多光子组件当中分布光的应用中实施。
[0067]
下文进一步阐述上文所阐述的方面及实施例以及额外方面及实施例。该方面和/或实施例可单独地、一起或者以两者或两者以上的任何组合来使用，此乃因在此方面中应用并不受限制。
[0068]
ii.集成装置
[0069]
a.概述
[0070]
在图1-1中示出图解说明像素1-112的行的集成装置1-102的剖面图。集成装置1-102可包含耦合区域1-201、路由区域1-202及像素区域1-203。如本文中所论述，集成装置的光学系统可包含可位于集成装置的区域1-201、1-202及1-203内的不同类型的光学组件。耦合区域1-201可包含光栅耦合器1-216，该光栅耦合器可被配置成接收激发光(以虚线示出)且将激发光传播至路由区域1-202中的一个或多个光学组件。路由区域1-202可包含光学路由网络，该光学路由网络被配置成在多个波导1-220当中分离光且被配置成将光传播至像素区域1-203。像素区域1-203可包含具有样本井1-108的多个像素1-112，该样本井定位于与耦合区域1-201分开的位置处的表面上，该位置是激发光(如虚线箭头示出)耦合到集成装置1-102之处。样本井1-108可透过金属层1-106而形成。由虚线矩形图解说明的一个像素1-112是集成装置1-102的区域，该区域包含样本井1-108以及具有一个或多个光检测器1-110的光检测器区域。
[0071]
图1-1图解说明通过将激发光束耦合到耦合区域1-201且耦合至样本井1-108的激
发路径(以虚线示出)。图1-1中所示出的样本井1-108的行可经定位以与波导1-220光学耦合。激发光可照射位于样本井内的样本。样本可响应于由激发光照射而达到经激发状态。当样本是处于经激发状态中时，样本可发射发射光，该发射光可由与样本井相关联的一个或多个光检测器检测到。图1-1示意性地图解说明自像素1-112的样本井1-108至光检测器1-110的发射光路径(示出为实线)。像素1-112的光检测器1-110可经配置及定位以检测来自样本井1-108的发射光。适合光检测器的实例阐述于标题为“integrated device for temporal binning of received photons”的美国专利申请14/821,656中，该美国专利申请以其全文引用的方式并入。适合光检测器的额外实例阐述于标题为“integrated photodetector with direct binning pixel”的美国专利申请第15/852,571号中，该美国专利申请以其全文引用的方式并入本文中。针对单独的像素1-112，样本井1-108与其相应光检测器1-110可沿着共同轴线(沿着图1-1中所示出的y方向)对准。以此方式，光检测器可在像素1-112内与样本井重叠。
[0072]
在图1-2中示出图解说明五行像素的集成装置1-102的平面图。如图1-2中所示出，样本井1-108a与样本井1-108b位于同行中且样本井1-108c与样本井1-108d位于同行中。本技术的各方面是关于用于接收入射到耦合区域1-201的激发光并将激发光传播至样本井1-108的阵列的技术。该技术可包含使一个或多个光学光栅耦合器定位于耦合区域1-201及波导架构中、定位于路由区域1-202和/或像素区域1-203中，以用于将来自耦合区域1-201的激发光传送到单独的样本井1-108。
[0073]
b.波导架构
[0074]
一些实施例涉及被配置为通过例如渐逝耦合将由激发源产生的激发能量基本均匀地耦合到样本井中的各个样本的波导。在一些实施例中，样本井可以被布置在具有行和列的阵列中，并且单独的波导可以被配置为将激发能量传送到相应行或列中的样本井。在一些实施例中，波导可以被配置为在一行或一列和/或多行或多列的样本井中基本上均匀地提供(例如，具有小于50％的强度变化；在一些实施例中，小于20％；在一些实施例中，小于10％)激发能量。在一些实施例中，沿着波导的样本井的数量可以大于500，例如，在500到5000的范围内。
[0075]
波导可以被配置为补偿光学损失。光学损失可以导致阵列内的不均匀激发，和/或导致次优的激发效率，这可以被称为由光功率启用的测量次数。在没有补偿的情况下，波导中的功率可以例如相对于其穿过波导阵列的距离呈指数下降。波导的实施例被配置为提高跨大型样本井阵列的激发均匀性和激发效率，并防止在包括大型样本井阵列的集成装置的区域上的超功率。
[0076]
可以调制各个波导的光模的垂直范围以调整光在波导内和沿波导长度的限制。在一些实施例中，可以沿各个波导的长度调制各个波导的厚度和/或宽度。在一些实施例中，可以调制波导的折射率和/或其包覆层材料的折射率。
[0077]
在一些实施例中，可以调制波导和相应样本井之间的距离以调整沿着波导的样本井的激发。在一些实施例中，可以通过沿着波导的长度调制波导包覆层的厚度来调制波导和相应样本井之间的距离。在一些实施例中，可以通过沿着波导的长度调制样本井相对于波导的横向位置来调制波导和相应样本井之间的距离。例如，样本井可以这样被布置，使得沿着波导的长度，距离激发源较近的样本井比远离激发源的样本井从波导偏移更多。偏移
可以在垂直于波导延伸方向的方向上(例如，如图2-8中所示)。在一些实施例中，可以单独地或以任何合适的组合形式使用本文描述的技术。
[0078]
在一些实施例中，可以调制波导阵列顶部包覆层的厚度轮廓。图2-1示出了根据一些实施例的波导阵列2-100的平面示意图。波导阵列2-100可以从阵列起始端2-108延伸到阵列结束端2-110。与阵列结束端2-110相比，阵列起始端2-108可能距离激发源更近。波导阵列2-100可以包括波导2-104和设置在相邻波导2-104之间的虚拟结构2-106。波导2-104和虚拟结构2-106可以在波导芯层中。例如，波导芯层可以被沉积在基底上并且被图案化成波导和虚拟结构。样本井2-102可以被设置在波导2-104的顶部。可能不存在设置在虚拟结构2-106的顶部的样本井。这种配置可以允许根据后续制造工艺的需要调整的虚拟结构2-106的尺寸(例如，宽度)，而波导2-104的尺寸适用于调制波导的光模的垂直范围，以调整光在波导内和沿波导的长度的限制。例如，一些后续制造工艺的结果(诸如，化学机械抛光(cmp)和高密度等离子体化学气相沉积(hdp))可能取决于底层的图案密度。虚拟结构的添加可以允许通过调制虚拟结构2-106的尺寸调制为波导2-104设计的光刻掩模的图案密度，以实现后续制造工艺期望的图案密度，而不会改变适用于调制的光模垂直范围的波导2-104的尺寸。
[0079]
波导阵列2-100可以具有调制的图案密度。图案密度可以被配置为随着距激发源的距离增加而减小。在所示示例中，波导2-104沿着波导的长度具有恒定的宽度，其可以被配置为保持渐逝场的陡峭衰减速率。在所示示例中，虚拟结构2-106沿虚拟结构的长度具有锥形宽度，这导致从阵列起始端2-108到阵列结束端2-110，波导图案密度降低。
[0080]
可以至少部分地基于调制的波导图案密度来调制波导2-104和样本井2-102之间的距离。波导2-104与波导顶部上的一排样本井2-102之间的距离可以被配置为随着波导延伸远离激发源而减小。图2-2示出了根据一些实施例的波导阵列2-100沿图2-1中标记为“2-2”的线的剖面图。包覆层2-112可以被形成在波导2-104的顶部。包覆层2-112的厚度dc可以沿着波导2-104的长度被调制。如图所示，包覆层2-112的厚度dc从阵列起始端2-108到阵列结束端2-110逐渐变细。样本井2-102可以通过例如光刻和蚀刻形成在包覆层2-112中。由于样本井2-102的深度dw对于限定样本的位置可以基本恒定，因此样本井2-102和波导2-104之间的距离可以沿着波导2-104的长度减小。减小的样本到波导距离可以补偿当激发能量穿过波导并远离激发源时波导中的功率损失，并且使基本类似量的光能够沿着波导的长度和/或跨波导阵列的不同区域与样本井中的样本相互作用。
[0081]
在一些实施例中，波导阵列2-100可以用图2-3a
–
图2-4c所示的第一方法制造。图2-3a
–
图2-3c示出了根据一些实施例的波导阵列2-100沿着阵列起始端2-108附近并在图2-1中标记为“2-3”的线的剖面图。图2-4a
–
图2-4c示出了根据一些实施例的波导阵列2-100沿着阵列结束端2-110附近并在图2-1中标记为“2-4”的线的剖面图。
[0082]
在图2-3a和图2-4a所示的制造步骤中，可以通过将波导芯层材料沉积在基底上并且通过光刻和蚀刻图案化该波导芯层材料制造波导2-104和虚拟结构2-106。
[0083]
在图2-3b和图2-4b所示的制造步骤中，可以使用基本上与下方图案密度无关的沉积工艺，例如，等离子体增强化学气相沉积(pecvd)，将包覆层2-114沉积在图案化的波导芯层材料的顶部。如图所示，沉积的包覆层2-114的厚度dd从阵列起始端2-108到阵列结束端2-110可以基本恒定。
[0084]
在图2-3c和图2-4c所示的制造步骤中，可以通过使用例如化学机械抛光工艺(cmp)抛光/平坦化沉积的包覆层2-114来形成包覆层2-112。cmp工艺可以被配置为使得具有较低波导图案密度的区域比具有较高波导图案密度的区域抛光得更快。如图所示，在阵列起始端2-108处的包覆层2-112的厚度d1大于在阵列结束端2-110处的包覆层2-112的厚度d2。
[0085]
在一些实施例中，波导阵列2-100可以用图2-5a
–
图2-6b所示的第二方法制造。图2-5a
–
图2-5b示出了根据一些实施例的波导阵列2-100沿着阵列起始端2-108附近并在图2-1中标记为“2-3”的线的剖面图。图2-6a
–
图2-6b示出了根据一些实施例的阵列2-100沿着阵列起始端2-108附近并在图2-1中标记为“2-4”的线的剖面图。
[0086]
类似于图2-3a和图2-4a所示的制造步骤，在图2-5a和图2-6a所示的制造步骤中，可以通过将波导芯层材料沉积在基底上并且通过光刻和蚀刻图案化该波导芯层材料制造波导2-104和虚拟结构2-106。
[0087]
不同于图2-3b和图2-4b所示的制造步骤，在图2-5b和图2-6b所示的制造步骤中，可以使用取决于下方图案密度的沉积工艺，例如高密度等离子体化学气相沉积(hdp)，将包覆层2-116沉积在图案化的波导芯层材料的顶部。如图所示，在阵列起始端2-108处的沉积包覆层2-116的厚度dd1大于在阵列结束端2-110处的沉积包覆层2-116的厚度dd2。
[0088]
在图2-5b和图2-6b所示的制造步骤之后，类似于图2-3c和图2-4c所示的制造步骤，可以通过使用例如cmp工艺抛光/平坦化沉积的包覆层2-116来形成包覆层2-112。当通过抛光/平坦化工艺将沉积的包覆层2-116转移到包覆层2-112时，可以保持或增强沉积的包覆层2-116的厚度轮廓。
[0089]
可以由锥形包覆层(例如，图2-2中所示的包覆层2-112)调制波导的光模的垂直范围。图2-7a是根据一些实施例的图2-3c中标记为“2-7”的区域的放大图。图2-7b是示出根据一些实施例的在波导2-104内和波导2-104附近的光模的场强的模拟示意图。波导2-104的光模的场强可以取决于波导的宽度w和厚度t。如图所示，光模具有大致椭圆形形状，其中场强随着到光模中心的距离的增加而减小。取决于集成装置的配置，场强可以具有另一种形状。
[0090]
在图2-7a中，绘制了形状2-118以说明具有相等场强的位置的示例。该场可以在平行于波导厚度的垂直方向上快速衰减。此外，当波导横穿远离激发源时，波导中心的功率在平行于波导长度并垂直于波导宽度w和厚度t的水平方向上衰减。沿着波导的长度调制波导的光模的垂直范围可以使远离激发源的样本井更靠近波导，并且因此使能沿着波导的长度和/或跨越阵列的不同区域将尽可能接近相同量的光传送到样本井。
[0091]
在一些实施例中，可以通过沿着波导的长度改变波导的厚度t来调制光模的垂直范围。例如，波导的厚度t可以随着波导延伸远离激发源而增加，以便使波导更靠近远离激发源的样本井。在一些实施例中，可以通过将光刻胶层的形貌转移到波导芯层来调制波导的厚度t。光刻胶层可以被沉积在波导芯层的顶部，并且在灰度光刻之后被提供有期望的表面轮廓。然后，在非选择性蚀刻之后，可以将光刻胶层的期望表面轮廓转移到波导芯层。应当理解，以上作为示例被提供，并且可以使用任何其他合适的制造工艺来提供沿其长度具有期望变化的厚度的波导。
[0092]
另外或替选地，在一些实施例中，可以调制波导的折射率和/或其周围包覆材料的
折射率。例如，可以使用离子注入方法来改变波导芯层和/或包覆层的局部组成，这继而又调制折射率。
[0093]
波导可以由在激发能量的波长下是透明的(例如，具有小于2db/m的传播损耗)的波导芯材料制成。例如，氮化硅可以被用作引导激发能量的材料。可以适合于形成波导芯的其他材料包括碳化硅以及氮化硅和碳化硅的合金。波导包覆层可以由提供相对于波导芯材料的期望衰减速率的透明材料制成。例如，二氧化硅可以被用作包覆层的材料。这些波导芯和包覆材料可以通过诸如等离子体增强化学气相沉积(pecvd)的方法被沉积，并且材料的光学特性可以通过调整沉积参数被调整。
[0094]
在一些实施例中，可以通过沿着波导的长度调制样本井相对于波导的横向位置来调制波导和相应样本井之间的距离。图2-8示出了这样的示例。如图所示，样本井2-102可以设置成使得沿着波导2-104的长度，距离波导阵列2-100的起始端2-108更近的样本井比距离波导阵列2-100的阵列结束端2-110更近的样本井从波导的中心线偏移更多。该偏移可以在垂直于波导延伸方向的方向上。结果，距离激发源较远的样本井比距离激发源较近的样本井距离波导更近。应当理解，以上作为示例被提供，并且样本井相对于波导的任何合适的布置可以被配置用于调制波导和相应的样本井之间的距离。
[0095]
在一些实施例中，可以由沿波导长度具有锥形宽度的波导调制波导的光模的垂直范围。图3-1示出了根据一些实施例的波导阵列3-100的平面示意图。波导阵列3-100可以从阵列起始端3-108延伸到阵列结束端3-110。阵列起始端3-108可以比阵列结束端3-110距离激发源更近。波导阵列3-100可以包括波导3-104和设置在相邻波导3-104之间的虚拟结构3-106。样本井3-102可以被设置在波导3-104的顶部。可能不存在设置在虚拟结构3-106的顶部的样本井。
[0096]
波导阵列3-100可以具有调制的图案密度。在所示示例中，波导3-104沿波导的长度具有锥形宽度。锥形波导可以被配置为提供更靠近激发源的较弱的渐逝场以及激发源远端的较强的渐逝场。从阵列起始端3-108到阵列结束端3-110，锥形波导还可能导致波导图案密度的降低，这可影响后续制造过程的结果。在所示的示例中，虚拟结构3-106沿虚拟结构长度也具有锥形宽度，这增强了从阵列起始端3-108到阵列结束端3-110的波导图案密度的减小。
[0097]
如图所示，可以通过波导3-104或虚拟结构3-106的轮廓沿它们相应长度的斜率测量的锥度可以被调制，以使能激发能量的基本均匀分布。在所示示例中，虚拟结构3-106的锥形度比波导3-104的锥形度更陡。应当理解，波导3-104可以具有与虚拟结构3-106类似的锥度或比虚拟结构3-106更陡的锥度。
[0098]
波导阵列3-100可以用类似于图2-3a
–
图2-4c所示的第一方法的方法、类似于图2-5a
–
图2-6b所示的第二方法的方法、或第一方法和第二方法的步骤的任何适当的组合制造。所得波导阵列3-100可以具有与图2-2中所示的包覆层2-112类似的锥形包覆层。
[0099]
在一些实施例中，波导和虚拟结构可以在相反方向上逐渐变细，以便跨越波导阵列提供基本恒定的图案。图4-1示出了根据一些实施例的波导阵列4-100的平面示意图。波导阵列4-100可以从阵列起始端4-108延伸到阵列结束端4-110。阵列起始端4-108可以比阵列结束端4-110距离激发源更近。波导阵列4-100可以包括波导4-104和设置在相邻波导4-104之间的虚拟结构4-106。样本井4-102可以被设置在波导4-104的顶部。可能不存在设置
在虚拟结构4-106的顶部的样本井。
[0100]
在一些实施例中，波导阵列4-100可以用图4-2a
–
图4-2b所示的方法制造。图4-2a
–
图4-2b是根据一些实施例的波导阵列4-100沿着标记为“4-2”的线的剖面图。
[0101]
在图4-2a
–
图4-2b所示的制造步骤之前，类似于图2-3a和图2-4a所示的制造步骤，可以通过将波导芯层材料沉积在基底上并且通过光刻和蚀刻图案化该波导芯层材料制造波导4-104和虚拟结构4-106。类似于图2-3b和图2-4b所示的制造步骤，可以使用基本上与下方图案密度无关的沉积工艺，例如，pecvd，将包覆层沉积在图案化的波导芯层材料的顶部。类似于图2-3c和图2-4c所示的制造步骤，可以在使用例如化学机械抛光(cmp)工艺抛光/平坦化沉积的包覆层之后形成包覆层。由于波导阵列4-100跨越阵列具有基本恒定的图案，因此抛光包覆层可以具有基本平坦的表面。
[0102]
在图4-2a所示的制造步骤中，光刻胶层4-144可以被沉积在抛光的包覆层4-116的顶部上并且在灰度光刻之后被提供有锥形表面轮廓。在图4-2b所示的制造步骤中，光刻胶层4-114的锥形表面轮廓可以在非选择性蚀刻之后被转移到包覆层4-112。所得波导阵列4-100可以具有与图2-2所示的包覆层2-112类似的锥形包覆层。
[0103]
尽管描述了制造波导阵列的步骤，但是应当理解，制造步骤可以以任何合适的组合和/或以任何合适的顺序进行处理，并且具有添加在其中的任何其他合适的步骤。
[0104]
c.光栅耦合器
[0105]
如结合图1-1所论述，集成装置可包含光栅耦合器(诸如光栅耦合器1-216)，该光栅耦合器被配置成自光学源接收光且将光引导至被配置成与样本井阵列光学耦合的波导。发明人已认识到并了解，某些光栅耦合器配置对集成装置提供一个或多个益处，包含光与装置中的其他光学组件的较高耦合效率及针对入射光的角度的较宽广公差。光栅耦合器包含多个材料结构或光栅齿，该多个材料结构或光栅齿通过填充材料的间隙分开。材料结构可具有比间隙材料高的折射率(例如，材料结构由氮化硅形成且间隙由氧化硅形成)。可影响光栅耦合器的耦合效率的参数包含材料结构的宽度、材料结构的数量、间隙的宽度、填充因子，该填充因子是材料结构的宽度与间隙的宽度的比率。
[0106]
一些实施例是关于具有变迹光栅耦合器的集成装置，该变迹光栅耦合器被配置成接收入射到集成装置的光。变迹光栅耦合器可具有以可变填充因子彼此间隔开的材料结构。在一些实施例中，材料结构可通过具有可变宽度的间隙而彼此间隔开。在一些实施例中，材料结构可具有可变宽度。
[0107]
一些实施例是关于光栅耦合器，该光栅耦合器具有关于基本上平行于集成装置的表面的平面的不对称材料结构。在一些实施例中，光栅耦合器可具有多个层。炫耀光栅耦合器包含光栅耦合器的组合，其中接近于表面的层具有宽度小于另一层的材料结构。根据一些实施例，炫耀光栅耦合器可具有锯齿形材料结构。双层光栅耦合器包含彼此偏移的两个光栅耦合器的组合。
[0108]
针对某些光栅耦合器，耦合效率以及可达到期望耦合效率的入射角度范围可取决于入射光的带宽，其中光栅耦合器的性能可针对较宽波长频带而降低。发明人已认识到并了解，光栅耦合器可通过以下操作而适应较宽带带：变更材料结构的折射率，从而产生宽带光栅耦合器。在一些实施例中，可使用多种材料来控制光栅的折射率。举例而言，若使用氧化硅及氮化硅来形成光栅耦合器的光栅结构，则可将该光栅结构离散化成若干子波长组件
(例如，小于200nm)。有效折射率n
eff
可分别取决于氧化硅及氮化硅二者的填充因子f
ox
及及氧化硅的f
sin
以折射率n
ox
及氮化硅的折射率n
sin
。特定而言，
[0109]
应了解，具有如本文中所阐述的配置的光栅耦合器可与任何适合数量个波导耦合且可在一个或多个方向上具有输出光。在一些实施例中，光栅耦合器可具有在一个方向上基本上平行的多个输出波导。
[0110]
iii.系统的其它方面
[0111]
系统可包含集成装置及被配置成与该集成装置介接的仪器。集成装置可包含像素阵列，其中像素包含样本井及至少一个光检测器。集成装置的表面可具有多个样本井，其中样本井被配置成自放置于集成装置的表面上的样本接收样本。样本可含有多个样本，且在一些实施例中，含有不同类型的样本。多个样本井可具有适合大小及形状，使得样本井的至少一部分自样本接收一个样本。在一些实施例中，样本井内的样本数量可在该样本井当中进行分布，使得某些样本井含有一个样本，其他样本井含有零个、两个或两个以上样本。
[0112]
在一些实施例中，样本可含有多个单链dna模板，且集成装置的表面上的单独的样本井可经定大小及定形以接收测序模板。测序模板可在集成装置的样本井当中进行分布，使得集成装置的样本井的至少一部分含有测序模板。样本亦可含有然后进入样本井中的经标记核苷酸且可允许在将核苷酸并入至与样本井中的单链dna模板互补的链dna中时识别该核苷酸。在此实例中，“样本”可指测序模板及当前通过聚合酶而被并入的经标记核苷酸两者。在一些实施例中，样本可含有测序模板且可随后在将核苷酸并入至样本井内的互补链中时将经标记核苷酸引入至该样本井。以此方式，核苷酸的并入时序可受何时将经标记核苷酸引入至集成装置的样本井控制。
[0113]
自与集成装置的像素阵列分开定位的激发源提供激发光。至少部分地通过集成装置的组件而朝向一个或多个像素引导激发光以照射样本井内的照射区域。标记物可然后在位于照射区域内时且响应于被激发光照射而发射发射光。在一些实施例中，一个或多个激发源是系统的仪器的部分，其中仪器及集成装置的组件被配置成朝向一个或多个像素引导激发光。
[0114]
由样本发射的发射光可然后由集成装置的像素内的一个或多个光检测器检测到。所检测发射光的特性可提供用于识别与发射光相关联的标记物的指示。该特性可包含任何适合类型的特性，包含由光检测器检测到的光子的到达时间、由光检测器随时间累积的光子的量和/或光子跨越两个或两个以上光检测器的分布。在一些实施例中，光检测器可具有配置，该配置允许检测与样本的发射光相关联的一个或多个时序特性(例如，荧光寿命)。光检测器可在激发光脉冲传播穿过集成装置之后检测光子到达时间的分布，且到达时间的分布可提供对样本的发射光的时序特性的指示(例如，荧光寿命的代理)。在一些实施例中，一个或多个光检测器提供对由标记物发射的发射光的机率的指示(例如，荧光强度)。在一些实施例中，多个光检测器可经定大小且经配置以撷取发射光的空间分布。可然后使用来自一个或多个光检测器的输出信号自多个标记当中区分出标记物，其中多个标记物可用于识别样本内的样本。在一些实施例中，样本可由多种激发能量激发，且由样本响应于该多种激发能量而发射的发射光和/或发射光的时序特性可自多个标记物区分出标记物。
[0115]
在图5-1a中图解说明系统5-100的示意性概述。系统包括与仪器5-104介接的集成
装置5-102。在一些实施例中，仪器5-104可包含整合为仪器5-104的一部分的一个或多个激发源5-106。在一些实施例中，激发源可在仪器5-104及集成装置5-102两者外部，且仪器5-104可被配置成自激发源接收激发光且将激发光引导至集成装置。集成装置可使用用于接纳集成装置的任何适合承窝来与仪器介接且将该仪器固持成与激发源精确光学对准。激发源5-106可被配置成将激发光提供至集成装置5-102。如图5-1a中示意性地图解说明，集成装置5-102具有多个像素5-112，其中像素的至少一部分可执行样本的独立分析。该像素5-112可被称为“无源源像素”，此乃因像素自与该像素分开的一源5-106接收激发光，其中来自该源的激发光激发像素5-112中的某些或所有像素。激发源5-106可为任何适合光源。适合激发源的实例阐述于2015年8月7日提出申请的标题为“integrated device for probing,detecting and analyzing molecules”的美国专利申请第14/821,688号中，该美国专利申请以其全文引用的方式并入。在一些实施例中，激发源5-106包含经组合以将激发光传送到集成装置5-102的多个激发源。多个激发源可被配置成产生多种激发能量或波长。
[0116]
像素5-112具有被配置成接收样本的样本井5-108以及光检测器5-110，该光检测器用于检测由该样本响应于用激发源5-106所提供的激发光照射该样本而发射的发射光。在一些实施例中，样本井5-108可使样本保持接近于集成装置5-102的表面，此可易于将激发光传送到样本及检测来自样本的发射光。
[0117]
用于将来自激发光源5-106的激发光耦合到集成装置5-102及将激发光导引至样本井5-108的光学组件位于集成装置5-102及仪器5-104两者上。源至井光学组件可包括位于集成装置5-102上的用以将激发光耦合到集成装置的一个或多个光栅耦合器以及用以将来自仪器5-104的激发光传送到像素5-112中的样本井的波导。一个或多个分光器组件可定位于一光栅耦合器与波导之间。分光器可耦合来自光栅耦合器的激发光且将激发光传送到波导中的至少一个。在一些实施例中，分光器可具有配置，该配置允许将激发光传递成跨越所有波导而是基本上均匀的，使得波导中的每一个接收一基本上类似量的激发光。该实施例可通过改善由集成装置的样本井接收的激发光的均匀度而改善集成装置的性能。
[0118]
样本井5-108、激发源至井光学器件的一部分以及样本井至光检测器光学器件是位于集成装置5-102上。激发源5-106以及源至井组件的一部分是位于仪器5-104中。在一些实施例中，单个组件可在将激发光耦合到样本井5-108及将来自样本井5-108的发射光传送到光检测器5-110两者中发挥作用。用于将激发光耦合到样本井和/或将发射光引导至光检测器以包含于集成装置中的适合组件的实例阐述于2015年8月7日提出申请的标题为“integrated device for probing,detecting and analyzing molecules”的美国专利申请第14/821,688号及2014年11月17日提出申请的标题为“integrated device with external light source for probing,detecting,and analyzing molecules”的美国专利申请第14/543,865号中，该美国专利申请中的每一个以其全文引用的方式并入本文中。
[0119]
像素5-112与其自身的单独的样本井5-108及至少一个光检测器5-110相关联。集成装置5-102的多个像素可被配置成具有任何适合形状、大小和/或尺寸。集成装置5-102可具有任何适合数量个像素。集成装置2-102中的像素数量可处于大约10,000个像素至1,000,000个像素的范围中或者彼范围内的任何值或值范围。在一些实施例中，像素可被配置成512个像素乘512个像素的阵列。集成装置5-102可以任何适合方式与仪器5-104介接。在一些实施例中，仪器5-104可具有接口，该接口可拆卸地耦合到集成装置5-102，使得用户可
将集成装置5-102附接至仪器5-104以使用集成装置5-102来分析样本且自仪器5-104移除集成装置5-102以允许附接另集成装置。仪器5-104的接口可将集成装置5-102定位成与仪器5-104的电路耦合以允许将来自一个或多个光检测器的读出信号传输至仪器5-104。集成装置5-102及仪器5-104可包含用于处置与大的像素阵列(例如，多于10,000个像素)相关联的数据的多信道高速通信链路。
[0120]
在图5-1b中示出集成装置5-102的剖面图，其图解说明像素5-112的行。集成装置5-102可包含耦合区域5-201、路由区域5-202及像素区域5-203。像素区域5-203可包含具有样本井5-108的多个像素5-112，该样本井定位于与耦合区域5-201分开的位置处的表面上，该位置是激发光(由虚线箭头示出)耦合到集成装置5-102之处。样本井5-108可透过金属层5-116而形成。由虚线矩形图解说明的一个像素5-112是集成装置5-102的一区域，该区域包含样本井5-108以及具有一个或多个光检测器5-110的光检测器区域。
[0121]
图5-1b图解说明通过将激发光束耦合到耦合区域5-201且耦合到样本井5-108的激发路径(以虚线示出)。图5-1b中所示出的样本井5-108的行可经定位以与波导5-220光学耦合。激发光可照射位于样本井内的样本。样本可响应于由激发光照射而达到经激发状态。当样本是处于经激发状态中时，样本可发射发射光，该发射光可由与样本井相关联的一个或多个光检测器检测到。图5-1b示意性地图解说明自像素5-112的样本井5-108至光检测器5-110的发射光路径(示出为实线)。像素5-112的光检测器5-110可经配置及定位以检测来自样本井5-108的发射光。适合光检测器的实例阐述于2015年8月7日提出申请的标题为“integrated device for temporal binning of received photons”的美国专利申请第14/821,656号中，该美国专利申请以其全文引用的方式并入。适合光检测器的额外实例阐述于2017年12月22日提出申请的标题为“integrated photodetector with direct binning pixel”的美国专利申请第15/852,571号中，该美国专利申请以其全文引用的方式并入本文中。针对单独的像素5-112，样本井5-108与其相应光检测器5-110可沿着共同轴线(沿着图5-1b中所示出的y方向)对准。以此方式，光检测器可在像素5-112内与样本井重叠。
[0122]
来自样本井5-108的发射光的方向性可取决于样本井5-108中的样本相对于金属层5-116的定位，此乃因金属层5-116可用于反射发射光。以此方式，金属层5-116与定位于样本井5-108中的荧光标记物之间的距离可影响与该样本井位于同像素中的光检测器5-110检测由荧光标记物发射的光的效率。金属层5-116与样本井5-106的底部表面(其接近于可在操作期间定位的样本之处)之间的距离可处于100nm至500nm的范围中或者彼范围中的任何值或值范围。在一些实施例中，金属层5-116与样本井5-108的底部表面之间的距离是大约300nm。
[0123]
样本与光检测器之间的距离亦可影响检测发射光的效率。通过减小光必须在样本与光检测器之间行进的距离，可改善发射光的检测效率。另外，样本与光检测器之间的较小距离可允许像素占据集成装置较小占用面积，此可允许更多个像素被包含于集成装置中。样本井5-108的底部表面与光检测器之间的距离可处于1μm至15μm的范围中或者彼范围中的任何值或值范围。
[0124]
光子结构5-230可定位于样本井5-108与光检测器5-110之间且被配置成减少或防止激发光到达光检测器5-110，此可另外促成在检测发射光中的信号噪声。如图5-1b中所示出，一个或多个光子结构5-230可定位于波导5-220与光检测器5-110之间。光子结构5-230
可包含一个或多个光学拒斥光子结构，包含一光谱滤波器、一偏光滤波器及一空间滤波器。光子结构5-230可经定位以沿着一共同轴线与单独的样本井5-108及其相应光检测器5-110对准。根据一些实施例，可充当用于集成装置5-102的一电路的金属层5-240亦可充当一空间滤波器。在该实施例中，一个或多个金属层5-240可经定位以阻止某些或所有激发光到达光检测器5-110。
[0125]
耦合区域5-201可包含被配置成耦合来自外部激发源的激发光的一个或多个光学组件。耦合区域5-201可包含经定位以接收激发光束的某些或全部的光栅耦合器5-216。适合光栅耦合器的实例阐述于2017年12月15日提出申请的标题为“optical coupler and waveguide system”的美国专利申请第15/844,403号中，该美国专利申请以其全文引用的方式并入。光栅耦合器5-216可将激发光耦合到波导5-220，该波导可被配置成将激发光传播至一个或多个样本井5-108的附近。另一选择是，耦合区域5-201可包括用于将光耦合到一波导中的其他众所周知的结构。
[0126]
位于集成装置之外的组件可用于将激发源5-106定位并对准至集成装置。该组件可包含光学组件，包含透镜、镜、棱镜、窗、光圈、衰减器和/或光纤。额外机械组件可包含于仪器中以允许对一个或多个对准组件进行控制。该机械组件可包含致动器、步进马达和/或旋钮。适合激发源及对准机构的实例阐述于2016年5月20日提出申请的标题为“pulsed laser and system”的美国专利申请第15/161,088号中，该美国专利申请以其全文引用的方式并入。一光束操纵模块的另一实例阐述于2017年12月14日提出申请的标题为“compact beam shaping and steering assembly”的美国专利申请第15/842,720号中，该美国专利申请以引用的方式并入本文中。
[0127]
可将待分析的样本引入至像素5-112的样本井5-108中。样本可为生物样本或任何其他适合样本，诸如化学样本。样本可包含多个分子且样本井可被配置成隔离单个分子。在某些实例中，样本井的尺寸可用于将单个分子局限于样本井内，从而允许对单个分子执行测量。可将激发光传送到样本井5-108中，以便在样本或者附接至样本或以其他方式与样本相关联的至少一个荧光标记物是位于样本井5-108内的一照射区内时激发该样本或该至少一个荧光标记物。
[0128]
在操作中，通过使用激发光来激发样本井内的某些或所有样本且利用光检测器自样本发射检测信号而对该井内的样本执行并行分析。来自样本的发射光自可由对应光检测器检测到且被转换成至少一个电信号。可沿着集成装置的电路中的传导线(例如，金属层5-240)传输电信号，该传导线可连接至与集成装置介接的仪器。可随后处理和/或分析电信号。电信号的处理或分析可发生于位于该仪器上或其之外的一适合计算装置上。
[0129]
仪器5-104可包含用于控制仪器5-104和/或集成装置5-102的操作的用户接口。用户接口可被配置成允许用户将信息(诸如用于控制仪器的功能的命令和/或设定)输入至仪器中。在一些实施例中，用户接口可包含按钮、开关、拨号盘及用于语音命令的麦克风。用户接口可允许用户接收关于仪器和/或集成装置的性能的反馈，诸如恰当对准和/或通过来自集成装置上的光检测器的读出信号而获得的信息。在一些实施例中，用户接口可使用扬声器来提供反馈以提供可听反馈。在一些实施例中，用户接口可包含用于向用户提供视觉反馈的指示器灯和/或一显示屏幕。
[0130]
在一些实施例中，仪器5-104可包含被配置成与计算装置连接的计算机接口。计算
机接口可为usb接口、火线(firewire)接口或任何其他适合计算机接口。计算装置可为任何一般用途计算机，诸如膝上型或桌面计算机。在一些实施例中，计算装置可为可经由一适合计算机接口透过无线网络而存取的服务器(例如，基于云端的服务器)。计算机接口可促进信息在仪器5-104与计算装置之间的传递。可将用于控制和/或配置仪器5-104的输入信息提供至计算装置且经由计算机接口而传输至仪器5-104。可经由计算机接口而由计算装置接收仪器5-104所产生的输出信息。输出信息可包含关于仪器5-104的性能、集成装置5-112的性能的反馈和/或自光检测器5-110的读出信号产生的数据。
[0131]
在一些实施例中，仪器5-104可包含处理装置，该处理装置被配置成分析自集成装置5-102的一个或多个光检测器接收的数据和/或将控制信号传输至激发源2-106。在一些实施例中，处理装置可包括一个一般用途处理器、一经特殊调适处理器(例如，一中央处理单元(cpu)，诸如一个或多个微处理器或微控制器核心、场可程序化门阵列(fpga)、特殊应用集成电路(asic)、定制集成电路、数字信号处理器(dsp)或其一组合。)。在一些实施例中，可通过仪器5-104的处理装置以及外部计算装置而执行对来自一个或多个光检测器的数据之处理。在其他实施例中，可省略外部计算装置且可仅通过集成装置5-102的处理装置而执行对来自一个或多个光检测器的数据之处理。
[0132]
在图5-2中绘示发生于样本井5-330中的生物反应的非限制性实例。在此实例中，核苷酸和/或核苷酸类似物至与目标核酸互补的生长链中的依序并入正发生于样本井中。依序并入可经检测以对一系列核酸(例如，dna、rna)进行测序。样本井可具有处于大约100nm至大约500nm的范围中或者彼范围内的任何值或值范围的深度，及处于大约80nm至大约200nm的范围中的直径。金属化层5-540(例如，电参考电位的金属化)可被图案化于光检测器上方来提供光圈以阻挡来自毗邻样本井及其他不想要的光源的杂散光。根据一些实施例，聚合酶5-520可位于样本井5-330内(例如，附接至样本井的基底)。聚合酶可吸收目标核酸5-510(例如，衍生自dna的核酸的一部分)，且对互补核酸的生长链进行测序以产生dna生长链5-512。用不同荧光团标记的核苷酸和/或核苷酸类似物可分散于样本井上方及其内的一溶液中。
[0133]
当将经标记核苷酸和/或核苷酸类似物5-610并入至互补核酸的生长链中(如图5-3中所绘示)时，一个或多个经附接荧光团5-630可由自波导5-315耦合到样本井5-330中的光学能量的脉冲重复地激发。在一些实施例中，一个或多个荧光团5-630可利用任何适合链接体(linker)5-620附接至一个或多个核苷酸和/或核苷酸类似物5-610。并入事件可持续多达100ms的时间周期。在此时间期间，可利用时间分级光检测器5-322来检测由荧光团被来自锁模雷射的脉冲激发所产生的荧光发射脉冲。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)的荧光团附接至不同核苷酸(a、c、g、t)，在dna链5-512并入有核酸时检测并区分不同发射特性，而能够确定dna生长链的核苷酸序列。
[0134]
根据一些实施例，被配置成基于荧光发射特性而分析样本的仪器5-104可检测不同荧光分子的荧光寿命和/或强度之间的差异，和/或不同环境中的相同荧光分子的寿命和/或强度之间的差异。通过解释的方式，图5-4标绘(举例而言)可表示来自两个不同荧光分子的荧光发射的两个不同荧光发射机率曲线(a及b)。参考曲线a(虚线)，在由短或超短光学脉冲激发之后，自第一分子的一荧光发射的机率pa(t)可随时间衰减，如所绘示。在某些情形中，光子被发射的机率随时间的降低可由指数衰减函数表示，其中
p
ao
是初始发射机率且τa是与第一荧光分子相关联的表征发射衰减机率的时间参数。τa可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，τa的值可因荧光分子的局部环境而变更。其他荧光分子可具有与曲线a中所示出的发射特性不同的发射特性。举例而言，另一荧光分子可具有不同于单指数衰减的衰减轮廓，且其寿命可由半衰期值或某其他度量表征。
[0135]
第二荧光分子可具有衰减轮廓，该衰减轮廓是指数的但具有可测量地不同寿命τb，如针对图5-4中的曲线b所绘示。在所示出的实例中，针对曲线b的第二荧光分子的寿命比针对曲线a的寿命短，且在激发第二分子之后不久，发射机率比针对曲线a的发射机率高。在一些实施例中，不同荧光分子可具有介于自约0.1ns至约20ns的范围内的寿命或半衰期值。
[0136]
发明人已认识到并了解，可使用荧光发射寿命的差异来在不同荧光分子的存在或不存在之间进行辨别和/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(举例而言，而非发射波长)而辨别荧光分子可简化仪器5-104的方面。作为实例，当基于寿命而辨别荧光分子时，波长鉴别光学器件(诸如波长滤波器、针对每一波长的专用检测器、处于不同波长的专用脉冲光学源和/或绕射光学器件)可在数量上减少或被消除。在某些情形中，以单个特征波长操作的单个脉冲光学源可用于激发在光学光谱的相同波长区域内发射但具有可测量地不同寿命的不同荧光分子。使用单个脉冲光学源而非以不同波长操作的多个源来激发并辨别在相同波长区域内发射的不同荧光分子的分析系统可更简单地操作及维护、更紧凑且可以更低成本进行制作。
[0137]
虽然基于荧光寿命分析的分析系统可具有特定益处，但可通过允许额外检测技术而增加由分析系统获得的信息量和/或检测准确性。举例而言，某些分析系统5-160可另外被配置成基于荧光波长和/或荧光强度而辨别样本的一个或多个性质。
[0138]
再次参考图5-4，根据一些实施例，可利用光检测器来区分不同荧光寿命，该光检测器被配置成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。电荷累积循环是读出事件之间的间隔，在该间隔期间，光生载流子在时间分级光检测器的分级箱中累积。在图5-5中以图形方式介绍通过发射事件的时间分级而确定荧光寿命的概念。在仅在t1之前的时间te处，荧光分子或相同类型(例如，对应于图5-4的曲线b的类型)的荧光分子集合由短或超短光学脉冲激发。针对大的分子集合，发射强度可具有类似于曲线b的时间量变曲线，如图5-5中所绘示。
[0139]
然而，对于此实例，针对单个分子或小数量个分子，荧光光子的发射根据图5-4中的曲线b的统计数据而发生。时间分级光检测器5-322可将自发射事件产生的载流子累积至离散时间分级箱(在图5-5中指示三个时间分级箱)中，该离散时间分级箱相对于荧光分子的激发时间而在时间上被解析。当将大量发射事件加总时，在时间分级箱中累积的载流子可近似图5-5中所示出的衰减强度曲线，且经分级信号可用于在不同荧光分子或荧光分子位于其中的不同环境之间进行区分。时间分级光检测器的实例阐述于2015年8月7日提出申请的标题为“integrated device for temporal binning of received photons”的美国专利申请第14/821,656号中，该美国专利申请以其全文引用的方式并入本文中。时间分级光检测器的额外实例阐述于2017年12月22日提出申请的标题为“integrated photodetector with direct binning pixel”的美国专利申请第15/852,571号中，该美国
专利申请以其全文引用的方式并入本文中。
[0140]
在一些实施例中，时间分级光检测器可在光子吸收/载流子产生区域中产生电荷载流子且将电荷载流子直接传送至电荷载流子储存区域中的电荷载流子储存分级箱。此一时间分级光检测器可被称为“直接分级像素”。直接分级像素的实例阐述于2017年12月22日提出申请的标题为“integrated photodetector with direct binning pixel”的美国专利申请第15/852,571号中，该美国专利申请以其全文引用的方式并入。出于解释目的，在图5-6中绘示时间分级光检测器的非限制性实施例。如图5-6中所示出，时间分级光检测器5-950包含光子吸收/载流子产生区域5-952、电荷载流子储存区域5-958的分级箱以及自电荷载流子储存区域5-958的分级箱读出信号的读出电路5-960。向其传送电荷载流子的分级箱是基于产生电荷载流子的光子吸收/载流子产生区域5-952中的光子的到达时间。图5-6示出在电荷载流子储存区域5-958中具有两个分级箱分级箱0及分级箱1的时间分级光检测器的实例。在某些实例中，分级箱0可聚合在触发事件(例如，激发光脉冲)之后的一个周期中接收的电荷载流子，且分级箱1可聚合在相对于触发事件的稍后时间周期中接收的电荷载流子。然而，电荷储存区域5-958可具有任何数量个分级箱，诸如一个分级箱、三个分级箱、四个分级箱或更多。时间分级光检测器5-950可包含电极5-953、5-955及5-956，该电极可被配置成施加电压来建立电位梯度从而引导电荷载流子。时间分级光检测器5-950可包含拒斥区域5-965，该拒斥区域可充当一漏极或以其他方式被配置成丢弃产生于光子吸收/载流子产生区域5-952中的电荷载流子。在电荷载流子由拒斥区域5-965拒斥时的时间周期可经定时以在触发事件(诸如激发光脉冲)期间发生。
[0141]
由于激发光脉冲可在光子吸收/载流子产生区域5-952中产生若干个不想要的电荷载流子，因此可在像素5-950中建立电位梯度以在拒斥周期期间将该电荷载流子汲取至拒斥区域5-965。作为实例，拒斥区域5-965可包含高电位扩散区，在该高电位扩散区处将电子汲取至供应电压。拒斥区域5-965可包含将区域5-952直接电荷耦合到拒斥区域5-965的一电极5-956。电极5-956的电压可经变化以在光子吸收/载流子产生区域5-952中建立期望电位梯度。在拒斥周期期间，可将电极5-956的电压设定至位准，该位准使载流子自光子吸收/载流子产生区域5-952吸取至电极5-956中且吸出至供应电压。举例而言，可将电极5-956的电压设定至正电压以吸引电子，使得该电子自光子吸收/载流子产生区域5-952被吸取至拒斥区域5-965。拒斥区域5-965可被视为“横向拒斥区域”，此乃因其允许将载流子自区域5-952横向地传送至漏极。
[0142]
在拒斥周期之后，可对产生于光子吸收/载流子产生区域5-952中的光生电荷载流子进行时间分级。单独的电荷载流子可基于其到达时间而被引导至分级箱。为此，光子吸收/载流子产生区域5-952与电荷载流子储存区域5-958之间的电位可在相应时间周期中改变以建立一电位梯度，该电位梯度致使光生电荷载流子被引导至相应时间分级箱。举例而言，在第一时间周期期间，由电极5-953形成的阻挡层5-962可降低，且可建立自光子吸收/载流子产生区域5-952至分级箱0的电位梯度，使得将在此周期期间产生的一载流子传送至分级箱0。然后，在第二时间周期期间，由电极5-955形成的阻挡层5-964可降低，且可建立自光子吸收/载流子产生区域5-952至分级箱1的电位梯度，使得将在此周期期间产生的载流子传送至分级箱1。
[0143]
在某些实施方案中，可在激发事件之后自荧光团仅平均发射单个光子，如图5-7a
中所绘示。在时间t
e1
处的第激发事件之后，在时间t
f1
处的经发射光子可在第一时间间隔内发生，使得所得电子信号在第一电子储存分级箱中累积(贡献至分级箱1)。在时间t
e2
处的一后续激发事件中，时间t
f2
处的经发射光子可在第二时间间隔内发生，使得所得电子信号贡献至分级箱2。
[0144]
在大量激发事件及信号累积之后，时间分级光检测器5-322的电子储存分级箱可经读出以提供针对样本井的多值信号(例如，两个或两个以上值的直方图、n维向量等)。每一分级箱的信号值可取决于荧光团的衰减速率。举例而言且再次参考图5-4，与具有衰减曲线a的荧光团相比，具有衰减曲线b的荧光团将具有分级箱1中的信号与分级箱2中的信号的较高比率。来自分级箱的值可被分析并与校准值和/或彼此进行比较，以确定特定荧光团，此继而识别链接至荧光团的核苷酸或核苷酸类似物(或任何其他所关注分子或样本)(当在样本井中时)。
[0145]
为进一步帮助理解信号分析，可将所累积多分级箱值标绘为直方图(举例而言，如图5-7b中所绘示)，或可将该所累积多分级箱值记录为n维空间中的向量或位置。可单独地执行校准运行以针对链接至四个核苷酸或核苷酸类似物的四个不同荧光团获取多值信号的校准值(例如，校准直方图)。作为实例，校准直方图可显现为如图5-8a(与t核苷酸相关联的荧光标记)、图5-8b(与a核苷酸相关联的荧光标记)、图5-8c(与c核苷酸相关联的荧光标记)及图5-8d(与g核苷酸相关联的荧光标记)中所绘示。所测量多值信号(对应于图5-7b的直方图)与校准多值信号的比较可确定被并入至dna生长链中的核苷酸或核苷酸类似物的身份“t”(图5-8a)。
[0146]
在某些实施方案中，另外或另一选择是，可使用荧光强度来在不同荧光团之间进行区分。举例而言，某些荧光团可以显著不同强度发射或在其激发机率上具有显著差异(例如，至少约35％的差异)，即使其衰减速率可为类似的。通过将经分级信号(分级箱1至3)引用至所测量激发光分级箱0，基于强度位准而区分不同荧光团是可能的。
[0147]
在一些实施例中，可将相同类型的不同数量个荧光团链接至不同核苷酸或核苷酸类似物，使得可基于荧光团强度而识别核苷酸。举例而言，可将两个荧光团链接至第一核苷酸(例如，“c”)或核苷酸类似物且可将四个或四个以上荧光团可链接至第二核苷酸(例如，“t”)或核苷酸类似物。由于荧光团的不同数量，因此可存在与不同核苷酸相关联的不同激发及荧光团发射机率。举例而言，可在信号累积间隔期间存在针对“t”核苷酸或核苷酸类似物的更多发射事件，使得分级箱的视在强度显著高于“c”核苷酸或核苷酸类似物。
[0148]
发明人已认识到并了解，基于荧光团衰减速率和/或荧光团强度而区分核苷酸或者任何其他生物或化学样本达到仪器5-104中的光学激发及检测系统的简化。举例而言，光学激发可利用单波长源(例如，产生一个特征波长的源而非多个源或以多个不同特征波长进行操作的源)来执行。另外，可在检测系统中不需要波长鉴别光学器件及滤波器。而且，可针对每样本井使用单个光检测器来检测来自不同荧光团的发射。
[0149]
术语“特征波长”或“波长”用于是指在一有限辐射带宽内的一中心或主要波长(例如，在由一脉冲光学源输出的一20nm带宽内的一中心或峰值波长)。在某些情形中，“特征波长”或“波长”可用于是指在由源输出的总辐射带宽内的峰值波长。
[0150]
发明人已认识到并了解，具有在约560nm与约900nm之间的范围中的发射波长的荧光团可提供充足量的荧光来由一时间分级光检测器(其可使用cmos制程来制作于一硅晶圆
上)检测。该荧光团可链接至所关注生物分子，诸如核苷酸或核苷酸类似物。与处于较长波长的荧光相比，此波长范围中的荧光发射可在一基于硅的光检测器中以较高回应度被检测到。另外，此波长范围中的荧光团及相关联链接体可不干扰核苷酸或核苷酸类似物至dna生长链中的并入。发明人亦认识到并了解，可利用一单波长源来光学激发具有在约560nm与约660nm之间的范围中的发射波长的荧光团。此范围中的实例性荧光团是可自马萨诸塞州沃尔瑟姆的thermo fisher scientific公司获得的alexa fluor 647。发明人亦认识到并了解，可需要处于较短波长(例如，约500nm与约650nm之间)的激发光来激发以介于约560nm与约900nm之间的波长发射的荧光团。在一些实施例中，时间分级光检测器可(例如)通过将其他材料(诸如ge)并入至光检测器作用区域中而高效地检测来自样本的较长波长发射。
[0151]
在一些实施例中，可用一个或多个标记物来标记样本，且与标记物相关联的发射可由仪器辨别。举例而言，光检测器可被配置成将来自发射光的光子转换为电子以形成可用于辨别寿命的电信号，该寿命取决于来自特定标记物的发射光。通过使用具有不同寿命的标记物来标记样本，可基于由光检测器检测到的所得电信号而识别特定样本。
[0152]
样本可含有多种类型的分子且不同发光标记物可唯一地与分子类型相关联。在激发期间或之后，发光标记物可发射发射光。发射光的一个或多个性质可用于识别样本中的一种或多种类型的分子。用于在若干分子类型当中进行区分的发射光的性质可包含荧光寿命值、强度和/或发射波长。光检测器可检测光子(包含发射光的光子)，且提供指示该性质中的一个或多个的电信号。在一些实施例中，来自光检测器的电信号可提供关于跨越一个或多个时间间隔的光子到达时间的分布的信息。光子到达时间的分布可对应于在由激发源发射激发光脉冲之后何时检测到光子。时间间隔的值可对应于在该时间间隔期间检测到的光子的一数量。跨越多个时间间隔的相对值可提供对发射光的时间特性(例如，寿命)的指示。分析样本可包含通过比较分布内的两个或两个以上不同时间间隔的值而在标记物当中进行区分。在一些实施例中，可通过确定跨越分布中的所有时间分级箱的光子的数量而提供强度的指示。
[0153]
iv.总结
[0154]
在已因此阐述此申请的技术的多个方面及实施例后，将了解，本领域技术人员将容易地想到各种更改、修改及改善。该更改、修改及改善意欲在本技术中所阐述的技术的精神及范畴内。因此，应理解前述实施例仅以实例方式呈现且在随附申请专利范围及其等效物的范畴内，可不同于所具体阐述来实践发明实施例。另外，若两个或两个以上特征、系统、对象、材料、套组和/或方法不相互矛盾，则该特征、系统、对象、材料、套组和/或方法的任何组合包含于本发明的范畴内。
[0155]
而且，如所阐述，某些方面可体现为一个或多个方法。作为方法的一部分执行的行动可以任何适合方式排序。因此，实施例可经构造，其中以不同于所图解说明的一次序执行行动，其可包含同时执行某些行动，即使在说明性实施例中示出为依序行动。
[0156]
本文中所定义及使用的所有定义应理解为控制在辞典定义、以引用方式并入的文档中的定义和/或所定义术语的普遍意义以内。
[0157]
除非明确指示为相反，否则如本文中在说明书及申请专利范围中使用的不定冠词“一(a及an)”应理解为意指“至少一个”。
[0158]
如本文中在说明书及申请专利范围中所使用的术语“和/或”应理解为意指如此结
合的组件中的“任一者或两者”，亦即，在某些情形中以结合方式存在且在其他情形中以分开方式存在的组件。
[0159]
如本文中在说明书及申请专利范围中所使用，参考一个或多个要素的一清单的术语“至少一个”应理解为意指选自要素清单中的要素中的任何一个或多个的至少一个要素，但未必包含要素清单内具体列出的各自及每一要素中的至少一个，且不排除要素清单中要素的任何组合。此定义亦允许可视情况存在除术语“至少一个”所指的要素清单内具体识别的要素的外的要素，无论与具体识别的那些要素相关还是不相关。
[0160]
在申请专利范围以及以上说明书中，所有过渡性术语(诸如“包括”、“包含”、“携载”、“具有”、“含有”、“涉及”、“固持”、“由
…
构成”及诸如此类)应理解为是开放式的，亦即，意指包含但不限于。过渡性术语“由
…
组成”及“基本上由
…
组成”应分别是封闭式或半封闭式过渡性术语。