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原文传递光学耦合器及波导系统

专利名称：	光学耦合器及波导系统
摘要：	本发明涉及用于向整合式装置内的大量样本井的光学功率分布的系统及方法，该整合式装置可分析单个分子且执行核酸定序。该整合式装置可包含：光栅耦合器，其被配置为从光源接收光束；及光学分离器，其被配置为将该光栅耦合器的光学功率分配到该整合式装置的波导，该波导经定位以与该样本井耦合。该光栅耦合器的输出可以在一个或多个维度上变化，以考虑光源的光强度分布。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	美国;US
申请人：	宽腾矽公司
发明人：	乔纳森·M·罗斯伯格;J·比奇;基斯·G·法夫;法席德·加塞米;阿里·卡比里;杰勒德·施密德;杰森·W·希克勒;保罗·E·格伦;罗伦斯·C·威斯特;K·普勒斯顿;亚历山大·贡达伦科;本杰明·西普里亚尼
专利状态：	有效
申请日期：	2017-12-15T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-02T00:00:00+0800
申请号：	CN201780078048.6
公开号：	CN110088594A
代理机构：	隆天知识产权代理有限公司
代理人：	石海霞;金鹏
分类号：	G01N21/25(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	美国康涅狄格州
主权项：	1.一种整合式装置，其包括：多个波导；光栅耦合器，其具有光栅区域；多个输出波导，其具有变化的宽度且被配置为与所述光栅耦合器光学耦合；及多个光学分离器，其中所述光学分离器中的至少一者位于所述多个输出波导中的一者与所述多个第一波导中的至少两者之间。 2.根据权利要求1所述的整合式装置，其中所述光栅区域包括实质上在与所述整合式装置的表面同平面的方向上定向的多个光栅。 3.根据权利要求1或2所述的整合式装置，其中所述多个输出波导中的各个输出波导布置在所述光栅区域的一侧上。 4.根据权利要求1-3中任一项所述的整合式装置，其中所述多个输出波导包含第一输出波导和第二输出波导，且其中所述第一输出波导比所述第二输出波导更接近于所述光栅区域的一侧的中心且具有比所述第二输出波导小的宽度。 5.根据权利要求1-3中任一项所述的整合式装置，其中所述多个输出波导包含第一输出波导及第二输出波导，且其中所述第一输出波导比所述第二输出波导更接近于所述光栅区域的一侧的边缘且具有比所述第二输出波导小的宽度。 6.根据权利要求5所述的整合式装置，其中在所述第二输出波导与所述多个波导中的一者之间的光学分离器的数目大于在所述第一输出波导与所述多个波导中的另一者之间的光学分离器的数目。 7.根据权利要求1至6中任一项的整合式装置，其中所述多个输出波导及所述多个光学分离器自所述光栅区域径向分布。 8.根据权利要求1至7中任一项的的整合式装置，其中所述多个波导中的各个第一波导是实质上垂直于所述光栅区域中的光栅而布置。 9.根据权利要求1至8中任一项的所述的整合式装置，其中所述多个光学分离器中的至少一者是定位在距所述光栅耦合器小于1mm处。 10.根据权利要求1至9中任一项的所述的整合式装置，其中所述多个波导的各个波导在垂直于沿所述多个波导中的一个传播的光的方向的方向上具有渐缩尺寸，使得渐缩尺寸在靠近光栅耦合器的位置处比在远侧位置处小。 11.根据权利要求1至10中任一项的所述的整合式装置，其中所述多个波导的各个波导定位成与多个样本井光学耦合。 12.根据权利要求11所述的整合式装置，其中所述多个波导中的至少一个在与所述多个样本井中的至少一个样本井重叠的位置处具有第一厚度，并且在与所述至少一个样本井不重叠的位置处具有第二厚度，所述第一厚度大于第二厚度。 13.根据权利要求11或12所述的整合式装置，其中所述多个样本井中的至少一个样本井的表面与所述多个波导中的第一波导的表面接触。 14.根据权利要求11至13中任一项的所述的整合式装置，其中所述多个波导中的至少一个是多模波导，该多模波导被配置为支持沿多模波导传播多个光学模式。 15.根据权利要求14所述的整合式装置，其中沿所述多模波导的功率分布在与所述多个样本井中的至少一个样本井重叠的第一区域中比在与第一区域分开的第二区域中更宽。 16.根据权利要求11至15中任一项的所述的整合式装置，其中所述多个波导的各个波导被配置为支持激发能量的传播，该激发能量具有从所述多个波导中的一个波导延伸的渐消场，所述波导与多个样本井中的至少一个样本井光学耦合。 17.根据权利要求11至16中任一项的所述的整合式装置，其中所述多个样本井中的至少一个样本井包括形成在所述至少一个样本井的侧壁的至少一部分上的侧壁间隔件。 18.根据权利要求11至17中任一项所述的整合式装置，其中所述整合式装置还包括至少一个金属层，并且其中所述多个样本井中的至少一个的表面从所述至少一个金属层凹进。 19.根据权利要求11至18中任一项所述的整合式装置，其中所述整合式装置还包括传感器，该传感器被配置为从多个样本井中的一个样本井接收光。 20.根据权利要求19所述的整合式装置，其中所述一个样本井和所述传感器之间的距离小于10微米。 21.根据权利要求11至20中任一项所述的整合式装置，其中所述整合式装置还包括形成在所述整合式装置的表面上的金属层，所述金属层具有与所述多个样本井中的一个样本井的孔隙重叠的开口。 22.根据权利要求11至21中任一项所述的整合式装置，其中所述多个波导中的第一波导被配置为与所述多个样本井中的第一组的一部分光学耦合，所述多个波导中的第二波导被配置为与所述多个样本井中的第二组的一部分光学耦合，并且其中所述多个光学分离器中的一个光学分离器位于第一组样本井和第二组样本井之间，并且所述一个光学分离器被配置为光学耦合到第一波导和第二波导中的至少一个。 23.根据权利要求1至22中任一项所述的整合式装置，其中所述整合式装置还包括一个或多个光电探测器，其被定位成接收穿过光栅耦合器的激发能量。 24.根据权利要求1至23中任一项所述的整合式装置，其中所述整合式装置还包括一个或多个光电探测器，该光电探测器被定位成接收穿过靠近光栅耦合器的区域的激发能量。 25.一种形成整合式装置的方法，其包括：形成多个波导；形成具有光栅区域的光栅耦合器；形成多个输出波导，其具有变化的宽度且被配置为与所述光栅耦合器光学耦合；以及形成多个光学分离器，其中所述多个光学分离器中的至少一者位于所述多个输出波导中的一者与所述多个波导中的至少两者之间。 26.根据权利要求25所述的方法，其中形成所述光栅耦合器还包括在光栅区域中形成多个光栅，所述多个光栅实质上在与所述整合式装置的表面同平面的方向上定向。 27.根据权利要求25或26所述的方法，其中形成所述多个输出波导还包括形成布置在所述光栅区域的一侧上的多个输出波导的各个输出波导。 28.根据权利要求25至27中任一项所述的方法，其中形成所述多个输出波导还包括形成第一输出波导和第二输出波导，其中所述第一输出波导比所述第二输出波导更接近于所述光栅区域的一侧的中心且具有比所述第二输出波导小的宽度。 29.根据权利要求25至27中任一项所述的方法，其中形成所述多个输出波导还包括形成第一输出波导和第二输出波导，其中所述第一输出波导比所述第二输出波导更接近于所述光栅区域的一侧的边缘且具有比所述第二输出波导小的宽度。 30.根据权利要求29所述的方法，其中形成所述多个光学分离器还包括，在所述第二输出波导与所述多个波导中的一者之间形成的光学分离器的数目大于在所述第一输出波导与所述多个波导中的另一者之间的形成的光学分离器的数目。 31.根据权利要求25至30中任一项所述的方法，其中形成所述多个输出波导还包括将所述多个输出波导形成为自所述光栅区域径向分布。 32.根据权利要求25至31中任一项所述的方法，其中形成所述多个波导还包括将所述多个波导中的各个波导形成为实质上垂直于所述光栅区域中的光栅而布置。 33.根据权利要求25至32中任一项所述的方法，其中形成所述多个波导还包括形成所述多个波导，使所述多个波导在垂直于沿所述多个波导中的一个波导传播的光的方向的方向上具有渐缩尺寸，使得渐缩尺寸在靠近光栅耦合器的位置处比在远侧位置处小。 34.根据权利要求25至33中任一项所述的方法，还包括形成多个样本井，其中所述多个波导中的各个波导被定位成与所述多个样本井光学耦合。 35.根据权利要求34所述的方法，其中形成所述多个波导还包括以如下方式形成所述多个波导：所述多个波导中的至少一个在与所述多个样本井中的至少一个样本井重叠的位置处具有第一厚度，并且在与所述至少一个样本井不重叠的位置处具有第二厚度，所述第一厚度大于第二厚度。 36.根据权利要求34或35所述的方法，其中形成所述多个样本井还包括形成与所述多个波导中的第一波导的表面接触的所述多个样品阱的至少一个样品阱的表面。 37.根据权利要求34至36中任一项所述的方法，其中形成所述多个波导还包括形成多模波导，该多模波导被配置为支持沿多模波导的多个光学模式的传播。 38.根据权利要求34至37中任一项所述的方法，其中所述多个波导中的各个波导被配置为支持激发能量的传播，所述激发能量具有从所述多个波导中的一个波导延伸的渐消场，所述波导与所述多个样本井中的至少一个样本井光学耦合。 39.根据权利要求34至38中任一项所述的方法，其中形成所述多个样本井还包括在所述多个样本井中的至少一个样本井的侧壁的至少一部分上形成侧壁间隔件。 40.根据权利要求34至39中任一项所述的方法，其中形成所述多个样本井还包括形成至少一个金属层，并且将所述多个样本井中的至少一个的表面形成为从所述至少一个金属层凹进。 41.根据权利要求34至40中任一项所述的方法，还包括形成被配置为从所述多个样本井中的一个样本井接收光的传感器。 42.根据权利要求41所述的方法，其中所述一个样本井与所述传感器之间的距离小于10微米。 43.根据权利要求34至42中任一项所述的方法，其中所述多个波导中的第一波导被配置为与所述多个样本井中的第一组的一部分光学耦合，所述多个波导中的第二波导被配置为与所述多个样本井中的第二组的一部分光学耦合，并且其中所述多个光学分离器中的一个光学分离器位于第一组样本井和第二组样本井之间，并且所述一个光学分离器被配置为光学耦合到第一波导和第二波导中的至少一个。 44.一种整合式装置，其包括：第一波导，其被配置为与样本井中的第一组的一部分光学耦合；第二波导，其被配置为与样本井中的第二组的一部分光学耦合；以及光学分离器，其位于第一组样本井和第二组样本井之间，并被配置为与所述第一波导和第二波导中的至少一个光学耦合。 45.根据权利要求44所述的整合式装置，其中所述整合式装置还包括至少一个输入波导，被配置为与所述光学分离器光学耦合。 46.根据权利要求44或45所述的整合式装置，其中所述整合式装置还包括光栅耦合器，被配置为与所述至少一个输入波导光学耦合。 47.根据权利要求46所述的整合式装置，其中所述光栅耦合器的光栅与所述至少一个输入波导实质上平行。 48.一种整合式装置，其包括：至少一个样本井；以及波导，其被配置为将激发能量耦合到所述至少一个样本井，其中所述波导在与所述至少一个样本井重叠的位置处具有第一厚度，并且在与所述至少一个样本井不重叠的位置处具有第二厚度，所述第一厚度大于第二厚度。 49.根据权利要求48所述的整合式装置，其中所述波导被配置为支持激发能量的传播，该激发能量具有从所述波导延伸的渐消场。 50.根据权利要求48或49所述的整合式装置，其中所述波导在垂直于沿所述波导传播的光的方向的方向上具有渐缩的尺寸，使得渐缩的尺寸在靠近光栅耦合器的位置处比在远侧位置处小。 51.根据权利要求48至50中任一项所述的整合式装置，其中所述至少一个样本井的表面与所述波导的表面接触。 52.根据权利要求48至51中任一项所述的整合式装置，其中所述至少一个样本井包括在阵列中的多个样本井。 53.根据权利要求48至52中任一项所述的整合式装置，其中所述至少一个样本井从所述整合式装置的金属层凹进。 54.根据权利要求48至53中任一项所述的整合式装置，其中所述波导是多模波导，该多模波导被配置为支持沿该波导的多个光学模式的传播。 55.根据权利要求54所述的整合式装置，其中沿多模波导的功率分布在与至少一个样本阱重叠的第一区域中比在与第一区域分开的第二区域中更宽。 56.根据权利要求48至55中任一项所述的整合式装置，其中所述第一厚度介于200nm与400nm之间。 57.根据权利要求48至56中任一项所述的整合式装置，其中所述第二厚度介于100nm与250nm之间。 58.根据权利要求48至57中任一项所述的整合式装置，其中所述波导至少部分地由氮化硅层形成。 59.根据权利要求48至58中任一项所述的整合式装置，其中所述整合式装置还包括传感器，所述传感器被配置为接收由位于所述至少一个样本井中的样本所发射的发射能量。 60.根据权利要求59所述的整合式装置，其中所述至少一个样本井与所述传感器之间的距离小于10微米。 61.根据权利要求59所述的整合式装置，其中所述至少一个样本井与所述传感器之间的距离小于7微米。 62.根据权利要求59所述的整合式装置，其中所述至少一个样本井与所述传感器之间的距离小于3微米。 63.根据权利要求48至62中任一项所述的整合式装置，其中所述整合式装置还包括形成在所述整合式装置的表面上的金属层，所述金属层具有与所述至少一个样本井的孔隙重叠的开口。 64.根据权利要求53所述的整合式装置，其中所述金属层包括具有铝的第一层及具有氮化钛的第二层，并且其中所述第一层接近于所述波导。 65.一种整合式装置，其包括：金属层，被布置在所述整合式装置的表面，所述金属层具有间断部；以及至少一个样本井，其具有与所述金属层的间断部相对应的顶部空隙，并且其中所述至少一个样本井的表面沿着实质上垂直于所述整合式装置的表面的方向延伸超过所述金属层。 66.根据权利要求65所述的整合式装置，其中所述至少一个样本井的所述表面定位在距所述金属层介于100nm与350nm之间的距离处。 67.根据权利要求65或66所述的整合式装置，其中所述至少一个样本井包括形成于所述样本井的侧壁的至少一部分上的侧壁间隔件。 68.根据权利要求65至67中任一项所述的整合式装置，其中所述整合式装置进一步包括在所述至少一个样本井的所述表面远处的波导。 69.根据权利要求68所述的整合式装置，其中所述波导包括板条及凸起区域。 70.根据权利要求68或69所述的整合式装置，其中所述波导是渐缩的。 71.根据权利要求68至70中任一项所述的整合式装置，其中所述金属层包括具有铝的第一层及具有氮化钛的第二层，且所述第一层接近于所述波导。 72.根据权利要求68至71中任一项所述的整合式装置，其中自所述波导至所述至少一个样本井的所述表面的距离小于200nm。 73.根据权利要求68至72中任一项所述的整合式装置，其中所述金属层中的开口对应于针对所述波导的光栅耦合器。 74.根据权利要求68至73中任一项所述的整合式装置，其中所述波导至少部分地由氮化硅层形成。 75.根据权利要求65至74中任一项所述的整合式装置，其中所述整合式装置还包括传感器，所述传感器被配置为接收由位于所述至少一个样本井中的样本所发射的发射能量。 76.根据权利要求75所述的整合式装置，其中所述至少一个样本井与所述传感器之间的距离小于10微米。 77.根据权利要求75所述的整合式装置，其中所述至少一个样本井与所述传感器之间的距离小于7微米。 78.根据权利要求75所述的整合式装置，其中所述至少一个样本井与所述传感器之间的距离小于3微米。 79.一种形成整合式装置的方法，其包括：提供半导体基板，所述半导体基板具有安置在所述半导体基板上的介电膜；藉由部分地蚀刻所述介电膜的一部分而形成具有板条及凸起区域的波导；形成顶部包覆层使得所述顶部包覆层与所述波导接触；在所述顶部包覆层的表面上形成金属层；及藉由蚀刻所述金属层及所述顶部包覆层的一部分而在所述波导上方形成样本井。 80.根据权利要求79所述的方法，其中形成所述波导包括经定时蚀刻工艺。 81.根据权利要求79或80所述的方法，其中形成所述波导包括使用蚀刻停止层进行的蚀刻工艺。 82.根据权利要求79至81中任一项所述的方法，其中形成所述样本井包括蚀刻所述顶部包覆层直至所述波导的至少一部分露出为止。 83.根据权利要求79至82中任一项所述的方法，其中所述样本井的底部表面与所述波导之间的距离介于10nm与200nm之间。 84.根据权利要求79至83中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括在所述样本井的侧壁的至少一部分上形成间隔件。 85.根据权利要求79至84中任一项所述的方法，其中形成所述金属层进一步包括形成多个金属子层。 86.根据权利要求79至85中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括蚀刻所述板条的一部分以形成脊状波导。 87.根据权利要求79至86中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括蚀刻所述板条的一部分以形成肋状波导。 88.根据权利要求79至87中任一项所述的方法，其中形成所述波导进一步包括形成具有可变宽度的渐缩体。 89.一种整合式装置，其包括：多个样本井；第一光学波导，其被配置为将激发能量耦合至所述多个样本井的第一部分；第二光学波导，其被配置为将所述激发能量耦合至所述多个样本井的第二部分；及光栅耦合器，其被配置为自定位在所述整合式装置以外的光学源接收所述激发能量，且将所述激发能量耦合至所述第一光学波导并耦合至所述第二光学波导。 90.根据权利要求89所述的整合式装置，其中所述整合式装置进一步包括经定位以接收传递穿过所述光栅耦合器的激发能量的一或多个光探测器。 91.根据权利要求89或90所述的整合式装置，其中所述整合式装置进一步包括经定位以接收在接近于所述光栅耦合器的区域中传递的激发能量的一或多个光探测器。 92.根据权利要求89至91中任一项所述的整合式装置，其中所述光栅耦合器是第一光学光栅耦合器，且所述整合式装置进一步包括第二光学耦合器，所述第二光学耦合器光学耦合至所述第一波导且被配置为自所述第一波导接收所述激发能量且将所述激发能量耦合至定位在所述整合式装置中的光探测器。 93.根据权利要求89至92中任一项所述的整合式装置，其中所述第一光学波导被配置为经由渐消耦合将所述激发能量耦合至所述多个样本井的所述第一部分。 94.根据权利要求89至93中任一项所述的整合式装置，其中所述整合式装置进一步包括：金属层，其安置于所述整合式装置的表面上，其中所述多个样本井是穿过所述金属层而形成。 95.根据权利要求94所述的整合式装置，其中所述多个样本井中的至少一者包括接近于所述第一波导的底部表面，所述底部表面穿过所述金属层而凹陷。 96.根据权利要求95所述的整合式装置，其中所述底部表面是定位在距所述金属层介于100nm与350nm之间的距离处。 97.根据权利要求95所述的整合式装置，其中所述底部表面是定位在距所述第一光学波导介于10nm与200nm之间的距离处。 98.根据权利要求94至97中任一项所述的整合式装置，其中所述金属层包含铝层及氮化钛层，且所述铝层接近于所述第一波导及所述第二波导。 99.根据权利要求89至98中任一项所述的整合式装置，其中所述光学光栅包括形成于氮化硅层中的经蚀刻区域。 100.根据权利要求89至99中任一项所述的整合式装置，其中所述多个样本井中的至少一个样本井包括形成于所述至少一个样本井的侧壁的至少一部分上的侧壁间隔件。
所属类别：	发明专利