(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023039960
(43)【公開日】2023-03-22
(54)【発明の名称】光カプラおよび導波路システム
(51)【国際特許分類】
G02B 6/124 20060101AFI20230314BHJP
G02B 6/42 20060101ALI20230314BHJP
G02B 6/122 20060101ALI20230314BHJP
G01N 21/64 20060101ALI20230314BHJP
G01N 21/17 20060101ALI20230314BHJP
C12Q 1/6869 20180101ALI20230314BHJP
【ＦＩ】
G02B6/124
G02B6/42
G02B6/122 311
G01N21/64 F
G01N21/17 N
G01N21/17 A
C12Q1/6869 Z
【審査請求】有
【請求項の数】1
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022193392
(22)【出願日】2022-12-02
(62)【分割の表示】P 2019532023の分割
【原出願日】2017-12-15
(31)【優先権主張番号】62/435,693
(32)【優先日】2016-12-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＦＩＲＥＷＩＲＥ
(71)【出願人】
【識別番号】516144164
【氏名又は名称】クアンタム－エスアイ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＱＵＡＮＴＵＭ－ＳＩ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(74)【代理人】
【識別番号】100142907
【弁理士】
【氏名又は名称】本田 淳
(72)【発明者】
【氏名】ロスバーグ、ジョナサン エム．
(72)【発明者】
【氏名】カビリ、アリ
(72)【発明者】
【氏名】シュミッド、ジェラード
(72)【発明者】
【氏名】シックラー、ジェイソン ダブリュ．
(72)【発明者】
【氏名】グレン、ポール イー．
(72)【発明者】
【氏名】ウエスト、ローレンス シー．
(72)【発明者】
【氏名】プレストン、カイル
(72)【発明者】
【氏名】ゴンダレンコ、アレクサンダー
(72)【発明者】
【氏名】チプリアニー、ベンジャミン
(72)【発明者】
【氏名】ビーチ、ジェームズ
(72)【発明者】
【氏名】ファイフ、キース ジー．
(72)【発明者】
【氏名】ガセミ、ファーシッド
(57)【要約】
【課題】単一の分子を分析して核酸配列を決定することができる集積デバイス内における多数の試料ウェルへの光パワー分布のためのシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】集積デバイスは、光源から光ビームを受け取るように構成された格子カプラと、試料ウェルと結合するように配置された集積デバイスの複数の導波路に格子カプラの光パワーを分割するように構成された光スプリッタとを含み得る。格子カプラの出力部は、光源の光強度プロファイルを構成するべく１つ以上の寸法で変化し得る。
【選択図】 図２－２Ａ
【解決手段】集積デバイスは、光源から光ビームを受け取るように構成された格子カプラと、試料ウェルと結合するように配置された集積デバイスの複数の導波路に格子カプラの光パワーを分割するように構成された光スプリッタとを含み得る。格子カプラの出力部は、光源の光強度プロファイルを構成するべく１つ以上の寸法で変化し得る。
【選択図】 図２－２Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
明細書に記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、概して、光エネルギーを装置に結合し、光エネルギーを装置の多くの領域に分配するための装置、方法、および技術に関する。生物学的試料および／または化学的試料の並行した定量分析を実行するために光学デバイスが使用され得る。
【背景技術】
【0002】
生物学的試料の検出および分析は、生物学的検定（「バイオアッセイ」）を用いて行われ得る。バイオアッセイは通常、装置を操作しバイオアッセイを実施するために訓練された研究科学者を必要とする大型の高価な実験装置を含む。さらに、バイオアッセイは、検出および定量化に大量の特定種類の試料が必要とされるように、典型的には大量に行われる。
【0003】
いくつかのバイオアッセイは、特定の波長の光を放出する発光マーカーで試料をタグ付けすることによって行われる。マーカーを光源で照射して発光させ、ルミネッセンス光を光検出器で検出してマーカーによって放出されたルミネッセンス光の量を計る。発光マーカーを使用するバイオアッセイは、典型的には、試料を照射するための高価なレーザ光源と、照射された試料からの発光を集めるための複雑な発光検出光学系および電子機器とを必要とする。
【発明の概要】
【0004】
いくつかの実施形態は、複数の導波路と、格子領域を有する格子カプラと、異なる幅を有し前記格子カプラと光学的に結合するように構成された複数の出力導波路と、複数の光スプリッタとを備える集積デバイスに関する。前記複数の光スプリッタのうちの少なくとも１つは、前記複数の出力導波路のうちの１つと前記複数の導波路のうちの少なくとも２つとの間に配置されている。
【0005】
いくつかの実施形態において、前記格子領域は、前記集積デバイスの表面に対して実質的に平面方向に配向された複数の格子を含む。いくつかの実施形態において、前記複数の出力導波路の各々は、前記格子領域の側面に配置されている。いくつかの実施形態において、前記複数の出力導波路は、第１の出力導波路および第２の出力導波路を含み、前記第１の出力導波路は、前記第２の出力導波路よりも前記格子領域の側面の中心に近接しており、前記第２の出力導波路よりも小さな幅を有している。いくつかの実施形態において、前記複数の出力導波路は、第１の出力導波路および第２の出力導波路を含み、前記第１の出力導波路は、前記第２の出力導波路よりも前記格子領域の側面の縁に近接しており、前記第２の出力導波路よりも小さな幅を有している。いくつかの実施形態において、前記第２の出力導波路と前記複数の導波路のうちの１つとの間の光スプリッタの数は、前記第１の出力導波路と前記複数の導波路のうちの別の１つとの間の光スプリッタの数よりも多い。いくつかの実施形態において、前記複数の出力導波路および前記複数の光スプリッタは前記格子領域から放射状に分布している。いくつかの実施形態において、前記複数の導波路の各々は、前記格子領域内の格子に対して実質的に垂直に配置されている。いくつかの実施形態において、前記複数の光スプリッタのうちの少なくとも１つは、前記格子カプラから１ｍｍ未満の位置に配置されている。
【0006】
いくつかの実施形態において、前記複数の導波路の各々は、前記複数の導波路のうちの１つに沿った光伝播方向に対して垂直な方向に、遠位位置よりも前記格子カプラに近接した位置でより小さくなるテーパ寸法を有している。いくつかの実施形態において、前記複数の導波路の各々は、複数の試料ウェルと光学的に結合するように配置されている。いくつかの実施形態において、前記複数の導波路のうちの少なくとも１つは、前記複数の試料ウェルのうちの少なくとも１つの試料ウェルと重なる位置において第１の厚さを有するとともに、前記少なくとも１つの試料ウェルと重ならない位置において第２の厚さを有し、前記第１の厚さは前記第２の厚さよりも大きい。いくつかの実施形態において、前記複数の試料ウェルのうちの少なくとも１つの試料ウェルの表面は、前記複数の導波路のうちの第１の導波路の表面と接している。いくつかの実施形態において、前記複数の導波路のうちの少なくとも１つはマルチモード導波路であり、前記マルチモード導波路は、当該マルチモード導波路に沿った複数の光モードの伝播をサポートするように構成されている。いくつかの実施形態において、前記複数の試料ウェルのうちの少なくとも１つと重なる第１の領域では、当該第１の領域とは別の第２の領域よりも前記マルチモード導波路に沿ったパワー分布が広い。いくつかの実施形態において、前記複数の導波路の各々は、前記複数の試料ウェルのうちの少なくとも１つの試料ウェルと光学的に結合する前記複数の導波路のうちの１つから延びるエバネッセント場を有する励起エネルギーの伝播をサポートするように構成されている。いくつかの実施形態において、前記複数の試料ウェルのうちの少なくとも１つの試料ウェルは、当該少なくとも１つの試料ウェルの側壁の少なくとも一部に形成された側壁スペーサを含む。いくつかの実施形態において、前記集積デバイスは少なくとも１つの金属層をさらに含み、前記複数の試料ウェルのうちの少なくとも１つの表面は前記少なくとも１つの金属層から凹んでいる。いくつかの実施形態において、前記集積デバイスは、前記複数の試料ウェルのうちの１つから光を受け取るように構成されたセンサをさらに備えている。いくつかの実施形態において、１つの試料ウェルとセンサとの間の距離は１０μｍ未満である。いくつかの実施形態において、前記集積デバイスは、前記集積デバイスの表面上に形成された金属層をさらに備えており、前記金属層は、前記複数の試料ウェルのうちの１つのアパーチャと重なる開口部を有している。いくつかの実施形態において、前記複数の導波路のうちの第１の導波路は、前記複数の試料ウェルのうちの第１の試料ウェルのセットの一部と光学的に結合するように構成されており、前記複数の導波路のうちの第２の導波路は、前記複数の試料ウェルのうちの第２の試料ウェルのセットの一部と光学的に結合するように構成されており、前記複数の光スプリッタのうちの１つが前記第１の試料ウェルのセットと前記第２の試料ウェルのセットとの間に配置されるとともに、前記第１および第２の導波路のうちの少なくとも１つに光学的に結合するように構成されている。
【0007】
いくつかの実施形態において、前記集積デバイスは、前記格子カプラを通過する励起エネルギーを受け取るように配置された１つまたは複数の光検出器をさらに備えている。いくつかの実施形態において、前記集積デバイスは、前記格子カプラに近接した領域を通過する励起エネルギーを受け取るように配置された１つまたは複数の光検出器をさらに備えている。
【0008】
いくつかの実施形態は、集積デバイスを形成する方法に関し、当該方法は、複数の導波路を形成すること、格子領域を有する格子カプラを形成すること、異なる幅を有し前記格子カプラと光学的に結合するように構成された複数の出力導波路を形成すること、複数の光スプリッタを形成することを備えている。前記光スプリッタのうちの少なくとも１つは、前記複数の出力導波路のうちの１つと前記複数の導波路のうちの少なくとも２つとの間に配置されている。
【0009】
いくつかの実施形態において、前記格子カプラを形成することは、前記集積デバイスの表面に対して実質的に平面方向に配向された複数の格子を前記格子領域に形成することをさらに含む。いくつかの実施形態において、前記複数の出力導波路を形成することは、前記複数の出力導波路のうち前記格子領域の側面に配置される出力導波路を形成することをさらに含む。いくつかの実施形態において、前記複数の出力導波路を形成することは、第１の出力導波路および第２の出力導波路を形成することをさらに含む。前記第１の出力導波路は、前記第２の出力導波路よりも前記格子領域の側面の中心に近接しており、前記第２の出力導波路よりも小さな幅を有している。いくつかの実施形態において、前記複数の出力導波路を形成することは、第１の出力導波路および第２の出力導波路を形成することをさらに含む。前記第１の出力導波路は、前記第２の出力導波路よりも前記格子領域の側面の縁に近接しており、前記第２の出力導波路よりも小さな幅を有している。いくつかの実施形態において、前記複数の光スプリッタを形成することは、前記第２の出力導波路と前記複数の導波路のうちの１つとの間に、前記第１の出力導波路と前記複数の光導波路のうちの別の１つの間の光スプリッタの数よりも多い数の光スプリッタを形成することをさらに含む。いくつかの実施形態において、前記複数の出力導波路を形成することは、前記格子領域から放射状に分布するように前記複数の出力導波路を形成することをさらに含む。いくつかの実施形態において、前記複数の導波路を形成することは、前記複数の導波路のうち、前記格子領域内の格子に対して実質的に垂直に配置される導波路を形成することをさらに含む。いくつかの実施形態において、前記複数の導波路を形成することは、前記複数の導波路のうちの１つに沿った前記光伝播方向に対して垂直な方向に、遠位位置よりも前記格子カプラに近接した位置でより小さくなるテーパ寸法を有するように前記複数の導波路を形成することをさらに含む。
【0010】
いくつかの実施形態において、前記方法は、複数の試料ウェルを形成することをさらに備えており、前記複数の導波路はそれぞれ前記複数の試料ウェルと光学的に結合するように配置されている。いくつかの実施形態において、前記複数の導波路を形成することは、前記複数の試料ウェルのうちの少なくとも１つの試料ウェルと重なる位置において第１の厚さを有するとともに、前記少なくとも１つの試料ウェルと重ならない位置において第２の厚さを有するように前記複数の導波路のうちの少なくとも１つを形成することをさらに含む。前記第１の厚さは前記第２の厚さよりも大きい。いくつかの実施形態において、前記複数の試料ウェルを形成することは、前記複数の導波路のうちの第１の導波路の表面と接触するように前記複数の試料ウェルのうちの少なくとも１つの試料ウェルの表面を形成することをさらに含む。いくつかの実施形態において、前記複数の導波路を形成することは、マルチモード導波路を形成することをさらに含み、前記マルチモード導波路は、当該マルチモード導波路に沿った複数の光モードの伝播をサポートするように構成される。いくつかの実施形態において、前記複数の導波路の各々は、前記複数の試料ウェルのうちの少なくとも１つの試料ウェルと光学的に結合する前記複数の導波路のうちの１つから延びるエバネッセント場を有する励起エネルギーの伝播をサポートするように構成されている。いくつかの実施形態において、前記複数の試料ウェルを形成することは、複数の試料ウェルのうちの少なくとも１つの試料ウェルの側壁の少なくとも一部に側壁スペーサを形成することをさらに含む。いくつかの実施形態において、前記複数の試料ウェルを形成することは、前記少なくとも１つの金属層を形成すること、および前記複数の試料ウェルのうちの少なくとも１つの表面を前記少なくとも１つの金属層から凹ませて形成することをさらに含む。いくつかの実施形態において、前記方法は、前記複数の試料ウェルのうちの１つから光を受け取るように構成されたセンサを形成することをさらに備えている。いくつかの実施形態において、１つの試料ウェルとセンサとの間の距離は１０μｍ未満である。いくつかの実施形態において、前記複数の導波路のうちの第１の導波路は、前記複数の試料ウェルのうちの第１の試料ウェルのセットの一部と光学的に結合するように構成されており、前記複数の導波路のうちの第２の導波路は、前記複数の試料ウェルのうちの第２の試料ウェルのセットの一部と光学的に結合するように構成されており、前記複数の光スプリッタのうちの１つが前記第１の試料ウェルのセットと前記第２の試料ウェルのセットとの間に配置されるとともに、前記第１および第２の導波路のうちの少なくとも１つに光学的に結合するように構成されている。
【0011】
いくつかの実施形態は、集積デバイスに関し、当該集積デバイスは、複数の第１の導波路と、格子領域を有する格子カプラと、異なる幅を有し前記格子カプラと光学的に結合するように構成された複数の出力導波路と、複数の光スプリッタとを備えている。前記複数の光スプリッタのうちの少なくとも１つは、前記複数の出力導波路のうちの１つと前記複数の第１の導波路のうちの少なくとも２つとの間に配置されている。
【0012】
いくつかの実施形態は、集積デバイスに関し、当該集積デバイスは、第１の試料ウェルのセットの一部と光学的に結合するように構成された第１の導波路と、第２の試料ウェルのセットの一部と光学的に結合するように構成された第２の導波路と、第１の試料ウェルのセットと第２の試料ウェルのセットとの間に配置され、前記第１および第２の導波路のうちの少なくとも一方に光学的に結合するように構成された光スプリッタとを備えている。
【0013】
いくつかの実施形態において、前記集積デバイスは、前記光スプリッタと光学的に結合するように構成された少なくとも１つの入力導波路をさらに備えている。いくつかの実施形態において、前記集積デバイスは、前記少なくとも１つの入力導波路と光学的に結合するように構成された格子カプラをさらに備えている。いくつかの実施形態において、前記格子カプラの格子は、前記少なくとも１つの入力導波路に対して実質的に平行である。
【0014】
いくつかの実施形態は、集積デバイスに関し、当該集積デバイスは、少なくとも１つの試料ウェルと、前記少なくとも１つの試料ウェルに励起エネルギーを結合するように構成された導波路とを備え、前記導波路は、前記少なくとも１つの試料ウェルと重なる位置において第１の厚さを有するとともに、前記少なくとも１つの試料ウェルと重ならない位置において第２の厚さを有し、前記第１の厚さは前記第２の厚さよりも大きい。
【0015】
いくつかの実施形態において、前記導波路は、当該導波路から延びるエバネッセント場を有する励起エネルギーの伝播をサポートするように構成されている。いくつかの実施形態において、前記導波路は、前記導波路に沿った前記光伝播方向に対して垂直な方向に、遠位位置よりも前記格子カプラに近接した位置でより小さくなるテーパ寸法を有している。いくつかの実施形態において、前記少なくとも１つの試料ウェルの表面は前記導波路の表面と接触している。いくつかの実施形態において、前記少なくとも１つの試料ウェルは、アレイ内に複数の試料ウェルを含む。いくつかの実施形態において、前記少なくとも１つの試料ウェルは前記集積デバイスの金属層から凹んでいる。いくつかの実施形態において、前記導波路はマルチモード導波路であり、前記マルチモード導波路は、当該マルチモード導波路に沿った複数の光モードの伝播をサポートするように構成されている。いくつかの実施形態において、前記少なくとも１つの試料ウェルと重なる第１の領域では、当該第１の領域とは別の第２の領域よりもマルチモード導波路に沿ったパワー分布が広い。いくつかの実施形態において、前記第１の厚さは２００ｎｍ～４００ｎｍの間である。いくつかの実施形態において、前記第２の厚さは１００ｎｍ～２５０ｎｍの間である。いくつかの実施形態において、前記導波路は、少なくとも部分的に、窒化シリコンの層から形成されている。いくつかの実施形態において、前記集積デバイスは、前記少なくとも１つの試料ウェルに配置された試料によって放出された放出エネルギーを受け取るように構成されたセンサをさらに備えている。いくつかの実施形態において、前記少なくとも１つの試料ウェルと前記センサとの間の距離は１０μｍ未満である。いくつかの実施形態において、前記少なくとも１つの試料ウェルと前記センサとの間の距離は７μｍ未満である。いくつかの実施形態において、前記少なくとも１つの試料ウェルと前記センサとの間の距離は３μｍ未満である。いくつかの実施形態において、前記集積デバイスは、当該集積デバイスの表面上に形成された金属層をさらに備えており、前記金属層は、前記少なくとも１つの試料ウェルのアパーチャと重なる開口部を有している。いくつかの実施形態において、前記金属層は、アルミニウムを有する第１の層と窒化チタンを有する第２の層とを含み、前記第１の層は前記導波路に近接している。
【0016】
いくつかの実施形態は、集積デバイスであって、当該集積デバイスの表面上に配置され不連続部を有する金属層と、当該金属層の不連続部に対応した上部アパーチャを有する少なくとも１つの試料ウェルとを備える集積デバイスに関する。前記少なくとも１つの試料ウェルの表面は、前記集積デバイスの表面に対して実質的に垂直な方向に沿って前記金属層を超えて延びている。
【0017】
いくつかの実施形態において、前記少なくとも１つの試料ウェルの表面は、前記金属層から１００ｎｍ～３５０ｎｍの距離に位置している。いくつかの実施形態において、前記少なくとも１つの試料ウェルは、当該試料ウェルの側壁の少なくとも一部に形成された側壁スペーサを含む。いくつかの実施形態において、前記集積デバイスは、前記少なくとも１つの試料ウェルの表面の遠位にある導波路をさらに備えている。いくつかの実施形態において、前記導波路はスラブと隆起領域とを含む。いくつかの実施形態において、前記導波路はテーパ状である。いくつかの実施形態において、前記金属層は、アルミニウムを有する第１の層と、窒化チタンを有する第２の層とを含み、前記第１の層は前記導波路に近接している。いくつかの実施形態において、前記導波路から前記少なくとも１つの試料ウェルの表面までの距離は２００ｎｍ未満である。いくつかの実施形態において、前記金属層の開口部は前記導波路の格子カプラに対応している。いくつかの実施形態において、前記導波路は、少なくとも部分的に、窒化シリコンの層から形成されている。いくつかの実施形態において、前記集積デバイスは、前記少なくとも１つの試料ウェル内に位置する試料によって放出された放出エネルギーを受け取るように構成されたセンサをさらに備えている。いくつかの実施形態において、前記少なくとも１つの試料ウェルと前記センサとの間の距離は１０μｍ未満である。いくつかの実施形態において、前記少なくとも１つの試料ウェルと前記センサとの間の距離は７μｍ未満である。いくつかの実施形態において、前記少なくとも１つの試料ウェルと前記センサとの間の距離は３μｍ未満である。
【0018】
いくつかの実施形態は、集積デバイスを形成する方法に関し、当該方法は、半導体基板を準備することであって、当該半導体基板上に誘電体膜が配置された半導体基板を準備すること、前記誘電体膜の一部を部分的にエッチングすることによってスラブおよび隆起領域を有する導波路を形成すること、前記導波路と接触するように上部クラッドを形成すること、前記上部クラッドの表面に金属層を形成すること、および前記金属層と前記上部クラッドの一部とをエッチングすることによって前記導波路上に試料ウェルを形成することを備えている。
【0019】
いくつかの実施形態において、前記導波路を形成することは、時限エッチング処理を行うことを含む。いくつかの実施形態において、前記導波路を形成することは、エッチストップ層を用いたエッチング処理を行うことを含む。いくつかの実施形態において、前記試料ウェルを形成することは、前記導波路の少なくとも一部が露出されるまで前記上部クラッドをエッチングすることを含む。いくつかの実施形態において、前記試料ウェルの底面と前記導波路との間の距離は１０ｎｍ～２００ｎｍの間である。いくつかの実施形態において、前記方法は、前記試料ウェルの側壁の少なくとも一部にスペーサを形成することをさらに備えている。いくつかの実施形態において、前記方法は、前記金属層を形成することをさらに備えており、前記金属層を形成することは、複数の金属副層を形成することを含む。いくつかの実施形態において、前記方法は、前記スラブの一部をエッチングしてリッジ導波路を形成することをさらに備えている。いくつかの実施形態において、前記方法は、前記スラブの一部をエッチングしてリブ導波路を形成することをさらに備えている。いくつかの実施形態において、前記導波路を形成することは、可変幅を有するテーパを形成することをさらに備えている。
【0020】
いくつかの実施形態は、集積デバイスに関し、当該集積デバイスは、複数の試料ウェルと、前記複数の試料ウェルの第１の部分に励起エネルギーを結合するように構成された第１の光導波路と、前記複数の試料ウェルの第２の部分に前記励起エネルギーを結合するように構成された第２の光導波路と、前記集積デバイスの外側に位置する光源から前記励起エネルギーを受け取り、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とに前記励起エネルギーを結合するように構成された格子カプラとを備えている。
【0021】
いくつかの実施形態において、前記集積デバイスは、前記格子カプラを通過する励起エネルギーを受け取るように配置された１つまたは複数の光検出器をさらに備えている。いくつかの実施形態において、前記集積デバイスは、前記格子カプラに近接した領域を通過する励起エネルギーを受け取るように配置された１つまたは複数の光検出器をさらに備えている。いくつかの実施形態において、前記格子カプラは第１の光格子カプラであり、前記集積デバイスはさらに、前記第１の導波路に光学的に結合され、前記第１の導波路から前記励起エネルギーを受け取り、前記集積デバイス内に位置する光検出器に前記励起エネルギーを結合するように構成された第２の光カプラを備えている。いくつかの実施形態において、前記第１の光導波路は、エバネッセント結合を介して前記複数の試料ウェルの前記第１の部分に前記励起エネルギーを結合するように構成されている。いくつかの実施形態において、前記集積デバイスは、当該集積デバイスの表面上に配置された金属層をさらに備えており、前記複数の試料ウェルは前記金属層を貫通して形成されている。いくつかの実施形態において、前記複数の試料ウェルのうちの少なくとも１つは、前記第１の導波路に近接し、前記金属層内に凹んだ底面を含む。いくつかの実施形態において、前記底面は前記金属層から１００ｎｍ～３５０ｎｍの距離に位置している。いくつかの実施形態において、前記底面は前記第１の光導波路から１０ｎｍ～２００ｎｍの距離に位置している。いくつかの実施形態において、前記金属層はアルミニウム層および窒化チタン層を含み、前記アルミニウム層は前記第１および第２の導波路に近接している。いくつかの実施形態において、前記光格子は窒化シリコン層に形成されたエッチング領域を含む。いくつかの実施形態において、前記複数の試料ウェルのうちの少なくとも１つの試料ウェルは、当該少なくとも１つの試料ウェルの側壁の少なくとも一部に形成された側壁スペーサを含む。
【0022】
本出願の種々の態様および実施形態は、図面を参照して説明される。なお、図は必ずしも縮尺どおりに描かれていない。複数の図に現れる項目はそれらが現れる全ての図において同じ参照番号によって示されている。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1-1】いくつかの実施形態による集積デバイスおよび機器のブロック図。
【図1-2A】いくつかの実施形態による、画素の行内の試料ウェルに結合する励起エネルギーおよび各試料ウェルからのセンサへの放出エネルギーの概略図。
【図1-2B】いくつかの実施形態による機器を示すブロック図。
【図1-2C】いくつかの実施形態による光パルス列を示す図。
【図1-3】いくつかの実施形態による、１つまたは複数の導波路を介してパルスレーザによって光学的に励起し得る平行試料ウェルおよび各試料ウェルの対応する検出器を示す概略図。
【図1-4】いくつかの実施形態による導波路からの試料ウェルの光励起を示す光パワーの図。
【図1-5】いくつかの実施形態による、試料ウェル、光導波路、および時間ビニング光検出器を有する画素の概略図。
【図1-6】いくつかの実施形態による、試料ウェル内で起こり得る例示的な生物学的反応の概略図。
【図1-7】異なる減衰特性を有する２つの異なる蛍光色素分子の発光確率曲線を示す図。
【図1-8】いくつかの実施形態による蛍光発光の時間ビニング検出を示す図。
【図1-9】いくつかの実施形態による時間ビニング光検出器を示す図。
【図1-10A】いくつかの実施形態によるパルス励起および試料からの蛍光発光の時間ビニング検出を示す図。
【図1-10B】いくつかの実施形態による、試料のパルス励起が繰り返された後の種々の時間ビンにおける累積蛍光光子カウントのヒストグラムを示す図。
【図1-11A】いくつかの実施形態による、４つのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体のうちの１つ（Ｔ）に対応し得るヒストグラムを示す図。
【図1-11B】いくつかの実施形態による、４つのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体のうちの１つ（Ａ）に対応し得るヒストグラムを示す図。
【図1-11C】いくつかの実施形態による、４つのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体のうちの１つ（Ｃ）に対応し得るヒストグラムを示す図。
【図1-11D】いくつかの実施形態による、４つのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体のうちの１つ（Ｇ）に対応し得るヒストグラムを示す図。
【図2-0】３つの異なる光パワーにおける導波路内の時間依存伝送損失を示すグラフ。
【図2-1A】いくつかの実施形態による複数の導波路への長尺状ビームの結合を示す概略図。
【図2-1B】いくつかの実施形態による複数の導波路への長尺状回転ビームの結合を示す概略図。
【図2-1C】いくつかの実施形態によるビーム幅を変化させるスライス格子カプラの許容値を示す図。
【図2-1D】いくつかの実施形態による格子カプラの強度プロファイルを示す図。
【図2-2A】いくつかの実施形態による例示的なスライス格子カプラを示す図。
【図2-2B】いくつかの実施形態によるスライス格子カプラおよび光スプリッタの例示的な光学系を示す図。
【図3-1】いくつかの実施形態による集積デバイスの例示的な光ルーティングレイアウトを示す図。
【図3-2】いくつかの実施形態による集積デバイスの例示的な光ルーティングレイアウトを示す図。
【図4-1】試料ウェルを示す断面図。
【図4-3A-4-3C】図４－３Ａは、導波路を試料ウェルから分離した構造を示す断面図、図４－３Ｂは、導波路が試料ウェルに接触している構造を示す断面図、図４－３Ｃは、試料ウェルが導波路内に部分的に配置された構造を示す断面図。
【図4-5】リッジ導波路における光モードを示す断面図。
【図4-6】テーパと複数の試料ウェルを示す平面図。
【図4-7】リブ導波路の隆起領域の幅に応じた光モードの電場を示す図。
【図4-8】矩形断面を有する導波路に関連する光モードプロファイルとリブ導波路に関連する光モードプロファイルとの比較を示す図。
【図5-1A】マルチモード導波路の平面図。
【図5-1B】マルチモード導波路に沿ったパワー分布を示すヒートマップ図。
【発明を実施するための形態】
【0024】
［Ｉ．序論］
本発明者らは、単一分子または粒子の検出および定量化を行うための小型で且つ高速な装置が、生物学的および／または化学的試料の複雑な定量測定を実施するコストを削減するとともに、生化学的な技術的発見の速度を急速に向上させ得ることを認識および評価するに至った。さらに、輸送が容易な費用効果の高い装置は、先進国でバイオアッセイが行われる方法を変えるだけでなく、発展途上地域の人々に健康と生活状態を劇的に改善することができる不可欠な診断検査の利用を初めて提供することが可能となる。
本発明者らは、単一分子または粒子の検出および定量化を行うための小型で且つ高速な装置が、生物学的および／または化学的試料の複雑な定量測定を実施するコストを削減するとともに、生化学的な技術的発見の速度を急速に向上させ得ることを認識および評価するに至った。さらに、輸送が容易な費用効果の高い装置は、先進国でバイオアッセイが行われる方法を変えるだけでなく、発展途上地域の人々に健康と生活状態を劇的に改善することができる不可欠な診断検査の利用を初めて提供することが可能となる。
【0025】
また、本発明者らは、生物学的試料から放出されるルミネッセンス光を測定可能な単一の集積デバイスに試料ウェルとセンサを集積化することにより、こうした装置を製造するコストを削減して、使い捨て可能な生物分析集積デバイスを形成できることを認識および評価するに至った。ベース機器とインターフェースする使い捨て可能な（使い捨て型の）集積デバイスは、試料分析用の高コストの生物学的研究室を必要とする制約なしに世界中のあらゆる場所で使用することが可能となる。したがって、生物学的試料の定量分析をこれまで実行することができなかった世界の地域に、自動化された生物分析がもたらされ得る。
【0026】
多数の画素（例えば、数百、数千、数百万以上）を有する画素センサデバイスは、複数の個々の分子または粒子を並行して検出可能である。分子は、限定ではなく例として、タンパク質、ＤＮＡ、および／またはＲＮＡであり得る。さらに、毎秒１００フレームを超える速度でデータを取得できる高速装置は、試料が分析されている時間にわたって生じる動的処理または変化の検出および分析が可能である。
【0027】
また、本発明者らは、複数の異なる種類の発光マーカーで試料がタグ付けされている場合、それらの発光マーカーの適切な特性を使用して、集積デバイスの特定の画素に存在するマーカーの種類を識別できることを認識および評価するに至った。例えば、マーカーによって放出される発光の特性および／または励起吸収の特性は、マーカーを識別するために使用され得る。いくつかの実施形態において、第１の種類のマーカーを第２の種類のマーカーと区別するために、発光の放出エネルギー（光の波長に直接関連する）が使用され得る。追加的または代替的に、特定の画素に存在するマーカーの種類を識別するために発光寿命測定が使用され得る。いくつかの実施形態において、発光寿命測定は、パルス励起源とともに、寿命情報を得るのに十分な分解能で光子が検出される時間を識別可能なセンサを使用して行われ得る。追加的または代替的に、特定の画素に存在するマーカーの種類を識別するために、異なる種類のマーカーによって吸収された励起光のエネルギーが使用され得る。例えば、第１のマーカーは第１の波長の光を吸収するが第２の波長の光を等しく吸収しない場合や、第２のマーカーは第２の波長の光を吸収するが第１の波長の光を等しく吸収しない場合がある。このように、それぞれ異なる励起エネルギーを有する２つ以上の励起光源を用いて試料を交互に照射することが可能である場合、どの種類のマーカーが試料に存在するかをマーカーの吸収エネルギーを使用して識別することができる。また、異なるマーカーは異なる発光強度を有し得る。したがって、特定の画素に存在するマーカーの種類を識別するために、検出された発光強度が使用される場合もある。
【0028】
本発明者らによって検討される装置の１つの非限定的な用途の例は、核酸配列（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）や複数のアミノ酸を有するポリペプチド（例えば、タンパク質）などの生体分子の配列を決定することができる装置である。このような装置を使用して行われ得る診断試験には、対象の生物学的試料中の無細胞デオキシリボ核酸分子または発現産物の配列を決定することなど、対象の生物学的試料中の核酸分子の配列を決定することが含まれる。
【0029】
本出願は、核酸分子などの生体分子またはそのサブユニットを検出するための装置、システム、および方法を提供する。配列の決定は、鋳型に相補的なまたは類似の別の生体分子を合成することによって、例えば、鋳型核酸分子に相補的な核酸分子を合成して経時的にヌクレオチドの取り込みを同定すること（例えば、合成による配列決定）などによって、鋳型生体分子（例えば、核酸分子）の個々のサブユニットを決定することを含み得る。代替として、配列の決定は、生体分子の個々のサブユニットの直接同定を含み得る。
【0030】
配列を決定する処理では、生体分子の個々のサブユニットを示す信号をメモリに集め、それらの信号をリアルタイムでまたは後の時点で処理して生体分子の配列を決定することができる。このような処理は、それらの信号と個々のサブユニットの同定を可能とする参照信号との比較を含み得るが、場合によっては読み込みによって行われる。読み込みは、より大きな配列または領域を同定するために使用することが可能な、例えば、染色体またはゲノム領域または遺伝子上の位置に整列され得る、十分な長さの配列（例えば、少なくとも約３０、５０、１００塩基対（ｂｐ）以上）であり得る。
【0031】
生体分子の個々のサブユニットはマーカーを用いて同定され得る。いくつかの例では、発光マーカーは生体分子の個々のサブユニットを同定するために使用される。発光マーカー（本明細書では「マーカー」とも呼ばれる）は、外因性または内因性のマーカーであり得る。外因性マーカーは、発光標識のためのレポーターおよび／またはタグにおいて使用される外部発光マーカーであり得る。外因性マーカーの例としては、これらに限定されないが、蛍光共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）に関与する蛍光分子、蛍光色素分子、蛍光染料、蛍光染色、有機染料、蛍光タンパク質、酵素、種や、酵素や、および／または量子ドットなどが挙げられる。このような外因性マーカーは、特定の標的または成分に特異的に結合するプローブまたは官能基（例えば、分子、イオン、および／またはリガンド）に結合され得る。プローブに外因性マーカーを付着させることにより、外因性マーカーの存在の検出を通じて標的を同定することが可能となる。プローブの例としては、タンパク質、核酸（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）分子、脂質、抗体プローブなどが挙げられる。外因性マーカーと官能基とを組み合わせることにより、検出に使用される任意の適切なプローブ、タグ、および／または標識を形成することができ、これらには、分子プローブ、標識プローブ、ハイブリダイゼーションプローブ、抗体プローブ、タンパク質プローブ（例えば、ビオチン結合プローブ）、酵素標識、蛍光プローブ、蛍光タグ、および／または酵素レポーターが含まれる。
【0032】
外因性マーカーが試料に添加され得る一方、内因性マーカーはすでに試料の一部であり得る。内因性マーカーは、励起エネルギーの存在下で発光または「自己蛍光」し得る、存在する任意の発光マーカーを含み得る。内因性の蛍光色素分子の自己蛍光は、外因性の蛍光色素分子の導入を必要とせずに無標識および非侵襲的標識を提供し得る。そのような内因性の蛍光色素分子の例は、限定ではなく例として、ヘモグロビン、オキシヘモグロビン、脂質、コラーゲンおよびエラスチン架橋、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）、酸化フラビン（ＦＡＤおよびＦＭＮ）、リポフスチン、ケラチン、および／またはプロフィリンを含み得る。
【0033】
いくつかの実施形態は検体中の単一分子を検出することによる診断試験を対象とし得るが、本発明者らは、いくつかの実施形態が、例えば遺伝子またはポリペプチドなどの１つまたは複数の核酸セグメントの核酸（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）配列を決定するのに単一分子検出機能を使用し得ることを認識した。核酸配列を決定することにより、標的核酸分子中のヌクレオチドの順序および位置を決定することが可能となる。核酸配列を決定する技術は、核酸配列を決定するために使用される方法、ならびに配列決定プロセスにおける速度、読み取り長、およびエラーの発生率において異なり得る。例えば、いくつかの核酸配列決定方法は、合成による配列決定に基づいており、この場合には、標的核酸分子に相補的である新たに合成された核酸鎖にヌクレオチドが組み込まれる際にヌクレオチドの同一性が決定される。合成法によるいくつかの配列決定は、標的核酸分子の集団（例えば、標的核酸のコピー）の存在、または標的核酸の集団を達成するための標的核酸の増幅工程を必要とする。
【0034】
本発明者らは、単一分子検出および／または核酸配列決定を行うための単純でより複雑でない装置の必要性を認識し、光学的（例えば、発光）マーカーなどのマーカーのセットを用いて単一分子を検出することにより異なる分子を標識化するための技術を考え出した。タグは、ヌクレオチドまたはアミノ酸および適切なマーカーを含み得る。マーカーは、単一分子に結合されている時、単一分子からの放出時、またはそれらの双方の時に検出され得る。いくつかの例では、マーカーは発光タグである。選択されたセット内の各発光マーカーはそれぞれの分子に関連付けられている。例えば、ＤＮＡに存在する核酸塩基を「標識化」するために４つのマーカーによるセットが使用され得る。このセットの各マーカーは異なる核酸塩基に関連付けられてタグを形成し、例えば、第１のマーカーはアデニン（Ａ）に関連付けられ、第２のマーカーはシトシン（Ｃ）に関連付けられ、第３のマーカーはグアニン（Ｇ）に関連付けられ、第４のマーカーはチミン（Ｔ）に関連付けられる。さらに、このマーカーセット内の各発光マーカーは、そのセットの最初のマーカーをそのセット内の他のマーカーと区別するために使用され得る異なる特性を有する。これにより、これらの識別特性のうちの１つ以上を使用して各マーカーを一意に識別することができる。限定ではなく例として、１つのマーカーを他のマーカーと区別するために使用され得るマーカーの特性は、励起に反応してマーカーによって放出される光の放出波長または放出波長帯、特定のマーカーを励起する励起エネルギーの波長または波長帯、マーカーによって放出される光の時間的特性（例えば、放出減衰時間）、および／または放出エネルギーに対するマーカーの反応の時間的特性（例えば、励起光子を吸収する確率）を含み得る。したがって、発光マーカーは、これらの特性を検出することに基づいて他の発光マーカーから識別または区別され得る。このように識別または区別する技術は単独でまたは任意の適切な組み合わせで使用され得る。核酸配列を決定することに関して、１つまたは複数のマーカーの発光特性に基づいて４つのマーカーによるセットの中からあるマーカーを区別することにより、そのマーカーに関連付けられた核酸塩基を一意に同定することができる。
【0035】
［ＩＩ．システム概要］
システムは、集積デバイスと、その集積デバイスとインターフェースするように構成された機器とを含み得る。集積デバイスは画素のアレイを含み得る。画素は、試料ウェルと少なくとも１つのセンサとを含む。集積デバイスの表面は複数の試料ウェルを有し得る。試料ウェルは、集積デバイスの表面に置かれた検体から試料を受け取るように構成される。検体は複数の試料を含み得る。いくつかの実施形態において、検体は、異なる種類の試料を含み得る。複数の試料ウェルは、それら試料ウェルの少なくとも一部が検体から１つの試料を受け取り得るように適切なサイズおよび形状を有し得る。いくつかの実施形態では、ある試料ウェルには１つの試料が含まれ、他の試料ウェルでは試料の数が０または２つ以上となるように、複数の試料ウェルの間で試料ウェル内の試料の数が分配され得る。
システムは、集積デバイスと、その集積デバイスとインターフェースするように構成された機器とを含み得る。集積デバイスは画素のアレイを含み得る。画素は、試料ウェルと少なくとも１つのセンサとを含む。集積デバイスの表面は複数の試料ウェルを有し得る。試料ウェルは、集積デバイスの表面に置かれた検体から試料を受け取るように構成される。検体は複数の試料を含み得る。いくつかの実施形態において、検体は、異なる種類の試料を含み得る。複数の試料ウェルは、それら試料ウェルの少なくとも一部が検体から１つの試料を受け取り得るように適切なサイズおよび形状を有し得る。いくつかの実施形態では、ある試料ウェルには１つの試料が含まれ、他の試料ウェルでは試料の数が０または２つ以上となるように、複数の試料ウェルの間で試料ウェル内の試料の数が分配され得る。
【0036】
いくつかの実施形態において、検体は多数の一本鎖ＤＮＡ鋳型を含み得る。この場合、集積デバイスの表面上の個々の試料ウェルは一本鎖ＤＮＡ鋳型を受容するようにサイズおよび形状が決められ得る。集積デバイスの複数の試料ウェルの少なくとも一部が一本鎖ＤＮＡ鋳型を含むように、集積デバイスの複数の試料ウェルの間で一本鎖ＤＮＡ鋳型が分配され得る。また、検体はタグ付きｄＮＴＰを含み得る。タグ付きｄＮＴＰが試料ウェルに入り、その試料ウェル内の一本鎖ＤＮＡ鋳型に相補的なＤＮＡ鎖に組み込まれることでヌクレオチドを同定することが可能となり得る。このような例では、「試料」は、一本鎖ＤＮＡと現在ポリメラーゼによって組み込まれているタグ付きｄＮＴＰとの両方を指すことがある。いくつかの実施形態において、検体は一本鎖ＤＮＡ鋳型を含み得る。この場合、タグ付きｄＮＴＰは、試料ウェル内のＤＮＡの相補鎖にヌクレオチドが組み込まれるときに試料ウェルに順次導入され得る。このように、ヌクレオチドの取り込みのタイミングは、タグ付きｄＮＴＰが集積デバイスの試料ウェルに導入されるタイミングによって制御され得る。
【0037】
励起エネルギーは、集積デバイスの画素アレイとは別に配置された励起源から供給される。励起エネルギーは、少なくとも部分的に集積デバイスの要素によって１つまたは複数の画素に向けられて試料ウェル内の照射領域を照射する。そして、マーカーまたはタグは、照射領域内に位置するとき、励起エネルギーが照射されることに反応して放出エネルギーを放出し得る。いくつかの実施形態において、１つまたは複数の励起源はシステムの機器の一部であり、機器の構成要素および集積デバイスは、励起エネルギーを１つまたは複数の画素に向けるように構成されている。
【0038】
試料によって放出された放出エネルギーは、集積デバイスの画素内の１つまたは複数のセンサによって検出され得る。検出された放出エネルギーの特性は、その放出エネルギーに関連付けられたマークを識別するための指標を提示し得る。このような特性は、センサによって検出された光子の到着時間、センサによって時間とともに蓄積された光子の量、および／または２つ以上のセンサにわたる光子の分布などの、任意の適切な種類の特性を含み得る。いくつかの実施形態において、センサは、試料の放出エネルギー（例えば、蛍光寿命）に関連付けられた１つまたは複数のタイミング特性の検出を可能にする構成を有し得る。センサは、励起エネルギーのパルスが集積デバイスを伝播した後の光子到着時間の分布を検出し得る。この到着時間の分布は、試料の放出エネルギーのタイミング特性の指標を（例えば、蛍光寿命の代わりとして）提供し得る。いくつかの実施形態において、１つまたは複数のセンサは、マーカーまたはタグによって放出された放出エネルギーの確率（例えば、蛍光強度）の指標を提供する。いくつかの実施形態において、複数のセンサは、放出エネルギーの空間分布を捉えるようにサイズ設定および配置され得る。そして、検体内の試料を識別し得る複数のマーカーの中からあるマーカーを区別するために、１つまたは複数のセンサからの出力信号が使用され得る。いくつかの実施形態において、試料は複数の励起エネルギーによって励起されてもよく、それら複数の励起エネルギーに反応して試料によって放出される放出エネルギーおよび／またはそれら放出エネルギーのタイミング特性により複数のマーカーの中からあるマーカーが区別されてもよい。
【0039】
システム１－１００の概略図を図１－１に示す。このシステムは、機器１－１０４と、機器１－１０４とのインターフェースをとる集積デバイス１－１０２の両方を含む。いくつかの実施形態において、機器１－１０４は、機器１－１０４の一部として集積化される１つまたは複数の励起源１－１０６を含み得る。いくつかの実施形態において、励起源は機器１－１０４と集積デバイス２－１０２の両方の外部にあってもよく、機器１－１０４は励起源から励起エネルギーを受け取り、励起エネルギーを集積デバイスに向けるように構成され得る。集積デバイスは、集積デバイスを収容するとともにその集積デバイスを励起源と正確に光学的に位置合わせして保持するための任意の適切なソケットを使用して機器とのインターフェースを取り得る。励起源１－１０６は、集積デバイス１－１０２に励起エネルギーを供給するように構成され得る。図１－１に概略的に示されるように、集積デバイス１－１０２は複数の画素１－１１２を有する。それら画素の少なくとも一部は試料の独立した分析を実行し得る。このような画素１－１１２は、１つの画素がその画素から分離した光源１－１０６からの励起エネルギーを受け取るので「受動源画素」（passive source pixel）と呼ばれ得る。なお、光源からの励起エネルギーは、画素１－１１２の一部または全部を励起する。励起源１－１０６は、任意の適切な光源であり得る。適切な励起源の例は、２０１５年８月７日に出願された「分子をプローブし、検出し、分析するための集積デバイス（INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES）」を名称とする米国特許出願第１４／８２１，６８８号に記載されており、その全体が参照によって組み込まれる。いくつかの実施形態において、励起源１－１０６は、集積デバイス１－１０２に励起エネルギーを送達するように組み合わせられる複数の励起源を含む。これら複数の励起源は、複数の励起エネルギーまたは波長を生成するように構成され得る。
【0040】
画素１－１１２は、試料を受け取るように構成された試料ウェル１－１０８と、励起源１－１０６によって提供される励起エネルギーで試料を照射することに反応して試料によって放出された放出エネルギーを検出するためのセンサ１－１１０とを有する。いくつかの実施形態において、試料ウェル１－１０８は、集積デバイス１－１０２の表面に近接して試料を保持し得る。これにより、試料への励起エネルギーの送達および試料からの放出エネルギーの検出を容易にすることができる。
【0041】
励起エネルギー源１－１０６からの励起エネルギーを集積デバイス１－１０２に結合して励起エネルギーを試料ウェル１－１０８に導くための光学要素が集積デバイス１－１０２と機器１－１０４の両方に配置されている。光源とウェルとを結合する光学要素は、集積デバイス１－１０２上に位置してその集積デバイスに励起エネルギーを結合するための１つまたは複数の格子カプラと、機器１－１０４から画素１－１１２内の試料ウェルに励起エネルギーを送達するための導波路とを含み得る。格子カプラと導波路との間には１つまたは複数の光スプリッタ要素が位置し得る。光スプリッタは、格子カプラからの励起エネルギーを結合して導波路の少なくとも１つに励起エネルギーを送達し得る。いくつかの実施形態において、光スプリッタは、各導波路が実質的に同様な量の励起エネルギーを受け取るように励起エネルギーの送達をすべての導波路にわたって実質的に均一にすることを可能にする構成を有し得る。このような実施形態により、集積デバイスの試料ウェルによって受け取られる励起エネルギーの均一性を高めて集積デバイスの性能を改善することができる。
【0042】
試料ウェル１－１０８、励起源とウェルとを結合する光学系の一部、および試料ウェルとセンサとを結合する光学系は、集積デバイス１－１０２上に位置している。励起源１－１０６、および励起源とウェルとを結合する構成要素の一部は機器１－１０４内に位置している。いくつかの実施形態では、単一の構成要素が、励起エネルギーを試料ウェル１－１０８に結合すること、および試料ウェル１－１０８からセンサ１－１１０に放出エネルギーを送達することの両方の役割を果たし得る。励起エネルギーを試料ウェルに結合するため、および／または放出エネルギーをセンサに導くための、集積デバイス内に含まれる適切な構成要素の例は、「分子をプローブし、検出し、分析するための集積デバイス（INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES）」を名称とする米国特許出願第１４／８２１，６８８号、および「分子をプローブし、検出し、分析するための、外部光源を備えた集積デバイス（INTEGRATED DEVICE WITH EXTERNAL LIGHT SOURCE FOR PROBING, DETECTING, AND ANALYZING MOLECULES）」を名称とする米国特許出願第１４／５４３，８６５号に記載されており、その両方の全体が参照によって組み込まれる。
【0043】
画素１－１１２は、その画素自身の個々の試料ウェル１－１０８と少なくとも１つのセンサ１－１１０とに関連付けられている。集積デバイス１－１０２の複数の画素は、任意の適切な形状、サイズ、および／または寸法を有するように配置され得る。集積デバイス１－１０２は任意の適切な画素数を有し得る。集積デバイス２－１０２内の画素の数は、約１０，０００画素～１，０００，０００画素の範囲内であるか、またはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲であり得る。いくつかの実施形態において、画素は、５１２画素×５１２画素のアレイで配置され得る。集積デバイス１－１０２は、任意の適切な方法で機器１－１０４とインターフェースを取り得る。いくつかの実施形態において、機器１－１０４は、ユーザが集積デバイス１－１０２を使用して試料を分析するために集積デバイス１－１０２を機器１－１０４に取り付けるとともに、別の集積デバイスを取り付け可能とするために集積デバイス１－１０２を機器１－１０４から取り外すことができるように、集積デバイス１－１０４に取り外し可能に結合するインターフェースを有し得る。機器１－１０４のインターフェースは、機器１－１０４の回路と結合するために集積デバイス１－１０２を位置決めして機器１－１０４への１つまたは複数のセンサからの読み出し信号の送信を可能にし得る。集積デバイス１－１０２および機器１－１０４は、大画素アレイ（例えば、１０，０００画素を越えるアレイ）に関連するデータを処理するためのマルチチャネル高速通信リンクを含み得る。
【0044】
機器１－１０４は、機器１－１０４および／または集積デバイス１－１０２の動作を制御するためのユーザインターフェースを含み得る。このユーザインターフェースは、機器の機能を制御するために使用されるコマンドおよび／または設定などの情報をユーザが機器に入力できるように構成され得る。いくつかの実施形態において、ユーザインターフェースは、ボタン、スイッチ、ダイヤル、および音声コマンド用のマイクロフォンを含み得る。ユーザインターフェースは、適切な位置合わせおよび／または集積デバイス上のセンサからの読み出し信号によって得られる情報など、機器および／または集積デバイスの性能に関するフィードバックをユーザが受け取ることを可能にし得る。いくつかの実施形態において、ユーザインターフェースは、可聴フィードバックを提供するためにスピーカを使用してフィードバックを提供してもよい。いくつかの実施形態において、ユーザインターフェースは、ユーザに視覚的なフィードバックを提供するための表示ライトおよび／または表示画面を含み得る。
【0045】
いくつかの実施形態において、機器２－１０４は、コンピューティングデバイスと接続するように構成されたコンピュータインターフェースを含み得る。コンピュータインターフェースは、ＵＳＢインターフェース、ＦｉｒｅＷｉｒｅインターフェース、または任意の他の適切なコンピュータインターフェースであり得る。コンピューティングデバイスは、ラップトップコンピュータまたはデスクトップコンピュータなどの任意の汎用コンピュータであり得る。いくつかの実施形態において、コンピューティングデバイスは、適切なコンピュータインターフェースにより無線ネットワークを介してアクセス可能なサーバ（例えば、クラウドベースのサーバ）であり得る。コンピュータインターフェースは、機器１－１０４とコンピューティングデバイスとの間の情報の通信を容易にし得る。機器１－１０４を制御および／または構成するための入力情報は、コンピューティングデバイスに提供されそのコンピュータインターフェースを介して機器１－１０４に送信され得る。機器１－１０４によって生成された出力情報は、コンピュータインターフェースを介してコンピューティングデバイスによって受信され得る。出力情報は、機器１－１０４の性能、集積デバイス２－１１２の性能、および／またはセンサ１－１１０の読み出し信号から生成されたデータに関するフィードバックを含み得る。
【0046】
いくつかの実施形態において、機器１－１０４は、集積デバイス１－１０２の１つまたは複数のセンサから受信したデータを分析し、および／または制御信号を励起源２－１０６に送信するように構成された処理装置を含み得る。いくつかの実施形態において、この処理装置は、汎用プロセッサや、特別に適合化されたプロセッサ（例えば、１つまたは複数のマイクロプロセッサやマイクロコントローラコアなどの中央処理装置（ＣＰＵ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、カスタム集積回路、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、またはそれらの組み合わせ）を含み得る。いくつかの実施形態において、１つまたは複数のセンサからのデータの処理は、機器１－１０４の処理装置と外部コンピューティングデバイスの両方によって実行され得る。他の実施形態では、外部コンピューティングデバイスは省略されてもよく、１つまたは複数のセンサからのデータの処理が集積デバイス１－１０４の処理装置のみによって実行され得る。
【0047】
１行の画素１－１１２を示す集積デバイス１－１０２の概略断面図を図１－２Ａに示す。集積デバイス１－１０２は、結合領域１－２０１、ルーティング領域１－２０２、画素領域１－２０３、および光ダンプ（dump）領域１－２０４を含み得る。画素領域１－２０３は複数の画素１－１１２を含み得る。これら複数の画素１－１１２は、励起源１－１０６からの光励起エネルギーが集積デバイス１－１０２に結合する結合領域１－２０１から分離した位置にて表面１－２００上に位置する試料ウェル１－１０８を有している。点線の矩形で示された１つの画素１－１１２は、試料ウェル１－１０８と少なくとも１つのセンサ１－１１０とを含む集積デバイス１－１０２の領域である。図１－２Ａに示されるように、画素１－１０８は集積デバイスの表面１－２００上に形成されている。図１－２Ａに示された試料ウェル１－１０８の行は、導波路１－２２０と光学的に結合するように配置されている。
【0048】
図１－２Ａは、励起源１－１０６を集積デバイス１－１０２の結合領域１－２０１および試料ウェル１－１０８に結合することによる励起エネルギーの経路（破線で示される）を示している。励起エネルギーは、試料ウェル内に位置する試料を照射し得る。試料は、励起エネルギーにより照射されたことに反応して励起状態に達し得る。試料は、励起状態にあるときに放出エネルギーを放出し得る。この放出エネルギーは、試料ウェルに関連付けられた１つまたは複数のセンサによって検出され得る。図１－２Ａは、試料ウェル１－１０８から画素１－１１２の１つまたは複数のセンサ１－１１０までの放出エネルギーの経路（実線で示される）を概略的に示している。画素１－１１２の１つまたは複数のセンサ１－１１０は、試料ウェル１－１０８からの放出エネルギーを検出するように構成および配置され得る。センサ１－１１０は、光エネルギーを電子に変換するように構成された適切な光検出器を指し得る。画素内の試料ウェル１－１０８とセンサ１－１１０との間の距離（例えば、試料ウェルの底面とセンサの光検出領域との間の距離）は、１０ナノメートル～２００ナノメートルの範囲内であるか、またはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲であり得る。いくつかの実施形態において、画素内の試料ウェルとセンサとの間の距離は、約１０μｍ未満であり得る。いくつかの実施形態において、画素内の試料ウェルとセンサとの間の距離は、約７μｍ未満であり得る。いくつかの実施形態において、画素内の試料ウェルとセンサとの間の距離は、約３μｍ未満であり得る。適切なセンサの例は、「受光した光子の時間ビニングのための集積デバイス（INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS）」を名称とする米国特許出願第１４／８２１，６５６号に記載されており、その全体が参照によって組み込まれる。図１－２Ａは、一行の画素における各試料ウェルへの励起エネルギーの結合を示しているが、いくつかの実施形態では、励起エネルギーが一列の全ての画素に結合しない場合がある。いくつかの実施形態において、励起エネルギーは、集積デバイスの一行の画素内における画素の一部または試料ウェルの一部に結合し得る。
【0049】
結合領域１－２０１は、外部励起源１－１０６からの励起エネルギーを結合するように構成された１つまたは複数の光学部品を含み得る。結合領域１－２０１は、励起源１－１０６からの励起エネルギーのビームの一部または全部を受け取るように配置された格子カプラ１－２１６を含み得る。励起エネルギーのビームは、任意の適切な形状および／またはサイズを有し得る。いくつかの実施形態において、励起エネルギービームの断面は楕円形を有し得る。他の実施形態では、励起エネルギービームの断面は円形を有し得る。
【0050】
格子カプラ１－２１６は、励起源１－１０６からの励起エネルギーを受け取るように位置決めされ得る。格子カプラ１－２１６は１つまたは複数の材料から形成され得る。いくつかの実施形態において、格子カプラ１－２１６は、導波路内の光の伝播に平行な方向に沿って交互に並ぶ異なる材料の領域を含み得る。格子カプラ１－２１６は、より大きな屈折率を有する材料によって囲まれた１つの材料から形成された構造を含み得る。一例として、格子カプラは、窒化シリコンで形成され二酸化シリコンで囲まれた構造を含み得る。なお、任意の適切な寸法および／または格子間の間隔を使用して格子カプラ１－２１６を形成することができる。導波路１－２２０内の光伝播に平行な方向に沿った格子カプラ１－２１６の構造間の間隔、例えば図１－２Ａに示されるようなｚ方向に沿った格子カプラ１－２１６の構造間の間隔は、任意の適切な距離を有し得る。格子間の間隔は、約３００ｎｍ～約５００ｎｍの範囲内であるかまたはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲であり得る。いくつかの実施形態において、格子間の間隔は格子カプラ内で可変であり得る。格子カプラ１－２１６は、外部励起源１－１０６との結合に適した領域を提供する集積デバイス１－１０２の結合領域１－２０１内の表面１－２１５と実質的に平行な１つ以上の寸法を有し得る。格子カプラ１－２１６の面積は、励起源１－２１４からの励起エネルギーのビームが格子カプラ１－２１６と重なるように、そのビームの断面積の１つ以上の寸法と一致し得る。
【0051】
格子カプラ１－２１６は、励起源１－２１４から受け取った励起エネルギーを導波路１－２２０に結合し得る。導波路１－２２０は、１つまたは複数の試料ウェル１－１０８の近傍に励起エネルギーを伝播するように構成されている。いくつかの実施形態において、格子カプラ１－２１６と導波路１－２２０は、集積デバイス１－１０２の実質的に同じ平面に形成されている。いくつかの実施形態において、格子カプラ１－２１６と導波路１－２２０は、集積デバイス４－２００の同じ層から形成されて同じ材料を含み得る。いくつかの実施形態では、格子カプラ１－２１６の上方に配置されたミラーにより、励起源からの励起エネルギーを格子カプラ１－２１６に導いてもよい。このミラーは、試料ウェルを有する集積デバイスの表面の上方に位置して試料のための流体封じ込めを提供し得るハウジングの一部に集積化されてもよい。１つまたは複数のセンサ１－２３０は、格子カプラ１－２１６を通過する励起エネルギー、および／または格子カプラ１－２１６の外側における格子カプラ１－２１６の平面内の領域など格子カプラ１－２１６に近接した領域を通過する励起エネルギーを受け取るように配置され得る。
【0052】
いくつかの実施形態では、導波路１－２２０とセンサ１－１１０との間に１つまたは複数のフィルタが配置されてもよい。この１つまたは複数のフィルタは、励起エネルギーがセンサ１－１１０に向けて通過してセンサ１－１１０の信号ノイズとなり得ることを低減または防止するように構成され得る。
【0053】
結合領域は、格子カプラ１－２１６を通過し得る励起エネルギー（図１－２Ａに破線で示される）を受け取るように配置された反射層１－２２６を含み得る。反射層は、励起源１－１０６からの励起エネルギーの入射ビームとは反対側の格子カプラ１－２１６の側面に近接して配置されている。反射層１－２２６は、格子カプラに向けて励起エネルギーを（図１－２Ａに破線で示されるように）反射することによって、格子カプラ１－２１６および／または導波路１－２２０への励起エネルギーの結合効率を改善することができる。反射層１－２２６は、Ａｌ、ＡｌＣｕ、ＴｉＮ、または１つ以上の励起エネルギーを反射する他の任意の適切な材料を含み得る。いくつかの実施形態において、反射層１－２２６は、励起エネルギーを通過させて１つまたは複数のセンサ１－２３０まで到達可能とする１つまたは複数の開口部を含み得る。反射層１－２２６の１つまたは複数の開口部を通過した励起エネルギーを受け取るように配置された１つまたは複数のセンサ１－２３０は、励起源１－１０６から集積デバイス１－１０２への励起エネルギーのビームを位置合わせするために使用される信号を生成し得る。特に、結合領域１－２０１の１つまたは複数のセンサ１－２３０からの信号は、格子カプラ１－２１６への励起エネルギービームの位置合わせの指標を提供し得る。この位置合わせの指標は、集積デバイス１－１０２の外側に位置する１つまたは複数の構成要素を制御して、集積デバイス１－１０２に対して励起エネルギーのビームを位置決めおよび／または位置合わせするために使用され得る。
【0054】
なお、集積デバイスの外側に位置する構成要素を使用して励起源１－１０６を集積デバイスに対して位置決めおよび位置合わせしてもよい。このような構成要素は、レンズ、ミラー、プリズム、アパーチャ、減衰器、および／または光ファイバを含む光学部品を含み得る。１つまたは複数の位置合わせ部品の制御を可能にする追加の機械的部品が機器に含まれてもよい。このような機械的部品は、アクチュエータ、ステッピングモータ、および／またはノブを含み得る。適切な励起源およびアラインメント機構の例は、「パルスレーザおよびシステム（PULSED LASER AND SYSTEM）」を名称とする米国特許出願第６２／３
１０，３９８号に記載されており、その全体が参照によって組み込まれる。ビームステアリングモジュールの他の例は、「コンパクトなビーム成形およびステアリングアセンブリ（COMPACT BEAM SHAPING AND STEERING ASSEMBLY）」を名称とする米国特許出願第６２／４３５，６７９号に記載されており、その全体が参照によって組み込まれる。
１０，３９８号に記載されており、その全体が参照によって組み込まれる。ビームステアリングモジュールの他の例は、「コンパクトなビーム成形およびステアリングアセンブリ（COMPACT BEAM SHAPING AND STEERING ASSEMBLY）」を名称とする米国特許出願第６２／４３５，６７９号に記載されており、その全体が参照によって組み込まれる。
【0055】
集積デバイス１－１０２の光ダンプ領域１－２０４は、結合領域１－２０１とは反対側の導波路１－２２０の端部に１つまたは複数の構成要素１－２４０を含み得る。構成要素１－２４０は、試料ウェル１－１１０と結合した後に導波路１－２２０を伝播する残りの励起エネルギーを導波路１－２２０の外に導くように作用し得る。構成要素１－２４０は、集積デバイス１－１０２の画素領域１－２０３から離れるように残りの励起エネルギーを導くことによって集積デバイスの性能を向上させることができる。構成要素１－２４０は、格子カプラ、光カプラ、テーパ、ヘアピン、アンジュレータ、または任意の他の適切な光学部品を含み得る。いくつかの実施形態において、光ダンプ領域１－２０４は、導波路１－２２０の外に結合された励起エネルギーを受け取るように配置された１つまたは複数のセンサ１－２４２を含む。１つまたは複数のセンサ１－２４２からの信号は、導波路１－２２０を伝播する励起エネルギーの光パワーの指標を提供し得る。いくつかの実施形態では、この信号は、励起源１によって生成された励起エネルギービームの光パワーを制御するために使用され得る。このように、１つまたは複数のセンサ１－２４２は監視センサとして機能し得る。いくつかの実施形態において、光バンプ領域１－２０４は、集積デバイス１－１０２の導波路毎に構成要素１－２４０とセンサ１－２４２とを含み得る。
【0056】
画素１－１１２の試料ウェル１－１０８には分析対象の試料が導入され得る。試料は生物学的試料または化学試料などの任意の他の適切な試料であり得る。試料は多数の分子を含み得る。試料ウェルは単一の分子を単離するように構成され得る。いくつかの例では、試料ウェルの寸法は、その試料ウェル内に単一分子を閉じ込めるように作用して単一分子に対する測定の実施を可能にし得る。励起源１－１０６は、試料またはその試料に付着されるかもしくはその試料に関連付けられた少なくとも１つの発光マーカーをそれが試料ウェル内１－１０８内の照射領域内にある間に励起するように励起エネルギーを試料ウェル１－１０８内に送達するように構成され得る。
【0057】
励起源により励起エネルギーが試料ウェルに送達されると、そのウェル内の少なくとも１つの試料が発光し得る。そして、その発光による放出がセンサによって検出され得る。本明細書で使用される「試料が発光し得る」、「試料が放射線を放出し得る」、または「試料からの放出」という表現は、発光タグ、マーカー、レポーター、試料自体、または試料に関連する反応生成物が、放出される放射線を生成し得ることを意味する。
【0058】
集積デバイスの１つまたは複数の構成要素により放出エネルギーをセンサに向けることができる。１つまたは複数の放出エネルギーがセンサによって検出され少なくとも１つの電気信号に変換され得る。電気信号は、集積デバイスのインターフェースを介して機器に接続された集積デバイスの回路内の導電線に沿って伝送され得る。この電気信号はその後、処理および／または分析され得る。電気信号の処理または分析は、機器上または機器外に位置する適切なコンピューティングデバイス上で行われ得る。
【0059】
動作中、励起源を使用して試料ウェル内の試料の一部または全部を励起し、試料放出による信号をセンサで検出することによって、試料ウェル内の試料の並行分析が行われる。試料からの放出エネルギーは、対応するセンサによって検出され少なくとも１つの電気信号に変換され得る。それによって得られる１つまたは複数の信号は、いくつかの実施形態では集積デバイス上で処理され得るか、あるいは処理デバイスおよび／またはコンピューティングデバイスによる処理のために機器に送信され得る。試料ウェルからの信号は、他の画素に関連する信号とは独立して受信および処理され得る。
【0060】
いくつかの実施形態において、試料は１つまたは複数のマーカーで標識化され得る。これにより、マーカーに関連する放出が機器によって識別可能となる。例えば、センサは、放出エネルギーからの光子を電子に変換して特定のマーカーからの放出エネルギーに依存する寿命の違いを識別するために使用可能な電気信号を形成するように構成され得る。寿命の異なるマーカーを使用して試料を標識化することによって、その結果得られセンサによって検出される電気信号に基づいて特定の試料を識別することができる。
【0061】
試料は複数種類の分子を含み得る。また、異なる発光マーカーはある種類の分子と一意に関連し得る。励起中または励起後に発光マーカーは放出エネルギーを放出し得る。放出エネルギーの１つまたは複数の特性を使用して、試料中の１つまたは複数の種類の分子を識別することができる。分子の種類を区別するために使用される放出エネルギーの特性は、蛍光寿命値、強度、および／または放出波長を含み得る。センサは、光子（放出エネルギーの光子を含む）を検出してこれらの特性のうちの１つ以上を示す電気信号を提供し得る。いくつかの実施形態において、センサからの電気信号は、１つまたは複数の時間間隔にわたる光子到着時間の分布に関する情報を提供し得る。光子到着時間の分布は、励起エネルギーのパルスが励起源によって放出された後に光子が検出されるときに対応し得る。時間間隔の値は、その時間間隔中に検出された光子の数に対応し得る。複数の時間間隔にわたる相対値は、放出エネルギー（例えば、寿命）の時間的特徴の指標を提供し得る。試料を分析することは、分布内の２つ以上の異なる時間間隔についての値を比較することによってマーカーを区別することを含み得る。いくつかの実施形態において、強度の指標は、分布内のすべての時間ビンにわたる光子の数を決定することによって提供され得る。
【0062】
例示的な機器１－１０４は、図１－２Ｂに示されるように、機器内に交換可能なモジュールとして取り付けられているか、または機器に結合されている１つまたは複数のモードロックレーザモジュール１－２５８を備え得る。機器１－１００は、光学系１－１１５および分析システム１－１６０を含み得る。光学系１－２５５は、光学部品のいくつかの組み合わせを含み得る（例えば、レンズ、ミラー、光学フィルタ、減衰器、ビームステアリング部品、ビーム成形部品の各々を全く含まないか、１つ以上を含み得る）。また、光学系１－２５５は、モードロックレーザモジュール１－２５８からの出力光パルス１－２５２に対して動作し、および／またはこの出力光パルス１－２５２を分析システム１－２６０へ送達するように構成され得る。分析システムは、光パルスを分析対象の少なくとも１つの試料へと方向付け、少なくとも１つの試料から１つまたは複数の光信号（例えば、蛍光発光、後方散乱放射）を受信し、その受信した光信号を表す１つまたは複数の電気信号を生成するように構成されている複数の構成要素を含み得る。いくつかの実施形態において、分析システム１－２６０は、１つまたは複数の光検出器と、光検出器からの電気信号を処理するように構成された信号処理電子装置（例えば、１つまたは複数のマイクロコントローラ、１つまたは複数のフィールドプログラマブルゲートアレイ、１つまたは複数のマイクロプロセッサ、１つまたは複数のデジタル信号プロセッサ、論理ゲートなど）とを含み得る。また、分析システム１－２６０は、１つまたは複数のデータ通信リンクを介して外部デバイスとの間でデータを送受信するように構成されたデータ伝送ハードウェアを含み得る。いくつかの実施形態において、分析システム１－２６０は、分析対象の１つまたは複数の試料を受け入れることが可能な集積デバイス１－１０２を受け入れるように構成され得る。
【0063】
図１－２Ｃは、出力パルス１－２５２の時間的強度プロファイルを示す。いくつかの実施形態において、放出されるパルスのピーク強度値は、ほぼ等しくなり得る。このプロファイルはガウス時間プロファイルを有してもよいが、ｓｅｃｈ２プロファイルのような他のプロファイルが可能であり得る。いくつかの事例において、パルスは、対称的な時間プロファイルを有していなくてもよく、他の時間的形状を有していてもよい。各パルスの持続時間は、図１－２に示すような、半値全幅（ＦＷＨＭ）値によって特性化することができる。モードロックレーザのいくつかの実施形態によれば、超短光パルスは、１００ピコ秒（ｐｓ）未満のＦＷＨＭ値を有し得る。いくつかの事例において、ＦＷＨＭ値は約５ｐｓ～約３０ｐｓとすることができる。
【0064】
出力パルス１－２５２は、周期的な間隔Ｔによって分離され得る。例えば、Ｔは、出力カプラとレーザモジュール１－２５８のキャビティ端部ミラーとの間の往復進行時間によって決定され得る。いくつかの実施形態によれば、パルス分離間隔Ｔは、約１ｎｓ～約３０ｎｓの範囲内であるか、またはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲であり得る。いくつかの事例において、パルス分離間隔Ｔは、約０．７メートルと約３メートルとの間のレーザキャビティ長（レーザモジュール１－２５８のレーザキャビティ内の光軸のおおよその長さ）に対応する、約５ｎｓ～約２０ｎｓの範囲内であり得る。
【0065】
いくつかの実施形態によれば、集積デバイス１－１０２上の試料ウェルの数と、蛍光発光特性と、集積デバイス１－１０２からデータを読み出すためのデータ処理回路の速度との組み合わせによって、所望のパルス分離間隔Ｔおよびレーザキャビティ長を決定することができる。本発明者らは、異なる蛍光色素分子を、それらの異なる蛍光減衰率または特性寿命によって識別できることを認識および評価するに至った。したがって、選択される蛍光色素分子について十分な統計値を収集してそれらの異なる減衰率を識別するためには十分なパルス分離間隔Ｔが必要である。加えて、パルス分離間隔Ｔが短すぎる場合、データ処理回路は、大量のデータが多数の試料ウェルによって収集されるのに追従することができない。本発明者らは、約５ｎｓと約２０ｎｓとの間のパルス分離間隔Ｔが、最大約２ｎｓの減衰率を有する蛍光色素分子に適しており、また、約６０，０００～６００，０００個の試料ウェルからのデータを処理するのに適していることを認識および評価するに至った。
【0066】
いくつかの実施態様によれば、ビームステアリングモジュールは、モードロックレーザモジュール１－１２５から出力パルスを受信し、集積デバイス１－１０２の光カプラ上で光パルスの少なくとも位置と入射角を調整するように構成され得る。いくつかの事例において、モードロックレーザモジュールからの出力パルスは、集積デバイス１－１０２上の光カプラにおいてビーム形状および／またはビーム回転を追加的または代替的に変更するようにビームステアリングモジュールによって操作され得る。いくつかの実施態様において、ビームステアリングモジュールは、光カプラ上への出力パルスのビームの集束おおよび／または偏光の調整をさらに可能とし得る。ビームステアリングモジュールの一例は、２０１６年５月２０日に出願された「パルスレーザおよび生物分析システム（PULSED LASER AND BIOANALYTIC SYSTEM）」を名称とする米国特許出願番号第１５／１６１，０８８号に記載されており、参照によって本明細書に組み込まれる。ビームステアリングモジュールの他の例は、「コンパクトなビーム成形およびステアリングアセンブリ（COMPACT BEAM SHAPING AND STEERING ASSEMBLY）」を名称とする米国特許出願第６２／４３５，６７９号に記載されており、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【0067】
図１－３を参照すると、モードロックレーザモジュールからの出力パルス１－５２２は集積デバイス上の１つまたは複数の光導波路１－３１２に結合され得る。いくつかの実施形態において、光パルスは格子カプラ１－３１０を介して１つまたは複数の導波路に結合され得るが、いくつかの実施形態では、集積デバイス上の１つまたは複数の光導波路の端部への結合が使用され得る。いくつかの実施形態によれば、格子カプラ１－３１０への光パルス１－１２２のビームの位置合わせを補助するために半導体基板１－３０５（例えば、シリコン基板）上にクワッド検出器１－３２０が配置され得る。１つまたは複数の導波路１－３１２と試料ウェル１－３３０が、基板、導波路、試料ウェル、および光検出器１－３２２の間に誘電体層（例えば、二酸化シリコン層）を介在して、同じ半導体基板上に集積され得る。
【0068】
各導波路１－３１２は、導波路に沿って試料ウェルに結合される光パワーを均質化するために、試料ウェル１－３３０の下方にテーパ部分１－３１５を含み得る。縮小するテーパによって、より多くの光エネルギーを導波路のコアの外側に押しやることができ、試料ウェルへの結合を増大させて、導波路に沿った光学的損失（試料ウェルへの光結合の損失を含む）を補償することができる。光エネルギーを集積フォトダイオード１－３２４に方向付けるために、各導波路の端部には第２の格子カプラ１－３１７が位置し得る。集積フォトダイオードは、導波路を下って結合されるパワーの量を検出して、ビームステアリングモジュールを制御するフィードバック回路に検出信号を与えることができる。
【0069】
試料ウェル１－３３０は、導波路のテーパ部分１－３１５と位置合わせされ、タブ１－３４０において陥凹され得る。各試料ウェル１－３３０に対して半導体基板１－３０５上には時間ビニング光検出器１－３２２が位置し得る。試料ウェル内にない蛍光色素分子（例えば、試料ウェルの上方で溶液中に分散している）の光励起を防止するために、試料ウェルの周囲および導波路の上方には、金属コーティングおよび／または多層コーティング１－３５０が形成され得る。金属コーティングおよび／または多層コーティング１－３５０は、導波路１－３１２内の光エネルギーの吸収損失を各導波路の入力端および出力端において低減するためにタブ１－３４０の縁部を越えて隆起され得る。
【0070】
集積デバイス上に、複数列の導波路、試料ウェル、および時間ビニング光検出器があってもよい。例えば、いくつかの実施態様では、１２８行の各々に５１２個の試料ウェルが存在し、合計で６５，５３６個の試料ウェルが存在し得る。他の実施態様は、より少ないまたはより多い試料ウェルを含んでもよく、他のレイアウト構成を含んでもよい。モードロックレーザからの光パワーは、１つまたは複数のスターカプラおよび／またはマルチモード干渉カプラを介して、あるいは集積デバイスの光カプラと複数の導波路との間に配置された任意の他の手段によって、複数の導波路に分配され得る。
【0071】
図１－４は、導波路１－３１５内の光パルス１－１２２から試料ウェル１－３３０への光エネルギー結合を示している。導波路１－３１５はチャネル導波路と見なすことができる。図面は、導波路寸法、試料ウェル寸法、種々の材料の光学特性、および試料ウェル１－３３０からの導波路１－３１５の距離を考慮した、光波の電磁場シミュレーションから生成されている。導波路は、例えば、周囲にある二酸化シリコンの媒体１－４１０内の窒化シリコンから形成され得る。導波路、周囲の媒体、および試料ウェルは、２０１５年８月７日に出願された「分子をプローブし、検出し、分析するための集積デバイス（INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES）」を名称とする米国特許出願第１４／８２１，６８８号に記載されている微細加工工程によって形成され得る。いくつかの実施形態によれば、エバネッセント光場１－４２０が、導波路によって運ばれる光エネルギーを試料ウェル１－３３０に結合する。
【0072】
試料ウェル１－３３０内で行われる生物学的反応の非限定例が図１－５に示されている。この例において、標的核酸に対して相補的である伸長鎖へのヌクレオチドおよび／またはヌクレオチド類似体の連続的な取り込みが試料ウェル内で行われている。一連の核酸（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）を配列決定するために連続的な取り込みが検出され得る。試料ウェルは、約１５０ｎｍ～約２５０ｎｍの範囲内かまたはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲の深さと、約８０ｎｍ～約１６０ｎｍの範囲内の直径とを有し得る。隣接する試料ウェルおよび他の望ましくない光源からの迷光をブロックするアパーチャを設けるために、金属化層１－５４０（例えば、基準電位のための金属化）が光検出器の上方にパターニングされ得る。いくつかの実施形態によれば、ポリメラーゼ１－５２０が、試料ウェル１－３３０内に位置し得る（例えば、試料ウェルの基部に付着され得る）。ポリメラーゼは、標的核酸１－５１０（例えば、ＤＮＡから導出される核酸の一部分）に作用し、相補的な核酸の伸長鎖の配列を決定してＤＮＡ１－５１２の伸長鎖を生成し得る。異なる蛍光色素分子を用いて標識化されたヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体は、試料ウェルの上方または内部の溶液中に分散され得る。
【0073】
図１－６に示されるように、標識化されたヌクレオチドおよび／またはヌクレオチド類似体１－６１０が相補的な核酸の伸長鎖に取り込まれると、１つまたは複数の付着された蛍光色素分子１－６３０が、導波路１－３１５から試料ウェル１－３３０に結合されている光エネルギーのパルスによって繰り返し励起され得る。いくつかの実施形態において、１つまたは複数の蛍光色素分子１－６３０は、任意の適切なリンカ１－６２０を用いて１つまたは複数のヌクレオチドおよび／またはヌクレオチド類似体１－６１０に付着され得る。取り込み事象は、最大約１００ｍｓの期間にわたって継続し得る。この時間の間に、蛍光色素分子（１つまたは複数）の励起からもたらされる蛍光発光のパルスが時間ビニング光検出器１－３２２を用いて検出され得る。異なる発光特性（例えば、蛍光減衰率、強度、蛍光波長）を有する蛍光色素分子を異なるヌクレオチド（Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ）に付着させ、ＤＮＡ１－５１２のストランドが核酸を取り込んでいる間に異なる発光特性を検出および識別することによって、ＤＮＡの伸長鎖のヌクレオチド配列を決定することが可能である。
【0074】
いくつかの実施形態によれば、蛍光発光特性に基づいて試料を分析するように構成されている機器１－１００は、異なる蛍光分子間の蛍光寿命の差および／または強度の差、ならびに／あるいは異なる環境における同じ蛍光分子の寿命の差および／または強度の差を検出し得る。説明として、図１－７は、例えば、２つの異なる蛍光分子からの蛍光発光を表し得る、２つの異なる蛍光発光確率曲線（ＡおよびＢ）をプロットしている。曲線Ａ（破線）を参照すると、短パルスまたは超短光パルスによって励起された後、第１の分子からの蛍光発光の確率ｐＡ（ｔ）は、図示されているように時間とともに減衰し得る。いくつかの事例において、光子が経時的に放出される確率の低減は、指数減衰関数ｐＡ（ｔ）＝ＰＡ０ｅ－ｔ／τＡによって表すことができる。
【0075】
ここで、式中、ＰＡ０は初期発光確率であり、τＡは、発光減衰確率を特性化する、第１の蛍光分子と関連付けられる時間パラメータである。τＡは、第１の蛍光分子の「蛍光寿命」、「発光寿命」、または「寿命」と称され得る。いくつかの事例において、τＡの値は、蛍光分子の局所的環境によって変更され得る。他の蛍光分子は、曲線Ａに示されたものとは異なる発光特性を有し得る。例えば、別の蛍光分子は、単一の指数関数的減衰とは異なる減衰プロファイルを有する場合があり、その寿命は、半減期値または何らかの他の測定基準によって特性化され得る。
【0076】
第２の蛍光分子は、図１－７の曲線Ｂで示されるように、指数関数的ではあるが、測定可能な異なる寿命τＢを有する減衰プロファイルを有し得る。図示されている例において、曲線Ｂの第２の蛍光分子の寿命は曲線Ａの寿命よりも短く、発光の確率は、第２の分子の励起直後では、曲線Ａの場合よりも高い。いくつかの実施形態において、異なる蛍光分子は、約０．１ｎｓ～約２０ｎｓに及ぶ範囲の寿命または半減期値を有し得る。
【0077】
本発明者らは、異なる蛍光分子の存否を判別し、および／または、蛍光分子が晒される異なる環境または条件を判別するために、蛍光発光寿命の差を使用できることを認識および評価するに至った。いくつかの事例では、寿命（例えば、発光波長ではなく）に基づいて蛍光分子を判別することによって、機器１－１０４の態様を単純化することができる。一例として、寿命に基づいて蛍光分子を判別する場合、波長弁別光学素子（波長フィルタ、波長毎の専用検出器、異なる波長における専用パルス光源、および／または回折光学素子）の数を低減することができるか、またはなくすことができる。いくつかの事例では、光学スペクトルの同じ波長領域内で発光するものの、測定可能な異なる寿命を有する異なる蛍光分子を励起するために、単一の固有波長において動作する単一のパルス光源を使用することができる。同じ波長領域内で発光する異なる蛍光分子を励起および判別するために、異なる波長において動作する複数の光源ではなく、単一のパルス光源を使用する分析システムは、動作および保守管理の複雑さを低減することができ、よりコンパクトにすることができ、より低いコストで製造することができる。
【0078】
蛍光寿命分析に基づく分析システムは一定の利点を有し得るが、追加の検出技法を可能にすることによって、分析システムによって得られる情報の量および／または検出精度を増大することができる。例えば、いくつかの分析システム２－１６０は、蛍光波長および／または蛍光強度に基づいて試料の１つまたは複数の特性を判別するようにさらに構成され得る。
【0079】
再び図１－７を参照すると、いくつかの実施形態によれば、蛍光分子の励起後の蛍光発光事象を時間ビニングするように構成されている光検出器を用いて、異なる蛍光寿命を区別することができる。時間ビニングは、光検出器の単一の電荷蓄積サイクルの間に行われ得る。電荷蓄積サイクルは、読み出し事象間の間隔であり、その間に光発生キャリアが時間ビニング光検出器のビン内に蓄積される。発光事象の時間ビニングによって蛍光寿命を決定する概念が図１－８にグラフで紹介されている。ｔ１の直前の時刻ｔｅにおいて、蛍光分子または同じタイプ（例えば、図１－７の曲線Ｂに対応するタイプ）の蛍光分子の集合が、短パルスまたは超短光パルスによって励起される。分子の大きい集合について、発光の強度は、図１－８に示されるように、曲線Ｂと同様の時間プロファイルを有し得る。
【0080】
一方、単一の分子または少数の分子について、蛍光光子の放出は、この例については、図１－７の曲線Ｂの統計値に従って生じる。時間ビニング光検出器１－３２２は、発光事象から発生するキャリアを、蛍光分子（１つまたは複数）の励起時間に関して時間分解されている個別の時間ビン（図１－８には３つが示されている）に蓄積し得る。多数の発光事象が合計される場合、時間ビンにおいて蓄積されたキャリアは、図１－８に示す減衰強度曲線を近似することができ、ビニングされた信号を使用して、異なる蛍光分子または蛍光分子が位置している異なる環境を区別することができる。
【0081】
時間ビニング光検出器１－３２２の例は、２０１５年８月７日に出願された「受光した光子の時間ビニングのための集積デバイス（INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS）」を名称とする米国特許出願第１４／８２１，６５６号に記載されており、参照によって本明細書に組み込まれる。説明を目的として、時間ビニング光検出器の非限定的な実施形態が図１－９に示されている。単一の時間ビニング光検出器１－９００は、光子吸収／キャリア発生領域１－９０２、キャリア移動領域１－９０６、および複数のキャリア貯蔵ビン１－９０８ａ，１－９０８ｂ，１－９０８ｃを備え得る。これらはすべて半導体基板上に形成されている。キャリア移動領域は、キャリア輸送チャネル１－９０７によって複数のキャリア貯蔵ビンに接続され得る。３つのキャリア貯蔵ビンのみが図示されているが、より多くのビンがあってもよい。いくつかの実施形態において、単一の時間ビニング光検出器１－９００は少なくとも２つのキャリア貯蔵ビンを含む。キャリア貯蔵ビンに接続されている読み出しチャネル１－９１０があり得る。光子吸収／キャリア発生領域１－９０２、キャリア移動領域１－９０６、キャリア貯蔵ビン１－９０８ａ，１－９０８ｂ，１－９０８ｃ、および読み出しチャネル１－９１０は、半導体を局所的にドーピングし、および／または隣接する絶縁領域を形成して、光検出機能をもたらしキャリアを閉じ込めることによって形成することができる。また、時間ビニング光検出器１－９００は、基板上に形成された複数の電極１－９２０，１－９２２，１－９３２，１－９３４，１－９３６，１－９４０を含み得る。これらの電極は、デバイスを通じてキャリアを輸送するための電場をデバイス内に発生させるように構成されている。
【0082】
動作時、蛍光光子が、異なる複数の時点で光子吸収／キャリア発生領域１－９０２において受け取られ、キャリアを発生させ得る。例えば、ほぼ時刻ｔ１において、３つの蛍光光子が光子吸収／キャリア発生領域１－９０２の空乏領域において３つのキャリア電子を発生させ得る。デバイス内の電場（電極１－９２０，１－９２２に対する、および任意選択的にまたは代替的に電極１－９３２，１－９３４，１－９３６に対するドーピングおよび／または外部印加バイアスに起因する）により、キャリアがキャリア移動領域１－９０６に移動し得る。このキャリア移動領域において、移動距離が、蛍光分子の励起後の時間に変換される。その後の時刻ｔ５において、別の蛍光光子が光子吸収／キャリア発生領域１－９０２において受け取られ、追加のキャリアを発生させ得る。この時点において、最初の３つのキャリアは、第２の貯蔵ビン１－９０８ｂに隣接するキャリア移動領域１－９０６内の位置に移動している。その後の時刻ｔ７において、電気的バイアスが電極１－９３２，１－９３４，１－９３６と電極１－９４０との間に印加されて、キャリア移動領域１－９０６から貯蔵ビンへとキャリアが横方向に輸送され得る。そして、最初の３つのキャリアは第１のビン１－９０８ａに輸送されて保持され、その後に発生したキャリアは第３のビン１－９０８ｃに輸送されて保持され得る。いくつかの実施態様において、各貯蔵ビンに対応する時間間隔は、ナノ秒未満の時間スケールであるが、いくつかの実施形態（例えば、蛍光色素分子がより長い減衰時間を有する実施形態）では、より長い時間スケールが使用されてもよい。
【0083】
励起事象（例えば、パルス光源からの励起パルス）後にキャリアを発生および時間ビニングする処理は、単一の励起パルスの後に１度行われてもよく、または、光検出器１－９００の単一の電荷蓄積サイクルの間における複数の励起パルスの後に複数回繰り返されてもよい。電荷蓄積が完了した後、キャリアは、読み出しチャネル１－９１０を介して貯蔵ビンから読み出され得る。例えば、適切なバイアスシーケンスを少なくとも電極１－９４０および下流の電極（図示せず）に印加して貯蔵ビン１－９０８ａ，１－９０８ｂ，１－９０８ｃからキャリアを除去することができる。
【0084】
複数の励起事象の後、各電子貯蔵ビン内の蓄積された信号を読み出すことで、例えば、蛍光発光減衰率を表す対応するビンを有するヒストグラムをもたらすことができる。このような工程は、図１－１０Ａおよび図１－１０Ｂに示されている。ヒストグラムのビンは、試料ウェル内の蛍光色素分子（１つまたは複数）の励起後の各時間間隔中に検出される光子の数を示し得る。いくつかの実施形態において、ビンの信号は、図１－１０Ａに示されるように多数の励起パルス後に蓄積され得る。これらの励起パルスは、パルス間隔時間Ｔによって分離されている時刻ｔｅ１，ｔｅ２，ｔｅ３，…，ｔｅＮにおいて生じ得る。電子貯蔵ビン内の信号の蓄積の間に試料ウェルに１０５～１０７個の励起パルスが印加され得る。いくつかの実施形態において、１つのビン（ビン０）は、各光パルスによって送達される励起エネルギーの大きさを検出するように構成されて（例えばデータを正規化するための）基準信号として使用され得る。
【0085】
いくつかの実施態様において、図１－１０Ａに示されるように、平均して単一の光子のみが励起事象後に蛍光色素分子から放出され得る。時刻ｔｅ１における最初の励起事象の後、時刻ｔｆ１において放出される光子が第１の時間間隔内に生じ得ることにより、その結果得られる電子信号が第１の電子貯蔵ビンに蓄積される（ビン１にもたらされる）。時刻ｔｅ２における後続の励起事象において、時刻ｔｆ２において放出される光子が第２の時間間隔内に生じ得ることにより、その結果得られる電子信号がビン２にもたらされる。
【0086】
多数の励起事象および信号蓄積の後、時間ビニング光検出器１－３２２の電子貯蔵ビンが読み出されて、試料ウェルに関する多値信号（例えば、２つ以上の値のヒストグラム、Ｎ次元ベクトルなど）が提供され得る。各ビンの信号値は、蛍光色素分子の減衰率に依存し得る。例えば、再び図１－８を参照すると、減衰曲線Ｂを有する蛍光色素分子は、減衰曲線Ａを有する蛍光色素分子よりも、ビン２に対するビン１の信号の比が高くなる。ビンからの値が較正値に対しておよび／または互いに分析および比較されることで、特定の蛍光色素分子を決定することができ、この蛍光色素分子が、試料ウェル内にあるときにその蛍光色素分子に結合されているヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体（または対象とする任意の他の分子もしくは検体）を同定する。
【0087】
信号分析の理解をさらに補助するために、蓄積されたマルチビン値が、例えば図１－１０Ｂに示されるようにヒストグラムとしてプロットされ得るか、または、Ｎ次元空間内のベクトルもしくは位置として記録され得る。較正ランを別個に実施して、４つのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体に結合されている４つの異なる蛍光色素分子の多値信号（例えば、較正ヒストグラム）の較正値を取得することができる。一例として、較正ヒストグラムは、図１－１１Ａ（Ｔヌクレオチドに関連付けられた蛍光標識）、図１－１１Ｂ（Ａヌクレオチドに関連付けられた蛍光標識）、図１－１１Ｃ（Ｃヌクレオチドに関連付けられた蛍光標識）、および図１－１１Ｄ（Ｇヌクレオチドに関連付けられた蛍光標識）に示されるものとして現れ得る。測定された多値信号（図１－１０Ｂのヒストグラムに対応する）を較正多値信号と比較することによって、ＤＮＡの伸長鎖に取り込まれているヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体のアイデンティティ「Ｔ」（図１－１１Ａ）を決定することができる。
【0088】
いくつかの実施態様において、異なる蛍光色素分子を区別するために、蛍光強度が追加的にまたは代替的に使用され得る。例えば、いくつかの蛍光色素分子は、たとえそれらの減衰率が類似し得る場合でも、大きく異なる強度で発光することやまたはそれらの励起確率に大きな差（例えば、少なくとも約３５％の差）が生じることがある。ビニングされている信号（ビン１～３）を、測定された励起エネルギービン０に対して参照することによって、強度レベルに基づいて異なる蛍光色素分子を区別することが可能となり得る。
【0089】
いくつかの実施形態において、同じタイプの異なる数の蛍光色素分子が、異なるヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体に結合され得ることにより、蛍光強度に基づいてヌクレオチドを同定することができる。例えば、２つの蛍光色素分子が第１のヌクレオチド（例えば、「Ｃ」）またはヌクレオチド類似体に結合され、４つ以上の蛍光色素分子が第２のヌクレオチド（例えば、「Ｔ」）またはヌクレオチド類似体に結合され得る。蛍光色素分子の数が異なるため、異なるヌクレオチドに関連付けられた異なる励起および蛍光色素分子の発光確率があり得る。例えば、信号蓄積間隔中に「Ｔ」ヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体についてより多くの発光事象があり得ることで、これらのビンの見かけの強度が「Ｃ」ヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体よりも大幅に高くなる。
【0090】
本発明者らは、蛍光色素分子の減衰率および／または蛍光色素分子の強度に基づいてヌクレオチドまたは任意の他の生物検体もしくは化学検体を区別することにより、機器１－１０４内の光励起および検出システムを単純化することが可能になることを認識および評価するに至った。例えば、光励起は、単一波長源（例えば、複数の光源または複数の異なる固有波長で動作する光源ではなく、１つの固有波長を生成する光源）を用いて実施することができる。加えて、波長弁別光学素子およびフィルタが、検出システムにおいて必要ない場合がある。また、単一の光検出器を各試料ウェルに使用して、異なる蛍光色素分子からの発光を検出することができる。
【0091】
「固有波長」または「波長」という語句は、限定された放射帯域幅内の中心波長または主波長（例えば、パルス光源によって出力される２０ｎｍ帯域幅内の中心波長またはピーク波長）を指すために使用される。いくつかの事例では、「固有波長」または「波長」は、光源によって出力される放射の全帯域幅内のピーク波長を指すために使用され得る。
【0092】
本発明者らは、約５６０ｎｍ～約９００ｎｍの間の範囲の発光波長を有する蛍光色素分子が、時間ビニング光検出器（ＣＭＯＳプロセスを使用してシリコンウェハ上に作製可能）によって検出されるのに十分な量の蛍光発光を与え得ることを認識および評価するに至った。これらの蛍光色素分子は、ヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体などの対象とする生体分子に結合され得る。この波長範囲の蛍光発光は、シリコンベースの光検出器で、より長い波長の蛍光発光よりも高い応答性で検出され得る。加えて、この波長範囲における蛍光色素分子および関連するリンカは、ＤＮＡの伸長鎖へのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体の取り込みに干渉しないものとなり得る。また、本発明者らは、約５６０ｎｍ～約６６０ｎｍの範囲内の発光波長を有する蛍光色素分子が単一波長源を用いて光励起され得ることを認識および評価するに至った。この範囲内の例示的な蛍光色素分子は、マサチューセッツ州ウォルサム（Waltham）所在のサーモフィッシャーサイエンティフィッ
クインコーポレイテッド社（Thermo Fisher Scientific Inc.）から入手可能なAlexa Fluor 647である。また、本発明者らは、より短い波長（例えば、約５００ｎｍ～約６５０ｎｍの間）の励起エネルギーが、約５６０ｎｍ～約９００ｎｍの間の波長で発光する蛍光色素分子を励起するために必要となり得ることを認識および評価するに至った。いくつかの実施形態において、時間ビニング光検出器は、例えば、Ｇｅなどの他の材料を光検出器活性領域に組み込むことによって、試料からのより長い波長の発光を効率的に検出することができる。
クインコーポレイテッド社（Thermo Fisher Scientific Inc.）から入手可能なAlexa Fluor 647である。また、本発明者らは、より短い波長（例えば、約５００ｎｍ～約６５０ｎｍの間）の励起エネルギーが、約５６０ｎｍ～約９００ｎｍの間の波長で発光する蛍光色素分子を励起するために必要となり得ることを認識および評価するに至った。いくつかの実施形態において、時間ビニング光検出器は、例えば、Ｇｅなどの他の材料を光検出器活性領域に組み込むことによって、試料からのより長い波長の発光を効率的に検出することができる。
【0093】
単一の特徴的な波長を放射する励起源を使用してＤＮＡの配列を決定する可能性は、光学系のいくつかを単純化することができるが、上述のように技術的に困難な要求を励起源に課すこととなる。例えば、本発明者らは、励起エネルギーが後続で検出される蛍光信号を圧倒しないようにまたはそれと干渉しないように、励起源からの光パルスが上述した検出方式のために迅速に消滅すべきであることを認識および評価するに至った。いくつかの実施形態において、再び図１－５を参照すると、導波路１－３１５と時間ビニング光検出器１－３２２との間に波長フィルタはなくてもよい。後続の信号収集との励起エネルギーの干渉を避けるために、励起パルスの強度は、励起パルスのピークから約１００ｐｓ以内に少なくとも５０ｄＢだけ低減される必要があり得る。いくつかの実施形態において、励起パルスの強度は、励起パルスのピークから約１００ｐｓ以内に少なくとも８０ｄＢだけ低減される必要があり得る。本発明者らは、モードロックレーザがそのような急速なターンオフ特性をもたらし得ることを認識および評価するに至った。しかしながら、モードロックレーザは長期間にわたって安定したモードロック状態で動作することが困難であり得る。また、データ取得のためにパルス繰り返し周波数を１００ＭＨｚより低くする必要があるので、モードロックレーザキャビティの長さは非常に長くなる可能性がある。このような長い長さは、携帯型のデスクトップ機器に組み込むことができるコンパクトな光源とは対照的である。さらに、数千または数百万の試料ウェルに対して集積されたフォトダイオードにより並列に蛍光発光を検出可能となるように、モードロックレーザは、６６０ｎｍ未満の波長で蛍光色素分子を励起するのに十分なパルス当たりのエネルギー（または高い平均出力）を供給しなければならない。本発明者らはさらに、例えば集積デバイス１－１０２の光カプラおよび導波路への効率的な結合を達成できるように、モードロックレーザのビーム品質を高くすべき（例えば、１．５未満のＭ２値）であることを認識および評価するに至った。現時点では、携帯型のデスクトップ機器に組み込むことができ、かつ長期間にわたって安定した状態を維持することができるコンパクトなモジュール（例えば、０．００２８ｍ３（０．１ｆｔ３）未満の体積を占める）において、２５０ｍＷ～１Ｗの平均出力、５００ｎｍ～６５０ｎｍの波長、５０ＭＨｚ～２００ＭＨｚの繰り返し周波数でパルスを供給する市販の入手可能なモードロックレーザ発振システムは存在しない。
【0094】
［ＩＩＩ．集積デバイス］
試料分析における集積デバイスの性能は、集積デバイスの光カプラ（例えば、光子カプラ）の結合効率や、励起エネルギーを個々の導波路に分割する際の光損失や、試料ウェルへの個々の導波路の結合効率などを含む、集積デバイスの光学系に関連する様々な要因に依存し得る。これらの要因は、励起エネルギーを試料ウェルに送達するためにより多くの試料ウェルおよび光学部品が集積デバイスに含まれるほど増大し得る。本出願の態様は、光カプラ、光スプリッタ、導波路、および、光損失を低減および／または結合効率を改善するべくこれらの光学部品を集積デバイス内に配置するための技術に関する。さらに、本明細書に記載される技術により、集積デバイスの試料ウェルへの励起エネルギーの送達における均一性を向上させることができる。
試料分析における集積デバイスの性能は、集積デバイスの光カプラ（例えば、光子カプラ）の結合効率や、励起エネルギーを個々の導波路に分割する際の光損失や、試料ウェルへの個々の導波路の結合効率などを含む、集積デバイスの光学系に関連する様々な要因に依存し得る。これらの要因は、励起エネルギーを試料ウェルに送達するためにより多くの試料ウェルおよび光学部品が集積デバイスに含まれるほど増大し得る。本出願の態様は、光カプラ、光スプリッタ、導波路、および、光損失を低減および／または結合効率を改善するべくこれらの光学部品を集積デバイス内に配置するための技術に関する。さらに、本明細書に記載される技術により、集積デバイスの試料ウェルへの励起エネルギーの送達における均一性を向上させることができる。
【0095】
また、試料分析における集積デバイスの性能は、個々の試料ウェルに送達される励起エネルギー（例えば、光パワー）の量に依存し得る。励起エネルギーが励起源から試料ウェルに伝播する際に、試料ウェルに結合する励起エネルギーの量を低減する可能性があり且つ試料を検出するにあたって試料ウェルに関連する画素の性能に影響を与え得る光損失が発生し得る。試料ウェルのアレイに関して、このような光損失は、試料検出を可能とする画素の数を制限し得る。また、このような光損失は、アレイ内の個々の試料ウェルに励起エネルギーを送達する際の均一性を低下させ得るものとなり、これも集積デバイスの性能に影響を及ぼし得る。集積デバイスの導波路は、導波路に近接して位置する多数の試料ウェル（例えば、５１２個の試料ウェル）に励起エネルギーを結合し得る。励起エネルギーが導波路に沿って伝播する際、光損失の総量が増加し得ることで、導波路に沿って遠くに位置する試料ウェルに結合する励起エネルギーの量が減少する。このように、導波路に沿った光損失は、導波路に沿って位置する個々の試料ウェルに結合される励起エネルギーの量の均一性に影響を及ぼし得る。本出願の態様は、励起エネルギーが導波路に沿って伝播する際の光損失を低減することによって試料ウェルのアレイ内の励起エネルギーの均一性を改善する集積デバイス、および集積デバイスの形成方法に関する。
【0096】
いくつかの事例では、光源からのパワーを多数の集積光導波路に効率的に結合しようとする際に問題が生じる可能性がある。多数の試料ウェルに対して各導波路および試料ウェルに十分なパワーを供給するために、入力ビームの平均パワーは試料ウェルの数の増加に比例して上昇する。いくつかの集積光導波路（例えば、窒化シリコン導波路コア／二酸化シリコンクラッド）に関して、高いパワーは、導波路の伝送損失に一時的な変化を引き起こして、時間とともに試料ウェル内において相当量のパワー不安定性を引き起こす可能性がある。高いパワーでの集積光導波路における時間依存性の伝送損失が本発明者らによって測定されており、例示的な結果が図２－０にプロットされている。
【0097】
窒化シリコンコアを有する３つの同じ長さのシングルモード導波路について、挿入損失を時間の関数として測定した。３つの導波路に結合された初期平均パワーレベルは、０．５ｍＷ、１ｍＷ、および２ｍＷであった。図２－０のグラフは、３つのパワーレベルについて、導波路の各長さについて測定された挿入損失の変化を時間の関数として示している。このグラフは、高いパワーレベルでは、損失が１０分以内に３ｄＢ変化し得ることを示している。反応が数十分または数時間実行され得る単一分子核酸配列決定などのいくつかの用途では、そのようなパワー不安定性が許容できない場合がある。
【0098】
試料ウェルからの発光強度が低い場合、または試料の特徴付けが試料ウェルからの強度の値に依存する場合、試料ウェルに送達されるパワーが経時的に安定した状態のままであることが有益である。例えば、導波路内での時間依存性の伝送損失のために試料ウェルに送達されるパワーが３ｄＢ減少すると（図２－０参照）、蛍光発光事象の数が機器のノイズフロア未満のレベルにまで低下し得る。いくつかの事例では、光子信号をノイズと区別できないことは、蛍光色素分子の寿命を区別するために使用される光子統計に悪影響を及ぼし得る。その結果、重要な分析情報が失われる可能性や、分析におけるエラー（例えば、核酸配列検出におけるエラー）が生じる可能性や、または配列決定の実行が失敗する可能性がある。
【0099】
時間依存性の導波路伝送損失の影響を低減するための１つのアプローチは、集積デバイスに使用される集積導波路の長さを短くすることである。いくつかの事例では、励起エネルギーを試料ウェルに送るのに相当量の長さの導波路が必要となり得る。代替的または追加的に、導波路に結合された放射の強度が減少する場合があり、および／または金属層から生じる導波路に沿った光損失が増加する場合がある。発明者らは、励起源からのビームが最初に集積光回路の単一の導波路に結合され、次いで多くの導波路に（例えば、１つの入力と２つの出力とを有するマルチモード干渉スプリッタの二分木を使用することによって）再分配される場合に、時間依存性の導波路伝送損失が最も問題になり得ることを認識および評価するに至った。このような場合、結合領域において、強度が非常に高くなり導波路伝送損失に急激な変化を引き起こす可能性がある。
【0100】
本出願のいくつかの実施形態は、導波路構造、および導波路から延びる所望のエバネッセント場を有する光モードを提供する導波路構造を形成する方法に関する。導波路に沿った伝播方向に対して垂直に延びるエバネッセント場は、導波路から減少する光パワーの分布を有し得る。エバネッセント場は、光パワーが導波路から減少する特性減衰を有し得る。光モードの伝播をサポートするように構成された導波路は、エバネッセント場が導波路から急速に減衰するときに「閉じ込められた」光モードであると見なすことができる。
【0101】
導波路の１つ以上の寸法は、減衰率や、導波路材料と周囲材料（例えば、クラッド）との間の界面からのエバネッセント場の距離や、導波路伝播方向からの垂直な方向におけるエバネッセント場の光パワープロファイルなどを含むエバネッセント場の特性に影響を及ぼし得る。導波路に沿った伝播方向に対して垂直な導波路の寸法は、エバネッセント場の１つまたは複数の特性に影響を及ぼし得る。いくつかの実施形態において、導波路の厚さは、エバネッセント場の１つまたは複数の特性に影響を及ぼし得る。導波路の厚さは、導波路に沿って伝播する励起エネルギーのエバネッセント場の減衰に影響を及ぼし得る。いくつかの実施形態において、導波路の厚さを増加させると、エバネッセント場の減衰が増加し得る。
【0102】
いくつかの実施形態は、集積デバイスの１つまたは複数の試料ウェルに結合するための所望のエバネッセント場を提供するために可変の厚さを有する導波路構造に関する。いくつかの実施形態において、１つまたは複数の試料ウェルと重なる領域では、１つまたは複数の試料ウェルと重ならない領域よりも導波路の厚さが大きくされ得る。このような実施形態では、導波路は、金属層の存在からの光損失を低減しつつ、試料ウェルへの励起エネルギーの所望の量の結合を提供するエバネッセント場を有する光モードを提供することができる。
【0103】
集積デバイスの光損失を低減し光特性を改善するための別の技術は、集積デバイスの導波路の長さに沿って励起エネルギーのパワー分布を変化させることを含み得る。このパワー分布は、試料ウェルと重なる導波路に沿った位置で増加および／または拡大し、試料ウェルと重ならない導波路に沿った位置で減少および／または狭くなり得る。いくつかの実施形態において、集積デバイスの導波路は複数の光モードを伝播し得る。このような導波路は「マルチモード導波路」と見なすことができる。複数の光モードは、導波路に沿った光伝播方向に対して垂直な方向に励起エネルギーのパワー分布を変えるように干渉し得る。マルチモード導波路のパワー分布は、試料ウェルと重なる１つまたは複数の導波路に沿った位置でそのパワー分布が広がるように変化し得る。
【0104】
［Ａ．格子カプラ］
結合領域１－２０１における時間依存性の導波路損失を減少させるためにスライス格子カプラ２－１００が実装され得る。図２－１Ａには、このスライス格子カプラ２－１００の概略図が示されている。このスライス格子カプラは、格子カプラ１－２１６（例えば、図１－２Ａ）とすることができ、出力導波路と見なすことができる複数の導波路２－１２０に隣接して形成された長さＬの格子２－１１０を含む。導波路は、格子２－１１０によって回折された光を受け取るテーパ端部２－１２２を有し得る。これらのテーパ端部は、異なる幅（例えば、図示されるように格子の対向する端部に向かってより広くなる幅）を有し得る。これらのテーパ端部が及ぶ全幅は、格子の長さＬ未満であるか、またはほぼ等しい長さであり得る。
結合領域１－２０１における時間依存性の導波路損失を減少させるためにスライス格子カプラ２－１００が実装され得る。図２－１Ａには、このスライス格子カプラ２－１００の概略図が示されている。このスライス格子カプラは、格子カプラ１－２１６（例えば、図１－２Ａ）とすることができ、出力導波路と見なすことができる複数の導波路２－１２０に隣接して形成された長さＬの格子２－１１０を含む。導波路は、格子２－１１０によって回折された光を受け取るテーパ端部２－１２２を有し得る。これらのテーパ端部は、異なる幅（例えば、図示されるように格子の対向する端部に向かってより広くなる幅）を有し得る。これらのテーパ端部が及ぶ全幅は、格子の長さＬ未満であるか、またはほぼ等しい長さであり得る。
【0105】
いくつかの実施形態において、励起源１－１０６からのビームは、格子の長さＬに本質的に一致するＹ方向に延びるように拡張（または励起源によって生成）され得る。例えば、拡張されたビーム２－１１２は、図２－１Ａにおいて破線の楕円によって示されるような形状を有し得る。ここで、破線の楕円は、所望の閾値（例えば、８０％、９０％）を超える光強度を有するビームの一部に対応する。入射ビームは、図２－１Ａに示される破線の楕円を超えて延びる低い光強度のテール領域を有し得る。スライス格子カプラ２－１００は、７５％～９９％の範囲内かまたはその範囲内の任意の割合もしくは割合の範囲の入射ビームの一部を捕捉するように構成され得る。このようなビームが格子に入射する（例えば、主に＋Ｚ方向に進む）と、格子はビームを導波路２－１２０のテーパ端部２－１２２に向けてＸ方向に回折させる。いくつかの実施形態において、ビームは、格子２－１１０に対する法線（＋Ｚ方向）から数度（例えば、１～６度）の角度で格子に入射し得る。出力導波路２－１２０に向けて入射ビームをある角度で位置決めすることにより、ビームが格子カプラの法線方向とされた場合よりも格子カプラ内での回折量を減少させて格子カプラへの励起エネルギーの結合効率を向上させることができる。ビームは、その中心で最も強く、ビームの縁に向かうにつれて強度が減少する（±Ｙ方向に減少する）Ｙ方向に沿った横断強度プロファイルを有し得る。このようなビームの場合、導波路のテーパ端部２－１２２は、格子２－１１０の対向する端部でより広くなるとともに、格子の中心部でより狭くなり、その結果、同様の量のパワーが複数の導波路２－１２０の各々に結合される。なお、１０本の導波路が図示されているが、スライス格子カプラはさらに多くの導波路を有していてもよい。いくつかの実施形態において、スライス格子カプラは、２０～２００個の範囲内かまたはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲で、多数の出力導波路を有し得る。多くの導波路にわたってパワーの結合を分配することによって、最初にすべてのパワーを単一の導波路に結合することによる時間依存性の伝送損失に関連する悪影響を低減または排除することができる。また、拡張されたビームは、格子カプラでの強度を減少させて、格子２－１１０、反射層１－２２６、集積デバイス内の他の構造、および光学系内の他の構造を損傷させる虞を低減する。
【0106】
いくつかの事例において、図２－１Ａに示されるスライス格子カプラ２－１００およびビーム配置を用いた複数の導波路２－１２０へのパワーの結合の均一性を調整可能とすることが望ましい。ビームの横断強度プロファイルがガウス分布とされ得るかまたは十分に特徴付けられ得ることで理論的に等しい量のパワーを捕捉するようにテーパ端部２－１２２の異なる幅が事前に計算されるが、結合の均一性は、ビームの横断強度プロファイルの変化やＹ方向のビーム変位の影響を大きく受け得る。
【0107】
図２－１Ｂは、広いビームを複数の導波路に結合する方法を示している。この方法は、導波路に結合されたパワーレベルの均一性を改善してビームの横断強度プロファイルやビーム変位によって受ける結合の感受性を低下させるための調整をもたらす。いくつかの実施形態によれば、励起源（例えば、レーザ）からの円形ビームは、格子２－１１０の長さＬおよびテーパ端部２－１２２のアレイを超える楕円ビーム２－１２２に再成形され得る。この楕円ビーム２－１２２は、その楕円の長軸が格子２－１１０の歯またはラインに対して角度αを有するように回転されている。いくつかの実施形態において、角度αは１度～１０度の間であり得る。ビーム２－１２２の部分は、±Ｘ方向に格子２－１１０の縁を越えて延在し得る。図２－１Ａに示される結合配置は、ビーム面積の９５％を超える部分からのパワーがテーパ端部２－１２２に結合することを可能にし得る一方、図２－１Ｂに示される結合配置は、ビーム面積の８０％～９５％の部分からのパワーがテーパ端部に結合することを可能にし得る。本発明者らは、全体の結合効率の低下が結合安定性の改善や導波路への結合パワーの均一性の改善のみによって補償されないことを認識および評価するに至った。図２－１Ｃは、集積デバイスの所望の性能を維持しつつ異なるビームサイズを許容する格子カプラの能力を実証するために、異なるビーム幅のスライス格子カプラを使用することによって集積デバイスにわたり除去される割合を示す。いくつかの実施形態において、スライス格子カプラは、約±１０％のビームサイズ公差、約４５％の格子カプラ効率、および約±２５％の試料ウェルのアレイにわたる照射の均一性の変動を許容し得る。
【0108】
動作中、複数の導波路２－１２０にわたるパワーの均一な結合を取得し維持するために、Ｘ方向およびＹ方向における角度αおよびビーム変位が調整され得る。ビーム２－１２２がＹ方向に非対称の強度プロファイルを有する場合、その非対称性を補償するためにビームの位置がＸ方向に調整され得る。例えば、＋Ｙ方向におけるビームの強度が－Ｙ方向のビームの強度よりも大きい場合、ビームが－Ｘ方向に移動されることにより（図示された角度の場合）、＋Ｙ方向のビームの位置が格子２－１１０から離れ、＋Ｙ方向においてテーパ端部２－１２２に結合されるパワー量が減少する。そして、－Ｙ方向のビームの一部が格子２－１１０上に移動して、－Ｙ方向のテーパ端部２－１２２に結合されるパワー量が増加する。ビーム２－１２２がＹ方向に対称的な強度プロファイルを有する場合、導波路に結合されるパワーの均一性を改善するために±Ｙ方向および／または±α方向の調整が行われ得る。楕円ビームをスライス格子カプラに位置合わせするために使用されるビームステアリングモジュールの一例は、「コンパクトなビーム成形およびステアリングアセンブリ（COMPACT BEAM SHAPING AND STEERING ASSEMBLY）」を名称とする米国特許出願第６２／４３５，６７９号に記載されており、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【0109】
スライス格子カプラのテーパ端部の１つ以上の寸法は、スライス格子カプラに結合された光強度の変動を補償するために変更され得る。いくつかの実施形態において、テーパ端部の幅（図２－１Ａに示されるｙ軸に沿った幅）は、スライス格子カプラの側面において変更され得る。いくつかの実施形態において、テーパ端部の高さ（図２－１Ａに示すｚ軸に沿った高さ）は、格子カプラの側面において変更され得る。テーパ端部の寸法は、格子カプラに対するテーパ端部の位置に依存し得る。格子カプラ内の強度分布プロファイルは、特定の格子カプラについての強度プロファイルが与えられた場合に、テーパ端部の各々が実質的に同様な量の光パワーを受け取ることを可能にするテーパ領域の位置決めおよび／またはサイズの指標を与え得る。図２－１Ｄは、中心点の位置に応じた相対強度（ｘ軸に沿ってゼロ）をプロットしたものである。図２－１Ｄに示される強度プロファイルは、長さ２４０ミクロン（図２－１Ａに示す寸法Ｌ）の格子を有するスライス格子カプラの強度プロファイルである。強度は格子カプラの格子の中心点でピークとなり、格子の長さに沿って減少するので、テーパ端部は、そのテーパ端部に結合される光パワーの量の均一性を向上させるように格子の中心点から外縁に向かって幅が増加し得る。いくつかの実施形態において、テーパ端部の各々は、そのテーパ端部が各々実質的に等しい量のパワーを捉えるように適切に位置決めされ得るとともにサイズが決定され得る。図２－１Ｄは、強度プロファイルに関してこの概念を表すためにテーパ端部２－１２２ａ，２－１２２ｂ，２－１２２ｃの取り得る位置と幅を示している。テーパ端部の追加の幅は、図２－１Ｄに四角の点で表されている。テーパ端部２－１２２ａは、強度が低い格子カプラの位置で捕捉を行うため、最も外側のテーパ端部に位置して最大幅を有している。テーパ端部２－１２２ｂ，２－１２２ｃはより中心点の近くに位置し、徐々に幅が小さくなる。
【0110】
いくつかの実施形態において、スライス格子カプラのテーパ端部の１つ以上の寸法は、集積デバイスの光学系における光学部品（例えば、光スプリッタ）を考慮して変更され得る。集積デバイス内の多くの導波路にわたって励起エネルギーを分配するために、スライス格子カプラからの出力導波路は、励起エネルギーを伝播する導波路の数を増やすべく光スプリッタと結合し得る。出力導波路のうちのいくつかは、１つのみの光スプリッタを有する光路に沿って励起エネルギーを結合してもよいし、出力導波路は、２つ以上の光スプリッタを有する光路に沿って励起エネルギーを結合してもよい。テーパ端部の寸法は、格子内の強度分布を考慮することに加えて、各出力導波路が結合する光路内の光スプリッタの数に応じて変更され得る。いくつかの実施形態において、スライス格子カプラは、格子の縁に近接したテーパ端部と、格子の側面の中心に近接したテーパ端部との両方よりも大きな寸法を有する１つのテーパ端部を有し得る。
【0111】
図２－２Ａは、格子２－２１０を有する格子カプラ２－２００の概略図を示している。テーパ端部２－２２２ａ，２－２２２ｂ，２－２２２ｃは、側面２－２３０で格子２－２１０に結合するとともに出力導波路２－２２０に結合する。この例では、テーパ端部２－２２２ｂは、側面２－２３０の縁に近接して位置するテーパ端部２－２２２ａと、側面２－２３０の中心に近接して位置するテーパ端部２－２２２ｃとの両方よりも大きい幅（ｙ軸に沿った寸法）を有する。このようなテーパ端部の変更は、格子２－２１０内の励起エネルギーの強度プロファイルに加えて、出力導波路２－２２０が結合する光スプリッタの数を補償し得る。上述したように、強度は格子の中心で最も高く、格子の縁に向かって減少し得る。テーパ端部２－２２２ａに関する出力導波路は、格子の下流で使用される光スプリッタの数を減らすことによって、縁に近接したより低い強度のものとなり得る。いくつかの実施形態において、テーパ端部２－２２２ａからの励起エネルギーの経路は、１つのみの光スプリッタを含み得る一方、テーパ端部２－２２２ｂ，２－２２２ｃの経路は、２つ以上の光スプリッタを含み得る。
【0112】
［Ｂ．光スプリッタ］
１つまたは複数の光スプリッタ（例えば、マルチモード干渉スプリッタ）は、格子カプラ１－２１６と導波路１－２２０との間に配置され得るとともに、いくつかの実施形態において、ルーティング領域１－２０２の一部として含まれ得る。光スプリッタは、光スプリッタへの入力として格子カプラの出力導波路に結合し得るとともに、光スプリッタの出力として２つ以上の導波路を有し得る。いくつかの実施形態において、複数の光スプリッタを使用することで、格子カプラ１－２１６によって受信された光パワーを、集積デバイスの画素領域１－２０３内の試料ウェル１－１０８に励起エネルギーを伝播する複数の導波路１－２２０に分割することができる。いくつかの実施形態において、格子カプラと励起エネルギーを試料ウェルに結合する導波路との間の光スプリッタの数は、格子カプラからの出力導波路がどのように配置決めおよび／またはサイズ決めされるかによって変更され得る。
１つまたは複数の光スプリッタ（例えば、マルチモード干渉スプリッタ）は、格子カプラ１－２１６と導波路１－２２０との間に配置され得るとともに、いくつかの実施形態において、ルーティング領域１－２０２の一部として含まれ得る。光スプリッタは、光スプリッタへの入力として格子カプラの出力導波路に結合し得るとともに、光スプリッタの出力として２つ以上の導波路を有し得る。いくつかの実施形態において、複数の光スプリッタを使用することで、格子カプラ１－２１６によって受信された光パワーを、集積デバイスの画素領域１－２０３内の試料ウェル１－１０８に励起エネルギーを伝播する複数の導波路１－２２０に分割することができる。いくつかの実施形態において、格子カプラと励起エネルギーを試料ウェルに結合する導波路との間の光スプリッタの数は、格子カプラからの出力導波路がどのように配置決めおよび／またはサイズ決めされるかによって変更され得る。
【0113】
図２－２Ｂは、図２－２Ａに示される光スプリッタおよびスライス格子カプラを実装する例示的な光ルーティング配置を示している。格子２－１１０、格子の側面２－２３０のテーパ端部、および出力導波路２－２２０に加えて、マルチモード干渉（ＭＭＩ）スプリッタ２－２４０ａ，２－２４０ｂ，２－２４２を使用することで、出力導波路内を伝播する光パワーを、集積デバイスの画素領域内の試料ウェルに励起エネルギーを伝播する複数の導波路１－２２０にさらに分割することができる。ＭＭＩスプリッタ２－２４０ａ，２－２４０ｂは、ＭＭＩスプリッタの第１のグループの一部であり、各々入力として１つの出力導波路２－２２０を受け入れるとともに、２つの出力を有している。第１のグループ内のＭＭＩスプリッタは、格子カプラ２－１１０から１ｍｍ未満の位置に存在し得る。ＭＭＩスプリッタ２－２４２は、ＭＭＩスプリッタの第２のグループの一部であり、各々、ＭＭＩスプリッタ２－２４０ｂなどの１つのＭＭＩスプリッタからの出力を受け取るとともに、導波路１－２２０を形成する２つの出力を有している。なお、図２－２Ａに示されたＭＭＩスプリッタは２つの出力を有しているが、本明細書に記載される技術は光スプリッタの出力の数に限定されないものであり、より多くの出力を使用することができる。
【0114】
図２－２Ｂに示されるように、第１グループ内のＭＭＩスプリッタ２－２４０からのすべての出力が第２グループ内のＭＭＩスプリッタ２－２４２への入力を形成しているわけではない。図２－２Ａに示されるように、ＭＭＩスプリッタ２－２４０ｂからの出力は２つのＭＭＩスプリッタ２－２４２に結合する一方、ＭＭＩスプリッタ２－２４０ａはどのＭＭＩスプリッタ２－２４２にも結合していない。図２－２Ａを再び参照すると、テーパ端部２－２２２ａなどの外側テーパ端部は、テーパ端部２－２２２ｂなどの他のテーパ端部よりも幅が狭く、格子２－１１０内の強度プロファイルのために、より少ない光パワーを伝播する。導波路１－２２０間の光パワーの均一性を改善するために、外側テーパ端部は、より少ないＭＭＩスプリッタを有する経路に光パワーを提供し得る。このように、テーパ端部の１つ以上の寸法、および格子２－１１０の出力から導波路１－２２０を形成するために使用されるＭＭＩスプリッタの数により、格子２－１１０内の強度プロファイルをバランスさせることができる。
【0115】
［Ｃ．アレイレイアウト］
本出願のいくつかの実施形態は、上述したように、例えば導波路長を短くするなどによって、デバイス性能を改善し、および／または時間依存性の導波路損失を低減するための、集積デバイスにおける導波路および光学部品のルーティング技術に関する。導波路および光学部品のルーティングにおける他の考慮事項は、追加の試料ウェルに対してより大きな表面積を利用可能とするために、光ルーティングに充てる集積デバイスの実装面積を減らすことを含み得る。
本出願のいくつかの実施形態は、上述したように、例えば導波路長を短くするなどによって、デバイス性能を改善し、および／または時間依存性の導波路損失を低減するための、集積デバイスにおける導波路および光学部品のルーティング技術に関する。導波路および光学部品のルーティングにおける他の考慮事項は、追加の試料ウェルに対してより大きな表面積を利用可能とするために、光ルーティングに充てる集積デバイスの実装面積を減らすことを含み得る。
【0116】
いくつかの実施形態において、導波路は格子カプラから動径分布で経路指定され得る。図２－２Ｂに示されるように、出力導波路２－２２０、ＭＭＩスプリッタ２－２４０，２－２４２、導波路１－２２０は、格子２－１１０から放射状に配置されている。集積デバイスの画素領域１－２０３内の試料ウェルに励起エネルギーを向けるために、複数の導波路１－２２０が列をなして配置され得ることにより、図１－２Ａに示される試料ウェル１－１０８の行などのように、個々の導波路１－２２０が集積デバイスの試料ウェルの行と結合するように配置される。図２－２Ｂの平面図に関して、導波路１－２２０は、集積デバイスの画素領域内でｘ軸に沿って直線的に延在することができる。
【0117】
いくつかの実施形態において、集積デバイスの画素領域内の導波路は、格子カプラの格子に対して実質的に平行に配置されてもよい。光伝播領域は、格子カプラを導波路に光学的に結合し得る。このような導波路のレイアウトはより短い導波路を可能にし、これにより、時間依存性の導波路損失などの光損失を低減することができる。図３－１は、格子カプラの格子３－１１０と、伝播領域３－１２０と、導波路３－１３０ａ，３－１３０ｂとを有する例示的な光ルーティング配置の概略図を示している。伝播領域３－１２０は、２つの出力導波路３－１３０ａ，３－１３０ｂのセットの間に配置され得る。伝播領域３－１２０は複数の導波路３－１３０に励起エネルギーを供給するように構成されているため光スプリッタと見なすことができる。導波路３－１３０ａ，３－１３０ｂは、集積デバイスの画素領域内の試料ウェルに励起エネルギーを結合するように配置され得る。図３－１に示されるように、導波路３－１３０ａ，３－１３０ｂは、格子カプラの格子３－１１０に対して実質的に平行な方向（ｙ軸）に沿って伝播領域３－１２０から延びている。導波路レイアウトの中央部分に沿って伝播領域３－１２０を配置することにより、導波路が格子カプラの格子に対して実質的に垂直に配置される（図２－２Ｂに示されるような）導波路レイアウトに比べて、導波路３－１３０をより短い長さとすることができる。
【0118】
いくつかの実施形態において、１つまたは複数の光スプリッタ（例えば、ＭＭＩスプリッタ）は、集積デバイスの画素領域に配置され得るとともに、試料ウェルの行または列と光学的に結合するように構成された２つ以上の導波路と結合するように構成され得る。１つまたは複数の光スプリッタは、２つの試料ウェルのセットの間に配置され得る。２つの試料ウェルのセットの間には、光スプリッタへの１つまたは複数の入力導波路が配置され得る。入力導波路は、図３－１に示される伝播領域３－１２０から延びる導波路３－１３０ａ，３－１３０ｂのような、伝播領域に結合する導波路であり得る。図３－２は、それぞれ光スプリッタ３－２１４ａ，３－２１４ｂへの入力として機能するように構成された入力導波路３－２１０ａ，３－２１０ｂを含む例示的な導波路レイアウトの概略図を示している。図３－２に示されるように、入力導波路３－２１０ａ，３－２１０ｂは、試料ウェル３－２１２ａを含む第１の試料ウェルのセットと、試料ウェル３－２１２ｂを含む第２の試料ウェルのセットとの間に配置されている。また、第１の試料ウェルのセットと第２の試料ウェルのセットとの間には光スプリッタ３－２１４ａ，３－２１４ｂが配置されている。光スプリッタ３－２１４ａからの出力導波路３－２１６ａ，３－２１６ｂは各々、第１の試料ウェルのセット内の試料ウェルの一つの行と結合するように配置されている。光スプリッタ３－２１４ｂからの出力導波路３－２１８ａ，３－２１８ｂは各々、第２の試料ウェルのセット内の試料ウェルの一つの行と結合するように配置されている。
【0119】
［Ｄ．試料ウェル］
本明細書に記載された種類の集積デバイスは、内部に試料を受け入れるように構成された１つまたは複数の試料ウェルを含み得る。集積デバイスは、試料ウェル（例えば、５１２個の試料ウェル）が列に配置された画素を含み得る。各試料ウェルは、試料ウェルの表面（底面など）に配置され得る試料を受け入れることができる。試料が配置される表面は、所望のレベルの励起エネルギーで試料を励起するように構成されている導波路から或る距離を有し得る。いくつかの実施形態では、導波路に沿って伝播する光モードのエバネッセント場が試料と重なるように、導波路に対して試料ウェルが位置決めされ得る。
本明細書に記載された種類の集積デバイスは、内部に試料を受け入れるように構成された１つまたは複数の試料ウェルを含み得る。集積デバイスは、試料ウェル（例えば、５１２個の試料ウェル）が列に配置された画素を含み得る。各試料ウェルは、試料ウェルの表面（底面など）に配置され得る試料を受け入れることができる。試料が配置される表面は、所望のレベルの励起エネルギーで試料を励起するように構成されている導波路から或る距離を有し得る。いくつかの実施形態では、導波路に沿って伝播する光モードのエバネッセント場が試料と重なるように、導波路に対して試料ウェルが位置決めされ得る。
【0120】
試料ウェルは、１つまたは複数の試料を試料ウェルに投入可能とする上部アパーチャを有し得る。上部アパーチャのサイズは種々の要因に依存し得る。このような要因の１つは、１つまたは複数の試料が試料ウェル内に配置され得ることに関連する。したがって、上部アパーチャは、試料を試料ウェル内に配置可能とする十分な大きさであり得る。他の要因は、迷光などのバックグラウンド信号に関連する。１つまたは複数の試料が試料ウェル内に配置されて励起エネルギーで励起されると、バックグラウンド信号が放出エネルギーに望ましくない変動を引き起こし、それによって測定ノイズが生じ得る。このような変動を制限するために、上部アパーチャのサイズが、バックグラウンド信号の少なくとも一部を遮断するように設定され得る。同様に、この上部アパーチャは、そのアパーチャ下方の試料の部分のみが実質的に励起エネルギーを受け取るように試料の露出を阻止する。別の要因は、励起エネルギーの受け取りに反応して試料によって放出される放出エネルギーの指向性に関する。いくつかの実施形態において、上部アパーチャのサイズは、所望のレベルの指向性をもたらすように設定され得る。
【0121】
集積デバイスのいくつかの実施形態は、集積デバイスの表面上の金属層内に形成された試料ウェルを含む。この金属層は、試料ウェルからの放出エネルギーを１つまたは複数のセンサにより検出することにおいて利点をもたらし得る。この金属層は、バックグラウンド信号を減少させて、１つまたは複数のセンサにより検出される放出エネルギーの量を向上させるように機能することができる。このような金属層は、バックグラウンド信号（例えば、迷光、バックグラウンド光または直接励起エネルギー）から生じ得るノイズアーチファクトを低減することによってセンサの信号対ノイズ比を改善することができる。いくつかの実施形態において、集積デバイスは、電気信号を送信および／または受信するための配線として機能するように構成された金属層を含み得る。このような配線は、センサに結合し、センサを制御する信号を送信し、および／またはセンサによって検出された放射エネルギーを示す信号を受信し得る。
【0122】
試料ウェルの深さは、試料の位置と金属層との間の所望の間隔を維持するように設定され得る。このような間隔により、金属層によって引き起こされる光損失を制限しつつ、所望のレベルの励起エネルギーを確実に試料ウェルに提供することが可能となる。いくつかの実施形態において、試料ウェルの深さは、導波路に沿って伝播する光モードのエバネッセント場が金属層と相互作用する程度を制限しつつ、このエバネッセント場が試料と重なるように設定され得る。いくつかの実施形態において、試料ウェルの深さは、試料に関連するマーカーの光子放出事象のタイミング（例えば、寿命）に影響を及ぼし得る。したがって、この深さは、異なるマーカーの個々の寿命に関連するタイミング特性に基づいて試料ウェル内の異なるマーカーを区別可能とし得る。
【0123】
試料ウェルの形状やサイズおよび／または金属層の組成は、放出エネルギーをセンサに向けるように作用し得る。いくつかの実施形態において、放出エネルギーの形態で試料によって放出されたエネルギーの一部は、集積デバイスの層を介して下方に伝播し得る。この放出エネルギーの一部は、試料ウェルと関連付けられた画素内の集積デバイス上に位置する１つまたは複数のセンサによって受け取られ得る。
【0124】
図４－１は、本出願のいくつかの非限定的な実施形態による、試料ウェル４－１０８を含む集積デバイスの断面図である。試料ウェル４－１０８は、試料ウェル４－１０８の表面に保持され得る試料４－１９１を受け入れるように構成され得る。例えば、試料ウェル４－１０８の表面４－１１２は、試料に付着する組成物を少なくともある時間にわたり一時的に有し得る。試料ウェル４－１０８の表面４－１１２は、図４－１に示されるように、試料ウェル４－１０８の側壁ではなくその表面に試料４－１９１が付着するための選択性をもたらす１つまたは複数の材料を有し得る。いくつかの実施形態において、試料ウェル４－１０８の表面４－１１２は、試料ウェル４－１０８への試料４－１９１の光活性化結合を可能にし得る。いくつかの実施形態において、試料ウェル４－１０８の表面４－１１２は酸化シリコンで形成することができ、１つまたは複数のシラノール基（Ｓｉ－ＯＨ）で終端し得る。シラノール基は、他の材料（例えば、１つまたは複数のシラン基を有した構造を有する化学物質）と相互作用して、表面に対して特定の種類の界面化学特性を生じさせ得る。試料４－１９１は、試料ウェル４－１０８の上部アパーチャを通じて試料ウェル４－１０８内に配置され得る。上部アパーチャは、照射している試料４－１９１からの周囲光または迷光を低減するように構成され得る。試料ウェル４－１０８内のバルク溶液を励起し得る迷光が集積デバイスの導波路および／または試料ウェルから生じる場合、試料ウェル４－１０８内の試料は、「暗」条件と呼ばれ得る条件下で分析され得る。上部アパーチャは、試料ウェル４－１０８上のバルク溶液を励起することによる試料ウェル４－１０８内の迷光を低減するように構成され得る。いくつかの実施形態において、試料ウェル４－１０８はサブ波長断面寸法を有し得ることで、集積デバイスに入射する光の伝播を低減または抑制することができる。試料ウェル４－１０８の上部アパーチャは、５０ｎｍ～３００ｎｍの範囲内かまたはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲の幅ＷＡを有し得る。
【0125】
試料４－１９１は、導波路４－１０２が試料ウェル４－１０８と光学的に結合することなどによって、導波路４－１０２を介して提供される励起エネルギーで励起され得る。導波路４－１０２は、図４－１では矩形断面を有するように示されているが、本明細書に記載される導波路を含む、他の任意の適切な断面形状を使用することができる。導波路４－１０２は、導波路からエバネッセント減衰する光モードを提供するように構成され得る。いくつかの実施形態において、この光モードのエバネッセント場は少なくとも部分的に試料ウェル４－１０８と重なり得る。このようにして、試料４－１９１は光モードのエバネッセント場を通じて励起エネルギーを受け取ることができる。
【0126】
試料ウェル４－１０８は、試料ウェル４－１０８の表面４－１１２と、クラッド４－１１８と金属層４－１２２との界面４－１２７との間において深さｄｗを有し得る。深さｄｗは、表面４－１１２に位置する試料と金属層４－１２２との間に適切な距離をもたらし得る。深さｄｗは、試料４－１９１に関連するマーカーの光子放出事象のタイミング（例えば、蛍光色素分子の蛍光寿命）に影響を与え得る。したがって、深さｄｗは、異なるマーカーの個々の光子放出タイミング特性（例えば、蛍光寿命）に関連するタイミング特性に基づいて、試料ウェル４－１０８内の異なるマーカーを区別することを可能にし得る。いくつかの実施形態において、試料ウェル４－１０８の深さｄｗは、受け取った励起エネルギーの量に影響を及ぼし得る。試料ウェル４－１０８の深さｄｗは、試料４－１９１からの放出エネルギーの指向性を改善するように設定され得る。深さｄｗは、５０ｎｍ～４００ｎｍの範囲内かまたはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲であり得る。いくつかの実施形態において、深さｄｗは９５ｎｍ～１５０ｎｍの間である。いくつかの実施形態において、深さｄｗは２５０ｎｍ～３５０ｎｍの間である。
【0127】
集積デバイスは、上部クラッド４－１１８の上に金属層４－１２２を含み得る。金属層４－１２２は、試料ウェル内の試料によって放出された放出エネルギーの反射体として機能し得るものであり、集積デバイスのセンサに向かって放出エネルギーを反射することによって放出エネルギーの検出を改善し得る。金属層４－１２２は、試料ウェル内で発生しない光子によるバックグラウンド信号を減少させるように作用し得る。金属層４－１２２は１つ以上の副層を含み得る。金属層の層として使用される適切な材料の例としては、アルミニウム、銅、アルミニウム銅合金、チタン、窒化チタン、タンタル、および窒化タンタルを挙げることができる。図４－１に示されるように、金属層４－１２２は２つ以上の副層を含み得る。いくつかの実施形態において、クラッド４－１１８と接合するように配置された第１の副層４－１２４は、アルミニウム、タンタル、またはチタンを含み得る。第１の副層４－１２４がアルミニウムを含む実施形態では、第１の副層４－１２４は、アルミニウムと、シリコンおよび／または銅との合金を含み得る。第１の副層がアルミニウムを有することによって、導波路に沿って伝播する励起エネルギーの光損失を減らすことができる。第１の副層４－１２４の厚さは、３０ｎｍ～１６５ｎｍの範囲内かまたはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲であり得る。
【0128】
金属層４－１２２は、第１の副層４－１２４の上に配置された第２の副層４－１２６をさらに含み得る。いくつかの実施形態において、第２の副層４－１２６はチタンを含み得る。チタンは、金属層４－１２２内で生じる腐食の量を低減することができる。第２の副層４－１２６の厚さは、１ｎｍ～１００ｎｍの範囲内かまたはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲であり得る。いくつかの実施形態において、第２の副層の厚さは約１０ｎｍであり得る。
【0129】
金属層４－１２２は、第２の副層４－１２６の上および／または第１の副層４－１２４の上に配置された第３の副層４－１２８をさらに含み得る。第３の副層４－１２８は、窒化チタンおよび／または窒化タンタルを含み得る。第３の副層４－１２８は、５ｎｍ～１００ｎｍの範囲内かまたはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲の厚さを有し得る。いくつかの実施形態において、第３の副層４－１２８は約５０ｎｍの厚さを有し得る。
【0130】
試料ウェル４－１０８は、少なくとも部分的に側壁スペーサ４－１９０で覆われた１つまたは複数の側壁を有し得る。側壁スペーサ４－１９０の組成は、試料４－１９１との特定の種類の相互作用を可能にするように構成され得る。いくつかの実施形態において、側壁スペーサ４－１９０は、試料ウェル４－１０８の側壁を不動態化して試料ウェル４－１０８の側壁に付着する試料の量を減らすように構成される組成を有し得る。スペーサ材料で側壁のみが被覆された試料ウェルを提供することによって、試料４－１９１との異なる種類の相互作用が表面４－１１２よりも側壁４－１９０において起こり得る。いくつかの実施形態において、試料ウェル４－１０８の表面４－１１２は、表面への試料４－１９１の接着性を向上させるために官能化シランで被覆され得る。スペーサ４－１９０で側壁を被覆することにより、試料ウェル４－１０８の表面４－１１２を官能化シランで選択的に被覆することができる。側壁スペーサ４－１９０の組成は、導波路に対して実質的に平行である試料ウェル４－１０８の表面４－１１２（試料ウェルの「底面」とみなし得る）に対して側壁スペーサ４－１９０の選択的被覆をもたらすように選択され得る。側壁スペーサ４－１９０は、３ｎｍ～３０ｎｍの範囲内かまたはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲の厚さを有し得る。いくつかの実施形態において、側壁スペーサ４－１９０は約１０ｎｍの厚さを有し得る。側壁スペーサ４－１９０を形成するのに使用される適切な材料の例としては、Ａｌ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＴｉＮ，ＴｉＯＮ，ＴａＮ，Ｔａ２Ｏ５，Ｚｒ２Ｏ５，Ｎｂ２Ｏ５，ＨｆＯ２を挙げることができる。いくつかの実施形態において、側壁スペーサ４－１９０はＴｉＮを含み、ＴｉＮの屈折率に起因してセンサに向けて所望のレベルの放出エネルギーの指向性をもたらすことができる。いくつかの実施形態において、側壁スペーサ４－１９０は散乱光を阻止するように構成され得ることで、試料４－１９１を照射し得る散乱光の量を減少させることができる。
【0131】
いくつかの実施形態において、試料ウェル構造は、側壁にスペーサ材料を欠いた、導波路４－１０２に近接した部分を有し得る。図４－１に示される表面４－１１２などの底面と側壁スペーサ４－１９０との間の距離は、１０ｎｍ～５０ｎｍの範囲内かまたはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲であり得る。このような構成は、試料ウェルの表面４－１１２を導波路４－１０２のより近くに配置可能とし、これにより導波路４－１０２から試料ウェル４－１０８への励起エネルギーの結合を向上させるとともに、導波路４－１０２に沿って伝播する励起エネルギーの光損失に対する金属層の影響を減らすことができる。
【0132】
［Ｅ．導波路］
所望の波長（例えば、５３２ｎｍ）で励起エネルギーを発生させるために励起源が使用され得る。励起エネルギーは、１つまたは複数の導波路を使用して個々の試料に提供され得る。導波路は、例えばエバネッセント結合を介して個々の試料に励起エネルギーの一部を結合するように構成され得る。いくつかの実施形態において、試料ウェルは行および列に配置され得るとともに、個々の導波路は対応する行または列の試料ウェルに励起エネルギーを送達するように構成され得る。いくつかの実施形態において、導波路は、行または列の試料ウェルに励起エネルギーを実質的に均一に（例えば、１０％未満の強度の変動で）提供するように構成され得る。試料ウェルのこのような均一な照射を提供するために、導波路は、試料ウェルに関して、行または列の長さに沿って変化する結合係数を有するように構成され得る。したがって、導波路に対して位置決めされた個々の試料ウェルは、導波路に沿って伝播する励起エネルギーの一部を受け取り得る。導波路に沿って伝播する励起エネルギーは試料ウェルとの連続的な結合によって枯渇するため、結合係数は導波路と結合する試料ウェルに実質的に均一な量の励起エネルギーを提供するように徐々に増加し得る。このような空間依存性の結合係数を提供するために、導波路のテーパが使用され得る。「テーパ」とは、その長さに沿って寸法（例えば、幅）が変化する導波路を指し得る。テーパは、サポートされている光モードを周囲領域（例えば、クラッド）に向かって徐々に拡大するように構成され得る。導波路をこのようにテーパ状にすることによって、結合係数は導波路の伝播軸に沿って増加し得る。
所望の波長（例えば、５３２ｎｍ）で励起エネルギーを発生させるために励起源が使用され得る。励起エネルギーは、１つまたは複数の導波路を使用して個々の試料に提供され得る。導波路は、例えばエバネッセント結合を介して個々の試料に励起エネルギーの一部を結合するように構成され得る。いくつかの実施形態において、試料ウェルは行および列に配置され得るとともに、個々の導波路は対応する行または列の試料ウェルに励起エネルギーを送達するように構成され得る。いくつかの実施形態において、導波路は、行または列の試料ウェルに励起エネルギーを実質的に均一に（例えば、１０％未満の強度の変動で）提供するように構成され得る。試料ウェルのこのような均一な照射を提供するために、導波路は、試料ウェルに関して、行または列の長さに沿って変化する結合係数を有するように構成され得る。したがって、導波路に対して位置決めされた個々の試料ウェルは、導波路に沿って伝播する励起エネルギーの一部を受け取り得る。導波路に沿って伝播する励起エネルギーは試料ウェルとの連続的な結合によって枯渇するため、結合係数は導波路と結合する試料ウェルに実質的に均一な量の励起エネルギーを提供するように徐々に増加し得る。このような空間依存性の結合係数を提供するために、導波路のテーパが使用され得る。「テーパ」とは、その長さに沿って寸法（例えば、幅）が変化する導波路を指し得る。テーパは、サポートされている光モードを周囲領域（例えば、クラッド）に向かって徐々に拡大するように構成され得る。導波路をこのようにテーパ状にすることによって、結合係数は導波路の伝播軸に沿って増加し得る。
【0133】
導波路はさらに、光損失を低減しつつ励起エネルギーを試料ウェルに効果的に結合するように構成され得る。試料ウェルは金属層に近接して配置され得るので、導波路内に導かれる励起エネルギーは、金属散乱および／または金属吸収に起因して光損失を受け得る。金属層に起因する光損失を低減するために、導波路は、金属層に対するモードの空間的重なりが低減されるように、モード閉じ込めを提供するように構成され得る。モード閉じ込めは、金属層との相互作用を低減しつつ、試料ウェルとの所望の重なりを提供するように選択され得る。
【0134】
導波路は、励起エネルギーの波長で透過性を有する（例えば、２ｄＢ／ｃｍ未満の伝播損失を有する）材料から製造され得る。例えば、励起エネルギーを導くための材料として窒化シリコンを使用することができる。
【0135】
いくつかの実施形態では、集積デバイスの試料ウェルに励起エネルギーを提供するためにチャネル導波路が使用され得る。適切なチャネル導波路の一例が図１－４に示されている。集積デバイスのチャネル導波路は、行または列に沿って１つまたは複数の試料ウェルへの励起エネルギーの結合を可能にするために、試料ウェルの行または列に対して配置され得る。
【0136】
いくつかの実施形態において、試料ウェルに励起エネルギーを供給するためにリブ導波路および／またはリッジ導波路が使用され得る。リブ導波路またはリッジ導波路は、「スラブ」と呼ばれる第１の層と、「隆起領域」と呼ばれる第２の層とを含み得る。スラブに対する隆起領域の位置は、光モードの位置を決定し得る。スラブおよび隆起領域の厚さは、所望の光プロファイルを提供するように構成され得る。例えば、エバネッセント場が試料と重なり合う一方で金属層との相互作用を減少させるような光モードプロファイルを有することが望ましい場合がある。図４－２Ａは、いくつかの非限定的な実施形態による例示的な導波路の断面図である。本明細書において「リブ導波路」とも呼ばれる導波路４－２００は、スラブ４－２０２と隆起領域４－２０４とを含み得る。導波路４－２００は、所望の波長で少なくとも１つの光モードをサポートするように構成され得る。いくつかの実施形態において、導波路４－２００は単一の光モード、例えば、ＴＥ０モードをサポートし得る。隆起領域は、いくつかの実施形態において１００ｎｍ～４μｍの間の幅ＷＲＲと、いくつかの実施形態において５０ｎｍ～５００ｎｍの間の厚さＴＲＲとを有し得る。いくつかの実施形態において、ＴＲＲは、１００ｎｍ～２００ｎｍの間である。スラブ４－２０２は、５０ｎｍ～５００ｎｍの間の厚さＴＳを有し得る。いくつかの実施形態において、ＴＳは、１５０ｎｍ～２５０ｎｍの間である。いくつかの実施形態において、スラブ４－２０２は、複数の隆起領域４－２０４がスラブ４－２０２上に配置されるように、複数の導波路４－２００の間で共有され得る。このような隆起領域は、スラブ間の相互の光結合を低減するのに十分に大きい、ｙ軸に沿った距離だけ分離され得る。例えば、スラブ４－２０２は複数の試料ウェル間で重なるように延在し得るとともに、隆起領域４－２０４は試料ウェルの個々の行または列と重なり得る。あるいは、個々の導波路は別々のスラブを含み得る。図４－２Ｂは、いくつかの非限定的な実施形態による別の例示的な導波路の断面図である。本明細書において「リッジ導波路」とも呼ばれる導波路４－２５０は、スラブ４－２５２と隆起領域４－２５４とを含み得る。隆起領域４－２５４は、いくつかの実施形態において１００ｎｍ～４μｍの間の幅ＷＲＲと、いくつかの実施形態において５０ｎｍ～５００ｎｍの間の厚さＴＲＲとを有し得る。いくつかの実施形態において、ＴＲＲは、１００ｎｍ～２００ｎｍの間である。スラブ４－２０２は、５０ｎｍ～５００ｎｍの間の厚さＴＳを有し得る。いくつかの実施形態において、ＴＳは、１５０ｎｍ～２５０ｎｍの間である。スラブ４－２０８は、いくつかの実施形態において５００ｎｍ～５μｍの間の幅ＷＳを有し得る。
【0137】
導波路４－２００，４－２５０は、下部クラッド４－２０８と上部クラッド４－２０６とを含み得る。下部および上部クラッドは、隆起領域４－２０４，４－２５４の屈折率より低い屈折率を有する材料から形成され得る。いくつかの実施形態において、下部および上部クラッドは酸化シリコンを含み得る。比ＴＲＲ／ＴＳは、所望のレベルの光閉じ込めを得るように選択され得る。例えば、このような比は、導波路の光モードが金属層からの光損失を低減しつつ試料ウェルへの所望のレベルの結合を提供するように選択され得る。導波路４－２５０と比べて製造工程が少なくて済むため、いくつかの実施形態では、導波路４－２００が好ましい場合がある。他の実施形態では、導波路４－２００と比べて他の導波路への結合度が低いので、導波路４－２５０が好ましい場合がある。
【0138】
いくつかの実施形態において、導波路のスラブおよび／または導波路の隆起領域は、２つ以上の層を含み得る。図４－２Ｃは、層４－２８２，４－２８３を含むスラブを有するリブ導波路を示している。層４－２８２，４－２８３は異なる材料から形成することができる。スラブの厚さに対する層４－２８２の厚さの比率は、５％～９５％の間であり得る。いくつかの実施形態において、層４－２８２は窒化シリコンを含み、層４－２８３はエッチストップ材料またはエッチ終点材料を含み得ることで、導波路の隆起領域の製造を補助し得る。代替的または追加的に、導波路の隆起領域は、層４－２８４，４－２８５などの複数の層を含み得る。層４－２８４，４－２８５は異なる材料から形成することができる。スラブの厚さに対する層４－２８４の厚さの比率は、５％～９５％の間であり得る。いくつかの実施形態において、層４－２８４，４－２８５は各々異なる誘電体材料（例えば、窒化シリコン、酸化アルミニウム）を含み得る。
【0139】
本明細書に記載される種類の導波路は、図４－１に示されるように試料ウェルに対応して配置され得る。例えば、導波路は、導波路に沿って伝播する光モードが試料ウェルにエバネッセント結合できるように配置され得る。いくつかの実施形態において、試料が配置される試料ウェルの表面は、導波路の表面と接触して配置され得る。他の実施形態では、これらの表面は分離され得る。さらに他の実施形態では、試料が配置される試料ウェルの表面は、導波路の内側に配置され得る。
【0140】
図４－３Ａ－Ｃは、３つの異なる結合構成を示す断面図である。結合構成４－３００Ａによれば、導波路４－３０１は試料４－３１２の底面から距離ｈＷで離間され得る。導波路４－３０１は、導波路４－２００か、導波路４－２５０か、または導波路４－２８０を用いて実現され得る。なお、導波路４－３０１は隆起部を有するように示されているが、これらの結合構成は任意の適切な種類の導波路を用いて実現することができる。いくつかの実施形態において、導波路４－３０１は、図１－４に示されるチャネル導波路などのチャネル導波路であり得る。導波路４－３０１は、距離ｈＷよりも大きい距離ｈＭで金属層４－３１０から離間され得る。金属層４－３１０は図４－１の金属層４－１２２として含まれ得るとともに、試料ウェル４－３１２は図４－１の試料ウェル４－１０８として機能し得る。距離ｈＷは、所望の程度の光結合を提供するように設定され得る。例えば、ｈＷは、いくつかの実施形態において５０ｎｍ～５００ｎｍの間であり得るが、いくつかの実施形態においては１００ｎｍ～２００ｎｍの間であり得る。距離ｈＭは、金属層４－３１０に起因する光損失を制限するように設定され得る。例えば、ｈＭは、いくつかの実施形態において２００ｎｍ～２μｍの間であり得るが、いくつかの実施形態においては３５０ｎｍ～６５０ｎｍの間であり得る。
【0141】
結合構成４－３００Ｂによれば、試料ウェル４－３１２の底面は導波路４－３０１内に配置され得る。この構成は、図４－３Ａに示された構成と比較すると、試料ウェルへのより大きな結合係数をもたらすことができる。しかしながら、金属層４－３１０への近接に起因して、または導波路内への試料ウェルの侵入によって引き起こされる散乱損失に起因して、この構成では光損失が大きくなる可能性がある。
【0142】
結合構成４－３００Ｃによれば、試料ウェル４－３１２の底面は導波路４－３０１の表面と接触して配置され得る。この構成は、例えば、導波路４－３０１の表面をエッチストップとして使用して試料ウェル４－３１２を形成することによって得ることができる。この構成は、図４－３Ａに示された構成と比較すると、試料ウェルへのより大きな結合係数をもたらし得る。しかしながら、この構成では導波路への金属層４－３１０の近接によって引き起こされる光損失が大きくなる可能性がある。
【0143】
図４－４Ａ～図４－４Ｃは、それぞれ結合構成４－３００Ａ，４－３００Ｂ，４－３００Ｃを示す破断等角図である。図示されるように、集積デバイスは複数の試料ウェル４－３１２を含み得る。導波路４－３０１は、個々の試料ウェルに励起エネルギーを供給するように構成され得る。
【0144】
上述したように、本明細書に記載される種類の導波路は、少なくとも１つの光モードをサポートするように構成され得る。本明細書で定義される「光モード」または単に「モード」とは、特定の導波路に関連する電磁場のプロファイルを指す。光モードは、導波路に沿って励起エネルギーを伝播させることができる。光モードは、試料ウェルにエバネッセント結合して試料ウェル内に配置された試料を励起するように構成され得る。これにより試料が放出エネルギーを放出し得る。同時に、光モードは、デバイスの表面に形成された金属層に関連した光損失を制限するように構成され得る。図４－５は、いくつかの非限定的な実施形態による例示的な光モードを示す断面図である。具体的に、図４－５は、導波路に沿って伝播する光モードの断面図を示すヒートマップ（カラーヒートマップの白黒変換）を示している。図示されるように、光モードは導波路４－３０１の領域に対応して最大４－５０８を示し、導波路を囲む領域、例えば上部クラッドと下部クラッドにエバネッセント的に延在し得る。いくつかの実施形態において、光モードは、試料ウェル４－３１２に結合可能なエバネッセント場４－５１０を含み得る。上部クラッドと金属層との界面におけるモードの強度は、最大４－５０８に対して実質的に小さくて（例えば、５％未満で）よい。
【0145】
いくつかの実施形態において、集積デバイスは、実質的に均一な強度で（例えば、１０％未満の変動で）個々の試料を励起するように構成され得る。試料を横切って実質的に均一な励起を有することにより、試料によって放出される放出エネルギーがセンサのダイナミックレンジ内にある可能性を改善することができる。本明細書に記載される技術によるものを含む光導波路は、試料ウェル内に配置された試料にわたって実質的に均一な励起を提供するようにその長さに沿って変化する試料ウェルへの光結合を提供するように構成され得る。いくつかの非限定的な実施形態によれば、導波路の幅は導波路の長さに沿って変化し得ることにより、位置依存性のモードプロファイルを提供する。いくつかの実施形態において、導波路の長さに沿って変化する１つ以上の寸法を有する導波路が実装され得る。例えば、いくつかの実施形態によるデバイスは、導波路の長さに沿って変化するテーパ幅を有する導波路を含み得る。図４－６は、テーパ導波路と複数の試料ウェルとを示す平面図である。テーパ導波路は、スラブ４－６０２と隆起領域４－６０４とを有し得る。導波路のテーパはｘ軸に沿って延在し得るとともに、試料ウェル４－３１２Ａ，４－３１２Ｂ，４－３１２Ｃ，４－３１２Ｄ，４－３１２Ｅの各々にエバネッセント結合するように構成され得る。図４－６は５つの試料ウェルを有する集積デバイスを示しているが、他の適切な数のウェルを使用することができる。隆起領域の幅は、指数関数的、対数的、線形的、二次的、三次的、またはそれらの任意の適切な組み合わせなどの任意の適切な関数に応じて変化し得る。図４－６に示される導波路のテーパは、導波路に光学的に結合された格子カプラに入射する励起エネルギーなどによって左側から励起エネルギーを受け取り、左から右への１つ以上の光モードの伝播をサポートするように構成され得る。隆起領域は、ｘ＝ｘ１において第１の幅ＷＲＲＩＮを有し、ｘ＝ｘ２において第２の幅ＷＲＲＯＵＴを有し得る。いくつかの実施形態において、ＷＲＲＯＵＴはＷＲＲＩＮより大きなものであり得る。このようにして、試料ウェル４－３１２Ａに対するテーパの結合係数は、試料ウェル４－３１２Ｂに対するテーパの結合係数よりも小さく、試料ウェル４－３１２Ｂに対するテーパの結合係数は、試料ウェル４－３１２Ｃに対するテーパの結合係数よりも小さいなどとなる。導波路に沿って伝播する励起エネルギーが、試料ウェルとの結合および／または光損失のために減少するため、導波路の長さに沿って結合係数が増加することにより、試料は実質的に均一な励起エネルギーを受け取ることができる。
【0146】
チャネル導波路の場合、導波路幅が狭くなると結合係数が増加し得る。したがって、結合係数を増加して光損失を補償するために、テーパチャネル導波路は伝播方向に沿って幅が狭くされ得る。いくつかの実施形態において、チャネル導波路はテーパを有し得る。このテーパは、テーパ始端において、６００ｎｍ～１５００ｎｍの範囲内かまたはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲の寸法を有し、テーパ終端において、２００ｎｍ～５００ｎｍの範囲内かまたはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲の寸法を有する。
【0147】
リブ導波路およびリッジ導波路の場合、結合係数は、隆起領域の幅ＷＲＲの増大とともに増大し得る。したがって、結合係数を増加して光損失を補償するために、テーパ付きリブ／リッジ導波路は伝播方向に沿ってＷＲＲが増加され得る。いくつかの実施形態において、ＷＲＲＩＮは、１５０ｎｍ～５００ｎｍの範囲内かまたはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲であり得る。いくつかの実施形態において、ＷＲＲＯＵＴは、１００ｎｍ～２００ｎｍの範囲内かまたはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲であり得る。図４－７は、試料に対応する位置で測定された、隆起領域４－６０４の幅に応じた電場を示すグラフである。図示されているように、隆起領域の幅が増加するにつれて、光モードが周囲領域内にさらに広がることに起因して、試料に対応する位置における電場が増加する。
【0148】
本明細書に記載される種類の導波路は、金属層への近接に関連する光損失を制限するように構成され得る。いくつかの実施形態において、導波路は、例えばエバネッセント場の減衰率を高めるための構成を有し得る。矩形断面を有するチャネル導波路と比べて、リッジ導波路またはリブ導波路は、より大きな減衰率のエバネッセント場を示し得る。図４－８は、矩形断面を有するチャネル導波路に関連する光モードプロファイルと、リブ導波路に関連する光モードプロファイルとの間の比較を示すグラフである。グラフ４－８００は、ｚ軸（伝播軸）に沿った位置に応じたモード強度を示している。図示される例では、試料は、ライン４－８０９とライン４－８１０との間に位置する。ここで、ライン４－８０９は、試料ウェルの底部に対応するｚ軸に沿った位置であり、ライン４－８１０は、クラッド４－１１８と金属層４－１２２との間の界面４－１２７に対応するｚ軸に沿った位置である。モード強度４－８０１は、リブ導波路４－２００などのリブ導波路に関連するモードプロファイルを表し、モード強度４－８０２は、矩形チャネル導波路に関連するモードプロファイルを表している。２つの導波路は試料の位置で実質的に同様のモード強度を示すように構成され得るが、リブ導波路はエバネッセント部分においてより大きな減衰率を示し、したがって界面４－１２７でより低い強度を提供し得る。このようにして、金属層４－１２２によって引き起こされる光損失を制限することができる。
【0149】
いくつかの実施形態は、複数のモードをサポートするように構成された１つまたは複数の導波路を有する集積デバイスに関する。このようなマルチモード導波路の２つ以上のモードは、マルチモード導波路に沿った光伝播方向に対して垂直な方向に励起エネルギーのパワー分布が変化するようにそれらモードの干渉によって結合し得る。パワー分布の変動は、パワー分布が他の領域よりも光伝播方向に垂直な１つ以上の方向において広くなる、光伝播方向に沿った領域を含み得る。いくつかの実施形態において、試料ウェルに最も近いマルチモード導波路の領域では試料ウェルに向かう方向にパワー分布が広がり得る。励起エネルギーのパワー分布が広がることにより、試料ウェルに対する励起エネルギーの結合を向上させることができる。いくつかの実施形態において、試料ウェルと重ならないマルチモード導波路の領域では、パワー分布が上記方向に沿って減少し得る。パワー分布が減少することにより、導波路の外側に広がる励起エネルギーの量を減らして励起エネルギーの光損失を減らすことができる。いくつかの実施形態では、２つ以上のモードが、特徴的なビート長でビートすることを妨げ得る。特徴的なビート長は、マルチモード導波路によって結合されているモードの種類に依存し得る。いくつかの実施形態において、特徴的なビート長は、集積デバイスの隣接する試料ウェル間の距離と実質的に同様であり得る。マルチモード導波路は、任意の適切なモード数（例えば、２つ、３つ、４つ）、モードの種類（例えば、ＴＥ、ＴＭ）、および／またはモードの次数（例えば、一次、三次）をサポートするように構成され得る。いくつかの実施形態において、マルチモード導波路は、励起エネルギーの一次ＴＥモードと三次ＴＥモードとを結合する。
【0150】
図５－１Ａは、複数のモードをサポートするように構成された例示的な導波路構造の平面図を示している。導波路構造は、シングルモード領域５－１１０、マルチモード領域５－１３６、およびモードカプラ５－１２０を含む。シングルモード領域５－１１０は、シングルモードを有する光の伝播をサポートして光をモードカプラ５－１２０に結合するように構成されている。モードカプラ５－１２０は、シングルモードを有する光を受け取り、２つ以上のモードの光をサポートするように構成されているマルチモード領域５－１３６に光を結合するように構成されている。試料ウェル５－１０８ａ，５－１０８ｂ，５－１０８ｃは、それらがマルチモード領域５－１３６と重なるように、導波路構造に平行なｘ－ｙ平面内に存在する。試料ウェル５－１０８ａ，５－１０８ｂ，５－１０８ｃは、導波路構造の光伝播方向（図５－１Ａに示されるようなｘ方向）に沿って寸法ＤＳだけ分離されている。寸法ＤＳは、マルチモード領域５－１３６によってサポートされるマルチモード干渉のほぼ特徴的なビート長であり得る。図５－１Ｂは、マルチモード領域５－１３６に沿ったパワー分布のヒートマップ（カラーヒートマップの白黒変換）であって、図５－１Ｂに示されるもの（上側のプロット）に平行なｘ－ｙ平面内と、図５－１Ｂに示されるもの（下側のプロット）に垂直なｚ－ｘ平面内との両方におけるヒートマップである。試料ウェル５－１０８ａ，５－１０８ｂ，５－１０８ｃの位置は二重平行線で示されており、一次および三次ＴＥモードの組み合わせに対するほぼ特徴的なビート長である寸法Ｄｓによって分離されている。図５－１Ｂに示されるように、パワー分布は、下側のプロットに示されるように試料ウェルに向かう方向において（ｚ方向に沿って）試料ウェルの各々と重なるマルチモード領域５－１３６の領域内で広がり、隣接する試料ウェル間のマルチモード領域５－１３６の領域内でこの方向に沿って減少する。上側のプロットに示されるように、ｘ－ｙ平面では反対の傾向が生じ、このｘ－ｙ平面ではパワー分布は試料ウェルと重なる領域で狭くなり、隣接する試料ウェル間の領域で広くなる。
【0151】
［ＩＶ．製造技術］
本明細書に記載される種類の集積デバイスの形成は、種々の製造技術を使用して行うことができ、そのうちのいくつかは標準的な半導体製造工場内で実施され得る。いくつかの実施形態では、一般的な相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）製造技術を使用することができる。例えば、フォトリソグラフィ、ウェットエッチング、ドライエッチング、平坦化、金属堆積、化学気相成長、原子層堆積、酸化、アニーリング、エピタキシャル成長、イオン注入、拡散、ワイヤボンディング、フリップチップボンディングなどの製造技術のうちの少なくともいくつかを使用することができる。
本明細書に記載される種類の集積デバイスの形成は、種々の製造技術を使用して行うことができ、そのうちのいくつかは標準的な半導体製造工場内で実施され得る。いくつかの実施形態では、一般的な相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）製造技術を使用することができる。例えば、フォトリソグラフィ、ウェットエッチング、ドライエッチング、平坦化、金属堆積、化学気相成長、原子層堆積、酸化、アニーリング、エピタキシャル成長、イオン注入、拡散、ワイヤボンディング、フリップチップボンディングなどの製造技術のうちの少なくともいくつかを使用することができる。
【0152】
集積デバイスの形成は、複数のフォトリソグラフィ処理工程を含み得る。各フォトリソグラフィ処理工程は、フォトマスクを通じた紫外線（ＵＶ）光への露光、フォトレジストにレリーフ像を形成するための現像処理、およびフォトレジストレリーフ像を少なくとも１つの下層に転写するためのエッチング処理を含み得る。フォトマスクは、ポジ型でもネガ型でもよく、所望の構成に応じてパターニングされ得る。例えば、１つまたは複数のフォトリソグラフィ処理工程を使用して、本明細書に記載される種類の導波路を形成することができる。また、１つまたは複数のフォトリソグラフィ処理工程を使用して、本明細書に記載される種類の試料ウェルを形成することができる。
【0153】
導波路４－２００などのリブ導波路の製造は、種々の異なるプロセスを使用して行うことができる。利用される特定のプロセスに関係なく、製造は隆起領域を形成するためのフォトリソグラフィ処理工程を含み得る。したがって、ＵＶ光への露光およびそれに続くレリーフ画像の現像に続いて、スラブの少なくとも一部を保ちつつ隆起領域を形成するために部分エッチング処理が実行され得る。
【0154】
いくつかの実施形態において、集積デバイスの形成は時限エッチング処理を含み得る。時限エッチング処理を使用することで、リブ導波路を形成することができる。エッチング処理の時間は、スラブから所望の量の誘電体材料を除去するように選択され得る。したがって、時限エッチング処理の継続時間に基づいて、所望の比ＴＲＲ／ＴＳを定義することができる。時限エッチング処理に基づくリブ導波路の形成には、フォトリソグラフィ製造工程を利用することができる。図６－１Ａ～図６－１Ｄは、いくつかの非限定的な実施形態による、時限エッチングを使用したリブ導波路の製造方法を示している。図６－１Ａに示される製造工程では、シリコン基板などの基板が準備され得る。基板は、酸化シリコン層などの底部誘電体層６－１０１を含み得る。誘電体層６－１０１は、化学的機械的平坦化（ＣＭＰ）処理を用いて平坦化され得る。基板はさらに、誘電体膜６－１０２を含み得る。いくつかの実施形態において、誘電体膜６－１０２は窒化シリコンを含み得る。いくつかの実施形態において、誘電体膜の厚さは９０ｎｍ～５００ｎｍの間であり得る。
【0155】
図６－１Ｂに示される製造工程では、フォトレジスト層６－１０３が誘電体膜上に堆積され得る。フォトリソグラフィ処理工程を使用してフォトレジストの層をパターニングすることで所望の形状を形成することができる。フォトレジストは、ポジ型でもネガ型でもよい。
【0156】
図６－１Ｃに示される製造工程では、時限エッチング処理を行うことで、隆起領域６－１０４を形成することができる。このような処理により、フォトレジストによって覆われていない誘電体膜の表面の領域をエッチングすることができる。エッチング処理の継続時間は、スラブの厚さと隆起領域の厚さとの間に所望の比が得られるように選択され得る。例えば、持続時間は、５％～９５％の間で誘電体膜の一部分をエッチングするように選択され得る。エッチング処理はドライ式でもウェット式でもよい。隆起領域の形成後、フォトレジスト層が剥離され得る。
【0157】
図６－１Ｄに示される製造工程では、時限エッチング処理によって得られた隆起領域６－１０４上に、上部誘電体層６－１０５が成長または堆積され得る。上部誘電体層は酸化シリコンを含み得る。上部誘電体層はＣＭＰプロセスを使用して平坦化され得る。図６－１Ｄに示される導波路は、図４－２Ａの導波路４－２００として機能し得る。
【0158】
いくつかの実施形態は、本明細書に記載される種類のリブ導波路を製造するための別の技術に関する。図６－１Ａ～図６－１Ｄに示された製造プロセスとは異なり、このような技術は、隆起領域の厚さを画定するためにエッチストップ層を利用し得る。時限エッチング処理と比較して、エッチストップの使用は厚さのより正確な制御を可能にし得るとともに、光モードプロファイルのより正確な制御をもたらし得る。欠点として、このような技術は、導波路が隆起領域とスラブとの間にエッチストップ材料の層を有することをもたらし得る。このようなエッチストップ材料は、誘電体膜の吸収係数よりも大きい吸収係数を有することがあり、その結果、光モードに光損失を生じさせることがある。このような製造技術も、隆起領域を形成するためにフォトリソグラフィ製造工程を利用し得る。
【0159】
図６－２Ａ～図６－２Ｄは、いくつかの非限定的な実施形態による、リブ導波路の製造方法を示している。図６－２Ａに示される製造工程では、シリコン基板などの基板が準備され得る。基板は、酸化シリコン層などの下部誘電体層６－１０１を含み得る。誘電体層６－２０１は、化学的機械的平坦化（ＣＭＰ）処理を用いて平坦化することができる。基板は、いくつかの実施形態では窒化シリコンを含み得る第１の誘電体膜６－２０２をさらに含み得る。基板は、第１の誘電体膜上に配置されたエッチストップ層６－２０３をさらに含み得る。基板は、エッチストップ層上に配置された第２の誘電体膜６－２０４をさらに含み得る。第２の誘電体膜は、第１の誘電体膜と同じ材料から形成されてもよいし、あるいは異なる材料から形成されてもよい。第１および第２の誘電体膜の厚さは、所望の比ＴＲＲ／ＴＳをもたらすように設定され得る。いくつかの実施形態において、第１の誘電体膜の厚さは１００ｎｍ～３００ｎｍの間である。いくつかの実施形態において、第２の誘電体膜の厚さは１００ｎｍ～２５０ｎｍの間である。
【0160】
図６－２Ｂに示される製造工程では、第２の誘電体膜上にフォトレジスト層６－２０５が堆積され得る。フォトリソグラフィ処理工程を使用してフォトレジストの層をパターニングすることで所望の形状を形成することができる。フォトレジストは、ポジ型でもネガ型でもよい。
【0161】
図６－２Ｃに示される製造工程では、エッチング処理を行うことで隆起領域６－２０６を形成することができる。このような処理により、フォトレジストによって覆われていない誘電体膜の表面の領域をエッチングすることができる。エッチング処理は、エッチストップ層の少なくとも一部が露出されるまで継続され得る。エッチング処理はドライ式でもウェット式でもよい。隆起領域の形成後、フォトレジスト層が剥離され得る。
【0162】
図６－２Ｄに示される製造工程では、上部誘電体層６－１０５が隆起領域６－１０４上に成長または堆積され得る。上部誘電体層は酸化シリコンを含み得る。上部誘電体層はＣＭＰ処理を使用して平坦化され得る。図６－２Ｄに示される導波路は、図４－２Ａの導波路４－２００として機能し得る。
【0163】
いくつかの実施形態は、本明細書に記載される種類のリブ導波路を製造するための別の技術に関する。このような製造技術は終点層を利用し得る。このような技術によれば、エッチング処理の時間全体を通じて基板の表面に向けて光を照射することができる。エッチング処理の間、反射光が検出され得る。終点層が少なくとも部分的に覆われていない場合、反射光が、偏光パターンおよび／または干渉パターンなどの認識可能パターン、および／または所定の閾値を上回るまたは下回る光強度を示し得る。認識可能パターンが検知されると、エッチング処理が停止され得る。このようにして、エッチング領域の厚さを細かく制御することができる。図６－２Ａ～図６－２Ｄに示される製造技術と同様に、このような技術は、フォトリソグラフィ処理工程を利用してリブ導波路の隆起領域を形成することができる。別の種類の終点層によれば、エッチング中にエッチングプラズマの発光スペクトルが監視され得る。この発光スペクトルは、プラズマの組成を表す強度ピークを表し、ひいてはエッチングされている材料を表す。このようにして、終点材料層が最初にプラズマに曝されるとき、または終点材料層がエッチング除去されたときを決定することが可能となり得る。
【0164】
図６－３Ａ～図６－３Ｄは、いくつかの非限定的な実施形態による、リブ導波路の製造方法を示している。図６－３Ａに示される製造工程では、シリコン基板などの基板が準備され得る。基板は、酸化シリコン層などの下部誘電体層６－３０１を含み得る。誘電体層６－３０１は、化学的機械的平坦化（ＣＭＰ）処理を用いて平坦化することができる。基板は、いくつかの実施形態では窒化シリコンを含み得る第１の誘電体膜６－３０２をさらに含み得る。基板は、第１の誘電体膜上に配置されたエッチストップ層６－３０３をさらに含み得る。終点層は、特定の光特性を示し得る。例えば、終点層は、誘電体膜の反射率よりも大きな反射率を示し得る。あるいは、終点層は、特徴的な発光スペクトルを示し得る。基板は、終点層上に配置された第２の誘電体膜６－３０４をさらに含み得る。第２の誘電体膜は、第１の誘電体膜と同じ材料から形成されてもよいし、あるいは異なる材料から形成されてもよい。第１および第２の誘電体膜の厚さは、所望の比ＴＲＲ／ＴＳをもたらすように設定され得る。いくつかの実施形態において、第１の誘電体膜の厚さは１００ｎｍ～３００ｎｍの間である。いくつかの実施形態において、第２の誘電体膜の厚さは８０ｎｍ～２００ｎｍの間である。
【0165】
図６－３Ｂに示される製造工程では、第２の誘電体膜上にフォトレジスト層６－３０５が堆積され得る。フォトリソグラフィ処理工程を使用してフォトレジストの層をパターニングすることで所望の形状を形成することができる。フォトレジストは、ポジ型でもネガ型でもよい。
【0166】
図６－３Ｃに示される製造工程では、エッチング処理を行うことで隆起領域６－３０６を形成して、基板の表面上に光を照射することができる。このような処理により、フォトレジストによって覆われていない誘電体膜の表面の領域をエッチングすることができる。エッチング処理は、終点層の少なくとも一部が露出されるまで継続され得る。終点層が露出されると、終点層６－３０３によって反射された光の受光によって、エッチングプロセスを停止するように構成された回路がトリガされ得る。隆起領域の形成後、フォトレジスト層が剥離され得る。
【0167】
図６－３Ｄに示される製造工程では、上部誘電体層６－３０７が隆起領域６－３０６上に成長または堆積され得る。上部誘電体層は酸化シリコンを含み得る。上部誘電体層はＣＭＰ処理を使用して平坦化され得る。図６－３Ｄに示される導波路は、図４－２Ａの導波路４－２００として機能し得る。
【0168】
本出願のいくつかの実施形態は、図４－２Ｂの導波路４－２５０などのようなリッジ導波路を形成するための技術に関する。リッジ導波路の製造は、リブ導波路を形成するために利用される製造工程のいくつかを含み得る。このような製造は、図６－１Ａ～図６－１Ｄに関連して説明した技術か、図６－２Ａ～図６－２Ｄに関連して説明した技術か、または図６－３Ａ～図６－３Ｄに関連して説明した技術を利用することができる。また、所望のスラブの外側の領域内の誘電体膜を完全にエッチングしてリッジ導波路を形成するために、さらなるエッチング処理を利用することができる。
【0169】
図６－４Ａ～図６－４Ｄは、いくつかの非限定的な実施形態による、リブ導波路の製造方法を示している。図６－４Ａに示される製造工程では、リブ導波路が設けられ得る。リブ導波路は、上述の製造技術のうちの任意の１つを用いて得ることができる。リブ導波路は、誘電体層６－４０１とスラブ６－４０２と隆起領域６－４０３とを含み得る。
【0170】
図６－４Ｂに示される製造工程では、誘電体膜上にフォトレジスト層６－４０４が配置され得る。フォトリソグラフィ処理工程を使用してフォトレジストの層をパターニングすることで所望の形状を形成することができる。フォトレジストは、ポジ型でもネガ型でもよい。
【0171】
図６－４Ｃに示される製造工程では、エッチング処理を行うことでエッチングスラブ６－４０５を形成することができる。エッチング処理は、誘電体層６－４０１の少なくとも一部が露出されるまで継続され得る。
【0172】
図６－４Ｄに示される製造工程では、上部誘電体層６－４０６が隆起領域６－４０３上に成長または堆積され得る。上部誘電体層は酸化シリコンを含み得る。上部誘電体層はＣＭＰ処理を使用して平坦化され得る。図６－４Ｄに示される導波路は、図４－２Ｂの導波路４－２５０として機能し得る。
【0173】
［Ｖ．結論］
以上、本出願の技術のいくつかの実施形態および態様を説明したが、種々の変更、修正、および改善が当業者には容易に想到されることが理解され得る。このような変更、修正、及び改善は、本出願に記載される技術の思想および範囲内にあることが意図されている。それゆえ、上記の実施形態は例としてのみ提示されていること、ならびに、請求項およびその均等物の範囲内で、発明の実施形態は、具体的に説明および特許請求されているのとは他の様態で実践されてもよいことが理解されるべきである。また、本明細書に記載される２つ以上の特徴、システム、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせが、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾しない限り本開示の発明の範囲内に含まれる。
以上、本出願の技術のいくつかの実施形態および態様を説明したが、種々の変更、修正、および改善が当業者には容易に想到されることが理解され得る。このような変更、修正、及び改善は、本出願に記載される技術の思想および範囲内にあることが意図されている。それゆえ、上記の実施形態は例としてのみ提示されていること、ならびに、請求項およびその均等物の範囲内で、発明の実施形態は、具体的に説明および特許請求されているのとは他の様態で実践されてもよいことが理解されるべきである。また、本明細書に記載される２つ以上の特徴、システム、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせが、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾しない限り本開示の発明の範囲内に含まれる。
【0174】
また、上記したように、いくつかの態様は１つまたは複数の方法として具現化することができる。方法の一部として実施される動作は、任意の適切な方法で順序付けられ得る。したがって、動作が示されているものとは異なる順序で実施され、たとえ例示的な実施形態においては順次の動作として示されていたとしても、いくつかの動作を同時に実施することを含んでもよい実施形態が構築されてもよい。
【0175】
定義および使用されているものとしてのすべての定義は、辞書の定義、参照によって組み込まれている文書における定義、および／または、定義されている用語の通常の意味に優先するものとして理解されるべきである。
【0176】
本明細書および特許請求の範囲において使用されている「１つ」は、明確に異なる旨が指示されていない限り、「少なくとも１つ」を意味するように理解されるべきである。
本明細書および特許請求の範囲において使用されている「および／または」という語句は、そのように結合されている要素、すなわち、いくつかの事例では結合して存在し、他の事例では分離して存在する要素の「いずれかまたは両方」を意味するものとして理解されるべきである。
本明細書および特許請求の範囲において使用されている「および／または」という語句は、そのように結合されている要素、すなわち、いくつかの事例では結合して存在し、他の事例では分離して存在する要素の「いずれかまたは両方」を意味するものとして理解されるべきである。
【0177】
本明細書および特許請求の範囲において使用されるものとして、１つまたは複数の要素のリストを参照する「少なくとも１つ」という語句は、要素のリスト内の要素のうちのいずれか１つまたは複数から選択される少なくとも１つの要素を意味するものとして理解されるべきであるが、必ずしも、要素のリスト内に具体的にリストされているあらゆる要素のうちの少なくとも１つを含むとは限らず、要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを排除するものではない。また、この定義は、「少なくとも１つ」という語句が参照する要素のリスト内で具体的に識別されている要素以外の要素が、具体的に識別されているそれらの要素に関連するか、関連しないかにかかわらず、任意選択的に存在し得ることも可能にする。
【0178】
特許請求の範囲において、および本明細書において、「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「含有する」、「包含する」、「保持する」、「から構成される」などのようなすべての移行句は、オープンエンド句、すなわち、含むがそれに限定されないことを意味するものとして理解されるべきである。「からなる」および「から本質的になる」という移行句のみが、それぞれ限定的なまたは半限定的な移行句であり得る。
【図1-1】
【図1-2A】
【図1-2B】
【図1-2C】
【図1-3】
【図1-4】
【図1-5】
【図1-6】
【図1-7】
【図1-8】
【図1-9】
【図1-10A】
【図1-10B】
【図1-11A】
【図1-11B】
【図1-11C】
【図1-11D】
【図2-0】
【図2-1A】
【図2-1B】
【図2-1C】
【図2-1D】
【図2-2A】
【図2-2B】
【図3-1】
【図3-2】
【図4-1】
【図4-2A-4-2C】
【図4-3A-4-3C】
【図4-4A-4-4C】
【図4-5】
【図4-6】
【図4-7】
【図4-8】
【図5-1A】
【図5-1B】
【図6-1A-6-1D】
【図6-2A-6-2D】
【図6-3A-6-3D】
【図6-4A-6-4D】
