[发明专利]用于自由空间光耦合的集成装置及系统

说明书

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

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年3月16日提交的美国临时申请No.62/133,965以及2015年6月12日提交的美国临时申请No.62/175,139的优先权，这些申请的完整公开内容通过引用并入本文。

背景技术

随着多路复用光学分析系统在尺寸上继续小型化、在范围上继续扩大并且在功率上继续增大，对开发能够将光能量传输至这种系统的改进系统的需要变得更加重要。例如，美国专利申请公开No.2008/0128627和2012/0085894中描述了一种高度多路复用分析系统，该分析系统包括用于照射纳米级样品的集成波导。美国专利申请公开No.2012/0014837、2012/0021525和2012/0019828中描述了另一种光学系统，该光学系统用于分析纳米级样品，包括照射和检测这种样品。美国专利申请公开No.2014/0199016和2014/0287964中描述了另一种用于进行高度多路复用分析的纳米级照射系统。

在常规光学系统中，通常使用光学组件(optical train)来对到达样品材料和来自样品材料的光进行引导、聚焦、过滤、分束、分离和检测。这种系统通常使用各种不同光学元件来引导、修改并以其它方式控制进入和离开反应部位的光。这种系统通常是复杂且昂贵的，并趋于具有显著的空间需求。例如，典型系统使用反射镜和棱镜来将光从光源引导至期望目的地。此外，这种系统可以包括例如光分束棱镜等光分束光学装置来从单束初始光束中产生两束以上的光束。

已描述了对常规光学系统的替代，特别描述了具有在极其受限的环境中设计并制作的集成光学部件的替代系统。例如，已开发了在远程通信应用中使用的包括光纤接口、波长过滤器或组合器、相位延迟光学干涉仪、光隔离器、偏振控制器和/或分光器的平面光波导线路(PLC)。在一些情况中，这些装置还包括一个或多个激光源以及一个或多个光探测器。这些装置使用集成光波导来以与电子行进通过电路大致相同的方式使光子行进通过光路。这些装置使用标准的半导体制作技术来制作，并且在制作过程期间这些装置可以因此集成有例如光学过滤器和光纤尾纤连接器等无源部件以及例如光开关和衰减器等有源元件。如在远程通信设备中所使用的那样，这些装置通常用于使来自光纤芯部中的光信号耦合和/或分束，以便例如进行多路复用/多路分用、光分路和/或光切换。因此，这些装置提供了更常规的光学组件的功能，且同时是显著便宜、更紧凑且更耐用的。

在远程通信应用中使用的PLC在制造过程期间通常被机械地对准并结合至它们的激光光源以及它们的相关光电探测器。因此，这些装置并不适合用于与具有可拆卸样品保持部的分析系统连接，其中，从例如常规光学组件等光传输装置输出的光通常经由自由空间耦合至目标样品保持部。因此，每当更换目标装置时来自输出传输装置的光信号需要与目标装置对准，并且在分析过程期间甚至可能因分析期间的与集成系统相关的机械、热和其他干扰因素而需要监测并保持该对准。另外，在远程通信应用中使用的PLC不设计为传输用于分析上述高度多路复用分析系统中存在的大量纳米级样品所需的光能量的强度，而且PLC也不设计为与如下光源一起使用，该光源具有适合于在具有标准生物反应物的分析系统中使用的波长。

因此，需要提高光传输装置及系统的性能和特性，以便在这些应用中使用。

发明内容

本公开内容的一个方面通过提供光传输装置来解决这些和其他需要，该光传输装置包括：

光输入端；

光输出端；