[发明专利]用于光耦合的集成靶点波导器件和系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年6月12日提交的美国临时申请No.62/175,139的优先权，其公开内容通过引用其全部合并于此。

背景技术

随着多路复用光学分析系统持续小型化、大规模和大功率，开发能够向这种系统传送光能的改进系统的需求变得更加重要。例如，在美国专利申请公开No.2008/0128627和No.2012/0085894号中描述了包括用于照射纳米级样品的集成波导的高度多路复用分析系统。在美国专利申请公开No.2012/0014837、No.2012/0021525和No.2012/0019828中描述了用于分析纳米级样品(包括照射和检测这些样品)的其他光学系统。在美国专利申请公开No.2014/0199016和No.2014/0287964中描述了用于高度多路复用分析的额外的纳米级照明系统。

在传统的光学系统中，通常采用光具组来引导、聚焦、滤光、分束、分离和检测到达样品材料的光以及来自样品材料的光。这样的系统通常采用各种不同的光学元件来引导、改变和以其他方式操纵进入反应区域的光和离开反应区域的光。这样的系统通常是复杂且昂贵的，并且往往具有显著的空间要求。例如，典型的系统采用反射镜和棱镜将来自光源的光引导到期望的目的地。此外，这样的系统可以包括诸如分束棱镜的分光光学器件，以从单个原始光束产生两个或更多个光束。

已经描述了对传统光学系统的替代方案，特别是具有在高度受限环境中设计和制造的具有集成光学部件的替代系统。例如，已经开发了用于电信应用的包括光纤接口、波长滤波器或组合器、相位延迟光学干涉仪、光学隔离器、偏振控制和/或抽头的平面光波电路(PLC)。在某些情况下，这些设备还包括一个或多个激光源和一个或多个光检测器。有时也被称为光纤间隔集中器(FSC)的设备使用集成光波导来发送光子通过光路，这与发送电子通过电路的方式大致相同。该设备使用标准的半导体制造技术来制造，并且因此该设备可以在制造过程中将诸如光学滤波器和光纤尾纤连接器的无源元件与诸如光学开关和衰减器的有源元件集成起来。如在电信设备中使用的，例如，为了复用/解复用、光分支和/或光交换的目的，该设备通常用于耦合和/或分离来自光纤芯的光信号。因此，这些设备提供了更传统的光具组的功能，同时便宜得多、更紧凑和更鲁棒。

在刚刚描述的光学系统中，光源及其靶点器件在系统内通常紧密且永久地彼此相关联。例如，在电信应用中使用的PLC通常在制造过程中机械地对准并结合到其激光源及其相关的光电检测器。因此，光源及其靶点器件之间的这种紧密和不可逆的关联不适用于具有可移除样品保持器的分析系统，在这种分析系统中来自诸如传统光具组的光源的光输出通常通过自由空间而耦合到靶点样保持器。在通过自由空间光耦合的系统中，每次更换靶点器件时，来自光源的光信号需要与靶点器件对准，由于与光学系统相关的机械因素、热因素和其他干扰因素，甚至在分析过程中需要监测和维持这种对准。另外，不将通常用于电信应用的集成光路设计成携带用来分析在上述高度多路复用分析系统中存在的大量纳米级样品所必需的光能强度，也不将所述集成光路设计为与以下光源一起使用：所述光源具有适用于具有标准生物试剂的光学系统的波长。

光学分析系统设计中的另一个考虑是将来自光源的光耦合到靶点器件中的方法。例如，在靶点器件包括用于发送光能通过该器件的集成光波导的情况下，将光能发射到波导中可能是不可靠和低效的。已经描述了各种光耦合器来实现该目的，包括使用直接“端面激励(endfire)”耦合到波导的抛光端，使用棱镜耦合器将光引导到波导中，以及使用光栅耦合器来将光引导入波导。然而，取决于实施方式，每种方法在效率、可靠性、适用性、成本等方面都存在限制。

因此，持续需要改进集成光波导器件的性能和特性，特别是那些可逆地耦合到外部光源的器件。还需要改进包含这种集成波导器件的光学分析系统的性能和特性。

发明内容

在一个方面，本发明通过提供一种集成靶点波导器件来解决这些和其他需要，该集成靶点波导器件包括光耦合器和与该光耦合器光耦合的集成波导。在该器件中，光耦合器是低数值孔径耦合器，并且尺寸至少为100μm²。

另一方面，本发明提供一种集成靶点波导器件，该集成靶点波导器件包括波导器件、与该波导器件光耦合的集成波导以及至少一个对准特征。在该器件中，光耦合器也是低数值孔径耦合器，并且尺寸也至少为100μm²。