[发明专利]耦合到微制造生物分子传感器的扫频半导体激光器及与其相关的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年2月19日提交的题为“Swept Frequency Semiconductor Laser Coupled to High-Q Optical Resonators for High Sensitivity Biomolecule Detection”的第61/306,379号美国临时申请的优先权，该临时申请通过引用被全部并入本文。本申请可涉及2009年8月13日提交的题为“Arbitrary Optical Waveform Generation Utilizing Optical Phase-Locked Loops”的第12/540,643号美国专利申请，其通过引用被全部并入本文。本申请也可涉及题为“Biological and Chemical Microcavity Resonant Sensors and Methods of Detecting Molecules”的第7,781,217号美国专利和题为“Ultra-high Q Micro-resonator and Method of Fabrication”的第7,545,843号美国专利，这些专利的公开也通过引用被全部并入本文。

政府拨款的声明

本文所述的发明在由DARPA授予的批准号HR0011-10-C0064下依靠美国政府的支持完成。美国政府在该发明中有某些权利。

领域

本公开涉及分子传感器。特别是，本公开涉及耦合到微制造光学生物分子传感器的扫频半导体激光器及与其相关的方法。

背景

使用高品质因数（Q）光学谐振器的无标记生物分子传感具有实现有用的灵敏度水平的潜力并且可使可以可靠且有效的医疗诊断工具成为可能。

作为医疗诊断的构成整体所必需的部分的传统生物分子化验往往是劳动密集和费时的实验室程序。各种现代技术和方法例如一体化、自动化、靶向和小型化可以用来产生更好的生物分子化验。具体来说，可以消除对标记目标生物分子的需要的生物分子化验可以减少工艺步骤的数量并简化生物分子化验。不是标记目标生物分子或简称的生物分子，可以通过用目标生物分子结合到的非常具体的分子识别剂（抗体、适体等）固定的表面来执行探测。

已经发展了一些生物分子化验，这些化验基于不涉及标记的这样的探测方法。一个例子是可以探测到低至10fg(10^-14g)的目标生物分子材料的表面等离子体谐振（SPR）（例如使用诸如市售的Biacore系统之一的仪器的SPR探测）。对于SPR已报告了金纳米粒子标记的DNA链的单结合事件的测量（见参考文献[1]，其通过引用被全部并入本文）。

已实现高灵敏度而没有做标记的生物分子化验的另一例子是通过谐振频移的测量进行分子探测，谐振频移伴随光学谐振器的渐逝场内的分子结合。这是本文描述的对耦合到光电扫频半导体激光器的微制造光学生物分子传感器的探测方法的基础。在通过引用被全部并入本文的参考文献[2，3]中所示的微球体光学谐振和在通过引用被全部并入本文的参考文献[4，5]中所示的微环光学谐振器已经展示了传感器级灵敏度。事实上，对于微环光学谐振器传感器已报告了单病毒结合事件（见参考文献[4]）。

概述

根据第一方面，提供了一种光电扫频激光器系统，所述系统包括：半导体激光器，其中所述半导体激光器适于发射相干光信号，并且所述相干光信号的频率在操作中通过到所述半导体激光器的注入电流输入是可调的；以及光电反馈环路，其耦合所述半导体激光器，用于在操作中基于所述相干光信号的所述频率提供所述注入电流输入，其中，所述光电反馈回路包括光学部分和电气部分，并且其中，所述光学部分包括信号分配器、干涉仪和光电探测器，以及所述电气部分包括参考振荡器、电子混频器、积分电路和求和电路。

根据第二方面，提供了一种用于生成扫频光信号的方法，所述方法包括：使用半导体激光器生成相干光信号；将所述相干光信号分成部分反馈光信号和发射的光信号；接收所述反馈光信号；提供光拍频信号；将所述光拍频信号转换成电子拍频信号；提供电子参考信号；将所述电子参考信号与所述电子拍频输出信号组合以形成基带误差信号；对所述基带误差信号求积分以形成积分误差信号；以及将所述积分误差信号与预失真信号组合以形成所述半导体激光器的注入电流输入，从而生成扫频光信号。