CN102782964B - 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 - Google Patents

Abstract

描述了一种光电扫频半导体激光器及与其相关的方法，光电扫频半导体激光器耦合到具有集成的谐振器和波导的微制造光学生物分子传感器。具有用集成波导操作微制造的光学谐振器的生物分子传感器可以在微流控流动单元中。

Description

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

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 FrequencySemiconductor Laser Coupled to High-Q Optical Resonators for HighSensitivity 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 OpticalPhase-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 MicrocavityResonant 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***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***，所述***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。

根据第三方面，提供了一种用于探测和测量生物分子的方法，所述方法包括：提供扫频光信号；将所述扫频光信号耦合到谐振器，从而产生谐振；将目标分子输送到所述谐振器；通过将所述目标分子结合到所述谐振器的功能化表面来改变所述谐振器的谐振行为；测量扫频光输出信号，从而探测所述谐振行为中的变化；以及识别所述谐振行为中的所述变化，从而探测和测量生物分子。

本发明的说明书、附图和权利要求中示出了另外的方面。

附图简述

被合并到本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出本公开的一个或多个实施方式，并与示例性实施方式的描述一起用来解释本公开的原理和实现。

图1示出具有光电扫频半导体激光器***和在微流控单元中的光学谐振器的示范性生物分子传感器***。

图2示出示范性回音廊模式谐振器几何结构。具体来说，图2示出圆柱形、球形、圆盘形和环形几何结构。

图3示出光电扫频激光器***的光电反馈环路的示范性原理图。

图4示出使用1539nm光电扫频激光器***的具有品质因数Q=4x10⁷的微型环芯光学谐振器的回音廊模式的测量。

图5A示出在1539nm的波长操作的微型环芯光学谐振器的回音廊模式的波长偏移的测量，该波长偏移是由于在10pM溶液中的蛋白质牛血清白蛋白（BSA）的吸收。

图5B示出在1539nm的波长操作的微型环芯光学谐振器的回音廊模式的波长偏移的测量，该波长偏移是由于在谐振器的表面暴露于在pH值1.5处的10mM甘氨酸缓冲液时BSA从谐振器表面的脱附。

图6A示出在谐振器表面的点击化学标记的第一交联剂附着之后在1539nm的波长操作的微型环芯光学谐振器的回音廊模式的品质因素降低。

图6B示出在谐振器表面的点击化学标记的第二交联剂附着之后在1539nm的波长操作的微型环芯光学谐振器的回音廊模式的品质因素降低。

图7示出光学啁啾的斜率相对于时间的曲线图，其中线性光学啁啾由示范性光电扫频激光器***生成。

图8示出对100aM BSA到示范性裸硅微型环芯光学谐振器上的非特异性吸附的随时间过去的谐振波长偏移（连续的）和Q中的变化（连接的点）。

图9A和9B示出具有用于将光耦合进光学谐振器的平面微制造集成波导的示范性高Q微制造光学谐振器的电子显微照片和特写电子显微照片。

图10示出在本公开的另一实施方式中用于生物分子传感器的具有在微流控单元中的集成波导的光学谐振器的制造的方法的流程图。

图11A示出示范性布拉格谐振器的图，以及图11B示出示范性微制造布拉格谐振器的电子显微照片。

详细描述

本公开的实施方式目的在于包括光电扫频激光器（OESFL）与具有集成谐振器和波导的高Q微制造生物分子传感器的生物分子传感器***，其中生物分子传感器***被包含在微流控单元中并且谐振器表面被功能化以吸引目标生物分子。

生物分子的探测已使用基于高Q光学谐振器的传感器例如微型环芯回音廊模式谐振器被论证，传感器被显示能够在被稀释至100aM（每升10^-16摩尔）时进行溶液中的测量（如在通过引用被全部并入本文的参考文献[6]中所见的）。尤其是在参考文献[6]中所示的灵敏度水平处的生物分子探测可以使以目前的分析方法不能探测的低浓度生物标志物的探测成为可能。

具体来说，基于高Q光学谐振器的传感器可以导致能够增加或代替当前的诊断测试例如对***癌的***特异性抗体（PSA）测试的技术。对于***癌探测的特定例子，***癌的若干供替换的标志物存在，这些供替换的标志物浓度比PSA低但对***癌更敏感和更具特异性。如果探测器可以为这些标志物建立，则这些标志物可以用在用于***癌探测的可选的诊断工具中，如在通过引用被全部并入本文的参考文献[7]中详细讨论的。特别是，***癌的生物分子传感器可以探测人类激肽释放酶（hK2）标志物，其通过***癌与囊外扩展和精囊侵袭强烈相关，但只以1％的PSA浓度存在。

利用基于光学谐振器的生物分子传感器的医疗诊断的另一例子是呼出的气息中的蒸汽和粒子的分析，从实验室研究到临床实践，作为对疾病例如哮喘、囊肿性纤维化和肺癌确定呼吸道的状态的非侵入性诊断。具体来说，生物标志物如8-异前列烷（炎症的标志物）和广范围的细胞因子已在呼出的气息中被探测，但在浓度上如此之低使得大量的呼出气息冷凝物中必须在很长一段时间内被采集以实现探测。在一些实施方式中，基于光学谐振器的生物分子传感器从当前现有的方法中可用于这样的目的并可减少样本采集时间，这些方法通常涉及约10至20分钟的采集时间。样本采集时间的减少也可以使用与长采集时间相关联的冷凝水蒸汽消除可变稀释。

基于高Q光学谐振器的生物分子传感器一般利用机械调谐的扫频激光器。机械调谐的扫频激光器一般包括对激光频率扫描施加一些速度、精度和可靠性限制的机械调谐元件。许多当前的基于高Q光学谐振器的生物分子传感器中的微型环芯谐振器通过首先在光刻产生的硅胶圆盘上利用激光加热以熔化它的周边使得它回流以形成伴随有尺寸变化的微型环芯而被制造。此外，许多当前的基于高Q光学谐振器的生物分子传感器中的波导一般由锥形光纤制成，锥形光纤通常被机械地定位以实现激光源到光学谐振器的渐逝耦合（即，将波导带至距谐振器表面几百纳米内）。

申请人在本文公开了包括光电扫频激光器（OESFL）和高Q微制造集成光学谐振器和光波导的生物分子传感器。光学谐振器和波导可以被包含在微流控单元中。

为清楚的目的，术语“OESFL”在本文被定义为基于与光电反馈环路组合的半导体激光源的光电扫频激光器***，如在此公开中所描述的。术语“OESFL”可与“OESFL***”和“OESFL源”可互换地使用。术语“光学电子”与“光电”可互换地使用并且被定义为涉及光学和电子特性的设备或方法。

为清楚的目的，在本文被定义为以指定的调整速率在指定的频率范围内连续调整频率的术语“扫频”与术语“扫描频率”、“频率啁啾”、“被啁啾的频率”、“啁啾”或“被啁啾”可互换地使用。

为清楚的目的，术语“品质因数”或“Q”在本文被定义为与光在通过诸如吸收和散射的机制被失去之前在光学谐振器的腔内停留多长时间有关的光学谐振器的特征化。高品质因数暗示光的有效抑制，以及术语“高Q”是指具有大于10⁴的品质因数的谐振器。为了排除单分子事件的并发症，具有大于10⁸的品质因数的谐振器对于特定应用可能需要分开的处理。本公开集中于具有10⁴-10⁷的品质因数的谐振器，以使与在单分子探测限制处的Poisson统计相关联的不确定性最小化，同时还对给定应用实现所需灵敏度。使用特殊考虑，更高的品质因素是可能的。

为清楚的目的，术语“光学谐振器”是指使用集成波导来微制造的光学谐振器。即使本公开的一些实施方式描述了在回音廊模式中操作的微型环芯光学谐振器，本公开的生物分子传感器也可包括在回音廊模式或其他模式如导引模式中操作的光学谐振器。此外，光学谐振器可以具有不同于微型环芯的几何结构，例如它可以具有环形、圆盘形、球形或圆柱形几何结构。

为清楚的目的，术语“生物分子”可以与“生物学分子”可互换地使用，并被定义为任何生物相关的分子如蛋白质、碳水化合物、抗体、DNA、脂类、脂肪酸及其衍生物。生物分子可是天然出现的或天然出现的分子的合成地得到的类似物。

现参考图1，本文所示的是生物分子传感器（100），其包括光电扫频激光器（OESFL）***（120）、高Q微制造光学谐振器（130）和集成波导（135）。光学谐振器（130）和集成波导（135）被容纳在微流控流动***（140）中。光学谐振器（130）具有被功能化以结合到特定目标生物分子的表面，使得生物分子的结合导致谐振行为中的可测变化。OESFL***（120）通过到传感器光电探测器（160）的一个或多个外部波导（150）被耦合到集成的光学谐振器和波导（130），传感器光电探测器（160）将光信号转换成发送到信号处理单元（170）的电流信号。

传感器光电探测器（160）可以是测量离开外部波导（150）的光的强度的任何探测器。所探测的光电流被采样和被数字化并被馈送到信号处理单元（170）中。这可以包括计算机，或者能够确定谐振频率的偏移量的任何处理单元，偏移量一般通过将理论线形状拟合到被测数据来计算。所有分析可以在数据采集期间（即现场）或数据采集之后完成。信号处理单元的一个实施方式包括读入信号的示波器和测量并实时地绘制谐振偏移的计算机。

1.光学谐振器设计

光学腔传感器设备可以以其品质因数Q为特征，Q与光在通过诸如吸收和散射的机制被失去之前在腔内停留多长时间有关。高品质因数暗示光的有效抑制，一些谐振器几何结构展现出高达10¹⁰的Q值（如在通过引用被全部并入本文的参考文献[12]中所示的）。

光学腔探测化验可以用来感测高Q光学谐振器周围的环境中的变化（例如环境温度、压力、周围的流体含量等）。在回音廊模式的谐振器中，光围绕谐振器的***环行，在硅石-流体界面处经历全内反射并完成多达10⁵次旋转。渐逝场作为渐逝波渗透到硅石谐振器周围的流体中。结合到传感器表面的生物分子改变该模式的有效折射率。有效折射率中的变化导致腔的谐振频率的偏移。

先前的研究（在通过引用被全部并入本文的参考文献[11]中所示的）能够示出在水和牛血清中白单元介素-2到固定在传感器上的表面结合单克隆抗体的单分子结合事件。

探测化验本身通过监测谐振器的光学腔内谐振频率中的偏移来执行。如图1所示，来自光电扫频激光器（OESFL）***（120）的光通过集成波导（135）耦合进光学谐振器（130），并且谐振频率通过在整个频率空间的扫描期间监测穿过集成波导（135）和一个或多个外部波导（150）的透射来确定。图4示出使用1539nm光电扫频激光源的具有品质因数Q=4x10⁷的微型环芯光学谐振器的回音廊模式的测量。谐振频率被识别为透射谱中的最小值，并且这种测量的精度以更高的品质因数（更低的谐振线宽）来提高。

各种高Q谐振器几何结构已被演示，包括圆柱形、球形、圆盘形和环形，如图2所示。一些其他可能的谐振器几何结构包括扁球体、环状和其他。

这些谐振器在用于传感应用时一般是在微米尺度上，直径在50-150μm的范围中。这个尺寸范围减少了与小直径相关联的辐射损失，并提高了到传感器的分析物（又称为目标生物分子）传输速率，同时确保在波长空间中易于寻找的稀疏模式。

微圆盘、微环和微型环芯可以通过标准CMOS微制造技术实现，而微球、微柱体和微型环芯的实现通常涉及降低谐振器的表面粗糙度的制造步骤。降低表面粗糙度的这个步骤减少了表面散射，从而提高了品质因数，并且通过抛光或熔化来完成。然而，在此过程期间发生的谐振器尺寸的变化通常涉及光学部件的精确定位以将光耦合进光学元件的谐振模式。

回来参考图1，申请人在本文公开了使用已被接受的CMOS半导体平面微制造技术来微制造高Q光学谐振器（130）、集成波导（135）和微流控单元的部分的一种方法，该微制造技术例如是电子束显微光刻图案化，之后是第一反应离子蚀刻，以从适于应用的选定的基底材料定义第一组特征如光学谐振器（130）、集成波导（135）以及微流控单元（140）的壁和底面。选定的基底材料可以是双层材料如绝缘体上硅或硅石上氮化硅。第二种材料的沉积可以在第一反应离子蚀刻后执行，之后是第二显微光刻图案化和第二蚀刻以在第二种材料中生成第二组特征。例如，硅石可以被沉积、通过光学显微光刻图案化并通过反应离子蚀刻来蚀刻，以形成用于集成波导（135）的光斑尺寸转换器以及用于微流控单元（140）的壁和底面的衬垫层。

具有集成波导（135）的谐振器（130）可以然后利用一个或多个外部波导（150）耦合到OESFL（120）和传感器光电探测器（160）。传感器光电探测器（160）进一步耦合到传感器处理单元（170），从而制造图1所示的生物分子传感器。

图10示出在本公开的另一实施方式中用于生物分子传感器的具有微流控单元中的集成波导的光学谐振器的制造的方法（1000）的流程图。方法（1000）包括：提供基底（S1010）、图案化并蚀刻基底以形成第一组特征（1020）、以及沉积第二种材料（1030）、图案化并蚀刻第二种材料以形成第二组特征（1040）。

具体来说，用于谐振器（130）和波导（135）的基底材料的选择可以依靠操作的波长，例如基底材料可以被选择以减少吸收和散射损失。在绝缘体上硅基底上制造谐振器（130）和波导（135）以在绝缘体上形成硅谐振器（130）和硅波导（135），绝缘体一般是氧化物。硅谐振器（130）和硅波导（135）可用于红外状况（>1.1微米）中的操作。氮化硅谐振器（130）和波导（135）可在硅石基底上的氮化硅上被微制造，并可用于在可见光和近红外区域中的操作。从选定的基底材料中，谐振器（130）的形状以及谐振器（130）和波导（135）之间的距离可以通过光学或电子束类型的显微光刻来定义。

图9A和9B示出具有用于将光耦合进光学谐振器（130）的平面微制造集成波导（135）的示范性高Q微制造微圆盘光学谐振器（130）的电子显微照片和特写电子显微照片。例如，来自波导（135）的光可被渐逝地耦合进微圆盘光学谐振器（130）的高Q回音廊模式。图9B所示的在波导（135）和光学谐振器（130）的腔之间的间距（138）可以被优化以为波导模式和回音廊模式之间的有效能量转移实现近临界耦合，如在通过引用被全部并入的参考文献[13]中所示的。光刻地控制波导谐振器耦合可以消除对谐振器表面的几十纳米内一般是锥形光纤的波导的精确手动对齐的需要，并可以对应用例如医疗点诊断使图1的生物分子传感器（100）更可靠。

其他光学谐振器的几何结构可以展现高品质（Q>10⁴）并且通过上面陈述的方法而被微制造有集成波导。可能的谐振器几何结构是布拉格谐振器，其是使用布拉格反射器作为限制反射镜而形成的光学腔。一般情况下，布拉格谐振器可以是一维或二维的（例如光子晶体腔）。应当注意，使用布拉格谐振器的***不在回音廊模式中操作。光在布拉格反射器之间来回反射而不是如在回音廊模式中的在圆周处环行。此外，场没有从波导渐逝地耦合到谐振器，如同本公开中讨论的其他谐振器一样。（1-D）布拉格谐振器是“直列式”谐振器，其中谐振器被合并为波导的一部分。这种设计可以消除或减少对来自OESFL***的精密耦合和对齐的需要。图11A示出示范性布拉格谐振器的图，以及图11B示出示范性微制造布拉格谐振器的电子显微照片。

2.光电扫频激光器

除了光学谐振器（130）和其他部件以外，图1的生物分子探测器（100）还包括光电扫频激光器（OESFL）***（120）。图3示出包括半导体激光器（SCL）（310）和SCL（310）的光电反馈环路的光电扫频激光器***（120）。

半导体激光器（310）被设计成发射相干光信号（315）。相干光信号（315）的频率可以通过到半导体激光器（310）的注入电流输入（375）来调整，注入电流输入（375）通过光电反馈环路基于相干光信号（315）来提供。

也称为光电反馈回路的光电反馈环路包括光学部分和电气部分。光学部分包括信号分配器（320）、干涉仪（330）和光电探测器（PD）（340）以及电气部分包括参考振荡器（350）、电子混频器（360）、积分电路（390）和求和电路（370）。环路可以周期性地被重置，周期为T。振幅控制环路（380）可以被利用以确保光输出具有一致的振幅。

从SCL（310）输出的相干光信号（315）可以穿过以90/10耦合器开始的光电反馈环路，耦合器也被称为信号分配器（320）。通过划分从SCL（310）输出的相干光信号（315），从SCL（310）输出的相干光信号（315）的小部分（10％）被耦合进光电反馈环路作为反馈光信号（328）。相干光信号（315）的其余90％是OESFL（120）的发射的光信号（325）。

反馈光信号（328）继续穿过干涉仪（330）例如光纤马赫-曾德尔干涉仪，其中反馈光信号（328）被接收并被分成具有微分时延τ的第一部分和没有微分时延的第二部分。反馈光信号（328）的这两个部分由干涉仪（330）组合以提供光拍频信号（335）。

来自干涉仪（330）的光拍频信号（335）在光电探测器（340）上入射。光电探测器（340）将来自干涉仪（330）的光拍频信号（335）转换成电子拍频信号（345）。

电子拍频信号（345）在由参考振荡器（350）提供的频率ω_R处通过电子混频器（360）与高相干电子参考信号（355）下混频，以形成基带误差信号（365）。

基带误差信号（365）使用积分电路（390）来积分以形成积分误差信号（395），积分误差信号（395）通过求和电路（370）与预失真信号（372）组合以产生作为注入电流输入（375）的电流斜坡。注入电流输入（375）反馈进SCL（310）以在从SCL（310）输出的相干光信号（315）中生成标称地线性的啁啾或者频率扫描。

开环预失真信号（372）可以提高相干光信号（315）和发射的光信号（325）的线性度。预失真信号（372）是单调变化的电流，其被设计成产生作为SCL（310）处输出的时间的函数的标称地线性的频率。预失真信号（372）是电流信号，它的形状通过在线性电流斜坡被施加到注入电流输入（375）时测量光输出频率与时间的曲线轮廓（“频率啁啾的形状”）并使用被测数据反算在产生线性频率啁啾时涉及的预失真信号（372）的形状来确定。此过程反复地重复以达到更高的精度。

不是陈述用于OESFL***（120）的设计和模拟的正式且冗长的分析，申请人指出频率中的线性啁啾或扫描是图3所示的布置的稳态解决方案。在图3中被示为反馈光信号（328）的到干涉仪的线性光学频率扫描输入导致在其输出处的在图3中被示为光拍频信号（335）的正弦强度调制。光拍频信号（335）被转换成光电探测器（340）的输出处的正弦电流，其被示为图3的电子拍频信号（345）。

该电子拍频信号（345）随着输入电子参考信号（355）拍动以产生被示为积分误差信号（395）的零频率输出，积分误差信号（395）然后与预失真信号（372）积分并组合以产生到SCL（310）的线性斜坡注入电流输入（375）。这导致SCL（310）的相干光信号（315）中的线性频率扫描。

SCL（310）的线性频率相对于R电流响应的关系曲线不是必要的。从线性度的偏离将导致来自光电探测器（340）的不是纯正弦波的输出（345），以及由此导致施加到SCL（310）的注入电流输入（375）的修正，这将持续直到实现线性度。

形式上，当环路处于锁定中时，SCL的频率由下式给出：

ω_SCL＝ω₀+ξt，                    (1)

其中ξ是光学频率扫描的斜率。相应的光学相位由下式给出：

$\mathrm{\φ}\left(t\right)={\mathrm{\φ}}_0+{\mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{1}{2}\mathrm{\ξ}{t}^2.---\left(2\right)$

因此，光电探测器的光电流由下式给出

$i_{\mathrm{PD}}\left(t\right)=K_P\cos (\mathrm{\φ}\left(t\right)-\mathrm{\φ}(t-\mathrm{\τ}))=K_P\cos (\mathrm{\ξ\τt}+{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\τ}-\frac{\mathrm{\ξ}{\mathrm{\τ}}^2}{2}),---\left(3\right)$

其中，光电探测器增益K_P由入射光功率和光电探测器响应度的乘积给出。方程式（3）中的DC项已被忽略。结果是正弦地变化的光电探测器电流，其角频率ω_PD由初始频率啁啾的斜率ξ和干涉仪的时迟τ给出，即ω_PD=ξτ。所探测的光电流与具有相位(ω_Rt+φ_R)的电子参考信号混频，以及混频器的差频输出由下式给出：

$i_M=K_P{K}_M\cos (\mathrm{\ξ\τt}-{\mathrm{\ω}}_{R}t+{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\τ}-\frac{\mathrm{\ξ}{\mathrm{\τ}}^2}{2}-{\mathrm{\φ}}_R),---\left(4\right)$

其中，K_M是混频器增益。在稳态中，混频器电流i_M是恒定的DC信号；这暗示方程式（4）的相位是恒定的φ_DC。因此，

$\mathrm{\ξ}=\frac{{\mathrm{\ω}}_R}{\mathrm{\τ}}---\left(5\right)$

以及 ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{{\mathrm{\φ}}_R+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{DC}}+2\mathrm{m\π}}{\mathrm{\τ}},---\left(6\right)$

其中m是整数，以及申请人使用ξτ²＜＜1。此DC信号在被积分并且被反馈回激光器时生成方程式（1）中的线性光频率啁啾。

上述分析示出处于稳定状态中的自相容的环路。频率啁啾的线性度以由方程式（3）给出的输出光电流为特征。当在稳定状态中时，光频率啁啾的斜率被锁定到参考振荡器的频率，并且起始频率由参考振荡器的相位确定，如方程式（5）和（6）所示的。起始频率的稳定性在传感应用中是非常重要的，其中频率扫描的重复性是必不可少的。由方程式（5）和（6）给出的稳态点周围的小信号分析示出激光器的在环路带宽内的相位噪声由反馈环路修正，如在通过引用被全部并入本文的参考文献[8]中所示的。这可以减少激光器的瞬时线宽，并从而提高激光源的相干长度。上述的光电扫频激光器通常没有移动部分，并可以是用于许多应用的紧凑、廉价和可靠的激光源。

申请人使用在如参考文献[8]中所示的光电反馈环路中的波长1550nm的分布式反馈激光器来论证高度线性的频率啁啾。频率啁啾的斜率和它的起始频率被分别锁定到高相干电子振荡器的频率和相位。图7示出激光啁啾的斜率与时间的关系的曲线图。斜率在100GHz/ms是恒定的，表明啁啾具有线性度。对于这些***，光学啁啾的调谐范围和速率可以被进一步提高。通过使丙烯酸板的正面和背面成像来进行的距离分辨率实验已证明，<0.2mm的分辨率被实现。

3.操作波长、线宽和扫描范围

OESFL的操作波长可基于预期应用来选择。选择使水中的吸收损失最小化的合适波长对于生物传感应用可能是重要的。用于考虑OESFL对传感应用的适用性的另一度量是频率啁啾的范围和激光器的瞬时线宽。

表1从通过引用被全部并入本文的参考文献[14]示出在所关注的不同波长处的水的吸收系数。很明显，光谱的可见光范围中的低吸收使得此波长状况更好地用于传感，因为设备如光学谐振器和SPR传感器的灵敏度由于谐振频率处的水吸收损失的减少以及品质因素的随后提高而被提高。

表1

在传感中使用的激光源的总啁啾范围可能不是关键因素，因为由生物分子的结合所造成的典型的波长偏移范围小于0.1-1nm，如在通过引用被全部并入本文的参考文献[15]中所示的。对分布式反馈SCL是一般的大约1nm的调谐范围因此足以在谐振由于蛋白结合事件而在频率上偏移时跟踪谐振。波长调谐范围可通过使用可调谐激光器的阵列或通过四波混频的过程来进一步扩大以便访问光谱的较大区域。

此外，高灵敏度传感测量依赖于高Q谐振器的测量，高Q谐振器的谐振具有如在通过引用被全部并入本文的参考文献[18]中所示的在大约10⁷和10⁸的数量级上的品质因数。为了使OESFL分辨特定的谐振，其瞬时线宽需要是比待研究的谐振的线宽窄的数量级。从表2中，在1550nm的中心波长处，在辨别具有约10⁷的Q的谐振时涉及大约1MHz的线宽。在1μm处，在辨别谐振时所涉及的线宽是近3MHz，而在625nm处，5MHz线宽就足够了。这些线宽可以通过市售的SCL达到。表2示出在具有品质因数（Q）10⁷和10⁸的示范性生物分子传感器中的光电扫频激光设备的示范性最大可允许的线宽的值。

表2

由申请人使用为电信波长（在参考文献[8]中示出）和高Q微型环芯谐振器开发的光电OESFL进行的实验已经论证了激光器分辨用于传感应用的高Q谐振的能力。图4示出在波长1539nm处在空气中的硅石微型环芯谐振器的谐振回音廊模式的测量。谐振展示归功于谐振器的两个反向传播模式的退化的中断的特有***，该中断由于光的散射而引起。具有品质因数4×10⁷的模式通过测量被清楚地分辨，展示激光源的窄瞬时线宽。

传感实验涉及对起始频率和频率啁啾斜率的精确控制。图5A和5B示出激光源作为用于液相传感应用的研究工具的有效性。图5A示出当蛋白质牛血清白蛋白（BSA）的10pM溶液在微流控单元中的整个谐振器上流动时微型环芯谐振器传感器的回音廊模式的谐振波长中的偏移。图5B示出在pH值1.5处的10mM甘氨酸缓冲液的流动期间由于BSA蛋白质从传感器表面的脱附而引起的波长偏移。波长偏移很容易由OESFL分辨，并且预计小1-2个数量级的蛋白质浓度可以在此波长处被分辨。申请人注意到，此测量涉及BSA到硅石谐振器的非特异性结合，而特异性传感使用第5节讨论的功能化表面是可能的。

在图5A和5B中所示的实验结果中的Q值或品质因数的限制因子似乎是操作波长。空气中的谐振模式的品质因数是4×10⁷，但是由于水中的吸收损失，品质因数在水溶液中变为约2×10⁴。品质因数的这种减少可以有助于谐振的线宽的增加，并可以限制最小可测量的波长偏移，以及因此限制测量的灵敏度。在较低的波长如600-700nm和1μm处OESFL***的利用可以提高测量灵敏度，可能到单分子探测限制。

4.波导和光学耦合

图1的OESFL***（120）可以通过两种方法的一种与谐振器（130）和集成波导（135）耦合。在第一种方法中，OESFL***（120）和光学谐振器（130）以及集成波导（135）和外部波导（150）可在同一芯片或平台例如同一晶片上被微制造。

在第二种方法中，来自OESFL***（120）的输出的光学模式可以通过基于绝热模式转变（见参考文献[27]，其通过引用被全部并入本文）使用光纤如使用光斑尺寸转换器（见参考文献[25，26]，其通过引用被全部并入本文）来耦合到集成波导（135）的较小的光学模式，其中光学模式从较大的光纤模式转变为具有非常小的损失的较小的波导模式。

5.传感器功能化

光学谐振器的表面可以被功能化以结合到所关注的特定的生物分子。如在通过引用被全部并入本文的参考文献[19]中所示的大多数共价表面功能化方案通过引入散射或吸收损失来降低传感器的灵敏度，或者为了结合到目标生物分子而减小表面功能化的功效。

申请人已经发展了一种使用于特异性传感的谐振器功能化的方法，该方法避免了这种品质因数退化。如在通过引用被全部并入本文的参考文献[20，21]中所示的被证明抵抗非特异性蛋白质吸附的具有聚乙烯乙二醇（PEG）主链的双功能连接分子被附到谐振器上的呈现叠氮基的三乙氧基硅烷单层。连接分子上的第一功能基是炔烃，其在通过引用被全部并入本文的参考文献[22，23]中通过铜（I）催化环加成与叠氮基起反应。这个所谓的“点击化学”反应在温和的和生物惰性的条件下发生。连接分子上的第二功能基是马来酰亚胺，其用于在特异性传感所必需的目标分子上与可用的半胱氨酸残基或硫醇基起反应。

通过这些方法，申请人具有可适应平台，此平台具有可能的环境稳定性和特异性而不牺牲传感器性能。图6A和6B示出在标记没有被附到目标分子的双功能连接分子之后对若干谐振器测量的品质因数的变化。申请人注意到，在大多数情况下，Q的减少远远少于2倍。抗体是特别关注的目标试剂，至少是由于其高的特异性、商业可用性和提供在功能化反应中有用的半胱氨酸残基的趋势。

如在通过引用被全部并入本文的参考文献[24]中所示的寡核苷酸适体表示作为分子识别工具的另一种选择。这些是短DNA或RNA链，其被发展有特别地结合多种蛋白质和小分子目标的序列，同时展示对结构类似物的显著选择性。因为这样的寡核苷酸可以很容易地与硫醇基在一端合成，所以它们是有吸引力的候选者，其用于作为抗体合并到同一基于点击化学的传感器功能化平台。

6.微流控流动***

生物分子传感器可涉及微流控流动***或微流控单元，以有效地将目标分析物传递给传感器。微流控流动***可以允许液体样本流动并环绕在密封且无菌环境中的光学谐振器。本文公开了用于合并微流控流动***的两种方法。在第一种方法中，微流控流动***可以被添加到包含微制造光学谐振器和集成波导的芯片。

第二种方法是结合谐振器和集成波导来制造微流控***。具体来说，微流控流动***或微流控单元的壁可以在基底中与利用微制造方法例如光刻和蚀刻的谐振器和集成波导同时形成。其后，微流控流动***可以通过将聚合物或玻璃顶板添加到微流控单元来密封。密封会创建包含谐振器和集成波导的封闭的微流控单元。

微流控流动***可以具有微米尺度的流动通道，该流动通道允许用户将小体积的样本输送到生物分子传感器。此流动***还包括入口和出口。

7.实例

精确控制的光电啁啾激光源的设计和演示

本公开的实施方式包括开发和设计在适合于液相传感的波长处的OESFL***。具体的方法步骤包括在600-700nm和/或1μm处具有线性频率啁啾的线性频率啁啾SCL的设计和实验演示，线性频率啁啾具有>1nm的调谐范围以及>10¹⁴Hz/s的频率调谐速率。啁啾OESFL***的测量和特征化包括：1）扫频OESFL的调谐范围，2）扫频OESFL的调谐速度，和3）激光线宽上调谐范围和速度的效应的理论分析。

光电源的性能可被特征化和被改进。OESFL***的光电反馈环路在啁啾速率上的限制可以在理论和实验上被研究。在确定传感测量的分辨率的瞬时激光线宽上的调谐速度的效应在可实验上被研究。可以设计和演示补偿由于电流调谐而引起的激光输出功率中的变化的振幅控制环路。

用于生物分子传感的光学谐振器的发展

谐振器的几何结构如布拉格谐振器和微环谐振器可以被发展。可以对本公开的具有集成波导的微制造光学谐振器研究材料例如Si₃N₄。

8.其他应用

线性啁啾OESFL***可以有其他应用，例如高分辨率3D光学成像。激光输出的一部分照射成像目标或待成像的对象，并且反射光根据成像目标的位置来累积时延。当反射光与光电探测器中的未延迟的激光输出混合时，因而产生的光电流正弦地变化，频率与时延成比例。反射的次数及其距离通过测量在所探测的光电流中存在的频率来确定。然后在横向方向上扫描光束或成像目标，以获得三维图像。

OESFL可以作为线性啁啾光波形的源来取代当前技术水平的机械调谐的激光器。运动部件的消除以及光频率通过电子电流的快速及精确的调谐可以提高成本、尺寸和鲁棒性。此外，OESFL可以具有比一般机械调谐的激光器低的相位噪声，其可以在诸如扫描源光学相干断层摄影的成像技术中转化为更好的成像深度。OESFL可能在其调谐范围中被更多地限制，但是OESFL的调谐范围可通过诸如四波混频或电子拼接的方法来增加。

如在本公开中公开的在较低的波长0.6-1.1微米和1.3微米处OESFL的发展可以使媒介中目标的成像成为可能，在该媒介中通过水的吸收可能是主要关注的事。光的传播损耗在较低的波长处较小。可能的应用的实例包括生物组织的三维成像，例如通过眼中的玻璃体液的视网膜成像。

上面阐述的实例被提供来为本领域的普通技术人员提供如何实现和使用本公开的实施方式的完整公开和描述，且并不旨在限制发明者考虑为其公开的内容的范围。用于执行本公开的上述模式的修改可被本领域的技术人员使用，并被规定为在下列权利要求的范围内。该说明书中提到的所有专利和出版物可指示该公开所属的领域的技术人员的技能水平。在此公开中列举的所有参考文献在相同程度上通过引用被并入，好像每个参考文献单独地通过引用被全部并入一样。

应理解，该公开不限于特定的方法或***，其当然可以改变。例如，本领域的技术人员将理解，根据不同的实施方式，所示的步骤或部件的数量只是指示性的，以及该方法能够在更多或更少的步骤中出现，以及该***可包含更多或更少的部件。也应理解，本文使用的术语只是为了描述特定实施方式的目的，并没有被规定为限制性的。如在此说明书和所附权利要求中使用的，单数形式“a”、“an”和“the”包括复数所指对象，除非内容另有明确规定。术语“多个”包括两个或两个以上的所指对象，除非内容另有明确规定。除非另有规定，本文使用的所有技术和科学术语具有与由该公开所属的领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。

已经描述了该公开的若干实施方式。然而，应理解，可进行各种修改而不偏离本公开的精神和范围。因此，其他实施方式在下列权利要求的范围内。

参考文献

[1]T.Sannomiya,C.Hafner and J.Voros,"In situ Sensing of Single BindingEvents by Localized Surface Plasmon Resonance（通过定位表面等离子体谐振的单一结合事件的现场感测中）,"Nano Lett.8,3450(2008)。

[2]F.Vollmer and S.Arnold,"Whispering-gallery-mode biosensing:label-freedetection down to single molecules（耳语廊模式生物感测：直到单分子的无标记探测）,"Nat.Methods.5,591(2008)。

[3]A.J.Qavi,A.L.Washburn,J.Y.Byeon,and R.C.Bailey，"Label-freetechnologies for quantitative multiparameter biological analysis（用于定量多参数生物分析的无标记技术）,"Anal.and Bioanal.Chem.394,121(2009)。

[4]F.Vollmer，S.Arnold and D.Keng,"Single Virus detection from thereactive shift of a whispering-gallery mode（来自耳语廊模式的反应漂移的单一病毒探测）,"Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.105,20701(2008)。

[5]A.Ramachandran,S.Wang,J.Clarke,S.J.Ja,D.Goad,L.Wald,E.M.Flood,E.Knobbe,J.V.Hryniewicz,S.T.Chu,D.Gill,W.Chen.O.King andB.E.Little,"A universal biosensing platform based on optical micro-ringresonators（基于光学微环谐振器的通用生物感测平台）,"Biosens.Bioelectron.23,939(2008)。

[6]A.M.Armani,R.P.Kulkarni,S.E.Fraser，R.C.Flagan and K.J.Vahala,"Label-free,single molecule detection with optical microcavities（具有光学微腔的无标记、单分子探测）,"Science 317,783(2007)。

[7]L.Nogueira,R.Corradi and J.A.Eastham,"Prostate specific antigen forprostate cancer detection（有关***癌探测的***特异性抗原）,"Int.Braz.J.Urol.35,521(2009)。

[8]N.Satyan,A.Vasilyev，G.Rakuljic,V.Leyva and A.Yariv"Preciselycontrollable broadband frequency sweeps using a semiconductor laser in anoptoelectronic phase-lock loop（在光电锁相环中使用半导体激光器的精确可控的宽带频率扫描）,"Opt.Express 17,15991(2009)。

[9]A.B.Matsko and V.S.Ilchenko,"Optical resonators withwhispering-gallery modes-Part I:Basics（具有耳语廊模式的光学谐振器-第I部分）,"J.Sel.Top.Quantum Electron.12,3(2006).

[10]V.S.Ilchenko A.B.Matsko,"Optical resonators withwhispering-gallery modes-Part II:Applications（具有耳语廊模式的光学谐振器-第II部分）,"IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.12,15(2006)。

[11]F.Vollmer,D.Braun,A.Libchaber,M.Khoshsima,I.Teraoka and S.Arnold,"Protein detection by optical shift of a resonant microcavity（通过谐振微腔的光学漂移的蛋白质探测）."App.Phys.Lett.80,4057(2002)。

[12]I.S.Grudinin,V.S.Ilchenko and L.Maleki,"Ultrahigh optical Qfactors of crystalline resonators in the linear regime（晶体谐振器在线性状况中的超高的光学Q值）,"Phys.Rev.A 74,063806(2006)。

[13]X.D.Fan,I.M.White,S.I.Shopoua,H.Y.Zhu,J.D.Suter and Y.Z.Sun,"Sensitive optical biosensors for unlabeled targets:A review（用于无标记目标的灵敏光学生物传感器：综述）,"Anal.Chim.Acta 620,8(2008)。

[14]George M.Hale and Marvin R.Querry."Optical Constants of Water inthe 200-nm to 200 Wavelength Region（200nm到200的波长区域中水的光学常数）,"Appl.Opt.12,555(1973)。

[15]L.Pang,GM Hwang,B Slutsky and Y Fainman,"Spectral sensitivity oftwo-dimensional nanohole array surface plasmon resonance sensor（二维纳米孔阵列表面等离子体谐振传感器的光谱灵敏度）,"App.Phys.Lett.91,123112(2007)。

[16]

[17]

[18]A.M.Armani and K.J.Vahala,"Heavy water detection usingultra-high-Q microcavities（使用超高Q值微腔的重水探测）,"Opt.Lett.31,1896(2006)。

[19]J.Kalia and R.T.Raines,"Advances in Bioconjugation（生物接合中的进展）,"Cum Org.Chem.14,138(2010)。

[20]P.Harder,M.Grunze,R.Dahint,G.M.Whitesides and P.E.Laibinis,"Molecular Conformation in Oligo(ethylene glycol)-TerminatedSelf-Assembled Monolayers on Gold and Silver Surfaces Determines TheirAbility To Resist Protein Adsorption（金和银表面上低聚乙二醇链端自组装单层中的分子构象确定其抵制蛋白质吸附的能力）,"J.Phys.Chem.B 102,426(1998)。

[21]E.Ostuni,R.G.Chapman,R.E.Holmlin,S.Takayama,G.M.Whitesides,"A Survey of Structure—Property Relationships of Surfaces thatResist the Adsorption of Protein（抵制蛋白质吸附的表面的结构特性关系的观察）,"Langmuir 17,5605(2001)。

[22]A.Schlossbauer，D.Schaffert,J.Kecht,E.Wagner and T.Bein,"Clickchemistry for high-density biofunctionalization of mesoporous silica（有关中孔性硅石的高密度生物功能化的点击化学）,"J.Am.Chem.Soc.130,12558(2008)。

[23]X.L.Sun,C.L.Stabler，C.S.Cazalis and E.L.Chaikof，"Carbohydrateand protein immobilization onto solid surfaces by sequential Diels-Alder andazide-alkyne cycloadditions（通过连续的Diels-Alder和叠氮炔环加成的到固体表面上的碳水化合物和蛋白质固定）,"Bioconj.Chem.17,52(2006)。

[24]S.Tombelli,A.Minunni and A.Mascini,"Analytical applications ofaptamers（适配器的分析应用）,"Biosens.Bioelectron.20,2424(2005)。

[25]Almeida,V.R.,R.R.Panepucci,and M.Lipson,Nanotaper for compactmode conversion（紧凑型模式转换的纳米锥形）.Optics Letters,2003.28(15):p.1302-1304。

[26]McNab,S.J.,N.Moll,and Y.A.Vlasov,Ultra-low loss photonicintegrated circuit with membrane-type photonic crystal waveguides（具有薄膜型光子晶体波导的超低损耗光子集成电路）.Optics Express,2003.11(22):p.2927-2939。

[27]Sun,X.K.,H.C.Liu,and A.Yariv，Adiabaticity criterion and theshortest adiabatic mode transformer in a coupled-waveguide system（绝热标准和波导耦合***中的最短的绝热模式变压器）.Optics Letters,2009.34(3):p.280-28。

Claims (9)

1.一种用于探测和测量生物分子的***，包括：

光电扫频激光器***，其用于提供相干的扫频光输入信号；

光学谐振器，其被表面功能化以结合到目标生物分子，并且其中，所述谐振器的谐振行为适于根据所述目标生物分子的所述结合而改变；

集成波导，其用于将所述扫频光输入信号耦合到所述光学谐振器；

至少一个外部波导，其用于在所述集成波导和所述光电扫频激光器***之间耦合所述扫频光输入信号以及在所述集成波导和传感器光电探测器之间耦合所述扫频光输入信号；

微流控单元，其用于容纳所述光学谐振器并将所述目标生物分子输送到所述光学谐振器；

传感器光电探测器，其用于测量来自所述至少一个外部波导的扫频光输出信号，从而探测所述谐振器的所述谐振行为中的变化；以及

信号处理单元，其用于识别谐振行为中的所述变化，从而探测和测量生物分子；

其中所述光电扫频激光器***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，其耦合到所述半导体激光器，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。

2.根据权利要求1所述的***，其中，所述光学谐振器的几何结构选自由实质上微型环芯、实质上扁球体、实质上球形、实质上圆柱形、实质上圆盘形以及实质上环形组成的组。

3.根据权利要求1或2中的任一项所述的***，其中，所述光学谐振器是布拉格谐振器。

4.根据权利要求1或2中的任一项所述的***，其中，所述光学谐振器包括氮化硅。

5.根据权利要求1或2中的任一项所述的***，其中，所述光学谐振器包括硅。

6.根据权利要求1或2中的任一项所述的***，其中，所述光学谐振器和所述集成波导通过微制造技术被同时制造。

7.一种用于探测和测量生物分子的微流控流动***，包括：

光电扫频激光器***，其用于提供相干的扫频光输入信号；

光学谐振器，其被表面功能化以结合到目标生物分子，并且其中，所述谐振器的谐振行为适于根据所述目标生物分子的所述结合而改变；

集成波导，其用于将所述扫频光输入信号耦合到所述光学谐振器；

第一外部波导，其用于在所述集成波导和所述光电扫频激光器***之间耦合所述扫频光输入信号；

流体入口，其用于将测试流体输送到所述谐振器，所述测试流体能够包括所述目标分子；

流体出口，其用于从所述谐振器移除所述测试流体，所述流体能够包括所述目标分子；

传感器光电探测器，其用于测量来自所述第一外部波导的扫频光输出信号，从而探测所述谐振器的所述谐振行为中的变化；

第二外部波导，其用于耦合在所述集成波导和所述传感器光电探测器之间，以及

信号处理单元，其用于识别谐振行为中的所述变化，从而探测和测量生物分子；

其中所述光电扫频激光器***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，其耦合到所述半导体激光器，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。

8.一种用于制造生物分子传感器的方法，包括：

提供基底；

利用显微光刻使第一组特征在所述基底上图案化，所述第一组特征包括光学谐振器、集成波导和微流控单元的部分；

在被图案化的基底上执行蚀刻，从而形成所述光学谐振器、所述集成波导和所述微流控单元的部分；

沉积第二种材料；

利用显微光刻使第一组特征在所述基底上图案化，所述第一组特征包括光斑尺寸转换器和所述微流控单元的部分;

在被图案化的基底上执行蚀刻，从而形成所述光斑尺寸转换器和所述微流控单元的部分；以及

利用一个或多个外部波导将所述集成波导耦合到光电扫频激光器***以及耦合到传感器光电探测器，其中，所述传感器光电探测器耦合到传感器处理单元，从而制造所述生物分子传感器；

其中所述光电扫频激光器***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，其耦合到所述半导体激光器，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。

9.一种用于高分辨率3-D成像的方法，包括：

利用光电扫频激光器***提供扫频光信号；

使用所述扫频光信号扫描待成像的成像目标；

使用所述扫频光信号照射所述成像目标，其中，所述照射生成有时延的反射光；

将所述反射光与所述扫频光信号混合；

将所混合的光发送到光电探测器并生成光电流；

测量所述光电流的频率分量以生成测量距离；以及

根据所述扫描测绘所述测量距离，从而生成高分辨率3-D图像；

其中所述光电扫频激光器***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，其耦合到所述半导体激光器，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。