光學傳感裝置的製作方法

2023-09-19 08:49:45 3

專利名稱：光學傳感裝置的製作方法
技術領域：
本發明整體涉及光學裝置，並且更具體地講，涉及使用微諧振器 的光學傳感器。
背景技術：
對於生物、化學與氣體物種的檢測而言，光學傳感成為越來越重 要的技術。光學傳感可以提供快速和敏感的優點。近年來，已經開發 出多種製造非常靈敏的光學裝置的新型光子結構和材料。
一種用於被分析物檢測的光學傳感方法採用了集成的光學波導。 此類傳感器已被證明能夠檢測吸附在波導表面上的化學和生物物種。 但是，為了獲得用於多種分析應用的足夠的光學信號變化，集成的光 學波導化學分析可能需要大型傳感裝置(通常為若干釐米長)。
表面等離子共振(SPR)也已經用於製造光學傳感器。SPR技術已經 商業化，而且已成為描述和量化生物分子相互作用的必需工具。但此 類量度系統可能會有很大的體積。
目前正針對生化、化學和氣體傳感應用對光學微諧振器進行深入 的調查研究。光學微諧振器是可具有高品質因數(Q因素)的非常小的裝置，其中Q因素通常是指諧振波長與諧振線寬的比率。例如，用 玻璃球體製成的微諧振器可以用來製造非常靈敏的光學傳感器，因為 微球諧振器中捕集的光多次循環，從而製備出具有高Q因素(>106)的裝 置，其可以有效增強微球表面上被分析物與在諧振器中循環的光之間
的光學相互作用。在光學微諧振式傳感器中，主波導(bus waveguide)
用於激發位於微諧振器表面附近的導向光學模式。諧振光學模式的一 個實例為回音壁模式。將被分析物設置在微球模式的漸逝場內。通過 諧振頻率的偏移來檢測傳感器的折射率變化。可使用連接至檢測器的 第二主波導從微諧振器中提取偏移的光譜。
已對多種類型的光學微諧振器展開了以製備光學傳感器為目的的 研究，但微球、微環和微盤受到了最多的關注。基於半導體製造工藝 的微盤或微環相對來說易於進行大量和/或高密度的製造。其相對于波 導的位置可以用諸如幹/溼蝕刻和層沉積之類的製造工藝進行調整。然 而，至少部分地由於表面粗糙度和材料吸收，這些諧振器的Q因素通 常低於104。
在用微球傳感的傳統方法中，被分析物與球體表面的粘合導致球 體有效折射率發生小的變化。這導致諧振光譜峰波長位置發生小的偏 移。這些偏移通常在皮米範圍內。為了檢測此類小偏移，需要用昂貴 的設備進行光譜分析。此外，微諧振器必須設計為提供非常窄的線寬， 以使得能夠檢測小的峰偏移。這需要高精密度(自由光譜範圍除以線 寬)，或等效的高品質因數(工作波長除以線寬)的微諧振器。為了 檢測小的頻率偏移，這轉化為對微諧振器中的低損耗波導以及微諧振 器與主波導之間弱耦合的需要。
存在對使用微諧振器的改善的光學傳感系統的需求。

發明內容
總地來講，本發明涉及光學系統。本發明也涉及包括一個或多個微諧振器的光學傳感器。
在一個實施例中，光學傳感系統包括第一和第二主波導。第一主 波導包括與光源光學連通的輸入口。第二主波導包括第二分光口。系 統還包括光學耦合到第一和第二主波導的微諧振器，和被配置用於改 變光學散射中心與微諧振器之間的光學耦合強度的光學散射中心。此 外，系統還包括與第二分光口光學連通的檢測器。光學傳感系統被配 置成，使得在不存在光學耦合到微諧振器上的散射中心的情況下，射 在輸入口處的光耦合到微諧振器的第一導向光學模式，而第一導向光 學模式基本不耦合到第二分光口 。
在另一個實施例中，光學傳感系統包括一個或多個主波導，例如 第一主波導。第一主波導包括與光源光學連通的輸入口。系統還包括 光學耦合到一個或多個主波導上的微諧振器和與輸入口光學連通的檢 測器。
在另一個實施例中，光學傳感系統包括第一主波導，其中第一主 波導包括與光源光學連通的輸入口。系統還包括具有分光口和第二分 光口的第二主波導、光學耦合到第一和第二主波導上的微諧振器以及 與第二主波導光學連通的檢測器。在系統中，射在輸入口處的光能夠 耦合到微諧振器的第一導向光學模式和微諧振器的第二導向光學模 式。第二光學模式主要在散射中心與微諧振器光學連通時發生。分光
口主要能夠光學耦合到微諧振器的第一導向光學模式，而基本不耦合 到第二導向光學模式。第二分光口主要能夠光學耦合到微諧振器的第 二導向光學模式，而基本不耦合到第一導向光學模式。檢測器與第二 分光口光學連通。
在又一個實施例中，光學傳感系統包括一個或多個主波導，例如 第一主波導，其中第一主波導包括與光源光學連通的輸入口。系統還 包括光學耦合到一個或多個主波導上的盤形微諧振器，該盤形微諧振器限定了中心位置。系統也包括與盤形微諧振器光學連通並且位於盤 形微諧振器中心位置的檢測器。
本發明的上述發明內容並非意圖描述本發明的每個圖示實施例或 每種實施方式。下面的附圖和詳細描述將更具體地舉例說明這些實施 例。


結合下面參照附圖對本發明的各種實施例的詳細描述，可以更全 面地理解本發明，其中
圖1、 2和3分別為光學系統的示意性俯視圖和側視圖4為具有單主環形諧振器的光學系統的示意性俯視圖5為具有單主盤形諧振器的光學系統的示意性俯視圖，其中單
主盤形諧振器具有中心光電檢測器；
圖6為具有雙主跑道環形諧振器的光學系統的示意性俯視圖7為在具有和不具有矽納米粒子散射中心的情況下，於光學系
統的通過口處檢測到的信號強度與波長的關係圖。
圖8為在具有和不具有矽納米粒子散射中心的情況下，於光學系
統的第二分光口處檢測到的信號強度與波長的關係圖。
圖9為在具有和不具有金納米粒子散射中心的情況下，於光學系
統的通過口處檢測到的信號強度與波長的關係圖。
圖IO為在具有和不具有金納米粒子散射中心的情況下，於光學系
統的第二分光口處檢測到的信號強度與波長的關係圖。
圖11為在具有和不具有鋁納米粒子散射中心的情況下，於光學系
統的通過口處檢測到的信號強度與波長的關係圖。
圖12為在具有和不具有鋁納米粒子散射中心的情況下，於光學系
統的第二分光口處檢測到的信號強度與波長的關係圖。
圖13為在兩個主波導與微諧振器之間具有豎直耦合的光學裝置的 示意性側視圖。
圖14為具有跑道環形諧振器的光學系統的示意性俯視圖，其中跑
11道環形諧振器通過多模幹涉耦合器耦合到兩個主波導上。
圖15為在具有和不具有散射中心的情況下，於光學系統的第二分 光口處檢測到的信號強度與波長的關係圖。
儘管本發明可具有各種修改形式和替代形式，其細節已在附圖中 以實例的方式示出並將做詳細描述。然而應當理解其目的不是將本 發明限制於所描述的具體實施例。相反，本發明的目的在於涵蓋所附 權利要求書限定的本發明的精神和範圍內的全部修改形式、等同形式 和替代形式。
具體實施例方式
本發明描述了包括波導、光學諧振微腔和光學耦合到微腔上的光 學散射中心的光學傳感器，其中光學耦合的程度可以改變。此類光學 諧振微腔也可以稱為微諧振器。
據此提出了用微諧振器進行光學傳感的新方法，其中引入或移除 散射中心顯著增強微諧振器系統中的信號。顯著的信號增強使得可以 使用比以前的微諧振器傳感系統便宜的光源和檢測器。
本發明允許在傳感應用和裝置中使用寬帶光源和檢測器，而不會 對檢測靈敏度造成影響。使用寬帶源和檢測器的優點是可以降低裝置 總成本。
在說明書中，多個附圖中使用的相同附圖標記表示具有相同或類 似特性和功能的相同或類似元件。
現在將描述使用微諧振器的微諧振器-波導系統100的實例，如圖
1的俯視圖以及圖2和圖3的剖視圖示意性示出的。如將在本文進一步 討論地，根據本發明，也可以使用具有單個波導的系統然而，第一個 實例將討論雙主波導系統。光學裝置100包括光學微諧振器118、第一光學波導104和第二光
學波導132，其均設置在下部覆層105上，該覆層105設置在基底103 上。
在一些情況下，微諧振器118能夠通過利用一個或多個邊界條件， 例如一個或多個周期性條件，將允許的微諧振器光學模式量化為離散 模式。在一些情況下，微諧振器118能夠支持至少兩種不同的導向光 學模式，例如第一導向光學模式128和第二導向光學模式164，其中導 向光學模式128與導向光學模式164不同。在一些情況下，模式128 和164具有相同的波長。在一些情況下，模式128和164具有不同的 波長。如果模式128和164具有基本上相同的波長，則其可以具有不 同的波長強度水平。如本文所用，對於給定的光學構造(例如光學裝 置100)而言，光學模式是指光學構造中允許的電磁場；輻射或輻射模 式是指在光學構造中不受限制的光學模式；導向模式是指由於存在高 折射率區域而在至少一維光學構造中受限制的光學模式；而諧振模式 是指受制於光學構造中額外邊界條件要求的導向模式，其中額外要求 實質上通常為周期性的。
諧振模式通常是離散的導向模式。在一些情況下，諧振模式可以 能夠與輻射模式耦合。在另外一些情況下，諧振模式可以具有作為輻 射且不受限制的部分。 一般來講，微諧振器118的導向模式可以是諧 振或非諧振模式。例如，光學模式128和164可以是微諧振器118的 諧振模式。
在一些情況下，第一導向光學模式128和/或第二導向光學模式164 能夠在微諧振器內傳播，同時保持相同的電場分布。在這樣的情況下， 即使由於(例如)吸收或輻射損耗使模式逐漸損失能量，傳播模式的 形狀或分布隨著時間推移仍保持基本相同。參見圖1-3，光源102與第一主波導104光學連通。波導104設置 有光源的一端為輸入口 106。波導104的另一端為通過口 108。輸入口 檢測器110位於輸入口 106處。光學元件112與光源102、輸入檢測器 110和輸入口 106光學連通，以使輸入光124隻與輸入口 106連通，並 且將朝第一主波導104中的輸入口 106傳播的光引向輸入檢測器110。 光學元件112在某些實施例中為分光器或光學循環器。輸入口檢測器 IIO通過光學元件112與第一主波導104光學連通，並且被配置用於檢
微諧振器118能夠分別支持第一和第二諧振光學模式128和164， 並且其光學耦合到第一主波導104。輸入口 106能夠光學耦合到第一和 第二諧振模式。來自光源102的光124射入第一主波導104並且朝通 過口 108傳播。微諧振器118將光124中的一些光漸逝耦合出第一主 波導104，耦合出的光以微諧振器118的一種或多種諧振頻率(例如第 一諧振光學模式128)在微諧振器118內傳播。微諧振器118包括芯 120和覆層122。在一些實施例中，上部覆層122可以包括水。在一些 情況下，上部覆層可以(例如)在不同的位置包括不同的材料。例如， 上部覆層的一些區域可以包括水，而上部覆層的另外一些區域可以包 括其他材料，例如玻璃。
第二主波導132布置為與微諧振器118光學連通。分光口 136位 於第二主波導132的一端，而第二分光口 138位於第二主波導的另一 端。分光口 136主要能夠光學耦合到第一諧振光學模式，而不是第二 諧振光學模式。第二分光口 138主要能夠光學耦合到第二諧振導向光 學模式，而不是第一諧振導向光學模式。第二分光口檢測器144位於 第二分光口 138處。
可以將微諧振器118布置為物理接觸或非常靠近波導104和132， 以使得沿波導傳播的光的一部分漸逝耦合進微諧振器118。另外，在微 諧振器118內傳播的光的一部分將漸逝耦合進波導104和132。圖2為穿過第一主波導104並沿著第一主波導軸線的截面圖。圖3
為穿過微諧振器118和兩個主波導並垂直於第一主波導軸線的截面圖。
第一和第二光學波導中的每一個都具有設置在多個覆層之間的芯。例
如，第一光學波導104具有厚度為112並且設置在上部覆層122與下部 覆層105之間的芯。相似地，第二光學波導132具有厚度為h3並且設 置在上部覆層122與下部覆層105之間的芯。在一些情況下，上部覆 層122可以包括空氣或水。
在圖1-3的實例性光學裝置100中，微諧振器118與光學波導104 和132具有不同的厚度。 一般來講，厚度hp h2和h3的值可以相同， 也可以不同。在一些應用中，微諧振器118與光學波導104和132具 有相同的厚度。
散射中心對微諧振器系統100的影響是本發明方法的核心。圖1 示出了與微諧振器118光學連通的散射中心150。然而，在描述散射中 心150的影響之前，將先描述沒有散射中心150的微諧振器系統100 的使用。
在一種使用微諧振器進行傳感的傳統方法中，微諧振器118的芯 120的表面149被賦予能夠以特定的化學方式與被分析物粘合的功能。 將被分析物粘合到微諧振器表面會引起微諧振器有效折射率的小變 化，這會改變諧振器透射光譜中峰的波長位置。在通過口 108和分光 口 136處可觀察到這些偏移。從而，對通過口 108和/或分光口 136處 透射光譜的峰的偏移的檢測，可表明是否存在被分析物。還存在其他 使用微諧振器進行傳感的傳統方法，並且各種方法的一些實例在共同 擁有的已公布的美國專利申請2006/0062508中有詳細描述，其以引用 的方式併入本文。
由光源102發出的光124穿過第一主波導104，並且微諧振器118
15將光124中的一些漸逝耦合出第一主波導104，以使得耦合出的光以微
諧振器118的一種或多種諧振頻率(例如第一光學諧振模式128)在微 諧振器118中傳播。微諧振器諧振模式的一個實例為"回音壁模式"。 在幾何光學中，回音壁模式(WGM)中的光線從起點經由多次全內反射 在微諧振器周圍傳播，直至其返回起點。除了WGM，許多其他諧振模 式也可以用於微諧振器。
對於不存在散射中心的高品質微諧振器而言，第一諧振模式128 耦合到通過口 108和分光口 136，在此處檢測器可以檢測微諧振器中諧 振頻率的光譜。諧振模式128與第二分光口 138或輸入口 106弱耦合 或基本沒有耦合。通過口輸出曲線圖151示出了在通過口 108處檢測 到的光譜的實例，從而以曲線圖的方式示出了強度與波長的關係。實 線152為不存在散射中心時可以檢測到的光譜的實例。當由於(例如) 被分析物粘合到波導表面上而使(例如)微諧振器118的有效折射率 改變(例如增加)時，圖線152的強度最低處將經歷大約幾皮米的偏 移。用這種方法，在傳統傳感系統的一個實例中檢測到被分析物與微 諧振器表面149的粘合。
相似地，在微諧振器118內傳播的光128耦合到第二主波導132， 並且可以在分光口 136處進行檢測。分光口輸出曲線圖160示出了在 分光口 136處檢測到的光譜的實例，從而以曲線圖的方式示出了強度 與波長的關係。實線162為沒有散射中心時可以檢測到的光譜的實例。 當由於被分析物粘合到波導表面149上而使微諧振器118的有效折射 率改變時，圖線162的峰將經歷大約幾皮米的偏移。
為檢測分光口 136或通過口 108處大約幾皮米的光譜偏移，使用 相當昂貴的可調式窄線寬雷射源來掃描諧振器輸出光譜的相關光譜區 域。作為另外一種選擇，可以使用寬帶源和昂貴的光譜分析儀。此外， 微諧振器118被設計用於產生窄線寬，以使得可以檢測小的峰偏移。 微諧振器可通過採用高精密度(即用自由光譜範圍除以線寬)來產生窄線寬。微諧振器也可以通過採用等效的高品質因數(即用工作波長 除以線寬)來產生窄線寬。這可以通過(例如)使用與主波導弱耦合 的低損耗諧振器實現。
與上述實例性傳感方法相比，使用本發明的散射中心傳感方法使 得在分光口 136和通過口 108處諧振峰的光譜位置產生大得多的變化， 通常為大約幾納米，而不是皮米。此外，觀察到諧振器的寬帶傳輸特 性有大的變化。這些傳輸特性可以在第二分光口和輸入口處觀察到， 而且有可能通過消除對窄線寬可調式雷射源的需求而使系統得以簡 化。
在根據本發明一個實施例的傳感事件的過程中，散射中心與微諧
振器之間的光學耦合強度有所改變。這種情況的發生是由於(例如)
散射中心開始與微諧振器形成光學耦合，或由於去除散射中心與微諧 振器的光學耦合。當散射中心光學耦合到微諧振器時， 一種或多種諧
振器模式中的光場與散射中心重疊。
重新參見圖1，當散射中心150與微諧振器光學連通時，第一諧振 光學模式128被散射成不同於第一諧振光學模式的至少第二導向光學 模式164。第二導向光學模式主要耦合到輸入口 106和第二分光口 138。 曲線圖166示出了第二分光口 138處輸出光的光譜。實線168為不存 在散射中心時輸出光的圖線。不存在散射中心時，基本上沒有光傳播 到第二分光口。虛線169示出了當散射中心150與微諧振器光學連通 時第二分光口 138處輸出光的光譜。在圖線169中觀察到顯著的峰。 因此散射中心的存在使寬範圍的工作頻率的能量大量轉移至第二分光 口處。從而，通過監控第二分光口 138處的輸出，將直接檢測散射中 心是否附接到微諧振器上。可以監控具體波長處較大峰的輸出，和/或 覆蓋所有波長的較大輸出光的輸出。
在輸入口 106處觀察到類似的變化。曲線圖170從概念層次示出了如輸入口檢測器110檢測到的從輸入口 106輸出的光的光譜。實線
圖線172示出了不存在散射中心時的接近於零的輸出光。虛線圖線174 示出了將散射中心附接到微諧振器上時輸出光的光譜。與圖線172相 比，在圖線174中可以觀察到顯著的峰。因此散射中心的存在使反射 回輸入口 106的寬範圍的工作頻率的能量發生大量轉移。因此，通過 監控輸入口 106處的輸出，將直接檢測散射中心是否附接到微諧振器 上。可以監控特定波長處較大峰的輸出，和/或覆蓋所有波長的較大輸 出光的輸出。
可以在輸入口、第二分光口或這兩個位置觀察到因散射中心而從 第一模式到第二模式的光學散射。因此，各種實施例可僅在輸入口包 括檢測器、僅在第二分光口包括檢測器或在輸入口和第二分光口均包 括檢測器。
存在光學耦合到微諧振器上的散射中心還引起在通過口 108和分 光口 136處觀察到的輸出的變化。在本發明的一個具體實施例中，與 周圍覆層材料的折射率不同的散射中心引起大的納米級諧振線頻率偏 移，其中對於大部分生物傳感系統來說，覆層材料為水。在一些情況 下，覆層折射率與散射中心折射率之間存在大的差值，其中每個折射 率可以是復折射率。圖1中概念性地示出了頻率偏移。在通過口 108 處，曲線圖151的實線152示出了不存在散射中心時在通過口檢測器 114處檢測到的光譜。虛線176示出了散射中心與微諧振器光學耦合時 檢測到的光譜，其中與圖線152相比，峰有所偏移。在實例性曲線圖 152中，偏移朝向較長的波長或朝向與(例如)大於覆層材料折射率的 散射中心折射率的實部相對應的紅移。
在分光口 136處看到類似的變化，其中虛線178示出了有散射中 心時的光譜，而實線162示出了沒有散射中心時的光譜。使用散射中 心和分光口或通過口處輸出的頻率偏移來檢測散射中心耦合強度變化 的微諧振器傳感系統在共同擁有和共同未決的專利申請No. 11/565,935
18中有詳細描述，該專利的標題為"Optical Microresonator"(光學微諧 振器)，代理人案巻號為62451US002,與本專利申請在同一天提交。 因此，在各種傳感系統中，檢測器位於分光口 136、通過口 108處，或
兩處均有檢測器。
圖4為單主環形諧振器實施例400的示意圖，其中光源402與單 波導404在輸入口 406處光學連通。輸入口檢測器410布置在輸入口 406處。光學元件412 (例如分光器或光學循環器)與輸入口 406、光 源402以及輸入口檢測器410光學連通。
環形微諧振器418與波導404光學連通。來自光源402的光424 射入第一主波導404中並朝通過口 408傳播。微諧振器418將光424 中的一些漸逝耦合出第一主波導404，耦合出的光以微諧振器418的一 種或多種諧振頻率(例如第一諧振光學模式428)在微諧振器418內傳 播。
在根據本發明一個實施例的傳感事件的過程中，散射中心450與 微諧振器418之間的光學耦合強度有所改變。當散射中心450與微諧 振器光學連通時，第一導向光學模式428被散射成不同於第一導向光 學模式的至少第二導向光學模式464。第二導向光學模式主要耦合到輸 入口 406並且作為光426離開輸入口。散射中心的存在使反射回輸入 口 406的寬範圍的工作頻率的能量發生大量轉移。因此，散射中心的 耦合變化可以通過用檢測器410監控輸入口 406處的光426來確定。
在替代實施例中，環形諧振器418被替換為盤形諧振器。
圖5為單主盤形諧振器實施例500的示意圖，其包括在輸入口 506 處與單波導504光學連通以向波導504提供光524的光源502。與本文 示出的其他實施例不同，光檢測器510布置在盤形諧振器518的中心 511處，而不是在波導口處。散射中心550與微諧振器518光學連通，或者去除散射中心與微諧振器的光學連通。對於圖示實施例而言，誘
發第一諧振光學模式528與第二導向光學模式564之間的散射的檢測 步驟包括檢測微諧振器518中心位置處的誘發散射。
圖6為雙主波導跑道形微諧振器實施例600的示意圖，其中光源 602與第一波導604在輸入口 606處光學連通。輸入口檢測器610布置 在輸入口 606處。通過口 608位於第一波導604的另一端。光學元件 612 (例如分光器或光學循環器)與輸入口 606、光源602以及輸入口 檢測器610光學連通。
來自光源602的光624射入第一主波導604並且朝通過口 608傳 播。跑道形微諧振器618包括兩個彎曲部分619和兩個直線部分620。 微諧振器618將光624中的一些漸逝耦合出第一主波導604，耦合出的 光以微諧振器618的一種或多種諧振頻率(例如第一諧振光學模式628) 在微諧振器618內傳播。在一些情況下，跑道618為單一橫向模式跑 道，這意味著跑道支持其方向橫向於跑道內光傳播方向的單一模式。 在另外一些情況下，跑道618為多橫向模式跑道。
第二主波導632布置為與微諧振器618光學連通。分光口 636位 於第二主波導632的一端，而第二分光口 638位於第二主波導632的 另一端。分光口 636主要能夠光學耦合到第一導向光學模式628。第二 分光口 638能夠非常弱地耦合到第一導向光學模式，或不能耦合到其 上。第二分光口檢測器644位於第二分光口 638處。
可以在輸入口 606、第二分光口 638或這兩個位置觀察到因散射中 心650而從第一模式到第二模式的光學散射。因此，各種實施例包括 與輸入口 606光學連通的檢測器、與第二分光口 638光學連通的檢測 器、或分別與輸入口和第二分光口光學連通的第一和第二檢測器。
被配置用於誘發從第一諧振導向光學模式到至少第二導向光學模式的光學散射的微諧振器波導系統的其他實施例在共同擁有的美國專
利申請No. 11/565,935中有圖示和描述，其標題為"Optical Microresonator"(光學微諧振器)，代理人案巻號為62451US002,與
本專利申請在同一天提交，其全文以引用的方式併入本文。
散射中心是這樣一種元件，當其光學耦合到微諧振器上時，能擾 亂微諧振器內諧振模式的波函數，使能量從不存在散射中心時因輸入 而激發的模式(例如圖1中的至少第一諧振光學模式128)轉至不存在 散射中心時未激發的模式(例如圖1中的至少第二導向光學模式164)。 在一個實施例中，散射中心增加從第一模式到第二模式的能量轉移， 但即使在不存在散射中心時，也可以發生一些從第一模式到第二模式 的能量轉移。
可與本發明傳感方法一起使用的散射中心的實例包括納米粒子。 如本文所用，術語"納米粒子"是指最大尺寸為大約1000納米或更小 的粒子。在某些實施例中，散射中心為至少20納米，至多100納米， 或為至少20納米且至多100納米。在其他實施例中，散射中心為至少 10納米，至多150納米，或為至少10納米且至多150納米。
在本發明的一個實施例中，散射中心具有與在傳感事件的過程中 將圍繞散射中心的介質相比的高折射率差值，其中介質通常為水。在 本發明的一個實施例中，散射中心具有高吸收值。例如，散射中心材 料復折射率的虛部為至少8。
在一些情況下，例如就一些金屬(例如金)而言，散射中心折射 率的實部小於l。在另外一些情況下，例如就矽而言，散射中心折射率 的實部大於2.5。
適用於本發明的散射中心的實例包括矽納米粒子和金屬納米粒子 (包括金和鋁納米粒子)。在一些情況下，散射中心可為半導體，例
21如Si、 GaAs、 InP、 CdSe或CdS。例如，散射中心可為直徑為80納米、 所關注波長的折射率(實部)為3.5的矽粒子。散射中心的另一個實例 為直徑為80納米、靠近1550nm處波長的折射率為0.54 + 9.58i的金粒 子。散射中心的另一個實例為直徑為80納米、靠近1550nm處波長的 折射率為1.44 + 16.0i的鋁粒子。
在一些實施例中，散射中心為電介質粒子。在多個實施例中，散 射中心為非螢光粒子。此外，在一些實施例中，散射中心不是半導體。
現在參見圖1的實例，圖1示出了涉及所有實例的問題，散射中 心150與微諧振器118之間的光學耦合強度變化可以分別誘發第一與 第二導向光學模式128和164之間的光學散射變化。光學耦合強度變 化可以通過多種方法實現。例如，散射中心150與微諧振器118之間 的間距"d"的變化可以改變散射中心與微諧振器之間的光學耦合強度。 又如，散射中心折射率ns的變化可以改變散射中心與微諧振器之間的 光學耦合強度。在一個實施例中，散射中心為嵌入諧振器的芯中的折 射率可變的區域。在這種情況下，當(例如)該區域暴露到諸如氣體 或液體之類的材料並對其進行吸收時，折射率會發生變化。 一般來講， 任何可導致散射中心150與微諧振器118之間光學耦合強度變化的機 理都會誘發模式128與164之間的光學散射變化。
有多種將微諧振器波導系統用作傳感器的方法。方法的選擇取決 於多種考慮，包括待測被分析物的化學性質、可用的檢測時間、樣品 製備技術等。在檢測器系統中使用散射中心的一個實例涉及用特定抗 原的抗體塗覆諧振器。抗體為免疫系統用以辨識和中和異物(如細菌 和病毒)的蛋白質。每種抗體將特定的抗原作為其唯一目標加以識別。
在一種方法中，待分析的樣品被製備為在將納米粒子與樣品混 合之前，通過賦予納米粒子相應的抗體功能使得散射中心標記(例如 納米粒子標記)選擇性地附接到抗原分子上。然後使樣品與微諧振器的表面接觸。當有抗體功能的諧振器與納米粒子標記的抗原在諧振器 表面發生粘結時，納米粒子被帶入光學耦合範圍內，從而在第二分光 口或輸入口處會檢測到信號，而此前這兩處是沒有顯著信號的。用相 同或類似的方法檢測細菌、病毒和孢子，以及蛋白質和DNA。
通過從諧振器中移除散射中心來完成傳感的步驟如下首先採用 抗原-抗體系統將散射中心粘結到諧振器上，所述抗原-抗體系統的粘結 性比引入被分析物時發生的抗原-抗體反應所得物的粘結性弱。粘結到 諧振器上的競爭會導致散射中心從諧振器周邊分離，並使其喪失與散 射中心的光學耦合。類似的方法可以檢測能夠選擇性地使納米粒子與 諧振器之間的化學鍵斷裂的任何化學物質。
光源102產生期望的波長或波長範圍的光124。例如，如果將微諧 振器用在傳感器中，則光源102產生與散射中心相互作用的波長的光，
使該散射中心與微諧振器進行光學連通或去除其與微諧振器的光學連 通。在使用微諧振器的現有傳感系統中，尤其重要的是光源生成有效
地耦合到第一主波導104的光。這導致光源的頻繁使用，例如雷射器 (例如雷射二極體)的頻繁使用。雷射器(例如雷射二極體)是適用 於本發明實施例的光源。此外，本發明的方法允許使用產生比現有傳 感系統的光源波長範圍更寬的光源。在一個實施例中，光源102包括 燈，以及將燈發出的光耦合到第一主波導104的合適的光學元件。在 一些應用中，光源102可以為發光二極體(LED)或雷射器(例如雷射二 極管)。在一個實施例中，燈為寬帶光源，這種光源發出多種或一系 列頻率的光，而不是發出一種特定波長或窄範圍波長的光。在一些應 用中，光源可以為發出(例如)白光的寬帶光源。在一些情況下，光 源102可以發出具有至少一個波長的光，該至少一個波長在約400nm 至約2000nm的範圍內。在另外一些情況下，該範圍可以為約700nm 至約1600nm。在另外一些情況下，該範圍可以為約900nm至約1400nm。 在一些情況下，光源102可以發出633nm、 850nm、 980nm、 1310nm、 或1550nm的光。第一主波導104可以是任何適合類型的波導，並且可以是(例如) 形成於基底之中或之上的通道波導，例如形成於矽基底之中或之上的 波導。第一主波導104也可以是光纖。
檢測器單元110包括用於檢測光的光檢測器，例如，光電二極體 或光電電晶體。檢測器單元110還可以包括對波長敏感的裝置，該裝 置選擇到達光檢測器的光的波長。該波長選擇裝置可以是(例如)濾 波器或光度計。該波長選擇裝置可以是可調諧式，以使得使用者可以 主動改變入射到光檢測器上的光的波長。在一些情況下，波長選擇裝 置可以用在其他口，例如第二分光口。
圖1示出的微諧振器118為盤形微諧振器。
一般來講，微諧振器
118可為任何類型的諧振器，例如任何形狀的微腔，其能夠支持多種導
向光學模式，並且能夠耦合到一個或多個光學波導上。例如，微諧振
器118可以為環形微諧振器、閉環形微諧振器、球形微諧振器、螺旋
管形微諧振器、盤形微諧振器、或跑道形微諧振器。在本文所討論的 各種實例性實施例中，這些微諧振器類型中的任何一種都可以被另一 種取代，從而獲得替代實施例。由於環形和盤形微諧振器的製造工藝 符合標準微電子工藝，因此這些裝置使低成本製造和穩固的系統具有 相當大的可能性。
在一些情況下，微諧振器具有圓對稱性，即可以將微諧振器的芯 的橫截面的周長表示為只是離中心點的距離的函數。在一些情況下， 例如在盤形微諧振器中，中心點可以是微諧振器的中心。具有圓對稱
性的實例性微諧振器的形狀包括球形、螺旋管形、盤形以及圓柱形。 在一些情況下，微諧振器可以具有球對稱性，例如球形微諧振器。
微諧振器118的直徑通常在2微米至幾毫米的範圍內，但更為常 見地在5微米至500微米的範圍內。在一些情況下，該範圍為約5微米至約100微米。
在一些情況下，本發明的主波導和微諧振器，以及光源和檢測器 都集成在共用基底上。集成可以為單片集成，在這種情況下，通常使 用相同的材料系統將不同的元件都構造在共用基底上。此類集成可特 定於基底，即對一些基底而言，集成可能較為容易或可行，而對另外 一些基底而言，集成可能較為困難或不可行。例如，可以在基底(例 如矽基底)上製造或形成檢測器、微諧振器以及波導，但在相同的基 底上形成或製造光源可能是困難或不可行的。又如，可以在III-V半導
體基底(例如InP或GaAs基底)上形成或製造所有系統元件。
集成可以為混合集成，在這種情況下，首先獨立地製造至少一些 元件，然後將其組裝在共用基底上。組裝可以通過(例如)用粘結方 法將檢測器和光源粘合到基底上來實現。在這種情況下，可以將微諧 振器和波導整體地集成到基底上。在一些情況下，粘合步驟可能需要 使光源和檢測器與主波導主動對齊。
在某些實施例中，共用基底為用於集成光學元件的常規基底，例 如二氧化矽，這種基底的折射率基本上小於用來製造主波導和微諧振 器(或光源和光電探測器)的材料的折射率。可以設想出基底可包括 平坦的固體材料(例如玻璃)，或平滑的撓性材料(例如聚合物基底)。 本發明中可以使用(例如)聚酯、聚丙烯酸酯和聚醯亞胺基底。基底 可為透光的或不透光的。基底可為聚合物、金屬、半導體、或任何類 型的玻璃。在一個實例中，基底為矽。又如，基底可為浮法玻璃，或 其可以由有機材料製成，例如由聚碳酸酯、丙烯酸類樹脂、聚對苯二 甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚碸等製成。
為了製造集成裝置，通常將一種或多種高折射率材料沉積在基底 上，並使其圖案化，從而形成一個或多個主波導和微諧振器。圖案化 可以採用加成法來實現，例如穿過掩模的氣相沉積法、印刷法或剝離法。熱蒸鍍法、濺射法、印刷法、分子束外延法(MBE)、金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)、蒸汽相外延法(VPE)、以及化學氣相沉積法都是 可用於將波導、微諧振器或其他光學元件沉積在基底上的方法的實例。 還可以採用減除法，例如蝕刻法(例如反應離子蝕刻法或溼式化學蝕 刻法)，將波導元件圖案化在基底上。在一些應用中，諧振器、光學 波導、光源和檢測器集成在同一基底上。集成裝置或集成裝置的部件 可以通過(例如)模製法製造。耦合到諧振器的波導通常呈錐形，以增加波導外的光場強度的強 度，從而增加耦合進微諧振器的光的量。就光纖波導而言，可以將光 纖加熱並且使其成為錐形，或將其蝕刻為約1微米至約5微米的總厚 度。同樣，對於平面或通道波導而言，可以使波導厚度在光耦合到微 諧振器的區域內減小。除了使波導的尺寸減小之外，也可以使波導周 圍的覆層厚度減小。在共同擁有和共同未決的已公布的美國專利申請 No. 2005-0077513中更詳細地討論了將微諧振器耦合到波導或光纖的 多種方法，該專利申請以引用的方式併入本文。如何可以將波導耦合到微諧振器，從而得到具有可接受光損耗量 和合格製造工藝的微諧振器結構存在許多不同的實例。例如，圖3示 出了第一主波導104和第二主波導132與微諧振器118的橫向耦合。 在這種構造中，波導104、 132與微諧振器U8之間的光學耦合以橫向 或側向進行，如圖3中定向的結構。在某些實施例中，覆層存在于波 導104、 132的外側面204、 232上，以將波導模式推向諧振器以增強 耦合，如(例如)共同擁有的美國專利申請No. 11/277769中所述，該 專利申請以引用的方式併入本文。有多種用於將覆層配置在波導104、 132上以實現波導104、 132與微諧振器118之間耦合的其他選擇。在橫向耦合構造的一些實施例中，採用相同的圖案化步驟來製造 波導104、 132和微諧振器118。圖3的橫向耦合構造的替代形式為豎直耦合構造，圖13中示出了 豎直耦合構造的實例。豎直耦合的光學裝置1300包括光學微諧振器1318、第一光學波導1304、以及第二光學波導1332，所有元件都嵌入 設置在基底1303上的下部覆層1305中。波導1304、 1332被覆層1305 圍繞。在豎直耦合構造中，波導1304、 1332與微諧振器1318之間的 光學耦合以豎直或上下方向進行，如圖13中定向的光學裝置1300。在豎直耦合構造的一些實施例中，波導1304、 1332以獨立於微諧 振器1318的光刻步驟進行圖案化。在一些情況下，微諧振器與主波導之間的耦合為漸逝耦合，即微 諧振器和主波導的芯沒有接觸，而是彼此足夠接近以使得微諧振器與 波導的漸逝末端在兩個芯之間的覆層區域重疊。在另外一些情況下，微諧振器和主波導的芯物理接觸，如在標題 為"Optical Microresonator"(光學微諧振器)的共同未決的專利申請 No. 11/565,935 (代理人案巻號62451US002)中有詳細描述，該專利申 請與本專利申請在同一天提交。在這樣的情況下，微諧振器與主波導 之間的耦合可以稱為芯耦合。在一些情況下，微諧振器與主波導之間的耦合可以通過在圖14中 示意性地示出的多模幹涉耦合器來進行。光學系統1400包括通過多模 幹涉耦合器(MMIC)1450光學耦合到第一主波導1410和第二主波導 1420的微諧振器1405，其中MMIC可以為(例如)矩形。MMIC中的 光學幹涉作用決定射入波導1410的光的哪些部分耦合到微諧振器 1405，以及哪些部分耦合到第二主波導1420。在實例性光學系統1400 中，波導1410和1420共線。 一般來講，兩個主波導可以共線或可以 不共線。使用有效的二維時域有限差分(FDTD)仿真對具有兩個主波導的微環諧振器系統進行數值分析。執行不同的仿真，以證明光學耦合到 微環諧振器系統的各種類型散射中心的效果。模製系統與圖1中示出的系統100類似，所不同的是用單模微環諧振器取代了盤形諧振器118。 環的直徑為3.6微米，並且環芯的有效折射率為3。假定n為1.33的水 覆層圍繞環形諧振器。光從寬帶源發出，其波長為1至3微米。第一個實例證明了附接到具有兩個主波導的環形諧振器的矽納米 粒子的效果，其中納米粒子的直徑為80納米，而折射率為3.5。在圖7 中，以任意單位相對於輸入光強度在y軸上繪製隨x軸的波長變化的 信號強度。圖7示出了在通過口處檢測到的信號，其中圖線710表示 僅具有水覆層的環形諧振器的輸出，而圖線720表示光學耦合到矽納 米粒子的環形諧振器的輸出。對於通過口光譜而言，在1.55微米波長 處發生了約2納米的峰偏移。在其他諧振波長處，可以觀察到相當大 的納米級偏移，證明傳感方法中使用納米粒子技術的靈敏度的提高。對於該第一個實例而言，圖8示出了第二分光口的信號強度與波 長的關係圖，其中圖線810表示僅具有水覆層的環形諧振器的輸出， 而圖線820表示具有光學耦合到環形諧振器的矽納米粒子的環形諧振 器的輸出。對於第二分光口光譜而言，在1.55微米波長處，具有納米 粒子時的信號比不具有納米粒子時的信號幾乎大50倍。類似的強度增 加存在於多個其他諧振波長處，從而表明了該技術的寬帶性質。這證 明在實施涉及散射中心的傳感方法時，可對光源的波長加以選擇以獲 得最大的信號增強。第二個實例證明了附接到具有兩個主波導的環形諧振器的金納米 粒子的效果，其中金粒子的直徑為80納米，並且靠近1550納米處的 折射率為0.54 + 9.58i。圖9示出了通過口的信號強度與波長的關係圖， 其中圖線910表示僅具有水覆層的環形諧振器的輸出，而圖線920表 示具有與其光學連通的金納米粒子的情況下的環形諧振器的輸出。對於通過口光譜而言，在1.55微米波長處發生了約4納米的峰偏移。對於該第二個實例而言，圖IO示出了第二分光口的信號強度與波長的關係圖，其中圖線ioio表示僅具有水覆層的環形諧振器的輸出，而圖線1020表示具有與其光學連通的金粒子的情況下的環形諧振器的 輸出。對於第二分光口光譜而言，在1.55微米波長處，具有金粒子時 的信號遠遠大於不具有金粒子時的信號。金對可見光至紅外光的波長 具有小的實折射率和很大的虛折射率(表示材料的吸收)。因此，在 一些情況下，可導致通過口處的較大的諧振波長偏移和第二分光口處 的顯著的信號增強。第三個實例證明了附接到具有兩個主波導的環形諧振器的鋁納米粒子的效果，其中鋁粒子的直徑為80納米，並且靠近1550納米處的 折射率為1.44+ 16.0i。圖ll示出了通過口的信號強度與波長的關係圖， 其中圖線1110表示僅具有水覆層的環形諧振器的輸出，而圖線1120 表示具有與盤形諧振器光學連通的鋁納米粒子的情況下的環形諧振器的輸出。對於通過口光譜而言，在1.55微米波長處發生了約5納米的 峰偏移。對於該第三個實例而言，圖12示出了第二分光口的強度與波長的 關係圖，其中圖線1210表示僅具有水覆層的環形諧振器的輸出，而圖 線1220表示具有與盤形諧振器光學連通的鋁納米粒子的情況下的環形 諧振器的輸出。對於第二分光口光譜而言，在1.55微米波長處，具有 鋁粒子時的信號強度遠遠大於不具有鋁粒子時的信號強度。對於鋁而 言，折射率的實部相當大，同時鋁具有大的折射率虛部(吸收)。這 些特性可以導致通過口處的較大的諧振波長偏移和第二分光口處的較 大的信號增強。此外，可以在諧振波長處觀察到光譜峰加寬。通過以下實例示出與本發明所公開的裝置相關的一些優點。不應 該將此實例中所列的具體材料、量和尺寸，以及其他條件和細節理解 為對本發明的不當限制。按照以下步驟製造類似於圖13中裝置的光學系統。首先，採用等離子增強化學氣相沉積法(PECVD)將3微米厚、折射率為1.46的硼磷矽玻璃(BPSG)下部覆層沉積在0.75mm的矽(100 取向)基底上。然後，加熱樣品並使其在108(TC下回流約四個小時。 然後，採用PECVD法將250納米厚的SiN層沉積在BPSDG下部覆層 上。沉積的SiN層形成兩個光學波導的芯，並且其折射率為2.0。然後，採用傳統的光刻技術和反應離子蝕刻法(RIE)將沉積的SiN 層圖案化，以製備脊形第一和第二主波導。每個波導的蝕刻深度為約 130納米。每個波導的芯為約1.5微米寬。然後，採用PECVD法，通 過用100納米厚的Si02層塗覆主波導將主波導嵌入。Si02層的折射率 為約1.46。然後，為形成微諧振器，採用PECVD法將250納米厚、折射率為 2.0的SiN層沉積在Si02層上。採用傳統的光刻技術和反應離子蝕刻法 (RIE)將沉積的SiN層成型為30微米直徑的盤。每個主波導的中心軸線 與盤周邊標稱地對齊。每個波導與微諧振器之間的光學耦合通過豎直 的漸逝耦合來實現。通過使用可攜式原子力顯微鏡(AFM)(型號為MOBILES,可得自 Nanosurf, Liestal， Switzerland)將10微米矽AFM探針尖(型號為SICON A，可得自Applied NanoStmctures, Santa Clara, CA.)放置在微諧振器 的光場中來模擬散射中心。使用高功率摻鉺光纖放大器(EDFA)光源(型號為NP 3000 PS，可 得自Nuphoton technologies, Murrieta, CA)將光射入第一主波導，該光 纖放大器(EDFA)光源具有波長範圍在約1540納米至約1575納米內的 自發發射。將分光器放置在光學系統的第二分光口附近，以允許光譜分析儀 (型號為HP86142A，可得自Hewlett-Packard, Palo Alto, CA)和寬帶功率計(型號為HP81532A，也可得自Hewlett-Packard)都可以監測第 二分光口處的輸出。結果示於圖15中。曲線1510為探針尖完全在盤形微諧振器的光 場以外(尖端向上)時在第二分光口處的輸出光譜。曲線1520示出了 探針尖完全在微諧振器的光場以內(尖端向下)時的輸出光的光譜。 每條曲線在大約1550nm、 1557nm以及1564nm處具有三次諧振。在不 存在散射中心的情況下，輸出光1510的存在據信是由於蝕刻工藝期間 造成的表面粗糙度導致微諧振器的模式之間的光學散射所致。在第二分光口處，尖端向下時的總輸出功率比尖端向上時的輸出 功率高約1.5分貝。功率增加是由於探針尖的存在起到了散射中心的作用。本發明的光學傳感系統可易於再生產，操作簡單，能夠保持較高 的腔體Q因素，並且可易於與耦合波導對齊。在一些情況下，可以將 微腔諧振器和波導集成在同一基底上。本發明所公開的實施例允許使 用便宜的寬帶光源(例如低成本的發光二極體(LED))取代昂貴的窄帶 光源，而不會影響系統靈敏度。本發明還允許使用寬帶檢測器取代昂 貴的光譜檢測器，這對檢測靈敏度影響極小，或沒有影響。本專利申請還公開了具有增強靈敏度(例如不同模式間的較大波長偏移或較強光學散射)的傳感系統。增強的靈敏度可允許檢測(例 如)單個被分析物。對如下的使用微諧振器的光學傳感系統存在需求它們容易製造， 當暴露於被分析物時產生較大的光譜偏移，並可以使用比窄線寬可調 式雷射器更為便宜的光源。因此，不應認為本發明局限於上述具體實例，而應當理解為本發明涵蓋如附帶的權利要求書明確陳述的本發明的所有方面。閱覽本發 明的說明書之後，本發明所屬領域的技術人員將易於明白本發明可適 用的多種修改形式、等同處理以及多種結構。權利要求書旨在涵蓋這 樣的修改形式和裝置。
權利要求
1. 一種光學傳感系統，包括第一主波導，所述第一主波導包括與光源光學連通的輸入口；第二主波導，所述第二主波導包括第二分光口；微諧振器，所述微諧振器光學耦合到所述第一和第二主波導；光學散射中心，所述光學散射中心被配置用於改變所述光學散射中心和所述微諧振器之間的光學耦合強度；和檢測器，所述檢測器與所述第二分光口光學連通，其中所述光學傳感系統被配置成，使得在不存在光學耦合到所述微諧振器上的散射中心的情況下，射在所述輸入口處的光耦合到所述微諧振器的第一導向光學模式，而所述第一導向光學模式基本不耦合到所述第二分光口。
2. 根據權利要求l所述的系統，其中所述微諧振器選自盤形微諧 振器、環形微諧振器、螺旋管形微諧振器以及跑道形微諧振器。
3. 根據權利要求l所述的系統，其中所述散射中心包含粒子。
4. 根據權利要求3所述的系統，其中所述粒子為納米粒子。
5. 根據權利要求4所述的系統，其中所述納米粒子為金屬納米粒 子、半導體納米粒子或電介質納米粒子。
6. 根據權利要求l所述的系統，其中所述散射中心為嵌入所述諧 振器的芯中的、折射率可變的區域。
7. 根據權利要求l所述的系統，其中所述第二主波導還包括分光 口，其中所述光學傳感系統被配置成，使得在不存在光學耦合到所述 微諧振器的散射中心的情況下，所述微諧振器的所述第一導向光學模 式耦合到所述分光口。
8. 根據權利要求l所述的系統，其中所述第二分光口主要能夠光 學耦合到所述微諧振器的第二導向光學模式，並且所述檢測器被配置 用於檢測所述第二導向光學模式。
9. 根據權利要求8所述的系統，其中所述光學傳感系統被配置成， 使得所述光學散射中心與所述微諧振器之間光學耦合的強度的變化誘 發從所述第一諧振導向光學模式到所述第二導向光學模式的光學散射 的變化。
10. 根據權利要求9所述的系統，其中所述光學傳感系統被配置 用於在位於所述第二分光口的所述檢測器處檢測光學散射的變化。
11. 根據權利要求1所述的系統，其中所述微諧振器和所述第一 主波導集成在基底上。
12. 根據權利要求11所述的系統，其中所述光源集成在所述基底上。
13. 根據權利要求ll所述的系統，其中所述檢測器集成在所述基底上。
14. 根據權利要求1所述的系統，其中採用豎直耦合將所述微諧振器光學耦合到所述第一和第二主波導。
15. 根據權利要求1所述的系統，其中採用橫向耦合將所述微諧 振器光學耦合到所述第一和第二主波導。
16. 根據權利要求1所述的系統，其中採用漸逝耦合將所述微諧 振器光學耦合到所述第一和第二主波導。
17. 根據權利要求1所述的系統，其中採用芯耦合將所述微諧振 器光學耦合到所述第一和第二主波導。
18. 根據權利要求1所述的系統，其中通過多模幹涉耦合器將所 述微諧振器光學耦合到所述第一和第二主波導。
19. 一種光學傳感系統，包括一個或多個主波導，所述一個或多個主波導包括第一主波導，所 述第一主波導包括與光源光學連通的輸入口；微諧振器，所述微諧振器光學耦合到所述一個或多個主波導；和 檢測器，所述檢測器與所述輸入口光學連通。
20. 根據權利要求19所述的系統，其中所述微諧振器選自盤形微諧振器、環形微諧振器、螺旋管形微諧振器以及跑道形微諧振器。
21. 根據權利要求19所述的系統，其中所述光學傳感系統還包括光學散射中心，所述光學散射中心被配置用於改變所述光學散射中心 與所述微諧振器之間的光學耦合強度。
22. 根據權利要求19所述的系統，其中所述微諧振器和所述第一 主波導集成在基底上。
23. 根據權利要求22所述的系統，其中所述光源集成在所述基底上。
24. 根據權利要求22所述的系統，其中所述檢測器集成在所述基 底上。
25. 根據權利要求19所述的系統，還包括與所述輸入口光學連通的光學循環器，其中所述光學循環器允許將第二模式光學耦合到所述 檢測器。
26. 根據權利要求19所述的系統，還包括與所述輸入口光學連通 的分光器，其中所述分光器允許將第二模式光學耦合到所述檢測器。
27. —種光學傳感系統，包括第一主波導，所述第一主波導包括與光源光學連通的輸入口； 第二主波導，所述第二主波導包括分光口和第二分光口； 微諧振器，所述微諧振器光學耦合到所述第一和第二主波導；和 檢測器，所述檢測器與所述第二主波導光學連通，其中(a) 射在所述輸入口處的光能夠耦合到i. 所述微諧振器的第一導向光學模式；以及ii. 所述微諧振器的第二導向光學模式，這種情況主要在散射中心 與所述微諧振器光學連通時發生；(b) 所述分光口主要能夠光學耦合到所述微諧振器的所述第一導 向光學模式，而基本不能夠耦合到所述第二導向光學模式；(c) 所述第二分光口主要能夠光學耦合到所述微諧振器的所述第 二導向光學模式，而基本不能夠耦合到所述第一導向光學模式；(d) 所述檢測器與所述第二分光口光學連通。
28. 根據權利要求27所述的系統，其中所述微諧振器選自盤形微 諧振器、環形微諧振器、螺旋管形微諧振器以及跑道形微諧振器。
29. 根據權利要求27所述的系統，其中所述光學傳感系統包括散 射中心，所述散射中心被配置用於改變所述光學散射中心與所述微諧 振器之間的光學耦合強度。
30. 根據權利要求29所述的系統，其中所述散射中心包含粒子。
31. 根據權利要求30所述的系統，其中所述粒子為納米粒子。
32. 根據權利要求31所述的系統，其中所述納米粒子為金屬納米 粒子、半導體粒子或電介質納米粒子。
33. 根據權利要求29所述的系統，其中所述散射中心為嵌入所述 諧振器的芯中的、折射率可變的區域。
34. 根據權利要求27所述的系統，其中所述微諧振器、所述第一 主波導、以及所述第二主波導集成在基底上。
35. 根據權利要求34所述的系統，其中所述光源集成在所述基底上。
36. 根據權利要求34所述的系統，其中所述檢測器集成在所述基 底上。
37. 根據權利要求27所述的系統，其中採用豎直耦合將所述微諧 振器光學耦合到所述第一和第二主波導。
38. 根據權利要求27所述的系統，其中採用橫向耦合將所述微諧 振器光學耦合到所述第一和第二主波導。
39. —種光學傳感系統，包括一個或多個主波導，所述一個或多個主波導包括第一主波導，所 述第一主波導包括與光源光學連通的輸入口；盤形微諧振器，所述盤形微諧振器光學耦合到所述一個或多個主 波導，所述盤形微諧振器限定了中心位置；和檢測器，所述檢測器與所述盤形微諧振器光學連通並且位於所述 盤形微諧振器的所述中心位置。
40. 根據權利要求39所述的系統，其中所述微諧振器、所述第一 主波導、所述光源以及所述檢測器集成在基底上。
41. 根據權利要求40所述的系統，其中所述光源混合集成在所述基底上。
42. 根據權利要求40所述的系統，其中所述微諧振器、所述第一 主波導以及所述檢測器整體集成在所述基底上。
43. 根據權利要求39所述的系統，其中所述光學傳感系統還包括 光學散射中心，所述光學散射中心被配置用於改變所述光學散射中心 與所述微諧振器之間的光學耦合強度。
44. 根據權利要求43所述的系統，其中所述散射中心包含粒子。
45. 根據權利要求44所述的系統，其中所述粒子為納米粒子。
46. 根據權利要求45所述的系統，其中所述納米粒子為金屬納米 粒子、半導體納米粒子或電介質納米粒子。
47. 根據權利要求43所述的系統，其中所述散射中心為嵌入所述 諧振器的芯中的、折射率可變的區域。
全文摘要
本發明公開了一種光學傳感系統和方法。所述光學傳感系統包括一個或多個主波導。第一主波導包括與光源光學連通的輸入口。所述系統還包括光學耦合到所述主波導的微諧振器，以及被配置用於改變所述光學散射中心與所述微諧振器之間光學耦合強度的光學散射中心。此外，所述系統包括與所述主波導中的一個或與所述微諧振器光學連通的檢測器。
文檔編號G01J3/44GK101548163SQ200780044465
公開日2009年9月30日 申請日期2007年11月7日 優先權日2006年12月1日
發明者巴裡·J·科赫, 易亞沙, 特裡·L·史密斯 申請人:3M創新有限公司