專利名稱：光學(xué)傳感方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明整體涉及光學(xué)裝置，并且更具體地講，涉及使用微諧振器 的光學(xué)傳感器。
背景技術(shù)：
對(duì)于生物、化學(xué)與氣體物種的檢測(cè)而言，光學(xué)傳感成為越來越重 要的技術(shù)。光學(xué)傳感可以提供快速和敏感的優(yōu)點(diǎn)。近年來，已經(jīng)開發(fā) 出多種制造非常靈敏的光學(xué)裝置的新型光子結(jié)構(gòu)和材料。
一種用于被分析物檢測(cè)的光學(xué)傳感方法釆用了集成的光學(xué)波導(dǎo)。 此類傳感器已被證明能夠檢測(cè)吸附在波導(dǎo)表面上的化學(xué)和生物物種。 但是，為了獲得用于多種分析應(yīng)用的足夠的光學(xué)信號(hào)變化，集成的光 學(xué)波導(dǎo)化學(xué)分析可能需要大型傳感裝置(通常為若干厘米長(zhǎng))。
表面等離子共振(SPR)也已經(jīng)用于制造光學(xué)傳感器。SPR技術(shù)已經(jīng) 商業(yè)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(tǒng)可能會(huì)有很大的體積。
目前正針對(duì)生化、化學(xué)和氣體傳感應(yīng)用對(duì)光學(xué)微諧振器進(jìn)行深入 的調(diào)查研究。光學(xué)微諧振器是可具有高品質(zhì)因數(shù)(Q因素)的非常小的裝置，其中Q因素通常是指諧振波長(zhǎng)與諧振線寬的比率。例如，用 玻璃球體制成的微諧振器可以用來制造非常靈敏的光學(xué)傳感器，因?yàn)?微球諧振器中捕集的光多次循環(huán)，從而制備出具有高Q因素(>106)的 裝置，所述裝置可以有效增強(qiáng)微球表面上的被分析物與在諧振器中循
環(huán)的光之間的光學(xué)相互作用。在光學(xué)微諧振式傳感器中，主波導(dǎo)(bus waveguide)用于激發(fā)位于微諧振器表面附近的導(dǎo)向光學(xué)模式。諧振光學(xué) 模式的一個(gè)實(shí)例為回音壁模式。將被分析物設(shè)置在微球模式的漸逝場(chǎng) 內(nèi)。通過諧振頻率的偏移來檢測(cè)傳感器的折射率變化。可使用連接至 檢測(cè)器的第二主波導(dǎo)從微諧振器中提取偏移的光譜。
已對(duì)多種類型的光學(xué)微諧振器展開了以制備光學(xué)傳感器為目的的 研究，但微球、微環(huán)和微盤受到了最多的關(guān)注?；诎雽?dǎo)體制造工藝 的微盤或微環(huán)相對(duì)來說易于進(jìn)行大量和/或高密度的制造。其相對(duì)于波 導(dǎo)的位置可以用諸如干/濕蝕刻和層沉積之類的制造工藝進(jìn)行調(diào)整。然 而，至少部分地由于表面粗糙度和材料吸收，這些諧振器的Q因素通 常低于104。
在用微球傳感的傳統(tǒng)方法中，被分析物與球體表面的結(jié)合導(dǎo)致球 體有效折射率發(fā)生小的變化。這導(dǎo)致諧振光譜峰波長(zhǎng)位置發(fā)生小的偏 移。這些偏移通常在皮米范圍內(nèi)。為了檢測(cè)此類小偏移，需要用昂貴 的設(shè)備進(jìn)行光譜分析。此外，微諧振器必須設(shè)計(jì)為提供非常窄的線寬， 以使得能夠檢測(cè)小的峰偏移。這需要高精密度(自由光譜范圍除以線 寬)，或等效的高品質(zhì)因數(shù)(工作波長(zhǎng)除以線寬)的微諧振器。為了 檢測(cè)小的頻率偏移，這轉(zhuǎn)化為對(duì)微諧振器中的低損耗波導(dǎo)以及微諧振 器與主波導(dǎo)之間弱耦合的需要。
存在對(duì)使用微諧振器的改善的光學(xué)傳感系統(tǒng)的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明整體涉及光學(xué)系統(tǒng)。更具體地講，本發(fā)明適用于光學(xué)系統(tǒng)，例如使用微諧振器的光學(xué)傳感器。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是檢測(cè)微諧振器的兩種導(dǎo)向光學(xué)模式之間光 學(xué)散射的方法，其步驟包括提供具有光源以及一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)的光 學(xué)傳感系統(tǒng)，其中第一主波導(dǎo)有一個(gè)與光源光學(xué)連通的輸入口。光學(xué) 傳感系統(tǒng)還包括光學(xué)耦合到一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)的微諧振器。該方法的 步驟還包括使用光源激發(fā)微諧振器的第一諧振導(dǎo)向光學(xué)模式，誘導(dǎo)從 微諧振器的第一諧振導(dǎo)向光學(xué)模式到至少第二導(dǎo)向光學(xué)模式的光學(xué)散 射的變化(第二模式與第一模式不同)，以及檢測(cè)光學(xué)散射的變化。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是檢測(cè)散射中心的方法，其步驟包括提供 光學(xué)傳感系統(tǒng)，該光學(xué)傳感系統(tǒng)包括光源、 一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)(其中 第一主波導(dǎo)具有一個(gè)與光源光學(xué)連通的輸入口)、光學(xué)耦合到一個(gè)或 多個(gè)主波導(dǎo)的微諧振器以及能夠光學(xué)耦合到微諧振器的散射中心。該 方法的步驟還包括使用光源激發(fā)微諧振器的至少第一諧振導(dǎo)向光學(xué)模 式，改變散射中心與微諧振器之間的光學(xué)耦合強(qiáng)度，以誘導(dǎo)光學(xué)散射 在微諧振器的第一模式和至少第二導(dǎo)向光學(xué)模式之間發(fā)生變化，并檢 測(cè)從第一模式到第二模式的能量轉(zhuǎn)移的變化。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是一種檢測(cè)被分析物的方法，其步驟包括 使用光學(xué)散射中心標(biāo)記被分析物物質(zhì)以及提供光學(xué)傳感系統(tǒng)。光學(xué)傳 感系統(tǒng)包括光源、 一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)(包括具有一個(gè)與光源光學(xué)連通 的輸入口的第一主波導(dǎo))以及光學(xué)耦合到一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)的微諧振 器(具有能夠以特定的化學(xué)方式與被分析物結(jié)合的表面)。該方法的 步驟還包括使用光源激發(fā)微諧振器的至少第一導(dǎo)向光學(xué)模式，使微諧 振器的表面暴露于標(biāo)記的被分析物物質(zhì)，誘導(dǎo)從微諧振器的第一模式 到至少第二導(dǎo)向光學(xué)模式的光學(xué)散射的變化，以及檢測(cè)光學(xué)散射的變 化。
本發(fā)明的上述發(fā)明內(nèi)容并非意圖描述本發(fā)明的每個(gè)圖示實(shí)施例或
10每種實(shí)施方式。下面的附圖和詳細(xì)描述將更具體地舉例說明這些實(shí)施 例。


結(jié)合下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施例的詳細(xì)描述，可以更全 面地理解本發(fā)明，其中
圖1、 2和3分別為光學(xué)系統(tǒng)的示意性俯視圖和側(cè)視圖4為具有單主環(huán)形諧振器的光學(xué)系統(tǒng)的示意性俯視圖5為具有單主盤形諧振器的光學(xué)系統(tǒng)的示意性俯視圖，其中單
主盤形諧振器具有中心光電檢測(cè)器；
圖6為具有雙主跑道環(huán)形諧振器的光學(xué)系統(tǒng)的示意性俯視圖7為在具有和不具有硅納米顆粒散射中心的情況下，于光學(xué)系
統(tǒng)的通過口處檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系圖。
圖8為在具有和不具有硅納米顆粒散射中心的情況下，于光學(xué)系
統(tǒng)的第二分光口處檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系圖。
圖9為在具有和不具有金納米顆粒散射中心的情況下，于光學(xué)系
統(tǒng)的通過口處檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系圖。
圖IO為在具有和不具有金納米顆粒散射中心的情況下，于光學(xué)系 統(tǒng)的第二分光口處檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系圖。
圖11為在具有和不具有鋁納米顆粒散射中心的情況下，于光學(xué)系 統(tǒng)的通過口處檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系圖。
圖12為在具有和不具有鋁納米顆粒散射中心的情況下，于光學(xué)系 統(tǒng)的第二分光口處檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系圖。
圖13為在兩個(gè)主波導(dǎo)與微諧振器之間具有豎直耦合的光學(xué)裝置 的示意性側(cè)視圖。
圖14為具有跑道環(huán)形諧振器的光學(xué)系統(tǒng)的示意性俯視圖，其中跑 道環(huán)形諧振器通過多模干涉耦合器耦合到兩個(gè)主波導(dǎo)上。
圖15為在具有和不具有散射中心的情況下，于光學(xué)系統(tǒng)的第二分 光口處檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系圖。盡管本發(fā)明可具有各種修改形式和替代形式，其細(xì)節(jié)已在附圖中 以實(shí)例的方式示出并將做詳細(xì)描述。然而應(yīng)當(dāng)理解其目的不是將本 發(fā)明限制于所描述的具體實(shí)施例。相反，本發(fā)明的目的在于涵蓋所附 權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的全部修改形式、等同形式 和替代形式。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明描述了包括波導(dǎo)、光學(xué)諧振微腔和光學(xué)耦合到微腔上的光 學(xué)散射中心的光學(xué)傳感器，其中光學(xué)耦合的程度可以改變。此類光學(xué) 諧振微腔也可以稱為微諧振器。
據(jù)此提出了用微諧振器進(jìn)行光學(xué)傳感的新方法，其中引入或移除 散射中心顯著增強(qiáng)微諧振器系統(tǒng)中的信號(hào)。顯著的信號(hào)增強(qiáng)使得可以 使用比以前的微諧振器傳感系統(tǒng)便宜的光源和檢測(cè)器。
本發(fā)明允許在傳感應(yīng)用和裝置中使用寬帶光源和檢測(cè)器，而不會(huì) 對(duì)檢測(cè)靈敏度造成影響。使用寬帶源和檢測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是可以降低裝置 總成本。
在說明書中，多個(gè)附圖中使用的相同附圖標(biāo)記表示具有相同或類 似特性和功能的相同或類似元件。
現(xiàn)在將描述使用微諧振器的微諧振器-波導(dǎo)系統(tǒng)ioo的實(shí)例，如圖
1示意性示出的俯視圖以及圖2和圖3示出的截面圖。本文還將論述具 有單波導(dǎo)的系統(tǒng)，其也可以根據(jù)本發(fā)明使用。然而，第一個(gè)實(shí)例將討 論雙主波導(dǎo)系統(tǒng)。
光學(xué)裝置100包括光學(xué)微諧振器118、第一光學(xué)波導(dǎo)104和第二 光學(xué)波導(dǎo)132，其均設(shè)置在下部覆層105上，該覆層105設(shè)置在基底 103上。
12在一些情況下，微諧振器118能夠通過利用一個(gè)或多個(gè)邊界條件， 例如一個(gè)或多個(gè)周期性條件，將允許的微諧振器光學(xué)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(dǎo)向光
學(xué)模式，例如第一導(dǎo)向光學(xué)模式128和第二導(dǎo)向光學(xué)模式164，其中導(dǎo) 向光學(xué)模式128與導(dǎo)向光學(xué)模式164不同。在一些情況下，模式128 和164具有相同的波長(zhǎng)。在一些情況下，模式128和164具有不同的 波長(zhǎng)。如果模式128和164具有基本上相同的波長(zhǎng)，則其可以具有不 同的波長(zhǎng)強(qiáng)度水平。如本文所用，對(duì)于給定的光學(xué)構(gòu)造(例如光學(xué)裝 置100)而言，光學(xué)模式是指光學(xué)構(gòu)造中允許的電磁場(chǎng)；輻射或輻射模 式是指在光學(xué)構(gòu)造中不受限制的光學(xué)模式；導(dǎo)向模式是指由于存在高 折射率區(qū)域而在至少一維光學(xué)構(gòu)造中受限制的光學(xué)模式；而諧振模式 是指受制于光學(xué)構(gòu)造中額外邊界條件要求的導(dǎo)向模式，其中額外要求 實(shí)質(zhì)上通常為周期性的。
諧振模式通常是離散的導(dǎo)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(dǎo)向模式可以是諧 振或非諧振模式。例如，光學(xué)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(dǎo)向光學(xué)模式128和/或第二導(dǎo)向光學(xué)模式164 能夠在微諧振器內(nèi)傳播，同時(shí)保持相同的電場(chǎng)分布。在這樣的情況下， 即使由于(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(shí)間推移仍保持基本相同。
參見圖1-3，光源102與第一主波導(dǎo)104光學(xué)連通。波導(dǎo)104光源 所在的一端為輸入口 106。波導(dǎo)104的另一端為通過口 108。輸入口檢 測(cè)器110位于輸入口 106處。光學(xué)元件112與光源102、輸入檢測(cè)器 U0和輸入口 106光學(xué)連通，以使輸入光124只與輸入口 106連通，并且使朝第一主波導(dǎo)104中的輸入口 106傳播的光朝向輸入檢測(cè)器110。 光學(xué)元件112在某些實(shí)施例中為分光器或光學(xué)循環(huán)器。輸入口檢測(cè)器 IIO通過光學(xué)元件112與第一主波導(dǎo)104光學(xué)連通，并且被配置用于檢
微諧振器118能夠分別支持第一和第二諧振光學(xué)模式128和164， 并且光學(xué)耦合到第一主波導(dǎo)104。輸入口 106能夠光學(xué)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(dǎo)104并且朝通過 口 108傳播。微諧振器118漸逝耦合一些來自第一主波導(dǎo)104的光124， 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(xué)模式128)在微諧振器118內(nèi)傳播。微諧振器118包括芯120和覆層 122。在一些實(shí)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(qū)域可以包括水，而上部覆層的另外一些區(qū)域可以包括其他材 料，例如玻璃。
第二主波導(dǎo)132布置為與微諧振器118光學(xué)連通。分光口 136位 于第二主波導(dǎo)132的一端，而第二分光口 138位于第二主波導(dǎo)的另一 端。分光口 136主要能夠光學(xué)耦合到第一諧振光學(xué)模式，而不是第二 諧振光學(xué)模式。第二分光口 138主要能夠光學(xué)耦合到第二諧振導(dǎo)向光 學(xué)模式，而不是第一諧振導(dǎo)向光學(xué)模式。第二分光口檢測(cè)器144位于 第二分光口 138處。
可以將微諧振器118布置為直接接觸或非?？拷▽?dǎo)104和132， 以使得沿波導(dǎo)傳播的光的一部分漸逝耦合進(jìn)微諧振器118。另外，在微 諧振器118內(nèi)傳播的光的一部分將漸逝耦合進(jìn)波導(dǎo)104和132。
圖2為穿過第一主波導(dǎo)104并沿著第一主波導(dǎo)軸線的截面圖。圖 3為穿過微諧振器118和兩個(gè)主波導(dǎo)并垂直于第一主波導(dǎo)軸線的截面 圖。第一和第二光學(xué)波導(dǎo)中的每一個(gè)都具有設(shè)置在多個(gè)覆層之間的芯。例如，第一光學(xué)波導(dǎo)104具有厚度為h2并且設(shè)置在上部覆層122與下 部覆層105之間的芯。相似地，第二光學(xué)波導(dǎo)132具有厚度為h3并且 設(shè)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的示例性光學(xué)裝置100中，微諧振器118與光學(xué)波導(dǎo)104 和132具有不同的厚度。 一般來講，厚度h卜h2和h3的值可以相同， 也可以不同。在一些應(yīng)用中，微諧振器118與光學(xué)波導(dǎo)104和132具 有相同的厚度。
散射中心對(duì)微諧振器系統(tǒng)100的影響是本發(fā)明方法的核心。圖1 示出了與微諧振器118光學(xué)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(tǒng)100 的使用。
在一種使用微諧振器進(jìn)行傳感的傳統(tǒng)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(xué)方式與被分析物結(jié)合的功能。 將被分析物結(jié)合到微諧振器表面會(huì)引起微諧振器有效折射率的小變 化，這會(huì)改變諧振器透射光譜中峰的波長(zhǎng)位置。在通過口 108和分光 口 136處可觀察到這些偏移。從而，對(duì)通過口 108和/或分光口 136處 透射光譜的峰的偏移的檢測(cè)，可表明是否存在被分析物。還存在其他 使用微諧振器進(jìn)行傳感的傳統(tǒng)方法，并且各種方法的一些實(shí)例在共同 擁有的已公布的美國(guó)專利申請(qǐng)2006/0062508中有詳細(xì)描述，其以引用 的方式并入本文。
由光源102發(fā)出的光124穿過第一主波導(dǎo)104，并且微諧振器118 漸逝耦合一些來自第一主波導(dǎo)104的光124，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(xué)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(gè)實(shí)例為"回音廊模式"。 在幾何光學(xué)中，回音廊模式(WGM)中的光線從起點(diǎn)經(jīng)由多次全內(nèi)反射在微諧振器周圍傳播，直至其返回起點(diǎn)。除了WGM，許多其他諧振模 式也可以用于微諧振器。
對(duì)于不存在散射中心的高品質(zhì)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(cè)器可以檢測(cè)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耦合較 弱或基本沒有耦合。通過口輸出曲線圖151示出了在通過口 108處檢 測(cè)到的光譜的實(shí)例，以曲線圖的方式示出了強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系。實(shí)線 152為不存在散射中心時(shí)可以檢測(cè)到的光譜的實(shí)例。當(dāng)由于(例如)被 分析物結(jié)合到波導(dǎo)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(shí)，圖線152的強(qiáng)度最低處將經(jīng)歷大約幾皮米的偏移。 用這種方法，在傳統(tǒng)傳感系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例中檢測(cè)到被分析物與微諧振 器表面149的結(jié)合。
相似地，在微諧振器118內(nèi)傳播的光128耦合到第二主波導(dǎo)132， 并且可以在分光口 136處進(jìn)行檢測(cè)。分光口輸出曲線圖160示出了在 分光口 136處檢測(cè)到的光譜的實(shí)例，以曲線圖的方式示出了強(qiáng)度與波 長(zhǎng)的關(guān)系。實(shí)線162為沒有散射中心時(shí)可以檢測(cè)到的光譜的實(shí)例。當(dāng) 由于被分析物結(jié)合到波導(dǎo)表面149上而使微諧振器118的有效折射率 改變時(shí)，圖線162的峰將經(jīng)歷大約幾皮米的偏移。
為檢測(cè)分光口 136或通過口 108處大約幾皮米的光譜偏移，使用 相當(dāng)昂貴的可調(diào)式窄線寬激光源來掃描諧振器輸出光譜的相關(guān)光譜區(qū) 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(shè)計(jì)用于產(chǎn)生窄線寬，以使得可以檢測(cè)小的峰偏移。 微諧振器可通過采用高精密度(即用自由光譜范圍除以線寬)來產(chǎn)生 窄線寬。微諧振器也可以通過采用等效的高品質(zhì)因數(shù)(即用工作波長(zhǎng) 除以線寬)來產(chǎn)生窄線寬。這可以通過(例如)使用與主波導(dǎo)弱耦合 的低損耗諧振器實(shí)現(xiàn)。
16與上述實(shí)例性傳感方法相比，使用本發(fā)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(chǎn)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(duì)窄線寬可調(diào)式激光源的需求而使系統(tǒng)得以簡(jiǎn) 化。
在根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)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(xué)耦合強(qiáng)度有所改變。這種情況的發(fā)生是由于(例如)
散射中心開始與微諧振器形成光學(xué)耦合，或由于去除散射中心與微諧 振器的光學(xué)耦合。當(dāng)散射中心光學(xué)耦合到微諧振器時(shí)， 一種或多種諧
振器模式中的光場(chǎng)與散射中心重疊。
重新參見圖1，當(dāng)散射中心150與微諧振器光學(xué)連通時(shí)，第一諧 振光學(xué)模式128被散射成不同于第一諧振光學(xué)模式的至少第二導(dǎo)向光 學(xué)模式164。第二導(dǎo)向光學(xué)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(shí)線168為 不存在散射中心時(shí)輸出光的圖線。不存在散射中心時(shí)，基本上沒有光 傳播到第二分光口。虛線169示出了當(dāng)散射中心150與微諧振器光學(xué) 連通時(shí)第二分光口 138處輸出光的光譜。在圖線169中可以觀察到顯 著的峰。因此散射中心的存在會(huì)使各種工作頻率的能量大量轉(zhuǎn)移至第 二分光口處。從而，可以通過監(jiān)控第二分光口 138處的輸出，直接檢 測(cè)散射中心是否附接到微諧振器上?？梢员O(jiān)控具體波長(zhǎng)處較大峰的輸 出，和/或覆蓋所有波長(zhǎng)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示出了來自輸入 口 106的輸出光的光譜，該光譜是使用輸入口檢測(cè)器110以概念層次 檢測(cè)的。實(shí)線圖線172示出了不存在散射中心時(shí)的接近于零的輸出光。 虛線圖線174示出了將散射中心附接到微諧振器上時(shí)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會(huì)使反射回輸入口 106的各種工作頻率的能量發(fā)生大量轉(zhuǎn)移。
從而，可以通過監(jiān)控輸入口 106處的輸出，直接檢測(cè)散射中心是否附
接到微諧振器上?？梢员O(jiān)控具體波長(zhǎng)處較大峰的輸出，和/或覆蓋所有 波長(zhǎng)的較大輸出光的輸出。
可以在輸入口、第二分光口或這兩個(gè)位置觀察到因散射中心而從 第一模式到第二模式的光學(xué)散射。因此，各種實(shí)施例可僅在輸入口包 括檢測(cè)器、僅在第二分光口包括檢測(cè)器或在輸入口和第二分光口均包 括檢測(cè)器。
存在光學(xué)耦合到微諧振器上的散射中心還會(huì)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(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中， 與周圍覆層材料的折射率不同的散射中心會(huì)引起較大的納米級(jí)諧振線 頻率偏移，其中對(duì)于大部分生物傳感系統(tǒng)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(gè)折射率可以是復(fù)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(shí)線152示出了沒有散射中心時(shí)在通過口檢 測(cè)器I"處檢測(cè)到的光譜。虛線176示出了散射中心與微諧振器光學(xué) 耦合時(shí)檢測(cè)到的光譜，其中與圖線152相比，峰有所偏移。在示例性 曲線圖152中，偏移朝向較長(zhǎng)的波長(zhǎng)或朝向與(例如)大于覆層材料 折射率的散射中心折射率實(shí)部相對(duì)應(yīng)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(shí)的光譜，而實(shí)線162示出了沒有散射中心時(shí)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(cè)散射中心耦合強(qiáng)度變化
的微諧振器傳感系統(tǒng)在共同擁有和共同未決的專利申請(qǐng)No._
中有詳細(xì)描述，該專利標(biāo)題為"Optical Microresonator"(光學(xué)微諧振 器)，代理人檔案號(hào)為No.62451US002，與本專利申請(qǐng)?jiān)谕惶焯峤弧?因此，在各種傳感系統(tǒng)中，檢測(cè)器位于分光口 136、通過口 108處，或 兩處均有檢測(cè)器。圖4為單總線環(huán)形諧振器實(shí)施例400的示意圖，其中光源402與 單波導(dǎo)404在輸入口 406處光學(xué)連通。輸入口檢測(cè)器410布置在輸入 口 406處。光學(xué)元件412 (例如分光器或光學(xué)循環(huán)器)與輸入口 406、 光源402以及輸入口檢測(cè)器410光學(xué)連通。
環(huán)形微諧振器418與波導(dǎo)404光學(xué)連通。來自光源402的光424 射入第一主波導(dǎo)404中并朝通過口 408傳播。微諧振器418漸逝耦合 一些來自第一主波導(dǎo)404的光424，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(xué)模式428)在微諧振器418內(nèi)傳播。
在根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)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(xué)耦合強(qiáng)度有所改變。當(dāng)散射中心450與微諧 振器光學(xué)連通時(shí)，第一導(dǎo)向光學(xué)模式428被散射成不同于第一導(dǎo)向光 學(xué)模式的至少第二導(dǎo)向光學(xué)模式464。第二導(dǎo)向光學(xué)模式主要耦合到輸 入口 406并且作為光426離開輸入口。散射中心的存在會(huì)使反射回輸 入口 406的各種工作頻率的能量發(fā)生大量轉(zhuǎn)移。因此，散射中心的耦 合變化可以通過用檢測(cè)器410監(jiān)控輸入口 406處的光426來確定。
在替代實(shí)施例中，環(huán)形諧振器418被替換為盤形諧振器。
圖5為單總線盤形諧振器實(shí)施例500的示意圖，其包括在輸入口 506處與單波導(dǎo)504光學(xué)連通以向波導(dǎo)504提供光524的光源502。與 本文示出的其他實(shí)施例不同，光檢測(cè)器510布置在盤形諧振器518的 中心511處，而不是在波導(dǎo)口處。散射中心550可以與微諧振器518 光學(xué)連通，也可以解除光學(xué)連通。對(duì)于圖示實(shí)施例而言，第一諧振光 學(xué)模式528與第二導(dǎo)向光學(xué)模式564之間誘導(dǎo)散射的檢測(cè)步驟包括檢 測(cè)微諧振器518中心位置處的誘導(dǎo)散射。
圖6為雙主波導(dǎo)跑道形微諧振器實(shí)施例600的示意圖，其中光源602與第一波導(dǎo)604在輸入口 606處光學(xué)連通。輸入口檢測(cè)器610布置 在輸入口 606處。通過口 608位于第一波導(dǎo)604的另一端。光學(xué)元件 612 (例如分光器或光學(xué)循環(huán)器)與輸入口 606、光源602以及輸入口 檢測(cè)器610光學(xué)連通。
來自光源602的光624射入第一主波導(dǎo)604并且朝通過口 608傳 播。跑道形微諧振器618包括兩個(gè)彎曲部分619和兩個(gè)直線部分620。 微諧振器618漸逝耦合一些來自第一主波導(dǎo)604的光624，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(xué)模式628) 在微諧振器618內(nèi)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于跑道內(nèi)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(dǎo)632布置為與微諧振器618光學(xué)連通。分光口 636位 于第二主波導(dǎo)632的一端，而第二分光口 638位于第二主波導(dǎo)632的 另一端。分光口 636主要能夠光學(xué)耦合到第一導(dǎo)向光學(xué)模式628。第二 分光口 638能夠非常弱地耦合到第一導(dǎo)向光學(xué)模式，或不能耦合到第 一導(dǎo)向光學(xué)模式。第二分光口檢測(cè)器644位于第二分光口 638處。
可以在輸入口 606、第二分光口 638或這兩個(gè)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(xué)散射。因此，各種實(shí)施例包 括與輸入口 606光學(xué)連通的檢測(cè)器、與第二分光口 638光學(xué)連通的檢 測(cè)器、或分別與輸入口和第二分光口光學(xué)連通的第一和第二檢測(cè)器。
被配置成可誘發(fā)光學(xué)散射從第一諧振導(dǎo)向光學(xué)模式到至少第二導(dǎo) 向光學(xué)模式的微諧振器波導(dǎo)系統(tǒng)的其他實(shí)施例在共同擁有的美國(guó)專利
申請(qǐng)_中有圖示和描述，其標(biāo)題為"Optical Microresonator (光
學(xué)微諧振器)"，代理人檔案號(hào)為62451US002,與本專利申請(qǐng)?jiān)谕?天提交，其全文以引用的方式并入本文。散射中心是這樣一種元件，當(dāng)其光學(xué)耦合到微諧振器上時(shí)，能擾 亂微諧振器內(nèi)諧振模式的波函數(shù)，使能量從不存在散射中心時(shí)因輸入 而激發(fā)的模式(例如圖1中的至少第一諧振光學(xué)模式128)轉(zhuǎn)至不存在
散射中心時(shí)未激發(fā)的模式(例如圖1中的至少第二導(dǎo)向光學(xué)模式164)。
在一個(gè)實(shí)施例中，散射中心增加從第一模式到第二模式的能量轉(zhuǎn)移， 但即使在不存在散射中心時(shí)，也可以發(fā)生一些從第一模式到第二模式 的能量轉(zhuǎn)移。
可與本發(fā)明傳感方法一起使用的散射中心的實(shí)例包括納米顆粒。
如本文所用，術(shù)語"納米顆粒"是指最大尺寸為大約iooo納米或更小
的顆粒。在某些實(shí)施例中，散射中心為至少20納米，至多100納米， 或?yàn)橹辽?0納米且至多IOO納米。在其他實(shí)施例中，散射中心為至少 IO納米，至多150納米，或?yàn)橹辽買O納米且至多150納米。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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(zhì)相比的高折射率差值，其中介質(zhì)通常為水。在 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，散射中心具有高吸收值。例如，散射中心材 料復(fù)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(shí)部小于l。在另外一些情況下，例如就硅而言，散射中心折射率 的實(shí)部大于2.5。
適用于本發(fā)明的散射中心的實(shí)例包括硅納米顆粒和金屬納米顆粒 (包括金和鋁納米顆粒)。在一些情況下，散射中心可為半導(dǎo)體，例 如Si、 GaAs、 InP、 CdSe或CdS。例如，散射中心可為直徑為80納米、 所關(guān)注波長(zhǎng)的折射率(實(shí)部)為3.5的硅顆粒。散射中心的另一個(gè)實(shí)例 為直徑為80納米、靠近1550nm處波長(zhǎng)的折射率為0.54 + 9.58i的金顆 粒。散射中心的另一個(gè)實(shí)例為直徑為80納米、靠近1550nm處波長(zhǎng)的 折射率為1.44 + 16.0i的鋁顆粒。在一些實(shí)施例中，散射中心為電介質(zhì)顆粒。在多個(gè)實(shí)施例中，散 射中心為非熒光顆粒。此外，在一些實(shí)施例中，散射中心不是半導(dǎo)體。
現(xiàn)在參見圖1的實(shí)例，圖1示出了涉及所有實(shí)例的問題，散射中 心150與微諧振器118之間的光學(xué)耦合強(qiáng)度變化可以分別誘發(fā)第一與
第二導(dǎo)向光學(xué)模式128和164之間的光學(xué)散射變化。光學(xué)耦合強(qiáng)度變 化可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)。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(xué)耦合強(qiáng)度。 又如，散射中心折射率n,的變化可以改變散射中心與微諧振器之間的 光學(xué)耦合強(qiáng)度。在一個(gè)實(shí)施例中，散射中心為嵌入諧振器的芯中的折 射率可變的區(qū)域。在這種情況下，當(dāng)(例如)該區(qū)域暴露到諸如氣體
或液體之類的材料并對(duì)其進(jìn)行吸收時(shí)，折射率會(huì)發(fā)生變化。 一般來講， 任何可導(dǎo)致散射中心150與微諧振器118之間光學(xué)耦合強(qiáng)度變化的機(jī) 理都會(huì)誘發(fā)模式128與164之間的光學(xué)散射變化。
有多種將微諧振器波導(dǎo)系統(tǒng)用作傳感器的方法。方法的選擇取決 于多種考慮，包括待測(cè)被分析物的化學(xué)性質(zhì)、可用的檢測(cè)時(shí)間、樣品 制備技術(shù)等。在檢測(cè)器系統(tǒng)中使用散射中心的一個(gè)實(shí)例涉及用特定抗 原的抗體涂覆諧振器?？贵w為免疫系統(tǒng)用以辨識(shí)和中和異物(如細(xì)菌 和病毒)的蛋白質(zhì)。每種抗體將特定的抗原作為其唯一目標(biāo)加以識(shí)別。
在一種方法中，待分析的樣品被制備為在將納米顆粒與樣品混
合之前，通過賦予納米顆粒相應(yīng)的抗體功能使得散射中心標(biāo)記(例如 納米顆粒標(biāo)記)選擇性地附接到抗原分子上。然后使樣品與微諧振器 的表面接觸。當(dāng)有抗體功能的諧振器與納米顆粒標(biāo)記的抗原在諧振器 表面發(fā)生粘結(jié)時(shí)，納米顆粒被帶入光學(xué)耦合范圍內(nèi)，從而在第二分光 口或輸入口處會(huì)檢測(cè)到信號(hào)，而此前這兩處是沒有顯著信號(hào)的。用相
同或類似的方法檢測(cè)細(xì)菌、病毒和孢子，以及蛋白質(zhì)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采用 抗原-抗體系統(tǒng)將散射中心粘結(jié)到諧振器上，所述抗原-抗體系統(tǒng)的粘結(jié) 性比引入被分析物時(shí)發(fā)生的抗原-抗體反應(yīng)所得物的粘結(jié)性弱。粘結(jié)到 諧振器上的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)導(dǎo)致散射中心從諧振器周邊分離，并使其喪失與散 射中心的光學(xué)耦合。類似的方法可以檢測(cè)能夠選擇性地使納米顆粒與 諧振器之間的化學(xué)鍵斷裂的任何化學(xué)物質(zhì)。
光源102產(chǎn)生期望的波長(zhǎng)或波長(zhǎng)范圍的光124。例如，如果將微 諧振器用在傳感器中，則光源102產(chǎn)生與散射中心相互作用的波長(zhǎng)的 光，使該散射中心與微諧振器進(jìn)行光學(xué)連通或去除其與微諧振器的光 學(xué)連通。在使用微諧振器的現(xiàn)有傳感系統(tǒng)中，尤其重要的是光源可生
成有效地耦合到第一主波導(dǎo)104的光。這導(dǎo)致光源的頻繁使用，例如
激光器(例如激光二極管)。激光器(例如激光二極管)是適用于本 發(fā)明實(shí)施例的光源。此外，本發(fā)明的方法允許使用產(chǎn)生比現(xiàn)有傳感系
統(tǒng)的光源波長(zhǎng)范圍更寬的光源。在一個(gè)實(shí)施例中，光源102包括燈， 以及將燈發(fā)出的光耦合到第一主波導(dǎo)104的合適的光學(xué)元件。在一些 應(yīng)用中，光源102可以為發(fā)光二極管(LED)或激光器(例如激光二極管)。 在一個(gè)實(shí)施例中，燈為寬帶光源，這種光源發(fā)出多種或一系列頻率的 光，而不是發(fā)出一種特定波長(zhǎng)或窄范圍波長(zhǎng)的光。在一些應(yīng)用中，光 源可以為發(fā)出(例如)白光的寬帶光源。在一些情況下，光源102可 以發(fā)出具有至少一個(gè)波長(zhǎng)的光，該至少一個(gè)波長(zhǎng)在約400nm至約 2000nm的范圍內(nèi)。在另外一些情況下，該范圍可以為約700nm至約 1600nm。在另外一些情況下，該范圍可以為約900nm至約1400nm。 在一些情況下，光源102可以發(fā)出633nm、 850nm、 980nm、 1310nm、 或1550nm的光。
第一主波導(dǎo)104可以是任何適合類型的波導(dǎo)，并且可以是(例如) 形成于基底之中或之上的通道波導(dǎo)，例如形成于硅基底之中或之上的 波導(dǎo)。第一主波導(dǎo)104也可以是光纖。檢測(cè)器單元110包括用于檢測(cè)光的光檢測(cè)器，例如，光電二極管 或光電晶體管。檢測(cè)器單元110還可以包括對(duì)波長(zhǎng)敏感的裝置，該裝 置選擇到達(dá)光檢測(cè)器的光的波長(zhǎng)。該波長(zhǎng)選擇裝置可以是(例如)濾 波器或光度計(jì)。該波長(zhǎng)選擇裝置可以是可調(diào)諧式，以使得使用者可以 主動(dòng)改變?nèi)肷涞焦鈾z測(cè)器上的光的波長(zhǎng)。在一些情況下，波長(zhǎng)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(dǎo) 向光學(xué)模式，并且能夠耦合到一個(gè)或多個(gè)光學(xué)波導(dǎo)上。例如，微諧振 器118可以為環(huán)形微諧振器、閉環(huán)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(shí)例性實(shí)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(shí)施例。由于環(huán)形和盤形微諧振器的制造工藝 符合標(biāo)準(zhǔn)微電子工藝，因此這些裝置使低成本制造和穩(wěn)固的系統(tǒng)具有 相當(dāng)大的可能性。
在一些情況下，微諧振器具有圓對(duì)稱性，即可以將微諧振器的芯 的橫截面的周長(zhǎng)表示為只是離中心點(diǎn)的距離的函數(shù)。在一些情況下， 例如在盤形微諧振器中，中心點(diǎn)可以是微諧振器的中心。具有圓對(duì)稱 性的實(shí)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?qū)ΨQ性，例如球形微諧振器。
微諧振器118的直徑通常在2nm至幾毫米的范圍內(nèi)，但更為常見 地在5pm至500nm的范圍內(nèi)。在一些情況下，該范圍為約5pm至約 100,。
在一些情況下，本發(fā)明的主波導(dǎo)和微諧振器，以及光源和檢測(cè)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(tǒng)將不同的元件都構(gòu)造在共用基底上。此類集成可特定于基底，即對(duì)一些基底而言，集成可能較為容易或可行，而對(duì)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 如硅基底)上制造或形成檢測(cè)器、微諧振器以及波導(dǎo)，但在相同的基 底上形成或制造光源可能是困難或不可行的。又如，可以在III-V半導(dǎo)
體基底(例如InP或GaAs基底)上形成或制造所有系統(tǒng)元件。
集成可以為混合集成，在這種情況下，首先獨(dú)立地制造至少一些 元件，然后將其組裝在共用基底上。組裝可以通過(例如)用粘結(jié)方 法將檢測(cè)器和光源結(jié)合到基底上來實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，可以將微諧 振器和波導(dǎo)整體地集成到基底上。在一些情況下，結(jié)合步驟可能需要 使光源和檢測(cè)器與主波導(dǎo)主動(dòng)對(duì)齊。
在某些實(shí)施例中，共用基底為用于集成光學(xué)元件的常規(guī)基底，例 如二氧化硅，這種基底的折射率基本上小于用來制造主波導(dǎo)和微諧振 器(或光源和光電探測(cè)器)的材料的折射率。可以設(shè)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(fā)明中可以使用(例如)聚酯、聚丙烯酸酯和聚酰亞胺基底。基底 可為透光的或不透光的。基底可為聚合物、金屬、半導(dǎo)體、或任何類 型的玻璃。在一個(gè)實(shí)例中，基底為硅。又如，基底可為浮法玻璃，或 其可以由有機(jī)材料制成，例如由聚碳酸酯、丙烯酸類樹脂、聚對(duì)苯二 甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚砜等制成。
為了制造集成裝置，通常將一種或多種高折射率材料沉積在基底 上，并使其圖案化，從而形成一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)和微諧振器。圖案化 可以采用加成法來實(shí)現(xiàn)，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(jī)化學(xué) 氣相沉積法(MOCVD)、蒸汽相外延法(VPE)、以及化學(xué)氣相沉積法都是 可用于將波導(dǎo)、微諧振器或其他光學(xué)元件沉積在基底上的方法的實(shí)例。 還可以采用減除法，例如蝕刻法(例如反應(yīng)離子蝕刻法或濕式化學(xué)蝕 刻法)，將波導(dǎo)元件圖案化在基底上。在一些應(yīng)用中，諧振器、光學(xué)波導(dǎo)、光源和檢測(cè)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)模制法制造。
耦合到諧振器的波導(dǎo)通常呈錐形，以增加波導(dǎo)外的光場(chǎng)強(qiáng)度的強(qiáng) 度，從而增加耦合進(jìn)微諧振器的光的量。就光纖波導(dǎo)而言，可以將光
纖加熱并且使其成為錐形，或?qū)⑵湮g刻為約l-5pm的總厚度。同樣，
對(duì)于平面或通道波導(dǎo)而言，可以使波導(dǎo)厚度在光耦合到微諧振器的區(qū) 域內(nèi)減小。除了使波導(dǎo)的尺寸減小之外，也可以使波導(dǎo)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(guó)專利申請(qǐng)
No.2005-0077513中更詳細(xì)地討論了將微諧振器耦合到波導(dǎo)或光纖的多 種方法，該專利申請(qǐng)以引用的方式并入本文。
如何可以將波導(dǎo)耦合到微諧振器，從而得到具有可接受光損耗量 和合格制造工藝的微諧振器結(jié)構(gòu)存在許多不同的實(shí)例。例如，圖3示 出了第一主波導(dǎo)104和第二主波導(dǎo)132與微諧振器118的橫向耦合。 在這種構(gòu)造中，波導(dǎo)104、 132與微諧振器118之間的光學(xué)耦合以側(cè)向 或橫向進(jìn)行，如圖3中定向的結(jié)構(gòu)。在某些實(shí)施例中，覆層存在于波 導(dǎo)104、 132的外側(cè)面204、 232上，以將波導(dǎo)模式推向諧振器以增強(qiáng) 耦合，如(例如)共同擁有的美國(guó)專利申請(qǐng)No.ll/277769中所述，該 專利申請(qǐng)以引用的方式并入本文。有多種用于將覆層配置在波導(dǎo)104、 132上以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)104、 132與微諧振器118之間耦合的其他選擇。
在橫向耦合構(gòu)造的一些實(shí)施例中，采用相同的圖案化步驟來制造 波導(dǎo)104、 132和微諧振器118。
圖3橫向耦合構(gòu)造的替代形式為豎直耦合構(gòu)造，圖13中示出了豎 直耦合構(gòu)造的實(shí)例。豎直耦合的光學(xué)裝置1300包括光學(xué)微諧振器1318、 第一光學(xué)波導(dǎo)1304、以及第二光學(xué)波導(dǎo)1332，所有元件都嵌入設(shè)置在 基底1303上的下部覆層1305中。波導(dǎo)1304、 1332被覆層1305圍繞。 在豎直耦合構(gòu)造中，波導(dǎo)1304、 1332與微諧振器1318之間的光學(xué)耦合以豎直或上下方向進(jìn)行，如圖13中定向的光學(xué)裝置1300。
在豎直耦合構(gòu)造的一些實(shí)施例中，波導(dǎo)1304、 1332以獨(dú)立于微諧 振器1318的光刻步驟進(jìn)行圖案化。
在一些情況下，微諧振器與主波導(dǎo)之間的耦合為漸逝耦合，即微 諧振器和主波導(dǎo)的芯沒有接觸，而是彼此足夠接近以使得微諧振器與 波導(dǎo)的漸逝末端在兩個(gè)芯之間的覆層區(qū)域重疊。
在另外一些情況下，微諧振器和主波導(dǎo)的芯直接接觸，如在共同
未決的專利申請(qǐng)No._中詳細(xì)描述，該專利標(biāo)題為"Optical
Microresonator"(光學(xué)微諧振器)，代理人檔案號(hào)為No.62451US002,
與本專利申請(qǐng)?jiān)谕惶焯峤?。在這樣的情況下，微諧振器與主波導(dǎo)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(dǎo)之間的耦合可以通過在圖14中 示意性地示出的多模干涉耦合器來實(shí)現(xiàn)。光學(xué)系統(tǒng)1400包括通過多模 干涉耦合器(MMIC)1450光學(xué)耦合到第一主波導(dǎo)1410和第二主波導(dǎo) 1420的微諧振器1405，其中MMIC可以為(例如)矩形。MMIC中的 光學(xué)干涉作用決定射入波導(dǎo)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(dǎo)1420。在示例性光學(xué)系統(tǒng)1400 中，波導(dǎo)1410和1420共線。 一般來講，兩個(gè)主波導(dǎo)可以共線或可以 不共線。
使用有效的二維時(shí)域有限差分(FDTD)仿真對(duì)具有兩個(gè)主波導(dǎo)的 微環(huán)諧振器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值分析。執(zhí)行不同的仿真，以證明光學(xué)耦合到 微環(huán)諧振器系統(tǒng)的各種類型散射中心的效果。模擬系統(tǒng)與圖1中示出 的系統(tǒng)100類似，所不同的是用單模微環(huán)諧振器取代了盤形諧振器118。 環(huán)的直徑為3.6微米，并且環(huán)芯的有效折射率為3。假定n為1.33的水 覆層圍繞環(huán)形諧振器。光從寬帶源發(fā)出，其波長(zhǎng)為1至3微米。第一個(gè)實(shí)例證明了附接到具有兩個(gè)主波導(dǎo)的環(huán)形諧振器的硅納米
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(duì)于輸入光強(qiáng)度在y軸上繪制隨x軸波長(zhǎng)變化的信 號(hào)強(qiáng)度。圖7示出了在通過口處檢測(cè)到的信號(hào)，其中圖線710表示僅 具有水覆層的環(huán)形諧振器的輸出，而圖線720表示光學(xué)耦合到硅納米 顆粒的環(huán)形諧振器的輸出。對(duì)于通過口光譜而言，在1.55微米波長(zhǎng)處 發(fā)生了約2納米的峰偏移。在其他諧振波長(zhǎng)處，可以觀察到相當(dāng)大的 納米級(jí)偏移，證明傳感方法中使用納米顆粒技術(shù)的靈敏度的提高。
對(duì)于該第一個(gè)實(shí)例而言，圖8示出了第二分光口的信號(hào)強(qiáng)度與波 長(zhǎng)的關(guān)系圖，其中圖線810表示僅具有水覆層的環(huán)形諧振器的輸出， 而屈線820表示具有光學(xué)耦合到環(huán)形諧振器的硅納米顆粒的環(huán)形諧振 器的輸出。對(duì)于第二分光口光譜而言，在1.55微米波長(zhǎng)處，具有納米 顆粒時(shí)的信號(hào)比不具有納米顆粒時(shí)的信號(hào)幾乎大50倍。類似的強(qiáng)度增 加存在于多個(gè)其他諧振波長(zhǎng)處，從而表明了該技術(shù)的寬帶性質(zhì)。這證 明在實(shí)施涉及散射中心的傳感方法時(shí)，可對(duì)光源的波長(zhǎng)加以選擇以獲 得最大的信號(hào)增強(qiáng)。
第二個(gè)實(shí)例證明了附接到具有兩個(gè)主波導(dǎo)的環(huán)形諧振器的金納米 顆粒的效果，其中金顆粒的直徑為80納米，并且靠近1550納米處的 折射率為0.54 + 9.58i。圖9示出了通過口的信號(hào)強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系圖， 其中圖線910表示僅具有水覆層的環(huán)形諧振器的輸出，而圖線920表 示具有與其光學(xué)連通的金納米顆粒的情況下的環(huán)形諧振器的輸出。對(duì)
于通過口光譜而言，在1.55微米波長(zhǎng)處發(fā)生了約4納米的峰偏移。
對(duì)于該第二個(gè)實(shí)例而言，圖IO示出了第二分光口的信號(hào)強(qiáng)度與波 長(zhǎng)的關(guān)系圖，其中圖線IOIO表示僅具有水覆層的環(huán)形諧振器的輸出， 而圖線1020表示具有與其光學(xué)連通的金顆粒的情況下的環(huán)形諧振器的 輸出。對(duì)于第二分光口光譜而言，在1.55微米波長(zhǎng)處，具有金顆粒時(shí)的信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不具有金顆粒時(shí)的信號(hào)。金對(duì)可見光至紅外光的波長(zhǎng) 具有小的實(shí)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(dǎo)致通過口處的較大的諧振波長(zhǎng)偏移和第二分光口處 的顯著的信號(hào)增強(qiáng)。
第三個(gè)實(shí)例證明了附接到具有兩個(gè)主波導(dǎo)的環(huán)形諧振器的鋁納米
顆粒的效果，其中鋁顆粒的直徑為80納米，并且靠近1550納米處的 折射率為1.44+ 16.0i。圖ll示出了通過口的信號(hào)強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系圖， 其中圖線1110表示僅具有水覆層的環(huán)形諧振器的輸出，而圖線1120 表示具有與盤形諧振器光學(xué)連通的鋁納米顆粒的情況下的環(huán)形諧振器
的輸出。對(duì)于通過口光譜而言，在1.55微米波長(zhǎng)處發(fā)生了約5納米的 峰偏移。
對(duì)于該第三個(gè)實(shí)例而言，圖12示出了第二分光口的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的 關(guān)系圖，其中圖線1210表示僅具有水覆層的環(huán)形諧振器的輸出，而圖 線1220表示具有與盤形諧振器光學(xué)連通的鋁納米顆粒的情況下的環(huán)形 諧振器的輸出。對(duì)于第二分光口光譜而言，在1.55微米波長(zhǎng)處，具有 鋁顆粒時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不具有鋁顆粒時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度。對(duì)于鋁而 言，折射率的實(shí)部相當(dāng)大，同時(shí)鋁具有大的折射率虛部(吸收)。這
些特性可以導(dǎo)致通過口處的較大的諧振波長(zhǎng)偏移和第二分光口處的較 大的信號(hào)增強(qiáng)。此外，可以在諧振波長(zhǎng)處觀察到光譜峰加寬。
通過以下實(shí)例示出與本發(fā)明所公開的裝置相關(guān)的一些優(yōu)點(diǎn)。不應(yīng) 該將此實(shí)例中所列的具體材料、量和尺寸，以及其他條件和細(xì)節(jié)理解 為對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限制。按照以下步驟制造類似于圖13中裝置的光學(xué) 系統(tǒng)。首先，釆用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)將3微米厚、折 射率為1.46的硼磷硅玻璃(BPSG)下部覆層沉積在0.75mm的硅(100 取向)基底上。然后，加熱樣品并使其在108(TC下回流約四個(gè)小時(shí)。 然后，采用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(gè)光學(xué)波導(dǎo)的芯，并且其折射率為2.0。然后，采用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)和反應(yīng)離子蝕刻法(RIE)將沉積的SiN
層圖案化，以制備脊形第一和第二主波導(dǎo)。每個(gè)波導(dǎo)的蝕刻深度為約
130納米。每個(gè)波導(dǎo)的芯為約1.5微米寬。然后，采用PECVD法，通 過用100納米厚的Si02層涂覆波導(dǎo)將主波導(dǎo)嵌入。Si02層的折射率為 約1.46。
然后，為形成微諧振器，采用PECVD法將250納米厚、折射率為 2.0的SiN層沉積在Si02層上。采用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)和反應(yīng)離子蝕刻法 (RIE)將沉積的SiN層成型為30微米直徑的盤。每個(gè)主波導(dǎo)的中心軸線 與盤周邊標(biāo)稱地對(duì)齊。每個(gè)波導(dǎo)與微諧振器之間的光學(xué)耦合通過豎直 的漸逝耦合來實(shí)現(xiàn)。
通過使用便攜式原子力顯微鏡(AFM)(型號(hào)為MOBILES,可得自 Nanosurf, Liestal, Switzerland)將10微米硅AFM探針尖(型號(hào)為SICON A,可得自Applied NanoStructures, Santa Clara, CA.) 放置在微諧振器 的光場(chǎng)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(hào)為NP 3000 PS，可 得自Nuphoton technologies, Murrieta, CA)將光射入第一主波導(dǎo)，該光 纖放大器(EDFA)光源具有波長(zhǎng)范圍在約1540納米至約1575納米內(nèi)的 自發(fā)發(fā)射。
將分光器放置在光學(xué)系統(tǒng)的第二分光口附近，以允許光譜分析儀 (型號(hào)為HP86142A，可得自Hewlett-Packard, Palo Alto， CA)和寬帶 功率計(jì)(型號(hào)為HP81532A，也可得自Hewlett-Packard)都可以監(jiān)測(cè)第 二分光口處的輸出。
結(jié)果示于圖15中。曲線1510為探針尖完全在盤形微諧振器的光 場(chǎng)以外(尖端向上)時(shí)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(chǎng)以內(nèi)(尖端向下)時(shí)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(jù)信是由于蝕刻工藝期間 造成的表面粗糙度導(dǎo)致微諧振器的模式之間的光學(xué)散射所致。
在第二分光口處，尖端向下時(shí)的總輸出功率比尖端向上時(shí)的輸出 功率高約1.5分貝。功率增加是由于探針尖的存在起到了散射中心的作 用。
本發(fā)明的光學(xué)傳感系統(tǒng)可易于再生產(chǎn)，操作簡(jiǎn)單，能夠保持較高 的腔體Q因素，并且可易于與耦合波導(dǎo)對(duì)齊。在一些情況下，可以將 微腔諧振器和波導(dǎo)集成在同一基底上。本發(fā)明所公開的實(shí)施例允許使 用便宜的寬帶光源(例如低成本的發(fā)光二極管(LED))取代昂貴的窄帶 光源，而不會(huì)影響系統(tǒng)靈敏度。本發(fā)明還允許使用寬帶檢測(cè)器取代昂 貴的光譜檢測(cè)器，這對(duì)檢測(cè)靈敏度影響極小，或沒有影響。
本專利申請(qǐng)還公開了具有增強(qiáng)靈敏度(例如不同模式間的較大波 長(zhǎng)偏移或較強(qiáng)光學(xué)散射)的傳感系統(tǒng)。增強(qiáng)的靈敏度可允許檢測(cè)(例 如)單個(gè)被分析物。
對(duì)如下的使用微諧振器的光學(xué)傳感系統(tǒng)存在需求它們?nèi)菀字圃欤?當(dāng)暴露于被分析物時(shí)產(chǎn)生較大的光譜偏移，并可以使用比窄線寬可調(diào) 式激光器更為便宜的光源。
因此，不應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明局限于上述具體實(shí)例，而應(yīng)當(dāng)理解為本發(fā) 明涵蓋如附帶的權(quán)利要求書明確陳述的本發(fā)明的所有方面。閱覽本發(fā) 明的說明書之后，本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將易于明白本發(fā)明可適 用的多種修改形式、等同處理以及多種結(jié)構(gòu)。權(quán)利要求書旨在涵蓋這 樣的修改形式和裝置。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)微諧振器的兩種導(dǎo)向光學(xué)模式之間光學(xué)散射的方法，包括提供光學(xué)傳感系統(tǒng)，所述光學(xué)傳感系統(tǒng)包括光源；一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)，所述一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)包括具有與光源光學(xué)連通的輸入口的第一主波導(dǎo)；和微諧振器，所述微諧振器光學(xué)耦合到所述一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)；使用所述光源激發(fā)所述微諧振器的至少第一諧振導(dǎo)向光學(xué)模式；誘導(dǎo)從所述微諧振器的所述第一諧振導(dǎo)向光學(xué)模式到至少第二導(dǎo)向光學(xué)模式的光學(xué)散射的變化，所述第二模式與所述第一模式不同；和檢測(cè)所述光學(xué)散射的變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中采用豎直耦合將所述微諧振 器光學(xué)耦合到所述一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中采用橫向耦合將所述微諧振 器光學(xué)耦合到所述一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中采用漸逝耦合將所述微諧振 器光學(xué)耦合到所述一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中采用芯耦合將所述微諧振器 光學(xué)耦合到所述一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中通過多模干涉耦合器將所述 微諧振器光學(xué)耦合到所述一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述微諧振器為環(huán)形、盤形 或跑道形。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中檢測(cè)所述光學(xué)散射的變化的 步驟包括在所述輸入口檢測(cè)所述第二模式。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中檢測(cè)所述光學(xué)散射的變化的步驟包括布置與所述輸入口光學(xué)連通的光學(xué)循環(huán)器，其中所述光學(xué)循環(huán)器 允許將所述第二模式光學(xué)耦合到檢測(cè)器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中檢測(cè)所述光學(xué)散射的變化的步驟包括布置與所述輸入口光學(xué)連通的分光器，其中所述分光器允許將所 述第二模式光學(xué)耦合到檢測(cè)器。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)還包括具有分光口和第二分光口的第二主 波導(dǎo)，其中所述分光口主要能夠光學(xué)耦合到所述第一導(dǎo)向光學(xué)模式， 而所述第二分光口主要能夠光學(xué)耦合到所述第二導(dǎo)向光學(xué)模式；檢測(cè)所述光學(xué)散射的變化的步驟包括在所述第二分光口檢測(cè)所述 第二導(dǎo)向光學(xué)模式。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中檢測(cè)在所述第一模式和第二模式之間光學(xué)散射的變化的步驟包括 檢測(cè)所述微諧振器的中心的誘導(dǎo)散射。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中誘導(dǎo)從所述第一導(dǎo)向光學(xué)模式到所述第二導(dǎo)向光學(xué)模式的光學(xué)散射的變化的步驟還包括改變散射中心和所述微諧振器之間的光學(xué)耦合強(qiáng)度。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中改變所述散射中心與所述 微諧振器之間光學(xué)耦合強(qiáng)度的步驟還包括增加所述散射中心和所述微諧振器之間的光學(xué)耦合。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中改變所述散射中心與所述 微諧振器之間光學(xué)耦合強(qiáng)度的步驟還包括減少所述散射中心和所述微諧振器之間的光學(xué)耦合。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中改變所述散射中心與所述 微諧振器之間光學(xué)耦合強(qiáng)度的步驟還包括改變所述散射中心的折射率。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，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(qū)域。
18. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述散射中心包括粒子。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述散射中心是納米粒子。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述納米粒子是金屬納米 粒子、半導(dǎo)體納米粒子或電介質(zhì)納米粒子。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述微諧振器的所述第二 導(dǎo)向光學(xué)模式是所述微諧振器的諧振模式。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述微諧振器的所述第一 和第二導(dǎo)向光學(xué)模式具有基本上相同的波長(zhǎng)。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一諧振導(dǎo)向光學(xué)模 式和第二導(dǎo)向光學(xué)模式具有相同的波長(zhǎng)。
24. —種檢測(cè)散射中心的方法，包括 提供光學(xué)傳感系統(tǒng)，包括光源；一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)，所述一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)包括第一主波 導(dǎo)，所述第一主波導(dǎo)具有與所述光源光學(xué)連通的輸入口；微諧振器，所述微諧振器光學(xué)耦合到所述一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)；和散射中心，所述散射中心能夠光學(xué)耦合到所述微諧振器； 使用所述光源激發(fā)所述微諧振器的至少第一諧振導(dǎo)向光學(xué)模式； 改變所述散射中心和所述微諧振器之間的光學(xué)耦合強(qiáng)度，以誘導(dǎo)在所述微諧振器的所述第一模式和至少第二導(dǎo)向光學(xué)模式之間的光學(xué)散射的變化；檢測(cè)從所述第一模式到所述第二模式的能量轉(zhuǎn)移的變化。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中檢測(cè)能量轉(zhuǎn)移的變化的步 驟包括在所述輸入口檢測(cè)所述第二模式。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中檢測(cè)能量轉(zhuǎn)移的變化的步 驟包括布置與所述輸入口光學(xué)連通的光學(xué)循環(huán)器，其中所述光學(xué)循環(huán)器 允許將所述第二模式光學(xué)耦合到檢測(cè)器。
27. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中檢測(cè)能量轉(zhuǎn)移的變化的步 驟包括布置與所述輸入口光學(xué)連通的分光器，其中所述分光器允許將所 述第二模式光學(xué)耦合到檢測(cè)器。
28. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)還包括具有分光口和第二分光口的第二主 波導(dǎo)，其中所述分光口主要能夠光學(xué)耦合到所述第一導(dǎo)向光學(xué)模式，而所述第二分光口主要能夠光學(xué)耦合到所述第二導(dǎo)向光學(xué)模式；檢測(cè)能量轉(zhuǎn)移的所述變化的步驟包括在所述第二分光口檢測(cè)所述 第二導(dǎo)向光學(xué)模式。
29. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中檢測(cè)所述第一和第二模式之間的能量轉(zhuǎn)移的變化的步驟包括檢測(cè) 所述微諧振器中心的誘導(dǎo)散射。
30. —種檢測(cè)被分析物的方法，包括 用光學(xué)散射中心標(biāo)記被分析物物質(zhì)；提供光學(xué)傳感系統(tǒng)，所述光學(xué)傳感系統(tǒng)包括 光源；一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)，所述一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)包括第一主波 導(dǎo)，所述第一主波導(dǎo)具有與所述光源光學(xué)連通的輸入口；和微諧振器，所述微諧振器光學(xué)耦合到所述一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)，具有能夠以特定的化學(xué)方式與所述被分析物結(jié)合的表面；使用所述光源激發(fā)所述微諧振器的至少第一導(dǎo)向光學(xué)模式； 使所述微諧振器的所述表面暴露于所標(biāo)記的被分析物物質(zhì)； 誘導(dǎo)從所述微諧振器的所述第一模式到至少第二導(dǎo)向光學(xué)模式的 光學(xué)散射的變化；檢測(cè)所述光學(xué)散射的變化。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中通過以下方式檢測(cè)所述光 學(xué)散射的變化檢測(cè)從所述諧振器的所述第二導(dǎo)向光學(xué)模式耦合到所 述一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)中的光強(qiáng)度的變化。
32. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中所述散射中心是納米粒子。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述納米粒子是金屬。
全文摘要
本發(fā)明公開了光學(xué)傳感系統(tǒng)和方法。在一個(gè)實(shí)施例中，一種檢測(cè)散射中心的方法，其所述步驟包括提供具有光源、一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo)(其中第一主波導(dǎo)具有一個(gè)與所述光源光學(xué)連通的輸入口)、微諧振器(光學(xué)耦合到所述一個(gè)或多個(gè)主波導(dǎo))以及散射中心(能夠光學(xué)耦合到所述微諧振器)的光學(xué)傳感系統(tǒng)。所述方法的所述步驟還包括，使用所述光源激發(fā)所述微諧振器的至少第一諧振導(dǎo)向光學(xué)模式，改變所述散射中心與所述微諧振器之間的光學(xué)耦合強(qiáng)度，以誘導(dǎo)光學(xué)散射在所述微諧振器的所述第一模式和至少第二導(dǎo)向光學(xué)模式之間發(fā)生變化，并檢測(cè)從所述第一模式到所述第二模式的能量轉(zhuǎn)移的變化。
文檔編號(hào)G01J3/44GK101542253SQ200780044016
公開日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2007年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日
發(fā)明者巴里·J·科赫, 易亞沙, 特里·L·史密斯, 郭春梅 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司