光学微谐振器的制作方法

专利名称：光学微谐振器的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及光学装置。本发明尤其适用于诸如采用微谐振器的光学传感器之 类的光学装置。
背景技术：
微谐振器已经在诸如光学开关、波长过滤、光学激光器、光去偏振以及化学和生物 感测之类的各种应用中受到越来越多的关注。某些公知的微谐振器构造涉及将球形玻璃微谐振器布置在紧邻诸如光纤之类的 光波导处。在这类情况下，光能可以通过倏逝耦合(evanescent coupling)而在谐振器和 光波导之间转移。谐振器和光波导之间的间距一般小于一微米，且必须被精确控制，以提供 可再现性能。其他形式的微谐振器包括盘形或环形微谐振器。

发明内容
一般而言，本发明涉及光学装置。本发明还涉及包括一个或多个微谐振器的光学 传感器。在本发明的一个实施例中，一种光学微谐振器系统包括光波导和光学微谐振器， 该光学微谐振器直接光学耦合到该光波导。该光学微谐振器还包括光学微腔，该光学微腔 芯耦合到该光学微谐振器，而非芯耦合到该光波导。在本发明的另一个实施例中，一种光学传感器包括微谐振器系统，该微谐振器系 统包括光波导、直接光学耦合到该光波导的光学微谐振器、以及光学微腔，所述光学微腔光 学耦合到该光学微谐振器，而非光学耦合到该光波导。该光学传感器还包括光源，所述与该 光波导光学通信，并以与该光学微谐振器系统的谐振模对应的波长发射光。该光学传感器 还包括检测器，所述检测器与该微谐振器系统光学通信。该检测器检测谐振模的特性。当 被分析物靠近该微谐振器系统时，谐振模的特性发生变化。该检测器检测所述变化。在本发明的另一个实施例中，一种光学微谐振器系统包括光波导，所述光波导支 持导模；光学微谐振器，所述光学微谐振器支持由该导模直接激发的第一谐振模；以及光 学微腔，所述光学微腔支持第二谐振模，所述第二谐振模由该第一谐振模直接激发，而非由 该导模直接激发。在本发明的另一个实施例中，一种光学微谐振器系统包括光波导；第一光学微 腔，所述第一光学微腔芯耦合到该光波导；光学微谐振器，所述光学微谐振器芯耦合到该第 一光学微腔，而非芯耦合到该光波导；以及第二光学微腔，所述第二光学微腔芯耦合到该光 学微谐振器，而非芯耦合到该第一光学微腔。


结合附图对本发明的各种实施例所做的以下详细描述将有利于更完整地理解和 领会本发明，其中
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图1是微谐振器系统的示意性俯视图；图2是图1中的微谐振器系统的示意性侧视图；图3是微谐振器系统的示意性俯视图；图4是微谐振器系统的示意性俯视图；图5是光波导的示意性三维图；图6是微谐振器系统的示意性俯视图；图7是光波导系统的示意性俯视图；图8是光波导系统的示意性俯视图；图9是微谐振器系统的示意性俯视图；图10是微谐振器系统的示意性俯视图；图11是微谐振器系统的示意性俯视图；图12是微谐振器系统的示意性俯视图；图13是微谐振器系统的示意性俯视图；图14是集成光学装置的示意性三维图；图15是微谐振器系统的示意性三维图；图16是各种微谐振器系统的计算信号强度/波长图；图17是光学装置的示意性俯视图；图18是不具散射中心的微谐振器系统的计算信号强度/波长图；图19是微谐振器系统的示意性俯视图；以及图20是微谐振器系统的示意性俯视图。在本说明书中，多个附图中所使用的相同附图标记是指具有相同或类似的性质和 功能的相同或类似的元件。
具体实施例方式本发明主要涉及微谐振器系统。本发明尤其适用于采用光学微腔的微谐振器系 统。本专利申请公开了微谐振器系统，所述微谐振器系统包括光学耦合(例如芯耦 合)到光波导和光学微腔的光学微谐振器。该光学微腔可以设计为主要支持一种或多种谐 振模。该微谐振器能够支持光导模，例如光学谐振模。微腔的谐振模耦合到微谐振器的谐 振模，导致微谐振器系统的谐振模的形成。微谐振器系统谐振模通常可与该系统中的高电 场储存相对应。在一些情况下，例如当该系统的输出口位于合适位置时，高的场储存可以导 致高的系统光学传输和窄的带宽，这使得该微谐振器适于诸如波长过滤以及化学和生物感 测之类的应用。如本文所用，对于给定的光学构造(例如本专利申请所公开的微谐振器系统)而 言，光学模是指该光学构造中允许的电磁场；辐射或辐射模是指在该光学构造中未受限制 的光学模；而导模是指在该光学构造中由于高折射率区域的存在而在至少一个维度上受限 制的光学模，其中该高折射率区域通常为芯区域。在一个维度(第一维度)上受限制的导 模可称为一维导模，而在两个相互正交的维度(第一和第二维度)上受限制的导模可称为 二维导模。
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谐振模是指在三个相互正交的维度(第一、第二和第三维度)上受限制的光学模。 谐振模可视为三维导模或者服从沿该光学构造第三维度的附加边界条件要求的二维导模， 其中该附加要求通常在实质上具有周期性。谐振模是光学构造中的光学模沿着三个互相正交的维度量化而得到的离散模。通 常，在与光学构造的谐振模相对应的频率或波长下激发或激励光学构造会引起明显较强的 储存电磁场，并且在一些情况下，与非谐振激发引起的响应相比，会引起该光学构造明显较 强的响应(例如高光通量)。光学构造的谐振模的模态分布可以通过沿着三个互相正交的维度的边界条件来 确定。在一些情况下，谐振模可以是行波模或者主要是行波模。在其他一些情况下，谐振模 可以是驻波模或者主要是驻波模。在一些情况下，谐振模可以是部分驻波和部分行波。在一些情况下，光学模可以主要是谐振模。在这类情况下，该光学模可具有非谐振 分量，例如非谐振行波分量。但是，在这类情况下，非谐振分量次要于光学模的谐振分量。例 如，非谐振分量可以是光学模总强度的一小部分。在一些情况下，谐振模可以能够耦合到辐射模。在其他一些情况下，谐振模可以具 有谐振的主要分量以及辐射和未受限制的次要分量。通常，导模(例如二维导模)可以是 谐振模或非谐振模。图1和图2分别示出了微谐振器系统100的示意性俯视图和侧视图。该微谐振器 系统包括光波导120、光学微谐振器150以及光学微腔140，所述光学微腔140芯耦合到光 学微谐振器150，而非芯耦合到光波导120。光学微谐振器150直接光学耦合到光波导120。 如本文所用，当主要因为两种对应的电磁场间的至少部分重叠而产生耦合时，两种模之间 的光学耦合是直接的。在对应的场之间没有或者仅有很少重叠的两种模之间产生光学耦合 的情况下，耦合被视为是间接的。例如，波导120的模可以直接耦合到微谐振器150的模。 又如，波导120的模可以间接(即，通过微谐振器150)耦合到微腔140的模。如本专利申 请别处所述，直接光学耦合可以是芯耦合或倏逝耦合，或者芯耦合和倏逝耦合的组合。光波导120包括上包层101、设置于基底103上的下包层102以及光学芯122，所述 光学芯I22具有宽度W3、高度或厚度H3、输入面114和输出面116。光波导120能够支持一 种或多种光导模，例如，沿着正χ轴行进的导模128和124以及沿着负χ轴行进的导模129。 在一些情况下，一种或多种导模124、128和129可以是单一横向导模。光学微谐振器150包括上包层101、下包层102以及光学芯152，该光学芯152具 有高度或厚度H2并在耦合区域190通过倏逝耦合而光学耦合到光波导120。光学芯152与 光学芯122以距离、间隔开。通常，光学微谐振器150能够支持谐振模和非谐振模。在一 些情况下，微谐振器的谐振模160主要是驻波。在这类情况下，模160可以具有行波分量， 但任何这类分量都次要于该谐振模的主要驻波分量或实质。在一些情况下，谐振驻波模160 可以等同于两列或多列沿基本不同方向(例如相反方向)行进的行波(例如各个第一行波 162和第二行波164)在微谐振器150内的干涉叠加。在一些情况下，例如在图1所示的环 形微谐振器150的情况下，行波模162和164可以是微谐振器的反向传播导模。驻波模160 以及行波模162和164具有相同的频率和/或自由空间波长。在一些情况下，微谐振器的谐振模160主要是在微谐振器150内部(例如)逆时 针行进的行波。在这类情况下，模160可以具有驻波分量，但任何这类分量都次要于该谐振
7模的主要行波分量或实质。图1所出的示例性光学微谐振器150是环形微谐振器。通常，微谐振器150可以 是任何能够光学耦合到波导120和微腔140的光学微谐振器。在一些情况下，微谐振器150可以具有圆对称，这意味着芯152在xy平面中的横 截面的周长可以表示为仅距中心点的距离的函数。在一些情况下，例如在图1示意性地示 出的圆环形微谐振器150中，中心点可以是微谐振器的芯152的中心151。其他具有圆对称 的示例性微谐振器包括球形、盘形和圆柱形。例如，图3示出了微谐振器系统200的示意性 俯视图，该微谐振器系统200包括盘形微谐振器250和光学微腔240，该盘形微谐振器250 具有光学耦合到光波导120的芯252，所述光学微腔240具有光学耦合到盘形微谐振器250 的芯242。光学微腔240能够主要支持一种或多种谐振模，其中通常，所支持的谐振模可以 主要是谐振驻波、谐振行波、或者具有基本行波和驻波分量的谐振模。在一些情况下，例如在球形微谐振器的情况下，微谐振器150可以具有球对称。在 一些情况下，微谐振器150可以是闭环微谐振器，例如环形或跑道形微谐振器。例如，图4 示出了微谐振器系统300的示意性俯视图，该微谐振器系统300包括跑道形微谐振器350 以及光学微腔340，所述跑道形微谐振器350具有在耦合区域190光学耦合到光波导120的 芯352，所述光学微腔340具有光学耦合到该跑道形微谐振器350的芯342。光学微腔340 能够主要支持一种或多种谐振模，例如一种或多种谐振驻波模。微谐振器350的芯352具 有线形部分360和362以及弯曲部分364和366。在图4所示的示例性跑道形中，弯曲部分 364和366是半圆。具体而言，半圆弯曲部分366具有圆心351和内径rs。通常，弯曲部分 364和366可以是连接线形部分360和362的任何类型的弯曲部分。通常，微谐振器150可以是沿特定方向的单模或多模。例如，微谐振器150可以是 沿微谐振器的高度或厚度方向(ζ轴)的单模或多模。在一些情况下，例如在环形微谐振器 的情况下，微谐振器可以是沿径向的单模或多模。在一些情况下，例如在环形微谐振器的情 况下，微谐振器150的行波导模162和164可以是微谐振器的方位模。光学微腔140包括上包层101、下包层102以及具有高度或厚度H1的光学芯142。 微腔140能够主要支持一种或多种谐振模，其中在一些情况下，微腔的谐振模可以主要是 行波，而在其他一些情况下，微腔的谐振模可以主要是驻波。在一些情况下，微腔的谐振模 可以具有基本行波和驻波分量。微腔140能够主要支持一种或多种谐振模，其中每种谐振模可以是(例如)行波、 驻波、或这两者的组合。在一些情况下，微腔140可以能够支持非谐振模(例如非谐振行 波)，但这类非谐振模次要于微腔所支持的谐振模。在一些情况下，微腔140的谐振模可以主要是驻波模，其中通常，驻波可以等同于 在基本不同方向(例如相反方向)上行进的两列行波的干涉叠加。在这类情况下，微腔140 所支持的谐振模可以具有谐振行波部分，但任何这类行波部分只形成总谐振模的一小部 分，这意味着该谐振模在实质上主要是驻波，而该模的任何谐振行波部分仅是次要于该模 的驻波部分。在一些情况下，微腔140的谐振模可以主要是行波模。在这类情况下，微腔140所 支持的谐振模可以具有谐振驻波部分，但任何这类驻波部分只形成总谐振模的一小部分，
8这意味着该谐振模在实质上主要是行波，而该模的任何驻波部分仅是次要于该模的行波部 分。当(例如)微腔沿着芯142的边界具有高反射，使得大百分比的入射波被反射时， 微腔140的谐振模可以在实质上主要是驻波。在这类情况下，反射波与入射波干涉，从而形 成在实质上主要是驻波的波。该谐振模的任何行波分量都次要于该谐振模的驻波部分。当(例如)微腔沿着芯142的边界具有低反射，使得仅小百分比的入射波被反射 时，微腔140的谐振模可以在实质上主要是行波。在这类情况下，反射波和入射波干涉，从 而形成在实质上主要是行波的波。该谐振模的任何驻波分量都次要于该谐振模的行波部 分。在图1和图2所示的示例性微谐振器系统100中，光学微腔芯142是矩形固体，所 述矩形固体具有沿X轴的长度L1、沿y轴的宽度W1以及沿Z轴的高度Hi。通常，微腔140可 以包括能够主要支持一种或多种谐振模的任何形状的微腔芯142。光学微腔芯142的示例 性形状包括球形、盘形、圆柱形、环形、超环面形、或跑道形。在一些情况下，微腔芯142可以 是规则或不规则的多边形。在一些情况下，微腔芯142可以是闭环微腔芯。例如，图20示 出了包括六边形光学微腔2040的光学微谐振器系统的示意性俯视图，该六边形光学微腔 2040芯耦合到微谐振器150。在一些情况下，六边形微腔2040是正六边形，在这种情况下， 六个内角中的每一个(例如角α工和α2)为120°，并且该六边形具有6条对称线。在一 些情况下，六边形微腔2040是不规则六边形。在图1和图2所示的示例性微谐振器系统100中，波导120、微谐振器150、以及微 腔140具有相同的上包层101和相同的下包层102。通常，微谐振器系统100中不同的波导 元件可以具有不同的上和/或下和/或侧包层。例如，波导120和微谐振器150可以具有 不同的上包层。通常，微谐振器系统100中的波导元件(例如光波导120)可以沿着不同方向具 有不同和/或多个包层。例如，图5示出了设置于基底521上的光波导520，该光波导520 包括具有折射率η。的光学芯522、具有折射率Ii1的上包层501、具有折射率Ii2的左侧包层 502、具有折射率Ii3的第一下包层503、具有折射率Ii4的第二下包层504、以及具有折射率 的右侧包层505。在一些情况下，芯折射率η。大于芯周围的某些或所有包层的折射率。沿 着(例如)x方向传播的光波导520的导模510可以具有芯522内的峰场强度510A、下包 层503和504内的倏逝尾部(evanescent tail) 510B、以及上包层501内的倏逝尾部510C。 光波导520可以是(例如)微谐振器系统100的光波导120。在图1和图2所示的示例性微谐振器系统100中，微腔芯142相等地延伸超过芯 152的内周156和芯152的外周157。具体地说，距离(I1和d2是相等的。通常，在应用中， 微腔芯142可按照提供微腔140和微谐振器150之间的光学耦合的任何位置和/或任何取 向来定位。例如，图6示出了微谐振器系统600的示意性俯视图，其中微腔芯142不等地延伸 超过内周156和外周157，这意味着距离Cl1和d2不相等。在示例性微谐振器系统600中， 距离Cl1大于距离d2。在示例性微谐振器系统100中，光学微谐振器150的芯152在第一面154和第二 面155处从光学微腔140的芯142延伸出。芯142和152形成一体构造，这意味着所述芯形成单一单元，在相连芯之间没有物理界面。在一体构造中，芯通常由相同的芯材料制成。 一体构造可以使用各种公知的方法(例如蚀刻、浇铸、模铸、压印以及挤压)来制造。通常，芯142和152可能或可能不形成一体构造。在一些情况下，芯142和152可 以由具有相同折射率的不同材料制成。在一些情况下，芯142和152可以由具有不同折射 率的不同材料制成。例如，在图6的微谐振器系统600中，芯152具有折射率Iitjl，而芯142 所具有的折射率n。2不同于r^。因为芯152和142之间的折射率差异引起两个芯之间形成 各自的第一界面654和第二界面655，所以芯152和142不形成一体构造。在示例性微谐振器系统600中，微腔140和微谐振器150之间的光学耦合至少主 要是光学芯耦合，而微谐振器150和光波导120之间的光学耦合是倏逝耦合。通常，光波导具有由包层或包层区域围绕的芯或芯区域。芯和包层中的每个可包 含一种或多种材料。通常，对于在光波导中受限制的光学模(例如波导的光导模)而言，包 层的折射率小于芯的折射率。受限制的光学模通常具有芯场分量和倏逝场分量。芯场通常 存在于芯内并包括一个或多个峰。倏逝场通常是存在于包层内的衰减场。倏逝场有时被称 为受限光学模的倏逝尾部。通常，光能可以通过不同的方法从第一光波导中的第一模转移到放置在第一光波 导附近的第二光波导中的第二模。例如，光能可以通过芯耦合从第一模转移到第二模。又 如，两种模之间的光能转移可以通过倏逝耦合来实现。又如，一些光能可以通过芯耦合来转 移，而一些光能可以通过倏逝耦合来转移。两种模之间的倏逝耦合通常是指主要由于这两种模的倏逝场的重叠而引起的光 能转移。在一些情况下，一些能量可通过倏逝耦合之外的方式(例如通过芯耦合)而转移， 但是任何这类能量转移都次要于由倏逝耦合弓I起的能量转移。两种模之间的芯耦合通常是指主要由于这两种模的芯场的重叠而引起的光能转 移。在一些情况下，一些能量可通过芯耦合之外的方式(例如通过倏逝耦合)而转移，但是 任何这类能量转移都次要于由芯耦合引起的能量转移。在一些情况下，例如当两种模的芯场之间以及这两种模的倏逝场之间均存在重叠 时，这两种模之间的光学耦合可以具有基本芯耦合和倏逝耦合部分。耦合区域通常是指光能可以在第一和第二光波导之间转移的区域。在一些情况 下，一部分耦合区域可以包括两种模的芯场之间的重叠区域，而另一部分耦合区域可以包 括这两种模的倏逝场之间的重叠区域。在一些情况下，耦合区域包括每个模具有足够高的场强的重叠区域。在一些情况 下，耦合区域是这样的区域其中所转移的能量是可转移能量的至少20%，或可转移能量 的至少30%，或可转移能量的至少40%，或可转移能量的至少50%，或可转移能量的至少 60 %，或可转移能量的至少70 %，或可转移能量的至少80 %，或可转移能量的至少90 %，或 可转移能量的至少95%。在一些情况下，耦合区域是这样的区域其中所转移的能量不超过可转移能量 的10%，或不超过可转移能量的7%，或不超过可转移能量的5%，或不超过可转移能量 的3 %，或不超过可转移能量的2 %，或不超过可转移能量的1 %，或不超过可转移能量的 0. 5%。图7示出了光波导系统700的示意性俯视图，该光波导系统700包括紧密间隔开的第一光波导710和第二光波导720。第一光波导710包括设置于包层701和702之间的 芯712并能够支持第一导模730，该第一导模730包括芯712内部的芯场730A、包层702中 的倏逝场730B、以及包层701中的倏逝场730C。芯场730A在芯712内具有峰731。第二光波导720包括设置于包层702和包层703之间的芯722并能够支持第二导 模740，该第二导模740包括芯722内部的芯场740A、包层702中的倏逝场740B、以及包层 703中的倏逝场740C。芯场740A在芯722内具有峰741和742。倏逝场730B和740B之间的重叠可以引起光能在第一光波导710和第二光波导 720之间的转移。例如，射入波导710中的第一导模730可以倏逝耦合到波导720，使得在 波导720中激发第二导模740。区域790示意性表示模730和740的两个波导之间的耦合 区域。图8示出了光波导系统800的示意性俯视图，该光波导系统800包括具有芯812 的第一光波导810以及具有芯822的第二光波导820。芯812和820在交叉区域850处交 叉或接合。在一些情况下，芯812和822可以形成一体构造。在这类情况下，芯822可以视 为从芯812延伸出，或者芯812可以视为从芯822延伸出。芯812和822被包层801围绕。第一光波导810能够支持第一导模830，该第一导 模830包括芯812内部的芯场830A。芯场830A在芯812内具有峰831。第二光波导820 能够支持第二导模840，该第二导模840包括芯822内部的芯场840A。芯场840A在芯822 内具有峰841。芯场830A和840A之间的重叠可以引起光能在第一光波导810和第二光波导820 之间的转移。例如，射入波导820中的导模840可以芯耦合到波导810，使得在波导810中 激发导模830。区域890示意性表示模830和840的两个波导之间的耦合区域。当(例如)两个波导的芯在一位置处附接、连接或接合时，在该位置处这两个波导 之间的光学耦合通常为芯耦合。例如，在微谐振器系统100中，微谐振器150的芯152分别 在第一面154和第二面155处与微腔140的芯142接合。微谐振器150主要通过在面154 和155处/或附近并且/或者在包括各个面的区域中芯耦合，来光学耦合到微腔140。面 154处的耦合区域包括面154以及面154附近及周围的区域。类似地，面155处的耦合区域 包括面155以及面155附近及周围的区域。在一位置处两个波导之间倏逝耦合的情况下，两个芯通常在该位置处间隔开，一 个或多个包层占据这两个波导的芯之间的间隙。例如，波导120和微谐振器150之间的光 学耦合主要是倏逝耦合。包层101在耦合区域190处占据芯122和152之间的间隙。通常，在所公开的实施例中，微谐振器芯和微腔芯可能或可能不具有平行的对称 轴线。例如，在图3的微谐振器系统200中，微腔芯242具有沿y轴的对称轴线210以及与 对称轴线210正交的沿χ轴的对称轴线215，对称轴线210大致指向(例如穿过)耦合区域 190。对称轴线210沿着微腔的宽度方向，而对称轴线215沿着微腔的长度方向。微腔具有 沿微腔的长度方向的长度L1以及沿微腔的宽度方向的宽度I。微谐振器芯252具有许多 对称轴线，包括沿y轴的对称轴线230以及与对称轴线230正交的沿χ轴的对称轴线235。 对称轴线230与对称轴线210重合或者共线。因此，微腔芯242和微谐振器芯252沿着y 轴共享相同的对称轴线，其中所共享的对称轴线沿着微腔的宽度方向。对称轴线215和235 不共线。具体而言，两条轴线沿y方向相对于彼此横向偏移距离t2。
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图9示出了微谐振器系统900的示意性俯视图，该微谐振器系统900包括光波导 120 ；光学微谐振器950，其具有在耦合区域990光学耦合到波导120的芯952 ；以及光学微 腔940，其具有光学耦合到微谐振器950而非光学耦合到波导120的芯942。光波导120所 支持的导模可以直接激发模，例如光学微谐振器950的第一谐振模，这意味着(例如)该导 模的倏逝尾部至少部分地重叠第一谐振模的倏逝尾部。光学微腔940能够支持一种或多种 模，例如一种或多种谐振模(例如第二谐振模)。第二谐振模可以直接由第一谐振模激发， 这意味着(例如)第一谐振模的倏逝尾部至少部分地重叠该第二谐振模的倏逝尾部。但是， 因为芯场之间和/或两种模的尾部之间不存在重叠，所以第二谐振模不能由该导模直接激 发。相反，第二谐振模由该导模间接激发，这意味着该导模通过首先直接激发第一谐振模来 激发第二谐振模。微谐振器芯952具有沿y轴的对称轴线930以及与对称轴线930正交的沿χ轴的 对称轴线935，所述对称轴线930大致指向耦合区域990。微腔芯942具有与轴线930平行 但不共线的沿y轴的对称轴线910、以及与轴线935平行但不共线的沿χ轴的对称轴线915。因此，微谐振器芯952和微腔芯942不具有共线的对称轴线或者共享共同的对称 轴线。具体而言，轴线910相对于轴线930横向偏移距离t4，而轴线915相对于轴线935横 向偏移距离t3。图10示出了微谐振器系统1000的示意性俯视图，该微谐振器系统1000包括光 波导120 ；光学微谐振器1050，其具有在耦合区域1090光学耦合到波导120的芯1052 ；以 及光学微腔1040，其具有光学耦合到微谐振器1050而非光学耦合到波导120的芯1042。微谐振器芯1052具有沿y轴的对称轴线1030以及与对称轴线1030正交的沿χ 轴的对称轴线1035，所述对称轴线1030大致指向耦合区域1090。微腔芯1042具有与轴线 1030平行但不共线的沿y轴的对称轴线1010、以及与轴线1035共线的沿χ轴的对称轴线 1015。微谐振器芯1052和微腔芯1042共享对称轴线，所述对称轴线沿微腔的宽度方向 但并不指向耦合区域1090。因此，微谐振器芯1052和微腔芯1042不具有大致指向耦合区 域1090的共线的对称轴线，或着共享大致指向耦合区域1090的共同的对称轴线。图11示出了微谐振器系统1100的示意性俯视图，该微谐振器系统1100包括光 波导120 ；光学微谐振器1150，其具有在耦合区域1190光学耦合到波导120的芯1152 ；以 及光学微腔1140，其具有光学耦合到微谐振器1150而非光学耦合到波导120的芯1142。微谐振器芯1152具有大致指向耦合区域1190的沿y轴的对称轴线1030。微腔芯 1142具有沿微腔的宽度方向的对称轴线1110以及沿微腔的长度方向的对称轴线1115。微 腔的对称轴线1110也是微谐振器芯1152的对称轴线。微谐振器芯1152和微腔芯1142共享对称轴线1110，所述对称轴线1110沿微腔的 宽度方向，但并不指向耦合区域1190。因此，微谐振器芯1152和微腔芯1142不具有大致指 向耦合区域1190的共线的对称轴线，或着共享大致指向耦合区域1190的共同的对称轴线。图12示出了微谐振器系统1200的示意性俯视图，该微谐振器系统1200包括光 波导120 ；光学微谐振器1250，其具有在耦合区域1290光学耦合到波导120的芯1252 ；以 及光学微腔1240，其具有光学耦合到微谐振器1250而非光学耦合到波导120的芯1242。微腔芯1242具有沿微腔的宽度方向的对称轴线1210以及沿微腔的长度方向的对称轴线1215。微谐振器芯1252具有与轴线1210平行但不共线的对称轴线1230以及与轴 线1215平行但不共线的对称轴线1235。微谐振器芯1252和微腔芯1242共享对称轴线，所述对称轴线沿微腔的宽度方向， 但并不大致指向耦合区域1290。因此，微谐振器芯1252和微腔芯1242不具有大致指向耦 合区域1290的共线的对称轴线，或着共享大致指向耦合区域1290的共同的对称轴线。轴 线1210相对于轴线1230横向偏移距离t5，而轴线1215相对于轴线1235横向偏移距离t6。图1的示例性微谐振器系统100包括单个光学微腔。通常，微谐振器系统可以包 括一个或多个光学微腔，其中至少一个微腔能够主要支持一种或多种谐振模。例如，图13示出了微谐振器系统1300的示意性俯视图，该微谐振器系统1300包 括光波导120 ；光学微谐振器1350，其具有在耦合区域1390光学耦合到波导120的芯 1352 ；第一光学微腔1340，其具有光学耦合到微谐振器1350而非光学耦合到波导120的芯 1342 ；以及第二光学微腔1360，其具有光学耦合到微谐振器1350而非光学耦合到波导120 的芯1362。在一些情况下，微腔1340和1360中的至少一个能够主要支持一种或多种谐振 模。光学微谐振器1350沿着y轴沿微腔1340的宽度尺寸光学耦合到微腔1340。微 腔芯1342具有宽度W2和长度L2。在示例性微谐振器系统1300中，微腔芯1342沿着微腔 的至少一个宽度侧(例如宽度侧1371)相等地延伸超过芯1352的内周1356和外周1357。 具体而言，距离d3和d4是相等的。通常，在应用中，微腔芯1342可以按照提供微腔1340和 微谐振器1350之间的光学耦合的任何位置和/或任何取向定位。光学微谐振器1350沿着y轴沿微腔1360的宽度尺寸光学耦合到微腔1360。微腔 芯1362具有宽度W3和长度L3。在示例性微谐振器系统1300中，微腔芯1362沿着至少一个 宽度侧(例如宽度侧1372)相等地延伸超过内周1356和外周1357。具体而言，距离d5和 d6是相等的。通常，在应用中，微腔芯1362可以按照提供微腔1360和微谐振器1350之间 的光学耦合的任何位置和/或任何取向定位。在示例性微谐振器系统1300中，微腔1340和1360彼此不直接光学耦合。例如， 芯1342和1362之间的间距Ic1足够大，以使得两个微腔之间没有或只有很少倏逝耦合。在 一些情况下，距离h可以足够小，以允许两个微腔之间的光学耦合。在一些情况下，两个微腔中的每一个都能够主要支持一种或多种谐振模。在这类 情况下，两个微腔的谐振模光学耦合到微谐振器的谐振模，可导致微谐振器系统1300的谐 振模的形成。在一些情况下，当(例如)每个微腔和微谐振器的一种或多种谐振模彼此足 够接近时，例如当微谐振器系统100中距离、大约为100-10，000纳米时，可存在系统谐振 模。微谐振器芯1352具有指向耦合区域1390的沿y轴的对称轴线1330。微腔芯1342 具有对称轴线1310，该对称轴线1310与轴线1330平行并相对于轴线1330横向偏移距离 k2。微腔芯1362具有对称轴线1320，该对称轴线1320与轴线1330平行并相对于轴线1330 横向偏移距离k3。重新参照图1，光源110能够发射光束112，该光束112的至少一部分通过输入面 114进入光波导120。在一些情况下，从光源110进入光波导120的光可以沿着波导作为波 导的导模(例如导模128)传播。在一些情况下，导模128激发光学微谐振器150的谐振模
13160。在一些情况下，谐振模160激发光学微腔140的谐振模170。在一些情况下，谐振模 170和160可以分别是微腔140和微谐振器150的驻波模。通常，谐振模170和160之间的 光学耦合可以形成微谐振器系统100的谐振模。在一些情况下，微谐振器150的谐振模160可以激发沿着正χ轴朝着检测器166 行进的光波导120的导模124。导模124可以从输出面116作为输出光168从光学波导出 射。输出光168可以被检测器166检测到。通常，检测器166能够通过检测输出光168的 一种或多种特性(例如强度、波长、和/或相位)来检测微谐振器系统100的模(例如谐振 模)的一种或多种特性。在一些情况下，输出光168的一种或多种特性的变化可以指示能够影响微谐振器 系统100的一种或多种特性的外部媒介(例如，散射中心180)的存在。例如，如果光学微 谐振器150的散射中心和芯152之间的距离“t”足够小，则在微谐振器和散射中心之间可 以发生光学耦合。该光学耦合可以改变微谐振器系统100的激发的谐振模的一种或多种特 性。例如，该光学耦合可以改变微谐振器150的谐振模160的一种或多种特性。模160的变 化可以引起导模124的一种或多种特性的变化，该导模124作为输出光168从波导120出 射。检测器166可以通过检测输出光168对应的变化来检测模160或者微谐振器系统100 的谐振模的变化。在图1所示的示例性微谐振器系统100中，散射中心180邻近微谐振器150。通 常，散射中心180可以足够靠近微谐振器系统100的任何部位，以能够引起微谐振器系统的 谐振模的特性的变化。例如，散射中心可以足够靠近微腔140，以允许散射中心和微腔之间 的光学耦合。散射中心180和微谐振器150之间光学耦合的强度的变化可以引起(例如)谐振 模160的特性的变化。光学耦合的强度的变化可以通过各种手段来实现。例如，散射中心 180和微谐振器150或芯152之间的间距“t”的变化可以改变散射中心和微谐振器之间的 光学耦合的强度。又如，散射中心的折射率ns的变化可以改变散射中心和微谐振器之间的 光学耦合的强度。通常，任何可以造成散射中心180和微谐振器150之间光学耦合的强度 变化的机制都可以引起输出光168以及微谐振器系统的谐振模的特性的变化。在一些情况下，例如就某些金属(例如金)而言，对于1550nm附近的波长，散射中 心的折射率的实部小于1。在其他一些情况下，例如就硅而言，对于1550nm附近的波长，散 射中心的折射率的实部大于1。可以用作散射中心180的散射中心实例包括介电纳米颗粒；半导体纳米颗粒，例 如硅纳米颗粒；以及金属纳米颗粒，例如金和铝纳米颗粒。在一些情况下，散射中心可以是 半导体，例如Si、GaAS、InP、CdSe、或CdS。例如，散射中心可以是硅颗粒，其直径为80纳米， 对所关注的波长的折射率(实部)为3. 5。散射中心的另一个实例是金颗粒，其直径为80 纳米，对1550nm附近波长的折射率为0. 54+9. 58i。散射中心的另一个实例是铝颗粒，其直 径为80纳米，对1550nm附近波长的折射率为1. 44+16. Oi。在一些情况下，散射中心可以是介电颗粒。在一些情况下，散射中心可以是非荧光 颗粒。在一些情况下，散射中心不是半导体。在一些情况下，散射中心180的尺寸不大于大约1000纳米，或不大于大约500纳 米，或不大于大约100纳米，或不大于大约50纳米。
微谐振器系统100可以用作传感器，其能够感测(例如)被分析物182。例如，微 谐振器150可以能够与被分析物182粘合。这种粘合能力可以通过(例如)适当处理微谐 振器150或芯152的外表面来实现。在一些情况下，被分析物182与散射中心180关联。这 种关联可以通过(例如)将被分析物附接到散射中心来实现。当被分析物182与微谐振器 的外表面粘合时，可以使散射中心光学邻近微谐振器150。散射中心引起谐振模160的特 性的变化，进而使得微谐振器系统的谐振模的特性发生变化。光学检测器166通过监测输 出光168的一种或多种特性的变化来检测谐振模160的特性的变化，从而可以检测被分析 物182的存在。在一些情况下，所引起的变化可以是模160的频率偏移。在这类情况下，光 学检测器166可以通过(例如)检测输出光168的频率偏移来检测该频率偏移。被分析物 182可以(例如)包括蛋白质、病毒、或DNA分子。在一些情况下，被分析物182可以包括待检测抗原的第一抗体。该第一抗体可以 与散射中心180关联。抗原的第二抗体可以与微谐振器150关联。抗原方便第一抗体和第 二抗体之间的键合。这样，使得散射中心与微谐振器光学接触，引起微谐振器系统的谐振模 的特性的变化。检测器可以通过检测特性的变化来检测散射中心的存在，并因此检测抗原。 在一些情况下，第一抗体可以与第二抗体相同。这种示例性感测处理可以在诸如食品安全、 食品加工、医学测试、环境测试和工业卫生之类的多种应用中使用。在一些情况下，散射中 心180可以引起谐振模160的频率偏移，从而引起微谐振器系统的对应谐振模的频率偏移， 其中所述偏移可被检测器166检测到。在一些情况下，微谐振器系统100可以能够检测包层101的折射率的变化。例如， 包层101可以最初为空气。借助空气包层，微谐振器系统的谐振模可以处于谐振频率，其 可以引起谐振频率fi处的输出光168。当例如空气包层用例如蒸汽(例如有机蒸汽)、气 体、液体、生物或化学材料、或者可以引起包层101的折射率变化的任何其他材料代替或者 与之混合时，包层101的折射率会发生变化。包层101的折射率的变化可以使微谐振器系 统的谐振模和输出光168偏移到频率f2，其中f2不同于 \。光学检测器166可以检测到频 率偏移f = f「f2。在一些情况下，波导120、微谐振器150以及微腔140可以集成在共用基底上。所 述集成可以为单片集成，在这种情况下，通常使用相同的材料系统将不同的元件都加工到 共用基底上。此类集成可以是针对特定基底的，这意味着对一些基底而言，集成可能较容易 或可行，而对另外一些基底而言，集成可能较困难或不可行。例如，可以将检测器、微谐振 器、微腔以及波导加工或生长到基底(例如Si基底)上，但将(例如)光源生长或加工到 同样的基底上可能是困难或不可行的。又如，可以将所有系统元件生长或加工到III-V半 导体基底(例如InP或GaAs基底)上。所述集成可以为混合集成，在这种情况下，至少一些元件首先被独立地加工，然后 通过(例如)使用粘合剂或焊料粘合被装配到共用基底上。在这种情况下，微谐振器、微腔 和波导可以单片集成到基底上。在一些情况下，粘合可能需要使光源和检测器与波导主动 对齐。图14示出了集成光学装置1500的示意性三维图。光源110和检测器166集成到 光学装置1500的基底103上。波导120、微腔140以及微谐振器150具有上包层101和下 包层102并被集成到基底103上。光源110通过间隙1501与波导120隔开，并且该光源
15110包括集成到基底103上的电引线1540和1541。电引线1540和1541延伸到光学装置 1500的边缘1521，以连接到例如外部电源和/或控制器(图14中未示出)。检测器166通 过间隙1502与波导120隔开，并且该检测器166包括集成到基底103上的电引线1530和 1531。电引线1530和1531延伸到光学装置1500的边缘1522，以连接到例如外部电源和/ 或其他电子器件(图14中未示出)。基底103可以是刚性或柔性的。基底103可以为透光或不透光的。该基底可以为 聚合物、金属、半导体、或任何类型的玻璃。例如，基底103可以是硅。又如，基底103可以 是浮法玻璃，或者基底103可由有机材料，例如聚碳酸酯、丙烯酸树脂、聚对苯二甲酸乙二 醇酯(PET)、聚氟乙烯(PVC)、聚砜等制成。可以使用公知的制造技术制备微谐振器150、微腔140以及光波导120。示例性的 制造技术包括光刻法、印刷、浇铸、挤压、压印以及蚀刻(例如反应离子蚀刻或湿法化学蚀 刻)。可以使用公知的方法，例如溅射、气相沉积、火焰水解、浇铸、或任何其他可在应用中适 合的沉积方法，来形成微谐振器系统100中的不同层。在一些情况下，光源110可以是发射(例如)白光的宽带光源。在一些情况下，光 源110可以为窄带光源，例如可调窄线宽激光源。在一些情况下，检测器166可以为窄带检 测器，或者该检测器可以为光谱灵敏检测器。例如，检测器166可以为光谱分析仪。在一些 情况下，检测器166可以为宽带检测器。图15示出了微谐振器系统1400的示意性三维图，该微谐振器系统1400包括光 波导1420，其具有芯1422 ；光学微谐振器1450，其具有在耦合区域1490光学耦合到波导 1420的芯1452 ；以及光学微腔1440，其具有光学耦合到微谐振器1450而非光学耦合到波 导1420的芯1442。在一些情况下，光学微腔1440能够主要支持一种或多种谐振模。光学微谐振器1450沿着光学微腔1442的宽度方向1401和厚度方向1403光学 耦合到光学微腔1440，其中厚度方向1403与宽度方向1401正交。在示例性微谐振器系统 1400中，厚度方向1403沿y轴，而宽度方向1401沿负ζ轴。厚度和宽度方向限定了与该厚 度和宽度方向同时正交的长度方向1402。长度方向1402沿χ轴。微腔芯1442具有沿宽度 方向1401的最大宽度尺寸Wm、沿厚度方向1403的最大厚度尺寸Hm、以及沿长度方向1402 的最大长度尺寸Lm。在一些情况下，Hm不大于Wm。在一些情况下，光学微腔1440能够主要支持一种 或多种谐振模，其中比率Lm/Wm不大于大约10，如在(例如)共同所有的美国专利申请 No. 11/616338 (代理人案卷号No. 62681US002)中所述。在其他一些情况下，光学微腔1440 能够主要支持一种或多种谐振模，其中比率Lm/Wm不大于大约6，或不大于大约4，或不大于 大约3，或不大于大约2。在其他一些情况下，光学微腔1440能够主要支持一种或多种谐振 模，其中比率Lm/Wm不大于大约1，或不大于大约0. 8，或不大于大约0. 5，或不大于大约0. 3， 或不大于大约0.1。在一些情况下，Lm不大于大约50微米，或不大于大约30微米，或不大于大约20微 米，或不大于大约10微米。在其他一些情况下，Lffl不大于大约5微米，或不大于大约3微 米，或不大于大约2微米，或不大于大约1微米。在其他一些情况下，Lffl不大于大约0. 8微 米，或不大于大约0. 6微米，或不大于大约0. 5微米。在一些情况下，光学微腔1440能够主要支持不超过100种谐振模、或不超过50种
16谐振模、或不超过20种谐振模、或不超过15种谐振模、或不超过10种谐振模、或不超过8 种谐振模、或不超过5种谐振模。在一些情况下，光学微腔1440能够主要支持至少一种谐振模、或至少2种谐振模、 或至少5种谐振模、或至少10种谐振模。在一些情况下，光学微腔1440能够主要支持单一 谐振模、或两种谐振模。在一些情况下，微谐振器系统1400被设计为主要工作在从大约0. 3微米至大约15 微米、或从大约0. 3微米至大约5微米、或从大约0. 3微米至大约2微米、或从大约0. 4微 米至大约1. 6微米、或从大约0. 6微米至大约1. 6微米的波长范围内。在一些情况下，微谐 振器系统1400被设计为主要工作在大约633nm、或在大约850nm、或在大约980nm、或在大约 1310nm、或在大约1550nm、或在大约10，600nm处。在一些情况下，微腔1440的谐振模(例如谐振模1470)是行波或主要是行波。在 其他一些情况下，微腔1440的谐振模是驻波或主要是驻波。在一些情况下，微谐振器1450的谐振模能够激发微腔1440的谐振模。例如，微谐 振器的谐振模1460可以光学耦合到微腔的谐振模1470并激发所述谐振模1470。在一些情 况下，微谐振器1450的驻波模能够激发微腔1440的驻波模。例如，微谐振器的谐振驻波模 1460可以光学耦合到微腔的谐振驻波模1470并激发所述谐振驻波模1470。在一些情况下，驻波模1470可以由沿不同方向行进的两个行波模(例如第一行波 模1471和第二行波模1472)之间的光学干涉而引起。在一些情况下，驻波模1460可以由 沿不同方向行进的两个行波模(例如第一行波模1461和第二行波模1462)之间的光学干 涉而引起。在一些情况下，行波模1461可以光学耦合到沿大致相同的方向行进的行波模 1471并主要激发所述行波模1471，而行波模1462可以光学耦合到行波模1472并主要激发 所述行波模1472，其中两种模都沿大致相同的方向(例如顺时针方向)行进。在一些情况 下，所激发的行波模1471和1472可以光学干涉以形成驻波模1470。来自光源110的光112可以激发光波导1420的光导模1428。模1428能够经由 耦合区域1490通过倏逝耦合而耦合到光学微谐振器1450，其中所述耦合区域1490大致定 位在光波导1420和微谐振器1450之间。导模1428能够激发微谐振器的相同波长的行波 模(例如行波模1461)。导模1461能够激发例如行波模1471，使得行波模1472和驻波模 1470产生。模1472可以进而激发行波1462。行波模1462和1461可以干涉以形成驻波模 1460。在一些情况下，不同波长下的导模1461可以主要激发微腔1440的不同驻波模。例 如，具有第一波长X1的导模1461可以主要激发一种驻波模，而具有第二波长入2的导模可 以主要激发微谐振器的不同的驻波模。在一些情况下，微腔1440可以能够支持简并驻波模，这意味着具有波长λ3的导 模1461可以主要激发微腔的两种或两种以上的具有相同波长λ 3的不同驻波模。图19示出了光学微谐振器系统的示意性俯视图，该光学微谐振器系统包括输入 光波导1920，其具有光学芯1922，并能够支持导模1928 ；输出光波导1930，其具有光学芯 1932，并能够支持导模1924 ；第一光学微腔1960，其在芯耦合区域1901芯耦合到输入光波 导1920，并在芯耦合区域1902芯耦合到输出光波导1930 ；光学微谐振器1950，其具有光学芯1952，并在芯耦合区域1903和1904处芯耦合到第一光学微腔；以及第二光学微腔1940， 其具有光学芯1942，并在芯耦合区域1905和1906处芯耦合到光学微谐振器1950。芯耦合区域通常是两个或更多个波导之间发生芯耦合的区域。在一些情况下，例 如当两个波导的芯为不同材料时，芯耦合区域可以包括物理界面，该物理界面为两个芯之 间的界面。在一些情况下，例如当两个芯由相同材料制成并形成一体构造时，芯耦合区域不 包括两个波导之间的物理界面。输入光波导1920与发射输入光112的光源110光学通信。输出光波导1930与接 收来自输出波导1930的输出光168的检测器166光学通信。光学微谐振器1950芯耦合到第一光学微腔1960，但光学微谐振器1950并不芯耦 合到输入波导1920和输出波导1930。第一光学微谐振器1950直接耦合到第一光学微腔 1960，而间接(即通过第一微腔1960)耦合到输入波导1920和输出波导1930。第二光学微腔1940芯耦合到微谐振器1950，但第二光学微腔1940并不芯耦合到 第一光学微腔I960、输入波导1920和输出波导1930。第二光学微腔1940直接耦合到微谐 振器1950。第二光学微腔1940间接(即通过微谐振器1950)耦合到微腔1960。在示例性微谐振器系统1900中，第一光学微腔1960是具有沿χ方向的长度L4和 沿y方向的宽度W4矩形。在一些情况下，第一光学微腔I960可以是多模干涉耦合器(MMIC)，所述匪IC在 例如 1995 年 4 月 Journal of LightwaveTechnology 13(4)第 615—626 页中 Soldano 等 AW "Optical Multi-ModeInterference Devices Based on Self-Imaging :Principles and Applications”中、以及在例如共同所有的美国专利申请No. 11/616338 (代理人案卷 号NO.62681US002)中有所描述。在一些情况下，MMIC 1960被如此设计，以使得沿着例如χ 方向在微腔内传播的微腔的行波模在微腔的至少一些边界处(例如在微腔的侧壁1912和 1913处)不受或很少受反射。在一些情况下，微腔1960可以主要支持两种或更多种、或者三种或更多种、或者 五种或更多种行波模。在这类情况下，比率L4/W4不小于大约2，或不小于大约3，或不小于 大约4，或不小于大约6，或不小于大约10。在其他一些情况下，比率L4/W4不小于大约20， 或不小于大约40，或不小于大约60，或不小于大约80，或不小于大约100。在一些情况下，比率L4大于大约50微米，或大于大约100微米，或大于大约200微 米，或大于大约500微米。在其他一些情况下，比率L4大于大约1000微米，或大于大约2000 微米，或大于大约5000微米，或大于大约10，000微米。在一些情况下，光学微腔1960能够主要支持至少100种谐振模，或至少200种谐 振模，或至少400种谐振模，或至少500种谐振模，或至少700种谐振模，或至少800种谐振 模，或至少1000种谐振模。在一些情况下，第一光学微腔1960是匪IC，而第二光学微腔1940不是匪IC。在 这类情况下，微腔I960可以支持至少50种谐振模且微腔1940可以支持不超过20种谐振 模，或着微腔I960可以支持至少100种谐振模且微腔1940可以支持不超过20种谐振模， 或着微腔1960可以支持至少100种谐振模且微腔1940可以支持不超过15种谐振模，或者 微腔1960可以支持至少100种谐振模且微腔1940可以支持不超过10种谐振模，或者微腔 1960可以支持至少100种谐振模且微腔1940可以支持不超过8种谐振模，或者微腔1960可以支持至少100种谐振模且微腔1940可以支持不超过5种谐振模。通过下面的实例进一步说明所公开的实施例的一些优点。在这些实例中引用的特 定材料、数量和尺寸以及其他条件和细节不应当解释为过度地限制本发明。实例1 使用有效二维时域有限差分(FDTD)方法对类似于图1的微谐振器系统100的光 学装置进行数值分析。对于该模拟，所有的芯均是折射率为3. 5并且有效厚度为0. 4微米的 硅。光学微谐振器是厚度为0.2微米并且外径为3. 6微米的环。耦合区域190中的芯122 和152之间的间距、为0. 2微米。微腔芯142是矩形固体，该矩形固体的宽度W1为1. 8微 米，长度L1为0. 6微米，从而比率L1ZiW1大约为0. 33。微腔140沿着χ轴相对于环形微谐振 器150对称地定位，这意味着微腔和微谐振器沿y轴共享相同的对称轴线。距离Cl1和d2均 为0. 8微米。上包层101是折射率为1的空气。下包层102是折射率为1. 46的二氧化硅。在该模拟中，光源110是脉冲光源，该脉冲光源以半峰全宽(FWHM)为1微米并在 2微米处保持居中的离散1飞秒长高斯脉冲的形式发射光112。经检测器166检测，宽带输 入脉冲引起在大约1微米至大约3微米范围内的宽光谱响应。图16中的曲线1620示出了缺少散射中心180的情况下在检测器166处的计算信 号强度(相对于输入光强度取任意单位)，该计算信号强度是波长(以微米为单位)的函 数。曲线1640示出了存在散射中心180的情况下的计算输出信号强度。散射中心是直径 等于80纳米并且在大约1550nm处复折射率等于0. 54+9. 58 的球形金颗粒。如图1示意 性地示出的，散射中心穿过中心151沿着微谐振器的水平对称轴线191放置。在颗粒和微 谐振器之间存在50纳米的间隙“t”。图16示出了散射中心在微谐振器系统的至少多个谐 振频率中引起偏移。曲线1620示出了该光学装置具有若干谐振频率，例如在位置1612处 与大约1. 62微米对应的谐振频率。为了比较，曲线1610示出了针对参照光学装置在检测 器处的计算信号强度，所述参照光学装置(如图17示意性示出的)除了不包括微腔之外， 与实例1的光学装置相同。图16示出了微腔140的添加引起光学装置的谐振频率发生偏移并且峰在至少一 些谐振频率处分裂。例如，图16示出了峰在位置1611处分裂。二维FDTD方法用于验证该微腔主要支持谐振模。光以光学装置的谐振频率进入 到波导120中，微腔内电场最大值的位置被监测为时间的函数。结果显示，这些位置是基本 上静止的，从而表明该微腔主要支持谐振驻波模。实例2 使用有效二维时域有限差分(FDTD)方法对类似于实例1的微谐振器系统的光学 装置进行数值分析，不同之处在于微腔沿着正y轴偏移0. 2微米，从而使得Cl1等于1. 0微 米，d2等于0.6微米。图16中的曲线1630示出了缺少散射中心180的情况下在检测器166处的计算信 号强度。曲线1630示出了光学装置具有若干谐振频率，例如在位置1631处与大约1. 4微 米对应的谐振频率。二维FDTD方法用于验证该微腔主要支持谐振模。光以光学装置的谐振频率进入 到波导120中，微腔内电场最大值的位置被监测为时间的函数。结果显示，这些位置是基本 上静止的，从而表明该微腔主要支持谐振驻波模。
实例3 使用有效二维时域有限差分(FDTD)方法对类似于图13的微谐振器系统1300的 光学装置进行数值分析。对于该模拟，所有的芯均是折射率为3. 5并且有效厚度为0. 4微 米的硅。光学微谐振器是厚度为0.2微米并且外径为3. 6微米的环。在耦合区域1390中 芯122和1352之间的间距、为0. 2微米。上包层101是折射率为1的空气。下包层(类 似于微谐振器系统100)是折射率为1. 46的二氧化硅。微腔芯1342是矩形固体，该矩形固体的宽度W2为1. 8微米，长度L2为0. 6微米， 从而使得比率L2/W2大约为0. 33。微腔1340沿着X轴相对于环形微谐振器1350对称地定 位，使得距离k2等于0. 4微米。距离d3和d4均为0. 8微米。微腔芯1362是矩形固体，该矩形固体的宽度W3为1. 8微米，长度L3为0. 3微米， 从而使得比率L3/W3大约为0. 17。微腔1360沿着X轴相对于环形微谐振器1350对称地定 位，使得距离k3等于0. 25微米。距离d5和d6均为0. 8微米。在该模拟中，光源110是脉冲光源，该脉冲光源以半峰全宽(FWHM)为1微米并在 2微米处保持居中的离散1飞秒长高斯脉冲的形式发射光112。经检测器166检测，宽带输 入脉冲引起在大约1微米至大约3微米范围内的宽光谱响应。图18中的曲线1810示出了缺少散射中心180的情况下在检测器166处的计算信 号强度(相对于输入光强度取任意单位)，该计算信号强度是波长(以微米为单位)的函 数。曲线1810示出了该光学装置具有若干谐振频率，例如在位置1811处与大约1. 63微米 对应的谐振频率。二维FDTD方法用于验证这两个微腔中的至少一个主要支持谐振模。光以光学装 置的谐振频率进入到波导120中，微腔内电场最大值的位置被监测为时间的函数。结果显 示，这些位置在每个微腔中均是基本上静止的，从而表明每个微腔主要支持谐振驻波模。如本文所用，术语(例如“竖直”、“水平”、“上面”、“下面”、“左”、“右”、“上”及“下”、 “顺时针”及“逆时针”以及其他类似的术语)是指如附图所示的相对位置。通常，物理实施 例可以具有不同的取向，在这种情况下，术语意在指示修改为装置实际取向的相对位置。例 如，即使图14中的构造相比图中的取向倒置，包层102仍视为“下”包层。以上引用的所有的专利、专利申请以及其它出版物均以如同全文复制的方式引入 本文以供参考。虽然上文详细描述了本发明的具体实例，以帮助解释本发明的各个方面，但 是应当理解，其目的并不是将本发明限制于实例的具体内容。相反，其目的在于涵盖落在由 所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、实施例和替代方式。
权利要求
一种光学微谐振器系统，包括光波导；光学微谐振器，所述光学微谐振器直接光学耦合到所述光波导；以及第一光学微腔，所述第一光学微腔芯耦合到所述光学微谐振器，而非芯耦合到所述光波导。
2.根据权利要求1所述的光学微谐振器系统，其中所述第一光学微腔能够主要支持一 种或多种谐振模。
3.根据权利要求2所述的光学微谐振器系统，其中所述一种或多种谐振模中的至少一 种在两个而非三个维度上受限制。
4.根据权利要求2所述的光学微谐振器系统，其中所述一种或多种谐振模中的至少一 种在三个维度上受限制。
5.根据权利要求2所述的光学微谐振器系统，其中所述一种或多种谐振模中的至少一 种主要是行波。
6.根据权利要求2所述的光学微谐振器系统，其中所述一种或多种谐振模中的至少一 种主要是驻波。
7.根据权利要求1所述的光学微谐振器系统，其中所述光波导通过芯耦合来耦合到所 述光学微谐振器。
8.根据权利要求1所述的光学微谐振器系统，其中所述光波导通过倏逝耦合来耦合到 所述光学微谐振器。
9.根据权利要求1所述的光学微谐振器系统，其中所述光波导包括与光源光学通信的 输入面以及与光检测器光学通信的输出面。
10.根据权利要求1所述的光学微谐振器系统，还包括第二光学微腔，所述第二光学微 腔芯耦合到所述光学微谐振器，而非芯耦合到所述光波导。
11.根据权利要求10所述的光学微谐振器系统，其中所述第二光学微腔能够主要支持 一种或多种谐振模。
12.根据权利要求1所述的光学微谐振器系统，其中所述光学微谐振器具有对称轴线， 该对称轴线与所述光学微腔的对称轴线平行。
13.根据权利要求12所述的光学微谐振器系统，其中所述光学微谐振器的对称轴线与 所述光学微腔的对称轴线共线。
14.根据权利要求1所述的光学微谐振器系统，其中所述光学微谐振器在耦合区域直 接光学耦合到所述光波导，所述光学微谐振器具有大致指向所述耦合区域的第一对称轴 线。
15.根据权利要求14所述的光学微谐振器系统，其中所述光学微腔具有第二对称轴 线，该第二对称轴线与所述第一对称轴线平行。
16.根据权利要求15所述的光学微谐振器系统，其中所述第二对称轴线与所述第一对 称轴线共线。
17.根据权利要求15所述的光学微谐振器系统，其中所述第二对称轴线相对于所述第 一对称轴线横向偏移。
18.根据权利要求14所述的光学微谐振器系统，其中所述光学微腔没有对称轴线与所述第一对称轴线平行。
19.根据权利要求1所述的光学微谐振器系统，其中所述光学微谐振器沿着微腔芯的 宽度方向和厚度方向光学耦合到所述光学微腔，所述厚度方向与所述宽度方向正交，所述 微腔芯具有沿宽度方向的最大宽度尺寸W、沿厚度方向的最大厚度尺寸H、以及沿长度方向 的最大长度尺寸L，所述长度方向与所述宽度和厚度方向正交，H不大于W，L/W不大于大约 6。
20.根据权利要求16所述的光学微谐振器系统，其中L/W不大于大约1。
21.一种光学传感器，包括微谐振器系统，所述微谐振器系统包括 光波导；光学微谐振器，所述光学微谐振器直接光学耦合到所述光波导；以及光学微腔，所述光学微腔光学耦合到所述光学微谐振器，而非光学耦合到所述光波导；光源，所述光源与所述光波导光学通信，并以与所述微谐振器系统的第一谐振模对应 的波长发射光；以及检测器，所述检测器与所述微谐振器系统光学通信，所述检测器检测所述第一谐振模 的特性，以使得当使被分析物靠近所述微谐振器系统时，所述第一谐振模的特性发生变化， 所述检测器检测所述变化。
22.根据权利要求21所述的光学传感器，其中所述光学微腔主要支持一种或多种谐振模。
23.根据权利要求22所述的光学传感器，其中所述光学微腔的一种或多种谐振模中的 每一种是驻波模。
24.根据权利要求21所述的光学传感器，其中所述特性包括所述第一谐振模的强度。
25.根据权利要求21所述的光学传感器，其中所述特性包括所述第一谐振模的波长。
26.根据权利要求21所述的光学传感器，其中所述特性包括所述第一谐振模的相位。
27.根据权利要求21所述的光学传感器，其中所述微谐振器沿着所述微腔的长度光学 耦合到所述微腔，所述微腔具有长度尺寸L和宽度尺寸W，L/W不大于大约6。
28.根据权利要求27所述的光学传感器，其中L/W不大于大约1。
29.一种光学微谐振器系统，包括 光波导，所述光波导支持导模；光学微谐振器，所述光学微谐振器能够支持由所述导模直接激发的第一谐振模；以及 光学微腔，所述光学微腔能够支持第二谐振模，所述第二谐振模由所述第一谐振模直 接激发，而非由所述导模直接激发。
30.根据权利要求29所述的光学微谐振器系统，其中所述第一谐振模包括行波模，所 述第二谐振模包括驻波模。
31.根据权利要求29所述的光学微谐振器系统，其中所述第一和第二谐振模中的每一 种包括驻波模。
32.根据权利要求29所述的光学微谐振器系统，其中所述光学微腔是矩形固体。
33.一种光学微谐振器系统，包括光波导；第一光学微腔，所述第一光学微腔芯耦合到所述光波导；光学微谐振器，所述光学微谐振器芯耦合到所述第一光学微腔，而非芯耦合到所述光 波导；以及第二光学微腔，所述第二光学微腔芯耦合到所述光学微谐振器，而非芯耦合到所述第一光学微腔。
34.根据权利要求33所述的光学微谐振器系统，其中所述第一光学微腔是多模干涉耦 合器，而所述第二光学微腔不是多模干涉耦合器。
全文摘要
本发明公开了一种光学微谐振器系统和传感器。所述光学微谐振器系统包括光波导和直接光学耦合到所述光波导的光学微谐振器。所述光学微谐振器还包括光学微腔，所述光学微腔芯耦合到所述光学微谐振器，而非芯耦合到所述光波导。
文档编号G02B6/12GK101910898SQ200880124356
公开日2010年12月8日 申请日期2008年11月4日 优先权日2007年11月15日
发明者巴里·J·科赫, 易亚沙, 特里·L·史密斯 申请人:3M创新有限公司