专利名称：光学传感装置和方法
技术领域：
本发明整体涉及光学装置，更具体地讲，涉及使用微谐振器的光 学传感器。
背景技术：
光学传感正变成一种用于检测生物、化学和气体物质的重要技术。 光学传感可以提供速度和灵敏度方面的优点。近年来，已经开发出许 多新颖的光子结构和材料来制造非常灵敏的光学器件。法使用了一体化的光波导。已 经证实这样的传感器能够检测波导表面上吸附的化学和生物物质。但 是，为了在许多分析应用中获得足够的光学信号变化， 一体化的光波 导化学分析会需要大的传感装置(通常长度为几厘米)。表面等离子体谐振(SPR)也已经被用来制造光学传感器。SPR技术 已经商业化，并己变成使生物分子相互作用特征化和量化的基本工具。 但是这样的量度系统会是庞大的。目前，光学微谐振器在生化、化学和气体传感方面的应用正在被 集中调査研究。光学微谐振器是可以具有高质量因数(Q因数)的非常小的器件，其中，Q因数一般指谐振波长与谐振线宽的比率。例如， 由于由玻璃球制成的微球谐振器中捕获的光循环多次，产生了高Q因 数(>106)的器件，这可使得微球表面上的分析物和谐振器中循环的光之间的光学相互作用有效地增强，因此由玻璃球制成的微谐振器可以 用于制造非常灵敏的光学传感器。在光学微谐振器传感器中，使用主波导(bus waveguide)来激发接近微谐振器的表面设置的导向光学模式。 谐振光学模式的一个实例是回音廊模式。然后，将分析物设置在微球 的模式的隐失场(evanescent field)内。通过谐振频率的改变来检测传感 器的折射率的变化。可以使用与检测器连接的第二主波导，从微谐振 器中提取发生改变的光谱。虽然为了制造光学传感器的目的，已经调查研究了各种类型的光 学微谐振器，但是微球、微环和微圆盘最受关注。基于半导体制造工 艺的微圆盘或微环相对地易于大量和/或高密度地制造。可以使用诸如 干/湿蚀刻和层沉积的制造技术，调节它们关于波导的位置。然而，至 少部分由于表面粗糙度和材料吸附性，导致这些谐振器的Q因数通常 低于104。在使用微球进行传感的常规方法中，将分析物结合到球的表面导致球的有效折射率发生小的变化。这导致谐振波谱的峰的波长位置发 生小的改变。这些改变通常在皮米的范围内。为了检测这样小的改变， 需要昂贵的用于光谱分析的设备。此外，必须将微谐振器设计成给出 非常窄的线宽，使得可以检测出小的峰改变。这需要高的精细度(自 由光谱范围除以线宽)，或者换句话讲，需要高质量因数(工作波长 除以线宽)的微谐振器。这转化成需要微谐振器中的波导损失低且微 谐振器和主波导之间的耦合弱，以检测小的频率偏移。为了检测由于检测分析物导致的波长小的变化，需要控制或补偿 可以产生波长改变的其他机制。尤其是，必须理解由于组成谐振器的 材料的折射率的温度依赖性导致的波长改变，并不将其与检测信号混 淆。需要改进的使用微谐振器的光学传感系统。 发明内容一般来讲，本发明涉及光学系统。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， 一种光学传感系统包括光源和包括第 一主波导的一个或多个主波导。第一主波导包括与光源光通信的输入 端口。该系统还包括微谐振器，微谐振器被配置使得光源激发微谐振 器的至少第一谐振导向光学模式和第二谐振导向光学模式。微谐振器 包括微谐振器的芯的表面上的第一位置，在第一位置中，第一模式的 场强大于第二模式的场强，微谐振器的芯在第一位置具有第一包覆； 以及在微谐振器的芯的表面上的第二位置，在第二位置中，第一模式 的场强小于或等于第二模式的场强，微谐振器的芯在第二位置具有第 二包覆。第一包覆与第二包覆不同。在本发明的另一个实施例中，光学传感系统包括光源和包括第一主波导的一个或多个主波导。第一主波导包括与光源光通信的输入端 口。该系统还包括微谐振器，微谐振器包括表面，其中，微谐振器被 配置使得光源激发微谐振器的至少第一谐振导引光学模式和第二谐振 导引光学模式。微谐振器表面还包括不可用的第一部分，所述第一部 分被配置为，在不可用的第一部分中不允许第一模式和第二模式与微 谐振器的扰动相互作用。微谐振器表面还包括与不可用的第一部分不 同的可用的第二部分，其中，可用的第二部分被配置为允许所述第 一和第二模式与所述微谐振器的所述扰动相互作用，并且所述第一和 第二谐振导向光学模式与所述扰动以不同方式进行相互作用。在另一 个实施例中，检测微谐振器的扰动的存在的方法包括提供光学传感 系统，其中，该系统具有光源； 一个或多个主波导，其包括第一主 波导，其具有与光源光通信的输入端口；以及微谐振器，其包括表面，
并光学耦合到一个或多个主波导。微谐振器被配置为当用光源激发 第一和第二模式时，支持微谐振器的至少第一和第二谐振导向光学模 式。微谐振器的表面还包括不可用的第一部分，其被配置为在不 可用的第一部分中不允许第一和第二模式与微谐振器的扰动相互作 用。该方法还包括如下步骤用光源激发微谐振器的至少第一和第二 谐振导向光学模式；将微谐振器的表面的可用的第二部分暴露于谐振 器的扰动，其中，可用的第二部分与不可用的第一部分不同，由此造 成扰动与所述第一和第二谐振导向光学模式不同地相互作用；以及检 测相互作用。
本发明的上述发明内容并非意图描述本发明的每个图示实施例或 每种实施方式。下面的附图和详细描述将更具体地举例说明这些实施 例。
结合下面参照附图对如下本发明的各种实施例的详细描述，可以 更全面地理解本发明，其中
图1、图2和图3分别是光学系统的示意性顶视图和侧视图；图4示出有扰动和没有扰动的情况下图1中的输入端口检测器和 分光端口 (drop poi.t)检测器输出的光;
图5示出有散射中心和没有散射中心的情况下图1的一个实施例 的检测器输出的光；
图6是包括具有散射凹口的微谐振器的替代形式的光学系统的示 意性顶视图7是包括多边形的微谐振器的替代形式的光学系统的示意性顶
视图8是随同微谐振器的两种径向模式的描述示出圆盘形微谐振器 的顶视图和侧视图的示意图9是随同微谐振器的两种径向模式的描述示出具有图案化的包 覆的圆盘形微谐振器的顶视图和侧视图的示意图IO是随同微谐振器的两种径向模式的描述示出具有替代形式的 图案化的包覆层的圆盘形微谐振器的顶视图和侧视图的示意图ll是随同微谐振器的四种模式的描述示出具有图案化的包覆层 的矩形微谐振器的顶视图和侧视图的示意图12是随同微谐振器的两种径向模式的描述示出具有功能化层的 圆盘形微谐振器的顶视图和侧视图的示意图13是具有单主环形谐振器的光学系统的示意性顶视图14是具有含有中心光电检测器的单主圆盘形的谐振器的光学系 统的示意性顶视图15是具有双主跑道环形谐振器的光学系统的示意性顶视图16是在两个主波导和微谐振器之间具有垂直耦合的光学装置的 示意性侧视图17是具有通过多模式干涉耦合器与两个主波导耦合的跑道环形 谐振器的光学系统的示意性顶视图18和图19是如光学系统的穿出端口检测到的、在具有金纳米 粒子散射中心和没有金纳米粒子散射中心的情况下、信号强度与波长 的关系的图，其中，图19在图的一部分中提供了比图18更高水平的 细节；以及图20是对于微谐振器的两种谐振模式的、相对波长改变与探针位 置的关系的图。
尽管本发明可具有各种修改形式和替代形式，其细节已在附图中 以举例的方式示出并将做详细描述。然而应当理解其目的不是将本 发明限制于所描述的具体实施例。相反，本发明的目的在于涵盖所附 权利要求书限定的本发明的精神和范围内的全部修改形式、等同形式 和替代形式。
具体实施例方式
本发明涉及一种光学传感器，该光学传感器包括波导、光学谐振 微腔和将扰动引入微腔的谐振导向光学模式中的能力。这样的光学谐 振微腔也可以被称作微谐振器。如本文所用，扰动是微谐振器的光学 特性的变化。例如，比如由微谐振器的表面上的涂层或微谐振器与散 射中心的光学耦合造成微谐振器的表面或一部分的折射率的变化。本 文将进一步描述散射中心的实例。
由此提供使用微谐振器进行光学传感的新方法，在该新方法中， 扰动的引入或去除造成信号的波长特性的改变。扰动被配置成以不同 的方式影响微谐振器的第一导向光学模式和第二导向光学模式。例如， 在一些实施例中，扰动显著影响第一光学模式，并只可忽略地影响第 二光学模式或根本不影响第二光学模式。因此，可以筛选出既影响第 一导向光学模式又影响第二导向光学模式的其他系统变化的影响。因 此，可以隔离扰动的引入对系统的影响，并更精确地确定扰动的引入 的影响。例如，在减少温度引起的变化对微谐振器的芯和包覆层的折 射率的影响方面，这种方法是有用的，所述温度引起的变化对微谐振 器的芯和包覆层的折射率的影响趋于以相同的方式影响第一光学模式 和第二光学模式。
在说明书中，多个附图中使用的相同附图标记表示具有相同或类似特性和功能的相同或类似元件。
如图1的顶视图及图2和图3的剖视图所示意性示出的，现在将 描述使用微谐振器的微谐振器波导系统100的实例。如本文将进一步 讨论的，根据本发明也可以使用具有单个波导的系统。然而，将把双 主波导系统作为第一实例来讨论。
光学装置100包括都设置在下包覆层105上的光学微谐振器118、 第一光波导104和第二光波导132，所述下包覆层105设置在基底103 上。
微谐振器118能够通过施加一个或多个边界条件，比如一个或多 个周期性条件，将微谐振器所允许的光学模式量化成离散的模式。微 谐振器118能够支持至少两种不同的导向光学模式，比如第一导向光 学模式128和第二导向光学模式164，其中，当通过光源102激发这些 模式时，导向光学模式128与导向光学模式164不同。在一些情况下， 模式128和164具有相同的波长。在一些情况下，模式128和164具 有不同的波长。如果模式128和164具有大体上相同的波长，则它们 会对于该波长具有不同的强度水平。如本文所用，对于诸如光学装置 IOO的给定的光学配置，光学模式指光学配置中所允许的电磁场；辐射 或辐射模式指光学配置中不受限定的光学模式；导向模式指由于存在 高折射率区域导致的至少一维的光学配置中限定的光学模式；以及谐 振模式指光学配置中受到附加的边界条件要求制约的导向模式，其中， 附加的要求通常在本质上是周期性的。
谐振模式通常是离散的导向模式。在一些情况下，谐振模式可以 能够耦合到辐射模式。在其他一些情况下，谐振模式可以具有作为辐 射并不受限定的组成部分。通常，微谐振器118的导向模式可以是谐 振模式或非谐振模式。例如，光学模式128和164可以是微谐振器118
的谐振模式。在一些情况下，第一导向光学模式128和/或第二导向光学模式164 能够在微谐振器内传播，同时保持相同的电场分布。在这样的情况下， 即使模式由于(例如)吸收或辐射损失而逐渐损失能量，传播模式的 形状或分布随着时间推移也保持基本上相同。
图1至图3中示出的微谐振器118是圆盘形微谐振器，其具有顶 部平表面119、底部平表面123和圆柱形侧表面121。然而，如本文进 一步讨论地，在其他实施例中使用其他的微谐振器配置。
参照图1至图3,光源102与第一主波导104光通信。布置有光源 的波导104的端部是输入端口 106。波导104的另一个端部是穿出端口 (through port)108。输入端口检测器110位于输入端口 106。光学组件 U2与光源102、输入检测器U0和输入端口 106光通信，以使得输入 光124可以只与输入端口 106通信，并使得在第一主波导104中朝输 入端口 106移动的光可以被引向输入检测器110。在某些实施例中，光 学组件112是分光器或光学循环器。输入端口检测器110通过光学组 件112与第一主波导104光通信，并被配置用于检测光。
微谐振器118能够分别支持至少第一谐振光学模式128和第二谐 振光学模式164，并在一些实施例中也能够支持其他模式。微谐振器 118光学耦合到第一主波导104。输入端口 106能够光学地既耦合到第 一谐振模式又耦合到第二谐振模式。来自光源102的光124进入第一 主波导104中，并朝穿出端口 108传播。微谐振器118瞬时将光124 中的一些光耦合出第一主波导104，耦合出的光以微谐振器118的谐振 频率，比如以第一谐振光学模式128和第二谐振光学模式164，在微谐 振器118内传播。微谐振器118包括芯120和包覆122。在一些实施例 中，上包覆122可以包括水。在一些情况下，上包覆可以(例如)在 不同的位置包括不同的材料。例如，上包覆的一些区域可以包括水， 上包覆的其他一些区域可以包括诸如玻璃的另一种材料。第二主波导132被设置成与微谐振器118光通信。分光端口 136 位于第二主波导132的一端，分光2端口 138位于第二主波导的另一 端。分光端口 136能够光耦合到第一谐振光学模式。在不存在散射中 心的情况下，分光2端口 138通常不能光耦合到第一谐振导向光学模 式。分光端口检测器135位于分光端口 136。分光2端口检测器144位 于分光2端口 138。
可以将微谐振器118设置成与波导104和132物理接触或者与其 非常接近，使得沿着波导传播的光的一部分耦合到微谐振器118中。 此外，在微谐振器118内传播的光的一部分将耦合到波导104和132 中。光学耦合是光能从一个芯到另一个芯的传递。光学耦合区域是其 内出现光能的大量传递的空间中的区域。在图1中，其中在谐振器芯 与波导104和132的芯之间出现光学耦合的微谐振器的表面的区域被 分别称作耦合区域145和147。在各种实施例中，在存在约1%或更多 的或者约5%或更多的耦合光能的传递的地方，出现光能的大量传递。
倏逝波耦合(evanescent coupling)是当形成波导的光芯的结构和形 成谐振器的光芯的结构在结构上没有彼此连接时，使得主要通过一个 或多个结构的芯的外部的光场的重叠，出现光学耦合。图1是出现倏 逝波耦合的结构的实例。芯耦合是当形成波导的光芯的结构和形成谐 振器的光芯的结构在结构上彼此连接时，使得主要通过芯内部的光场 的重叠，出现光学耦合。
中心检测器137位于圆盘的平表面中的一个的中心的微谐振器的 表面上，比如在圆盘形微谐振器的顶表面H9上。在其他实施例中， 中心检测器不需要实际地连接于圆盘的中心。替代地，通过可移除的 光学系统将外部检测器耦合到圆盘的中心。例如，可以使光纤与圆盘 的中心接触，或者可以使用透镜系统来收集来自圆盘中心的光。在这 些实施例中，在谐振器的中心上制造诸如蚀刻面的光提取特征以向检测器系统耦合出光，会是有利的。
图1示出了五个可能的检测器的位置。本发明的实施例可以包括 在所示出的位置处中的每个位置处的五个检测器。然而，在本发明的 各种实施例中，更可能在五个可能的位置中的一个位置处具有单个检 测器。本发明的其他实施例在不同的检测器位置的可能的组合中的每 个处，具有两个、三个或四个检测器。
图2是穿过第一主波导104并沿着第一主波导的轴的剖视图。图3
是穿过微谐振器118和两个主波导并与第一主波导的轴垂直的剖视图。
第一光波导和第二光波导中的每个具有设置在多个包覆之间的芯。例
如，第一光波导104具有厚度为h2并设置在上包覆122和下包覆105 之间的芯。类似地，第二光波导132具有厚度为h3并设置在上包覆122 和下包覆105之间的芯。在一些情况下，上包覆122可以包括空气或 水。
在图1至图3的示例性光学装置100中，微谐振器118以及光波 导104和132具有不同的厚度。 一般来讲，厚度h,、 h2和h3可以具有 或者可以不具有相同的值。在一些应用中，微谐振器118以及光波导 104和132具有相同的厚度。
引入或移除扰动(诸如散射中心)对微谐振器系统100的影响是 本发明的方法的中心。如以上所讨论地，扰动是微谐振器的光学特性 的变化。例如，比如由微谐振器的表面上的涂层造成的、微谐振器的 表面或表面的一部分的折射率的变化是扰动的一个实例。微谐振器光 学耦合到散射中心是扰动的另一个实例。在图1中示出作为扰动的散 射中心150的使用，其将作为扰动的实例来描述，但是本文也将描述 其他类型的扰动。然而，在描述散射中心的使用之前，将描述更常规 的方法，所述更常规的方法依靠通过将化学分析物结合到谐振器表面 而直接产生的有效折射率变化。在使用微谐振器进行传感的一个常规方法中，将微谐振器118的 芯120的表面149功能化为能够与分析物以化学方法特定结合。将分
析物结合到微谐振器的表面造成了微谐振器的有效折射率的小变化，
这改变了谐振器传输光谱中峰的波长位置。在穿出端口 108和分光端 口 136观察到这些改变。因此，在穿出端口 108和/或分光端口 136对 传输光谱的峰的改变的检测表明分析物的存在。存在使用微谐振器进 行传感的其他常规方法，在共同转让的美国公布专利申请2006/0062508 中详述了各种方法中的一些实例，该专利申请通过引用并入本文。
由此提供了使用微谐振器进行光学传感的新方法，该方法利用了 不同的光学模式具有空间特性不同的隐失场这一事实。仅当扰动位于 隐失场内时，光学模式的隐失场才可以与扰动相互作用。在一个实施 例中，与第二光学模式的场相比，第一光学模式具有对于微谐振器118 的表面149或表面149上的某些位置的相互作用更可用的场。因此， 微谐振器表面149的扰动不同地影响微谐振器的第一导向光学模式和 第二导向光学模式。
例如，在一些实施例中，扰动显著地影响第一光学模式，并只可 忽略地影响第二光学模式或者根本不影响第二光学模式。因此，可以 筛选出既影响第一导向光学模式又影响第二导向光学模式的其他系统 变化的影响。因此，可以隔离引入扰动对系统的影响，并更精确地确 定引入扰动的影响。
例如，系统的温度变化可以引起微谐振器芯和环绕的包覆材料的 折射率变化。芯的折射率和覆层材料的折射率的变化都将通常既产生 第一光学模式的波长改变又产生第二光学模式的波长改变。相比之下， 诸如纳米粒子的散射中心与微谐振器的耦合将不同地影响第一模式和 第二模式。通过确定第一光学模式的改变和第二光学模式的改变之间 的差异，可以考虑温度变化的影响并从散射中心对第一光学模式的影响的确定中去除温度变化的影响。
在根据本发明的一个实施例的感测事件的过程中，用光源102在
微谐振器118中激发第一导向光学模式128和第二导向光学模式164。
然后，将扰动引入光学系统，这是微谐振器的光学特性的变化，比如 微谐振器的表面或表面的一部分的折射率变化。扰动的一个实例是散 射中心和微谐振器之间的光学耦合的强度发生了改变。这是由于(例 如)散射中心变成光学耦合到微谐振器，或者由于从与微谐振器的光 学耦合移除散射中心而发生的。当散射中心光学耦合到微谐振器时， 一个或多个谐振器的模式的光场与散射中心重叠。
扰动的另一个实例是比如由微谐振器的表面上的涂层造成的微谐
振器的表面或表面的一部分的折射率的变化。参照图4，示意性示出了 包括微谐振器118的光学系统100的光输出的表示。曲线示出了有扰 动和没有扰动时穿出端口 108和分光端口 136处输出的典型光的表示。 实线图示出不存在扰动时的光输出，而虚线示出了存在扰动时的输出。
图4示出了系统100的扰动的两个实例。扰动的一个实例是散射 中心150。扰动的另一个实例是涂层159，涂层159具有改变微谐振器 表面的有效折射率的效果。虽然在图4中既示出了散射中心150又示 出了涂层159，但是在一个实施例中，只将散射中心150或改变折射率 的涂层159中的一者引入系统100，以引起第一光学模式和第二光学模 式的频率偏移。
为了方便起见，将首先描述感测散射中心和微谐振器之间的光学 耦合的变化的过程。如本文将进一步讨论的，当扰动替代地是微谐振 器表面的折射率的变化时，该过程非常类似。
光学耦合到微谐振器的散射中心150的存在，引起穿出端口 108 和分光端口 136处观察到的输出以及反射到输入端口 106和分光2端口 138的输出的变化。在本发明的一个具体实施例中，折射率与环境 的包覆材料不同的散射中心以纳米级尺寸引起第一导向光学模式的大 的谐振线频率偏移，对于大多数生物感测系统，所述环境的包覆材料 是水。在一些情况下，包覆折射率和散射中心折射率之间存在大的差 异，其中，每个折射率都可以是复折射率。在图4中概念性地示出频
率偏移。在穿出端口 108，曲线图151中的实线152示出不存在散射中 心时穿出端口检测器114检测到的光谱，包括在第一导向光学模式的 谐振波长处的曲线图中的强度谷153和在作为第二导向光学模式的特 征的谐振波长处的强度谷155。虚线176示出了当使散射中心与微谐振 器光学耦合时检测到的光谱。第一导向光学模式的低强度点(诸如强 度谷153)改变成附近的强度谷154。在示例性的曲线图152中，改变 朝着较长的波长或者红移，所述红移对应于(例如)比包覆材料的折 射率大的散射中心的折射率的实部。然而，因为第二光学模式的隐失 场没有显著地可用于与散射中心150的相互作用，所以第二光学模式 的低强度点155没有改变。
在分光端口 136看到类似的改变，其中，虚线178示出了存在散 射中心时的光谱，实线162示出了不存在散射中心时的光谱。不存在 散射中心时的图162包括在第一导向光学模式的谐振波长处的曲线图 中的强度峰163和在作为第二导向光学模式的特征的谐振波长处的强 度峰165。在引入散射中心之后，强度峰163改变A、至强度峰164。 然而，第二导向光学模式的强度峰165的波长没有显著地受引入散射 中心的影响，并在引入散射中心之后变成强度峰166，其在基本上相同 的波长处出现。因此，由第二模式经历的波长改变A入2和对应的频率 偏移为0。
微谐振器118的第一模式和第二模式具有不同的隐失场，并由此 不同地耦合到散射中心或其他扰动。因此，所引起的改变的大小取决 于具体的谐振模式。对于图4中所示的实例，散射中心150对第二光学模式164具有
非常小的影响或者没有影响。现在将参照图5来讨论实例，在该实例 中，在散射中心耦合到微谐振器之后，第二光学模式164经历可测量 的改变。这会在微谐振器的特性使得第二光学模式的隐失场与微谐振 器的表面重叠的情况(诸如图8中所描述地)下出现，在所述情况中， 第二径向模式806的隐失场与第一位置813处的纳米粒子重叠。作为 另外一种选择，出于除了散射中心与微谐振器的耦合强度的变化之外 的原因，第二光学模式可以己经历可测量的改变。例如，系统的温度 变化会改变系统的包覆的折射率，这会导致第二光学模式的波长改变。
图5示出了曲线图200中的微谐振器的一个实施例的分光端口处 的光输出。实线图202示出了不存在散射中心时的光输出，并包括在 作为第一光学模式的特征的第一波长Vl处的强度峰205和在作为第二 光学模式的特征的第二波长V2处的强度峰206。虚线图208示出了在 散射中心与微谐振器光通信的情况下在分光端口处的光输出。虚线图 208包括在作为第一光学模式的特征的第一波长v^处的强度峰210和 在作为第二光学模式的特征的第二波长VM处的强度峰212。
第一光学模式的波长改变为-
△入i=入广入is
第二光学模式的波长改变为 △入2=入^一入
通过从第一光学模式经历的改变减去第二光学模式经历的改变， 可以独立于由于散射中心的耦合强度变化而会出现的其他光学特性变 化，确定散射中心对第一光学模式的影响。第一光学模式经历的第一
频率偏移和第二光学模式经历的第二频率偏移之间的差为<formula>formula see original document page 20</formula>
虽然穿出端口检测器114的输出也将示出第一光学模式和第二光
学模式的波长谱的改变，但是光谱的适当强度最低处的频率将用于计 算第一频率偏移和第二频率偏移之间的差。
在使用中心检测器137、输入检测器102禾口/或分光2检测器144 的输出的另一个方法中，在引入扰动之前，在微谐振器中引起反向散 射。如果在引入扰动之前没有反向散射，在自参考(self-referencing)方 法中没有使用来自输入端口和分光2端口处的检测器的输出数据，这 是因为(如上所讨论的)在散射中心与谐振器相互作用之前在这些位 置没有信号。因此，没有"之前的"信号来与"之后的"信号比较以 测量出改变。因为在散射中心耦合到微谐振器之前，微谐振器的中心 有很少的信号，所以这也是中心检测器具有输出的情况。
然而，如果在与扰动相互作用之前产生反向散射信号，则在与扰 动的相互作用开始之前，将在分光2端口、输入端口和中心检测器处 可检测到信号。可以以许多方式产生反向散射信号，以提供"之前的" 信号来与扰动相互作用开始之后的信号进行比较，所述许多方式包括 将永久的散射中心引入微谐振器中。永久的散射中心的实例包括微谐 振器芯内的凹口(notch)、在微谐振器的表面的足够的表面粗糙度或多边 形微谐振器的斜角边，所述微谐振器芯内的凹口的折射率与芯的剩余 部分的折射率不同。此外，存在许多本文描述的散射中心的实例，比 如纳米粒子、可变折射率的区域及其他，可以在感测过程中使这些实 例开始与微谐振器光通信和脱离与微谐振器光通信。这种方法可以使 用这些其他类型的散射中心来替代凹口，以产生反向散射。
图6示出了结合与图1至图4的光学系统100在许多方面类似的 光学系统240的这种方法。光学系统240包括两个主波导104和132，所述两个主波导104和132具有输入端口 106，穿出端口 108、分光端 口 136和分光2端口 138。光学系统240还包括输入检测器102、分光 2检测器144和中心检测器137。圆盘形微谐振器218还包括凹口 222， 凹口 222的折射率与微谐振器218的芯217的剩余部分的折射率不同。 凹口 222造成微谐振器的光学模式的散射，因此，在中心检测器137、 输入检测器102和分光2检测器144观察到显著的峰。输入端口 106 处由光源110引入的光激发第一谐振光学导向模式128和第二谐振光 学导向模式164。凹口 222将第一导向光学模式128和第二导向光学模 式164散射成第三谐振光学模式190和第四谐振光学模式192，在分光 2端口和输入端口检测到所述第三谐振光学模式190和第四谐振光学模 式192，如以下更详细地讨论的。另外，根据这种方法，诸如散射中心 150的扰动造成第一模式128和第二模式164的频率偏移。频率偏移的 第一模式和第二模式也由于扰动而散射，然后，在分光2端口和输入 端口，将反向散射的频率偏移的第一模式和第二模式检测为第五光学 模式和第六光学模式。
在分光2端口和输入端口可以检测到第三、第四、第五和第六导 向光学模式。所以，可以将第三导向光学模式和第五导向光学模式之 间的第一频率差与第四导向光学模式和第六导向光学模式之间的第二 频率差进行比较。如以上关于穿出端口和分光端口方法所讨论的，这 种比较示出除了引入扰动之外的系统经历的任何频率偏移影响。因此， 可以隔离扰动的影响。图6包括示出系统240的不同端口处的输出的 表示的图242、 244、 246和248。如果改变了散射中心150或其他扰动 和微谐振器之间的光学耦合，则在这些三个检测器位置处可以观察到 峰的改变。
在输入端口 106处，曲线图244中的实线172示出不存在诸如散 射中心150的扰动而存在诸如凹口 222的某一类型的散射中心时，输 入端口检测器102检测到的光谱。图172包括第三导向光学模式的谐 振波长处的曲线图中的强度峰175和在作为第四导向光学模式的特征的谐振波长处的强度峰173。虚线174示出在使散射中心与微谐振器光
学耦合之后检测到的输入端口处的光谱。第三导向光学模式的强度峰
(诸如强度峰174)发生改变，例如到附近的强度峰176。在示例性的 曲线图244中，改变朝向较长的波长或者红移，所述红移对应于(例 如)比包覆材料的折射率大的散射中心的折射率的实部。然而，因为 第二光学模式的隐失场没有显著地可用于与散射中心150的相互作用， 所以第四光学模式的强度峰173没有改变。因此，从第二光学模式反 向散射的第四光学模式也没有显示出散射中心150的耦合变化的影响。 因此，强度峰177的波长大约与强度峰173的波长相同。
在分光2端口 138处看到类似的变化，其中，实线181示出在引 入诸如散射中心150的扰动之前的光谱，虚线182示出在引入散射中 心之后的光谱。所述输出与输入端口 106的输出非常类似，其中，第 三模式185改变AA ,至峰186，第四模式183经历很少的改变或不经历 改变至峰187，使得由第二模式经历的波长改变A入2和对应的频率偏移 为0。
如以上对于分光2端口和输入端口所描述的，在中心检测器137 位置处，对散射和频率偏移模式的检测非常类似。检测到的光谱将与 图242和244非常类似。 一个差别是在中心检测器137检测到的散射 模式不是谐振模式。中心检测器将检测从第一光学模式和第二光学模 式散射的第三光学模式和第四光学模式。中心检测器还将检测从第一 频率偏移光学模式和第二频率偏移光学模式散射的第五光学模式和第
六光学模式。然后，将确定从第三光学模式至第五光学模式和从第四 光学模式至第五光学模式的频率偏移。
如此前所提到的，凹口 222不是提供反向散射使得在自参考方法 中可以使用分光2端口、输入端口和中心检测器端口的唯一方式。微 谐振器的表面219的足够的表面粗糙度也可以提供反向散射模式。在 一个实施例中，表面219的表面均方根(Rq)粗糙度为约50纳米或更大。
22在另一个实施例中，表面粗糙度(Rq)为约75纳米或更大。
在其他实施例中，多边形谐振器提供足以在分光2端口和输入端 口以及中心检测器产生信号的反向散射。图7示出了具有八边形微谐 振器718、第一主波导704和第二主波导732的光学系统700。光学系 统700包括在各种实施例中的与图1至图4中所示的部件类似的其他 部件，但是为了简便起见，在图7中没有示出这些部件。斜角边720 和斜角边之间的接合点722提供了用于反向散射的表面，使得可以在 不存在凹口 222时执行涉及图6描述的方法。
除了八边形微谐振器之外，也可以使用其他类型的多边形谐振器 作为提供反向散射模式的微谐振器。例如，可以使用六边形微谐振器 和五边形微谐振器。
穿出端口 108和分光端口 136处的图246和248分别也示出在扰 动252和262之前的实线图和在扰动276和278之后的虚线图之间的 频率偏移。如以上涉及图4所讨论地，因为即使不存在最初的散射中 心，在这些端口也出现改变，所以不必要具有最初的散射中心(诸如 凹口 222)来利用穿出端口 108和分光端口 136处的频率偏移。这两个 端口处的输出的光谱与如图4所示的不存在初始的散射中心时出现的 光谱类似，但是因为与图4中提供的情形相比，光散射到另外的端口， 所以这两个端口的输出的强度将较低。
用于提供反向散射的不同的散射中心将散射成不同的程度。应注 意的是，在从诸如凹口 222的散射中心相当强地散射的情况下，可以 出现波长峰中的一些波长峰的分光。这是具有强散射的谐振模式的驻 波本性且可能存在两个不同类型的驻波模式的事实的结果，这两个不 同类型的驻波模式可能是 一个具有中心位于凹口的电场节点， 一个 具有中心位于凹口的电场反节点。这两个模式的有效折射率略微不同， 因此其波长略微不同。因为谐振器线宽(涉及Q)或检测系统频率分辨率对于分辨小的分光是不充分的(参见Little等人的"Second order filtering and sensing with partially coupled traveling waves in a single resonator"(用单个谐振器中部分耦合的行进波的二次滤波和传感)， Optics Letters,第23巻，第1570页(1998))，所以通常用实验方法观 察不到分光。
在本文讨论的自参考微谐振器系统实施例的情况中的许多情况 下，扰动和谐振器模式之间的不同相互作用基于谐振模式形状的固有 差别，而没有努力控制其中扰动可以与谐振器的芯中的模式相互作用 的谐振器的区域。在一些实施例中，控制其中扰动可以与光学模式相 互作用的谐振器的区域会是有利的；这可以用于增强扰动对模式产生 的影响的差别。
图8示出了下覆层803上设置的圆盘形微谐振器的芯802的顶视 图和侧视图，其中，对应于圆盘形腔的波动方程的两个径向解来激发 两个回音廊谐振模式。描述所述模式的曲线804和806对应于模式中 的电场大小的平方。径向模式是满足波动方程和边界条件的m阶贝塞 耳函数。第一模式804在圆盘内具有单个圆形突出部808 (最大值)， 第二模式806在圆盘内具有两个圆形突出部810和812。当扰动与圆盘 顶部的模式隐失场相互作用时，耦合的强度取决于耦合位置处的模式 场的强度。因此，第一位置813处的扰动将既影响第一径向模式又影 响第二径向模式，但是对第一模式的影响比对第二模式的影响更强。 第二位置814处的扰动将主要影响第二模式。
由于每个模式对应于不同的自由空间波长，因此谐振器表面上的 扰动的位置控制接近每个模式波长的光谱如何受影响。通过检测不同 谐振波长处的影响，可以推断扰动相对于微谐振器腔的径向位置。
为了使用一个模式作为参考波长，在一些情况下，会期望将扰动 对该模式的影响最小化。这可以以各种方式来进行，以下讨论其中一些方式。
图9示出了与图8中示出的圆盘形谐振器类似的圆盘形谐振器的
芯802，除了在图9中圆盘具有上包覆820之外，所述上包覆820比芯 的折射率低。这样防止了诸如散射中心821的扰动对除了谐振器圆盘 的圆柱形侧表面822之外的谐振器场产生影响。在圆盘形谐振器中， 具有两个圆形突出部的第二模式806在圆盘的外围的电场强度通常比 具有单个圆形突出部的第一模式804低得多，因此扰动对第一模式的 影响强得多。如果通过将分析物结合到谐振器来提供扰动，且将通过 波长改变方法来检测分析物，则当分析物结合到所述外围时，与第二 模式对应的波长将发生非常小的改变，而与第一模式对应的波长将发 生大得多的改变。因此，第一模式波长和第二模式波长的对比提供用 于检测分析物的自参考效果。
包覆820覆盖的区域限定了不可用于与扰动相互作用的微谐振器 表面的不可用部分。在某些实施例中，不可用部分与耦合区域(诸如 图1中所示的耦合区域145和147)不同，其中，微谐振器光学耦合到 作为系统的一部分的一个或多个主波导。
图10示出了具有芯802的另一个圆盘形谐振器，其还是具有受包 覆830控制的扰动的位置。在图10中，上包覆830施加在芯的整个顶 部的上方，然后被图案化以具有环形形状的开口区832，所述开口区 832只可以使谐振器在与第二模式(具有两个圆形突出部的模式)的峰 强度对应的位置扰动。以此方式，可以使扰动对第二模式的影响比扰 动对第一模式的影响强。
图11是用于微谐振器的示例性的不同几何形状的示意性描述。在 这种情况下，谐振器是矩形谐振器840，这里为了简便起见，取其为正 方形。这种谐振器可以支持很多驻波谐振模式。为了描述简便，只示 出了腔的最长波长谐振(沿着x方向的842和844和沿着y方向的843和845)的电场大小的平方的空间特性。在这种情况下，已经将折射率
低的上包覆844添加到谐振器，使得扰动可以只与谐振器的中心开口 区域846中的谐振场相互作用。这样使扰动对具有单个圆形突出部的 水平模式842和具有单个圆形突出部的垂直模式843的影响最大化， 并使扰动对具有两个圆形突出部的模式844和845的影响最小化。因 此，在频率偏移检测方法中，当分析物结合在感测区域中时，与在水 平方向和垂直方向具有单个圆形突出部的第一模式对应的波长将最多 地改变；与在水平方向和垂直方向都具有两个圆形突出部的第二模式 对应的波长将最少地改变。因此，第二模式提供了用于自参考的参考 信号。
以上的实施例只是图案化的包覆配置的实例，并没有以任何方式
限制如下概念在微谐振器上使用包覆以增强或抑制外部扰动对微谐
振器的 一 个或多个空间局部化模式的影响。
使用本发明的系统的方法主要围绕使用散射中心作为扰动进行了 描述。然而，另一个类型的扰动是微谐振器的表面或微谐振器的表面 的一部分的折射率的变化。如在与散射粒子耦合的情况下，表面包覆 的图案化可以增强对不同谐振器模式的影响之间的差异。
例如，对于图9至图10中的微谐振器系统700，环形形状的可用 部分提供涂覆微谐振器的表面以变化可用部分中的折射率的机会。这 样的涂层引起微谐振器的第一光学模式的改变，同时引起微谐振器的 第二光学模式的可忽略的改变或者不造成其改变，这与以上关于图4 和图5讨论的不同改变类似。如上所述，这些改变用于确定扰动是否 与微谐振器耦合。
用于控制分析物和微谐振器的空间局部化模式的相互作用的替代 形式的方法是用选择性结合到分析物的化学物质的图案化的层，涂 覆微谐振器的表面。在图12中示意性示出这种方法，其中，化学粘合的功能化应用于环面，并被设计成与谐振器的径向模式中一种的场最 大值重合。
图12包括圆盘形微谐振器868的顶视图和侧视图，其中，两个视
图的中心都位于轴870上，所述轴870代表系统的中心轴。另外，图 12示出了对应于圆盘形腔的波动等式的两个径向解在微谐振器868中 激发的两个回音廊谐振模式。描述这些模式的曲线874和876对应于 模式中电场幅度的平方，并被示出为示出了这些模式的强度如何随着 与中心轴870的距离而变化。径向模式是满足波动方程和边界条件的m 阶贝塞耳函数。第一模式874在圆盘内具有单个圆形突出部(最大值)， 第二模式876在圆盘内具有两个圆形突出部，这与以上涉及图8至图 IO讨论的情形相似。
微谐振器868具有顶部平表面878和圆柱形侧表面879。顶部表面 878包括将与分析物化学结合的呈环形图案的化学结合功能化涂层 880。未涂覆区882将不与分析物化学结合。功能化的涂层880以环形 形状结合到分析物，使得由于分析物结合到功能化区而造成的折射率 变化将在与第二模式(具有两个圆形突出部的模式)的峰强度对应的 位置，扰动微谐振器。以此方式，可以使分析物的结合对第二模式的 影响比扰动对第一模式的影响更强。在一个实施例中，接触功能化的 环形部分880的分析物更可能结合到微谐振器表面。在各种实施例中， 分析物高度可能(诸如90%或更大的可能)在功能化的环形部分880 结合到微谐振器表面。
在图12的可替换实施例中，在包括微谐振器的圆柱形侧表面879 的区882上，存在防止化学结合的涂层。因此，在区域882接触微谐 振器的分析物不可能粘附于微谐振器表面。
已经描述了本发明的实施例包括圆盘形微谐振器，所述圆盘形微 谐振器能够支持至少两个导向谐振光学模式。系统的可替换实施例包括其他形状的微谐振器，只要它们能够支持至少两个导向谐振光学模 式，并且它们的空间几何形状使得微谐振器的表面的扰动对微谐振器 的第一光学模式和第二光学模式可具有不同的影响。本发明可以使用 的微谐振器配置的其他实例包括多模式环形谐振器和多模式跑道形谐 振器以及多边形谐振器。
图13是单个主环形谐振器实施例400的示意图，其中，光源402 在输入端口 406与单个波导404光通信。在输入端口 406设置输入端 口检测器410,如果存在散射中心以在引入扰动之前产生反向散射模 式，则可以在自参考方法中利用输入端口检测器410。诸如分光器或光 学循环器的光学部件412与输入端口 406、光源402和输入端口 410光 通信。穿出端口检测器411与穿出端口 408光通信。
环形微谐振器418与波导404光通信。来自光源402的光424发 送到第一主波导404中，并朝穿出端口 408传播。微谐振器418将光 424中的一些光瞬时耦合出第一主波导404，耦合出的光以微谐振器418 的两个或更多个谐振频率(诸如第一谐振光学模式428和第二谐振光 学模式464)在微谐振器418内传播。
在根据本发明的 一个实施例的感测事件的过程中，改变了微谐振 器418和散射中心450或其他扰动之间的光学耦合的强度。当散射中 心450或其他扰动与微谐振器光通信时，第一导向光学模式428经历 波长改变。第二导向光学模式464经历不同的波长改变，所述不同的 波长改变可以是没有波长改变。
替代形式的实施例只包括输入检测器410和穿出端口检测器411 中的一者。在另一个可替换的实施例中，用圆盘形谐振器来代替环形 谐振器418。
图14是单个主圆盘形谐振器实施例500的示意图，所述谐振器实施例500包括光源502，所述光源502在输入端口 506与单个波导504 光通信以向波导504提供光524。在圆盘形谐振器518的中心511设置 中心光检测器510。在穿出端口 508设置另一个检测器513。在可替换 的实施例中，只存在这些检测器中的一个。
使散射中心550与微谐振器518开始光通信或者从与微谐振器518 的光通信移除散射中心550。对于所示出的实施例，检测第一谐振光学 模式528和第二导向光学模式564的波长改变的步骤包括检测传输 到穿出端口 508的波长，由检测器513检测所述波长。如果存在单独 的散射中心，以在引入诸如散射中心550的扰动之前产生反向散射模 式，则在自参考方法中可以利用由在中心位置511的中心检测器510 检测到的输出。
图15是双主波导跑道微谐振器实施例600的示意图，其中，光源 602在输入端口 606与第一波导604光通信。在输入端口 606设置输入 端口检测器610。诸如分光器或光学循环器的光学组件612与输入端口 606、光源602和输入端口检测器610光通信。在第一波导604的另一 端的穿出端口 608存在穿出端口检测器614。
来自光源602的光624被发送到第一主波导604中，并朝穿出端 口 608传播。多横向模式跑道微谐振器618包括两个弯曲部分619和 两个线性部分620。微谐振器618瞬时将光624中的一些光耦合出第一 主波导604，耦合出的光以微谐振器618的两个或更多个谐振频率(诸 如第一谐振光学模式628和第二谐振光学模式664)在微谐振器68内 传播。
将第二主波导632设置成与微谐振器618光通信。分光端口 636 和分光端口检测器635位于第二主波导632的一端，而分光2端口 638 位于第二主波导632的另一端。分光端口 636主要能够光学耦合到第 一导向光学模式628。分光2端口 638能够非常弱地耦合到第一导向光学模式或者不能耦合到第一导向光学模式。分光2端口 644检测器位
于分光2端口 638。
如以上关于其他微谐振器系统讨论的，可以在穿出端口 608和分 光端口 636观察到改变散射中心650对第一光学模式和第二光学模式 的耦合强度的效果。如果存在单独的散射中心来在引入诸如散射中心 650的扰动之前和除了引入所述扰动之外产生反向散射模式，则在自参 考方法中可以利用由输入端口检测器610或分光2端口检测器644检 测到的输出。因此，各种实施例包括与这四个检测器位置中的一个或 多个光通信的检测器。
在2006年12月1日提交的、代理人档案号为No. 62451US002、 名称为"Optical Microresonator"(光学微谐振器)的共同转让的美国 专利申请No. 11/565,935以及于2006年12月27日提交的、代理人档 案号为No. 62681US002、名称为"Optical Microresonator"(光学微谐 振器)的共同转让的美国专利申请No. 11/616,338中示出和描述了可以 被配置成既支持第一谐振导向光学模式又支持第二导向光学模式的微 谐振器波导系统的另外的实施例，其可以被本发明的自参考方法和装 置所利用，所述两个专利申请的全文之前以引用方式并入本文。
如之前所讨论的，扰动是微谐振器的光学特性的变化。例如，诸 如由微谐振器的表面上的涂层或微谐振器与散射中心的光学耦合，造 成微谐振器的表面或一部分的折射率变化。
散射中心是一种如下的元件当光学耦合到微谐振器时，该元件 能够扰动微谐振器内的谐振模式的波动函数，以造成能量从不存在散 射中心时被输入激发的模式(诸如图1中的至少第一谐振光学模式128) 传递到不存在散射中心时不被激发的模式。在实施例中，散射中心增 加了从第一模式到另一个模式的能量传递，但是即使在不存在散射中 心时也会出现从第一模式到其他模式的一些能量的传递。另外，假设散射中心具有与包覆不同的折射率，散射中心与微谐 振器的模式场的相互作用变化模式的有效折射率。这改变了模式的谐 振波长。
本发明的感测方法可以使用的散射中心的实例包括纳米粒子。如 本文所使用的，术语"纳米粒子"指最大尺寸是IOOO纳米或更小的数 量级的粒子。在某些实施例中，散射中心至少为20纳米，至多为100
纳米或者至少为20纳米且至多为IOO纳米。在其他实施例中，散射中 心至少为10纳米、至多为150纳米或者至少为10纳米且至多为150 纳米。
在本发明的一个实施例中，与在感测事件中将环绕散射中心的介 质相比，散射中心的折射率差高，所述介质通常是水。在本发明的实 施例中，散射中心的吸收值高。例如，散射中心材料的复折射率的虚 部至少为8。
在一些情况下，诸如在一些金属(比如金)的情况下，散射中心 的折射率的实部小于l。在其他一些的情况下，诸如在硅的情况下，散 射中心的折射率的实部大于2.5。
适于本发明使用的散射中心的实例包括硅纳米粒子和金属纳米粒 子，所述金属纳米粒子包括金纳米粒子和铝纳米粒子。在一些情况下， 散射中心可以是诸如Si、 GaAs、 InP、 CdSe或CdS的半导体。例如， 散射中心可以是直径为80纳米且对于所关注的波长折射率(实部)为 3.5的硅粒子。散射中心的另一个实例是直径为80纳米且对于接近 1550mn的波长折射率为0.54+9.58i的金粒子。散射中心的另一个实例 是直径为80nm且对于接近1550nm的波长折射率为1.44+16.0i的铝粒 子。在一些实施例中，散射中心是电介质粒子。在一些实施例中，散 射中心具有与环绕散射中心的上包覆不同的双折射、磁化率或电极化
率。在各种实施例中，散射中心是铁磁或顺磁粒子。在许多实施例中， 散射中心是非荧光体粒子。另外，在一些实施例中，散射中心不是半 导体。
在一些实施例中，散射中心是超材料。
变化微谐振器的表面的一部分的折射率的扰动的一个实例是微谐 振器的表面上的涂层，所述涂层诸如是可以将其他蛋白质结合到谐振 器表面的抗体，或者是具有可以吸收溶剂蒸汽由此变化折射率的多孔 聚合物的涂层。
现在参照图1的实例来示出涉及所有实例的问题，散射中心150 和微谐振器118之间的光学耦合的强度的变化可以分别引起第一导向
光学模式128和第二导向光学模式164之间的光学散射的变化。可以 通过各种手段实现光学耦合的强度的变化。例如，散射中心150和微 谐振器118之间的间隔"d"的变化可以变化散射中心和微谐振器之间 的光学耦合的强度。在另一个实例中，散射中心的折射率ns的变化可 以变化散射中心和微谐振器之间的光学耦合的强度。在一个实施例中， 散射中心是嵌入在谐振器的芯中的可变折射率的区域。在这样的情况 下，当(例如)所述区域暴露于诸如气体或液体的材料并吸附所述材 料时，折射率可以发生变化。通常，可以造成散射中心150和微谐振 器118之间的光学耦合的强度变化的任何机制，可以引起模式128和 164之间的光学散射的变化。
存在数个方法来使用微谐振器波导系统作为传感器。方法的选择 取决于多种考虑，包括待测被分析物的化学性质、可用的检测时间、 样本制备技术等。在检测器系统中使用散射中心的一个实例涉及用对
于特定抗原的抗体涂覆谐振器。抗体是免疫系统使用的蛋白质，用于识别和中和如同细菌和病毒的外来对象。每种抗体识别特定的抗原作 为其唯一的靶。
在一个方法中，制备待分析的样品，使得在将纳米粒子与样品混 合之前，通过用对应的抗体来功能化纳米粒子，散射中心标签(诸如 纳米粒子标签)选择性地附接到抗原分子。然后，使样品与微谐振器 的表面接触。当在谐振器的表面出现抗体功能化谐振器和纳米粒子标 记抗原之间的结合时，使纳米粒子进入光学耦合范围。因此，第一光 学模式在被检测的分光端口或穿出端口经历波长改变。此外，将在中 心检测器、分光2端口检测器或输入端口检测器检测到信号，之前它 们中没有显著的信号。使用相同或类似的方法来检测细菌、病毒和孢
子以及蛋白质和DNA。
通过从谐振器移除散射中心的传感可以如下来完成，通过首先用 抗原抗体系统将散射中心结合到谐振器，所述抗原抗体系统具有比当 引入分析物时导致的抗原抗体反应弱的结合。对结合到谐振器的竞争 将导致散射中心与谐振器附近的分离，以及与散射中心的光学耦合的 损失。类似的方法使得可以检测任何化学物质，所述任何化学物质能 够选择性地切断在纳米粒子和谐振器之间的化学结合。
光源102产生期望的波长或波长范围的光124。例如，在传感器中 使用微谐振器的情形下，光源102产生与散射中心相互作用的波长下 的光，所述散射中心被引入以与微谐振器光通信或者从与微谐振器的 光通信去除。在使用微谐振器的现有的传感系统中，尤其重要的是， 光源产生有效耦合到第一主波导104的光。这导致诸如激光器(比如 激光二极管)的光源的频繁使用。诸如激光二极管的激光器是本发明 的实施例使用的合适光源。另外，本发明的方法允许使用如下光源.-所述光源产生比现有传感系统中的光源的波长范围更广的波长范围。 在实施例中，光源102包括灯，连同将来自灯的光耦合到第一主波导 104中的合适的光学器件。在一些应用中，光源102可以是发光二极管(LED)或诸如激光二极管的激光器。在实施例中，灯是宽带光源，所 述宽带光源发射许多频率或某范围内的频率而不是一个特定的波长或 窄范围的波长。在一些应用中，光源可以是发射(例如)白光的宽带
光源。在一些情况下，光源102可以发射至少一个波长在从约400nm 至约2000nm的范围内的光。在一些其他情况下，所述范围可以从约 700nm至约1600nm。在一些其他情况下，所述范围可以从约900nm至 约1400nm。在一些情况下，光源102可以发射633nm、 850nm、 980nm、 1310nm或1550nm的光。
可以使用光学外差检测技术来检测第一波长和第二波长之间的差 异，所述光学外差检测技术分析两个略微不同的光学频率之间的拍频。
第一主波导104可以是任何合适类型的波导，并且可以是(例如) 形成在基底中或基底上的沟槽波导(比如形成在硅基底中或硅基底上 的波导)。第一主波导104也可以是光纤。
检测器单元110包括用于检测光的光学检测器，例如光电二极管 或光电晶体管。检测器单元110还可以包括对波长敏感的装置，该装 置用于选择达到光检测器的光的波长。该波长选择装置可以是(例如) 滤波器或光度计。该波长选择装置可以是可调谐式，以使得使用者可 以主动改变入射到光检测器上的光的波长。在一些情况下，可以在其 他端口 (比如分光2端口)处采用波长选择装置。
图1中的微谐振器118被示出为圆盘形微谐振器。系统的可替换 的实施例包括其他形状的微谐振器，只要这些谐振器能够支持至少两 个导向谐振光学模式，并且它们的空间几何形状使得微谐振器表面的 扰动对微谐振器的第一光学模式和第二光学模式可以具有不同的影 响。例如，微谐振器118可以是多模环形谐振器、多模跑道谐振器或 多边形谐振器。在本文讨论的各种实施例中，这些微谐振器类型中的任意类型可 以被另一种类型替代，以产生可替换的实施例。由于用于环形微谐振 器和圆盘形微谐振器的制造工艺与标准的微电子工艺相兼容，因此这 些装置为低成本制造和鲁棒系统提供了相当大的可能性。
在一些情况下，微谐振器具有圆对称，这意味着微谐振器的芯的 剖面的周长可以被表示为只是与中心点的距离的函数。在一些情况下， 诸如在圆盘形的微谐振器中，中心点可以是微谐振器的中心。具有圆 对称的示例性微谐振器的形状包括球、环形、圆盘形和圆柱形。
微谐振器118的直径通常在从2pm至几毫米的范围内，但是更经 常在5^m-500jmi的范围内。在一些情况下，所述范围在从约5Hm至约 100pm的范围内。
在一些情况下，本发明的光波导和微谐振器以及光源和检测器集 成到公共基底上。所述集成可以是一体化集成，在这种情况下，不同 的部件通过通常使用相同的材料系统都制造在公共基底上。这样的集 成可以是针对基底的，这意味着对于一些基底集成可以更容易或者可 行而对于一些其他基底更难或者不可能。例如，会可以在诸如硅基底 的基底上制造或生长检测器、微谐振器和波导，但是会难以或者不可 能在相同的基底上生长或制造光源。作为另一个实例，会可以在诸如 InP或GaAs基底的III-V族半导体基底上生长或制造所有的系统组件。
所述集成可以是混合集成，在这种情况下，部件中的至少一些首 先被独立地制造，然后被组装到公共基底上。可以通过(例如)将检 测器和光源粘附性地结合到基底上来进行组装。在这样的情况下，微 谐振器和波导可以以一体化地集成到基底上。在一些情况下，所述结 合会需要光源和检测器与主波导的主动对齐(active alignment)。
在某些实施例中，公共基底是诸如二氧化硅的用于集成光路的常规基底，该基底的折射率显著地低于用于制造主波导和微谐振器(或 光源和光电检测器)的材料。设想的是，基底可以包括平坦的固体材 料(诸如玻璃)或者平滑的柔性材料(诸如聚合物基底)。在本发明 中，例如，聚酯、聚丙烯酸酯和聚酰亚胺基底会是有用的。基底可以 是光学透明的或者透射性的。基底可以是聚合物、金属、半导体或任 何类型的玻璃。在一个实例中，基底是硅。作为另一个实例，基底可 以是浮法玻璃，或者基底可以由诸如聚碳酸酯、丙烯酸类树脂、聚对 苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚砜等的有机材料制 成。
为了制造集成装置，通常在基底上沉积一种高折射率材料或多种 高折射率材料，并将其图案化以形成一个或多个主波导和微谐振器。 可以由诸如通过掩模的气相沉积、印刷或剥离工艺的加成法，进行图
案化。热蒸镀、溅射、印刷、分子束外延生长(MBE)、金属有机化 学气相沉积(MOCVD)、气相外延生长(VPE)和化学气相沉积都是 可以用于在基底上沉积波导、微谐振器或其他光学部件的方法的实例。 也可以通过诸如蚀刻(比如反应离子蚀刻或湿化学蚀刻)的减除法， 将波导元件图案化在基底上。在一些应用中，谐振器、光波导、光源 和检测器集成到相同的基底上。可以通过例如模制工艺，制造集成装 置或集成装置的部分。
耦合到谐振器的波导通常逐渐变细，以增大波导外部的光场强度 的强度，由此增加耦合到微谐振器中的光的量。在光纤波导的情况下， 可以将光纤加热，并使之为逐渐减小或蚀刻成约l-5^mi的总厚度。同 样，采用平面或沟槽波导，在光耦合到微谐振器的区域中，可以减小 波导的厚度。除了波导尺寸减小之外，波导周围的包覆厚度还可以减 小。在共同所有的、共同未决的美国公布专利申请No. 2005-0077513 中更详细地讨论了使微谐振器耦合到波导或光纤的各种方法，该专利 申请通过引用并入本文。波导如何可以耦合到微谐振器从而得到光损失的量可以接受且制造工艺可以接受的微谐振器结构，存在许多不同的实例。例如，图3
示出第一主波导104和第二主波导132与微谐振器118的横向耦合。在这个配置中，沿着侧向或横向方向出现波导104、 132和微谐振器118之间的光学耦合，如图3中取向的结构。在某些实施例中，在波导104、132的外侧面204、 232上存在包覆，以将波导模式推向谐振器，用于增强耦合，如(例如)共同所有的美国专利申请No. 11/277769中所描述的，该专利申请通过引用并入本文。对于在波导104、 132上配置包覆以实现波导104、 i32和微谐振器118之间的耦合，存在许多其他选择。
在横向耦合配置的一些实施例中，使用相同的图案化步骤，制造波导104、 132和微谐振器U8。
图3的横向耦合配置的替代形式的是垂直耦合配置，在图15中示出了垂直耦合配置的实例。垂直耦合光学装置1300包括光学微谐振器1318、第一光波导1304和第二光波导1332，光学微谐振器1318、第一光波导1304和第二光波导1332都嵌入到基底1303上设置的下包覆层1305中。包覆层1305环绕波导1304、 1332。在垂直耦合配置中，如光学装置1300在图15中取向，在垂直或上下的方向出现波导1304、1332和微谐振器1318的光学耦合。
在垂直耦合配置的一些实施例中，以区别于微谐振器1318的单独的光刻步骤，将波导1304、 1332图案化。
在一些实施例中，如本文所描述的，微谐振器和主波导之间的耦合是倏逝波耦合。在一些其他的实施例中，如本文所描述的，微谐振器和主波导之间的耦合是芯耦合。在2006年12月1日提交的、代理人档案号为No. 62451US002、名称为"Optical Microresonator"(光学微谐振器)的共同待审专利申请No. 11/565,935和2006年12月27日提交的、代理人档案号为No. 62681US002 、名称为"OpticalMicroresonator"(光学微谐振器)的共同待审专利申请Nos. 11/616,338中，描述了可以结合本发明使用的存在芯耦合的微谐振器的实例，这两个专利申请之前通过引用都并入本文中。
在一些情况下，可以通过图16中示意性示出的多模式干涉耦合器，执行微谐振器和主波导之间的耦合。光学系统1400包括微谐振器1405，微谐振器1405通过多模式干涉耦合器(MMIC)1450与第一主波导1410和第二主波导1420光耦合。MMIC内的光干涉确定了波导1410发送的光的哪部分与微谐振器1405耦合以及哪部分与第二主波导1420耦合。在示例性的光学系统1400中，波导1410和1420共线。通常，两个主波导可以共线或不共线。
使用有效的二维时域差分(FDTD)仿真来在数值上分析具有两个主波导的微圆盘形微谐振器系统，以证明光学耦合到圆盘形微谐振器系统的散射中心的影响。模型化的系统与图1中示出的系统100类似。在第一实例中，圆盘的直径为3.6微米且圆盘的芯的有效折射率是3。假定n=1.33的水包覆环绕圆盘形谐振器。从宽带源发送波长为1-3微米的光。
散射中心是直径为80纳米且在接近1550纳米的折射率是0.54+9.58i的金纳米粒子。在图18中示出绘出的信号强度与穿出端口的波长的关系，其中，图910表示只具有水包覆的圆盘的输出，图920表示与金纳米粒子光通信的圆盘的输出。图19示出相同的数据，但是对于较短范围的波长更为详细。观察到接近1.5微米的基本WGM 922。引入金纳米粒子造成1.472微米处的基本WGM 922改变约3纳米至基本WGM 924。 1.485微米处的第二级WGM 926经历可忽略的改变，这导致在引入金纳米粒子之后也在1.485微米处的第二级WGM 928。
对于可见光波长到红外波长，金的实折射率小且其虚折射率非常大(代表材料的吸收)。因此，在一些情况下，与不同材料的近似尺寸的粒子相比，金涂覆粒子或金粒子可以导致较大的谐振波长改变。
通过使用原子力显微镜(AFM)的探针针尖来模拟由于纳米粒子导致的扰动，从实验上证明如下原理使用与不同的微谐振模式相关联的场分布的空间差异，来产生这些模式对扰动的不同响应。证明中使用的微谐振器是由单个垂直耦合的主波导激发的圆盘形谐振器。
通过定制的夹具，在用于测量微谐振器的光学特性的设备上安装
便携式AFM(Model MOBILE S，得自瑞士的Liestal的Nanosurf公司)，这使得AFM探针针尖可以接触微谐振器装置的表面，同时装置的光学特性受到监控。夹具结合3轴平移镜台用于提供AFM针尖的粗调定位，而AFM的压电马达用于精细定位。使用的AFM探针针尖是在从制造商得到AFM之后涂覆有金的商业上可用的硅探针针尖(Model SICONA， 标称半径为 10nm， 得自加拿大的Santa Clara的AppliedNanoStmctures)，这导致通常的针尖半径是lOOnm的数量级。由于对于该测试中使用的波长( 1500nm)金的折射率比空气低得多，因此与探针针尖遭遇的每个模式将经历模式有效折射率(modal effective index)的有效减小。因此，与谐振相关联的波长将改变成较短的波长(改变成较短的波长将被称作"蓝移")。
用于谐振器灵敏度的空间映射(spatial mapping)的程序如下。使用来自高功率的掺铒光纤放大器(EDFA)光源(Model NP 3000 PS，得自加拿大的Murrieta的Nuphoton technologies)的光来激发谐振器。光谱分析仪(OSA) (Model HP86142A,得自加拿大的Palo Alto的Hewlett-Packard)用于过滤和监控穿出端口处的微谐振器的给定谐振附近的波长区域。AFM探针针尖放置在圆盘形谐振器的"边缘"上或接近圆盘形谐振器的"边缘"，并被设置成周期性地扫描小距离( 150nm)。探针针尖的平均位置向着装置的中心(远离边缘)以增量径向移动，记录给定谐振的位置的相对变化(探针引入的波长改变)。在收集了数据之后，可以绘出每个谐振的波长改变与探针距离圆盘的边缘的平
均距离。所得图是圆盘对其表面的扰动的灵敏度的映射(map)。注意
的是，由于期望给定模式的谐振的改变与扰动的位置处的模式场强直接成比例，因此灵敏度映射等同于微谐振器的谐振模式下场强的映射。
注意的是，由于涂覆金的探针针尖十分大(直径约200nm)，因此由于对探针尺寸求平均，导致映射过程的空间分辨率受限。还存在每周期移动约150nm的探针针尖的进一步的均化效应。
在实验的实例中，对具有氮化硅的芯和二氧化硅的下包覆的直径为100微米的圆盘形微谐振器的顶表面，进行灵敏度的径向映射。针尖的平均位置从接近装置的边缘到距离装置的边缘大致4微米径向地变化。在装置的顶部的9个径向位置(之前和之后加上基线测量)取样品轨迹(trace)，所述样品轨迹使用OSA来调谐对接近两个谐振模式的波长的检测。从这些轨迹中，每个模式的改变被确定为径向位置的函数。然后，通过除以每个模式的常数值，归一化改变，从而产生相对改变。图20中绘出了结果，绘出了对于两个微谐振器模式的相对波长改变与探针位置的关系。
对于直径IOO微米的谐振器，在1549.9mm和1551.0mm的波长附
近观察到两个谐振模式。基于图20，看出这两个谐振模式是装置的第二径向模式和第三径向模式，因为它们分别具有两个和三个最大值。除此之外，可以理解的是，接近距离边缘约4微米的径向位置，第三径向模式受AFM针尖存在的影响而第二径向模式不受其影响。此外，接近约2微米的径向位置，第二径向模式受AFM针尖存在的很强的影响，而第三径向模式只受很弱的影响。这证明模式响应的不同特性，并表明通过限制扰动的位置来实现自参考的可能性。例如，如果配置谐振器的表面以限制扰动与图20中接近4微米的位置的相互作用，则与第三径向模式对应的波长可以用作信号波长，而与第二径向模式对应的波长可以用作参考信号。本专利申请也公开了灵敏度增强(诸如不同模式之间的较大的波长改变或较强的光学散射)的传感系统。增强的灵敏度可使得(例如)可以检测单个分析物。
对如下使用微谐振器的光学传感系统存在需求它们容易制造，暴露于分析物时产生较大的光谱改变，并可以使用与窄线宽的可调谐激光器相比较不昂贵的光源。
因此，不应认为本发明局限于上述具体实例，而应当理解为函盖如附带的权利要求书明确陈述的本发明的所有方面。在阅读本说明书之后，本发明所属领域的技术人员将明白本发明可进行的多种修改形式、等同处理以及可应用于本发明的多种结构。所附权利要求书旨在涵盖这样的修改形式和装置。
权利要求
1.一种光学传感系统，包括光源；一个或多个主波导，所述一个或多个主波导包括第一主波导，所述第一主波导包括与所述光源光通信的输入端口；以及微谐振器，所述微谐振器被配置使得所述光源激发所述微谐振器的至少第一和第二谐振导向光学模式，所述微谐振器包括所述微谐振器的芯的表面上的第一位置，在所述第一位置中，所述第一模式的场强大于所述第二模式的场强，所述微谐振器的芯在所述第一位置具有第一包覆；所述微谐振器的芯的表面上的第二位置，在所述第二位置中，所述第一模式的场强小于或等于所述第二模式的场强，所述微谐振器的芯在所述第二位置具有第二包覆，所述第一包覆与所述第二包覆不同。
2. 根据权利要求l所述的光学传感系统，其中，所述第一和第二 包覆中的一者是能够与分析物以化学方法特定结合的功能化层。
3. 根据权利要求l所述的光学传感系统，其中，所述第一和第二包覆中的一者是光学厚包覆层，其中在所述光学厚包覆层上引入的扰 动将不太可能与所述微谐振器的第一或第二模式相互作用。
4. 根据权利要求1所述的光学传感系统，其中，所述第一和第二 包覆具有不同的折射率。
5. —种光学传感系统，包括 光源；一个或多个主波导，所述一个或多个主波导包括第一主波导，所 述第一主波导包括与所述光源光通信的输入端口；以及包括表面的微谐振器，所述微谐振器光学耦合到所述一个或多个 主波导，其中所述微谐振器被配置使得所述光源激发所述微谐振器的 至少第一和第二谐振导向光学模式，所述表面还包括不可用的第一部分，所述不可用的第一部分被配置为，在所 述不可用的第一部分中不允许所述第一和第二模式与所述微谐振器的 扰动相互作用；以及可用的第二部分，所述可用的第二部分与一个或多个耦合区 域不同并与所述不可用的第一部分不同，其中所述可用的第二部分被 配置为，允许所述第一和第二模式与所述微谐振器的所述扰动相互作 用，并且所述第一和第二谐振导向光学模式与所述扰动以不同方式进 行相互作用。
6. 根据权利要求5所述的系统，其中所述微谐振器的表面包括图 案化的包覆，所述图案化的包覆防止所述扰动光学耦合到所述微谐振 器表面的所述不可用的第一部分。
7. 根据权利要求5所述的系统，其中所述扰动是由下列组成的组 中的一种散射中心，以及所述微谐振器的表面的可用的部分的折射率的变化； 所述光学传感系统还包括与所述光学传感系统光通信的检测器。
8. 根据权利要求5所述的系统，其中所述扰动是金属、半导体、 电介质或超材料纳米粒子。
9. 根据权利要求5所述的系统，其中所述微谐振器和所述第一主 波导集成在基底上。
10. 根据权利要求5所述的系统，其中所述可用的部分包括能够 与分析物以化学方法特定结合的功能化层。
11. 根据权利要求5所述的系统，其中所述不可用的部分包括折 射率与可用的部分不同的包覆。
12. 根据权利要求5所述的系统，其中在所述微谐振器表面的一 个或多个耦合区域中，所述微谐振器分别光学耦合到所述一个或多个 主波导，其中所述不可用的部分与所述一个或多个耦合区域不同。
13. —种检测微谐振器扰动的存在的方法，包括提供光学传感系统，所述光学传感系统包括 光源；一个或多个主波导，所述一个或多个主波导包括第一主波 导，所述第一主波导具有与所述光源光通信的输入端口；以及微谐振器，所述微谐振器包括表面，并在所述表面的一个或 多个耦合区域中分别光学耦合到所述一个或多个主波导，所述微谐振 器被配置为当用所述光源激发第一和第二谐振导向光学模式时，支持 所述微谐振器的至少第一和第二谐振导向光学模式，所述微谐振器表 面还包括不可用的第一部分，所述不可用的第一部分被配置为， 在所述不可用的第一部分中不允许所述第一和第二模式与所述微谐振 器的扰动相互作用；用所述光源激发所述微谐振器的所述至少第一和第二谐振导向 光学模式；将所述微谐振器的表面的可用的第二部分暴露于所述微谐振器 的扰动，其中所述可用的第二部分与所述不可用的第一部分不同，所 述可用的第二部分被配置为致使所述扰动与所述第一和第二谐振导向 光学模式以不同的方式相互作用；以及检测所述相互作用。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述微谐振器表面包括图案化的包覆，所述图案化的包覆防止所述扰动光学耦合到所述微谐振 器表面的所述不可用的第一部分。
15. 根据权利要求13所述的方法，其中所述扰动是由下列组成的 组中的一种散射中心；以及所述微谐振器的表面的可用的部分的折射率的变化。
16. 根据权利要求13所述的方法，其中所述扰动是金属、半导体、 电介质或超材料纳米粒子。
17. 根据权利要求13所述的方法，其中所述暴露的步骤引起所述第一谐振导向光学模式中的第一频率偏移和所述第二导向光学模式中的第二频率偏移，其中所述第二频率偏移可以是O;以及所述检测所述相互作用的步骤还包括比较所述第一频率偏移和 所述第二频率偏移。
全文摘要
一种光学传感系统和使用该光学传感系统的方法包括光源和第一主波导，所述第一主波导具有与所述光源光通信的输入端口。所述系统还包括微谐振器，所述微谐振器被配置使得所述光源激发所述微谐振器的至少第一谐振导向光学模式和第二谐振导向光学模式。所述微谐振器包括所述微谐振器的芯的表面上的第一位置，其中所述第一模式的场强大于所述第二模式的场强。所述微谐振器的芯在所述第一位置具有第一包覆。所述微谐振器还具有在所述微谐振器的所述芯的表面上的第二位置，其中，所述第一模式的场强小于或等于所述第二模式的场强，所述微谐振器的芯在所述第二位置具有第二包覆。第一包覆与第二包覆不同。
文档编号G01N21/27GK101542270SQ200780044106
公开日2009年9月23日 申请日期2007年11月19日 优先权日2006年12月1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