CN101036076A - 横向闭环谐振器 - Google Patents

Abstract

一种横向闭环光纤谐振器(10)包括内包层(102)，该内包层具有一个在外围形成闭环形状的表面(300)，以便将光限制到该表面(300)。在横向闭环光纤谐振器(10)的横截面部分中，内包层具有第一直径厚度(104)和第一折射率分布。与闭环形状相对应的环芯(120)设置在内包层(102)的相应表面上。在横向闭环光纤谐振器的横截面部分中，环芯(120)具有比第一直径厚度(104)要薄的第二厚度(124)的材料以及比内包层的第一折射率大了折射率Δ的第二折射率分布，使得环芯可以引导光在该环芯内横向地绕着闭环形状传播。

Description

横向闭环谐振器

技术领域

本发明一般涉及光纤耦合器，尤其涉及闭环无损耦合以形成高Q光谐振器。

背景技术

通常，折射率引导波导结构是已知的，比如其本身就可用作耦合器的标准光纤和平面波导，或其它用于在其物理边界所确定的方向上限制并引导电磁波的导光结构。全内反射(TIR)是已知的折射率引导机理，用于沿标准光纤轴传播光学模式。通过使用这种折射率引导，将光学能量限制在波导中心，便产生了低损波导。在使用TIR的情况下，标准光纤的光学模式在必需的外包层之外周围将作为倏逝(evanescent)波而基本上不存在，其中外包层的折射率比高折射率波导芯要低。

已知基于标准光纤的倏逝光纤传感器和耦合器采用“D”形光纤的形式。从中拉长″D″光纤的预制棒在其一端被磨光，直到纤芯接近该光纤的表面。然后，拉伸该光纤，在一小段光纤上将之前磨光区域中的纤芯附近的包层玻璃薄层蚀刻掉。因此，只在光纤一侧的那一小段上才可以接近光纤中传播的倏逝光场，而在光纤的整个切线表面外部周围基本上都没有。通过重新拉伸光纤，使得包层外面也存在部分光学模式，这样也可以制造倏逝光纤传感器和耦合器。与“D”光纤几何结构相似，光学模式仍然沿光纤轴传播。

光纤本身作为一类闭环或环形谐振器，可以用作能量存储元件。两个光纤方向耦合器可以耦合到一长段被横向配置成圆环的光纤，以形成光学全光纤环形谐振器或振荡器，该谐振器或振荡器具有高光路长度和高自由光谱范围(FSR)。然后，环绕着作为能量存储元件的环，可以产生振荡或谐振信号。能量存储元件的品质因数Q或能量存储时间决定了各振荡信号的光谱线宽，该振荡信号可以用于许多不同的应用。

对于具有高Q的很小的器件而言，耳语廊模式谐振器被用作另一类闭环谐振器。耳语廊模式或光学微腔谐振器或振荡器已经由耦合到蚀刻过、处理过、或其它非均匀平滑光纤的平面波导或微球体或这些部件的各种组合实现了。

这些微腔中所遭遇的高谐振都是因微腔内所支持的耳语廊模式(WGM)所导致的。作为其小尺寸和高腔Q的结果，近来人们越来越感兴趣的是微腔的潜在应用领域，比如电光学、微激光器开发、测量科学、高精度光谱学、信号处理、检测、调制、开关、复用以及滤波。通过利用这些高Q值，微球体腔有可能在大量的应用中提供前所未有的性能。例如，这些微球体腔可以用于那些需要超窄线宽、长能量衰减时间、大能量密度和精密的环境变化检测的诸多应用，所引用的只是一些示例而已。特别是，微腔谐振器器件的一个重要潜在应用是，它适合于用到已知的化学/生物试剂检测器件中。本领域中已知的化学传感器包括：MEMS(微机电系统)化学传感器，基于光波导的传感器，表面细胞质基因组谐振(SPR)化学传感器，表面声波(SAW)化学传感器，质谱仪，以及IR(红外)吸收光谱仪。小型化的传感器(比如，现有技术MEMS传感器)提供了显著的优点。例如，它们将很适合于原位运行。此外，它们将足够小以至于可大量使用，并且被实现用于远程探测。

高Q谐振器要求环绕着谐振器环的光路必须是低损的。因此，重要的是，这些谐振器在侧向和横向方向上提供光学引导，以便使光损耗最小化(侧向与传播方向垂直，而横向不仅与传播方向垂直，还与波导平面垂直)。大多数常规环形谐振器配置(比如，平面环形谐振器、球形谐振器和接合光纤环形谐振器)都使用一些引导机制来确保所引导的模式并不横向(与谐振器的弯曲平面相垂直的方向)扩展。

然而，当使用常规平面或光纤处理技术(即蚀刻)来制造高品质光谐振器时，出现了许多困难，因为，平面或光纤表面必须显示出小于约几个纳米的偏差，以使表面上的不均匀或其它不规则所导致的散射光学损耗最小化。另一方面，光学微球体谐振器可以具有比典型的表面蚀刻光学微谐振器要好若干个量级的Q，因为这些微腔可以由液态制造过程中(比如公知的光纤拉伸过程)的自然表面张力来形成。这些微腔是不贵的，也容易制造，且可以与集成光学系统兼容。

耦合效率高度依赖于如何使用环形谐振器。该效率受下列因素影响：平面波导几何尺寸，圆柱、环或球与平面波导之间的距离，相互作用长度，耦合率。因此，该效率高度依赖于应用本身且使其最大化是很复杂的。

因此，即使使用了微球体谐振器，为了实现基于微腔的器件的可能性，有必要选择性地且有效地将光耦合到微球体中。因为微腔的超高Q值是能量被紧紧限制在腔内的结果，所以必须在不对Q值造成负面影响的情况下将光学能量耦合进/耦合出高Q腔。此外，应该实现微腔与输入/输出光耦合介质的稳定结合。此外，控制这些微腔内的谐振模式的激发对于适当的器件性能而言是必要的，但对常规波导而言却提出了挑战。

通常，通过使用波导中的倏逝场，便获取了良好的整体性能。此外，只有波导结构提供了容易的对准以及离散的、清楚定义的端口。然而，已证明对于常规的平面波导而言，从输入光辐射中提取能量是效率较低的，因为腔体和波导模式泄漏到基板中并泄漏到光纤包层内的模式中。

已知：当倏逝光耦合发生时，圆柱谐振器到平面波导的无源对准是令人期望的。然而，现有的结构对于耦合或对准而言不是最适宜的，因为只有相对横向定位被保持了。比横向位置更重要的是波导和谐振器的相对垂直位置。这些现有结构不提供这种对准，或过于复杂。

在已知的环形谐振器中，平面波导与用于限制耳语廊模式的圆形结构组合起来，谐振器引导结构是针对耦合到所引导模式而优化的，使得谐振器的侧向(平行于平面波导的平面)和横向(垂直于平面波导的平面)范围(例如，宽度为5-20微米)或引导相对较小。范围是侧向(平行于基板平面或光纤轴)或横向(垂直于基板平面或光纤轴)方向上的模场宽度。对于0.5-2.0um范围内的光波长而言，若没有提供模式引导机制，则该模场将迅速发散。

当球形谐振器耦合到平面波导或锥形光纤引导模式时(比如，在美国专利6,583,399中)，球表面与空气包层之间的高折射率差和模式的自然外移组合起来，提供了径向模式限制，模式的自然外移是因光线绕球传播的过程中其恒定弯曲的路径所导致的。方位角限制(平行于平面波导的平面)由球体的曲面自然地提供，该曲面在方位角方向上产生与梯度折射率分布的相同效果。

当圆柱谐振器耦合到平面波导或锥形光纤引导模式时(比如，在美国专利申请2002/0081055以及美国专利申请2002/0044739739中)，球表面与空气包层之间的高折射率差和模式的自然外移组合起来，又提供了径向模式限制，模式的自然外移是因光线绕球传播的过程中其恒定弯曲的路径所导致的。通过局部移除、沉积、或改变紧挨着谐振器波导的引导材料，便提供了横向限制(平行于平面波导的平面)。然而，这种制造圆柱谐振器的处理方法很难控制，因为有可能改变散射损耗。

因此，通过提供精度可控的用于最大模式引导、可制造的、和成本有效的小型高Q光谐振器，目前的问题都可以得到克服，这种光谐振器的各种应用包括分辨率得到提高的生物或化学传感器。

发明内容

本发明的一个方面是一种横向闭环光纤谐振器，它包括内包层，该内包层具有一个在外围形成闭环形状的表面，用于将光限制到该表面。在该横向闭环光纤谐振器的横截面部分中，内包层具有第一直径厚度和第一折射率分布。在内包层的相应表面上设置了与闭环形状相对应的环芯。在该横向闭环光纤谐振器的横截面部分中，该环芯具有比第一直径厚度要薄的第二厚度的材料以及比内包层的第一折射率大了折射率Δ的第二折射率分布，使得环芯可以引导光在该环芯内横向地绕着闭环形状传播。

在另一方面，本发明包括一种传输波导，用于与环芯的折射率引导谐振光学模式进行倏逝耦合。

本发明的其它特征和优点将在下面的详细描述中得到阐明，并且对于阅读本说明书的本领域的技术人员而言将在部分程度上显得很明显，或者在详细描述、权利要求书及附图所描述的本发明得到实践时被人意识到。

应该理解，前面的一般性描述和下面的详细描述呈现出本发明的各实施方式，并且旨在提供一个概览或框架以便于理解权利要求书所定义的本发明的本质和特征。附图被包括在这里是要提供对本发明的进一步理解，并构成本说明书的一部分。附图示出了本发明的各种实施方式，与说明书一起用于解释本发明的原理和操作。

附图说明

图1是本发明的横向闭环光纤谐振器10的透视图；

图2是根据本发明图1所示谐振器10的内包层102的模式传播表示；

图3是根据本发明图1所示谐振器10的内包层102和环绕着的环芯120的模式传播表示；

图4是根据本发明图1所示谐振器10的双端口配置，它与传输波导460倏逝耦合着；

图5是根据本发明图1所示谐振器10与作为传输波导460的平面波导进行倏逝耦合的透视图；

图6是图1的若干种圆柱直径104对图5所示传输波导460的平面波导宽度564的往回传输(α)的图；

图7是根据本发明图1所示谐振器10的透视图，它使其末端成锥形以便于侧向引导并与作为传输波导460的平面波导进行倏逝耦合；

图8是根据本发明图1所示谐振器10的透视图，它使其末端成栅格状以便于侧向引导并与作为传输波导460的平面波导进行倏逝耦合；

图9是根据本发明图1所示谐振器10的透视图，它具有圆锥形状302并与作为传输波导460的平面波导进行倏逝耦合；

图10是根据本发明图4所示谐振器10添加了粘合剂或其它光学涂层33之后的横截面图；

图11是根据本发明图4所示谐振器10添加了涂有粘合剂或其它光学涂层113的拉长孔径110之后的横截面图；

图12是根据本发明作为图4所示传输波导460的露出的芯光纤的透视图；

图13是根据本发明图1所示谐振器10的四端口配置的横截面图，它与两个传输波导461和462进行倏逝耦合；

图14是根据本发明图9所示谐振器10的四端口配置的顶视图，它与两个传输波导461和462进行倏逝耦合；

图15是根据本发明图5所示多个谐振器10的透视图，它们与多个作为传输波导460的多个平面波导进行倏逝耦合。

具体实施方式

现在将详细参照本发明的较佳实施方式，其示例均在附图中示出。在所有附图中，只要可能，相同的标号将用于指代相同或相似的部件。图1示出了本发明的横向闭环光纤谐振器的一种实施方式，在全文中都以标号10来表示。

横向闭环光纤谐振器10包括内包层102，内包层102具有在外围形成闭环形状的表面300，用于将光限制到该表面300。在横向闭环光纤谐振器10的横截面部分中，内包层具有第一直径厚度104以及第一折射率分布。在内包层102的相应表面上，设置了与闭环形状相对应的环芯120。在横向闭环光纤谐振器的横截面部分中，环芯120具有比第一直径厚度104要薄的第二厚度124的材料以及比内包层的第一折射率大了折射率Δ的第二折射率分布，使得环芯可以引导光在该环芯内横向地绕着闭环形状传播。

如果闭环形状是圆柱形，比如在熔融的二氧化硅光纤(其第一直径厚度104约为125μm)中，则本发明的谐振光纤10具有绕其表面300的传播方向，最好是圆周(但是其它闭环形状也是可以的，比如球形301、或八角形、椭圆形、或圆锥302构件)。此外，闭环谐振光纤10的光学模式具有外部倏逝场，其外部尾巴328可以在图3和4中看到。折射率分布被用于强迫光绕着圆柱周长(而非纵向的光纤轴190)传播，并且在光纤的圆柱形状外面提供倏逝场。通过用折射率引导将光能限制到波导的中心，同时强迫光基本上绕着圆柱周长或任何其它形状的表面300进行传播，使得光学模式320只稍微延伸到圆柱表面300外面一点(从尾巴328看出，大于或等于约光功率的0.1％)，这样便产生了一种低损全内反射(TIR)波导。通过要求一种具有合适的厚度和折射率组合的结构具有上述这种可用的至少0.1％或相似的倏逝场，便可以用引导模式以该结构建模。圆柱外存在的光功率是内包层几何结构(不管它是圆柱、球体、或其它形状的构件，其几何结构是指厚度、折射率、周围材料的折射率以及该圆柱的直径)以及谐振的工作波长的函数。因此，环芯的折射率必须比内包层的折射率大多少完全取决于特定的应用。为了允许用作内包层102、环芯120和外包层130的每一种电介质区域内存在折射率变化，环芯材料152的平均折射率一定要大于内包层材料151的平均折射率。环芯的平均折射率152要足够大以实际地引导光线，这一点非常相似于单模光纤纤芯折射率稍微提高一些以引导光线在纵向的光轴内传播。如果折射率Δ太小，则将无法将光线限制到环芯120并且光线可能以不能控制的方式衍射到内包层102中。所期望的折射率分布是由建模或其它评估来预定的，使得折射率差[平均折射率差(例如，N_环芯-N_内包层)，此处N_环芯大于N_内包层]以及层厚度令至少一个引导模式的有效折射率大于内包层151的平均折射率和外包层130的折射率(并小于环芯层152的平均折射率)。

当合适的折射率分布用于TIR时，光线沿光纤周长或其它表面300的形状，多次穿过相同的路径并且与其自身进行干涉。为了用作谐振器，重要的是，要具有循环光路(以提供像激光谐振腔中的那种反馈)，并且还要具有外部倏逝场。

回头参照图1，与内包层102的闭环形状相对应的外包层130围绕着环芯120的相应表面。较佳地，外包层具有比环芯的第二折射率分布(或平均值152，以允许该折射率分布呈阶跃式折射率分布、梯度折射率分布、或其它折射率变化形式)要小的第三折射率分布(或平均值153，以允许该折射率分布呈阶跃式折射率分布、梯度折射率分布、或其它折射率变化形式)。具有不同折射率的多层可以被用于一个或所有这三个电介质区域，即内包层102、环芯120和外包层130，只要环芯120的平均折射率大于内包层102的平均折射率且大于外包层130的平均折射率就可以。

环芯120所提供的高折射率引导层以及其表面上的任何其它任选层都是基于全内反射波导来设计和选择的(厚度和折射率)。这需要至少一个高折射率层以及分别位于该至少一个高折射率层两侧的至少一个低折射率层。在最简单的情况下，空气被视为低折射率层，并且可以用作外包层130。因此，实际外部制造的包层是任选的，并且由虚线130来表示。如果存在外部制造的包层，则所制造的外包层130必须足够薄(“薄”取决于其折射率)，以允许光学模式的一部分越过其外表面。环芯120的波导层最好只有几个微米厚，约1-3um。在环芯外部上具有这种厚度(最好是1-5um的可行范围内的1-3um)的外包层130应该适合于让光学模式绕光纤的环芯120作圆周运动。对于各种不同的应用而言，外包层130可以具有比内包层102的第一折射率分布要小的折射率，并且仍然提供引导。当然，这是当空气用作外包层的情况。然而，其折射率比空气大但比内包层小的外包层也是可行的。例如，如果外包层130是水或匹配于水，则它将具有大约1.33的折射率。

其折射率稍高于圆柱、球体、或任何其它闭环形状的其余部分的单表面电介质层可以充当环芯120。还可以使用更复杂的多层结构，但是将需要光学建模以显示不同的折射率层分布是如何导致不同模场直径的(像LEAF光纤与SMF-28光纤的比较，两种光纤都可以从康宁公司买到)。通常，通过在圆柱中对引导模式进行建模，来选择厚度和折射率。

本发明的基于全内反射的波导结构(该结构具有任选的阶跃式折射率或梯度折射率变化，并以之作为单个电介质区域内的折射率变化)与那些基于耳语廊模式的波导结构截然不同。因此，本发明的设计具有至少三个电介质材料的区域。这三个区域在两侧引起模式的折射率引导，同时绕圆柱周长前进。另一方面，耳语廊模式仅依赖于折射率变化加必需的圆柱弯曲来控制该引导。更具体地讲，耳语廊模式并不依赖于圆柱内部的第二折射率变化。谐振的圆柱或光纤可以在没有任选的传输波导的情况下单独使用，但是这样的话谐振的圆柱或光纤10就需要耦合到自由空间波束的源。光纤谐振器的另一个用处是将光线耦合到谐振器外面。

参照图4，通过向图1所示谐振光纤或波导10添加传输波导460，便产生了正交谐振耦合器400，该传输波导460具有与光轴490相平行的传播方向480并且还具有引导的纵向模式，该纵向模式具有第一外部倏逝场491。像图1中那样，相同的标号具有相同的功能。然而，在图4中，示出了波导10或460的一般表示，而非它们可能的实现方式，比如平面形状、球形、光纤、或其它波导类型。像图1中那样，谐振波导10具有圆周的、球形的、或与纵轴190相切的圆形或类环形的传播方向433，并且还具有引导的圆周模式，该模式具有第二外部倏逝场320。箭头32和42表示传播方向。如图所示，圆柱谐振器轴190平行于光谐振器波导芯层，该芯层也平行于侧向190，侧向190垂直于传播方向32。径向328’也被称为横向，它是与谐振器波导芯层相垂直的方向。因此，参考箭头线433是光谐振器模式的传播方向。

相应地，光学传输波导芯层的侧向与传播方向42和横向428’都垂直。

相互作用区域470设置在传输波导460和谐振波导10之间紧密靠近的空间中，以便使第一和第二倏逝场分别与光学模式428和328的倏逝尾巴正交耦合。在倏逝场将相互作用的相互作用区域470中，箭头491和320正指向波导10和460之间的能量转移方向。

采用圆柱谐振器或其它圆形形状的谐振波导10的一个重要方面是，倏逝场超出了谐振器10的表面。作为许多应用中的一种可能的应用，倏逝场对下列两种情况是很重要的：用折射率检测来询问谐振器表面上任选的粘合层，以便于生物或化学检测；以及将光耦合到谐振器中并将光从谐振器中耦合出来。因此，选择用于光纤谐振器的折射率分布以使折射率引导设计最佳化，该设计用于沿圆柱周长或其它圆形表面300的光传播，同时使光学模式320的一部分存在于顶部光学的或电介质的环芯层120的外部。

从功能方面讲，在图4所示双端口谐振器器件的一般示意图中，传输波导460引导输入波从输入到输出，中间穿过了圆形谐振器10。传输波导460接近谐振器10会导致相对少的功率量在这两个元件460和10之间耦合。耦合波绕谐振器10传播，使得其大多数功率(假设低谐振器辐射损耗)又回到波导-谐振器耦合区域470。一小部分谐振器波功率重新耦合到传输波导460，而大多数功率继续绕谐振器10传播。

当波在绕谐振器10传播时累积相位。对于大多数输入波长而言，绕谐振器的相位累积都不是2π的倍数。结果，通常，当谐振器10中传播的波在耦合区域470中遇到从传输波导460中耦合的波时，会发生一些相消干涉。组合后的波继续绕谐振器10传播，在每次通过耦合区域470时都会因相位失配条件而有所损失。谐振器10中较低的功率水平导致横跨耦合区域470的耦合功率最小且耦合到传输波导460中的功率也最小。因此，对于大多数波长而言，谐振器器件10的输出处的功率b₂大约等于输入处的功率a₂(这取决于谐振器10和传输波导460中的传播损耗程度)。

对于那些绕往返行程长度环的相位累积是或接近2π的倍数的输入波长而言，谐振器10中的功率水平会因耦合区域470中的相长干涉而急剧变大。即使仅一小部分功率能够耦合，谐振器功率的变大也会导致相当多的功率重新耦合到传输波导460中。每次在传输波导460和谐振器10之间发生波耦合时，该波都会经历大约-π/2的相移(任一方向)。结果，往回耦合到传输波导460中的波的相位从原始输入波起移动了-π。

当单个谐振器往返行程上的功率损耗部分等于从传输波导460耦合到谐振器10(或相反)的功率部分时，从谐振器10耦合到传输波导460的波的功率水平将完全匹配于原始输入波的功率水平。这种情况下，谐振器波的-π相移导致这两个波完全相消，从而使正交谐振耦合器400的输出功率为零，这与方向耦合器非常相似。此外，能量守恒定律指出谐振器10中的传播损耗完全匹配于正交谐振耦合器400的输入功率，使得圆柱形谐振器端口a₁处的场振幅是一(1)。

来自双端口谐振器的典型功率输出看起来就像一个在周期性波长处谐振的梳子。输出功率响应的实际形式取决于各种物理和波传播参数(谐振器路径长度、耦合间隙、波导宽度、波传播速度和衰减)。该响应因谐振的2πn相位匹配条件(n＝1，2...)而呈周期性。

图1所示圆柱光纤谐振器像平面波导基板460上所安装的谐振器10那样建模，便产生了一种实用的双端口谐振器器件。平面波导基板460提供了用于光输入和输出信号的高折射率引导层，最好还涂有薄的外覆层562。在圆柱谐振器10的表面上形成了相似的高折射率波导结构，高折射率芯波导120涂有薄的外覆层130。引导层被表示成板条波导460，该引导结构不提供侧向模式限制。通常，板条波导是指一种没有垂直侧面的基板上连续的层，而平面波导包括板条和其它基板波导。(根据圆柱的直径、传播波长和圆柱往返行程损耗等要求，谐振器10可能要求也可能不要求侧向模式限制。)平面波导460接近圆柱波导10，这支持了两种结构之间的模式功率耦合。

对圆柱10完成了建模，内包层102的直径可以是125μm、250μm和500μm。选择这些直径是为了与现存的拉伸光纤和棒制造方法相一致，此处直径通常可以控制到＜1μm。

所有建模都假定板条芯561和圆柱波导芯120厚度和折射率都被选择成支持感兴趣的波长范围中的单个引导模式运行。该选择使该圆柱谐振器结构与之前的空气包层圆柱谐振器器件区分开，之前的谐振器器件只支持许多耳语廊模式。与多模谐振器相比，单模运行预期会提供更尖锐的滤波响应。

建模是针对1550nm附近的波长执行的，并且基于板条460和圆柱10，它们都具有多个引导层，芯与包层之间的折射率Δ(Δn)为4.5％(折射率Δ(％)的公式是[(环芯折射率值-内包层折射率值)/内包层折射率值])。具有4.5％折射率对比的平面波导已在平面环形谐振器器件的文献中得到证明，但是在过去从未用于谐振光纤10。当使用相同的波导折射率对比时，并且当平面环形谐振器波导的宽度等于板条460和圆柱波导10厚度时，预期在正交谐振耦合器400中圆柱谐振器10的性能将与现有技术平面环形谐振器器件非常相似。

对于4.5％阶跃式折射率对比而言，图1所示谐振波导10的芯120的芯层厚度124通常是1.5-2μm。通过在光纤拉伸之前控制预制棒中锗或其它共用的光纤掺杂剂的径向分布，便可以通过标准光纤技术来形成芯120、内包层102和外包层130。通过使光纤浸入具有期望的光学折射率的有机化合物中，也可以形成这些层。圆柱外表面上薄外包层130的精确控制还可以提供在耦合区域470中芯120和561之间的精确参照距离。光纤拉伸过程提供了一种用于设置芯分离和间隙折射率的精确且可重复的制造方法，该方法提供了许多超出平面设备中所制造的环形谐振器的处理优点，此处方向耦合器性能直接与波导蚀刻均匀性和外包层折射率均匀性相关，而这则在晶片内以及晶片和晶片之间变化。

假定圆柱谐振器端口a₁处的场振幅是1。输出端口b₁处所得到的功率以及圆柱内a2处所得到的功率分别预计为正比于|b₁|²和|a₂|²。对于第一建模示例而言，已选择耦合器棒传输(|b₁|²/|a₁|²)值t＝0.99。在这种情况下，平面波导460和圆柱波导10之间的耦合很弱，只有1％的光从平面波导460耦合到圆柱波导10的引导模式中。通过外包层厚度和折射率选择，相对容易控制弱耦合配置。对于该示例，已选择圆柱波导往返行程传输α＝0.99，从而指出在圆柱波导中只有1％的光因散射和波导弯曲损耗效应而丢失。这种数值较大的圆柱波导芯-包层折射率Δ(4.5％)提供了强力的引导，使这种低损耗成为可能。

在上述平面波导-圆柱耦合的建模中，重要的一点是，平面波导460和圆柱波导10足够宽，以使三维平面-圆柱耦合问题减小到一种等价的二维平面波导-环形波导耦合器。这种近似在当平面波导460的宽度比其厚度大许多倍时才有效。对于建模，假定通过使用非常宽的平面波导460，或者通过在圆柱波导中实现某种侧向引导方法(例如，UV修整)来限制圆柱波导10中的侧向损耗，便使侧向衍射达到最小。

在适当的位置作出这些假设的情况下，平面波导-圆柱谐振器模型与早先那些耦合到平面环中的平面波导模型很相似。对于用不同的直径作为谐振光纤10的内包层102的直径厚度的那些圆柱而言，如预期那样，随着圆柱直径的增大，滤波器的自由光谱范围(FSR)在减小。

从建模结果看，随着圆柱直径的增大，|b₁|²传输最小值的宽度也在减小。随着圆柱直径的增大，上述这种变窄是FSR减小的预期结果。它也表示，通过控制圆柱的直径，还可以调节传输最小值的宽度。因为典型的光纤拉伸过程都能够将光纤直径控制到＜+/-0.5um，所以这些直径变化对传输最小值的宽度应该具有非常小的影响。参照图5，图4的传输波导460具有平面物理形状，而图4的谐振波导10具有物理圆柱形状。作为一个可能的实施方式，正交谐振耦合器400包括具有一个或多个精确电介质环芯层120的光纤，该光纤可作为平面波导顶部所安装的限制或谐振结构10，传输波导460位于基板500上。因此，光纤-平面谐振器器件400充当一种精确窄带光学滤波器。在许多方面，上述正交谐振耦合器400都很像平面环形谐振器结构与基于准直器的薄膜滤波器器件之间的混合产物，后两者的单独的工作和设计理论都是已知的，但从未组合过。在侧向上，正交谐振耦合器400与基于微光学部件的薄膜滤波器(TFF)相似--借助于用于激发谐振器的外部光束的宽度，在谐振器内提供了侧向限制，从而在侧向引导方面不同于大多数环形谐振器配置。

根据本发明的内容，作为谐振波导10的圆柱光纤谐振器被安装在作为传输波导460的宽平面波导上，并且最好由宽平面波导460的宽基模来激发。倘若某种程度的模式匹配存在的话，一种沿着芯(该芯平行于光纤、平面波导、或图4所示的其它这种结构的光轴490)引导一个带着外部倏逝尾巴的模式的波导适合用作传输波导460。任选地，传输光纤可以被削尖，以便用作传输波导460，美国专利申请2002/0081055和2002/0044739739中可以看到这些内容。

宽平面波导460可以是条形波导或脊形波导。如果“宽”或有效准直光束(比如，来自微光学准直器)从外部激发板条，则它还可以是板条波导。应该理解，板条波导或其它平面波导可以具有任何蜿蜒的路径、螺旋、Z字形或其它方式，并且其耦合区域可以是锥形的(其耦合区域470具有最宽的尺寸，这取决于图14中所看到的应用)。

再次参照图5，足够宽意味着，作为传输波导460的平面波导是足够地宽，使得在通常感兴趣的距离上(例如对这些器件而言约3mm)，其不能控制的基模在模式宽度564’[模式宽度是波导宽度564的函数]方面无显著变化。因此，在感兴趣的距离上，侧向不能控制的光束(例如，绕着作为谐振波导10的本发明的圆柱光纤谐振器传播而无侧向限制的模式)并不急剧扩散(例如，大于5％)。因为被引导的模式在侧向是如此之宽，所以它在绕谐振器10传播时经历很少的衍射，因此对该谐振器而言不需要任何侧向引导结构。在平面基板上使用足够宽的正交定向平面波导的价值在于，宽阔消除了圆柱上对附加侧向引导结构(例如，布拉格光栅、轴向圆锥)的需求。

各种宽度(由其直径厚度104表示)的谐振器10的圆柱谐振器往返行程损耗的建模确认了该方法。对于考虑之中的光纤圆柱直径(125-250um)而言，作为传输波导460的平面波导的宽度564最好是在最小宽度200微米宽附近(或更宽些)，以便充当1.55um附近波长的宽平面波导。实际值取决于期望的谐振器可以接受的往返行程损耗。较窄的光束(比如50微米宽)在绕谐振器10传播时将侧向衍射得更多，从而导致更高的往返行程损耗。较宽的光束(比如400微米宽)将衍射得非常少，从而导致较低的往返行程损耗以及更高的Q值。

理想的高往返行程传输值大约是1.0，这要假定因侧向模式扩散而导致的损耗很小。然而，当来自窄平面波导的光被发射到圆柱谐振器中时，会发生侧向模式扩散。当该模式绕着圆柱表面上的板条波导传播时，当其返回到图4的耦合区域470时，通过衍射而发生侧向扩散，这使模场更宽了。较宽的模场因模场宽度失配以及微小相前失配而将损耗引入到被引导的平面波导模式以及原始圆柱谐振器模场中。该损耗贡献到由穿过圆柱波导表面的场所经历的往返行程损耗中。

参照图6，往返行程传输对平面波导宽度564的图示出了平面波导宽度(或其宽阔性)与各种直径的圆柱(它们为不能控制的光束的宽度如何绕圆柱传播进行建模)的往返行程传输之间的权衡。作为图5的平面波导宽度564的函数，针对图1的若干个圆柱直径104，提供了往返行程传输α的计算值。该图示出了当平面波导比250μm还要宽时，即使当显示往返行程传输α介于0.99和1.00之间的数值来扩展y轴刻度时，对于直径达2mm的圆柱而言，侧向模场扩散损耗也是可以忽略的。该图示出了，对于其内包层102的直径104(在图1中)为500μm或更小的圆柱谐振器而言，作为传输波导460的平面波导的宽度564(在图5中)可以窄到105μm并仍然允许往返行程α值为0.99或更大。这是一个重要的结果，因为它表示，因侧向模场扩散而导致的往返行程损耗可以通过实际的平面波导尺寸来管理。

因此，当该模式绕着圆柱、球体、或其它谐振波导10表面上的板条波导460传播时，当它返回到耦合或相互作用区域470时，通过衍射发生侧向扩散，这使得模场更宽。图6示出了，为了在使用500μm或更小直径的光纤圆柱时实现往返行程损耗小于0.1％(α＝0.999)，板条波导460必须至少180μm宽。

通过使用Rsoft公司的BeamPROP软件，在两种情形下(都针对玻璃光纤)，对图5所示环芯120的薄电介质层中传播的圆周模式进行建模，其中内包层n151为1.445，环芯厚度124为2.0um，工作在空气中(n 153约为1)，并且波长为1.55um。对于作为内包层102的125微米直径光纤的外表面上所沉积的作为环芯120的电介质涂层，确保环芯120内的能量不会耦合到耳语廊模式中的最小折射率Δ约为2.0％，其中折射率Δ(％)的公式是[(环芯折射率值-内包层折射率值)/内包层折射率值]。

在第二种情况下，对于作为内包层的500微米直径光纤的外表面上所沉积的作为环芯的电介质涂层，确保环芯内的能量不会耦合到耳语廊模式中的最小折射率Δ约为4.0％

参照图2，示出了能量是如何从作为内包层102的500微米直径光纤的表面附近的高斯光束发射分布耦合到耳语廊模式中的。图2看起来示出了矩形区域内直板条波导中的传播情况，但是坐标系实际上已从极坐标转换成矩形坐标，所以x方向表示径向距离(x＝0表示接近光纤谐振器10的表面，而x＝-20则表示朝内部)。z方向表示沿作为内包层102的光纤的表面的圆周传播，该光纤本身作为谐振器10。

参照图3，与图2相同的内包层由更大的矩形区域表示，该内包层具有第一平均折射率且支持耳语廊模式。然而，添加薄许多的环芯矩形区域，并且该区域表示围绕着图2的内包层的环芯，该环芯足够薄并且具有比内包层的第一平均折射率要大的第二平均折射率，以便支持折射率引导的谐振光学圆周或其它切线模式320，且其模式折射率大于内包层的第一平均折射率。因此，当在光纤的表面处创建环芯区域120时(其厚度为2.0微米，Δ为4.0％)，相同的发射能量仍然被限制在表面附近的区域。

在以上两种情形中，可以使用更高的Δ环芯，但是这有可能导致环芯中有多模引导(这取决于芯厚度)，根据特定的应用，这一点可能是期望的有可能是不期望的。

尽管2.0微米的环芯厚度已被建模，但是更厚的环芯层也是可以的。例如，根据模拟结果，对于500微米直径光纤而言，在4％的Δ处，波导可以像环芯厚度那样有4.0微米宽，并且仍然只支持一个模式。这是一个有趣的效应，因为通常具有这种折射率Δ的较宽的芯都会是多模的。环芯的弯曲表面还可以帮助剥去更高阶的模式，这有利于使谐振模式最少化以获得更尖锐的光束宽度。

对于1％-5％Δ范围中的圆柱光纤谐振波导而言，芯环厚度最好处于1-10微米范围中。对于5％以上更高Δ的圆柱光纤谐振波导而言(包括高折射率波导材料，其n在2.5-3.3左右，比如氧氮化硅、Si、GaAs等)，0.2-10微米之间的更薄的环芯厚度是较佳的。

一种区分环芯的电介质引导层谐振器方法与耳语廊模式谐振器的方式是基于模式的有效折射率。对相同的上两个结构，模式模拟被建模：

第一种情形)125微米直径光纤作为玻璃内包层(n＝1.445)，2微米厚的环芯层(Δn＝2％)，周围是空气。

第二种情形)500微米直径光纤作为玻璃内包层(n＝1.445)，2微米厚的环芯层(Δn＝4％)，周围是空气。

在上述两种情形中，那些结构支持耳语廊模式和电介质环芯模式。建模结果证实，单个电介质环芯模式的有效折射率值介于环芯的折射率和玻璃内包层之间。另一方面，多耳语廊模式全都具有介于玻璃内包层折射率和周围空气折射率之间的低很多的有效折射率。

因此，从最大到最小折射率，列表如下：

电介质环芯层折射率

被引导的电介质层模式有效折射率

玻璃内包层折射率

耳语廊模式有效折射率

空气外包层折射率

对于125微米直径光纤而言，一些数值是：

电介质环芯层折射率            1.513

被引导的电介质层模式有效折射率1.485

玻璃内包层折射率              1.445

耳语廊模式有效折射率          1.428

                              1.414

                              1.401

                              1.391

                              1.386

                              1.380

                              1.371

空气外包层折射率              1.003

对于500微米直径光纤而言，一些数值是：

电介质环芯层折射率            1.484

被引导的电介质层模式有效折射率1.471

玻璃内包层折射率              1.445

耳语廊模式有效折射率          1.416

                              1.386

                              1.370

                              1.347

                              1.322

                              1.300

空气外包层折射率              1.003

与被引导的电介质层模式有效折射率和最低阶耳语廊模式的有效折射率之间的差相比，各耳语廊模式的有效折射率间隔得相当紧密。有一个好处，使被引导的电介质层模式有效折射率在数值方面从耳语廊模式有效折射率集中“分开”或区分。因为外部模式和谐振器模式之间的耦合部分地取决于内部和外部模式传播常数匹配得有多好，较大的有效折射率失配是指到耳语廊模式的耦合更弱(同时像模场形状等所有其它的一切都不变)。这是令人期望的，因为它使耦合到耳语廊模式中的能量量值达到最小(在内部-外部界面耦合区域中以及在绕该环传播的过程中)以形成一个单独的尖锐的谐振峰。

本发明的一个重要内容是，通过调节环芯折射率，对于工程师而言，受引导的电介质层模式所具有的有效折射率有可能匹配于平面波导460中所存在的光学模式的有效折射率。这些平面波导460可以被设计成弱引导(例如，低芯-包层折射率Δ)，使得它们将具有更宽或更广的基模(例如，8-10微米)，以改善到标准SMF-28光纤(可从康宁公司买到)的耦合。

与美国专利申请2002/0081055和2002/0044739739中所描述的复杂方法相比，本发明的设计中缺少侧向模式限制结构便会大大简化谐振器制造过程，并且在本发明的谐振器器件装配中使对准公差显著地放宽了许多(优于美国专利申请2002/0081055和2002/0044739739以及美国专利6,583,399中所描述的谐振器)。

通过公知的光纤拉伸过程制造多层光纤谐振器并使其具有期望的折射率分布，会在绕光纤圆周环芯120中沿径向方向产生实际的引导层。该径向模式控制是唯一的。耳语廊模式谐振器(以及“圆周模式”谐振器，被定义或用于指耳语廊模式)只依赖于谐振圆柱的弯曲，而与内包层的折射率分布无关，以引导该光学模式。本发明的内容是，使光学模式被折射率变化的物理波导层引导。在本发明的谐振光纤或光纤谐振器10中不需要侧向模式控制，这一点也是独特的。美国专利申请2002/0081055和2002/0044739739依赖于极度严格的制造技术，以直接地机械加工、蚀刻、沉积、或掺杂谐振圆柱上的侧向限制区域。这些需要制造过程中的若干非增值步骤，并且它们还需要组装过程中的精确对准。

相反，本发明的光纤谐振器10的设计具有好许多的制造公差。光纤谐振器的优点在于，通过使用传统的光纤拉伸制造技术，便可以按高机械公差和材料折射率控制来制造上述这种光纤谐振器。单次光纤拉伸可以产生成千上万个或几百万个圆柱谐振器器件，它们具有接近完全一样的物理和光学特性。这与制造平面和薄膜谐振器滤波器所必需的精确薄膜沉积技术形成对比。每个晶片内以及晶片与晶片之间的薄膜厚度和材料变化引入了谐振器滤波器性能方面的变化，这使得用于精确滤波器校正的物理或热调谐步骤成为必需的。

参照图9，示出了可以用于谐振波导10的各种横截面中的另一个示例，它是圆柱闭环形状，在表面300的至少一个弓形面上或者在图1的其它圆锥形状302中以倾斜角或耦合角970逐渐变细。锥形谐振光纤10具有分别位于该锥体两端处的最小和最大光纤直径904和944。直径的逐渐变细允许精确的谐振波长选择或其它类型的谐振波长调谐，因为不同的检测/设备应用都是可能的，比如可调谐的滤波、激光器等。

将锥形光纤用于图4所示正交谐振耦合器400的光纤-板条谐振器实施方式的滤波应用便是一种可能的变化方式，其中不使用圆柱光纤作为谐振波导10，或更具体地讲不使用圆柱光纤作为内包层102。锥体上的表面涂层将与圆柱光纤上所用的涂层相似，以提供环芯120。

图9中用于光纤-板条谐振器400的锥形光纤10的优点在于，在同一个平面基板500上，可以制造因不同直径而导致谐振波长稍微不同的许多谐振器，其中平面波导也可以改变宽度以便于谐振调谐。

通常，可以用与图1所示圆柱谐振光纤相同的光纤制造方法来制造图9或图7所示的锥形光纤。这些光纤上附加的受控的锥形拉伸步骤将在有限的锥形部分上建立每单位长度光纤直径均匀减小。

然后，在平面基板500上，这些锥形可以被安装在板条波导460上，在相互作用区域470中安装板条波导处，局部地减少或除去板条波导外包层。通过使用光纤锥10两端附近的粘合剂，或使用其它附着技术(比如图12所示的聚合物光纤夹子1270)，便可以将锥形光纤10安装在基板500上。通过使用被加工到基板500中的对准特征(即V形槽、沟槽、台阶、或平顶山式区域)，也可以使锥形光纤10对准到平面波导。

使用锥形光纤-平面波导谐振器400的关键优点是，它们允许谐振波长精细调谐。该调谐操作可以在部件组装时执行以补偿折射率和厚度处理变化，或者它也可以被用于产生能够在工作过程中调谐的设备。

锥形光纤10可以沿其轴向或侧向移动，以修改直接位于板条波导460上的谐振器部分的光路长度。光纤或圆柱可以是物理上的锥形，或通过折射率分布变为光学上的锥形。锥形的轴向移动可以是在组装时手工执行，或者在设备工作期间通过外部执行机构来积极执行。

通过将该圆锥安装在可随温度变化而使该圆锥轴向移动的块或臂上，便可以构造出温度补偿型锥形光纤-平面波导谐振器。可以选择板条和锥形光纤之间的耦合系数，以允许各部件之间有微小的物理间隙。这将防止板条460和圆锥10之间出现摩擦和滞后效应，但是在实践中它可能是一个很难控制的参数。

通常，板条460和锥形光纤10之间的分隔距离变化可调节该谐振器的棒传输t值。这种棒传输t的变化将提供滤波器谐振响应的带宽和深度的可调谐性。在动态均衡器中，该调谐效果可能是很重要的，因为每一个波长通道滤波器通带的宽度都可以被调节，以覆盖全部波带。锥形光纤谐振器10和上或下基板板条波导500之间的间隔距离可以被修改，以便于进行期望的调谐。例如，锥形谐振波导10可以在板条传输波导460上侧向(901)移动，以提供温度补偿或波长调谐，从而用作一种可调谐的或温度补偿滤波器(通过滤波器中心波长)。在另一个示例中，锥形谐振波导10可以在与光纤纵轴和图4所示板条波导方向490相垂直的方向902上垂直地移动，以便为第二基板板条波导500(它被置于顶部且面对着第一底部基板板条波导500)提供四端口配置中的通带/阻带带宽调谐，从而用作一种可调谐的或温度补偿的滤波器(通过滤波器槽口宽度)。或者，锥形谐振波导10或上基板500(未示出)可以在方向902上(该方向垂直于光纤纵轴和图4的板条波导方向490)彼此相对垂直移动，以提供相同的四端口配置中的通带/阻带带宽，从而用作可调谐的或温度补偿的滤波器(通过滤波器通带宽度)。该调谐方法还可以应用于图13所示的非锥形光纤-板条谐振器器件400。

通过热光调谐，使光纤芯120、包层130和/或内包层102的折射率发生局部变化，也可以实现光纤-平面波导调谐。例如，位于光纤-平面波导谐振器附近的平面基板加热器可以提供局部加热，该局部加热可改变一个或多个层的折射率并移动该器件的谐振波长。这种方法可以用于实现可调谐的WDM(波分复用)器件或色散补偿器。用该方法实现的横跨光纤10的热梯度可以创建可变的锥形光纤-板条谐振器400。

可变谐振器阵列可以与不止一个平面波导460的平面光路一起使用，以产生带有可变波长通道间隔和起始波长的多路复用器或解复用器。在这些应用中，调谐板条波导460和光纤10之间的距离将提供对波长通道通带宽度的控制。通常，该方法将提供一种灵活的多路复用器或解复用器，它可以按波长通道的客户指定要求来进行调谐，图14以之为例。

除了适用于各种生物或化学检测，光子应用也是可以预见的，比如开关、多路复用器或调制器。谐振器的工作波长可以介于0.6-1.55微米之间，这取决于最佳粘合层光学变化(例如，折射率、吸收变化)的源、检测器和波长所用的技术，尤其是二氧化硅基材料系统所用的技术。然而，本发明的谐振器可以用其它材料系统制成，并用在超过200-2000nm的UV和IR波长。例如，氟化物或其它重金属氧化物类型的材料可以被用于超过2000nm的波长。一些生物/化学检测应用需要大于2微米的波长，本发明的谐振器便可以用于此。

任何其它光纤(比如光子带隙、空心的、或偏振)都可以用作内包层、内部谐振器基部或主体，只要在这种光纤的外部上存在用作环芯的薄波导层即可。只要这些内部结构至少离谐振器的表面有若干个波长远，各种光纤类型都可以用作内包层。这些不同的内包层结构将易于消除被引导的更高阶模式，并且任何所得的衰减将引入更多的往返行程损耗。根据应用，需要设计上的权衡，以平衡内部光纤设计和增大的衰减。

另一个设计上的权衡包括宽光束源是否是可用的。在需要小于180μm宽的更窄的平面波导宽度的应用中，需要光纤模式的圆柱侧向限制来限制往返行程损耗。本发明示出了若干种技术，都可以用于光纤或圆柱10以提供侧向模式限制。如果该应用要求窄光束，则谐振光纤10可以使其两个相对的端被处理，以便提供一对侧向限制部分，从而侧向限制相互作用区域470中的被引导的圆周模式。

一种用于侧向模式限制的方式是处理(劈开或抛光)谐振波导10的末端，以提供具有劈开或抛光末端的光纤或圆柱。该方法可能不适合于直径极小的光纤，但在这种情况下，很幸运，往返行程路径很短，所以因侧向扩散而导致的损耗预计很小。通过减小光纤直径或将圆柱10从中心引导区域470移开，也可以实现侧向模式限制。除了劈开的或抛光的光纤末端以外，还可以对抛光的末端进行火焰抛光，以减小直径。

参照图7，侧向限制部分701和702对包括谐振光纤的两个相对的锥形端，它们位于相互作用区域470之外。圆锥拉伸过程可以被用于选择性地减小光纤谐振器10的直径。因此，如果需要，比如当平面波导或其它传输波导不够宽时，使谐振光纤圆柱10相对的两边逐渐变细，便可以用于侧向限制。通过使中心波导环芯的两侧对称地逐渐变细，便可以产生侧向限制结构。因此，相对的圆锥主要用于对横向模式提供侧向引导，使得横向模式在绕光纤表面传播时不会在与光纤轴平行的方向上扩散，由此限制了往返行程损耗并允许更高的Q值。

除了逐渐变细以外，在另一种侧向模式限制方法中，与中心引导或相互作用区域470隔开的环芯引导120、外包层130或内包层102中的一个或多个被处理，以选择性地改变折射率。通过聚合物或掺杂玻璃层的选择性UV曝光，或通过受控浸入涂层以添加电介质材料，或通过蚀刻以除去这些区域内的电介质，便可以导致上述这种折射率变化。

参照图8，侧向限制部分701和702对包括光纤布拉格光栅810，该光栅被刻入谐振光纤10相对的两端上并且处于相互作用区域470之外。光纤圆柱的谐振部分的每一侧的光纤布拉格光栅是用于提供中心波导环芯两端上的侧向限制。所形成的光栅基本上平行于谐振光纤的圆周传播方向。因此，光栅垂直于光纤轴，并且传播方向沿着圆柱的圆周。

然后，使用UV曝光将周期性的光栅结构刻入光纤或圆柱环芯引导120、外包层130或内包层102层中的一个或多个。选择光栅周期，以在有限的波长范围中将光线反射回谐振光纤10的中心引导区域470。

参照图13，布拉格光栅810被直接写入平面波导461或462，或在薄外包层562的顶部，而非像图8所示那样在光纤谐振器10上。通过将布拉格光栅810写入平面波导461或462，平面波导461或462与圆柱光纤或球形谐振器10之间的耦合得到修改。例如，通过添加布拉格光栅810，便可以使所得的正交谐振耦合器400的光谱响应变得尖锐，因为在谐振波长处耦合可以得到增强，在附近波长处则被消除。布拉格光栅810还可以是啁啾的，以便在谐振1383处沿传播光路以不同的角度将光线从板条波导461或462中散射出去。可以选择这些散射角，以减小被引导的板条波导模式之间的模场相前角度失调。更小的相前角度失调将使板条波导461和462以及圆柱光纤或微球体谐振器10之间的耦合得以改善。

谐振响应的尖锐程度涉及往返行程传输α以及方向耦合器棒状态传输t的数值。这些参数中的任何微小变化将导致谐振响应有急剧的变化。在实际的谐振器器件中，t的值接近1，而方向耦合器交叉状态传输κ则接近零。很小的方向耦合器交叉状态传输κ值关联到板条波导461和462以及谐振波导10之间较大的分隔。帮助确定κ的积分包括板条波导461和462的指数衰减尾巴与谐振波导模场的重叠。结果，各模场之间分隔距离的微小变化导致κ值有很大的变化，因此器件的谐振响应有很大的变化。

为了使正交谐振耦合器400对板条-光纤分隔距离的微小变化的敏感程度达到最小，布拉格光栅810可以被设计成根据角度和沿板条461或462的轴向位置来非均匀地散射板条波导光。当谐振波导10远离板条波导461或462时，与板条波导461或462中至少一个附近所散射的光进行的耦合减小了。同时，谐振波导10还与板条波导布拉格光栅810所散射的光相交，其中光栅810离谐振波导10更远。通过根据沿板条波导461和462的轴向位置来适当选择散射强度和角度，在板条-光纤分隔的有限范围内平面波导到光纤耦合的均匀性提高了。包括均匀性和总耦合损耗在内的设计权衡是必需的，因为在所有的情况下，部分板条波导散射光将不会耦合到谐振波导表面传播模式中。幸运的是，在板条波导461和462以及谐振波导10之间不要求有强耦合，所以对于所考虑的谐振系统而言，整体的光损耗将是很小的。

通常，光栅是通过将任何种类的局部周期性变化引入波导引导模式的有效折射率中而制成的，它可以是芯层561中折射率变化、包层(芯561上或下)中的折射率变化、或因波导芯或包层厚度的迅速变化而导致的折射率变化，这些折射率变化导致被引导的模式的有效折射率变化。被引导的模场必须“看到”的是材料折射率的变化，以使光栅起作用。顶部厚外包层563可以具有和薄外包层562相同的材料。无论哪种材料，重要的是，在相互作用区域470中，除去顶部厚外包层563以仅留下薄外包层562。例如，如果顶部薄外包层562足够厚，则在顶部薄外包层562的表面处模场接近为零。这是正常的情况，因为如果模场并未接近零，则在薄外包层562的顶部表面处将有可能有显著的散射损耗。光栅810需要被置于那里被引导的模场是非零的区域中。这应该是较佳的情形，其中光栅810被直接制造在引导芯561顶部的薄外包层562上。通常，“薄”可以被定义成小于引导模式的宽度的0.5倍，而“厚”可以被定义为大于引导模式的宽度的3倍。

考虑到正交谐振耦合器400的各种应用，带有或不带有光栅810时，图13的四端口配置(而非图4的两端口配置)都可以用作谐振系统。因此，通常，作为谐振波导10的涂敷光纤可以被安装在平面波导基板501和502之间，以产生四端口环形谐振器器件。下基板501左侧的光输入1381在谐振处被耦合到光纤谐振波导10中，并且被耦合到上基板波导502中。在远离谐振的波长处，下基板501左侧的光输入1381笔直地继续前进，并作为1399从右边出来。在这种配置中，谐振器充当陷波滤波器。通过使用来自上基板502的光输出1383，该结构可以被用于实现四端口源滤波器。

如果用稀土离子对谐振波导10的环芯120继续活性掺杂，在使用图13的四端口光纤-板条谐振器配置的情况下，增益层泵浦也是可以使用的。光信号将在下基板501中被引导，而泵浦光则在上基板502中被引导。通常，方向耦合器结构(用于在板条461和462以及谐振光纤表面模式之间引导光线)是依赖于波长的。该特征被用于设计上方向耦合器502以使其只耦合泵浦光，还用于设计下方向耦合器501以使其只耦合信号光。这样，上和下耦合器502和501分别用作波分复用器(WDM)，这与用光纤的掺铒光纤放大器中所使用的康宁的MultiCladWDM耦合器相似。用于谐振波导10的光纤的直径可以被选择成支持泵浦光和信号光的谐振条件。所产生的设备400将在非常窄的波长处或一组信号通道波长处提供高光学增益。

当被用在四端口谐振器配置中时，这种迅速调谐将把该正交谐振耦合器400变成高速光开关。其它应用可以在高速窄带滤波器的环芯120或外包层130中使用电光光纤涂层。这些滤波器可以用作可调谐窄带激光光源的一部分，或者可以用在高速光谱仪系统中。通过使用这种可调谐四端口光纤-板条谐振器配置，还可以制造像偏振分路器和控制器等其它器件。

参照图14，图9的锥形光纤谐振器10被用在图13的四端口配置中，同时没有光栅810。正交谐振耦合器400可以用作多端口波长解复用器，该解复用器基于两个传输波导基板之间所安装的图9的锥形光纤10，其中下基板501使其平面波导461在下面，上基板被顶部其平面波导462覆盖。上基板502和与其结合在一起的平面波导462可以直接安装在下基板501和与其结合在一起的平面波导461上，两基板501和502之间的倾斜角由图9的锥形光纤10的耦合角970来表示。然而，平面波导461和462(其变化的宽度增宽用于选定的谐振范围)分别稍微偏置一点，而非完全重合，以便看得到顶部和底部传输波导462和461。

因此，图14的结构形成与图13相似的四端口光纤-板条谐振器。包括一组波长λ₁-λ₆的宽带光1464₁在器件400左上角所示的输入端口处进入正交谐振耦合器器件400。光线向右传播，在那里它与锥形光纤10耦合。选择锥形光纤10的直径，使得波长λ₁处于谐振，从而导致波长λ₁的光线从锥形光纤10中耦合出来并进入上基板波导462。上基板波导462将该窄带波长λ₁光引向左边，在那里它从上基板502中出射。下波导461中其余的光遵循180°波导弯曲，该弯曲将光线重新引回锥形光纤10，但在引回的位置处谐振光纤10的直径已不同了。因此，不同的波长(在这种情况下即λ₂)在谐振处被耦合到锥形光纤10，然后，被耦合到上基板波导462中。对于剩余四个波长，该过程不断重复，并且在设备400左下角附近，任何未被提取的光线1464₂都从下基板501中出射。

通过在一层上使用紧密平面波导弯曲，该波长解复用器可以被制造成所有的波长输出都出现在基板的一侧。这种单侧结构简化了更复杂器件的组合过程，比如波长通道监视器，其中检测器阵列将与平面基板输出侧所有的窄带输出对准。来自每个波长输出的光都将耦合到单独的检测器中，从而提供与各波长通道中的功率有关的信息。

通过在板条波导461和462中使用螺旋波导图案，也可以排布多端口波长解复用器。根据平面波导所允许的最小弯曲半径，该方法可以减小平面解复用器的整体尺寸。

图14的多端口波长解复用器布局可以被扩展，以形成更复杂的滤波器件，比如动态增益均衡器器件。板条波导布局将在一侧提供波长解复用，并在另一侧提供复用。两个锥形光纤谐振器10之间的宽带可变光衰减器(VOA)阵列可以在同一个基板上制造，以提供以逐个通道为基础的波长通道功率修饰。对于想要使器件输入和输出波导都位于共同的基板上的各种应用而言，其它z字型的或蜿蜒的布局都是可能的。上基板502将用于引导每个波长通道中的光从左锥形光纤到右锥形光纤。

图14中这种锥形光纤-板条谐振器400仍然是实际的，即使评估起来与往返行程损耗有抵触。在图5的圆柱光纤-板条谐振器中，从板条波导460耦合到光纤谐振器10中的模场绕着光纤谐振器10传播，并且在回到板条波导460处时具有零角度或侧向偏置。当光束与图9的四端口偏置中的板条波导461或462重新结合时或者与图9的双端口偏置中的单个板条波导460重新结合时，绕图9和14的锥形光纤10的相似的传播引入了侧向和角度偏移。光束的侧向和角度偏移将引入耦合损耗，这取决于光束的宽度。侧向和角度偏移的量取决于光纤谐振器10是怎样的锥形。

模拟了三种不同的逐渐变细的方法。在图9的锥形光纤谐振器10中，每一种方法具有5毫米的锥形长度，但在该锥形的两端分别具有不同的最小和最大光纤直径904和944。经检查的标称的光纤直径是12.5μm、125μm和500μm，以之作为最小光纤直径904或图1中的104。更小的光纤直径导致光纤-板条谐振器具有低阶模式和大自由光谱范围(FSR)。例如，下表中的第一光纤圆锥具有跨越电信C-波带(1528-1563nm)的FSR：

针对若干不同光纤圆锥的阶、波长和FSR计算的表格

(在光纤圆锥表面上使用单模波导，其中n_eff＝1.51)

最小光纤直径(微米)	最大光纤直径(微米)	锥形长度(微米)	阶	λ最小(纳米)	λ最大(纳米)	FSR(纳米)	耦合角(度)
								12.5	12.9	5000	39	1520.48	1569.13	48.66	0.0144
125	125.35	5000	388	1528.31	1532.59	3.95	0.0126

500

500.35

5000

1552

152.83

152.94

0.99

0.0126

模拟结果显示，这些圆锥中的往返行程耦合角970都小于0.015°。对于宽度为180μm或更小的传播光束而言，因该角度偏移而导致的耦合损耗小于0.02dB。关于因光纤锥形10(未示出)而导致侧向偏移的相似分析导致了可忽略的耦合损耗贡献。

尽管用合适的模式限制方法来提供较低的往返行程损耗是很重要的，但是对于良好的高Q谐振器性能而言，另一个关键的问题是单模运行。这包括制造谐振器引导结构，以便只支持一个侧向(或方位角)和一个径向(或横向)模式。

在美国专利申请2002/0081055和美国专利申请2002/0044739739中，通过减小谐振器凸纹结构的宽度并减小引导凸纹和未引导的相邻区域之间的半径差异，便实现了侧向模式的最小化。这要求在远离凸纹的区域中，精确控制圆柱谐振器材料的除去。

在美国专利6,583,399中，侧向模式最小化直接耦合到球体的直径，所以设计者可能没有什么自由来选择小球体直径，这将提供更佳的模式最小化。

根据本发明的内容，平面波导的绝热圆锥确保，在圆柱或光纤波导中只有单个宽侧向模式被激发，以提供单模侧向运行。作为基于准直器的薄膜滤波器，在侧向可以使这种锥形平面波导模仿光学准直器的运行，而芯-包折射率差则提供了横向模式限制。这种准直“透镜”可以通过使平面波导图形化而制造，使得它在一端是很宽的(例如＞200um)而在另一端则不那么宽，且其间的锥形角足够低(例如＜1度)。

当平面波导由此绝热增宽时，只有较宽的波导的基模被激发了-即使较宽的波导会支持许多模式。这是重要的，以最终将锥形平面波导耦合到单模光纤(例如可以从康宁公司买到的SMF-28光纤)中。该单模光纤可以耦合到小尺寸锥形平面波导中(例如，用于0.75％Δ波导的6微米×6微米横截面，或用于17％Δ波导的2微米×2微米)，它只支持单模。

在上文提到的‘055、‘739和‘399专利/申请中，通过使圆柱或球体半径保持相对较小以增强光路弯曲，便提供了用于单模径向操作的径向模式最小化。但是，仍然有可能存在不止一个耳语廊模式被激发，从而通过多模滤波带增宽由这种谐振倍数或梳来减小滤波器的Q。此外，该Q有可能减小，因为耦合到任何不想要的模式中的光都可能引入附加的往返行程损耗。

相反，通过适当选择电介质层厚度和折射率，本发明的光纤谐振器可以被制造成完全支持单模径向操作的一个径向模式。该电介质层可以用现有的光纤拉伸制造方法来精确地制造。标准光纤制造技术能够精确控制光纤外直径和电介质层的各种属性(厚度和折射率)，这些都是以特定谐振器波长响应为目标所必需的；还能够提供用电介质层制造圆柱谐振器的低成本方法。这种光纤谐振器可以提供量级在10^-7RIN(折射率单位)上的有效折射率灵敏度。

经证实的光纤重新拉伸技术可以精确控制材料光学特性和径向厚度。用于导波、模式控制或其它类型的控制的电介质层可以被涂在光纤/圆柱横截面的其余部分上，或者更佳地它们可以与光纤/圆柱横截面的其余部分一起被拉伸。沉积/制造方法取决于涂敷材料究竟是什么。

此外，光纤涂敷技术或相似的方法可以被用于在圆柱/光纤表面上沉积其厚度可控的有机膜。在所有必需的高温玻璃形成过程(比如火焰抛光和光栅制造)都完成之后，可以涂敷粘合剂。

最好由熔融二氧化硅芯102制成的光纤或圆柱体可以在粘合层33中涂有粘合剂，当在化学或生物检测过程中特定的化学物种粘到其表面上时，该粘合层33就会改变一种或多种光学特性(例如，折射率、光学损耗)。如果单是玻璃光纤使其内包层102直接涂有粘合剂涂层，则内包层102的圆柱表面处的引导结构在径向上无法完全限制该模式。因此，单是内包层102的这种结构，可以支持多个(有损耗的)耳语廊模式。在操作过程中，该结构将产生来自耳语廊模式的多个谐振峰值，和可比较的单模光纤谐振器相比每个峰值中的功率小多了。

参照图10，示出了图1和4的谐振波导的横截面，其中具有附加的表面层，它可以是厚度小于约0.01μm的薄粘合剂层33或者可以是任何其它折射率分布层，并且它作为最外层。应该理解，该图并不按真实比例，因为在真实的横截面中实际的层太薄了以至于看不到。通过使用玻璃光纤或圆柱作为内包层102，且其表面附近具有多个电介质层120、130和33，这样便可以构造出一种单模光纤-平面波导环形谐振器，并以它作为图4中的正交谐振耦合器400。通过控制引导(或芯)层120、包层(或外包层)130和玻璃光纤内包层102(用作内包层)的折射率，有可能产生支持特定的波长范围内绕光纤表面的单个传播模式的波导。外包层130很薄(3-5μm)，以允许某些模式(光功率的大约至少0.1％)传播到粘合剂涂层33内。因此，当使用更大的直径时，电介质环芯层120所提供的径向引导允许谐振波导10支持单个径向模式。

也可以涂附加的涂层(未示出)以减少散射损耗并使光纤-板条耦合最佳化。光纤上的外包层130通过替代图4所示薄外包层562或减小其厚度，也可以消除对薄外包层562的需求。

光纤的电介质层120、130和33可以用各种技术来形成。传统的光纤拉伸过程可以精确控制径向折射率分布，所以任何近表面的层都可以具有精确定义的厚度和折射率分布。聚合物涂层厚度可以通过“浸入和拉伸”技术或模具涂敷来精确地控制，而聚合物涂层折射率则可以由成分控制来设置。涂在光纤表面上的掺杂剂还可以热扩散到光纤中，从而产生梯度折射率分布层，其几何结构和折射率均由掺杂剂浓度和扩散时间以及用于任何期望性能的折射率分布的温度来控制。因此，通过使用环芯120内部或外部的附加电介质层的波导分布技术来改善到外部波导的耦合，也可以改变被引导的模式的形状。因此，对圆柱谐振器横截面的精确控制提高了谐振器使用价值。

拥有对整个圆柱横截面的控制也允许将调制器单元直接包括到光纤谐振器上。在谐振器表面上使用电光(EO)材料或增益介质便可以在单个器件上产生谐振器/调制器，而无需将多个单元集成到一起。因此，环芯120的材料用作增益介质(例如，泵浦的掺杂的波导材料)或调制器材料(例如，EO聚合物材料)。例如，环芯层120或内覆中心层102可以由活性材料制成，比如铒或其它稀土材料、非线性材料、或电光材料等。

相应地，用作内包层102的光纤或圆柱可以涂有电介质引导层，该电介质引导层用作环芯120并且当在不同波长处泵浦时可提供光增益。拥有环芯120的增益层材料可以包括掺有稀土的涂层或掺有染料的涂层。增益层材料可以扩散到光纤的内包层102的表面中，或者构成光纤重新拉伸过程的一部分。增益层涂层可以由有机材料或溶胶凝胶层构成，以在环芯120中形成多层。

其它涂层可以作为表面层33被涂到光纤或圆柱表面上，以实现高速开关。例如，可以涂上电光(E-O)涂层。通过使用局部基板或集成的光纤电极来改变加到这些层上的电场，将有可能迅速地改变滤波器的谐振波长。

液晶、OptoCeramic材料、铌酸锂、或其它光学变化材料可以作为表面层33或作为环芯120涂敷到光纤或圆柱表面上，以实现具有可调谐双折射的引导层。使用这种方法时，通过调节表面模式TE和TM传播常数使它们相等，将有可能制造与偏振无关的谐振器。

此外，光纤/圆柱可以被设计成沿光纤轴传送光线，同时它还作为谐振器10而正被使用着，所以具有其切线传播。这将能够产生双光子或其它非线性光学相互作用。

内包层102的横截面还可以表示一玻璃球体或微球体10，它是从光纤中以火焰切割、拉伸或其它方式制造出的，以使相同的环芯120围绕着内包层102。因此，微球体具有多个电介质层120、130和33，就像圆柱光纤谐振器那样，可支持单个表面模式。这些谐振器10将因其单个模式运行而提供更尖锐的谐振响应。电介质层120、130和33可以通过表面涂层(例如，聚合物)或通过掺杂剂的扩散来制造，其中掺杂剂用于改变微球体10表面附近的折射率。

参照图11，示出了固体内包层102，它具有由周围空气填充的拉长的孔径110，以此作为谐振波导10用于图4的正交谐振耦合器400。这种备选配置包括使用了中空光纤，该光纤在内表面上具有粘合剂涂层113。中空光纤中未填充的空气孔径110用作导管，以便于样品流动。除了环芯120和外包层130以外，中空光纤谐振器10还可以具有一个或多个外表面涂层33，以支持单模运行。在使用过程中，绕外表面传播的一些光线因中空光纤10的环芯120而与被粘合层113覆盖的内表面进行倏逝相互作用。粘合层113上内表面处的折射率变化将导致表面模式的传播常数有轻微的变化，从而使用于生物或化学目标折射率检测的器件的谐振波长发生变化。在没有内表面粘合剂113的情况下，谐振波导10可以用于测量流体折射率的变化、光吸收、或预先选中的物质的存在和不存在。通常，远外部表面上所设置的环芯120的高折射率材料越多，则该模式就越想绕外表面传播，而这当然是到外部传输波导460的良好的模式耦合所需的。

然而，更靠外的环芯高折射率材料使可用于询问圆柱10内表面处或附近的流体或粘合剂的场的量减少了。因此，在实践中，内包层102所定义的中空光纤的壁将需要相当地薄(即几个微米厚)或者甚至不存在，以允许表面模式倏逝场与粘合层113的内表面相互作用。为了使内表面粘合剂层113与环芯层120的模场最大程度地重叠，薄的内包层102根本不应该存在。

用作谐振波导10的中空光纤可以用更厚的外涂层33或任选更厚的外包层130来进行机械加固，在中空光纤表面与图5所示平面波导460相接触的区域中通过UV曝光和湿法化学蚀刻来选择性地除去这些更厚的加固层。

如本发明所表明的那样，拥有对整个圆柱横截面的控制，而并不仅是外部的电介质涂层，便可以将中空光纤/圆柱制造成用于传输流体或气体。该流体或气体可以被用于维持圆柱谐振器的温度稳定性、控制温度、传送检测介质、或有其它用途。

与美国专利申请2002/0081055和2002/0044739739中所示的锥形波导耦合方法相比，平面波导基板的优点在于，通过在平面波导表面上沉积薄电介质包层562，便可以精确地控制平面波导与谐振器结构之间的耦合。

参照图5，示出了作为传输波导460的芯板条波导，它位于被薄外包层562覆盖的基板500上。也可以在板条波导460与基板500之间制作内包层(未示出)。基板材料可以是二氧化硅、InP、GaAs、或任何其它常用于平面器件基板500的材料。芯460、薄外包层562和内包层可以由各种无机材料(比如掺杂的二氧化硅、硅、InP或GaAs)制成，或者由有机材料(比如氟化聚合物)制成。

厚的外包层563可以被沉积在薄的外包层562上。通过选择性蚀刻或光刻胶剥离以便在某些位置(特别是相互作用区域470中)露出薄外包层562，来使厚外包层563图形化。

在一个示例制造方法中，图12的聚合物夹子1270可以制造在厚外包层563上。聚合物夹子被定位成将光学圆柱光纤谐振器10固定在芯板条波导460上合适的位置。当使这种光学圆柱谐振器10保持与板条波导460上的薄外包层562接触时，该几何结构形成两端口光纤-板条环形谐振器。

其它不使用聚合物夹子的制造方法也是可能的。例如，通过使用成模的或机械加工的外部夹具，也可以使光纤固定在合适的位置。在另一个方法中，通过使用硅V形槽引导结构，也可以使光纤精确地定位。粘合剂或夹紧结构可以被用于在对准之后将光纤固定到合适的位置，或者固定聚合物夹子本身。

参照图12，图4的传输波导460包括光纤1246，它通常具有围绕着内芯1220的内包层1202，但是现在具有露出的内芯部分1222，从而提供了一种光纤-光纤谐振器，可用作图4的正交谐振耦合器400。为了在相互作用区域470中显示露出的芯1222，此处没有显示谐振波导10，该谐振波导10采用球形或圆柱光纤形式，可以被置于光纤1246的顶部或底部之上，而光纤1246则用作图4的传输波导460。即使未示出，表面电介质层(比如圆柱光纤或微球体上的环芯120)仍然被用于提供谐振光纤中的循环路径，其传播方向为绕纵轴的圆周并且受引导的圆周模式带有第二外部倏逝场以便正交地耦合到光纤1246的第一倏逝场，光纤1246带有露出的芯1222。因谐振光纤或球体10的圆柱或球体表面模场是单模运行的，所以所得的正交谐振耦合器将提供更尖锐的谐振响应。

如图10所示，谐振器圆柱光纤或微球体10涂有粘合剂33，当化学物质接合到该表面时粘合剂33就改变其折射率，从而可用作生物传感器。从较低光纤露出的芯1222中出来的光以及进入谐振波导10的圆柱或球体表面模式中的光导致了预定的谐振响应。这种光纤-光纤谐振器方法具有一个优点，即到检测器件的输入和输出都是通过光纤进行的。因为低成本光纤连接器和互连方法已经存在，所以该方法简化了传感器连接并且避免了与现有光纤-平面波导对准相关的诸多问题。

不蚀刻或抛光传输光纤1246以在一侧露出芯1220，通过使用圆锥拉伸过程来扩展并露出光纤中段中的模场，便可以使光纤变窄，全部绕着露出的芯区域1222。光再次从扩展的芯模式中耦合出来，并且耦合到圆柱或球形表面模式。因为这两个模式将具有不同的尺寸和形状，所以耦合效率将很低，这一点对于许多光纤谐振器应用而言是可以接受的和期望的。很大的模场形状失配程度意味着，光纤-光纤耦合将对光纤分离距离的变化不那么敏感。如所述，光纤-光纤谐振器的另一种配置是：用作传输波导460的锥形光纤被安装在谐振波导10的顶部之上。

由此，正交谐振耦合器被显示成光纤-光纤谐振器配置，其中光纤1246替代了图5的平面波导460。光纤1246的内包层1202被选择性地除去(利用例如蚀刻或抛光)，以在中心部分露出或几乎露出光纤芯1220，这与位于其末端处的常规D-光纤相似，或者与侧面耦合的光纤相似。通过使用各种无源对准结构，这包括聚合物夹子(未示出)，光纤1246最好被定位和固定在合适的位置。

接下来，通过使用聚合物夹子1270(它们具有合适的大小，使它们适当地对准且间隔好，以将谐振波导10固定到相互作用区域470中)，用作谐振波导10的谐振器圆柱光纤或微球体将被定位在光纤的上面或下面且被固定在合适的位置。其它光纤或微球体固定方法也可以使用。通过使用无源对准结构(比如聚合物夹子1270、成模的或机械加工的表面或硅V形槽基板500，它们用于定位顶部或底部谐振波导10(未示出))，上述正交谐振耦合器可以对准并组装成一维(1D)或二维阵列。

根据本发明的另一个方面，对准或控制波导与谐振器相对的垂直位置是很重要的。由此，已知的聚合物光纤夹子可以被用于提供传输波导460和谐振器10的相对垂直定位，同时不接触光学表面，由此也不会引入不想要的散射损耗。光纤夹子安装方法也简化了谐振器阵列在基板上的组装过程。

参照图15，图5的正交谐振耦合器400可以按一维(1D)或二维阵列的形式来复制，以提供高密度的检测和/或光学功能。在这种多器件中，因其光纤拉伸精确性而使光纤谐振器具有的一致性具有很大的优势。多个传感器(被井盘1510中的每个井1512分离开)可以集成在一个共用的二维(2D)基板500上，以增大测量吞吐量并减小组装成本。作为光纤-平面谐振器传感器的正交谐振耦合器400的二维实现方式是可制造的。该过程始于平面基板材料500，它支持平面波导460的阵列。基板500和平面波导460可以由各种有机或无机材料制成。然后，用薄外包层562来覆盖基板500和平面波导460，而薄的外包层562则被厚的外包层563覆盖。薄的和厚的外包层562和563减小了平面波导460中的散射损耗，并放大了被引导的模式直径，以便改善光纤耦合。

在分别沉积了薄的和厚的外包层562和563之后，通过选择性蚀刻或光刻胶剥离，使厚的外包层563图形化从而形成多个小孔，以使下面的薄的外包层562露出。在耦合相互作用区域中谐振圆柱光纤10将接触(实际的物理触摸式接触或只是靠得很近)板条波导的区域内，这些小孔形成于平面波导460上，以减小外包层563的厚度。根据光纤包层563和562的厚度和折射率，可以部分地、完全地除去一层或两层的基板外包层，或者根本不除去。

在露出下面的薄外包层562的厚外包层开口附近，通过光刻处理，制造出聚合物夹子1270。其它光纤对准和连接方法也可以使用；其中包括成模的、机械加工的或蚀刻的光纤引导结构，这些结构是用粘合剂来附着的。

通过使用聚合物夹子1270或其它对准结构，具有更高折射率环芯(带有粘合剂涂层)的光学谐振光纤10被定位在外包层开口上或露出的薄外包层562上。谐振光纤10插入和附着过程可以在单次操作中应用于整个基板500上。光学圆柱谐振光纤10可以由多个平面波导460共享，从而简化了组装过程并提高了波导460上光纤-板条谐振器特征的一致性。

这种制造方法允许带有相同粘合剂的谐振光纤10被用于所有的光纤-板条检测位点，或者不同的谐振光纤10可用于不同的位置。因此，该方法提供了配置二维传感器的灵活性，以用于不同的检测应用(例如，一种流体样本具有许多不同的粘合位点类型，或许多流体样本具有一种或几种不同的粘合位点类型)。

在将谐振光纤10置于平面波导460上之后，井盘结构1510降低到二维检测基板500上。每个井盘孔底部或井1512周围的粘合剂密封1514可以防止流体泄漏，同时封住了各光学谐振光纤10周围的区域。降低到检测基板500上的井盘1510的分离图允许看到在各井盘底部的光纤-板条谐振器，该光纤-板条谐振器用作图4的正交谐振耦合器400。

完成的二维传感器阵列可以被安装到合适的测量系统中。粗和细的对准结构1540和1544分别将二维传感器阵列引导成与源1581和检测器1583波导阵列对准。未示出的是可调谐的激光源或可调谐的检测器滤波器，它们都是检测系统完全实现所必需的。

二维传感器阵列具有通过一维波导阵列进行光学询问的优点。因此，单独的检测位置可以是波分复用的，从而减小了所必需的源和检测器的数目。此外，系统中的窄通带可调谐检测器滤波器还可以用光纤-板条谐振器技术来实现。

对于本领域的技术人员而言，很明显，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明作出各种修改和变化，比如添加不止一个谐振波导10或传输波导460以及不同的组合中的部件变化，以便于不同的应用，比如用多个谐振器10提供更高Q的谐振、多路复用或通带调谐等。因此，本发明旨在覆盖这些修改和变化，只要它们落在所附的权利要求书及其等价方案的范围内。

Claims (10)

1.一种横向闭环波导谐振器，包括：

内包层，它具有一个在外围形成闭环形状的表面，以便将光限制到该表面，在所述横向闭环谐振器的横截面部分中所述内包层具有第一直径厚度和第一折射率分布；以及

与所述闭环形状相对应的环芯，它被置于所述内包层的相应的表面上，在所述横向闭环谐振器的横截面部分中，所述环芯具有比所述第一直径厚度要薄的第二厚度的材料以及比所述内包层的第一折射率大了折射率Δ的第二折射率分布，从而使得所述环芯可以引导光在所述环芯内部横向地绕所述闭环形状传播。

2.如权利要求1所述的横向闭环谐振器，其特征在于，所述闭环形状大体上是球形。

3.如权利要求1所述的横向闭环谐振器，其特征在于，所述闭环形状大体上是圆柱形的，从而提供了绕着该大体上圆柱形形状的、大体上圆周形的光传播。

4.如权利要求1所述的横向闭环谐振器，其特征在于，所述闭环形状大体上是圆柱形的，从而提供了绕着该大体上圆柱形形状的、大体上圆周形的光传播，以便使所述环芯支持在谐振波长处的折射率引导谐振光学模式，其中至少0.1％的光功率存在于所述环芯之外。

5.如权利要求1所述的横向闭环谐振器，还包括与所述闭环形状相对应的外包层，所述外包层围绕着所述环芯的相应表面，所述外包层具有比所述环芯的第二折射率分布要小的第三折射率分布。

6.如权利要求5所述的横向闭环谐振器，其特征在于，所述外包层包括空气，并且具有空气的电介质折射率。

7.如权利要求5所述的横向闭环谐振器，其特征在于，所述外包层包括引导的电介质层。

8.如权利要求7所述的横向闭环谐振器，其特征在于，所述引导的电介质层具有梯度折射率。

9.如权利要求7所述的横向闭环谐振器，其特征在于，所述引导的电介质层包括至少两个不同的电介质层，这些电介质层具有复合的阶跃式折射率。

10.如权利要求1所述的横向闭环谐振器，其特征在于，所述内包层具有伸长的孔径，该孔径被周围的空气填充。

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