CN101542253B - 光学传感方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了光学传感系统和方法。在一个实施例中，一种检测散射中心的方法，其所述步骤包括提供具有光源、一个或多个主波导(其中第一主波导具有一个与所述光源光学连通的输入口)、微谐振器(光学耦合到所述一个或多个主波导)以及散射中心(能够光学耦合到所述微谐振器)的光学传感系统。所述方法的所述步骤还包括，使用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，改变所述散射中心与所述微谐振器之间的光学耦合强度，以诱导光学散射在所述微谐振器的所述第一模式和至少第二导向光学模式之间发生变化，并检测从所述第一模式到所述第二模式的能量转移的变化。

Description

光学传感方法
共同未决的专利申请的引用
本专利申请与标题为“OPTICAL SENSING DEVICE(光学传感装置)”、专利申请号为11/565,920、代理人案卷号为62263US002、同样提交于2006年12月1日的共同转让的专利申请有关，该专利申请全文以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明整体涉及光学装置，并且更具体地讲，涉及使用微谐振器的光学传感器。
背景技术
对于生物、化学与气体物种的检测而言，光学传感成为越来越重要的技术。光学传感可以提供快速和敏感的优点。近年来，已经开发出多种制造非常灵敏的光学装置的新型光子结构和材料。
一种用于被分析物检测的光学传感方法采用了集成的光学波导。此类传感器已被证明能够检测吸附在波导表面上的化学和生物物种。但是，为了获得用于多种分析应用的足够的光学信号变化，集成的光学波导化学分析可能需要大型传感装置(通常为若干厘米长)。
表面等离子共振(SPR)也已经用于制造光学传感器。SPR技术已经商业化，而且已成为描述和量化生物分子相互作用的必需工具。但此类量度系统可能会有很大的体积。
目前正针对生化、化学和气体传感应用对光学微谐振器进行深入的调查研究。光学微谐振器是可具有高品质因数(Q因素)的非常小的装置，其中Q因素通常是指谐振波长与谐振线宽的比率。例如，用玻璃球体制成的微谐振器可以用来制造非常灵敏的光学传感器，因为微球谐振器中捕集的光多次循环，从而制备出具有高Q因素(＞106)的装置，所述装置可以有效增强微球表面上的被分析物与在谐振器中循环的光之间的光学相互作用。在光学微谐振式传感器中，主波导(buswaveguide)用于激发位于微谐振器表面附近的导向光学模式。谐振光学模式的一个实例为回音壁模式。将被分析物设置在微球模式的渐逝场内。通过谐振频率的偏移来检测传感器的折射率变化。可使用连接至检测器的第二主波导从微谐振器中提取偏移的光谱。
已对多种类型的光学微谐振器展开了以制备光学传感器为目的的研究，但微球、微环和微盘受到了最多的关注。基于半导体制造工艺的微盘或微环相对来说易于进行大量和/或高密度的制造。其相对于波导的位置可以用诸如干/湿蚀刻和层沉积之类的制造工艺进行调整。然而，至少部分地由于表面粗糙度和材料吸收，这些谐振器的Q因素通常低于104。
在用微球传感的传统方法中，被分析物与球体表面的结合导致球体有效折射率发生小的变化。这导致谐振光谱峰波长位置发生小的偏移。这些偏移通常在皮米范围内。为了检测此类小偏移，需要用昂贵的设备进行光谱分析。此外，微谐振器必须设计为提供非常窄的线宽，以使得能够检测小的峰偏移。这需要高精密度(自由光谱范围除以线宽)，或等效的高品质因数(工作波长除以线宽)的微谐振器。为了检测小的频率偏移，这转化为对微谐振器中的低损耗波导以及微谐振器与主波导之间弱耦合的需要。
存在对使用微谐振器的改善的光学传感系统的需求。
发明内容
本发明整体涉及光学系统。更具体地讲，本发明适用于光学系统，例如使用微谐振器的光学传感器。
本发明的一个实施例是检测微谐振器的两种导向光学模式之间光学散射的方法，其步骤包括提供具有光源以及一个或多个主波导的光学传感系统，其中第一主波导有一个与光源光学连通的输入口。光学传感系统还包括光学耦合到一个或多个主波导的微谐振器。该方法的步骤还包括使用光源激发微谐振器的第一谐振导向光学模式，诱导从微谐振器的第一谐振导向光学模式到至少第二导向光学模式的光学散射的变化(第二模式与第一模式不同)，以及检测光学散射的变化。
本发明的另一个实施例是检测散射中心的方法，其步骤包括提供光学传感系统，该光学传感系统包括光源、一个或多个主波导(其中第一主波导具有一个与光源光学连通的输入口)、光学耦合到一个或多个主波导的微谐振器以及能够光学耦合到微谐振器的散射中心。该方法的步骤还包括使用光源激发微谐振器的至少第一谐振导向光学模式，改变散射中心与微谐振器之间的光学耦合强度，以诱导光学散射在微谐振器的第一模式和至少第二导向光学模式之间发生变化，并检测从第一模式到第二模式的能量转移的变化。
本发明的另一个实施例是一种检测被分析物的方法，其步骤包括使用光学散射中心标记被分析物物质以及提供光学传感系统。光学传感系统包括光源、一个或多个主波导(包括具有一个与光源光学连通的输入口的第一主波导)以及光学耦合到一个或多个主波导的微谐振器(具有能够以特定的化学方式与被分析物结合的表面)。该方法的步骤还包括使用光源激发微谐振器的至少第一导向光学模式，使微谐振器的表面暴露于标记的被分析物物质，诱导从微谐振器的第一模式到至少第二导向光学模式的光学散射的变化，以及检测光学散射的变化。
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。
附图说明
结合下面参照附图对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、2和3分别为光学系统的示意性俯视图和侧视图；
图4为具有单主环形谐振器的光学系统的示意性俯视图；
图5为具有单主盘形谐振器的光学系统的示意性俯视图，其中单主盘形谐振器具有中心光电检测器；
图6为具有双主跑道环形谐振器的光学系统的示意性俯视图；
图7为在具有和不具有硅纳米颗粒散射中心的情况下，于光学系统的通过口处检测到的信号强度与波长的关系图。
图8为在具有和不具有硅纳米颗粒散射中心的情况下，于光学系统的第二分光口处检测到的信号强度与波长的关系图。
图9为在具有和不具有金纳米颗粒散射中心的情况下，于光学系统的通过口处检测到的信号强度与波长的关系图。
图10为在具有和不具有金纳米颗粒散射中心的情况下，于光学系统的第二分光口处检测到的信号强度与波长的关系图。
图11为在具有和不具有铝纳米颗粒散射中心的情况下，于光学系统的通过口处检测到的信号强度与波长的关系图。
图12为在具有和不具有铝纳米颗粒散射中心的情况下，于光学系统的第二分光口处检测到的信号强度与波长的关系图。
图13为在两个主波导与微谐振器之间具有竖直耦合的光学装置的示意性侧视图。
图14为具有跑道环形谐振器的光学系统的示意性俯视图，其中跑道环形谐振器通过多模干涉耦合器耦合到两个主波导上。
图15为在具有和不具有散射中心的情况下，于光学系统的第二分光口处检测到的信号强度与波长的关系图。
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实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。
具体实施方式
本发明描述了包括波导、光学谐振微腔和光学耦合到微腔上的光学散射中心的光学传感器，其中光学耦合的程度可以改变。此类光学谐振微腔也可以称为微谐振器。
据此提出了用微谐振器进行光学传感的新方法，其中引入或移除散射中心显著增强微谐振器系统中的信号。显著的信号增强使得可以使用比以前的微谐振器传感系统便宜的光源和检测器。
本发明允许在传感应用和装置中使用宽带光源和检测器，而不会对检测灵敏度造成影响。使用宽带源和检测器的优点是可以降低装置总成本。
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。
现在将描述使用微谐振器的微谐振器-波导系统100的实例，如图1示意性示出的俯视图以及图2和图3示出的截面图。本文还将论述具有单波导的系统，其也可以根据本发明使用。然而，第一个实例将讨论双主波导系统。
光学装置100包括光学微谐振器118、第一光学波导104和第二光学波导132，其均设置在下部覆层105上，该覆层105设置在基底103上。
在一些情况下，微谐振器118能够通过利用一个或多个边界条件，例如一个或多个周期性条件，将允许的微谐振器光学模式量化为离散模式。在一些情况下，微谐振器118能够支持至少两种不同的导向光学模式，例如第一导向光学模式128和第二导向光学模式164，其中导向光学模式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具有基本上相同的波长，则其可以具有不同的波长强度水平。如本文所用，对于给定的光学构造(例如光学装置100)而言，光学模式是指光学构造中允许的电磁场；辐射或辐射模式是指在光学构造中不受限制的光学模式；导向模式是指由于存在高折射率区域而在至少一维光学构造中受限制的光学模式；而谐振模式是指受制于光学构造中额外边界条件要求的导向模式，其中额外要求实质上通常为周期性的。
谐振模式通常是离散的导向模式。在一些情况下，谐振模式可以能够与辐射模式耦合。在另外一些情况下，谐振模式可以具有作为辐射且不受限制的部分。一般来讲，微谐振器118的导向模式可以是谐振或非谐振模式。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，即使由于(例如)吸收或辐射损耗使模式逐渐损失能量，传播模式的形状或分布随着时间推移仍保持基本相同。
参见图1-3，光源102与第一主波导104光学连通。波导104光源所在的一端为输入口106。波导104的另一端为通过口108。输入口检测器110位于输入口106处。光学元件112与光源102、输入检测器110和输入口106光学连通，以使输入光124只与输入口106连通，并且使朝第一主波导104中的输入口106传播的光朝向输入检测器110。光学元件112在某些实施例中为分光器或光学循环器。输入口检测器110通过光学元件112与第一主波导104光学连通，并且被配置用于检测光。
微谐振器118能够分别支持第一和第二谐振光学模式128和164，并且光学耦合到第一主波导104。输入口106能够光学耦合到第一和第二谐振模式。来自光源102的光124射入第一主波导104并且朝通过口108传播。微谐振器118渐逝耦合一些来自第一主波导104的光124，耦合出的光以微谐振器118的一种或多种谐振频率(例如第一谐振光学模式128)在微谐振器118内传播。微谐振器118包括芯120和覆层122。在一些实施例中，上部覆层122可以包括水。在一些情况下，上部覆层可以(例如)在不同的位置包括不同的材料。例如，上部覆层的一些区域可以包括水，而上部覆层的另外一些区域可以包括其他材料，例如玻璃。
第二主波导132布置为与微谐振器118光学连通。分光口136位于第二主波导132的一端，而第二分光口138位于第二主波导的另一端。分光口136主要能够光学耦合到第一谐振光学模式，而不是第二谐振光学模式。第二分光口138主要能够光学耦合到第二谐振导向光学模式，而不是第一谐振导向光学模式。第二分光口检测器144位于第二分光口138处。
可以将微谐振器118布置为直接接触或非常靠近波导104和132，以使得沿波导传播的光的一部分渐逝耦合进微谐振器118。另外，在微谐振器118内传播的光的一部分将渐逝耦合进波导104和132。
图2为穿过第一主波导104并沿着第一主波导轴线的截面图。图3为穿过微谐振器118和两个主波导并垂直于第一主波导轴线的截面图。第一和第二光学波导中的每一个都具有设置在多个覆层之间的芯。例如，第一光学波导104具有厚度为h2并且设置在上部覆层122与下部覆层105之间的芯。相似地，第二光学波导132具有厚度为h3并且设置在上部覆层122与下部覆层105之间的芯。在一些情况下，上部覆层122可以包括空气或水。
在图1-3的示例性光学装置100中，微谐振器118与光学波导104和132具有不同的厚度。一般来讲，厚度h1、h2和h3的值可以相同，也可以不同。在一些应用中，微谐振器118与光学波导104和132具有相同的厚度。
散射中心对微谐振器系统100的影响是本发明方法的核心。图1示出了与微谐振器118光学连通的散射中心150。然而，在描述散射中心150的影响之前，将先描述没有散射中心150的微谐振器系统100的使用。
在一种使用微谐振器进行传感的传统方法中，微谐振器118的芯120的表面149被赋予能够以特定的化学方式与被分析物结合的功能。将被分析物结合到微谐振器表面会引起微谐振器有效折射率的小变化，这会改变谐振器透射光谱中峰的波长位置。在通过口108和分光口136处可观察到这些偏移。从而，对通过口108和/或分光口136处透射光谱的峰的偏移的检测，可表明是否存在被分析物。还存在其他使用微谐振器进行传感的传统方法，并且各种方法的一些实例在共同拥有的已公布的美国专利申请2006/0062508中有详细描述，其以引用的方式并入本文。
由光源102发出的光124穿过第一主波导104，并且微谐振器118渐逝耦合一些来自第一主波导104的光124，以使得耦合出的光以微谐振器118的一种或多种谐振频率(例如第一光学谐振模式128)在微谐振器118中传播。微谐振器谐振模式的一个实例为“回音廊模式”。在几何光学中，回音廊模式(WGM)中的光线从起点经由多次全内反射在微谐振器周围传播，直至其返回起点。除了WGM，许多其他谐振模式也可以用于微谐振器。
对于不存在散射中心的高品质微谐振器而言，第一谐振模式128耦合到通过口108和分光口136，在此处检测器可以检测微谐振器中谐振频率的光谱。谐振模式128与第二分光口138或输入口106耦合较弱或基本没有耦合。通过口输出曲线图151示出了在通过口108处检测到的光谱的实例，以曲线图的方式示出了强度与波长的关系。实线152为不存在散射中心时可以检测到的光谱的实例。当由于(例如)被分析物结合到波导表面上而使(例如)微谐振器118的有效折射率改变(例如增加)时，图线152的强度最低处将经历大约几皮米的偏移。用这种方法，在传统传感系统的一个实例中检测到被分析物与微谐振器表面149的结合。
相似地，在微谐振器118内传播的光128耦合到第二主波导132，并且可以在分光口136处进行检测。分光口输出曲线图160示出了在分光口136处检测到的光谱的实例，以曲线图的方式示出了强度与波长的关系。实线162为没有散射中心时可以检测到的光谱的实例。当由于被分析物结合到波导表面149上而使微谐振器118的有效折射率改变时，图线162的峰将经历大约几皮米的偏移。
为检测分光口136或通过口108处大约几皮米的光谱偏移，使用相当昂贵的可调式窄线宽激光源来扫描谐振器输出光谱的相关光谱区域。作为另外一种选择，可以使用宽带源和昂贵的光谱分析仪。此外，微谐振器118被设计用于产生窄线宽，以使得可以检测小的峰偏移。微谐振器可通过采用高精密度(即用自由光谱范围除以线宽)来产生窄线宽。微谐振器也可以通过采用等效的高品质因数(即用工作波长除以线宽)来产生窄线宽。这可以通过(例如)使用与主波导弱耦合的低损耗谐振器实现。
与上述实例性传感方法相比，使用本发明的散射中心传感方法使得在分光口136和通过口108处谐振峰的光谱位置产生大得多的变化，通常为大约几纳米，而不是皮米。此外，观察到谐振器的宽带传输特性有大的变化。这些传输特性可以在第二分光口和输入口处观察到，而且有可能通过消除对窄线宽可调式激光源的需求而使系统得以简化。
在根据本发明一个实施例的传感事件的过程中，散射中心与微谐振器之间的光学耦合强度有所改变。这种情况的发生是由于(例如)散射中心开始与微谐振器形成光学耦合，或由于去除散射中心与微谐振器的光学耦合。当散射中心光学耦合到微谐振器时，一种或多种谐振器模式中的光场与散射中心重叠。
重新参见图1，当散射中心150与微谐振器光学连通时，第一谐振光学模式128被散射成不同于第一谐振光学模式的至少第二导向光学模式164。第二导向光学模式主要耦合到输入口106和第二分光口138。曲线图166示出了第二分光口138处输出光的光谱。实线168为不存在散射中心时输出光的图线。不存在散射中心时，基本上没有光传播到第二分光口。虚线169示出了当散射中心150与微谐振器光学连通时第二分光口138处输出光的光谱。在图线169中可以观察到显著的峰。因此散射中心的存在会使各种工作频率的能量大量转移至第二分光口处。从而，可以通过监控第二分光口138处的输出，直接检测散射中心是否附接到微谐振器上。可以监控具体波长处较大峰的输出，和/或覆盖所有波长的较大输出光的输出。
在输入口106处观察到类似的变化。曲线图170示出了来自输入口106的输出光的光谱，该光谱是使用输入口检测器110以概念层次检测的。实线图线172示出了不存在散射中心时的接近于零的输出光。虚线图线174示出了将散射中心附接到微谐振器上时输出光的光谱。与图线172相比，在图线174中可以观察到显著的峰。因此散射中心的存在会使反射回输入口106的各种工作频率的能量发生大量转移。从而，可以通过监控输入口106处的输出，直接检测散射中心是否附接到微谐振器上。可以监控具体波长处较大峰的输出，和/或覆盖所有波长的较大输出光的输出。
可以在输入口、第二分光口或这两个位置观察到因散射中心而从第一模式到第二模式的光学散射。因此，各种实施例可仅在输入口包括检测器、仅在第二分光口包括检测器或在输入口和第二分光口均包括检测器。
存在光学耦合到微谐振器上的散射中心还会引起在通过口108和分光口136处观察到的输出的变化。在本发明的一个具体实施例中，与周围覆层材料的折射率不同的散射中心会引起较大的纳米级谐振线频率偏移，其中对于大部分生物传感系统来说，覆层材料为水。在一些情况下，覆层折射率与散射中心折射率之间存在大的差值，其中每个折射率可以是复折射率。图1中概念性地示出了频率偏移。在通过口108处，曲线图151的实线152示出了没有散射中心时在通过口检测器114处检测到的光谱。虚线176示出了散射中心与微谐振器光学耦合时检测到的光谱，其中与图线152相比，峰有所偏移。在示例性曲线图152中，偏移朝向较长的波长或朝向与(例如)大于覆层材料折射率的散射中心折射率实部相对应的红移。
在分光口136处看到类似的变化，其中虚线178示出了有散射中心时的光谱，而实线162示出了没有散射中心时的光谱。使用散射中心和分光口或通过口处输出的频率偏移来检测散射中心耦合强度变化的微谐振器传感系统在共同拥有和共同未决的专利申请No.________中有详细描述，该专利标题为“Optical Microresonator”(光学微谐振器)，代理人档案号为No.62451US002，与本专利申请在同一天提交。因此，在各种传感系统中，检测器位于分光口136、通过口108处，或两处均有检测器。
图4为单总线环形谐振器实施例400的示意图，其中光源402与单波导404在输入口406处光学连通。输入口检测器410布置在输入口406处。光学元件412(例如分光器或光学循环器)与输入口406、光源402以及输入口检测器410光学连通。
环形微谐振器418与波导404光学连通。来自光源402的光424射入第一主波导404中并朝通过口408传播。微谐振器418渐逝耦合一些来自第一主波导404的光424，耦合出的光以微谐振器418的一种或多种谐振频率(例如第一谐振光学模式428)在微谐振器418内传播。
在根据本发明一个实施例的传感事件的过程中，散射中心450与微谐振器418之间的光学耦合强度有所改变。当散射中心450与微谐振器光学连通时，第一导向光学模式428被散射成不同于第一导向光学模式的至少第二导向光学模式464。第二导向光学模式主要耦合到输入口406并且作为光426离开输入口。散射中心的存在会使反射回输入口406的各种工作频率的能量发生大量转移。因此，散射中心的耦合变化可以通过用检测器410监控输入口406处的光426来确定。
在替代实施例中，环形谐振器418被替换为盘形谐振器。
图5为单总线盘形谐振器实施例500的示意图，其包括在输入口506处与单波导504光学连通以向波导504提供光524的光源502。与本文示出的其他实施例不同，光检测器510布置在盘形谐振器518的中心511处，而不是在波导口处。散射中心550可以与微谐振器518光学连通，也可以解除光学连通。对于图示实施例而言，第一谐振光学模式528与第二导向光学模式564之间诱导散射的检测步骤包括检测微谐振器518中心位置处的诱导散射。
图6为双主波导跑道形微谐振器实施例600的示意图，其中光源602与第一波导604在输入口606处光学连通。输入口检测器610布置在输入口606处。通过口608位于第一波导604的另一端。光学元件612(例如分光器或光学循环器)与输入口606、光源602以及输入口检测器610光学连通。
来自光源602的光624射入第一主波导604并且朝通过口608传播。跑道形微谐振器618包括两个弯曲部分619和两个直线部分620。微谐振器618渐逝耦合一些来自第一主波导604的光624，耦合出的光以微谐振器618的一种或多种谐振频率(例如第一谐振光学模式628)在微谐振器618内传播。在一些情况下，跑道618为单一横向模式跑道，这意味着跑道支持其方向横向于跑道内光传播方向的单一模式。在另外一些情况下，跑道618为多横向模式跑道。
第二主波导632布置为与微谐振器618光学连通。分光口636位于第二主波导632的一端，而第二分光口638位于第二主波导632的另一端。分光口636主要能够光学耦合到第一导向光学模式628。第二分光口638能够非常弱地耦合到第一导向光学模式，或不能耦合到第一导向光学模式。第二分光口检测器644位于第二分光口638处。
可以在输入口606、第二分光口638或这两个位置观察到因散射中心650而从第一模式到第二模式的光学散射。因此，各种实施例包括与输入口606光学连通的检测器、与第二分光口638光学连通的检测器、或分别与输入口和第二分光口光学连通的第一和第二检测器。
被配置成可诱发光学散射从第一谐振导向光学模式到至少第二导向光学模式的微谐振器波导系统的其他实施例在共同拥有的美国专利申请________中有图示和描述，其标题为“Optical Microresonator(光学微谐振器)”，代理人档案号为62451US002，与本专利申请在同一天提交，其全文以引用的方式并入本文。
散射中心是这样一种元件，当其光学耦合到微谐振器上时，能扰乱微谐振器内谐振模式的波函数，使能量从不存在散射中心时因输入而激发的模式(例如图1中的至少第一谐振光学模式128)转至不存在散射中心时未激发的模式(例如图1中的至少第二导向光学模式164)。在一个实施例中，散射中心增加从第一模式到第二模式的能量转移，但即使在不存在散射中心时，也可以发生一些从第一模式到第二模式的能量转移。
可与本发明传感方法一起使用的散射中心的实例包括纳米颗粒。如本文所用，术语“纳米颗粒”是指最大尺寸为大约1000纳米或更小的颗粒。在某些实施例中，散射中心为至少20纳米，至多100纳米，或为至少20纳米且至多100纳米。在其他实施例中，散射中心为至少10纳米，至多150纳米，或为至少10纳米且至多150纳米。
在本发明的一个实施例中，散射中心具有与在传感事件的过程中将围绕散射中心的介质相比的高折射率差值，其中介质通常为水。在本发明的一个实施例中，散射中心具有高吸收值。例如，散射中心材料复折射率的虚部为至少8。
在一些情况下，例如就一些金属(例如金)而言，散射中心折射率的实部小于1。在另外一些情况下，例如就硅而言，散射中心折射率的实部大于2.5。
适用于本发明的散射中心的实例包括硅纳米颗粒和金属纳米颗粒(包括金和铝纳米颗粒)。在一些情况下，散射中心可为半导体，例如Si、GaAs、InP、CdSe或CdS。例如，散射中心可为直径为80纳米、所关注波长的折射率(实部)为3.5的硅颗粒。散射中心的另一个实例为直径为80纳米、靠近1550nm处波长的折射率为0.54+9.58i的金颗粒。散射中心的另一个实例为直径为80纳米、靠近1550nm处波长的折射率为1.44+16.0i的铝颗粒。
在一些实施例中，散射中心为电介质颗粒。在多个实施例中，散射中心为非荧光颗粒。此外，在一些实施例中，散射中心不是半导体。
现在参见图1的实例，图1示出了涉及所有实例的问题，散射中心150与微谐振器118之间的光学耦合强度变化可以分别诱发第一与第二导向光学模式128和164之间的光学散射变化。光学耦合强度变化可以通过多种方法实现。例如，散射中心150与微谐振器118之间的间距“d”的变化可以改变散射中心与微谐振器之间的光学耦合强度。又如，散射中心折射率ns的变化可以改变散射中心与微谐振器之间的光学耦合强度。在一个实施例中，散射中心为嵌入谐振器的芯中的折射率可变的区域。在这种情况下，当(例如)该区域暴露到诸如气体或液体之类的材料并对其进行吸收时，折射率会发生变化。一般来讲，任何可导致散射中心150与微谐振器118之间光学耦合强度变化的机理都会诱发模式128与164之间的光学散射变化。
有多种将微谐振器波导系统用作传感器的方法。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、样品制备技术等。在检测器系统中使用散射中心的一个实例涉及用特定抗原的抗体涂覆谐振器。抗体为免疫系统用以辨识和中和异物(如细菌和病毒)的蛋白质。每种抗体将特定的抗原作为其唯一目标加以识别。
在一种方法中，待分析的样品被制备为：在将纳米颗粒与样品混合之前，通过赋予纳米颗粒相应的抗体功能使得散射中心标记(例如纳米颗粒标记)选择性地附接到抗原分子上。然后使样品与微谐振器的表面接触。当有抗体功能的谐振器与纳米颗粒标记的抗原在谐振器表面发生粘结时，纳米颗粒被带入光学耦合范围内，从而在第二分光口或输入口处会检测到信号，而此前这两处是没有显著信号的。用相同或类似的方法检测细菌、病毒和孢子，以及蛋白质和DNA。
通过从谐振器中移除散射中心来完成传感的步骤如下：首先采用抗原-抗体系统将散射中心粘结到谐振器上，所述抗原-抗体系统的粘结性比引入被分析物时发生的抗原-抗体反应所得物的粘结性弱。粘结到谐振器上的竞争会导致散射中心从谐振器周边分离，并使其丧失与散射中心的光学耦合。类似的方法可以检测能够选择性地使纳米颗粒与谐振器之间的化学键断裂的任何化学物质。
光源102产生期望的波长或波长范围的光124。例如，如果将微谐振器用在传感器中，则光源102产生与散射中心相互作用的波长的光，使该散射中心与微谐振器进行光学连通或去除其与微谐振器的光学连通。在使用微谐振器的现有传感系统中，尤其重要的是光源可生成有效地耦合到第一主波导104的光。这导致光源的频繁使用，例如激光器(例如激光二极管)。激光器(例如激光二极管)是适用于本发明实施例的光源。此外，本发明的方法允许使用产生比现有传感系统的光源波长范围更宽的光源。在一个实施例中，光源102包括灯，以及将灯发出的光耦合到第一主波导104的合适的光学元件。在一些应用中，光源102可以为发光二极管(LED)或激光器(例如激光二极管)。在一个实施例中，灯为宽带光源，这种光源发出多种或一系列频率的光，而不是发出一种特定波长或窄范围波长的光。在一些应用中，光源可以为发出(例如)白光的宽带光源。在一些情况下，光源102可以发出具有至少一个波长的光，该至少一个波长在约400nm至约2000nm的范围内。在另外一些情况下，该范围可以为约700nm至约1600nm。在另外一些情况下，该范围可以为约900nm至约1400nm。在一些情况下，光源102可以发出633nm、850nm、980nm、1310nm、或1550nm的光。
第一主波导104可以是任何适合类型的波导，并且可以是(例如)形成于基底之中或之上的通道波导，例如形成于硅基底之中或之上的波导。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，该装置选择到达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，波长选择装置可以用在其他口，例如第二分光口。
图1示出的微谐振器118为盘形微谐振器。一般来讲，微谐振器118可为任何类型的谐振器，例如任何形状的微腔，其能够支持多种导向光学模式，并且能够耦合到一个或多个光学波导上。例如，微谐振器118可以为环形微谐振器、闭环形微谐振器、球形微谐振器、螺旋管形微谐振器、盘形微谐振器、或跑道形微谐振器。在本文所讨论的各种实例性实施例中，这些微谐振器类型中的任何一种都可以被另一种取代，从而获得替代实施例。由于环形和盘形微谐振器的制造工艺符合标准微电子工艺，因此这些装置使低成本制造和稳固的系统具有相当大的可能性。
在一些情况下，微谐振器具有圆对称性，即可以将微谐振器的芯的横截面的周长表示为只是离中心点的距离的函数。在一些情况下，例如在盘形微谐振器中，中心点可以是微谐振器的中心。具有圆对称性的实例性微谐振器的形状包括：球形、螺旋管形、盘形以及圆柱形。在一些情况下，微谐振器可以具有球对称性，例如球形微谐振器。
微谐振器118的直径通常在2μm至几毫米的范围内，但更为常见地在5μm至500μm的范围内。在一些情况下，该范围为约5μm至约100μm。
在一些情况下，本发明的主波导和微谐振器，以及光源和检测器都集成在共用基底上。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构造在共用基底上。此类集成可特定于基底，即对一些基底而言，集成可能较为容易或可行，而对另外一些基底而言，集成可能较为困难或不可行。例如，可以在基底(例如硅基底)上制造或形成检测器、微谐振器以及波导，但在相同的基底上形成或制造光源可能是困难或不可行的。又如，可以在III-V半导体基底(例如InP或GaAs基底)上形成或制造所有系统元件。
集成可以为混合集成，在这种情况下，首先独立地制造至少一些元件，然后将其组装在共用基底上。组装可以通过(例如)用粘结方法将检测器和光源结合到基底上来实现。在这种情况下，可以将微谐振器和波导整体地集成到基底上。在一些情况下，结合步骤可能需要使光源和检测器与主波导主动对齐。
在某些实施例中，共用基底为用于集成光学元件的常规基底，例如二氧化硅，这种基底的折射率基本上小于用来制造主波导和微谐振器(或光源和光电探测器)的材料的折射率。可以设想出基底可包括平坦的固体材料(例如玻璃)，或平滑的挠性材料(例如聚合物基底)。本发明中可以使用(例如)聚酯、聚丙烯酸酯和聚酰亚胺基底。基底可为透光的或不透光的。基底可为聚合物、金属、半导体、或任何类型的玻璃。在一个实例中，基底为硅。又如，基底可为浮法玻璃，或其可以由有机材料制成，例如由聚碳酸酯、丙烯酸类树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚砜等制成。
为了制造集成装置，通常将一种或多种高折射率材料沉积在基底上，并使其图案化，从而形成一个或多个主波导和微谐振器。图案化可以采用加成法来实现，例如穿过掩模的气相沉积法、印刷法或剥离法。热蒸镀法、溅射法、印刷法、分子束外延法(MBE)、金属有机化学气相沉积法(MOCVD)、蒸汽相外延法(VPE)、以及化学气相沉积法都是可用于将波导、微谐振器或其他光学元件沉积在基底上的方法的实例。还可以采用减除法，例如蚀刻法(例如反应离子蚀刻法或湿式化学蚀刻法)，将波导元件图案化在基底上。在一些应用中，谐振器、光学波导、光源和检测器集成在同一基底上。集成装置或集成装置的部件可以通过(例如)模制法制造。
耦合到谐振器的波导通常呈锥形，以增加波导外的光场强度的强度，从而增加耦合进微谐振器的光的量。就光纤波导而言，可以将光纤加热并且使其成为锥形，或将其蚀刻为约1-5μm的总厚度。同样，对于平面或通道波导而言，可以使波导厚度在光耦合到微谐振器的区域内减小。除了使波导的尺寸减小之外，也可以使波导周围的覆层厚度减小。在共同拥有和共同未决的已公布的美国专利申请No.2005-0077513中更详细地讨论了将微谐振器耦合到波导或光纤的多种方法，该专利申请以引用的方式并入本文。
如何可以将波导耦合到微谐振器，从而得到具有可接受光损耗量和合格制造工艺的微谐振器结构存在许多不同的实例。例如，图3示出了第一主波导104和第二主波导132与微谐振器118的横向耦合。在这种构造中，波导104、132与微谐振器118之间的光学耦合以侧向或横向进行，如图3中定向的结构。在某些实施例中，覆层存在于波导104、132的外侧面204、232上，以将波导模式推向谐振器以增强耦合，如(例如)共同拥有的美国专利申请No.11/277769中所述，该专利申请以引用的方式并入本文。有多种用于将覆层配置在波导104、132上以实现波导104、132与微谐振器118之间耦合的其他选择。
在横向耦合构造的一些实施例中，采用相同的图案化步骤来制造波导104、132和微谐振器118。
图3横向耦合构造的替代形式为竖直耦合构造，图13中示出了竖直耦合构造的实例。竖直耦合的光学装置1300包括光学微谐振器1318、第一光学波导1304、以及第二光学波导1332，所有元件都嵌入设置在基底1303上的下部覆层1305中。波导1304、1332被覆层1305围绕。在竖直耦合构造中，波导1304、1332与微谐振器1318之间的光学耦合以竖直或上下方向进行，如图13中定向的光学装置1300。
在竖直耦合构造的一些实施例中，波导1304、1332以独立于微谐振器1318的光刻步骤进行图案化。
在一些情况下，微谐振器与主波导之间的耦合为渐逝耦合，即微谐振器和主波导的芯没有接触，而是彼此足够接近以使得微谐振器与波导的渐逝末端在两个芯之间的覆层区域重叠。
在另外一些情况下，微谐振器和主波导的芯直接接触，如在共同未决的专利申请No.________中详细描述，该专利标题为“OpticalMicroresonator”(光学微谐振器)，代理人档案号为No.62451US002，与本专利申请在同一天提交。在这样的情况下，微谐振器与主波导之间的耦合可以称为芯耦合。
在一些情况下，微谐振器与主波导之间的耦合可以通过在图14中示意性地示出的多模干涉耦合器来实现。光学系统1400包括通过多模干涉耦合器(MMIC)1450光学耦合到第一主波导1410和第二主波导1420的微谐振器1405，其中MMIC可以为(例如)矩形。MMIC中的光学干涉作用决定射入波导1410的光的哪些部分耦合到微谐振器1405，以及哪些部分耦合到第二主波导1420。在示例性光学系统1400中，波导1410和1420共线。一般来讲，两个主波导可以共线或可以不共线。
使用有效的二维时域有限差分(FDTD)仿真对具有两个主波导的微环谐振器系统进行数值分析。执行不同的仿真，以证明光学耦合到微环谐振器系统的各种类型散射中心的效果。模拟系统与图1中示出的系统100类似，所不同的是用单模微环谐振器取代了盘形谐振器118。环的直径为3.6微米，并且环芯的有效折射率为3。假定n为1.33的水覆层围绕环形谐振器。光从宽带源发出，其波长为1至3微米。
第一个实例证明了附接到具有两个主波导的环形谐振器的硅纳米粒子的效果，其中纳米粒子的直径为80纳米，而折射率为3.5。在图7中，以任意单位相对于输入光强度在y轴上绘制随x轴波长变化的信号强度。图7示出了在通过口处检测到的信号，其中图线710表示仅具有水覆层的环形谐振器的输出，而图线720表示光学耦合到硅纳米颗粒的环形谐振器的输出。对于通过口光谱而言，在1.55微米波长处发生了约2纳米的峰偏移。在其他谐振波长处，可以观察到相当大的纳米级偏移，证明传感方法中使用纳米颗粒技术的灵敏度的提高。
对于该第一个实例而言，图8示出了第二分光口的信号强度与波长的关系图，其中图线810表示仅具有水覆层的环形谐振器的输出，而图线820表示具有光学耦合到环形谐振器的硅纳米颗粒的环形谐振器的输出。对于第二分光口光谱而言，在1.55微米波长处，具有纳米颗粒时的信号比不具有纳米颗粒时的信号几乎大50倍。类似的强度增加存在于多个其他谐振波长处，从而表明了该技术的宽带性质。这证明在实施涉及散射中心的传感方法时，可对光源的波长加以选择以获得最大的信号增强。
第二个实例证明了附接到具有两个主波导的环形谐振器的金纳米颗粒的效果，其中金颗粒的直径为80纳米，并且靠近1550纳米处的折射率为0.54+9.58i。图9示出了通过口的信号强度与波长的关系图，其中图线910表示仅具有水覆层的环形谐振器的输出，而图线920表示具有与其光学连通的金纳米颗粒的情况下的环形谐振器的输出。对于通过口光谱而言，在1.55微米波长处发生了约4纳米的峰偏移。
对于该第二个实例而言，图10示出了第二分光口的信号强度与波长的关系图，其中图线1010表示仅具有水覆层的环形谐振器的输出，而图线1020表示具有与其光学连通的金颗粒的情况下的环形谐振器的输出。对于第二分光口光谱而言，在1.55微米波长处，具有金颗粒时的信号远远大于不具有金颗粒时的信号。金对可见光至红外光的波长具有小的实折射率和很大的虚折射率(表示材料的吸收)。因此，在一些情况下，可导致通过口处的较大的谐振波长偏移和第二分光口处的显著的信号增强。
第三个实例证明了附接到具有两个主波导的环形谐振器的铝纳米颗粒的效果，其中铝颗粒的直径为80纳米，并且靠近1550纳米处的折射率为1.44+16.0i。图11示出了通过口的信号强度与波长的关系图，其中图线1110表示仅具有水覆层的环形谐振器的输出，而图线1120表示具有与盘形谐振器光学连通的铝纳米颗粒的情况下的环形谐振器的输出。对于通过口光谱而言，在1.55微米波长处发生了约5纳米的峰偏移。
对于该第三个实例而言，图12示出了第二分光口的强度与波长的关系图，其中图线1210表示仅具有水覆层的环形谐振器的输出，而图线1220表示具有与盘形谐振器光学连通的铝纳米颗粒的情况下的环形谐振器的输出。对于第二分光口光谱而言，在1.55微米波长处，具有铝颗粒时的信号强度远远大于不具有铝颗粒时的信号强度。对于铝而言，折射率的实部相当大，同时铝具有大的折射率虚部(吸收)。这些特性可以导致通过口处的较大的谐振波长偏移和第二分光口处的较大的信号增强。此外，可以在谐振波长处观察到光谱峰加宽。
通过以下实例示出与本发明所公开的装置相关的一些优点。不应该将此实例中所列的具体材料、量和尺寸，以及其他条件和细节理解为对本发明的不当限制。按照以下步骤制造类似于图13中装置的光学系统。首先，采用等离子增强化学气相沉积法(PECVD)将3微米厚、折射率为1.46的硼磷硅玻璃(BPSG)下部覆层沉积在0.75mm的硅(100取向)基底上。然后，加热样品并使其在1080℃下回流约四个小时。然后，采用PECVD法将250纳米厚的SiN层沉积在BPSDG下部覆层上。沉积的SiN层形成两个光学波导的芯，并且其折射率为2.0。
然后，采用传统的光刻技术和反应离子蚀刻法(RIE)将沉积的SiN层图案化，以制备脊形第一和第二主波导。每个波导的蚀刻深度为约130纳米。每个波导的芯为约1.5微米宽。然后，采用PECVD法，通过用100纳米厚的SiO2层涂覆波导将主波导嵌入。SiO2层的折射率为约1.46。
然后，为形成微谐振器，采用PECVD法将250纳米厚、折射率为2.0的SiN层沉积在SiO2层上。采用传统的光刻技术和反应离子蚀刻法(RIE)将沉积的SiN层成型为30微米直径的盘。每个主波导的中心轴线与盘周边标称地对齐。每个波导与微谐振器之间的光学耦合通过竖直的渐逝耦合来实现。
通过使用便携式原子力显微镜(AFM)(型号为MOBILE S，可得自Nanosurf，Liestal，Switzerland)将10微米硅AFM探针尖(型号为SICONA，可得自Applied NanoStructures，Santa Clara，CA.)放置在微谐振器的光场中来模拟散射中心。
使用高功率掺铒光纤放大器(EDFA)光源(型号为NP 3000PS，可得自Nuphoton technologies，Murrieta，CA)将光射入第一主波导，该光纤放大器(EDFA)光源具有波长范围在约1540纳米至约1575纳米内的自发发射。
将分光器放置在光学系统的第二分光口附近，以允许光谱分析仪(型号为HP86142A，可得自Hewlett-Packard，Palo Alto，CA)和宽带功率计(型号为HP81532A，也可得自Hewlett-Packard)都可以监测第二分光口处的输出。
结果示于图15中。曲线1510为探针尖完全在盘形微谐振器的光场以外(尖端向上)时在第二分光口处的输出光谱。曲线1520示出了探针尖完全在微谐振器的光场以内(尖端向下)时的输出光的光谱。每条曲线在大约1550nm、1557nm以及1564nm处具有三次谐振。在不存在散射中心的情况下，输出光1510的存在据信是由于蚀刻工艺期间造成的表面粗糙度导致微谐振器的模式之间的光学散射所致。
在第二分光口处，尖端向下时的总输出功率比尖端向上时的输出功率高约1.5分贝。功率增加是由于探针尖的存在起到了散射中心的作用。
本发明的光学传感系统可易于再生产，操作简单，能够保持较高的腔体Q因素，并且可易于与耦合波导对齐。在一些情况下，可以将微腔谐振器和波导集成在同一基底上。本发明所公开的实施例允许使用便宜的宽带光源(例如低成本的发光二极管(LED))取代昂贵的窄带光源，而不会影响系统灵敏度。本发明还允许使用宽带检测器取代昂贵的光谱检测器，这对检测灵敏度影响极小，或没有影响。
本专利申请还公开了具有增强灵敏度(例如不同模式间的较大波长偏移或较强光学散射)的传感系统。增强的灵敏度可允许检测(例如)单个被分析物。
对如下的使用微谐振器的光学传感系统存在需求：它们容易制造，当暴露于被分析物时产生较大的光谱偏移，并可以使用比窄线宽可调式激光器更为便宜的光源。
因此，不应认为本发明局限于上述具体实例，而应当理解为本发明涵盖如附带的权利要求书明确陈述的本发明的所有方面。阅览本发明的说明书之后，本发明所属领域的技术人员将易于明白本发明可适用的多种修改形式、等同处理以及多种结构。权利要求书旨在涵盖这样的修改形式和装置。

Claims (5)

1.一种检测微谐振器的两种导向光学模式之间光学散射的方法，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具有与光源光学连通的输入口的第一主波导；和
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；
使用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；
诱导从所述微谐振器的所述第一谐振导向光学模式到至少第二导向光学模式的光学散射的变化，所述第二模式与所述第一模式不同；和
检测所述光学散射的变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中
所述一个或多个主波导还包括具有第一分光口和第二分光口的第二主波导，其中所述第一分光口主要能够光学耦合到所述第一谐振导向光学模式，而所述第二分光口主要能够光学耦合到所述第二导向光学模式；
检测所述光学散射的变化的步骤包括在所述第二分光口检测所述第二导向光学模式。
3.根据权利要求1所述的方法，其中诱导从所述第一谐振导向光学模式到所述第二导向光学模式的光学散射的变化的步骤还包括：
改变散射中心和所述微谐振器之间的光学耦合强度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述散射中心包括粒子。
5.一种检测散射中心的方法，包括：
提供光学传感系统，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学连通的输入口；
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；和
散射中心，所述散射中心能够光学耦合到所述微谐振器；
使用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；
改变所述散射中心和所述微谐振器之间的光学耦合强度，以诱导在所述微谐振器的所述第一模式和至少第二导向光学模式之间的光学散射的变化；
检测从所述第一模式到所述第二模式的能量转移的变化。
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