CN101548444A - 光学微谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学装置和采用所述光学装置的传感器系统。所述光学装置包括具有芯的微谐振器，所述芯具有输入和输出端口。所述输出端口不同于所述输入端口。所述光学装置还包括第一和第二光波导。每个光波导均具有含输入和输出表面的芯。所述第一光波导的芯的所述输出表面与所述微谐振器的芯的所述输入端口物理接触。所述第二光波导的芯的所述输入表面与所述微谐振器的芯的所述输出端口物理接触。

Description

光学微谐振器
技术领域
本发明整体涉及光学装置。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
微谐振器已经在多种应用中受到越来越多的关注，例如，在(例如)美国专利No.6,876,796中描述的光学开关；在(例如)美国专利No.7,092,591中描述的光学滤波；在(例如)美国专利No.7,062,131中描述的波长过滤；在(例如)美国专利No.6,741,628中描述的光学激光器；在(例如)美国专利No.6,891,998中描述的光去偏振；以及在(例如)美国专利No.5,744,902中描述的化学和生物感测。
一些已知的微谐振器构造涉及在紧邻光波导(例如光纤)处布置球形玻璃微谐振器。在这些情况下，可以通过消逝耦合在谐振器和光波导之间转移光能。谐振器和光波导之间的间距通常小于一微米，并且必须精确控制，从而得到可再生的性能。其他形式的微谐振器包括(例如)美国专利No.7,095,010中描述的圆盘形或环形微谐振器。
发明内容
一般来讲，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。
在一个实施例中，光学装置包括具有芯的微谐振器，芯含输入与输出端口。输出端口与输入端口不同。该光学装置还包括第一和第二光波导。每个光波导具有含输入和输出表面的芯。第一光波导的芯的输出表面与微谐振器的芯的输入端口物理接触。第二光波导的芯的输入表面与微谐振器的芯的输出端口物理接触。
在另一个实施例中，光学装置包括具有圆形对称结构的微谐振器。该微谐振器具有芯。该光学装置还包括具有芯的光波导。该波导的芯终止于微谐振器的芯处。
在另一个实施例中，光学装置包括光源、光学检测器和微谐振器，该微谐振器能够支持逆向传播的第一和第二导向光学模式。第二导向光学模式与第一导向光学模式不同。该微谐振器具有含输入和输出端口的芯，其中输入端口与输出端口不同。该微谐振器能够结合与散射中心相关联的被分析物。该光学装置还包括第一光波导，该波导具有含输入表面和输出表面的芯，其中输入表面与光源光学连通，输出表面与微谐振器的芯的输入端口物理接触。该光学装置还包括第二光波导，该波导具有含输入表面和输出表面的芯，其中输入表面与微谐振器的芯的输出端口物理接触，输出表面与光学检测器光学连通。当相关联的被分析物与微谐振器结合时，散射中心能够引起第一和第二导向光学模式之间的光学散射。光学散射导致能量从第一导向模式转移至第二导向模式。光学检测器检测能量的转移。
在另一个实施例中，光学装置包括能够支持至少两个谐振光学模式的微谐振器。这两个谐振模式中的至少一个能够在保持相同电场分布的同时在微谐振器内传播。该光学装置还包括第一和第二光波导，这些波导能够通过芯耦合而耦合到微谐振器。
在另一个实施例中，光学装置包括具有芯的微谐振器。该光学装置还包括具有芯的第一光波导，该芯从微谐振器的芯上的第一位置延伸。该光学装置还包括具有芯的第二光波导，该芯从微谐振器的芯上的第二位置延伸。所述第二位置与第一位置不同。
附图说明
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：
图1和2分别为光学装置的示意性俯视图和侧视图；
图3-5为光波导采用不同布置方式时光学装置的示意性俯视图；
图6和7为具有各种闭环微谐振器的光学装置的示意性俯视图；
图8为光学装置的示意性俯视图；
图9为具有单个光波导的光学装置的示意性俯视图；
图10A为计算的输出信号强度随波长变化的图；
图10B为图10A的图的局部放大视图；
图11为一体化光学装置的示意性三维视图；
图12A和12B分别为采用竖直芯耦合的光学装置的示意性俯视图和侧视图；
图12C为采用竖直芯耦合的光学装置的示意性俯视图；
图13A和13B分别为采用竖直芯耦合的光学装置的示意性俯视图和侧视图；并且
图14为光学装置的示意性三维视图。
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。
具体实施方式
本发明整体涉及光学装置。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。
本发明描述了包括一个或多个波导的光学装置，这些波导光学耦合到光学微谐振器。本发明所公开的实施例的性能对光波导相对于光学微谐振器的位置相对不敏感。因此，本发明可以降低制造成本，因为例如在将光波导布置为光学邻近于光学微谐振器方面的制造误差和/或缺陷不太可能导致光学耦合的显著变化。
图1和2分别示出光学装置100的示意性俯视图和侧视图。光学装置100包括光学微谐振器110、第一光波导120和第二光波导130，这些部件均设置在位于基板161上的下包层165上。
在一些情况下，通过强加一个或多个边界条件，例如一个或多个周期条件，微谐振器110能够将微谐振器所允许的光学模式转换为离散模式。在一些情况下，微谐振器110能够支持至少两个不同的导向光学模式，例如第一导向光学模式150和第二导向光学模式152，其中导向光学模式152与导向光学模式150不同。在一些情况下，模式150和152具有相同波长。
如本文所用，对于给定的光学构造(例如光学装置100)而言，光学模式是指该光学构造中允许的电磁场；辐射或辐射模式是指不局限在该光学构造内的光学模式；导向模式是指由于存在高折射率区域而在至少一个维度上局限在该光学构造内的光学模式；同时谐振模式是指满足对该光学构造的附加边界条件要求的导向模式，其中该附加要求通常在本质上具有周期性。
谐振模式通常为离散的导向模式。在一些情况下，谐振模式能够耦合到辐射模式。在一些其他情况下，谐振模式可以具有辐射而且非局限的分量。一般来讲，微谐振器110的导向模式可以为谐振或非谐振模式。例如，光学模式150和152可以为微谐振器110的谐振模式。
在一些情况下，第一导向光学模式150和/或第二导向光学模式152能够在保持相同电场分布的同时在微谐振器内传播。在这些情况下，即使该模式由于(例如)吸收损耗或辐射损耗而逐渐损失能量，该传播模式的形状或分布也会保持基本上相同。
一般来讲，微谐振器110沿特定方向可以为单一模式或多模式。例如，微谐振器110沿其厚度方向(如Z-方向)可以为单一模式或多模式。在一些情况下，例如就球形或圆盘形微谐振器而言，微谐振器沿径向方向可以为单一模式或多模式。在一些情况下，例如就圆盘形微谐振器而言，微谐振器110的导向光学模式150和152可以为微谐振器的方位角模式。
微谐振器110包括设置在下包层165和上包层114之间的芯或腔体112。芯112的平均厚度为h1。一般来讲，对于与微谐振器110的模式相关的电场而言，电场的消逝尾部位于该微谐振器的包层区域，电场的峰或最大值位于该微谐振器的芯部区域。例如，如图2示意性示出的那样，微谐振器110的导向模式151的消逝尾部151A在上包层114内，消逝尾部151B在下包层165内，峰151C在芯112内。导向光学模式151可以(例如)为该微谐振器的模式150或152。
在示例性光学装置100中，芯112设置在两包层114和165之间。一般来讲，微谐振器110可以具有一个或多个上包层以及一个或多个下包层。在一些情况下，光学装置100中可以不存在下包层165。在这些情况下，基板161可以成为微谐振器110的下包层。在一些其他情况下，微谐振器110不包括上包层114。在这些情况下，环境介质(例如环境空气)可以形成该微谐振器的上包层。
芯112的折射率为nm，包层114的折射率为nuc，包层165的折射率为nlc。一般来讲，对于至少一个所关注的波长，nm沿至少一个方向大于nuc和nlc。在一些应用中，nm在所关注的波长范围内大于nuc和nlc。例如，对于从约400nm至约1200nm范围内的波长，nm可以大于nuc和nlc。又如，对于从约700nm至约1500nm范围内的波长，nm可以大于nuc和nlc。
微谐振器的芯112具有输入端口115A和输出端口115B，其中输出端口115B与输入端口115A不同。例如，在示例性光学装置100中，输入端口115A和输出端口115B位于芯112的外表面116周围不同位置处。
第一光波导120和第二光波导130中的每一个均具有设置在多个包层之间的芯。例如，第一光波导120具有厚度为h2的芯122，该芯设置在上包层114和下包层165之间。相似地，第二光波导130具有厚度为h3的芯132，该芯设置在上包层114和下包层165之间。
芯122的折射率为nw1，该折射率通常大于nuc和nlc。相似地，芯132的折射率为nw2，该折射率通常大于nuc和nlc。
在一些情况下，芯112、122和132可以由具有相同或不同折射率的不同芯材料制成。在一些其他情况下，芯112、122和132可以形成一体的构造，也就是说，这些芯形成相连芯之间没有物理界面的单个单元。在一体的构造中，这些芯可以由相同的芯材料制成。一体的构造可以利用多种已知的方法形成，例如，蚀刻、浇铸、模制、模压和挤出。
芯122具有输入表面122A和输出表面122B。输入表面122A与光源140光学连通。输出表面122B与芯112的输入端口115A物理接触。在一些情况下，例如在一体的构造中，输出表面122B可以与输入端口115A相同。在一些情况下，输出表面122B和输入端口115A之间有大量重叠。在一些情况下，输出表面122B和输入端口115A中的一个完全覆盖另一个。例如，在一些情况下，输出表面122B大于且完全覆盖微谐振器的输入端口115A。
芯132具有输入表面132A和输出表面132B。输出表面132B与光学检测器160光学连通。输入表面132A与微谐振器110的芯112的输出端口115B物理接触。
光源140能够发射光束142，该光束的至少一部分透过输入表面122A进入第一光波导120。在一些情况下，从光源140进入光波导120的光，可以作为该波导的导向模式沿着该波导传播。第一光波导120和输入端口115A(例如)相对于彼此和/或微谐振器布置成，使得在第一光波导120内沿正Y-方向朝输入端口115A传播的光，能够主要耦合到微谐振器的第一导向光学模式150，而不是该微谐振器的第二导向光学模式152。例如，沿光波导120传播并到达输出表面122B的光能够主要激励第一导向光学模式150，而不是第二导向光学模式152。在一些情况下，在光波导120内传播的光和导向光学模式152之间可以存在一些光学耦合。此类耦合可以是设计的或由于(例如)输入端口115A处的光学散射所产生的。又如，此类耦合可以是由于制造缺陷导致的光学散射所产生的。当在光波导120内传播的光和导向光学模式152之间存在一些光学耦合时，所传播的光主要耦合到光学模式150。
第二光波导130和输出端口115B(例如)相对于彼此和微谐振器布置成，使得在第二光波导130内沿正Y-方向远离输出端口115B传播的光，能够主要耦合到该微谐振器的第二导向光学模式152，而不是该微谐振器的第一导向光学模式150。例如，在输出端口115B处或其附近的导向模式152，能够在第二光波导内激励起沿正Y-方向朝输出表面132B传播的导向模式133。相比之下，导向光学模式150不能够或不太能够激励导向模式133。在一些情况下，由于(例如)输出端口115B处的光学散射，导向光学模式150和导向模式133之间可以存在一些光学耦合。但任何此类耦合都次于导向模式152和133之间的光学耦合。
在图1和2的示例性光学装置100中，微谐振器110与光波导120和130具有不同厚度。一般来讲，厚度h1、h2和h3可以等值或不等值。在一些应用中，微谐振器110与光波导120和130具有相同厚度。
光波导120和130可以是能够支持光学模式(例如导向模式)的任何类型的波导。光波导120和130可以是一维波导(例如平面波导)，其中一维波导是指光局限在一个方向。在一些应用中，光波导120和130可以是二维波导，其中二维波导是指光局限在两个方向。示例性的光波导包括沟道波导、条形负载波导、脊或脊形波导以及离子交换波导。
在示例性光学装置100中，第一光波导120的芯122和第二光波导130的芯132在其各自与微谐振器的接触点处或附近基本上平行。具体地讲，芯122和132分别在接触点115A和115B处沿Y-轴延伸。但芯122和132不共线。具体地讲，芯132沿X-轴相对于芯122错开。一般来讲，芯122和132在输入端口和输出端口处可以平行或不平行。相似地，芯122和132在输入端口和输出端口处可以共线或不共线。例如，在图3A中，芯132在输出端口115B处沿X-轴取向，而芯122在输入端口115A处沿Y-轴延伸，即使芯122最终朝X-轴弯曲。又如，在图3B中，芯122在输入端口115A处沿Y-轴延伸，而芯132在输出端口115B处与Y-轴呈夹角α，其中α的绝对值或大小可以在从约零度至约180度的范围内。一般来讲，α可以为正数或负数。因此，一般来讲，α可以从约-180度至约180度。例如，α可以为约45度。
在图1-3的示例性光学装置中，两个光波导的芯切向连接到光学微谐振器的芯。一般来讲，光波导的芯可以通过应用中任何合适的方式物理连接到光学微谐振器的芯。例如，图4示出光学装置400，其光波导120和130的芯122和132分别在附接位置401和402处附接到微谐振器110的芯112。芯122与芯112在附接位置401处相交，并且与芯112在附接位置401处的切线410呈夹角β1。相似地，芯132与芯112在附接位置402处相交，并且与芯112在附接位置402处的切线420呈夹角β2。角度β1和β2可以相等或不相等。角度β1和β2可以为应用中所需的任何角度。在一些应用中，角度β1和β2在从约零度至约45度的范围内。在一些其他应用中，角度β1和β2在从约零度至约20度的范围内。在一些其他应用中，角度β1和β2在从约零度至约10度的范围内。在又一些其他应用中，角度β1和β2在从约零度至约5度的范围内。
在一些情况下，第一和第二导向光学模式150和152中的至少一个可以为微谐振器110的行波导向模式。例如，第一和第二导向光学模式150和152可以为微谐振器110的“回音壁模式”(WGM)。WGM通常为局限在微谐振器腔体表面附近的行波模式，并且具有相对较低的辐射损耗。由于WGM局限在微谐振器的芯的外表面附近，因此比较适合与在微谐振器表面处或附近的被分析物光学耦合。
行波导向光学模式150和152可以在不同(例如相反)方向传播。例如，在圆盘形或球形微谐振器中，第一导向光学模式150通常可以在逆时针方向传播，第二导向光学模式152通常可以在顺时针方向传播。在这种情况下，第一和第二导向光学模式150和152为逆向传播的光学模式。
在一些情况下，第一和第二导向光学模式150和152中的至少一个可以为微谐振器110的驻波模式。驻波模式可以由(例如)具有适当相位关系的两个行波模式叠加形成。在一些情况下，这两个行波模式中的一个可以是另一个行波模式的映像。
光波导120内沿正Y-方向传播的光主要耦合到微谐振器110的第一导向光学模式150。由于芯122物理连接到芯112，因此第一光波导120和微谐振器110之间的光学耦合主要为芯耦合，而不是消逝耦合。
本发明的优点是消除了至少一个光波导和微谐振器之间的耦合间隙。在已知的微谐振器中，光波导和微谐振器之间存在间隙。在这些情况下，波导和微谐振器之间的光学耦合通过消逝耦合实现。除了其他缺点外，这种耦合对耦合间隙的尺寸非常敏感，但由于(例如)存在制造误差，通常很难可重复地控制该耦合间隙。即使制造方法能够以足够的精度控制该间隙，这种控制也会显著增加制造成本。在本发明中，通过将光波导的芯和光学微谐振器的芯物理接触，消除了该耦合间隙。这样可以降低制造成本和改善可重复性。
在一些情况下，当来自光源140的光透过输入表面122A进入波导120，并传播到微谐振器110的输入端口115A时，第一导向光学模式150在微谐振器110内激发。当把散射中心170充分地靠近微谐振器110时，该散射中心将分别引起第一和第二导向光学模式150和152之间的光学散射，从而导致从导向模式150到导向模式152的能量转移或能量转移变化。如果微谐振器110内的导向模式152已经被激励，则该散射中心将导致更强的导向光学模式152。如果微谐振器110内尚未存在导向模式152，则该散射中心将通过引发从第一导向模式150向第二导向模式152的光学散射来激发导向模式152。导向模式152在输出端口115B处光学耦合到光波导130，这导致波导130内的光朝输出表面132B传播。检测器160检测导向模式150和152之间的能量转移，从而能够检测是否存在散射中心170。
当把散射中心170从光学邻近于微谐振器处移除时，这种移除会分别引起第一和第二导向光学模式150和152之间的光学散射变化，从而导致从导向模式152到导向模式150的能量转移变化。检测器160检测导向模式152到导向模式150的能量转移变化，从而能够检测散射中心170是否移除。
散射中心170和微谐振器110之间的光学耦合在强度上的变化，能够分别引起第一和第二导向光学模式150和152之间的光学散射变化。光学耦合强度的变化可以通过多种方式实现。例如，散射中心170与微谐振器110或芯112之间的间距“d”的变化可以改变该散射中心和该微谐振器之间光学耦合的强度。又如，散射中心的折射率ns的变化可以改变该散射中心和该微谐振器之间光学耦合的强度。一般来讲，能够引起散射中心170和微谐振器110之间光学耦合的强度变化的任何机理都可以引起导向模式150和152之间的光学散射的变化。
光学装置100可以用作能够感测(例如)被分析物172的传感器。例如，微谐振器110可以具有结合被分析物172的能力。这种结合能力可以通过(例如)对微谐振器110的外表面进行适当处理来获得。在一些情况下，被分析物172与散射中心170相关联。这种相关联能够(例如)通过将被分析物附接到散射中心来实现。当被分析物172与微谐振器的外表面结合时，可以使散射中心光学邻近于微谐振器110。散射中心引起第一导向光学模式150和第二导向光学模式152之间的光学散射。该光学散射导致这两个模式之间的能量转移发生变化。通过检测导向模式150和152之间的能量转移变化，光学检测器160可以检测被分析物172是否存在。被分析物172可以(例如)包括蛋白质、病毒或DNA。
在一些情况下，被分析物172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170相关联。抗原的第二抗体可以与微谐振器110相关联。抗原有利于第一抗体和第二抗体之间的键合。这将导致散射中心与微谐振器发生光学接触，并引起微谐振器内的光学散射变化。通过检测光学散射的变化，检测器可以检测散射中心是否存在，进而检测抗原是否存在。在一些情况下，第一抗体可以与第二抗体相同。这种示例性感测方法可以用于多种应用中，例如，食品安全、食品加工、医学测试、环境测试和工业卫生。
在一些情况下，散射中心170可以引起第二光学模式152的频率偏移，该频率偏移可由检测器160检测。在一些情况下，散射中心170可以引起第一导向光学模式150的频率偏移。在这些情况下，检测器160可以足够敏感，并且/或输出端口115B足以能够将模式150散射为波导130的模式，以使得检测器160能够检测到导向模式150的频率偏移。
图5A示出光学装置520的示意性俯视图。在光学装置520中，第二光波导130和输出端口115B相对于(例如)彼此和/或微谐振器布置成，使得在第二光波导130内沿负Y-方向远离输出端口115B传播的光，能够主要耦合到该微谐振器的第一导向光学模式150，而不是该微谐振器的第二导向光学模式152。例如，在输出端口115B处或附近的导向模式150，能够在第二光波导内激励起沿负Y-方向朝输出表面132B传播的导向模式533。在一些情况下，导向光学模式152和导向模式533之间的任何光学耦合均显著弱于导向模式150和533之间的光学耦合。在一些情况下，导向光学模式152和光波导130之间的光学耦合可以足够强，并且/或检测器160可以足够敏感，从而允许检测到该光学耦合。
在一些情况下，如图5B示意性地示出的那样，通过(例如)将光波导130移动至更靠近光波导120处，可以减小光波导120与130之间的间距，从而可以减小第一导向光学模式150和光波导130之间的光学耦合。在一些情况下，微谐振器110的芯112具有中心117和半径ro。在这些情况下，中心117与芯132的近端508A的距离为P1，与芯132的远端508B的距离为P2。光波导130的芯132的宽度为W1，该宽度等于P2-P1。在一些情况下，P2小于或等于ro。在一些情况下，光波导120与130之间的间距小于2ro。
在一些情况下，光学装置100可以具有两个以上的光波导。例如，图5C示出了光学装置590的示意性俯视图，该光学装置具有三个光波导：120、130和570。具体地讲，第一光波导120的芯122、第二光波导130的芯132和第三光波导570的芯572分别从微谐振器110的芯112延伸。
在一些情况下，光学装置100能够检测上包层114的折射率变化。例如，上包层114可以最初为空气，当光源140发出的光进入第一波导120时导致导向模式150的激发。当(例如)空气包层由(例如)蒸气(例如有机蒸气)、气体、液体、生物或化学材料，或能够导致包层114的折射率变化的任何其他材料所代替或与之混合时，上包层114的折射率会发生变化。在一些情况下，包层114的折射率变化会引起导向光学模式150的频率偏移。检测器160可以检测该频率偏移。
图1所示的微谐振器110为(例如)圆盘形微谐振器。一般来讲，微谐振器110可以是能够支持至少一个导向光学模式，并且能够与一个或多个光波导耦合的任何类型的谐振器，例如任意形状的微腔。在一些情况下，微谐振器110具有圆对称性，也就是说微谐振器110的芯112的横截面周长可以表示为仅随到中心点距离的变化而变化。在一些情况下，例如在圆盘形微谐振器中，中心点可以为微谐振器的中心，例如微谐振器110的中心117。示例性的具有圆对称性的微谐振器形状包括球形、圆盘形和圆柱形。
在一些情况下，微谐振器110可以具有球对称性，例如球形微谐振器。在一些情况下，微谐振器110可以为闭环微谐振器。例如，图6示出了光学装置500的示意性俯视图，该光学装置包括环形微谐振器510，该微谐振器在一些情况下可以为多模式微谐振器。为了简单起见和不丧失一般性，图6中没有清楚显示或标明微谐振器510的某些部分。第一光波导120的芯122从微谐振器510的芯512延伸。相似地，第二光波导130的芯132从微谐振器510的芯512延伸。在一些情况下，微谐振器510在径向方向为多模式微谐振器。
又如，图7示出了光学装置600的示意性俯视图，该光学装置包括跑道形微谐振器610，该微谐振器在一些情况下可以为多模式微谐振器。为了简单起见和不丧失一般性，图7中没有清楚显示或标明微谐振器610的某些部分。微谐振器610的芯612具有线性部分630和632，以及弯曲部分640和642。第一光波导120的芯122从微谐振器610的芯612延伸。相似地，第二光波导130的芯132从微谐振器610的芯612延伸。
图8示出了光学装置700的示意性俯视图，该光学装置包括微谐振器710，该微谐振器能够分别支持至少第一和第二导向光学模式150与152，其中第二导向光学模式152与第一导向光学模式150不同。光学装置700还包括光波导720。微谐振器710具有芯712，光波导720具有芯722。为了简单起见和不丧失一般性，图8中没有清楚显示或标明微谐振器和光波导的某些部分，例如包层。
波导的芯722具有输入表面722A，该输入表面与光源140光学连通。芯722的另一个末端终止于芯712的端口715A处。光波导720和端口715A相对于彼此和芯712布置成，使得在光波导720内沿正Y-方向传播的光(例如光701)，能够主要耦合到微谐振器710的第一导向光学模式150，而不是第二导向光学模式152。此外，光波导720和端口715A的布置方式还使得在光波导720内沿负Y-方向传播的光(例如光702)，能够主要耦合到微谐振器710的第二导向模式152，而不是第一导向光学模式150。
在一些情况下，微谐振器710具有圆对称性。在一些情况下，微谐振器710的导向模式(例如导向光学模式150)能够在保持相同电场分布的同时在微谐振器710内传播。
光源140能够发出光142。光142的至少一部分透过光波导720的输入表面722A进入该波导，并作为光701沿着正Y-轴传播。在一些情况下，光701可以为光波导720的导向模式。在端口715A处，光701主要光学耦合到并激发该微谐振器的第一导向光学模式150。在一些情况下，光701可以弱耦合到并激发第二导向光学模式152，但任何这种耦合都将弱于并次于光701与第一导向光学模式150之间的光学耦合。例如，如果光701同时激发导向模式150和152，则导向模式150将显著强于导向模式152。
当散射中心170光学邻近于微谐振器710时，该散射中心将引起第一导向光学模式150和第二导向光学模式152之间的光学散射，从而导致能量从导向模式150向导向模式152转移。如果当前在微谐振器710内激励起了导向模式152，则散射中心将导致更强的导向光学模式152。如果微谐振器710内还不存在导向模式152，则散射中心170将通过引发从第一导向模式150向第二导向模式152的光学散射来激发导向模式152。
导向光学模式152通过芯耦合而光学耦合到光波导720，并作为光702在该波导内部朝输入表面722A传播。光学元件730将光702的至少一部分重新导向为朝向检测器160的光703。检测器160检测导向模式150和152之间的能量转移，从而能够检测是否存在散射中心170。
光学元件730在透射入射光142的至少一部分的同时，通过(例如)将光702的至少一部分沿X-轴反射来实现重新导向。光学元件730可以为分束器。又如，光学元件730可以为光学环行器。
在图1-8所示的示例性光学装置中，光波导直线延伸。一般来讲，耦合到微谐振器的光波导可以具有应用中所需的任何形状。例如，在图9示意性地示出的光学装置800中，光波导120和130具有弯曲部分，例如弯曲部分801和802。波导130的芯132与微谐振器110的芯112在附接位置815处相交。芯132和112之间的角度为β3，该角度定义为芯132在位置815处的切线810与芯112在相同位置处的切线820之间的夹角。
在一些情况下，波导弯曲部分的曲率充分地小，以致于该弯曲不产生或几乎不产生辐射损耗。在一些情况下，耦合到微谐振器的光波导可以为非线性波导、分段线性波导、或具有线性和非线性部分的波导。
在图1-2所示的示例性实施例中，芯122、112和132基本上在相同的平面内。在这种情况下，光波导和微谐振器之间的芯耦合可以视为横向芯耦合。例如，光波导120在芯耦合区域122B横向芯耦合到微谐振器110。相似地，光波导130在芯耦合区域132A横向芯耦合到微谐振器110。
在一些情况下，微谐振器的芯和光波导的芯可以在基本上不同的平面内。在这些情况下，光波导和微谐振器之间的芯耦合可以视为竖直芯耦合。例如，图12A和12B分别为光学装置1200的示意性俯视图和侧视图，其中微谐振器的芯112布置在平面PL1内，光波导的芯122和132布置在不同于平面PL1的平面PL2内。光波导120在芯耦合区域1201竖直芯耦合到微谐振器110，其中区域1201为芯112和122的重叠区域。相似地，光波导130在芯耦合区域1202竖直芯耦合到微谐振器110，其中区域1202为芯112和132的重叠区域。
在一些应用中，光学装置1200内的微谐振器110与光波导120和130可以形成一体的构造，并且可以采用已知的制造方法(例如模制方法)来制造。
在图12A和12B所示的示例性实施例中，光波导120和130分别终止于端点1201A和1202A处。一般来讲，只要微谐振器的芯和光波导的芯之间存在重叠区域，允许进行竖直芯耦合，光波导就可以终止于任何位置。例如，图12C示出了光学装置1250的示意性俯视图，其中光波导的芯122和132横跨整个微谐振器的芯112。
在图12A和12B所示的示例性实施例中，光波导的芯122和132位于微谐振器的芯112下方。一般来讲，竖直芯耦合到微谐振器的光波导可以布置在该微谐振器的上方或下方。例如，图13A和13B分别示出光学装置1300的示意性俯视图和侧视图，其中微谐振器的芯112布置在平面PL1内，而光波导的芯122和132布置在位于平面PL1上方的平面PL2内。光波导120和130分别在芯耦合区域1201和1202竖直芯耦合到微谐振器110。
一般来讲，光波导的芯相对于微谐振器的芯的取向，允许通过芯耦合来使该光波导和该微谐振器之间的光耦合。例如，图14示出了光学装置1400的示意性三维视图，其中光波导120在芯耦合区域1401芯耦合到微谐振器110，光波导130在芯耦合区域1402芯耦合到微谐振器110。
下列实例进一步说明了本发明所公开的实施例的一些优点。本实例所引用的具体材料、数量和尺寸以及其他条件和细节，不应理解为是对本发明的不当限制。利用有效的二维时域有限差分(FDTD)法对类似于图1和2中的光学装置100的光学装置进行了数值分析。对于模拟而言，微谐振器的芯112为圆盘形硅，芯的直径D等于3.6微米，芯的厚度h1为0.2微米，芯的折射率为3.5。芯122和132均为0.2微米厚、折射率为3.5的硅。上包层114为折射率等于1.33的水。下包层165为3微米厚、折射率为1.46的二氧化硅。基板161为折射率等于3.5的硅。
光源140为脉冲光源，发出光142，该光为离散的1飞秒长高斯脉冲形式，脉冲中心波长为2微米，半峰值全宽(FWHM)为1.5微米。经检测器160检测，该宽带输入脉冲引起在约1微米至约3微米范围内的宽光谱响应。
图10A示出了检测器160处随波长(单位：微米)变化的计算的信号强度(相对于输入光强度的任意单位)。曲线910表示不存在散射中心170时的信号强度。曲线920表示存在散射中心170时的信号强度。在生成曲线920过程中，散射中心为物理接触微谐振器110的实心球形金纳米粒子。散射中心170的折射率实部和虚部分别为0.54和9.58。该散射中心的直径为80纳米。曲线910和920表明，当散射中心170接触微谐振器时，检测器160的输出光谱显著改变。
图10A表明该微谐振器在若干波长下具有较高的Q因子。例如，数值分析显示，该微谐振器的Q因子在波长1.43微米处为1424，1.49微米处为1240，1.56微米处为781。Q因子可以定义为λo/Δλo，其中λo为中心(谐振)波长，Δλo为半峰值全宽(FWHM)。
图10B为曲线910和920在波长1.56微米附近的放大视图，图中显示，散射中心170导致从峰911到峰912约0.7纳米的相对较大偏移。本发明所公开的实施例的优点为：光学邻近于微谐振器的散射中心的存在可以导致检测器160处输出光谱的峰产生相对较大的偏移。在一些情况下，该偏移大于0.1纳米、或大于1纳米、或大于2纳米、或大于5纳米。
在一些应用中，光源140可以为发出(例如)白光的宽带光源。相似地，检测器160可以为宽带检测器。在这些情况下，如果检测到的总光强大于预定的强度阈值，则检测器160会发出信号，表明存在散射中心。例如，参见图10A，如果检测到的强度水平大于强度阈值水平930(设为约0.16)，则可以表明存在散射中心170。在一些情况下，可以将阈值水平设为较低水平，例如设在阈值水平930A处，以纳入一小部分信号强度910，同时拒绝作为背景噪音的相当大一部分信号强度910。宽带光源和宽带检测器的优点是降低了装置总成本。
图11示出了一体化光学装置1100的示意性三维视图。光源140和检测器160一体化到光学装置1100的基板161上。光源140与波导120之间由间隙1101隔开，而且该光源包括一体化到基板161上的电引线1140和1141。电引线1140和1141延伸到光学装置1100的边缘1121，以便连接(例如)外部电源和/或控制器(图11中未示出)。检测器160与波导130之间由间隙1102隔开，而且该检测器包括一体化到基板161上的电引线1130和1131。电引线1130和1131延伸到光学装置1100的边缘1122，以便连接(例如)外部电源和/或其他电子器件(图11中未示出)。
在一些应用中，可以采用光检测器(例如相机1160)监控微谐振器110特定区域内的光学强度水平。例如，相机1160可以对区域1110内的光强大小和/或分布成像并对其监控，该区域靠近(例如)微谐振器110的中心。在一些情况下，区域1110能够从微谐振器中提取光。例如，可以将区域1110粗糙化或结构化，以散射光。又如，区域1110可以涂敷高折射率材料，以允许在该区域提取光。在这种情况下，可以将相机1160设置为物理接触该高折射率材料。
当不存在光散射中心时，区域1110内的光强水平会非常低。例如，在该微谐振器内传播的导向模式可以为基本上局限在微谐振器110的芯112的侧面内的WGM。当散射中心与该微谐振器的侧面发生光学接触时，该散射中心会散射微谐振器内沿不同方向(包括朝区域1110)传播的光。区域1110可以接收朝相机1160传播的散射光并将其耦合输出。通过检测该耦合输出光，相机1160可以检测散射中心是否存在。
可以利用已知的制造技术制备微谐振器110与光波导120和130。示例性的制造技术包括光刻法、印刷、浇铸、挤出和模压。光学装置100内的各层可以利用已知方法形成，例如，溅射、汽相沉积、火焰水解、浇铸、或在应用中适用的任何其他沉积方法。
基板161可以为刚性或柔性的。基板161可以为光学不透明或透射的。基板可以为聚合物、金属、半导体、或任何类型的玻璃。例如，基板161可以为硅。又如，基板161可以为浮法玻璃，或由诸如聚碳酸酯、丙烯酸树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚砜等有机材料制成。
可以适用于本发明所公开的实施例的散射中心的例子包括硅纳米粒子和金属纳米粒子(包括金和铝纳米粒子)。在一些情况下，散射中心可以为半导体，例如，Si、GaAs、InP、CdSe、或CdS。例如，散射中心可以为硅颗粒，其直径为80纳米，对于所关注波长的折射率(实部)为3.5。散射中心的另一个例子为金颗粒，其直径为80纳米，对于1550nm附近的波长的折射率为0.54+9.58i。散射中心的另一个例子为铝颗粒，其直径为80纳米，对于1550nm附近的波长的折射率为1.44+16.0i。
在一些情况下，散射中心可以为电介质颗粒。在一些情况下，散射中心可以为荧光颗粒。在其他一些情况下，散射中心可以为非荧光颗粒。
在一些情况下，散射中心170的尺寸不大于1000纳米、或不大于500纳米、或不大于100纳米。
如本文所用，术语(例如)“竖直”、“水平”、“上”、“下”、“左”、“右”、“上部”和“下部”，以及其他类似术语，是指如图所示的相对位置。一般来讲，实际实施例可以具有不同的取向，在这种情况下，这些术语旨在表示修改为装置实际取向的相对位置。例如，即使与图中取向相对比将图2中的构造倒置，下包层165仍应视为在上包层114的“下方”。
虽然为了有助于说明本发明的各个方面而在上文中详细描述了本发明的具体实例，但是应当理解，其目的并不是要将本发明限制于实例中所给出的具体内容。相反，其目的在于涵盖包括在由附带的权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有修改形式、实施例和可供选择的形式。

Claims (46)

1.一种光学装置，包括：
微谐振器，所述微谐振器具有圆形对称结构，并且具有芯，所述芯具有输入和输出端口，所述输出端口不同于所述输入端口；以及
第一和第二光波导，每个光波导均具有芯，所述光波导的芯具有输入和输出表面，所述第一光波导的芯的所述输出表面物理接触所述微谐振器的芯的所述输入端口，所述第二光波导的芯的所述输入表面物理接触所述微谐振器的芯的所述输出端口。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述第一和第二光波导在其各自与所述微谐振器的接触点处不共线。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述第一和第二光波导中的至少一个能够通过芯耦合而光学耦合到所述微谐振器。
4.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述微谐振器为球体。
5.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述微谐振器为圆柱体。
6.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述微谐振器为圆盘。
7.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述微谐振器为环。
8.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述微谐振器与所述第一和第二光波导形成一体的构造。
9.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述第一和第二光波导中的至少一个为平面波导。
10.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述第一和第二光波导中的至少一个为二维波导。
11.根据权利要求1所述的光学装置，其中
所述微谐振器能够支持第一和第二导向光学模式，所述第二导向光学模式不同于所述第一导向光学模式；其中
所述第一光波导和所述微谐振器的芯的所述输入端口布置成，使得在所述第一光波导内朝所述输入端口传播的光能够主要耦合到所述微谐振器的所述第一导向光学模式，而非所述第二导向光学模式；并且其中
所述第二光波导和所述微谐振器的芯的所述输出端口布置成，使得在所述第二光波导内远离所述输出端口传播的光能够主要耦合到所述微谐振器的所述第二导向光学模式，而非所述第一导向光学模式。
12.根据权利要求11所述的光学装置，其中所述微谐振器的所述第一和第二导向光学模式中的至少一个为行波模式。
13.根据权利要求11所述的光学装置，其中所述微谐振器的所述第一和第二导向光学模式中的每一个均为行波模式。
14.根据权利要求13所述的光学装置，其中所述微谐振器的所述第一和第二导向光学模式通常在相反方向传播。
15.根据权利要求11所述的光学装置，其中所述第一和第二导向光学模式中的至少一个能够在保持相同电场分布的同时在所述微谐振器内传播。
16.根据权利要求11所述的光学装置，其中在所述第一光波导内朝所述输入端口传播的光通过芯耦合而耦合到所述第一导向光学模式。
17.根据权利要求11所述的光学装置，其中在所述第二光波导内远离所述输出端口传播的光通过芯耦合而耦合到所述第二导向光学模式。
18.根据权利要求11所述的光学装置，其中所述微谐振器的所述第一和第二导向光学模式中的至少一个为所述微谐振器的谐振模式。
19.根据权利要求11所述的光学装置，使得当散射中心光学邻近于所述微谐振器时，所述光学邻近引起所述第一和第二导向光学模式之间的光学散射。
20.根据权利要求11所述的光学装置，还包括散射中心，所述散射中心光学耦合到所述微谐振器。
21.根据权利要求20所述的光学装置，其中所述散射中心与所述微谐振器之间光学耦合的强度变化引起所述第一和第二导向光学模式之间光学散射的变化。
22.根据权利要求21所述的光学装置，其中所述散射中心与所述微谐振器之间的间距变化使所述散射中心与所述微谐振器之间光学耦合的强度改变。
23.根据权利要求21所述的光学装置，其中所述散射中心的折射率的变化使所述散射中心与所述微谐振器之间光学耦合的强度改变。
24.根据权利要求19所述的光学装置，其中所述散射中心包括纳米粒子。
25.根据权利要求24所述的光学装置，其中所述纳米粒子的尺寸小于约500纳米。
26.根据权利要求24所述的光学装置，其中所述纳米粒子的尺寸小于约300纳米。
27.根据权利要求24所述的光学装置，其中所述纳米粒子包含金属。
28.根据权利要求27所述的光学装置，其中所述金属包括金。
29.一种传感器，包括：
根据权利要求1所述的光学装置；
光源，所述光源能够发出光，所述第一光波导接收透过所述第一光波导的输入表面的光；以及
检测器，所述检测器能够检测透过所述第二光波导的输出表面离开所述第二光波导的光。
30.一种光学装置，包括：
微谐振器，所述微谐振器具有圆形对称结构，并且具有芯；以及
光波导，所述光波导具有芯，所述波导的芯终止于所述微谐振器的芯处。
31.根据权利要求30所述的光学装置，其中所述微谐振器为圆盘。
32.一种传感器，包括：
根据权利要求30所述的光学装置；以及
光源和检测器，所述光源和所述检测器均能够与所述光波导光学连通。
33.根据权利要求32所述的光学装置，其中所述光源为宽带光源。
34.根据权利要求32所述的光学装置，其中所述检测器为宽带检测器。
35.根据权利要求30所述的光学装置，其中
所述微谐振器能够支持第一和第二导向光学模式，所述第二导向光学模式不同于所述第一导向光学模式，并且其中
所述光波导布置成，使得在所述光波导内沿第一方向传播的光，能够主要耦合到所述微谐振器的所述第一导向光学模式，而非所述第二导向光学模式；并且在所述光波导内沿着与所述第一方向相反的第二方向传播的光，能够主要耦合到所述微谐振器的所述第二导向光学模式，而非所述第一导向光学模式。
36.根据权利要求35所述的光学装置，其中所述第一和第二导向光学模式中的至少一个能够在保持相同电场分布的同时在所述微谐振器内传播。
37.一种光学装置，包括：
光源；
光学检测器；
微谐振器，所述微谐振器具有圆形对称结构，并且能够支持逆向传播的第一和第二导向光学模式，所述第二导向光学模式不同于所述第一导向光学模式，所述微谐振器具有芯，所述芯具有输入和输出端口，所述输出端口不同于所述输入端口，所述微谐振器能够结合与散射中心相关联的被分析物；
第一光波导，所述第一光波导具有芯，所述第一光波导的芯具有：与所述光源光学连通的输入表面，以及与所述微谐振器的芯的所述输入端口物理接触的输出表面；以及
第二光波导，所述第二光波导具有芯，所述第二光波导的芯具有：与所述微谐振器的芯的所述输出端口物理接触的输入表面，以及与所述光学检测器光学连通的输出表面；
使得当相关联的被分析物与所述微谐振器结合时，所述散射中心能够引起所述第一和第二导向光学模式之间的光学散射，所述光学散射导致从所述第一导向模式到所述第二导向模式的能量转移，所述光学检测器检测所述能量转移。
38.根据权利要求37所述的光学装置，其中所述被分析物包括抗体。
39.一种光学装置，包括：
微谐振器，所述微谐振器能够支持至少两个谐振光学模式，所述两个谐振模式中的至少一个能够在保持相同电场分布的同时在所述微谐振器内传播；以及
第一和第二光波导，所述第一和第二光波导能够通过芯耦合而连接到所述微谐振器。
40.根据权利要求39所述的光学装置，其中所述微谐振器为跑道。
41.根据权利要求39所述的光学装置，其中所述微谐振器为圆盘。
42.一种光学装置，包括：
微谐振器，所述微谐振器具有芯；
第一光波导，所述第一光波导具有芯，所述第一光波导的芯从所述微谐振器的芯上的第一位置延伸；以及
第二光波导，所述第二光波导具有芯，所述第二光波导的芯从所述微谐振器的芯上的第二位置延伸，所述第二位置不同于所述第一位置。
43.根据权利要求42所述的光学装置，其中所述第一位置和所述第一光波导布置成，使得在所述第一光波导内朝所述第一位置传播的光能够主要耦合到所述微谐振器的第一导向光学模式，而非第二导向光学模式；并且其中所述第二位置和所述第二光波导布置成，使得在所述第二光波导内远离所述第二位置传播的光，能够主要耦合到所述微谐振器的所述第二导向光学模式，而非所述第一导向光学模式。
44.根据权利要求42所述的光学装置，其中所述微谐振器能够支持至少第一和第二导向光学模式，所述第二导向光学模式不同于所述第一导向光学模式，所述至少第一和第二导向光学模式中的至少一个能够在保持相同电场分布的同时在所述微谐振器内传播。
45.根据权利要求42所述的光学装置，其中所述微谐振器具有圆形对称结构。
46.根据权利要求42所述的光学装置，其中所述微谐振器的芯具有中心和半径，所述中心与所述第一和第二光波导中的至少一个的芯的外边缘之间的间距小于所述半径。
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