CN101573605B

CN101573605B - 光学传感装置和方法

Info

Publication number: CN101573605B
Application number: CN2007800445198A
Authority: CN
Inventors: 特里·L·史密斯; 巴里·J·科赫; 易亚沙
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2027-11-19
Also published as: CN101542270A; CN101542253B; CN101542253A; CN101542270B; CN101573605A; WO2008070399A2; US20080129997A1; US7512298B2; EP2087329A2; JP2010511870A; WO2008070399A3

Abstract

本发明公开了一种检测微谐振器的扰动存在的方法和系统，包括用与所述微谐振器光通信的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的步骤。所述方法还包括诱发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谐振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为零。所述方法的另一个步骤为将所述第一频率偏移与所述第二频率偏移进行比较。

Description

光学传感装置和方法

相关专利申请的引用

本专利申请是如下四个共同转让的专利申请的部分继续申请：于2006年12月1日提交的、代理人档案号为No.62358US002、名称为“OPTICAL SENSING METHODS”(光学传感方法)的专利申请No.11/565,955；于2006年12月1日提交的、代理人档案号为62263US002、名称为“OPTICAL SENSING DEVICE”(光学传感装置)的专利申请No.11/565,920；于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“OPTICALMICRORESONATOR”(光学微谐振器)的专利申请NO.11/616,338。将这四个专利申请的全文以引用的方式并入本文。

该专利申请涉及与其同日提交的、代理人档案号为No.62823US002、名称为“OPTICAL SENSING DEVICES ANDMETHODS”(光学传感装置和方法)的共同转让的专利申请No.11/617,932。

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，已经开发出许多新型光子结构和材料来制造非常灵敏的光学装置。

用于分析物检测的一种光学传感方法使用了集成光波导。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，集成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，并且已经变成表征和定量生物分子相互作用的基本工具。但是这样的测量系统会很庞大。

目前，正在深入地研究光学微谐振器在生化、化学和气体传感方面的应用。光学微谐振器是具有高品质因数(Q因数)的非常小的装置，其中，Q因数一般指谐振波长与谐振线宽的比率。例如，由于微球谐振器中捕获的光循环多次，产生了高Q因数(＞10⁶)装置，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，使用总线波导来激发接近微谐振器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壁模式。然后，将分析物设置在微球的模式的渐逝场内。通过改变谐振频率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总线波导，从微谐振器中提取发生偏移的光谱。

虽然为了制造光学传感器的目的，已经调查研究了多种类型的光学微谐振器，但是微球、微环和微盘最受关注。基于半导体制造工艺的微盘或微环较为容易进行大量和/或高密度地制造。可以使用诸如干/湿蚀刻和层沉积之类的制造技术，调节它们相对于波导的位置。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，将分析物粘合至球体表面导致球的有效折射率发生小的变化。这导致谐振波谱中峰的波长位置发生小的偏移。这些偏移通常在皮米范围内。为了检测这样小的偏移，需要昂贵的设备用于光谱分析。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位移。这需要高精细度(自由光谱范围除以线宽)，或者换句话讲，需要高品质因数(工作波长除以线宽)的微谐振器。这转化成了需要微谐振器中的波导损耗低且微谐振器和总线波导之间的耦合弱，以检测小的频率偏移。

为了检测由于检测分析物导致的小的波长变化，需要控制或补偿可以引起波长偏移的其他机制。具体地讲，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偏移，并且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。

在一个实施例中，检测微谐振器的扰动存在的方法包括这样的步骤：用与微谐振器光通信的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。该方法还包括诱发第一谐振导向光学模式中的第一频率偏移和第二谐振导向光学模式中的第二频率偏移，其中第二频率偏移可以为零。该方法的另一个步骤是比较第一频率偏移和第二频率偏移。

在另一个实施例中，检测微谐振器的扰动存在的方法包括：用与微谐振器光通信的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，其中微谐振器包括第一光学散射中心。第一谐振导向光学模式和第二谐振导向光学模式通过第一散射中心散射进入至少第三谐振导向光学模式和第四谐振导向光学模式。该方法包括诱发第三导向光学模式中的第一频率偏移和第四导向光学模式中的第二频率偏移的步骤。该方法的另一个步骤是比较第一频率偏移和第二频率偏移。

在另一个实施例中，检测微谐振器的扰动存在的方法包括：用与微谐振器光通信的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，其中微谐振器包括第一光学散射中心。第一谐振导向光学模式和第二谐振导向光学模式通过第一散射中心散射进入至少第三导向光学模式和第四导向光学模式。该方法包括诱发第一光学模式中的第一频率偏移和第二导向光学模式中的第二频率偏移的步骤，其中第二频率偏移可以为零，其中第一频率偏移和第二频率偏移的谐振导向光学模式通过第一散射中心散射进入至少第五导向光学模式和第六导向光学模式。该方法还包括这样的步骤：在位于微谐振器中心位置处的检测器中检测第三导向光学模式、第四导向光学模式、第五导向光学模式和第六导向光学模式，并且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值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值进行比较。

附图说明

粘合附图对本发明的各种实施例所做的以下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俯视图和侧视图；

图4示出在有扰动和没有扰动的情况下图1中的输入端口和分离端口(drop port)检测器的输出光；

图5示出在有散射中心和无散射中心的情况下图1的一个实施例的检测器的输出光；

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俯视图；

图7是包括多边形微谐振器的替代形式的光学系统的示意性俯视图；

图8是随同微谐振器的两种径向模式的描述示出了圆盘形微谐振器的俯视图和侧视图的示意图；

图9是随同微谐振器的两种径向模式的描述示出了具有图案化包覆的圆盘形微谐振器的俯视图和侧视图的示意图；

图10是随同微谐振器的两种径向模式的描述示出了具有替代形式的图案化包覆层的圆盘形微谐振器的俯视图和侧视图的示意图；

图11是随同微谐振器的四种模式的描述示出了具有图案化包覆层的矩形微谐振器的俯视图和侧视图的示意图；

图12是随同微谐振器的两种径向模式的描述示出了具有功能化的层的圆盘形微谐振器的俯视图和侧视图的示意图；

图13是具有单总线环形谐振器的光学系统的示意性俯视图；

图14是具有含中心光电检测器的单总线圆盘形谐振器的光学系统的示意性俯视图；

图15是具有双总线跑道环形谐振器的光学系统的示意性俯视图；

图16是在两个总线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；

图17是具有通过多模式干涉耦合器与两个总线波导耦合的跑道环形谐振器的光学系统的示意性俯视图；

图18和图19是如光学系统的穿出端口(through port)检测到的、在具有金纳米颗粒散射中心和没有金纳米颗粒散射中心的情况下、信号强度相对于波长的图，其中，图19在图的一部分中提供了比图18更高水平的细节；并且

图20是微谐振器的两种谐振模式的相对波长偏移相对于探针位置的图。

尽管本发明可具有多种修改形式和替代形式，但其细节已在附图中以举例的方式示出并将做详细地描述。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，以及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称作微谐振器。如本文使用的术语，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引起的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。

由此提供了使用微谐振器进行光学传感的新方法，在该新方法中，扰动的引入或去除引起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，并且仅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指具有相同或类似特性和功能的相同或类似元件。

如图1的俯视图及图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，将把双总线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，例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和模式164具有相同的波长。在一些情况下，模式128和模式164具有不同的波长。如果模式128和模式164具有基本上相同的波长，则对于该波长它们会具有不同的强度水平。如本文所用，对于给定的光学构造例如光学装置100，光学模式指光学构造中所允许的电磁场；辐射或辐射模式指光学构造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而导致的至少一维的光学构造中的受限定的光学模式；并且谐振模式指光学构造中受附加的边界条件需要制约的导向模式，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，谐振模式能够耦合辐射模式。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)吸收或辐射损耗而逐渐损耗能量，随着时间推移传播模式的形状或分布仍会保持基本上不变。

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微谐振器构造。

参照图1至图3，光源102与第一总线波导104进行光通信。布置有光源的波导104的端部是输入端口106。波导104的另一端部是穿出端口108。输入端口检测器110位于输入端口106处。光学组件112与光源102、输入检测器110和输入端口106光通信，使得输入光124只与输入端口106通信，并使得第一总线波导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是分光器或光环行器。输入端口检测器110通过光学组件112与第一总线波导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，并且在一些实施例中也能够支持其他模式。微谐振器118光学耦合到第一总线波导104。输入端口106既能光学耦合到第一谐振模式又能光学耦合到第二谐振模式。来自光源102的光124进入第一总线波导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总线波导104，耦合出的光以微谐振器118的谐振频率，例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，上包覆层122可以包含水。在一些情况下，上包覆层可以(例如)在不同的位置包含不同的材料。例如，上包覆层的一些区域可以包含水，上包覆层的其他一些区域可以包含诸如玻璃之类的另一种材料。

第二总线波导132被设置成与微谐振器118光通信。分离端口136位于第二总线波导132的一端，而第2分离端口138位于第二总线波导的另一端。分离端口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，第2分离端口138通常不能光耦合到第一谐振导向光学模式。分离端口检测器135位于分离端口136处。第2分离端口检测器144位于第2分离端口138处。

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能耦合到微谐振器118中。另外，在微谐振器118内传播的光的一部分将耦合进波导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区域被分别称作耦合区域145和147。在多个实施例中，在存在约1％或更多或者约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接合时，使得主要通过一个或多个结构的芯的外部光场的重叠而出现光学耦合。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接合时，使得主要通过芯内部光场的重叠出现光学耦合。

中心检测器137位于圆盘的平表面之一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119上。在其他实施例中，中心检测器实际上不需要连接于圆盘的中心。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之类的光提取结构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位置中的每一个处的五个检测器。然而，在本发明的多个实施例中，更可能在五个可能的位置中的每一个处具有单个检测器。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是穿过第一总线波导104并沿着第一总线波导的轴的剖视图。图3是穿过微谐振器118和两个总线波导并与第一总线波导的轴垂直的剖视图。第一光波导和第二光波导中的每一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并设置在上包覆层122和下包覆层105之间的芯。类似地，第二光波导132具有厚度为h₃并设置在上包覆层122和下包覆层105之间的芯。在一些情况下，上包覆层122可以包含空气或水。

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h₁、h₂和₃可以具有相同的值或不具有相同的值。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(例如散射中心)对微谐振器系统100的影响是本发明的方法的中心。如上面所讨论地，扰动是微谐振器的光学特性的变化。例如，比如由微谐振器表面上的涂层引起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中示出了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与谐振器表面粘合而直接引起的有效折射率的变化。

在使用微谐振器进行感测的一个常规方法中，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粘合。将分析物粘合到微谐振器的表面引起了微谐振器的有效折射率的小的变化，这偏移了谐振器传输光谱中峰的波长位置。在穿出端口108和分离端口136处观察到了这些偏移。因此，在穿出端口108和/或分离端口136处对传输光谱的峰的偏移的检测表明了分析物的存在。存在使用微谐振器进行感测的其他常规方法，并且多种方法的一些实例在共同拥有的美国公布专利申请2006/0062508中有详细描述，该专利申请以引用的方式并入本文。

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渐逝场这一事实。只有当扰动位于渐逝场内时，光学模式的渐逝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，第一光学模式具有更可能实现微谐振器118的表面149或表面149上的某些位置处的相互作用的场。因此，微谐振器表面149的扰动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，扰动显著地影响第一光学模式，并且仅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包围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通常都将引起第一光学模式和第二光学模式两者的波长偏移。相比之下，诸如纳米颗粒之类的散射中心与微谐振器的耦合将以不同的方式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消除温度变化的影响。

在根据本发明的一个实施例的传感事件的过程中，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的变化。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表面上的涂层引起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，示意性地示出了包括微谐振器118的光学系统100的输出光图示。该图示出了有扰动和没有扰动时穿出端口108和分离端口136处的典型输出光的图示。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中，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和分离端口136处观察到的输出以及反射到输入端口106和第2分离端口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在纳米级水平上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处，图151中的实线152示出了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达到光学耦合时检测到的光谱。第一导向光学模式的低强度点(例如强度谷153)偏移成附近的强度谷154。在示例性的图152中，偏移朝着较长的波长或者红移方向，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渐逝场没有显著地用于与散射中心150相互作用，所以第二光学模式的低强度点155没有发生偏移。

在分离端口136观察到类似的改变，其中，虚线178示出了存在散射中心时的光谱，而实线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包括在作为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偏移Δλ₁成强度峰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，第二模式经历的波长偏移Δλ₂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渐逝场，并由此以不同的方式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经历了可测量的偏移。这会在微谐振器的特性使得第二光学模式的渐逝场与微谐振器的表面重叠的情况(例如图8中所描述)下出现，在所述情况中，第二径向模式806的渐逝场与第一位置813处的纳米颗粒重叠。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，第二光学模式可具有已经历的可测量的改变。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偏移。

图5示出了曲线图200中的微谐振器的一个实施例的分离端口处的光输出。实线图202示出了不存在散射中心时的光输出，并包括作为第一光学模式的特征的第一波长v₁处的强度峰205和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离端口处的光输出。虚线图208包括作为第一光学模式的特征的第一波长v_1S处的强度峰210和作为第二光学模式的特征的第二波长v_2S处的强度峰212。

第一光学模式的波长偏移为：

Δλ₁＝λ₁-λ_1S

第二光学模式的波长偏移为：

Δλ₂＝λ₂-λ_2S

通过从第一光学模式经历的偏移减去第二光学模式经历的偏移，可以独立于由于散射中心的耦合强度变化而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值为：

Δλ_SHIFT＝Δλ₁-Δλ₂

虽然穿出端口检测器114处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偏移，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值。

在使用中心检测器137、输入检测器102和/或分离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)方法中不使用来自输入端口和第2分离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，不存在“之前的”信号来与“之后的”信号比较以测量出偏移。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，将在第2分离端口、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、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。另外，存在许多本文描述的散射中心的实例，比如纳米颗粒、可变折射率的区域等等，可以在感测过程中使它们开始与微谐振器光通信和脱离与微谐振器的光通信。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包括两个总线波导104和132，所述两个总线波导104和132具有输入端口106，穿出端口108、分离端口136和第2分离端口138。光学系统240还包括输入检测器102、分离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和分离2检测器144处观察到显著的峰。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，在第2分离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，如下面更详细地讨论的。另外，根据这种方法，诸如散射中心150之类的扰动造引起第一模式128和第二模式164发生频率偏移。频率偏移了的第一模式和第二模式也由于扰动而散射，然后，在第2分离端口和输入端口处检测到反向散射的频率偏移的第一模式和第二模式作为第五光学模式和第六光学模式。

在第2分离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值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值进行比较。如以上关于穿出端口和分离端口方法所讨论的，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包括在作为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渐逝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。

在第2分离端口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Δλ₁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偏移Δλ₂和对应的频率偏移为0。

如以上对于第2分离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。一个差异是在中心检测器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第2分离端口、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。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第2分离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、第一总线波导704和第二总线波导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和分离端口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和分离端口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 orderfiltering and sensing with partially coupled traveling waves in a singleresonator”(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卷，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异，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异。

图8示出了下覆层803上设置的圆盘形微谐振器的芯802的俯视图和侧视图，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渐逝场相互作用时，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中圆盘具有上包覆层820之外，所述上包覆层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。如果通过将分析物粘合到谐振器来提供扰动，且将通过波长偏移方法来检测分析物，则当分析物粘合到所述外围时，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)截然不同，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总线波导。

图10示出了具有芯802的另一个圆盘形谐振器，其又具有受包覆830控制的扰动的位置。在图10中，上包覆层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。I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层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，当分析物粘合在感测区域中时，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。如在与散射颗粒耦合的情况下，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：用选择性粘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的一种的场最大值重合。

图12包括圆盘形微谐振器868的俯视图和侧视图，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10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粘合的呈环形图案的化学粘合功能化涂层880。未涂覆区882将不与分析物化学粘合。功能化的涂层880以环形形状粘合到分析物，使得由于分析物粘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，可以使分析物的粘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的分析物更可能粘合到微谐振器表面。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粘合到微谐振器表面。

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，存在防止化学粘合的涂层。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。诸如分光器或光环行器的光学部件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发送到第一总线波导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总线波导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经历波长偏移。第二导向光学模式464经历不同的波长偏移，所述不同的波长偏移可以是没有波长偏移。

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的波长偏移的步骤包括：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是双总线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。诸如分光器或光环行器的光学组件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被发送到第一总线波导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总线波导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618内传播。

将第二总线波导632设置成与微谐振器618光通信。分离端口636和分离端口检测器635位于第二总线波导632的一端，而第2分离端口638位于第二总线波导632的另一端。分离端口636主要能够光学耦合到第一导向光学模式628。第2分离端口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。第2分离端口644检测器位于第2分离端口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和分离端口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或第2分离端口检测器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的方式并入本文。

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颗粒。如本文所使用的，术语“纳米颗粒”指最大尺寸是1000纳米或更小的数量级的颗粒。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100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，与感测事件期间将包围散射中心的介质相比，散射中心的折射率差值高，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，例如在某些金属(比如金)的情况下，散射中心的折射率的实部小于1。在其他一些情况下，例如在硅的情况下，散射中心的折射率的实部大于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，所述金属纳米颗粒包括金纳米颗粒和铝纳米颗粒。在一些情况下，散射中心可以是诸如Si、GaAs、InP、CdSe或CdS之类的半导体。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的硅颗粒。散射中心的另一个实例是直径为80纳米且对于接近1550nm的波长折射率为0.54+9.58i的金颗粒。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的铝颗粒。

在一些实施例中，散射中心是电介质颗粒。在一些实施例中，散射中心具有与包围散射中心的上包覆层不同的双折射、磁化率或电极化率。在多种实施例中，散射中心是铁磁或顺磁颗粒。在许多实施例中，散射中心是非荧光体颗粒。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。

改变微谐振器表面的一部分的折射率的扰动的一个实例是微谐振器表面上的涂层，例如是可以将其他蛋白质结合至谐振器表面的抗体，或者是具有可以吸收溶剂蒸汽并因而改变折射率的多孔聚合物的涂层。

现在参照图1的实例来说明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。可以通过多种手段实现光学耦合的强度的改变。例如，散射中心150和微谐振器118之间的间隔“d”的改变可以改变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n_s的改变可以改变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，散射中心是嵌入谐振器的芯中的折射率可变的区域。在这样的情况下，当(例如)所述区域暴露于诸如气体或液体之类的材料并吸附所述材料时，折射率可以发生变化。通常，可以引起散射中心150和微谐振器118之间的光学耦合的强度改变的任何机制均可以诱发模式128和模式164之间的光学散射的改变。

存在若干方法来将微谐振器波导系统用作传感器。方法的选择取决于各种考虑，包括待测被分析物的化学性质、可用于检测的时间、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特定抗原的抗体涂覆谐振器。抗体是免疫系统用于识别和中和像细菌和病毒的外来物体的蛋白质。每种抗体将特定的抗原识别为其唯一的靶标。

在一种方法中，制备待分析的样品，使得在将纳米颗粒与样品混合之前，通过用相应的抗体来官能化纳米颗粒，散射中心标签(例如纳米颗粒标签)选择性地附连到抗原分子上。然后，使样品与微谐振器的表面接触。当在谐振器的表面上抗体官能化的谐振器和纳米颗粒标记的抗原间发生结合时，则纳米颗粒进入光学耦合范围。因此，第一光学模式在被检测的分离端口或穿出端口经历波长偏移。另外，将会在中心检测器、第2分离端口检测器或输入端口检测器处检测到信号，而之前这些地方没有显著的信号。相同或类似的方法被用来检测细菌、病毒和孢子以及蛋白质和DNA。

通过将散射中心从谐振器移除来传感可以这样来完成，即首先用抗原-抗体系统将散射中心结合至谐振器，所述抗原-抗体系统的结合比当引入分析物时引起的抗原-抗体反应要弱。对结合至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丧失。类似的方法使得可以检测能够选择性地切断纳米颗粒和谐振器之间的化学键合的任何化学物质。

光源102产生期望的波长或波长范围的光124。例如，在传感器中使用微谐振器的情形下，光源102产生与被引入而与微谐振器光通信或被移除与微谐振器光的通信的散射中心相互作用的波长下的光。在使用微谐振器的现有传感系统中，尤其重要的是光源产生有效耦合到第一总线波导104的光。这导致频繁使用诸如激光器(比如激光二极管)之类的光源。诸如激光二极管之类的激光器是适用于本发明实施例的光源。另外，本发明的方法使得能使用这样的光源，即该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。在一个实施例中，光源102包括灯，以及适用于将来自该灯的光耦合到第一总线波导104中的光学器件。在一些应用中，光源102可以是发光二极管(LED)或诸如激光二极管之类的激光器。在一个实施例中，灯是宽带光源，所述宽带光源发射多种频率或一定范围频率而不是一特定波长或窄范围的波长。在某些应用中，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约400nm至约2000nm的范围内的光。在其他一些情况下，该范围可以为约700nm至约1600nm。在其他一些情况下，所述范围可以为约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值，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差频。

第一总线波导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通道波导(比如形成在硅基底中或硅基底上的波导)。第一总线波导104也可以是光纤。

检测器单元110包括光学检测器(例如光电二极管或光电晶体管)用于检测光。检测器单元110还可以包括选择达到光检测器的光的波长的对波长敏感的装置。该波长选择装置可以是(例如)滤波器或光谱仪。该波长选择装置可以是可调谐式的，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(例如第2分离端口)处采用波长选择装置。

图1中的微谐振器118显示为圆盘形微谐振器。该系统的可供选择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、多模跑道形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，以产生可供选择的实施例。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稳固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性，这意味着微谐振器的芯的剖面的周长可以被表示为只是距中心点的距离的函数。在一些情况下，例如在圆盘形微谐振器中，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2μm至几毫米的范围内，但更经常在5μm-500μm的范围内。在一些情况下，所述范围是约5μm至约100μm。

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共同的基底上。所述集成可以是一体化集成，在这种情况下，不同的部件通常利用相同的材料系统都制造在共同的基底上。这样的集成可以是基底特异性的，即对于某些基底集成可能更容易或可行而对于其他一些基底则较难或不可能。例如，有可能在诸如硅基底之类的基底上制造或生长检测器、微谐振器和波导，但在相同的基底上生长或制造光源则可能困难或不可能。作为另一个实例，有可能在诸如InP或GaAs基底之类的III-V族半导体基底上生长或制造所有的系统组件。

该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单独地制造，并随后被组装到共同的基底上。可以通过(例如)将检测器和光源用粘结方法粘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，所述粘合可能需要光源和检测器与总线波导的主动对齐。

在某些实施例中，共同的基底是诸如二氧化硅之类的用于集成光路的常规基底，该基底的折射率显著低于用于制造总线波导和微谐振器(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(例如玻璃)或者平滑的柔性材料(例如聚合物基底)。例如，聚酯、聚丙烯酸酯和聚酰亚胺基底可能可用于本发明。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)、聚砜等之类的有机材料制成。

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总线波导和微谐振器。可以由诸如穿过掩模的气相沉积、印刷或剥离工艺之类的添加方法进行图案化。热蒸镀、溅射、印刷、分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、蒸汽相外延(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。还可能通过诸如蚀刻(比如反应离子蚀刻或湿化学蚀刻)之类的减除法，将波导元件图案化在基底上。在一些应用中，谐振器、光波导、光源和检测器被集成到相同的基底上。可以通过(例如)模制工艺来制造集成装置或集成装置的部分。

通常将耦合到谐振器的波导逐渐变细以增大波导外部的光场强度的强度，因而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逐渐减小或蚀刻成约1-5μm的总厚度。同样，采用平面波导或通道波导时，可以在光耦合到微谐振器的区域减小波导的厚度。除了减小波导的尺寸之外，还可以减小波导周围的包覆层厚度。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多种方法，将该专利申请以引用的方式并入本文。

关于如何可以将波导耦合到微谐振器而得到光损失的量是可以接受的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示出了第一总线波导104和第二总线波导132与微谐振器118的横向耦合。在这个构造中，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上存在包覆层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，将该专利申请以引用的方式并入本文。对于在波导104、132上构造包覆层以实现波导104、132和微谐振器118之间的耦合存在许多其他选择。

在横向耦合构造的一些实施例中，使用相同的图案化步骤来制造波导104、132和微谐振器118。

图3的横向耦合构造的一种替代形式是垂直耦合构造，图15中示出了垂直耦合构造的一个实例。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都嵌入到基底1303上设置的下包覆层1305中。波导1304、1332由包覆层1305包围。在垂直耦合构造中，如光学装置1300在图15中取向的，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。

在垂直耦合构造的一些实施例中，以与微谐振器1318的不同的单独光刻步骤将波导1304、1332图案化。

在一些实施例中，如本文所描述的，微谐振器和总线波导之间的耦合是倏逝波耦合。在其他一些实施例中，微谐振器和总线波导之间的耦合是芯耦合，如本文所描述的。于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和于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，描述了可以联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来进行微谐振器和总线波导之间的耦合。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与第一总线波导1410和第二总线波导1420光耦合。MMIC内的光干涉确定了何种比率的波导1410发送的光与微谐振器1405耦合以及何种比率与第二总线波导1420耦合。在示例性的光学系统1400中，波导1410和1420共线。通常，两个总线波导可以共线或不共线。

使用有效的二维有限时域差分(FDTD)模拟来在数值上分析具有两个总线波导的微盘形微谐振器系统，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。模拟的系统与图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的水包覆层包围圆盘形谐振器。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的金纳米颗粒。图18中示出了信号强度相对于穿出端口的波长的关系，其中，图910表示只具有水包覆层的圆盘的输出，而图920表示与金纳米颗粒光通信的圆盘的输出。图19示出了相同的数据，但是对于较短范围的波长更为详细。观察到了接近1.5微米的基本WGM 922。引入金纳米颗粒造成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颗粒之后也在1.485微米处的第二级WGM 928。

对于可见光波长至红外波长，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颗粒相比，金涂覆颗粒或金颗粒可以导致较大的谐振波长偏移。

通过使用原子力显微镜(AFM)的探针针尖来模拟由于纳米颗粒导致的扰动，从实验上证了利用与不同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的原理。用于该论证的微谐振器是由单个垂直耦合的总线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，可得自瑞士的Liestal的Nanosurf公司)，使得AFM探针针尖可以接触微谐振器装置的表面而装置的光学特性受到监控。该夹具整合了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之后用金涂覆的商用硅探针针尖(Model SICON A，标称半径为10nm，得自加拿大的Santa Clara的AppliedNanoStructures)，这导致通常的针尖半径是100nm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有效模式折射率的有效减小。因此，与谐振相关联的波长将偏移成较短的波长(向较短的波长偏移将被称为“蓝移”)。

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 3000PS，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。将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”，并被设定为周期性地扫描小的距离(～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(探针引入的波长偏移)。在采集数据后，可以绘出每个谐振的波长偏移对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。请注意，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。

注意到，由于涂覆金的探针针尖相当大(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的探针针尖引起的进一步的平均化效应。

在一个实验实例中，对具有氮化硅的芯、二氧化硅的下包覆层的直径为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微米径向变化。在装置顶部的9个径向位置(之前和之后加上基线测量)提取样本轨迹，所述样本轨迹用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，确定随径向位置变化的每个模式的偏移。然后，通过除以每个模式的常数值将偏移进行归一化，得到相对偏移。结果在图20中绘出，绘出了相对两个微谐振器模式的探针位置的相对波长偏移。

对于直径100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。根据图20，可见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。另外，接近约2微米的径向位置，第二径向模式受AFM针尖存在的强烈影响，而第三径向模式只受弱的影响。这证明了模式响应的不同特性，并表明通过限制扰动的位置来获得自参考的可能性。例如，如果构造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具有增强灵敏度(例如不同模式之间的较大的波长偏移或较强的光学散射)的传感系统。增强的灵敏度可使得(例如)能检测单种分析物。

对使用这样的微谐振器的光学传感系统存在需求，即它们容易制造，在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，而应当理解为涵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，本发明可能适用的多种修改形式、等同工艺以及许多结构对本领域技术人员来说将是显而易见的。所附权利要求书旨在涵盖这样的修改形式和装置。

Claims

1.一种检测微谐振器的扰动存在的方法，包括：

用与所述微谐振器光通信的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，其中谐振导向光学模式是由于存在高折射率区域而导致的至少一维中受限定的在光学构造中所允许的电磁场，并且谐振导向光学模式在光学构造中受附加的边界条件需要制约；

诱发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谐振导向光学模式中的第二频率偏移；以及

将所述第一频率偏移与所述第二频率偏移进行比较。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括如果所述第一频率偏移不同于所述第二频率偏移则确定扰动存在的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其中诱发所述第一谐振导向光学模式中的第一频率偏移的步骤包括引起所述微谐振器的扰动。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述诱发所述第一谐振导向光学模式中的第一频率偏移的步骤包括改变散射中心和所述微谐振器之间的光学耦合的强度。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述散射中心为纳米颗粒。

6.根据权利要求4所述的方法，其中所述改变散射中心和所述微谐振器之间的光学耦合的强度的步骤还包括改变所述散射中心和所述微谐振器之间的距离。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述激发至少第一谐振导向光学模式和第二谐振导向光学模式的步骤包括以下步骤：

用所述光源激发所述微谐振器的第三谐振导向光学模式和第四谐振导向光学模式；

通过所述第三谐振导向光学模式和第四谐振导向光学模式与第一光学散射中心的相互作用将所述第三谐振导向光学模式和第四谐振导向光学模式散射成所述第一谐振导向光学模式和第二谐振导向光学模式。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二频率偏移为零。