CN101573658A - 光微谐振器 - Google Patents

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CN101573658A CNA2007800485015A CN200780048501A CN101573658A CN 101573658 A CN101573658 A CN 101573658A CN A2007800485015 A CNA2007800485015 A CN A2007800485015A CN 200780048501 A CN200780048501 A CN 200780048501A CN 101573658 A CN101573658 A CN 101573658A
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特里·L·史密斯
易亚沙
巴里·J·科赫
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3M Innovative Properties Co
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Abstract

本发明公开了一种光微谐振器系统以及采用所述光微谐振器系统的传感系统。所述光微谐振器系统包括光波导以及光微腔，所述光微腔被光耦合到所述光波导。所述微腔能够主要支持一种或多种谐振模。所述光微谐振器系统还包括光微谐振器，所述光微谐振器被光耦合到所述微腔并能够支持谐振模。

Description

光微谐振器
技术领域
本发明整体涉及光学装置。本发明特别适用于例如采用微谐振器的光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日益受到关注，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中描述的激光器；在(例如)美国专利No.6,891,998中描述的光消偏振；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，光能可以通过渐逝耦合在谐振器和光波导之间转移。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传感器。
在一个实施例中，光微谐振器系统包括光波导以及光耦合到该光波导的光微腔。该微腔能够主要支持一种或多种谐振模。该光微谐振器系统还包括光微谐振器，该光微谐振器被光耦合到微腔，并能够支持谐振模。
在另一个实施例中，光微谐振器系统包括矩形光微腔，该光微腔的厚度尺寸为h、宽度尺寸为W、长度尺寸为L。该光微谐振器系统还包括光耦合到微腔的输入光波导、以及沿着微腔的长度方向光耦合到微腔的光微谐振器。比率L/W为不大于约6。
在另一个实施例中，光传感器包括微谐振系统，该微谐振系统能够支持第一谐振模并且包括光微谐振器和光微腔，该光微腔能够主要支持一种或多种谐振模并且光耦合到光微谐振器。该微谐振系统还包括光耦合到光微腔的第一光波导。该光传感器还包括光源，该光源与第一光波导进行光通信，并能够以对应微谐振系统的第一谐振模的波长发光。该光传感器还包括与微谐振系统进行光通信的检测器。该检测器能够检测第一谐振模的特性。当使被分析物靠近该微谐振系统时，第一谐振模的特性会改变。该检测器可以检测特性的变化。
在另一个实施例中，光微谐振器系统包括第一光波导以及光微腔，该光微腔光耦合到第一光波导并能够主要支持一种或多种谐振模。该光微谐振器系统还包括光学法布里-珀罗(Fabry Perot)腔，该法布里-珀罗腔光耦合到微腔并能够支持谐振模。
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体会本发明，其中：
图1为微谐振系统的示意性俯视图；
图2为图1中微谐振系统的一部分的放大图；
图3为驻波的示意性分布；
图4A-4E为微腔中各种驻波模的示意图；
图5A和5B为两个微谐振系统的示意性俯视图；
图6为微谐振系统的示意性三维视图；
图7为多模干涉耦合器的示意性俯视图；
图8为光腔的示例性导模的示意图；
图9为微谐振系统的示意性俯视图；
图10为集成光学装置的示意性三维视图；
图11-14为用于具有散射中心的不同微谐振系统的计算的信号强度与波长的比较图；
图15为用于具有和不具有金散射中心的微谐振系统的计算的信号强度与波长的比较图；
图16A-16D为图15中图的不同部分的放大图；以及
图17为用于不具有金散射中心以及金散射中心设置在不同位置的微谐振系统的计算的信号强度与波长的比较图。
在本说明书中，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。本发明特别适用于例如采用微谐振器的光传感器之类的光学装置。
本专利申请公开了光学装置，该光学装置包括一个或多个光波导，所述波导通过光微腔光耦合到光微谐振器。该光微腔设计为主要支持一种或多种谐振模，例如驻波模。对于一些本发明所公开的光学装置而言，光学装置的性能对波导和微谐振器相对于微腔的布置相对不敏感。在这些情况下，光学装置能够以降低的成本进行制造，因为(例如)光学邻近光微腔布置光波导方面的制造误差和/或缺陷不太可能导致光耦合和/或装置性能的显著变化。
如本文所用，对于给定的光学构造(例如本专利申请所公开的光学装置)而言，光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模式；导模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模式，其中高折射率区域通常为芯部区域。局限在一个维度(第一维度)上的导模可称为一维导模，局限在两个互相正交的维度(第一和第二维度)上的导模可称为二维导模。谐振模是指局限在三个互相正交的维度(第一、第二和第三维度)上的光模式。谐振模可视为满足沿着该光学构造第三维度的附加边界条件要求的三维导模或二维导模，其中该附加要求通常在本质上具有周期性。
谐振模是光学构造内的光模式沿着三个互相正交的维度量化而得到的离散模式。通常，与非谐振激发产生的响应相比，按照与光学构造的谐振模相对应的频率或波长来激励或激发光学构造会产生显著较强的响应。
光学构造的谐振模的模式分布由沿着三个互相正交的维度的边界条件所确定。在一些情况下，谐振模可以为行波模或基本上为行波模。在其他一些情况下，谐振模可以为驻波模或基本上为驻波模。
在一些情况下，谐振模能够耦合到辐射模式。在其他一些情况下，谐振模可以具有辐射而且非局限的分量。通常，导模可以为谐振模或非谐振模。
图1示出微谐振系统100的示意性俯视图。微谐振系统100包括光源1 10、第一光波导120、第二光波导130、光微腔140、光微谐振器150、以及光学检测器166。
第一光波导120包括输入表面124、光学芯122、包层101、以及输出表面126。光波导120能够支持具有电场分布145的导模128。通常，对于与波导120的导模相关的电场而言，该场的渐逝尾部位于该波导的包层区域中，该电场的峰值或最大值位于该波导的芯部区域。例如，波导120的导模128的渐逝尾部145A和145B在包层101内，峰145C在芯122内。
第二光波导130包括输入表面134、光学芯132、包层101、以及输出表面136。光波导130能够支持导模138。
微腔140包括光学芯142和包层101并且通过接触点或输出表面126光耦合到波导120。相似地，微腔140通过接触点或输入表面134光耦合到第二光波导130。微腔140能够主要支持一种或多种谐振模，其中每一个谐振模可以为(例如)行波、驻波、或这两者的组合。在一些情况下，微腔140可以能够支持例如非谐振行波之类的非谐振模，但是这种非谐振模相对于微腔可支持的谐振模是次要的。
在一些情况下，微腔140的谐振模可以主要为驻波模，其中(通常)驻波可以等同于以大致不同方向(例如相反方向)传播的两列行波的干涉计的叠加。在这些情况下，微腔140支持的谐振模可以具有谐振行波部分，但是任何该行波部分形成整个谐振模的一小部分，也就是说该谐振模在本质上主要为驻波，并且该模式的任何谐振行波部分相对于该模式的驻波部分都只是次要的。
在一些情况下，微腔140的谐振模可以主要为行波模。在这些情况下，微腔140支持的谐振模可以具有谐振驻波部分，但是任何该驻波部分形成整个谐振模的一小部分，也就是说该谐振模在本质上主要为行波，并且该模式的任何谐振驻波部分相对于该模式的行波部分都只是次要的。
当(例如)微腔140沿着芯142的边界具有高反射率，导致大百分比的入射波被反射为反射波，同时入射波和反射波干涉形成在本质上主要为谐振的波时，该微腔的谐振模可以在本质上主要为驻波。该谐振模的任何行波分量相对于该谐振模的驻波部分都是次要的。
当(例如)微腔140沿着芯142的边界具有高反射率，导致大百分比的入射波被反射为反射波，同时入射波和反射波干涉形成在本质上主要为行波的波时，该微腔的谐振模可以在本质上主要为行波。该谐振模的任何驻波分量相对于该谐振模的行波部分都是次要的。
光源110能够发射光束112，该光束的至少一部分透过输入表面124进入第一光波导120。在一些情况下，从光源110进入光波导120的光可以作为该波导的导模(例如导模128)沿着该波导传播。在一些情况下，导模128激发光微腔140的谐振模170。在一些情况下，谐振模170激发光微谐振器150的谐振模160。在一些情况下，谐振模170和160可以分别为微腔140和微谐振器150的驻波模。通常，谐振模170和160之间的光耦合可以形成微谐振系统100的谐振模。
在一些情况下，微腔140的谐振模170可以激发第二光波导130的导模138。导模138可以作为输出光168从输出表面136射出第二光波导。输出光168可由检测器166检测。通常，通过检测输出光168的一种或多种特性(例如强度、波长或相位)，检测器166能够检测微谐振系统100的模式(例如谐振模)的一种或多种特性。
在一些情况下，检测器166可以检测输出光168的特性的变化，例如波长或强度的变化。这种变化可表明微谐振系统100的变化。输出光168的变化可以(例如)表示包层101的折射率的变化和/或微谐振器150的芯152的折射率的变化。又如，输出光168的变化可以(例如)表示由于(例如)环境温度的变化而引起的微谐振系统100的尺寸变化。
在一些情况下，输出光168的一种或多种特性的变化可表明外部介质(例如可以影响微谐振系统100的一种或多种特性的散射中心180)的存在。例如，如果该散射中心与光微谐振器150的芯152之间的距离“t”充分小，则该散射中心就充分靠近微谐振器，以允许微谐振器和该散射中心之间的光耦合。光耦合可以改变微谐振系统100的激发谐振模的一种或多种特性。例如，光耦合可以改变微谐振器150的谐振模160的一种或多种特性。模式160的变化可以导致作为输出光168射出第二光波导130的导模138的一种或多种特性的变化。检测器166可以通过检测输出光168的相应变化来检测模式160的变化或微谐振系统100的谐振模的变化。
在图1所示的示例性微谐振系统100中，散射中心180邻近微谐振器150。通常，散射中心180可以充分靠近微谐振系统100的可导致该系统谐振模的特性变化的任何部分。例如，该散射中心可以充分靠近微腔140，以允许散射中心和微腔之间的光耦合。
散射中心180和微谐振器150之间光耦合的强度变化可以引起(例如)谐振模160的特性变化。可通过多种方法实现光耦合强度的变化。例如，散射中心180与微谐振器150或芯152之间的间距“t”的变化可以改变该散射中心和该微谐振器之间光耦合的强度。又如，该散射中心折射率ns的变化可以改变该散射中心和该微谐振器之间光耦合的强度。通常，任何能够引起散射中心180与微谐振器150之间光耦合的强度变化的机理都可以引起输出光168以及该微谐振系统谐振模的特性变化。
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。在其他一些情况下，例如就硅而言，对于1550nm附近的波长，散射中心折射率的实部大于1。
可用作散射中心180的散射中心的实例包括硅纳米粒子以及金属纳米粒子(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，散射中心可以为直径为80纳米、所关注波长的折射率(实部)为3.5的硅粒子。散射中心的另一个实例为直径为80纳米、1550nm附近波长的折射率为0.54+9.58i的金粒子。散射中心的另一个实例为直径为80纳米、1550nm附近波长的折射率为1.44+16.0i的铝粒子。
在一些情况下，散射中心可以为电介质粒子。在一些情况下，散射中心可以为非荧光粒子。在一些情况下，散射中心不是半导体。
在一些情况下，散射中心180的尺寸为不大于约1000纳米、或不大于约500纳米、或不大于约100纳米、或不大于约50纳米。
微谐振系统100可以用作能够感测(例如)被分析物182的传感器。例如，微谐振器150可以能够粘合被分析物182。这种粘合能力可以通过(例如)对微谐振器150或芯152的外表面进行适当处理来获得。在一些情况下，被分析物182与散射中心180相连。这种相连可以(例如)通过将被分析物附接到散射中心来实现。当被分析物182与微谐振器的外表面粘合时，可以使散射中心光学邻近微谐振器150。散射中心引起谐振模160的特性变化，继而导致微谐振系统的谐振模的特性变化。光学检测器166通过监测输出光168的一种或多种特性的变化来检测谐振模160的特性变化，从而可以检测被分析物182的存在。在一些情况下，引起的变化可以是模式160的频率偏移。在这些情况下，光学检测器166可以检测该频率偏移。被分析物182可以(例如)包括蛋白质、病毒、或DNA。
在一些情况下，被分析物182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180相连。抗原的第二抗体可以与微谐振器150相连。抗原有利于第一抗体和第二抗体之间的键合。因此，散射中心与微谐振器光学接触，并且引起存在于微谐振系统中的谐振模的特性变化。通过检测特性的变化，检测器可以检测散射中心的存在，进而检测抗原的存在。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例如食品安全、食品加工、医学测试、环境测试和工业卫生方面的多种应用中。在一些情况下，散射中心180可以引起谐振模160的频率偏移，从而引起微谐振系统相应谐振模的频率偏移，其中该偏移可由检测器166检测到。
在一些情况下，微谐振系统100能够检测包层101的折射率变化。例如，包层101可以最初为空气。借助空气包层，该微谐振系统的谐振模可以处于谐振频率f1上，这可以导致谐振频率为f1的输出光168。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101的折射率变化的任何其他材料所代替或与之混合时，包层101的折射率会发生变化。包层101折射率的变化可以导致微谐振系统的谐振模和输出光168偏移到频率f2，其中f2与f1不同。光学检测器166可检测到频率偏移Δf＝f1-f2。
图2示出了微谐振系统100的放大部分。微腔140支持由两种或更多种以不同(例如相反的)方向传播的行波模之间的干涉作用引起的谐振驻波模170。模式170包括多个波节线，例如沿着微腔芯的外表面的波节线171A-171C，以及微谐振器芯内的波节线171C，这些波节线均由行波模之间的相消干涉引起。波节线上的波节通常是在模式的最小场振幅处的模式170上的点。通常，模式在波节处发生的振荡最小或无振荡。在一些情况下，模式振幅在波节处可以为零或接近零。在一些情况下，波节可以为移动波节。在其他一些情况下，波节可以基本上为非移动的或者随时间而静止。当(例如)驻波模由以相反方向传播但在其他方面基本相同的两个行波模的干涉作用引起时，该驻波模中的波节为基本上静止的点。
驻波模170还包括位于形成该驻波模的行波模之间的最大相长干涉点处的多个波腹，例如波腹172A-172C。波腹通常是在驻波模的峰或最大值处的驻波模上的点。波腹通常在最大正场强和最大负场强之间振荡。在一些情况下，波腹可以为移动波腹。在其他一些情况下，波腹可以基本上随时间静止。当(例如)驻波模由以相反方向传播但在其他方面基本相同的两个行波模的干涉作用引起时，该驻波模中的波腹基本上静止。线178表示恒定场强的示例性轮廓。
图3示出驻波模170在yz-平面内沿方向A1A2的示意性横截面分布。驻波模170在第一包络310和第二包络320之间振荡。在图3所示的示例性分布中，在171C处的波节具有零振幅。通常，在171C处的波节可以具有或不具有零振幅。
在图3所示的示例性驻波模170中，波节171B-171D位于零场强的点处。通常，驻波模的波节可以具有或不具有零场强。波腹172A和172B在最大正场强Amax和最大负场强-Amax之间振荡。
图2所示的示例性驻波模170具有两个沿着y-方向的波腹和两个沿着x-方向的波腹。通常，微腔140的驻波模可以具有一个或多个沿着x-方向的波腹以及一个或多个沿着y-方向的波腹。
微腔140的谐振驻波模可以表示为Ψm，n，其中m是指该模式沿着x-轴的波腹数目，n是指该模式沿着y-轴的波腹数目。例如，驻波模170可以象征性地表示为在x-方向和y-方向中的每一个方向上具有两个波腹的Ψ2，2。
图4A-4E示意性地示出微腔140的一些示例性驻波模。具体地讲，图4A示出驻波模170A，该模式象征性地表示为具有1个沿着x-轴的波腹和6个沿着y-轴的波腹的Ψ1，6；图4B示出驻波模170B，该模式象征性地表示为具有2个沿着x-轴的波腹和3个沿着y-轴的波腹的Ψ2，3；图4C示出驻波模170C，该模式象征性地表示为具有2个沿着x-轴的波腹和1个沿着y-轴的波腹的Ψ2，1；图4D示出驻波模170D，该模式象征性地表示为具有1个沿着x-轴的波腹和5个沿着y-轴的波腹的Ψ1，5；图4E示出驻波模170E，该模式象征性地表示为具有1个沿着x-轴的波腹和4个沿着y-轴的波腹的Ψ1，4。
第一光波导120的导模128能够通过在输出表面126处或附近的耦合区域耦合到光微腔140。因此，导模128能够以相同的频率和/或波长激发微腔的谐振模(例如谐振模170)，其中该波长可为(例如)自由空间波长。在一些情况下，对于给定波长，导模128能够主要激发微腔140的一个谐振模，或者能够主要激发微腔140的两个谐振模，或者能够主要激发微腔140的三个谐振模。例如，如果导模128主要激发微腔140的两个谐振模，那么该导模激发的任何其他谐振和/或非谐振模在模式特性上(例如模式的光功率或光强)相对于这两个主要激发的谐振模都只是次要的。
在一些情况下，导模128能够主要激发谐振模170和170A-170E中的一种。例如，在一些情况下，导模128可以主要激发谐振模170A。在这些情况下，导模128也可以激发模式170B，但是模式170A将是存在于微腔140中的主要谐振模，并且谐振模170B的强度将会(例如)显著低于模式170A的强度。在一些情况下，模式170A和170B可以具有相同或基本上相同的频率和/或波长。
在一些情况下，导模128可以主要激发微腔140的一种或多种谐振模(例如模式170A)，并且以小得多的程度激发微腔140的一种或多种非谐振模。在这些情况下，来自被耦合到该微腔激发模式的导模128的大部分光能被耦合到该微腔的谐振模。
就谐振驻波模而言，在一些情况下，导模128可以主要激发微腔140的一种或多种驻波模(例如模式170A)，并且以小得多的程度激发微腔140的一种或多种行波模。在这些情况下，来自被耦合到该微腔激发模式的导模128的大部分光能被耦合到该微腔的驻波模。
在一些情况下，不同波长的导模128可以主要激发微腔140的不同谐振模。例如，具有第一波长λ1的导模128可以主要激发谐振模170A，而具有第二波长λ2的导模可以主要激发不同的谐振模(例如谐振模170C)。
在一些情况下，微腔140可以能够支持简并谐振模，也就是说波长为λ3的导模128可以主要激发一种或多种具有相同的波长λ3的谐振模，例如模式170A和170B。在一些情况下，对于一个比率L1/W1而言，微腔140可以能够支持简并谐振模(例如谐振驻波模)，但对于另一个比率则并非如此。在一些情况下，对于一种或多种离散的比率L1/W1而言，微腔140可以能够支持简并谐振模。
光微谐振器150包括光学芯152以及包层101并通过第一表面154和第二表面156光耦合到光微腔140。光微谐振器150能够支持谐振模160。在一些情况下，谐振模160可以是环绕微谐振器150传播并且满足谐振往返条件的行波模。例如，环绕该微谐振器往返转播的谐振行波模160的相位按2π的整数倍变化。
在一些情况下，谐振模160可以是光微谐振器150的驻波模。在这些情况下，谐振驻波模160可以包括反向传播的第一行波光模式162和第二行波光模式164。驻波模160、行波光模式162和164具有相同的频率和/或波长。
在一些情况下，第一行波模162和第二行波模164中的至少一种可以为微谐振器150的行波导模。例如，第一导向光模式162和第二导向光模式164可以为微谐振器150的“回音廊模式”(WGM)。WGM通常为被局限在靠近微谐振器腔体表面并具有相对较低的辐射损耗的行波模。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的表面上或附近的被分析物光耦合。
在一些情况下，微腔140的谐振模能够激发微谐振器150的谐振模。在一些情况下，微腔140的驻波模能够激发微谐振器150的驻波模。例如，该微腔的驻波模170可以可选地耦合到并且激发微谐振器的驻波模160。
在一些情况下，驻波模170由两个以不同方向传播的行波模(例如第一行波模173和第二行波模175)之间的光学干涉作用引起。在一些情况下，行波模173可以光耦合到并且主要激发行波模162，行波模175可以光耦合到并且主要激发行波模164。在这些情况下，激发的行波模162和164可以进行光学干涉以形成驻波模160。
在图1中，行波模173和175示意性地示为沿着x-方向传播。通常，模式173和175中的每一种均可以沿着任何方向传播。例如，模式173和175中的每一种均可具有方向不同和(例如)量级恒定的波矢量。在一些情况下，图1中表示模式173和175的水平箭头可以表示与这两个模式相关的波矢量的x-分量。
在示例性微谐振系统100中，芯122、132和152中的每一个均从微腔芯142延伸。因此，微腔140与光波导120和130中的每一个之间的光耦合主要为芯耦合而不是渐逝耦合。相似地，微腔140和微谐振器150之间在表面154和156处的光耦合主要为芯耦合。
在一些情况下，芯122、132、142和152可以由具有相同或不同折射率的不同芯材料制成。在其他一些情况下，芯122、132、142和152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一单元。在一体的构造中，这些芯通常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(例如蚀刻、浇铸、模制、模压、以及挤出)制成。
在示例性微谐振系统100中，微谐振器150通过微腔140光耦合到光波导120和130，其中每一个波导与微腔之间的光耦合采用芯耦合方式，而微谐振器与微腔之间的光耦合也采用芯耦合方式。
通常，微谐振系统100中的光耦合可以采用渐逝耦合或芯耦合方式。例如，在一些情况下，光波导120、130以及微谐振器150中的至少一个可以通过渐逝耦合光耦合到微腔140。
芯耦合的特性是消除了耦合缝隙。在已知的微谐振器中，光波导和(例如)微谐振器之间存在缝隙。在这些情况下，波导和微谐振器之间的光耦合通过渐逝耦合实现。除了别的以外，这种耦合对由于(例如)制造误差而通常很难重复控制的耦合缝隙的尺寸是非常敏感的。即使在能以足够精度控制缝隙的制造方法中，这种控制也会显著增加制造成本。在本专利申请公开的一些示例性实施例中，通过在光波导和微腔各自的芯之间提供直接物理接触来消除光波导和微腔之间的耦合缝隙。相似地，在一些示例性实施例中，通过在微谐振器和微腔各自的芯之间提供一种或多种直接物理接触来消除微谐振器和微腔之间的耦合缝隙。消除耦合缝隙可使得制造成本降低以及可重复性得到改善。
图1的微谐振器150示为卵形或椭圆形的环状微谐振器。通常，微谐振器110可以是能够支持至少一种谐振模并能够光耦合到微腔140的任何类型的微谐振器(例如任何形状的微谐振器)。在一些情况下，微谐振器150具有圆对称结构，也就是说微谐振器150的芯152的横截面周长可以表示为只是离中心点的距离的函数。在一些情况下，例如在图5A示意性地示出的圆环状微谐振器450中，中心点可以是该微谐振器的芯452的中心451。其他具有圆对称性的示例性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150可以具有球对称性，例如就球形微谐振器而言。在一些情况下，微谐振器150可以为闭环微谐振器，例如图5B示意性示出的跑道形微谐振器460。微谐振器460的芯462具有线性部分430、432和434以及弯曲部分436和438。
通常，微谐振器150沿特定方向可以为单模式或多模式。例如，微谐振器150沿其厚度方向(如Z-方向)可以为单模式或多模式。在一些情况下，例如就环形微谐振器而言，该微谐振器沿径向可以为单模式或多模式。在一些情况下，例如就环形微谐振器而言，微谐振器150的行波导模162和164可以为该微谐振器的方位角模式。
光波导120和130可以是能够支持光导模的任何类型的波导。光波导120和130可以是一维波导(例如平面波导)，其中一维波导是指沿着单向的光局限。在一些情况下，光波导120和130可以是二维波导，其中二维波导是指沿着两个互相正交的方向的光局限。示例性的二维光波导包括信道波导、带状加载波导、菱纹或脊形波导、以及离子交换波导。
在示例性微谐振系统100中，第一光波导120的芯122和第二光波导130的芯132在其各自与微腔140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126和134处沿x-轴延伸。此外，芯122和132共线。通常，芯122和132在其各自与微腔140的接触点处可以平行或不平行。相似地，芯122和132在其各自与微腔140的接触点处可以共线或不共线。
在图1所示的示例性微谐振系统100中，光微腔140为沿着x-轴的长度为L1以及沿着y-轴的宽度为W1的矩形固体。通常，微腔140可以是能够主要支持一种或多种谐振模的任何光微腔。光微腔140的示例性形状包括球形、圆盘形、圆柱形、环形、螺旋形和跑道形。在一些情况下，微腔140可以是闭环微腔。
在一些情况下，光微腔140的宽度侧面113和114为充分反射性的，使得该微腔所允许的光模式沿着x-轴量化为离散模式。通常，当与微腔140的模式相关的有效折射率在包层和微谐振器之间的界面处不同于(例如充分不同于)包层的有效折射率时，该模式在该界面处发生强烈的反射。例如，如果(例如)微腔140支持的模式的有效折射率不同于(例如)光微谐振器150或光波导130支持的模式的有效折射率，那么宽度侧面(例如宽度侧面113或114)可以为充分反射性的。在一些情况下，光微腔140的长度侧面111和112为充分反射性的，使得该微腔所允许的光模式沿着y-轴量化为离散模式。
通常，光微谐振器150在耦合区域190光耦合到微腔140，该耦合区域包括表面154和156。通常，两个波导之间的耦合区域为这两个波导之间发生光耦合的区域(例如空间)。微谐振器的芯152和波导120的芯122之间的间距为d，其中d小于W1。
图6示出示意性的三维微谐振系统600，该系统包括光微谐振器650，光微谐振器650包括芯652，该微谐振器能够支持谐振模，并且在耦合区域690光耦合到光微腔640。耦合区域690限定了微谐振器和微腔之间的光示缝隙。
微谐振系统600还包括光波导620，该波导以光轴691为中心。光波导620包括芯622，该芯从微腔芯642延伸，从而限定了微腔和该波导之间的耦合区域695。
在图6所示的示例性微谐振系统中，微谐振器和微腔之间的光耦合采用渐逝耦合方式，而波导和微腔之间的光耦合为芯耦合。
在示例性的微谐振系统600中，微谐振器的芯652与光波导622在耦合区域690的间距为d，其中d通过将光轴691延伸超过耦合区域695并从耦合区域690绘制与该光轴垂直的线692来确定。尽管方向692沿着y-轴，但通常该方向可沿着不同的方向。微腔640沿着方向692具有最大尺寸W3。
微腔640在沿着与方向692正交的方向693具有最大厚度h1。在图6的示例性实施例中，方向693沿着z-轴。微腔640沿着一定方向(在这种情况下为x-轴，与方向692(y-轴)和693(z-轴)正交)具有最大尺寸L3。
图7示出光多模干涉耦合器(MMIC)700的示意性俯视图，其在(例如)Soldano等人的“Optical Multi-Mode Interference Devices Based onSelf-Imaging：Principles and Applications”Journal of LightwaveTechnology 13(4)，pp.615-626，April 1995(“基于自成像的光多模干涉装置：原理以及应用”，《光波技术期刊》13(4)，第615-626页，1995年4月)中有所描述。MMIC 700以沿着x-轴的光轴702为中心并包括矩形光腔730以及二维光波导710、715、720和725。光腔730具有芯732、包层705、第一输入口714、第二输入口719、第一输出口724、以及第二输出口729。光腔730沿着x-轴的长度为L以及沿着y-轴的宽度为W。
光波导710在光轴701上保持居中并具有芯712、包层705，并且在第一输入口714处光学芯耦合到腔730；光波导715在光轴703上保持居中并具有芯717、包层705，并且在第二输入口719处光学芯耦合到腔730；光波导720在光轴701上保持居中并具有芯722、包层705，并且在第一输出口724处光学芯耦合到腔730；光波导725在光轴703上保持居中并具有芯727、包层705，并且在第二输出口729处光学芯耦合到腔730。输入口714和719与光腔730的输入侧面或宽度侧面752相连，而输出口724和729与该光腔的输出侧面或宽度侧面754相连。
MMIC 700中的每一个光波导的芯宽度均为d2，并且与光腔芯732的最近长度侧面相距d1。光波导710与715的间距d3等于W-2(d1+d2)。光波导720与725的间距也为d3。
为了简便同时不丧失一般性，假定腔和四个波导具有折射率为n2的相同的包层705。还假设这四个波导的芯和光腔芯具有相同的折射率n1。
对于所关注的波长，腔芯732的长度侧面791和792为充分反射性的，同时芯732的宽度侧面752和754为充分透射性的，使得腔730允许的光模式沿着y-轴而不是沿着x-轴量化为离散模式。通过在该宽度的两个侧面上具有相同或基本相同的模式有效折射率，宽度侧面752和754中的每一个可以为充分透射性的。
由于宽度侧面752和754不是充分反射性的，因此光腔730能够主要支持沿着x-方向传播的非谐振模(例如非谐振导模)。MMIC的设计使得入射到(例如)第二输入波导715中的光在输入侧面752激发光腔730内的多个非谐振行波模。所述多个非谐振行波沿着x-轴传播并且在输出侧面754以这样的方式干涉，使得光腔中基本上所有的光射出该腔并且通过输出口724和729分别进入输出波导720和/或725。因而，由于MMIC的设计使得所述多个行波模没有任何部分或者至多极小部分在(例如)光腔730的输出侧面754反射，所以光腔730不能够主要支持谐振模。
在一些情况下，从输入侧面752沿x-轴行进并入射到输出侧面754上的光腔730的行波模的一小部分可以在该输出侧面反射。然而该反射很弱，使得入射波和反射波之间的任何光学干涉作用导致主要为非谐振模的模式。例如，在该输出侧面的反射很弱，使得入射波和反射波之间的任何光学干涉作用导致主要为非谐振行波模的模式而不是谐振驻波模。
第二输入波导中的光导模760能够激发光腔730内的行波电场Φ(x，y)，该行波电场可以具有作为x的函数的沿着y-轴的变化分布，其中为了简便同时不丧失一般性，假定x＝0对应输入侧面752。例如，如图7示意性所示，场Φ(0，y)具有基本以光轴703为中心的场分布740。应当理解，图7所示的特定场分布740仅为示例性而不是限制性。因此，不应将本发明所公开的实施例理解成限制为任何特定的场分布。
为了简便同时不丧失一般性，假定场Φ(x，y)不包括未导向的模式(例如辐射模式)，这样行波场Φ(x，y)可表示为光腔730的光导模的线性组合，如在Soldano等人的“Optical Multi-Mode Interference DevicesBased on Self-Imaging：Principles and Applications”，Journal ofLightwave Technology 13(4)，pp.615-626，April 1995(“基于自成像的光多模干涉装置：原理以及应用，《光波技术期刊》13(4)，第615-626页，1995年4月)中有所所述。图8示意性地示出该光腔的导模的一些实例，例如具有单个峰的零阶导模810、具有两个峰的一阶导模820、具有三个峰的二阶导模830以及具有四个峰的三阶导模840。
光腔730具有以下公式1给出的与该腔支持的模式相关的特性长度Lc：
L c = 4 n 1 W e 2 λ o (公式1)
其中n1为芯732的折射率，λ。为自由空间中的波长，We是对于所支持的模式而言光腔730的有效宽度。有效宽度We涵盖模式的渐逝尾部(例如尾部811和812)，并且可以不同于光腔730的宽度W1。
行波场Φ(x，y)沿x-轴周期性变化。例如，如图7示例性所示，在x＝(1/2)Lc处，行波场Φ((1/2)Lc，y)包括行波场741A和行波场741B；行波场741A与场740相似，并且基本上以光轴703为中心，行波场741B基本上为场741A的镜像，并且基本上以光轴701为中心。在光腔730的长度L等于(1/2)Lc的情况下，场741A能够在第二输出口729处基本耦合到第二输出波导725的导模，场741B能够在第一输出口724处基本耦合到第一输出波导720的导模。在这些情况下，来自导模760的光的大约50％转移至第二输出波导725，并且来自导模760的光的大约50％转移至第一输出波导720。因此，对于L＝(1/2)Lc的情况，MMIC耦合器700可称为50∶50耦合器。
又如，如图7示例性所示，在x＝Lc处，行波场Φ(Lc，y)包括行波场742，该场与场740的镜像相似，并且基本上以光轴701为中心。在光腔730的长度L等于Lc的情况下，场742能够在第一输出口724处基本耦合到第一输出波导720的导模。在这些情况下，来自导模760的光的大约100％转移至第一输出波导720，并且来自导模760的光的大约0％转移至第二输出波导725。因此，对于L＝Lc的情况，MMIC耦合器700可称为0∶100耦合器。
又如，在x＝(3/2)Lc处，行波场Φ((3/2)Lc，y)基本上与行波场Φ((1/2)Lc，y)相似。因此，对于L＝(3/2)Lc的情况，MMIC耦合器700为50∶50耦合器。
又如，如图7示例性所示，在x＝2Lc处，行波场Φ(2Lc，y)包括光腔730内的行波场744，该场与场740相似，并且基本上以光轴703为中心。在光腔730的长度L等于2Lc的情况下，场744能够在第二输出口729处基本耦合到第二输出波导725的导模。在这些情况下，来自导模760的光的大约100％转移至第二输出波导725，并且来自导模760的光的大约0％转移至第一输出波导720。因此，对于L＝2Lc的情况，MMIC耦合器700可称为100∶0耦合器。
因此，在公式2中给出了50∶50MMIC 700的最小长度L50∶50：
L 50 : 50 W e = 2 n 1 W e λ o , (公式2)
下面的公式3中给出了0∶100MMIC 700的最小长度L0∶100：
L 0 : 100 W e = 2 ( 2 n 1 W e λ o ) , (公式3)
为了简便同时不丧失一般性，假设光腔730在z-方向上为单模式腔，如果该腔满足以下关系，例如P.Yeh等人在Optical Waves inLayered Media，John Wiley and Sons，New York(1988)(“分层介质中的光波”，1988年)中所述，那么该光腔可以支持沿着y-方向的至少m种模式：
W e > m λ o 2 n 1 (公式4)
因此，以下表达式给出了50∶50MMIC 700的最小长度L50∶50：
L 50 : 50 W e > m (公式5)
以下表达式给出了0∶100MMIC 700的最小长度L0∶100：
L 0 : 100 W e > 2 m (公式6)
由于有效宽度We通常大于W，因此当用W取代We时，公式(5)和(6)仍然保持不变。通常，芯的折射率n1可在约1.5至约3.5的范围内，包层的折射率n2可在约1.44至约1.51的范围内。对于这些范围的n1和n2，有效宽度We大于W不超过约10％。
在多模式干涉耦合器中，光腔730必须为在y-方向能够支持至少两个行波导模(m≥2)的多模式腔，例如图8所示的导模810和820。因此，对于50∶50耦合器而言，比率L/W必须大于2；对于0∶100耦合器而言，比率L/W必须大于4。
在需要MMIC 700具有改善的性能(例如降低的光学损耗)的情况下，光腔730必须能够支持至少三个行波导模(m≥3)，例如导模810、820和830。在这些情况下，对于50∶50耦合器而言，比率L/W必须大于3；对于0∶100耦合器而言，比率L/W必须大于6。
重新参考图6，光微腔640能够主要支持一种或多种谐振模，例如谐振驻波模。在一些情况下，比率L3/W3为不大于约10、或不大于约6、或不大于约5、或不大于约4、或不大于约3、或不大于约2。在其他一些情况下，比率L3/W3为不大于约1、或不大于约0.8、或不大于约0.5、或不大于约0.3、或不大于约0.1。在一些情况下，光微腔640为与光微腔140类似的矩形腔。
在一些情况下，L3为不大于约50微米、或不大于约30微米、或不大于约20微米、或不大于约10微米。在其他一些情况下，L3为不大于约5微米、或不大于约3微米、或不大于约2微米、或不大于约1微米。在其他一些情况下，L3为不大于约0.8微米、或不大于约0.6微米、或不大于约0.5微米。
在一些情况下，光微腔640能够主要支持不超过100个谐振模、或不超过50个谐振模、或不超过20个谐振模、或不超过15个谐振模、或不超过10个谐振模、或不超过8个谐振模、或不超过5个谐振模。
在一些情况下，光微腔640能够主要支持至少1个谐振模、或至少2个谐振模、或至少5个谐振模、或至少10个谐振模。在一些情况下，光微腔640能够主要支持单一谐振模、或两个谐振模。
在一些情况下，微谐振系统600设计为主要工作在约0.3微米至约15微米、或0.3微米至约5微米、或约0.3微米至约2微米、或约0.4微米至约1.6微米、或约0.6微米至约1.6微米的波长范围内。在一些情况下，微谐振系统600设计为主要工作在约633nm、或在约850nm、或在约980nm、或在约1310nm、或在约1550nm、或在约10,600nm的波长上。
在示例性微谐振系统600中，光波导620通过芯耦合而光耦合到光微腔640。通常，光波导620可以使用任何可适于应用的耦合机制来光耦合到光微腔640。例如，光波导620可以通过渐逝耦合光耦合到光微腔640。
在示例性微谐振系统600中，光微腔640通过渐逝耦合光耦合到光微谐振器650。通常，光微腔640可以使用任何可适于应用的耦合机制光耦合到光微谐振器650。例如，如(例如)图1示例性所示，光微腔640可以通过芯耦合而光耦合到光微谐振器650。
图9示出微谐振系统900的示意性俯视图，该系统与微谐振系统100类似，不同的是用光微谐振器950取代了光微谐振器150。光微谐振器950能够支持谐振模999，并且包括芯952、第三光波导960以及第四光波导970。第三光波导960采用芯耦合方式通过第二表面156光耦合到光微腔140，并且该波导包括第一光栅934和第一端面956。第四光波导970采用芯耦合方式通过第一表面154光耦合到光微腔140，并且该波导包括第二光栅932和第二端面954。第三和第四光波导960和970以光轴965为中心。第一光栅934和第二光栅932中的每一个沿着光轴965具有周期性的折射率。在一些情况下，该周期性可以是周期性结构的结果，例如，蚀刻入波导或沉积到波导上的结构。在其他一些情况下，该周期性可以是(例如)在结构平滑的波导中折射率周期性变化的结果。
光栅932和934设计为将一种或多种波长上、或在一定波长范围内的光基本上反射。例如，光栅932可以将入射光980的相当大一部分反射为反射光981，并将其余光透射为透射光982。就谐振驻波模999而言，该驻波可以包括以相反方向传播的行波导模980和981。
在一些情况下，光栅932和934为能够将狭窄波长范围Δλ内的光基本反射，并将Δλ之外的光基本透射的布拉格光栅、或分布式布拉格光栅、或分布式布拉格反射器(DBR)。
在一些情况下，光栅932和934设计为将波长为微谐振系统900工作波长(例如谐振波长)的光基本反射。例如，光源110发出波长为λa(例如850nm)的光，而光栅932和934设计为将波长为λa的光基本反射，其中λa可以对应微谐振系统900的谐振模。
光栅或DBR 932和934限定了这两个光栅之间的法布里-珀罗腔，从而允许微谐振器950能够支持至少一种驻波导模。在一些情况下，光栅932和934中的一个或两个可以为线性调频脉冲光栅、或炫耀光栅、或方波光栅、或正弦光栅。通常，光栅932和934可以为具有足够反射率的任何类型的光栅。
在一些情况下，光栅932和934在微谐振系统900工作波长上的反射率为至少50％、或至少70％、或至少80％。
在示例性微谐振系统900中，光微谐振器950包括两个DBR，从而包括了用于反射光并形成驻波导模的机制。通常，光微谐振器950可以采用任何适于应用的方法来反射光。例如，在一些情况下，可以消除光栅932和934，并且通过显著地分别具有反射性的第一端面956和第二端面954，光微谐振器950可以能够形成驻波导模。在一些情况下，任一端面可以是平坦的或弯曲的。
在一些情况下，端面956和954主要为镜面反射性的。在这些情况下，端面956和954可以能够将光漫反射，但是任何该漫反射率相对于镜面反射率都是次要的。在一些情况下，光微谐振器950端面中的至少一个为至少50％镜面反射性、或至少60％镜面反射性、或至少80％镜面反射性。
在一些情况下，微谐振系统900可以包括光栅932和934以及反射端面956和954。例如，在一些情况下，光源110可以为在一定波长范围内发光的宽带光源。在这些情况下，光栅932和934可以为在整个该波长范围内提供高反射率的线性调频脉冲光栅。反射端面可以(例如)反射未由对应光栅反射的任何光。
微谐振系统900的工作波长可以通过调节光栅932和934来定制或严密限定。在一些情况下，可减小光栅932和934之间的间距来增大微谐振器950的自由光谱范围。减小该间距还可以导致总体较小的微谐振系统900。
微谐振系统900可以包括在输出表面136处并与第二光波导130进行光通信的检测器166。在一些情况下，在取代检测器166或除检测器166之外，还可以如图9示意性所示将检测器966设置为与第一光波导120进行光通信。
光源110能够发出光112，该光的至少一部分透过光波导120的输入表面124进入该波导，并且作为导模901沿着正x-轴传播。导模901能够激发微腔140的谐振模170。模式170继而能够激发沿着正x-轴传播的波导130的导模138、沿着负x-轴传播的波导120的导模902、以及光微谐振器950的谐振模999。
光学元件930将光902的至少一部分重新导向为朝向检测器966的光903。散射中心180光耦合到光微谐振器950，并且可以引起导模902的特性变化。通过检测该特性的变化，检测器966可以检测散射中心180的存在。
光学元件930通过(例如)将光902的至少一部分沿y-轴反射同时将入射光112的至少一部分透射进行重新导向。光学元件930可以为分束器。又如，光学元件930可以为光环行器。
在图1所示的示例性微谐振系统100中，光波导120和130通过芯耦合而不是渐逝耦合来光耦合到微腔140。微腔140和微谐振器150之间的光耦合为芯耦合。通常，该光耦合可以为芯耦合或渐逝耦合。
在示例性微谐振系统100中，(例如)波导120和微腔140之间的光耦合为横向耦合而不是竖直耦合。通常，该光耦合可以为横向耦合或竖直耦合，如在(例如)共同拥有的美国专利申请No.__________(代理卷号No.62451US002)中所述，该专利申请全文以引用的方式并入本文。
在一些情况下，波导120和130、微谐振器150、以及微腔140可以集成在共用基底上。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。此类集成可针对基底，也就是说对一些基底而言，集成可能较容易或可行，而对另外一些基底而言，集成可能较困难或不可行。例如，可以在基底(例如Si基底)上制造或形成检测器、微谐振器、微腔、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。
该集成可以为混合集成，在这种情况下，首先独立地制造元件中的至少一些，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粘合到基底上来实现。在这种情况下，可以将微谐振器、微腔和波导整体地集成到基底上。在一些情况下，粘合可能需要使光源和检测器与波导主动对齐。
图10示出了集成光学装置1100的示意性三维视图。光源110和检测器166集成到光学装置1100的基底1161上。波导120和130、微腔140以及跑道形微谐振器460具有上包层101以及下包层1165，并且集成到基底1161上。光源110与波导120之间由缝隙1101隔开，并且该光源包括集成到基底1161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，以便连接到(例如)外部电源和/或控制器(图10中未示出)。检测器166与波导130之间由缝隙1102隔开，并且该检测器包括集成到基底1161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，以便连接到(例如)外部电源和/或其他电子器件(图10中未示出)。
基底1161可以为刚性或柔性的。基底1161可以为透光或不透光的。该基底可以为聚合物型、金属、半导体、或任何类型的玻璃。例如，基底1161可以为硅。又如，基底1161可以为浮化玻璃，或其可由例如聚碳酸酯、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。
可以使用已知的制造技术制备微谐振器150、微腔140以及光波导120和130。示例性的制造技术包括照相平版印刷、印刷、浇铸、挤出、模压以及蚀刻(例如活性离子蚀刻或湿法化学蚀刻)。可以使用已知的方法，例如使用溅射、气相沉积、火焰水解、浇铸、或适于应用的任何其他沉积方法，来形成微谐振系统100中的不同层。
在一些情况下，光源110可以为发出(例如)白光的宽带光源。在一些情况下，光源110可以为窄带光源，例如可调式窄线宽激光光源。在一些情况下，检测器166可以为窄带检测器或该检测器可以为光谱灵敏检测器。例如，检测器166可以为光谱分析仪。在一些情况下，检测器166可以为宽带检测器。
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。
实例1：
使用有效的二维时域有限差分(FDTD)法，对类似于图1的微谐振系统100和图5B所示光学装置的光学装置进行了数值分析。对于该仿真，所有的芯均为折射率为3.5并且有效厚度为0.4微米的硅。光微谐振器为4微米长的线性部分430的跑道。弯曲部分436和438每一个均为具有1.6微米的内半径rs和0.2微米的宽度的半圆，这样微谐振器便具有7.6微米的长度L2和3.6微米的宽度W2。尺寸t1、t2、r1和r2中的每一个均为0.2微米。距离d为1微米，这样宽度W1便等于1.8微米。L1为0.6微米，这样比率L1/W1便为约0.33。上包层101为折射率为1的空气。下包层1165为折射率为1.46的二氧化硅。
在该仿真中，光源110为以离散的1飞秒长高斯脉冲形式发出光112的脉冲光源，在2微米处保持居中，具有1微米的半峰全宽(FWHM)。经检测器166检测，该宽带输入脉冲在约1微米至约3微米的范围内导致宽光谱响应。
图11示出在不存在散射中心180的情况下作为波长(单位：微米)的函数在检测器166处的计算的信号强度(曲线1101，相对于输入光强度的任意单位)。例如，该输出图线上的点1130对应在约1.385微米处的约60％透射。因此，在该波长处，约40％的输入光由于(例如)光学反射和/或散射而损失。
图11示出该微谐振系统在若干波长处具有高Q因子。例如，数值分析显示，该微谐振器的Q因子在约1.32微米处(位置1120)为1648以及在约1.52微米处(位置1110)为1510。Q因子可以定义为λo1/Δλo1，其中λo1为中心(谐振)波长，Δλo1为半峰全宽(FWHM)。
二维FDTD方法用于验证微腔主要支持的谐振模。光以微谐振系统的谐振频率入射到波导120中，同时监测微腔内作为时间的函数的电场最大值位置。结果显示，这些位置基本上静止，从而表明该微腔主要支持谐振驻波模。
实例2：
使用有效的二维FDTD方法，对类似于实例1装置的光学装置进行了数值分析，不同的是L1为1.2微米，这样比率L1/W1便为约0.67。
图12中的曲线1201示出在不存在散射中心180的情况下作为波长(单位：微米)的函数在检测器166处的计算的信号强度(相对于输入光强度的任意单位)。图12示出该微谐振系统在若干波长处具有高Q因子。例如，该微谐振器的Q因子在约1.22微米处(位置1220)为2600以及在约1.58微米处(位置1210)为2263。
针对该微谐振系统的谐振模，微腔内作为时间的函数的电场最大值位置的监测表明该微腔主要支持谐振驻波模。
实例3：
使用有效的二维FDTD方法，对类似于实例1装置的光学装置进行了数值分析，不同的是d为1.6微米，这样宽度W1便为2.4微米并且比率L1/W1为0.25。
图13中的曲线1301示出在不存在散射中心180的情况下作为波长(单位：微米)的函数在检测器166处的计算的信号强度(相对于输入光强度的任意单位)。图13示出该微谐振系统在若干波长处具高Q因子。例如，该微谐振器的Q因子在约1.30微米处(位置1320)为1854以及在约1.65微米处(位置1310)为2203。
针对该微谐振系统的谐振模，微腔内作为时间的函数的电场最大值位置的监测表明该微腔主要支持谐振驻波模。
实例4：
使用有效的二维FDTD方法，对类似于实例1装置的光学装置进行了数值分析，不同的是d为2.2微米，这样宽度W1便为3.0微米并且比率L1/W1为0.2。
图14中的曲线1401示出在不存在散射中心180的情况下作为波长(单位：微米)的函数在检测器166处的计算的信号强度(相对于输入光强度的任意单位)。图14示出该微谐振系统在若干波长处具有高Q因子。例如，该微谐振器的Q因子在约1.37微米处(位置1420)为1094以及在约1.54微米处(位置1410)为3090。
针对该微谐振系统的谐振模，微腔内作为时间的函数的电场最大值位置的监测表明该微腔主要支持谐振驻波模。
实例5：
使用有效的二维FDTD方法，对类似于实例1装置的光学装置进行了数值分析，不同的是d为2.8微米，这样宽度W1便为3.6微米并且比率L1/W1为约0.17。
图15中的曲线1501示出在不存在散射中心180的情况下作为波长(单位：微米)的函数在检测器166处的计算的信号强度(相对于输入光强度的任意单位)。曲线1502示出在存在散射中心180的情况下计算的输出信号强度。该散射中心为直径等于80内米、在约1550nm处的复折射率等于0.54+9.58i的球形金粒子。如图5B示意性所示，该散射中心沿着微谐振器的水平对称轴530布置(位置1)。在该粒子和微谐振器之间有50纳米的缝隙g1。图15示出该散射中心引起微谐振系统的至少多个谐振频率发生偏移。
图16A为曲线1501和1502在1.68微米附近(图15中的位置1510A)的放大图，该图示出散射中心180导致从具有约2100的Q因子峰1610A至具有约840的Q因子的峰1620A的相对大的约2.3纳米的偏移。图16B为曲线1501和1502在1.57微米附近(图15中的位置1510B1和1510B2)的放大图，该图示出散射中心180导致从峰1610B至峰1620B的相对大的约1.1纳米的偏移以及从峰1630B至峰1640B的大的约3纳米的偏移。
图16C为曲线1501和1502在1.37微米附近(图15中的位置1510C)的放大图，该图示出散射中心180导致从峰1610C至峰1620C的相对大的约1.2纳米的偏移。图16D为曲线1501和1502在1.31微米附近(图15中的位置1510D1和1510D2)的放大图，该图示出散射中心180导致从峰1610D至峰1620D的相对大的约0.45纳米的偏移以及从峰1630D至峰1640D的大的约0.7内米的偏移。
针对该微谐振系统的谐振模，微腔内作为时间的函数的电场最大值位置的监测表明该微腔主要支持谐振驻波模。
实例6：
使用有效的二维FDTD方法，对类似于实例5装置的光学装置进行了数值分析，不同的是金粒子沿着图5B中的弯曲部分438移动了距离g2＝0.42，到达位置2。在波长1.68微米处，距离g2等于λ/4，其中λ＝1.68微米对应图16A所示位置1610A处该微谐振系统的谐振频率。
图17中的曲线1702表示将金粒子设置于位置2时的计算的信号强度。曲线1702显示散射中心180导致从峰1710A至峰1730A的相对大的约2.8纳米的偏移。
实例7：
使用有效的二维FDTD方法，对类似于实例5装置的光学装置进行了数值分析，不同的是金粒子沿着图5B中的弯曲部分438移动到位置3，导致角度αg等于45度。
图17中的曲线1701表示将金粒子设置于位置3时的计算的信号强度。曲线1701显示散射中心180导致从峰1710A至峰1720A的相对大的约2.2纳米的偏移。
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。通常，物理实施例可以具有不同的取向，在这种情况下，以上术语旨在指修改为装置实际取向的相对位置。例如，即使相比图中取向将图10中的构造倒置，包层1165仍应视为“下”包层。
虽然为了有助于说明本发明的多种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，其目的并不是将本发明限制于实例的具体内容。相反，其目的在于涵盖落在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有变化形式、实施例和可供选择的形式。

Claims (42)

1.一种光微谐振器系统，包括：
第一光波导，所述第一光波导能够支持导模；
光微腔，所述光微腔光耦合到所述第一光波导，并能够主要支持一种或多种谐振模，所述第一光波导的所述导模激发所述一种或多种谐振模的第一谐振模；以及
光微谐振器，所述光微谐振器光耦合到所述微腔，并能够支持第二谐振模，所述第一谐振模激发所述第二谐振模。
2.根据权利要求1所述的光微谐振器，其中所述第一谐振模包括第一行波模，并且所述第二谐振模包括第二行波模。
3.根据权利要求1所述的光微谐振器，其中所述第一谐振模包括第一驻波模，并且所述第二谐振模包括第二驻波模。
4.根据权利要求3所述的光微谐振器，其中所述第一驻波模包括第一和第二行波导模，其中所述第二驻波模包括第一和第二行波导模，并且其中：
所述第一驻波模的所述第一行波导模主要光耦合到所述第二驻波模的所述第一行波导模；以及
所述第一驻波模的所述第二行波导模主要光耦合到所述第二驻波模的所述第二行波导模。
5.根据权利要求1所述的光微谐振器，其中所述微腔为矩形固体。
6.根据权利要求1所述的光微谐振器，其中所述微谐振器在第一耦合区域中光耦合到所述微腔，所述微谐振器在所述第一耦合区域处与所述波导相距的距离为d，所述距离限定第一方向，所述微腔沿着正交所述第一方向的第二方向具有最大厚度h1，所述微腔沿着所述第一方向具有最大尺寸W1，并且沿着正交所述第一和第二方向的第三方向具有最大尺寸L1，其中L1/W1为不大于约10。
7.根据权利要求6所述的光微谐振器，其中L1/W1为不大于约5。
8.根据权利要求6所述的光微谐振器，其中L1/W1为不大于约2。
9.根据权利要求6所述的光微谐振器，其中L1/W1为不大于约1。
10.根据权利要求6所述的光微谐振器，其中L1为不大于约10微米。
11.根据权利要求6所述的光微谐振器，其中L1为不大于约5微米。
12.根据权利要求6所述的光微谐振器，其中所述微谐振器沿着所述第一方向具有最大尺寸W2，沿着所述第二方向具有最大厚度h2，并且沿着所述第三方向具有最大尺寸L2，其中W2和L2基本上相等。
13.根据权利要求1所述的光微谐振器，其中所述光微谐振器为微环形和跑道形中的一种。
14.根据权利要求1所述的光微谐振器，其中所述光微谐振器为单横向模式微谐振器。
15.根据权利要求1所述的光微谐振器，其中所述光微腔能够支持不超过100个波长在约0.3微米至约5微米的范围内的谐振模。
16.根据权利要求1所述的光微谐振器，其中所述光微腔能够支持不超过20个波长在约0.3微米至约5微米的范围内的谐振模。
17.根据权利要求1所述的光微谐振器，其中所述光微腔能够支持至少两个波长在约0.3微米至约5微米的范围内的谐振模。
18.根据权利要求1所述的光微谐振器，还包括第二光波导，所述第二光波导能够支持导模并且光耦合到所述光微腔。
19.根据权利要求18所述的光微谐振器，其中所述第一和第二光波导共线。
20.根据权利要求1所述的光微谐振器系统，其中所述微腔通过芯耦合而光耦合到所述第一波导，并且其中所述微谐振器通过芯耦合而光耦合到所述微腔。
21.一种光微谐振器系统，包括：
矩形光微腔，所述矩形光微腔的厚度尺寸为h、宽度尺寸为W、以及长度尺寸为L；
输入光波导，所述输入光波导光耦合到所述微腔；以及
光微谐振器，所述光微谐振器沿着所述微腔的长度方向光耦合到所述微腔，其中L/W为不大于约6。
22.根据权利要求21所述的光微谐振器系统，其中所述微腔能够主要支持一种或多种谐振模。
23.根据权利要求22所述的光微谐振器系统，其中所述一种或多种谐振模中的每一种均为行波模。
24.根据权利要求21所述的光微谐振器系统，其中所述光微谐振器通过芯耦合而光耦合到所述微腔。
25.根据权利要求21所述的光微谐振器系统，其中所述输入光波导通过芯耦合而光耦合到所述微腔。
26.根据权利要求21所述的光微谐振器系统，其中L/W为不大于约2。
27.根据权利要求21所述的光微谐振器系统，其中L/W为不大于约1。
28.根据权利要求21所述的光微谐振器系统，还包括输出光波导，所述输出光波导光耦合到所述微腔。
29.根据权利要求28所述的光微谐振器系统，其中所述输出光波导通过芯耦合而光耦合到所述微腔。
30.根据权利要求28所述的光微谐振器系统，其中所述输入和输出光波导共线。
31.一种光传感器，包括：
微谐振器系统，所述微谐振器系统能够支持第一谐振模，并且包括：
光微谐振器；
光微腔，所述光微腔能够主要支持一种或多种谐振模，所述光微腔被光耦合到所述光微谐振器；以及
第一光波导，所述第一光波导光耦合到所述光微腔；
光源，所述光源与所述第一光波导进行光通信，并能够以与所述微谐振器系统的所述第一谐振模相对应的波长发光；以及
检测器，所述检测器与所述微谐振器系统进行光通信，所述检测器能够检测所述第一谐振模的特性，使得当使被分析物邻近所述微谐振器系统时所述第一谐振模的所述特性发生变化，所述检测器检测所述变化。
32.根据权利要求31所述的光传感器，其中所述光微腔的所述一种或多种谐振模中的每一种均为驻波模。
33.根据权利要求31所述的光传感器，其中所述特性包括所述第一谐振模的强度。
34.根据权利要求31所述的光传感器，其中所述特性包括所述谐振模的波长。
35.根据权利要求31所述的光传感器，其中所述特性包括所述谐振模的相位。
36.根据权利要求31所述的光传感器，其中所述微谐振器沿着所述微腔的长度方向光耦合到所述微腔，所述微腔的长度尺寸为L、宽度尺寸为W，L/W为不大于约6。
37.根据权利要求36所述的光传感器，其中L/W为不大于约1。
38.一种光微谐振器系统，包括：
第一光波导，所述第一光波导能够支持导模；
光微腔，所述光微腔光耦合到所述第一光波导，并能够主要支持一种或多种谐振模，所述第一光波导的所述导模激发所述一种或多种谐振模的第一谐振模；以及
光学法布里-珀罗腔，所述光学法布里-珀罗腔光耦合到所述微腔，并能够支持第二谐振模，所述第一谐振模激发所述第二谐振模。
39.根据权利要求38所述的光微谐振器系统，其中所述法布里-珀罗腔包括一个或多个光栅。
40.根据权利要求38所述的光微谐振器系统，其中所述法布里-珀罗腔包括一个或多个镜面反射性端面。
41.根据权利要求38所述的光微谐振器系统，其中所述光微腔的所述一种或多种谐振模中的每一种均为驻波模。
42.根据权利要求38所述的光微谐振器系统，其中所述光微腔的所述一种或多种谐振模中的每一种均为行波模。
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