CN102326108A

CN102326108A - 光学微谐振器系统

Info

Publication number: CN102326108A
Application number: CN2009801574231A
Authority: CN
Inventors: 巴里·J·科赫; 特里·L·史密斯; 张俊颖; 易亚沙
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2012-01-18
Also published as: EP2382497A2; WO2010078057A2; US20120012739A1; WO2010078057A3

Abstract

本发明公开了一种光学装置，包括：光源(102)；光学微谐振器(118)，其支持沿第一方向传播的至少第一光学导向模式(128)和沿与所述第一方向不同的第二方向传播的至少第二光学导向模式(164)；以及检测器(110，114)。至少所述第一光学导向模式由发射的宽带光激发，而所述第二光学导向模式不由发射的宽带光激发。在一些实施例中，所述检测器接收并且波长平均化来自所述光学微谐振器的至少第二光学导向模式的光。在一些实施例中，所述光源、所述微谐振器和所述检测器中的至少一者是可调谐的。

Description

光学微谐振器系统

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

对于生物、化学和气态物质的检测而言，光学传感成为一项重要的技术。光学传感可提供速度和灵敏度方面的优势。近年来，已经开发出多种新型光子结构和材料来制造非常灵敏的光学装置。

一种用于被分析物检测的光学传感方法使用了集成光波导。这种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质。但是为了获得用于多种分析应用的足够的光学信号变化，集成光波导化学分析可能需要大型传感装置(通常为数厘米长)。

目前正针对生物、化学和气体传感中的应用对光学微谐振器进行深入的研究。光学微谐振器是可具有高品质因数(Q因数)的非常小的装置，其中Q因数通常指谐振波长与谐振线宽之比。例如，由玻璃球体制成的微谐振器可用来制作非常灵敏的光学传感器，这是由于在微球体谐振器内捕获的光多次循环，从而制备具有高Q因数(＞10⁶)的装置，所述装置使得微球表面上的被分析物与在谐振器内循环的光之间的光学相互作用有效增强。在光学微谐振器传感器中，第一主波导用于激发靠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。然后将被分析物放置在微谐振器模式的渐逝场内。通过谐振频率的偏移来检测传感器的折射率变化。可经由第一主波导的通过端口或通过使用连接至检测器的第二主波导的分光端口从微谐振器提取偏移的光谱。

为了制造光学传感器，已经研究了多种光学微谐振器，但微球体、微环和微盘最受关注。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。可采用诸如干/湿刻蚀和层沉积等制造技术调节它们相对于波导的位置。然而这些谐振器的Q因数通常在10⁴以下，至少部分原因是由于表面粗糙度和材料吸收性能。

在采用微谐振器传感的常规方法中，被分析物与微谐振器的表面的结合导致微谐振器的有效折射率发生小的变化。这导致谐振光谱中波峰的波长位置发生小的偏移。这些偏移通常在皮米范围内。为了检测这种小偏移，需要昂贵的设备来进行光谱分析。此外，微谐振器必须设计具有非常窄的线宽，以使得能够检测到小的波峰偏移。这要求高精度(自由光谱范围除以线宽)，或换句话讲，高品质因数(工作波长除以线宽)的微谐振器。这转化为微谐振器中对低损耗波导的需要以及微谐振器与主波导之间的弱耦合的需求，以便检测小的频率偏移。还要求微谐振器系统以高精度和小误差制造，结果制造这些系统价值不菲。

需要采用制造成本较低的微谐振器的改进的光学传感系统。

发明内容

一般而言，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。

本发明的一个实施例涉及一种光学装置，其包括：光源，其能够发射宽带光；以及光学微谐振器，其支持沿第一方向传播的至少第一光学导向模式和沿与第一方向不同的第二方向传播的至少第二光学导向模式。至少所述第一光学导向模式由发射的宽带光激发，而所述第二光学导向模式不由发射的宽带光激发。宽带光电检测器布置用于接收和波长平均化来自光学微谐振器的至少第二光学导向模式的光。

本发明的另一个实施例涉及一种操作光学传感系统的方法。该方法包括：将来自光源的宽带光耦合到微谐振器中的第一组光学导向模式中的至少一个，第一组光学导向模式在微谐振器内沿第一方向传播；以及将第一组光学导向模式中的至少一个的光的至少一部分耦合到第二组光学导向模式中的至少一个，第二组光学导向模式在微谐振器中沿不同于第一方向的第二方向传播。使用宽带的、波长平均化的光电检测器检测来自第二组光学导向模式中的至少一个的光的至少一部分。

本发明的另一个实施例涉及一种光学装置，其包括：宽带光源，其能够发射宽带光；以及光学微谐振器，其支持沿第一方向传播的第一多个光学导向模式和沿与第一方向不同的第二方向传播的第二多个光学导向模式。来自宽带光源的宽带光激发第一多个光学导向模式中的至少一个，而基本不激发第二多个光学导向模式。可调谐检测器布置用于接收来自光学微谐振器的第二多个光学导向模式中的至少一个的光。

本发明的另一个实施例涉及一种操作光学传感系统的方法，其包括：将来自宽带光源的光耦合到微谐振器中的第一组光学导向模式中的至少一个，第一组光学导向模式在微谐振器内沿第一方向传播。将第一组光学导向模式中的至少一个的光的至少一部分耦合到第二组光学导向模式中的至少一个，第二组光学导向模式在微谐振器中沿与第一方向相反的第二方向传播。在可调谐检测器处接收来自第二组光学导向模式中的至少一个的光。检测接收到的光的选定波长部分。

本发明的另一个实施例涉及一种光学装置，其具有：窄带光源，其能够发射窄带光；以及光学微谐振器，其支持沿第一方向传播的第一多个光学导向模式和沿与第一方向不同的第二方向传播的第二多个光学导向模式。来自窄带光源的窄带光激发第一多个光学导向模式中的至少一个，而基本不激发第二多个光学导向模式。光学微谐振器包括芯和调谐元件，调谐元件耦合以调谐微谐振器的谐振模式频率。当微谐振器进行调谐时，宽带检测器接收来自光学微谐振器的第二多个光学导向模式中的至少一个的光。

本发明的另一个实施例涉及一种操作光学传感系统的方法，其包括：将来自光源的光耦合到微谐振器中的第一组光学导向模式中的至少一个，第一组光学导向模式在微谐振器内沿第一方向传播。在第一频率范围上调谐微谐振器的第一组光学导向模式。将第一组光学导向模式中的至少一个的光的至少一部分耦合到第二组光学导向模式中的至少一个，第二组光学导向模式在微谐振器中沿与第一方向相反的第二方向传播。当在第一频率范围上调谐第一组光学导向模式时，使用宽带的、波长平均化的光电检测器检测来自第二组光学导向模式中的至少一个的光的至少一部分。

本发明的另一个实施例涉及一种光学装置，其包括：可调谐光源，其能够发射光；以及光学微谐振器，其支持沿第一方向传播的第一多个光学导向模式和沿与第一方向不同的第二方向传播的第二多个光学导向模式。由可调谐光源发射的光激发第一多个光学导向模式中的至少一个，而基本不激发第二多个光学导向模式。宽带检测器布置用于接收来自光学微谐振器的第二多个光学导向模式中的至少一个的光。

本发明的另一个实施例涉及一种光学装置，其包括：窄带光源，其能够发射光；以及光学微谐振器，其支持沿第一方向传播的第一多个光学导向模式和沿与第一方向不同的第二方向传播的第二多个光学导向模式。由光源发射的光激发第一多个光学导向模式中的至少一个，而基本不激发第二多个光学导向模式。频率选择检测器布置用于接收来自光学微谐振器的第二多个光学导向模式中的至少一个的光。

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示意性地示出根据本发明原理的采用谐振模式散射的微谐振器系统的实施例；

图2和3示意性地示出穿过根据本发明原理的图1所示类型集成微谐振器系统的实施例的剖视图；

图4示意性地示出根据本发明原理的采用谐振模式散射的微谐振器系统的另一个实施例；

图5示意性地示出根据本发明原理的图4所示类型的集成微谐振器系统的实施例的剖视图；

图6-9示意性地示出根据本发明原理的采用谐振模式散射的微谐振器系统的另外的实施例；和

图10示意性地示出根据本发明原理的可调谐微谐振器的实施例。

在说明书中，多个附图中使用的相同附图标记是指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

本发明描述了近期开发的采用微谐振器进行光学传感的方法，其中散射中心朝向或远离微谐振器的移动引起微谐振器系统中信号的显著增强。这种信号的增强使得能够使用比以前的微谐振器传感系统更便宜的光源和检测器。

本发明的一些实施例允许在一个系统中一起使用宽带光源和检测器，或在其它实施例中，容许使用具有宽带检测器的窄带可调光源。在其它实施例中，宽带元件的各种组合与可调谐元件一起使用。使用宽带元件的优点是降低了整个系统的成本。

现在参照图1的示意性俯视图描述微谐振器-波导系统100的一个实施例。光学系统100包括光学微谐振器118、第一光波导104和可任选的第二光波导132。光波导104、132光学耦合至微谐振器118。在一些实施例中，例如如图2和3中示意性所示，微谐振器118和波导104、132以单片形成，例如作为生长在下包层105上的元件，该下包层105布置在基板103上。

通过施加一个或多个边界条件，诸如一个或多个周期性条件，微谐振器118允许的光学模式通常被量化为离散模式。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。

本文所用术语“光学模式”是指在光学构造中允许的电磁场；术语“辐射”或“辐射模式”是指在光学构造中不受限制的光学模式；术语“导向模式”或“导向光学模式”是指由于存在相对高折射率区域而在光学构造内至少在一维上受限的光学模式；以及术语“谐振模式”指在受制于光学构造中附加的边界条件要求的导向模式，其中该附加要求本质上可为周期性的。

谐振模式通常为离散的导向模式。在一些情况下，谐振模式可以能够耦合到辐射模式。一般来讲，微谐振器118的导向模式可为谐振或非谐振模式。例如，光学模式128和164可为微谐振器118的谐振模式。

在一些情况下，当保持恒定电场振幅分布时，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。在这种情况下，即便由于例如吸收或辐射损耗使该模式逐渐损失能量，传播模式的形状或分布随时间推移仍基本保持相同。在一些情况下，第一导向光学模式128的传播方向与第二导向光学模式164的传播方向相反。

参照图1-3，第一主波导104接收来自光源102的光。接收来自光源102的光的波导104的端部为输入端口106。波导104的另一端部称为通过端口108。

输入端口检测器110可位于输入端口106处。在一些实施例中，光学元件112与光源102、输入检测器110和输入端口106光学连通，从而将输入光124导向到输入端口106，和/或将朝向输入端口106行进的光从第一主波导104导向到输入检测器110。在某些实施例中，光学元件112可为分光器，诸如部分反射镜或光环形器。输入端口检测器110经由光学元件112与第一主波导104光学连通。

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。微谐振器118光学耦合至第一主波导104，可以是如图1示意性所示的渐耦合，或可以是后面讨论的直接耦合。在输入端口106处输入的光能够主要光学耦合至第一谐振模式128。将来自光源102的光124射入第一主波导104，并沿着第一主波导104向通过端口108传播。光124中的一部分在第一主波导104之外耦合至微谐振器118。通常，光耦合至微谐振器118的一个或多个谐振模式，诸如第一谐振光学模式128。微谐振器118可由至少部分包围芯120的包层122构成。在一些实施例中，例如如图2和3中所示，包层122可覆盖芯120的顶部及侧面。在一些情况下，包层122可例如在不同位置包含不同的材料。例如，包层122的一些区域可包含水或空气，而上包层的一些其他区域可包含诸如玻璃等其他材料。通常，包层122由一种材料或多种材料形成，这些材料的折射率低于芯120的折射率，从而限制进入芯120的光。

在所示的实施例中，将第二主波导132设置成与微谐振器118光学连通。第一分光端口136位于第二主波导132的一端，而第二分光端口138位于第二主波导的另一端。第一分光端口136主要能够光学耦合至第一谐振光学模式128，而不是耦合至第二谐振光学模式164。第二分光端口138主要能够光学耦合至第二谐振光学模式164，而不是耦合至第一谐振光学模式128。在一些实施例中，第一谐振光学模式128中的光围绕微谐振器沿第一方向传播，使得第一谐振光学模式128之外的耦合到第二主波导132在的光主要朝向第一分光端口136导向。同时，第二谐振光学模式164中的光围绕微谐振器118沿相反方向传播，使得第二谐振光学模式164之外的耦合到第二主波导132中的光148主要朝向第二分光端口138导向。第二分光端口检测器144可位于第二分光端口138处。也可将另一检测器(未示出)设置在第一分光端口136处。

可将微谐振器118设置为与波导104和132直接接触或非常接近，从而使沿波导传播的光的一部分渐耦合到微谐振器118中。另外，在微谐振器118内传播的光的一部分会渐耦合到波导104和132中。

图2示意性地示出沿第一主波导104的轴线穿过第一主波导104的实施例的剖视图。图3示意性地示出垂直于第一主波导104的轴线穿过微谐振器118和两个主波导的剖视图。第一和第二光波导104、132中的每一个可由布置在多个包层之间的芯形成。例如，第一光波导104具有厚度为h₂且布置在上包层122与下包层105之间的芯。类似地，第二光波导132可具有厚度为h₃且布置在上包层122与下包层105之间的芯。在一些情况下，包层122可包括空气或水。

在图1-3的示例性光学装置100中，微谐振器118、光波导104和132具有不同的厚度h₁、h₂和h₃。通常，h₁、h₂和h₃的值可相同或者可不同。在一些应用中，微谐振器118与光波导104和132具有相同厚度。

外部散射中心150对微谐振器系统100运行的影响是光学系统中令人关注的方面。但是，在描述散射中心150的影响之前，将描述没有散射中心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常规方法中，微谐振器118的芯120的表面149具有能够与被分析物以特定化学方式结合的功能。被分析物结合至微谐振器118的表面使微谐振器118内传播的光受到的有效折射率有小变化，这将使谐振器光谱中波峰的波长位置偏移。在通过端口108和第一分光端口136处检测的光中可观察到这些偏移。因此，检测到通过端口108处透射光谱的凹陷和/或第一分光端口136处的波峰的偏移可表明存在被分析物。存在其它使用微谐振器进行传感的常规方法，在美国公开专利申请2006/0062508中详细说明了各种方法的一些实例，该申请以引用方式并入本文。

由光源102发射的光124通过第一主波导104传播，微谐振器118与在第一主波导104之外的光124的一部分耦合，使得外耦合的光在微谐振器118内以微谐振器118的一个或多个谐振频率下，例如以第一光学谐振模式128传播。微谐振器的谐振模式的一个实例为“回音壁模式”。在几何光学中，回音壁模式(WGM)中的光线围绕微谐振器从起点经由若干全内反射传播，直到返回该起点。在这些WGM中，从起点开始的光的相位与围绕微谐振器一次行程之后的光的相位相同，因此WGM为谐振模式。除WGM之外，许多其他谐振模式也可用于微谐振器。

对不存在散射中心150的高质量微谐振器118而言，第一谐振模式128中的光耦合至通过端口108和分光端口136，在那里检测器可检测到微谐振器中谐振频率的光谱。谐振模式128弱耦合或基本不耦合到第二分光端口138或输入端口106。通过端口输出图151示出在通过端口108处检测到的光谱的实例，显示了光强随波长的变化。图线152(实线)为不存在散射中心时可以检测到的光谱的实例。图线152示出光在大部分波长下沿着第一主波导104传播至通过端口108，多个光强极小值表示耦合至微谐振器118的那些波长。例如由于被分析物结合到微谐振器118的表面，因而使在微谐振器118内传播的光受到的有效折射率发生改变。有效折射率中的变化导致光强极小值的波长以几皮米的数量级偏移。因此在常规的传感系统的一个实施例中，可检测到被分析物与微谐振器的表面149的结合。

类似地，在微谐振器118内传播的第一导向光学模式128中的光以光146耦合至第二主波导132，且在第一分光端口136处可检测到。分光端口输出图160示出在第一分光端口136处检测到的光谱的实例，显示了随波长变化的光强。图线162(实线)为不存在散射中心时可检测到的光谱的实例。图线162的波峰表示在微谐振器118的谐振模式之外耦合的光。当由于被分析物结合至波导的表面149而微谐振器118的有效折射率改变时，这些峰经历了几皮米数量级的偏移。

为了在第一分光端口136或通过端口108处检测到几皮米数量级的光谱偏移，可使用相当昂贵的可调谐的窄线宽激光源来扫描谐振器输出光谱的相关光谱区域。或者，可同时使用宽带光源和光谱分析器，这样的组合通常价值不菲。此外，设计出具有相对窄线宽的谐振模式的微谐振器118，从而可检测皮米量级的小的波峰偏移。当精度高时，微谐振器产生窄线宽，其中精度被定义为自由光谱范围除以线宽。高精度的微谐振器也具有高品质因数，该品质因数被定义为工作波长除以线宽。窄线宽可例如通过使用弱耦合到主波导的低损耗谐振器实现。这些要求使得对微谐振器118的制造工艺要求更高，从而导致传感系统更加昂贵。

与上述示例性传感方法相比，散射中心的使用导致在分光端口136和通过端口108处谐振波峰的光谱位置发生较大的变化，通常在纳米数量级而非皮米数量级。此外，观察到谐振器的宽带传输特性的变化较大。这些传输特性可在第二分光端口138和输入端口106处观察到，并且有可能通过降低对来自光源102光的线宽和/或检测器的波长分辨率的要求来简化系统。

根据本发明一些实施例，在传感事件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光学耦合到微谐振器，或将散射中心从与微谐振器的光学耦合移除。当散射中心光学耦合至微谐振器时，谐振器的一个或多个谐振模式的光场与散射中心重叠。

散射中心150是使微谐振器118的谐振模式沿传播方向受到的有效折射率具有一些空间非均匀性的元件。非均匀性的大小取决于若干因素，包括微谐振器芯120和包层122的折射率，以及散射中心150的折射率。非均匀性的大小还取决于散射中心150与芯120之间的空间间距：当散射中心150靠近芯120时，非均匀性尺寸增大。

当光学耦合至微谐振器118时，散射中心150能够扰乱微谐振器118内谐振模式的波函数，从而使能量从由输入光源102激发的模式传递到不是由输入光源102激发的模式，或传递到仅最低限度地由来自输入光源102的光激发的模式。在本实施例中，第一谐振光学模式128由来自光源102的光激发，而第二光学谐振模式164基本保持不由来自光源102的光激发。当散射中心充分紧密地靠近微谐振器118时，光从第一光学谐振模式128散射为第二光学谐振模式164。在一些实施例中，散射中心150的存在增加了从第一模式至第二模式的能量传递，即使不存在散射中心时也会发生一些从第一模式至第二模式的一些能量传递。此外，在诸如图1中所示的一些实施例中，由来自光源102的光直接激发的第一光学谐振模式128中的光围绕微谐振器118沿第一方向传播，而通过第一光学谐振模式128的散射而激发的第二光学谐振模式164中的光围绕微谐振器118沿与第一方向相反的第二方向传播。

可与本发明的传感方法一起使用的散射中心的实例包括颗粒，例如纳米颗粒。如本文所用，术语“纳米颗粒”指具有最大尺寸为约1000纳米或少于1000纳米的颗粒。在某些实施例中，散射中心至少为20纳米、至多100纳米，或者至少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，或者至少10纳米且至多150纳米。在本发明的一些实施例中，可用具有尺寸大于1000纳米的颗粒作为散射中心。

在本发明的一些实施例中，与在传感事件过程中包围散射中心的介质相比较，该介质可为水，散射中心具有高折射率差。在本发明的一个实施例中，散射中心具有高吸收值。例如，散射中心材料的复折射率的虚部为至少1。

在一些情况下，例如就一些诸如金等金属的情况而言，散射中心的折射率的实部小于1。在其他一些情况下，例如硅的情况，散射中心的折射率的实部大于2.5。

适于本发明所使用的散射中心的实例包括但不限于：半导体颗粒和金属颗粒，所述金属颗粒包括金和铝颗粒。在一些情况下，散射中心可以是半导体，例如Si、GaAs、InP、CdSe、或CdS。例如，散射中心可以是硅颗粒，该硅颗粒具有80纳米的直径，所关注的波长的折射率为3.5(实部)。散射中心的另一个实例是金颗粒，其直径为80纳米，对1550nm附近波长的折射率为0.54+9.58i。散射中心的另一个实例是铝颗粒，其直径为80纳米，对1550nm附近波长的折射率为1.44+16.0i。

在其它实施例中，散射中心可以是电介质颗粒，例如金属氧化物、金属氮化物或金属氧氮化物，或者可由诸如聚合物、共混聚合物等有机材料构成。该颗粒可由磁性材料形成。散射中心可以由荧光材料形成或不由荧光材料形成。在一些实施例中，散射中心可为芯壳颗粒，例如芯壳纳米颗粒，其中第一材料的芯由第二材料的外壳包封。但是并不打算限制可以用于芯壳颗粒的材料，以上列出的任何材料可用于壳或芯两者中的任何一个。例如，芯壳颗粒可包括由有机外壳覆盖的金属芯。另外，芯材料可包含液体或气体，诸如空气。

当散射中心150与微谐振器118光学连通时，通常为渐逝的光学连通，第一谐振光学模式128的光被散射为至少第二导向光学模式164，该第二导向光学模式164与第一谐振光学模式128不同。第二导向光学模式164中的光主要耦合至输入端口106和第二分光端口138。曲线图166示出第二分光端口138处输出的光的光谱。实线168为不存在无散射中心150时，或将散射中心150完全从芯120移除而没有散射发生时，即基本上没有光或非常少的光传播到第二分光端口138时，输出光的图线。图线169(虚线)示出散射中心150与微谐振器118光学连通时，第二分光端口138处输出的光的光谱。图线169中可观察到明显的波峰。散射中心150的存在使宽范围的工作频率的能量传递至第二分光端口138。因此，可以通过监测第二分光端口138处的输出来检测散射中心150是否附接至微谐振器118。可针对特定波长处的较大波峰和/或全部波长范围的较大的光输出来监测该输出。

对于输入端口106出射的光也可观测到类似的变化。图170示出了由输入端口检测器110检测的从输入端口106输出的光的光谱。图线172(实线)示出不存在散射中心150时的光输出，该光输出在所有波长范围为0或接近于0，或者至少振幅很小。图线174(虚线)示出散射中心150与微谐振器118光学连通时光输出的光谱。与图线172相比，图线174中可观察到明显的波峰。因此散射中心的存在会使宽范围的工作波长传递的能量反射回输入端口106。因此，通过监测输入端口106的光的输出可以检测散射中心150是否附接至微谐振器118上。可针对特定波长处的较大波峰和/或全部波长范围的较大的光输出来监测该输出。

在输入端口106、第二分光端口138或在输入端口106和第二分光端口138两处都可观察到由于散射中心150引起的从第一谐振模式128至第二谐振模式164的光学散射。相应地，各实施例仅在输入端口106处包括检测器、仅在第二分光端口138处包括检测器，或在输入端口106和第二分光端口138两处都包括检测器。散射中心150与微谐振器118之间光学耦合中的改变也可能会在通过端口108和分光端口136处观察到的输出中引起变化。

在一些实施例中，折射率与环境包层材料的折射率不同的散射中心可引起纳米数量级的明显的谐振频率偏移。例如，在许多生物传感应用中，环境包层材料是水。在一些情况下，包层的折射率与散射中心的折射率之间差异较大。每个折射率可为复折射率。图1中概念性地示出了所得的频率偏移。在通过端口108处，曲线图151的实线152示出不存在散射中心的情况下在通过端口检测器114处检测到的光谱。图线176(虚线)示出当散射中心与微谐振器光学耦合时检测到的光谱，与图线152相比，波峰发生了偏移。在示例性曲线图151中，与例如散射中心的折射率的实部大于包层材料的折射率相对应，图线152和176之间的偏移朝向更长的波长移动或为红移。

在分光端口136可以看到类似的改变，其中图线178(虚线)示出存在散射中心150时检测到的光谱，图线162(实线)示出不存在散射中心150时检测到的光谱。

采用散射中心的微谐振器传感系统在以下专利中有进一步的说明：2006年12月1日提交并且2008年6月5日公布的共同所有的美国专利申请No.2008/0129997A1；2006年12月1日提交并且2008年6月5日公布的美国专利申请No.2008/0131049A1，以上两个申请均以引用方式并入本文中。

当将散射中心150从与微谐振器118光学邻近的位置移除时，该移除引起了第一和第二导向光学模式128和164之间光学散射的变化。检测器110或144可检测导向光学模式128与164之间传递的能量的变化，并且通过这样做能够检测散射中心150的移除。

散射中心150与微谐振器118之间的光学耦合强度的变化可引起第一与第二导向光学模式128与164之间的光学散射的变化。可以通过多种方式实现散射中心150与微谐振器118之间的光学耦合强度的变化。例如，散射中心150与微谐振器118之间的间距“d”的变化可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150的折射率n_s的变化可以改变散射中心和微谐振器之间的光学耦合的强度。通常，任何可以导致散射中心150与微谐振器118之间的光学耦合强度变化的机制都可以引起导向模式128与164之间的光学散射的变化。

可将光学系统100用作能够感测例如被分析物的传感器，。例如，微谐振器118能够与被分析物结合。这种结合能力可以通过例如对微谐振器118的外表面进行适当处理来实现。在一些情况下，被分析物与散射中心150相连。这种相连可以通过例如将被分析物附接至散射中心150来实现。当被分析物与微谐振器的外表面结合时，可以使散射中心150与微谐振器118光学邻近。因此，散射中心150引起第一和第二导向光学模式128和164之间的光学散射。光学检测器110和144可通过检测导向光学模式128与164之间传递的能量的变化来检测被分析物的存在。被分析物例如可包括蛋白质、病毒或DNA。

在一些情况下，被分析物可包含待检测的抗原。待检测的抗原的第一抗体可与散射中心150相连。抗原的第二抗体可与微谐振器118相连。抗原使第一抗体与第二抗体之间易于结合。因此，使散射中心150与微谐振器118光学邻近，且散射中心150引起微谐振器118内的光学散射的变化，该变化可光学检测到。在一些情况下，第一抗体可能与第二抗体相同。这种示例性传感方法可以在诸如食品安全、食品加工、医学测试、环境测试和工业卫生之类的多种应用中使用。

可使用已知制造技术制造微谐振器118与光波导104和132。示例性的制造技术包括光刻法、干/湿刻蚀、印刷、铸造、挤出和压花。光学装置100中的不同层可使用已知的方法形成，例如溅射、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、其他气相沉积法、火焰水解、铸造或适于应用的任何其他沉积法。

基板103可以是刚性或柔性的。基板103可以是不透光的或者是透光的。该基底103可以是聚合物、金属、半导体或任何类型的玻璃。例如，基板103可以是硅。又如，基板103可以是浮法玻璃，或者基板103可由诸如聚碳酸酯、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。

图4和5分别示出了集成光学微谐振器系统400的实施例的示意性俯视图和侧视图。在此实施例中，光学系统400包括光学微谐振器410、第一光波导420和第二光波导430，该三者均布置在下包层465上，该下包层465布置在基板461上。

一般来讲，微谐振器410可以是沿特定方向的单模式或多模式。例如，微谐振器410可以是沿微谐振器的厚度方向(如z轴)的单模式或多模式。在一些情况下，例如在球形或圆盘形微谐振器的情况下，微谐振器可以是沿径向的单模式或多模式。在一些情况下，例如在圆盘形微谐振器的情况下，微谐振器410的导向光学模式450和452可以是微谐振器的方位角模式。

在某些实施例中，微谐振器410包括布置在下包层465与上包层414之间的芯或腔体412。芯412具有平均厚度h₁。通常，对于与微谐振器410的模式相连的电场，场的渐逝尾部位于微谐振器的包层区，并且电场的峰值或最大值位于微谐振器的芯区。例如，如图5示意性所示，微谐振器410的导向模式451在上包层414中具有渐逝尾部451A，在下包层465中具有渐逝尾部451B，在芯412中具有峰451C。导向光学模式451例如可以是微谐振器的模式450或452。

在示例性的光学系统400中，芯412布置在两个包层414与465之间。通常，微谐振器410可具有一个或多个上包层及一个或多个下包层。在一些情况下，光学装置400中可以不存在下包层465。在这种情况下，基板461可充当微谐振器410的下包层，换句话说，基板的折射率比微谐振器410的芯412的折射率小。在一些其他情况下，微谐振器410不包括上包层414。在这种情况下，环境介质，诸如环境空气或水可以形成微谐振器的上包层。

芯412具有折射率n_m，包层414具有折射率n_uc，包层465具有折射率n_lc。通常，对于至少一个关注的波长，且沿着至少一个方向，n_m大于n_uc和n_lc。在一些应用中，在关注的波长范围内，n_m大于n_uc和n_lc。例如，对于在从约400nm至约1200nm的范围内的波长，n_m可大于n_uc和n_lc。又如，对于在从约700nm至约1500nm的范围内的波长，n_m可大于n_uc和n_lc。

微谐振器芯412具有输入端口415A和输出端口415B，其中输出端口415B与输入端口415A是不同的端口。例如，在示例性的光学装置400中，输入端口415A和输出端口415B位于芯412的外表面416周围的不同位置处。

第一和第二光波导420和430中的每一个可以具有布置在多个包层之间的芯。在示出的实施例中，第一光波导420具有厚度为h₂的芯422，该芯422布置在上包层414与下包层465之间。类似地，第二光波导430具有厚度为h₃的芯432，该芯432布置在上包层414与下包层465之间。

芯422具有折射率n_w1，通常，其大于n_uc和n_lc。类似地，芯432具有折射率n_w2，通常，其大于n_uc和n_lc。

在一些情况下，芯412、422和432可以由具有相同或不同折射率的不同的芯材料制成。在一些其他情况下，芯412、422和432可以形成一体构造，意味着芯形成单一单元，相连的芯之间没有物理界面。在一体构造中，芯可由相同的芯材料制成。一体构造可以使用各种公知的方法(例如蚀刻、浇铸、模铸、压印以及挤压)来制造。

芯422具有输入422A和输出422B。输入422A与光源440光学连通。输出422B与芯412的输入端口415A物理接触。在一些情况下，诸如在一体构造中，输出422B可与输入端口415A是同一个。在一些情况下，输出422B与输入端口415A之间有明显的重叠。在一些情况下，输出422B和输入端口415A种的一个完全覆盖另一个。例如，在一些情况下，输出422B大于且完全覆盖微谐振器410的输入端口415A。

芯432具有输入面432A和输出面432B。输出面432B与光学检测器460光学连通。输入面432A与微谐振器410的芯412的输出端口415B物理接触。

光源440能够发射光束442，光束442中的至少一部分通过输入面422A进入第一光波导420。在一些情况下，从光源440进入光波导420的光可以波导的导向模式沿波导传播。例如，第一光波导420和输入端口415A相对于彼此和/或微谐振器设置成使得在第一光波导420中沿正y方向朝向输入端口415A行进的光能够主要与微谐振器的第一导向光学模式450耦合，而不与微谐振器的第二导向光学模式452耦合。例如，沿光波导420传播且到达输出面422B的光能够主要激发第一导向光学模式450，而非第二导向光学模式452。在一些情况下，在光波导420中传播的光与导向光学模式452之间可能存在一些光学耦合。这样的耦合可能是设计的，或者由于例如输入端口415A处的光学散射造成的。又如，这样的耦合可能是由于制备或制造缺陷而造成的光学散射。在光波导420中传播的光与导向光学模式452之间存在一些光学耦合的情况下，传播的光主要耦合至光学模式450。

例如，第二光波导430和输出端口415B相对于彼此和微谐振器410设置成使得在第二光波导430中沿正y方向远离输出端口415B行进的光能够主要与微谐振器的第二导向光学模式452耦合，而不与微谐振器的第一导向光学模式450耦合。例如，在输出端口415B处或其附近的导向模式452能够在第二光波导中激发沿正y方向朝向输出面432B传播的导向模式433。相反，导向光学模式450不能激发导向模式433或激发导向模式433的能力很弱。在一些情况下，由于例如在输出端口415B处的光学散射，导向光学模式450和导向模式433之间可能存在一些光学耦合。但是任何这样的耦合相对于导向模式452与433之间的光学耦合是次要的。

光波导420和430可以是能够支持诸如导向模式等光学模式的任何类型的波导。光波导420和430可以是一维波导，诸如平面波导，其中一维波导指将光限制为沿一个方向。在一些应用中，光波导420和430可以是二维波导，其中二维波导指将光限制为沿两个方向。示例性的光波导包括波导管、带状负载波导、肋型或脊型波导以及离子交换波导。

诸如在图4和5中所示的波导直接耦合至微谐振器的微谐振器系统的一个优点是，消除了至少一个光学波导与微谐振器之间的耦合间隙。在现有的微谐振器系统中，通常在光波导与微谐振器之间存在间隙。在这种情况下，光在波导与微谐振器之间渐耦合。除了其他因素以外，这种耦合对耦合间隙的尺寸非常敏感。在制造条件下，由于例如制造误差，通常难以控制间隙尺寸再现。即使在可以足够精确地控制间隙的制造方法中，这样的控制可显著地增加制造成本。在通过使光波导的芯与光学微谐振器的芯之间形成直接物理接触来消除耦合间隙的那些实施例中，可降低制造成本，并且可提高再现性。

图6是单个主波导环形微谐振器系统600的示意图，其中光源602在输入端口606处与单个波导604光学连通。输入端口检测器610位于输入端口606处。诸如分光器或光循环器等光学元件612与输入端口606、光源602和输入端口检测器610光学连通。

环形微谐振器618与波导604光学连通。来自光源602的光624射入第一主波导604中，且朝向通过端口608传播。微谐振器618与光624的在第一主波导604之外的一部分渐耦合，外耦合光以微谐振器618的一个或多个谐振频率，诸如第一谐振光学模式628在微谐振器618内传播。

在根据本发明一个实施例的传感事件中，散射中心650与微谐振器618之间的光学耦合强度有所改变。当散射中心650与微谐振器618光学连通时，第一导向光学模式628中的光可以被散射成至少第二导向光学模式，例如模式664，该第二导向光学模式664不同于第一导向光学模式628。第二导向光学模式664中的光主要耦合至输入端口606，并且以光626射出输入端口。散射中心650的存在导致宽范围工作频率范围上，相对大的传递能量反射回输入端口606。因此，在输入端口606处通过检测器610监测光626，可以探知散射中心650的耦合变化。

在替代实施例中，可由圆盘谐振器代替环形谐振器618。

图7示出包括能够分别支持至少第一和第二导向光学模式750和752的微谐振器710的另一微谐振器系统700的示意性俯视图，其中第二导向光学模式752与第一导向光学模式750不同。系统700还包括耦合到微谐振器710的单个光波导720。微谐振器710具有芯712，光波导720具有芯722。为了简明并且不丧失一般性，在图7中没有明确显示或标示微谐振器和光波导的某些部分，例如一个或多个包层。

波导芯722具有与光源740光学连通的输入722A。波导芯722的另一端终止在微谐振器芯712的端口715A处。光波导720和端口715A相对于彼此和微谐振器芯712布置成使得在光波导720内沿着正y方向传播的光，诸如光701能够主要耦合到微谐振器710的第一导向光学模式750，而不是耦合到微谐振器710的第二导向光学模式752。而且，光波导720和端口715A布置成使得来自微谐振器710的在光波导720内沿负y方向传播的光，诸如光702能够主要来自与微谐振器710的第二导向模式752的耦合，而不是来自与微谐振器710的第一导向光学模式750的耦合。

光源740能够发射光742。光742的至少一部分通过波导的输入722A进入光波导720，且以光701沿与y轴基本平行的方向传播。在一些情况下，光701可以是光波导720的导向模式。在端口715A处，光701的至少一部分光学耦合进微谐振器710的第一导向光学模式750。在一些情况下，光701可弱耦合至第二导向光学模式752，但是任何这样的耦合通常都较弱，并且相对于到第一导向光学模式750的光学耦合来讲是次要的。

当散射中心770与微谐振器710光学邻近时，散射中心770引起第一导向光学模式750与第二导向光学模式752之间的光学散射，从而导致光学能量从第一导向光学模式750传递至第二导向光学模式752。如果在由散射中心770散射之前在微谐振器710中激发第二导向光学模式752，则散射中心770的引入会导致存在于第二导向光学模式752中的光量增加。

第二导向光学模式752中的光的一部分光学耦合至光波导720，且以光702在波导720内部朝向输入722A传播。光学元件730将光702的至少一部分作为检测光703朝向检测器760重新导向。检测器760检测导向光学模式750与752之间的能量传递，通过这样做能够检测散射中心770的存在。

光学元件730在透射输入光742的至少一部分的同时，例如通过反射，将光702的至少一部分沿x轴重新导向为光703。光学元件730可以是分束器，或者在其他实施例中，可以是光循环器。

图8示出双主波导轨道微谐振器系统800的实施例的示意图，其中光源802在输入端口806处与第一波导804光学连通。输入端口检测器810设置在输入端口806处。通过端口808可存在于第一波导804的另一端处。光学元件812，诸如分光器或光循环器与输入端口806、光源802和输入端口检测器810光学连通。

来自光源802的光824射入第一主波导804，且朝向通过端口808传播。轨道微谐振器818包括两个弯曲部分819和两个直线部分820。微谐振器818与光824的在第一主波导804外部的一部分渐耦合，该外耦合光在微谐振器818内以微谐振器818的一个或多个谐振频率，诸如第一谐振光学模式828传播。在一些情况下，轨道818是单横向模式轨道，意味着轨道支持沿与微谐振器818内传播的光的方向垂直的方向的单一模式。在一些其他情况下，微谐振器818可支持多光学横向模式。

第二主波导832可设置成与微谐振器818光学连通。第一分光端口836位于第二主波导832的一端处，而第二分光端口838位于第二主波导832的另一端处。第一分光端口836主要能够与第一导向光学模式828光学耦合。第二分光端口838能够弱耦合到或不能耦合到第一导向光学模式828。第二分光端口检测器844位于第二分光端口838处。第二分光端口能够耦合到第二导向光学模式864。

在输入端口806处、在第二分光端口838处或在输入端口806和第二分光端口838两处可观察到，由于存在散射中心850而在微谐振器818内引起从第一导向光学模式828至第二导向光学模式864的光学散射。相应地，各个实施例包括与输入端口806光学连通的检测器、与第二分光端口838光学连通的检测器或同时包括分别与输入端口806以及第二分光端口838光学连通的第一和第二检测器。

在美国专利申请2008/0129997A1和2008/0131049A1中，图示并描述了微谐振器波导系统的另外的实施例，这些实施例构造用于引起从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。

光波导在图1-8所示的示例性光学装置中线性延伸。通常，耦合到微谐振器的光波导可具有应用中可能需要的任何形状。例如，在图9示中意性所示的光学装置900中，光波导920和930具有弯曲部，诸如弯曲部901和902。波导930的芯932与微谐振器910的芯912在附接位置915处相交。芯932与912之间的角为β3，β3定义为直线940与直线942之间的角，直线940在位置915处与芯932相切，直线942在相同位置处与芯912相切。

在一些情况下，波导弯曲部的曲率足够小，以至于这样的曲率不会造成辐射损耗，或者造成很小的辐射损耗。在一些情况下，耦合到微谐振器的光波导可以是非线性波导、分段线性波导或具有线性部分和非线性部分的波导。

在一些情况下，第一和第二导向光学模式中的至少一个可以是微谐振器的行波导向模式。例如，第一和第二导向光学模式可以是微谐振器的“回音壁模式”(WGM)。WGM通常是被限制为靠近微谐振器空腔的周边表面的行波模式，并且具有相对低的辐射损耗。由于WGM被限制在微谐振器的芯的外表面附近，因而它们非常适合与微谐振器表面上或附近的被分析物光学耦合。

行波导向光学模式可以围绕微谐振器以相反方向传播。例如，在圆盘或球形微谐振器中，通常第一导向光学模式可以沿逆时针方向传播，而第二导向光学模式通常可以沿顺时针方向传播。在这样的情况下，第一和第二导向光学模式是反向传播的光学模式。

在一些情况下，第一和第二导向光学模式中的至少一个可以是微谐振器的驻波模式。驻波模式可通过例如叠加具有适当相位关系的两个行波模式形成。在一些情况下，两个行波模式中的一个可以是另一个行波模式的反射。

可将许多不同类型的光源应用于本文公开的微谐振器系统中。虽然本发明不是仅限于半导体光源，但诸如半导体二极管激光器和发光二极管(LED)等半导体光源非常适合与微谐振器系统的其余部分结合，并且提供从光源至主波导的适当的耦合效率。更广泛地，也可以使用诸如灯等分布式光源，但可能会遭遇到主波导的低耦合效率。可以使用的另一种光源类型是光纤光源，其中产生光的物类复合到光纤本身中。例如，当光抽运时，光纤放大器可在一端提供光。这种光可以是放大自发辐射(ASE)形式。

当由光源发射的光的输出光谱的宽度宽于微谐振器的自由光谱范围时，该光源被称为“宽带”光源。如果输出光谱的宽度小于微谐振器的自由光谱范围，则认为光源是“窄带”光源。将输出光谱的宽度视为半高宽值(FWHM)的宽度。在激光的输出是多模输出的情况下，输出光谱的宽度是包围不同输出模式的包络线的宽度。如果包络线的宽度宽于微谐振器的自由光谱范围，那么认为该激光为宽带光源。

在一些实施例中，LED或二极管激光器可与光纤连接器结合，并且将来自光纤连接器的输出导向到输入主波导。半导体二极管激光器可以以单纵向模式发射光，或者可以产生多纵向模式输出。由于激光二极管通常是比LED更亮的光源，因此激光对于相对于检测器处的噪声低信号的情况下是有利的。亮度常以瓦特每球面度为单位进行测量。

此外，可以调谐半导体激光器，不论其输出是单模还是多模，从而使激光器的输出光谱可扫略过一定的波长范围。半导体激光器可有利地进行调谐，以使一个或多个输出模式的频率能够与微谐振器的一个或多个模式的频率相匹配。可以以多种方式调谐二极管激光器。例如，激光器的工作温度中的变化导致输出光的频率中的变化。可通过例如对激光器加热，或通过改变激光器的冷却程度，例如，可以是通过热电制冷器或一些其它有源冷却系统冷却激光器的情况，从而改变工作温度。在其他实施例中，可通过使用在激光器芯片外部或集成为激光器芯片一部分的调谐元件来改变二极管激光器的输出频率。这种调谐激光二极管的方法是已知的。

在其他实施例中，尤其是采用激光器作为光源的情况，可以调谐微谐振器的谐振频率来代替调谐光源，或可以调谐微谐振器的谐振频率，同时可调谐光源。微谐振器的谐振频率值特别依赖微谐振器的有效折射率和微谐振器的物理尺寸：这些因素中的至少一个的变化可以导致微谐振器的谐振频率中的变化。相应地，微谐振器可包括用于调谐其谐振频率的调谐元件。

微谐振器调谐元件可采用任何适当形式来改变微谐振器的谐振频率。例如，在图10中示意性示出的示例性实施例中，微谐振器系统1000包括位于基板1008上的微谐振器1002和两个主波导1004、1006。包层1010压覆在微谐振器1002和波导1004、1006上。调谐元件1012靠近微谐振器1002设置，用于调谐微谐振器频率。调谐元件1012可以采用诸如电阻器等加热元件的形式，该加热元件加热微谐振器1002。在其他实施例中，调谐元件1012可以是向微谐振器1002施加压力的元件，诸如压电元件，或可以是能够用来向微谐振器两端施加电压的电极，从而通过改变其载流密度来改变微谐振器的折射率。在其他实施例中，调谐元件1012可以是冷却元件，例如热电制冷器。

检测器可以是能够检测来自微谐振器的光的任何适当类型的检测器，并且检测器可包括固态光电检测器或非固态光电检测器。固态光电检测器的一些实例包括光电二极管、光电晶体管、雪崩光电二极管、光电导体和电荷耦合器件(CCDs)。非固态光电检测器的实例包括光电倍增器和光子计数器。光电检测器可包括单个检测元件，或可包括检测元件阵列，例如光电二极管阵列或CCD阵列。通常，光电检测器是吸收光子并响应于吸收的光子而产生输出信号的装置。在许多情况下，光电检测器是例如光电二极管和光电晶体管等基于半导体的光电检测器，所述光电检测器可在相对较宽的波长范围上检测光。

在一些实施例中，检测器也可包括可用来提供波长选择性的波长选择元件，例如色散元件或滤光元件。这种元件的实例包括棱镜和光栅、多层滤光器、法布里-珀罗滤光器、光纤光栅、集成光学光栅等。通常，色散元件，诸如棱镜或光栅根据其波长在空间中散布光。然后可使用单个光电检测器元件检测色散的光。可例如通过旋转光栅或移动光电检测器元件改变导向到单光电检测器元件的光的波长。在这样的情况下，检测的波长可扫略过一定范围的波长。在其他实施例中，可使用光电检测器元件阵列同时检测处于不同波长的光。这种布置方式的一个实例可能使用作为色散元件的光栅以及光电检测器元件阵列来同时检测在不同色散波长范围上的光。

滤光元件，诸如多层滤光器或法布里-珀罗滤波器通常在任何时刻都允许检测窄带的选定频率。在一些实施例中，诸如可调谐法布里-珀罗滤波器等，可改变通过波长。因此，光电检测器或光电检测器阵列可检测扫略过一定波长范围的一个或多个通过波长。

与使用单个光电检测器检测选定波长信号还是使用光电检测器阵列检测选定波长信号无关，如果检测器使用波长选择元件，则认为该检测器具有波长选择性。波长选择检测器可以是调谐的，即，检测器能够在任何时刻改变待检测的波长的范围。

在进入微谐振器的光激发的第一组谐振微谐振器模式中的一个或多个模式的情况下，由散射中心散射的光激发第二组谐振模式中的一个或多个模式，该第二组谐振模式通常在微谐振器内以与第一组模式相反的方向传播。检测器可检测来自第二组谐振模式中的一个或多个模式的光。在一些实施例中，检测器检测来自第二组模式中的至少五个模式的光，并且可以检测来自第二组模式中的至少十个模式的光。

可以以多种不同的方式操作微谐振器系统，所述不同的方式与以下不同的组合有关：i)光源是窄带或宽带光源和/或是可调谐的或具有固定波长，ii)微谐振器是可调谐的或不可调谐的，以及iii)检测器是宽带的或波长选择的和/或可调谐的。例如，可用宽带光源产生耦合到微谐振器的光，并且使用宽带检测器检测从微谐振器接收的光。在这种情况下，使用宽带检测器在由光源发射的波长光谱的全部范围上或很大一部分上检测光。可将这种操作称为波长平均化。在这种情况下，微谐振器可以是可调谐的微谐振器或可以是不可调谐的微谐振器。

在操作的另一示例性模式中，微谐振器系统可采用窄带光源和宽带检测器。在一些实施例中，窄带光源可以是可调谐的，在这样的情况下，光源可在一定的波长调谐范围上进行调谐。在其他实施例中，微谐振器可以调谐，而窄带光源的波长是固定的。当光源产生的波长与微谐振器的谐振相对应时，一部分光耦合到微谐振器中，这可能产生可检测的信号。当光源产生的光不与微谐振器的谐振相对应时，那么几乎没有或没有光耦合到微谐振器，结果几乎检测不到信号或检测不到信号。使用这种系统的一种方法是记录一个时期内检测器接收到的光的功率水平，使得每个时刻记录的功率能够与可调谐光源的每个波长或微谐振器的谐振波长的功率相关联。在光源或微谐振器的一个波长扫描期间，通过将所记录的功率水平积分或求和，可得到所得输出的平均波长。通常采用计算机或微处理器以数字形式执行该波长平均化。在波长扫描和波长平均化期间记录功率的步骤可在设定的扫描间隔，例如可以是每几秒重复进行。积分或求和的平均波长的功率中随时间的变化可表明散射中心的存在。应当注意的是，在一些实施例中，光源和微谐振器两者可以都是可调谐的。

一种操作根据本发明一个实施例的系统的方法是：将来自宽带光源的光耦合到微谐振器中的第一组光学导向模式的至少一个中，该第一组光学导向模式在微谐振器内沿第一方向传播；在第一波长范围上调谐来自可调谐光源的光；提供在微谐振器外部的散射中心；通过与散射中心相互作用，将第一组光学导向模式中的至少一个中的光的至少一部分耦合到第二组光学导向模式中的至少一个中，该第二组光学导向模式基本上不由来自可调谐光源的光激发；以及在调谐来自可调谐光源的光时，使用宽带的、波长平均化的光电检测器检测来自第二组光学导向模式中的至少一个的光的至少一部分。

操作根据本发明实施例的系统的另一种方法是：将来自窄带光源的光耦合到微谐振器中第一组光学导向模式的至少一个中，该第一组光学导向模式在微谐振器内沿第一方向传播；提供在微谐振器外部的散射中心；通过与散射中心相互作用，将第一组光学导向模式中的至少一个中的光的至少一部分耦合到第二组光学导向模式中的至少一个中，该第二组光学导向模式基本上不由来自可调谐光源的光激发；以及在调谐波长选择检测器时，使用波长选择检测器检测来自第二组光学导向模式中的至少一个的光的至少一部分。

如本文所用，诸如“竖直”、“水平”、“上方”、“下方”、“左侧”、“右侧”、“上部”和“下部”等术语以及其他类似术语是指图中所示的相对位置。通常，物理实施例可具有不同的取向，在这种情况下，所述术语意在指修改到装置的实际取向的相对位置。

尽管上面详细描述了本发明的具体实例以有利于说明本发明的各个方面，但是应该理解的是，并不意图将本发明限于这些实例的具体描述。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所有修改形式、等同形式和替代形式。

Claims

1.一种光学装置，包括：

光源，所述光源能够发射宽带光；

光学微谐振器，所述光学微谐振器支持沿第一方向传播的至少第一光学导向模式和沿与所述第一方向不同的第二方向传播的至少第二光学导向模式，至少所述第一光学导向模式由所发射的宽带光激发，所述第二光学导向模式不由所发射的宽带光激发；和

宽带光电检测器，所述宽带光电检测器布置用于接收并且波长平均化来自所述光学微谐振器的至少第二光学导向模式的光。

2.根据权利要求1所述的光学装置，还包括：

输入主波导，与所述光源光学连通，并且光学耦合至所述光学微谐振器；和

输出主波导，与所述宽带光电检测器光学连通，并且光学耦合至所述光学微谐振器。

3.根据权利要求1所述的光学装置，还包括：散射中心，所述散射中心将所述至少第一光学导向模式的光的至少一部分散射为所述至少第二多个光学导向模式。

4.根据权利要求3所述的光学装置，其中，所述散射中心包括纳米颗粒。

5.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述光源包括发光二极管(LED)。

6.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述宽带光电检测器包括半导体光电检测器。

7.根据权利要求2所述的光学装置，其中，所述光学微谐振器、所述输入主波导和所述输出主波导以单件形式形成在基板上。

8.根据权利要求1所述的光学装置，还包括：

主波导，耦合至所述光学微谐振器，并且耦合至所述光源和宽带光电检测器，其中来自所述光源的光经由所述主波导进入所述微谐振器，并且来自所述微谐振器的至少第二光学导向模式的光经由所述主波导到达所述宽带光电检测器。

9.根据权利要求8所述的光学装置，其中，所述主波导在第一端处耦合至所述光学微谐振器。

10.根据权利要求8所述的光学装置，其中，所述光源将光耦合至所述主波导的第二端，所述宽带光电检测器耦合来自所述主波导的第二端的光。

11.根据权利要求10所述的光学装置，还包括：光学分离元件，布置在从所述光源至所述主波导的第二端的光路上以及从所述主波导的第二端至所述宽带光电检测器的光路上。

12.根据权利要求11所述的光学装置，其中，所述光学分离元件包括分光器和循环器中的至少一者。

13.根据权利要求1所述的光学装置，还包括：调谐元件，所述调谐元件耦合以调谐所述微谐振器。

14.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述光源包括激光器。

15.根据权利要求14所述的光学装置，其中，所述光源包括半导体二极管激光器。

16.一种操作光学传感系统的方法，包括：

将来自光源的宽带光耦合到微谐振器中的第一组光学导向模式中的至少一个，所述第一组光学导向模式在所述微谐振器内沿第一方向传播；

将所述第一组光学导向模式的所述至少一个中的光的至少一部分耦合到第二组光学导向模式中的至少一个，所述第二组光学导向模式在所述微谐振器中沿不同于所述第一方向的第二方向传播；和

使用宽带的、波长平均化光电检测器检测来自所述第二组光学导向模式中的至少一个的光的至少一部分。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，耦合来自所述光源的宽带光包括将所述宽带光经由第一主波导耦合至所述微谐振器。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，检测所述光的至少一部分包括将来自所述微谐振器的光经由第二主波导耦合至所述光电检测器。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，检测所述光的至少一部分包括将来自所述微谐振器的光经由所述第一主波导耦合至所述光电检测器。

20.根据权利要求16所述的方法，还包括：靠近所述微谐振器引入散射中心，并且监测由所述引入导致的检测光的变化。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，引入所述散射中心包括将所述散射中心附着至第一分子，所述第一分子吸附到设置在所述微谐振器的表面上的第二分子。

22.根据权利要求16所述的方法，还包括：调谐所述微谐振器的谐振频率。

23.一种光学装置，包括：

宽带光源，能够发射宽带光；

光学微谐振器，支持沿第一方向传播的第一多个光学导向模式和沿与所述第一方向不同的第二方向传播的第二多个光学导向模式，来自所述宽带光源的宽带光激发所述第一多个光学导向模式中的至少一个，而基本不激发所述第二多个光学导向模式；和

可调谐检测器，布置用于接收来自所述光学微谐振器的第二多个光学导向模式中的至少一个的光。

24.根据权利要求23所述的光学装置，还包括：

输入主波导，与所述可调谐光源光学连通，并且光学耦合至所述光学微谐振器；和

输出主波导，与所述可调谐检测器光学连通，并且光学耦合至所述光学微谐振器。

25.根据权利要求24所述的光学装置，其中，所述光学微谐振器、所述输入主波导和所述输出主波导以单件形式形成在基板上。

26.根据权利要求23所述的光学装置，还包括：散射中心，所述散射中心将所述第一光学导向模式中的至少一个的光的至少一部分散射为所述第二多个光学导向模式中的至少一个。

27.根据权利要求26所述的光学装置，其中，所述散射中心包括纳米颗粒。

28.根据权利要求23所述的光学装置，其中，所述可调谐检测器包括与波长选择滤光器耦合的宽带光电检测器。

29.根据权利要求28所述的光学装置，其中，所述宽带光电检测器包括半导体光电检测器。

30.根据权利要求23所述的光学装置，还包括：

主波导，所述主波导i)在第一端处耦合至所述光学微谐振器，并且ii)耦合至所述光源和所述可调谐光电检测器，其中来自所述光源的光经由所述主波导进入所述微谐振器，并且来自所述微谐振器的光经由所述主波导到达所述可调谐光电检测器。

31.根据权利要求30所述的光学装置，其中，所述光源将光耦合至所述主波导的第二端，并且所述可调谐光电检测器耦合来自所述主波导的第二端的光。

32.根据权利要求31所述的光学装置，还包括：光学分离元件，布置在从所述光源至所述主波导的第二端的光路上以及从所述主波导的第二端至所述宽带光电检测器的光路上。

33.根据权利要求32所述的光学装置，其中，所述光学分离元件包括分光器和循环器中的至少一者。

34.根据权利要求23所述的光学装置，其中，所述微谐振器包括调谐元件，所述调谐元件耦合以调谐所述第一光学导向模式的谐振频率。

35.一种操作光学传感系统的方法，包括：

将来自宽带光源的光耦合到微谐振器中的第一组光学导向模式中的至少一个，所述第一组光学导向模式在所述微谐振器内沿第一方向传播；

将所述第一组光学导向模式中的至少一个的光的至少一部分耦合到第二组光学导向模式中的至少一个，所述第二组光学导向模式在所述微谐振器中沿与所述第一方向相反的第二方向传播；

在可调谐检测器处接收来自所述第二组光学导向模式中的至少一个的光；和

检测所接收到的光的选定波长部分。

36.根据权利要求35所述的方法，还包括：调谐所接收到的光的所述选定波长部分。

37.根据权利要求35所述的方法，其中，耦合来自所述光源的光包括将所述光经由第一主波导耦合至所述微谐振器。

38.根据权利要求37所述的方法，其中，检测所述光的至少一部分包括将来自所述微谐振器的光经由第二主波导耦合至所述光电检测器。

39.根据权利要求37所述的方法，其中，检测所述光的至少一部分包括将来自所述微谐振器的光经由所述第一主波导耦合至所述光电检测器。

40.根据权利要求35所述的方法，还包括：靠近所述微谐振器引入散射中心，并且监测由所述引入导致的检测光的变化。

41.根据权利要求40所述的方法，其中，引入所述散射中心包括将所述散射中心附着到第一分子，所述第一分子吸附到设置在所述微谐振器的表面上的第二分子。

42.一种光学装置，包括：

窄带光源，能够发射窄带光；

光学微谐振器，所述光学微谐振器支持沿第一方向传播的第一多个光学导向模式和沿与所述第一方向不同的第二方向传播的第二多个光学导向模式，来自所述窄带光源的窄带光激发所述第一多个光学导向模式中的至少一个，而基本不激发所述第二多个光学导向模式，所述光学微谐振器包括芯和调谐元件，所述调谐元件耦合以调谐所述微谐振器的谐振模式频率；和

宽带检测器，在所述微谐振器进行调谐时，所述宽带检测器接收来自所述光学微谐振器的第二多个光学导向模式中的至少一个的光。

43.根据权利要求42所述的光学装置，还包括：

输入主波导，与所述窄带光源光学连通，并且光学耦合至所述光学微谐振器；和

输出主波导，与所述宽带检测器光学连通，并且光学耦合至所述光学微谐振器。

44.根据权利要求43所述的光学装置，其中，所述光学微谐振器、所述输入主波导和所述输出主波导以单件形式形成在基板上。

45.根据权利要求42所述的光学装置，还包括：散射中心，所述散射中心将所述第一多个光学导向模式中的至少一个的光的至少一部分散射为所述第二多个光学导向模式中的至少一个。

46.根据权利要求45所述的光学装置，其中，所述散射中心包括纳米颗粒。

47.根据权利要求42所述的光学装置，其中，所述窄带光源包括激光器。

48.根据权利要求42所述的光学装置，其中，所述宽带检测器包括半导体光电检测器。

49.根据权利要求42所述的光学装置，还包括：

主波导，所述主波导i)在第一端处耦合至所述光学微谐振器，以及ii)耦合至所述光源和所述宽带检测器，其中来自所述光源的光经由所述主波导进入所述微谐振器，并且来自所述微谐振器的光经由所述主波导到达所述宽带检测器。

50.根据权利要求49所述的光学装置，其中，所述光源将光耦合至所述主波导的第二端，并且所述宽带检测器耦合来自所述主波导的第二端的光。

51.根据权利要求50所述的光学装置，还包括：光学分离元件，所述光学分离元件布置在从所述光源至所述主波导的第二端的光路上以及从所述主波导的第二端至所述宽带检测器的光路上。

52.根据权利要求51所述的光学装置，其中，所述光学分离元件包括分光器和循环器中的至少一者。

53.根据权利要求42所述的光学装置，其中，所述窄带光源是可调谐窄带光源。

54.根据权利要求53所述的光学装置，其中，所述窄带光源包括半导体二极管激光器。

55.一种操作光学传感系统的方法，包括：

将来自光源的光耦合到微谐振器中的第一组光学导向模式中的至少一个，所述第一组光学导向模式在所述微谐振器内沿第一方向传播；

在第一频率范围上调谐所述微谐振器的第一组光学导向模式；

将所述第一组光学导向模式中的至少一个的光的至少一部分耦合到第二组光学导向模式中的至少一个，所述第二组光学导向模式在所述微谐振器中沿与所述第一方向相反的第二方向传播；和

当在所述第一频率范围上调谐所述第一组光学导向模式时，使用宽带的、波长平均化的光电检测器检测来自所述第二组光学导向模式中的至少一个的光的至少一部分。

56.根据权利要求55所述的方法，其中，耦合来自所述光源的光包括将所述光经由第一主波导耦合至所述微谐振器。

57.根据权利要求56所述的方法，其中，检测所述光的至少一部分包括将来自所述微谐振器的光经由第二主波导耦合至所述光电检测器。

58.根据权利要求56所述的方法，其中，检测所述光的至少一部分包括将来自所述微谐振器的光经由所述第一主波导耦合至所述光电检测器。

59.根据权利要求55所述的方法，还包括：靠近所述微谐振器引入散射中心，并且监测由所述引入导致的检测光的变化。

60.一种光学装置，包括：

可调谐光源，能够发射光；

光学微谐振器，支持沿第一方向传播的第一多个光学导向模式和沿与所述第一方向不同的第二方向传播的第二多个光学导向模式，由所述可调谐光源发射的光激发所述第一多个光学导向模式中的至少一个，而基本不激发所述第二多个光学导向模式；和

宽带检测器，布置用于接收来自所述光学微谐振器的所述第二多个光学导向模式中的至少一个的光。

61.根据权利要求60所述的光学装置，其中，所述可调谐光源是窄带可调谐光源，能够发射带宽小于所述光学微谐振器的自由光谱范围的光。

62.根据权利要求60所述的光学装置，其中，所述可调谐光源是可调谐的宽带可调谐光源，所述宽带可调谐光源的带宽大于所述光学微谐振器的自由光谱范围。

63.根据权利要求60所述的光学装置，其中，所述微谐振器包括调谐元件，所述调谐元件适于调谐所述微谐振器的谐振频率。

64.根据权利要求60所述的光学装置，还包括：

65.根据权利要求64所述的光学装置，其中，所述光学微谐振器、所述输入主波导和所述输出主波导以单件形式形成在基板上。

66.根据权利要求60所述的光学装置，还包括：散射中心，所述散射中心将所述第一多个光学导向模式中的至少一个的光的至少一部分散射为所述第二多个光学导向模式中的至少一个。

67.根据权利要求66所述的光学装置，其中，所述散射中心包括纳米颗粒。

68.根据权利要求60所述的光学装置，其中，所述可调谐光源包括激光器。

69.根据权利要求60所述的光学装置，其中，所述宽带检测器包括半导体光电检测器。

70.根据权利要求60所述的光学装置，还包括：

主波导，具有第一端和第二端，所述主波导i)在所述第一端处耦合至所述光学微谐振器，以及ii)在所述第二端处耦合至所述可调谐光源和所述宽带检测器，其中来自所述光源的光经由所述主波导进入所述微谐振器，并且来自所述微谐振器的光经由所述主波导到达所述宽带检测器。

71.根据权利要求70所述的光学装置，还包括：光学分离元件，所述光学分离元件布置在从所述光源至所述主波导的第二端的光路上以及从所述主波导的第二端至所述宽带光电检测器的光路上。

72.根据权利要求72所述的光学装置，其中，所述光学分离元件包括分光器和循环器中的至少一者。

73.一种光学装置，包括：

窄带光源，所述窄带光源能够发射光；

光学微谐振器，所述光学微谐振器支持沿第一方向传播的第一多个光学导向模式和沿与所述第一方向不同的第二方向传播的第二多个光学导向模式，由所述光源发射的光激发所述第一多个光学导向模式中的至少一个，而基本不激发所述第二多个光学导向模式；和

频率选择检测器，布置用于接收来自所述光学微谐振器的第二多个光学导向模式中的至少一个的光。

74.根据权利要求73所述的光学装置，其中，所述窄带光源包括激光器。

75.根据权利要求73所述的光学装置，其中，所述微谐振器包括调谐元件，所述调谐元件适于调谐所述微谐振器的谐振频率。

76.根据权利要求73所述的光学装置，还包括：

输出主波导，与所述检测器光学连通，并且光学耦合至所述光学微谐振器。

77.根据权利要求76所述的光学装置，其中，所述光学微谐振器、所述输入主波导和所述输出主波导以一体形式形成在基板上。

78.根据权利要求73所述的光学装置，还包括：

主波导，具有第一和第二端，所述主波导i)在所述第一端处耦合至所述光学微谐振器，以及ii)在所述第二端处耦合至所述光源和所述检测器，其中来自所述光源的光经由所述主波导进入所述微谐振器，并且来自所述微谐振器的光经由所述主波导到达所述检测器。

79.根据权利要求78所述的光学装置，还包括：光学分离元件，所述光学分离元件布置在从所述光源至所述主波导的第二端的光路上以及从所述主波导的第二端至所述检测器的光路上。

80.根据权利要求79所述的光学装置，其中，所述光学分离元件包括分光器和循环器中的至少一者。