CN109844496A - 用于消逝波导传感的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
提供了用于容器内的样品的波导光谱法的设备和相关联的方法。该设备可包含具有窗口的衬底，其在感兴趣波长处是可透过的并且与容纳样品的容器耦合；在感兴趣波长处是可透过的材料的波导芯，波导芯位于与样品相邻的可透过窗口的内表面上，该波导芯具有的折射率大于样品的折射率，光学元件，其配置成将光耦合进和耦合出波导，以及光源和位于容器外部的一个或多个探测器。
Description
对相关申请的交叉引用
本申请要求2016年10月19号提交的美国临时申请、序列号No. 62/409899的优先权和益处，其公开通过引用以其整体被并入本文中。
技术领域
本文公开的主题一般地涉及用于消逝波导传感的设备和方法。
背景技术
衰减全反射光谱法是用于为了化学/生物复合物的识别测量化学/生物复合物、测量浓度等的技术。已经报告了若干方法。在一个报告的方法中，通过将ATR晶体厚度减少直到其变得在厚度上小于几个波长（也称为平面波导），技术的灵敏度由于在样品与波导的分界面处的多次反射的大幅增大而被提高。已经报告了高达10000的提高。
经常也感兴趣的是，在不同吸收线存在的红外区域中测量化学或生物复合物的光谱，以便确定例如溶液中复合物的浓度。然而，在许多情况中，感兴趣的复合物的吸收带非常弱。例如，10mMol复合物浓度的吸收系数在2到2.4μm波长带中可仅为0.0002到0.0035。因此，期望的是，最大化溶液的吸收系数对波导性质的影响。此外，需要对仪器偏差进行仔细校正，以便精确地测量与这些吸收带相关联的波导透射率的微小改变。
在报告的手段中，描述了通过衬底将光耦合到波导中的部件。然而，需要两个光栅和棱镜的复杂结合以获得宽带耦合。
另一报告的技术使用位于衬底的相同侧上的单个棱镜作为波导将光耦合到波导中。然而，在这种技术中，因为将光从与样品相同的侧耦合到波导中，所以光不能容易地耦合到密闭容器中。
波导光谱法或衰减全反射光谱法之前已经被讨论作为用于在不需要通过溶液透射光的情况下进行溶液的光谱测量的方法。在波导光谱法的报告的技术中，光没有通过溶液透射。相反，溶液与波导芯相邻并且只与溶液内波导模的消逝场内的波导相互作用，其通常仅在波长的量级上。因此，降低了溶液内的散射粒子的影响。只有附着或几乎附着到波导芯的粒子可对通过波导芯传播的光具有一些影响。
然而，粒子，尤其是细胞，可具有随着时间沉淀到波导芯上或将其自身附着在波导芯上的倾向。尽管这些粒子仅与芯相互作用到它们位于芯表面的大概波长内的程度，然而它们仍然可通过将光散射到芯外的来影响通过芯透射的光的光谱。因此，传统的波导光谱法仍可被溶液中的粒子所影响。
一般地，波导芯具有支持多个TE和TM模的厚度。芯还可特定地被设计或配置成使仅一个TE和一个TM模透射。
通常，就在对样品溶液进行测量之前，在没有任何溶解复合物的情况下对于溶液测量本底光谱。假设，除了其他因素之外，光源、探测器和仪器响应的光谱强度在样品溶液和本底的测量之间的间隔期间不改变，使得可使用本底光谱精确地标准化样品光谱。然而，在一些情况中，不可能立刻在样品测量之前测量本底光谱。例如，当必须在几周期间内对溶液进行监控，而没有机会周期地测量本底光谱时。在这种情况中，如果随时间发生任何仪器偏差，例如光源的光谱输出的改变，则在样品测量开始时测量的本底光谱可能不用于精确地标准化样品光谱。
发明内容
本发明解决对溶液的各种成分的浓度的测量的需要,所述溶液还可含有粒子，包含但不限于光散射粒子。例如，在生物反应器中，经常需要随着细胞在生物反应器内生长监控葡萄糖、乳酸、谷氨酸、氨以及其他生化物的浓度。通过生物反应器的溶液进行透射光光谱测量以确定这些生化物的浓度是不实际的，因为在光通过溶液传播时，溶液内的细胞会散射光，这不仅将通过给定溶液厚度透射的光的量大大地减少到无法探测的点，而且改变了透射光的光谱依赖性。
本发明还解决对用于将光耦合进和耦合出衬底上的波导使得光从波导的相对侧穿过衬底的简单部件的需要。当波导位于密闭容器内部，而光源和探测器位于容器外部时，存在对使用波导传感器的需求。用于将光耦合进和出波导的部件可包含，例如配置成将光耦合进和耦合出波导的光学元件。光学元件可包含：棱镜、光栅或本领域技术人员已知的其他相似的光学元件。本发明的一个方面提供了用于使用硅衬底的波导光谱法的设备和方法，在其中光源和探测器与衬底位于样品的相对侧上。
在一个实施例中，提供了用于容器内的样品的波导光谱法的设备。设备包括：具有窗口的衬底，窗口在感兴趣波长处是可透过的并且与容纳样品的所述容器耦合；位于与样品相邻的可透过窗口的内表面上的在感兴趣波长处是可透过的材料的波导芯，该波导芯具有的折射率大于样品的折射率，配置成将光耦合进和耦合出波导的光学元件，位于容器外部的光源；和位于容器外部的一个或多个探测器。
在另一实施例中，提供了用于在含有微粒的样品上执行波导光谱法的脊形波导，脊形波导包括在脊的顶部之间带有间隙的两个或多个脊，使得所述间隙大约是一个波长或比一个波长更小并且小于微粒的最小尺寸。
波导可包括包层并且波导芯具有的折射率大于在芯和衬底之间沉积的包层的折射率。在一些其他实施例中，波导可包括包层并且包层具有的折射率小于衬底的折射率，并且包层具有三个或多个波长的厚度。在又一些实施例中，波导芯可具有大于衬底的折射率的折射率。
波导芯可以是薄膜波导芯。在一些实施例中，波导芯可具有配置成使单个TE偏振波导模透射的厚度。在一些其他实施例中，波导芯可具有配置成使单个TE偏振波导模和单个TM偏振模透射的厚度。波导芯和包层层在波导中可具有配置成支持单个TE和TM模或者配置成大于针对传播模式的预定值的厚度。
波导芯可从由Si3N4、Al2O3、Ta2O5、SixOyN1-x-y、Si、Ge、金刚石、ZnS和ZnSe组成的群组中选择的材料制成。波导可具有从由SiO2 MgF2、CaF2和SixOyN1-x-y组成的群组中选择的材料制成的包层。衬底可从由Si、玻璃、熔融石英、Al2O3、ZnS、ZnSe、金刚石、KBr、BaF2和CaF2组成的群组中选择的材料制成。
在一些实施例中，设备可包含位于容器外部并且配置成进行光谱测量的装置。该装置可包含滤光器和光谱仪中的至少一个。
在又另一实施例中，提供了用于使用系统测量波导光谱的方法，系统包括偏振光，包括与支持TE和TM波导模两者的样品接触的波导、光源、偏振器和探测器。在一些实施例中，偏振器可以以特定频率旋转使得透射光的偏振旋转。
偏振器可包括以特定频率旋转的多分区偏振器，在其中邻近偏振器分区彼此垂直定向，并且一半的分区定向为穿过适于TE波导模的光以及一半定向为穿过TM波导模的光。
在一些实施例中，偏振器不旋转并且被固定在穿过与激发TE或TM波导模的定向成45°的光的定向。在一些实施例中，偏振器不旋转但固定在相对波导的45°定向。
附图说明
图1示出了根据本公开的实施例的在容器的内表面上在带有波导的一个位置处具有窗口的容器，以及位于容器外部的光谱法光学器件的示例。
图2示出了传统的设备，在其中光从宽带光源通过棱镜Pr聚焦到衬底S的顶部表面上的光栅G1上，以及然后聚焦到衬底S的底部表面上的第二光栅G2，以便将光发射到沿着衬底S的底部表面延伸的波导中。
图3示出了传统的设备，在其中光从宽带光源通过棱镜Pr聚焦到衬底的相同侧上的波导上。
图4示出了本公开的实施例，在其中带有芯（例如SiN芯）和包层（例如SiO2包层）的波导沉积在Si衬底上。包层的厚度一般为若干个波长以确保进入芯的光不会太快耦合出回到衬底中。衬底在其带隙之下基本上是可透过的（即，针对波长>~1μm）。在2μm的波长，水的折射率是1.438、Si3N4的是1.924以及SiO2的是1.326。在膜叠层中存在平板波导模，该平板波导模是横向电偏振（TE）模并且具有1.4806的模指数。在该波长，Si的折射率为3.449。在该波长，由SF6玻璃制成的棱镜具有1.75的折射率。在该波长的具有大约57.8°的入射角的光束将能量消逝地耦合到波导中。对于具有、的SF6棱镜，硅内的光束的入射角约为25.4°。在硅衬底和水之间的临界角为24.6°。因此，在硅衬底存在全内反射，作为结果没有光线透射到水中。
图5示出了本公开的实施例，在其中使用光栅耦合器代替棱镜。衍射光栅位于波导的芯/包层区域内。对于垂直入射（），nmode=1.4806，nprism=1.75和μm，所以光栅周期为1.35μm。将选择相同的光栅周期来外耦合波导光。
图6示出了类似于图4的本公开的实施例，并且带有用于将离开波导的光耦合到探测器的第二棱镜。
图7示出了类似于图5的本公开的实施例，并且带有用于将离开波导的光耦合到探测器的第二棱镜。
图8示出了根据本公开的实施例的与波导在衬底的相对侧上的棱镜被用于将光耦合到波导中。在棱镜内入射光的角度是，以及在空气内是。
图9示出了本公开的实施例，在其中包括多个脊的脊形波导布置在衬底的顶部上。如图9中所示，可设计波导使得每个脊的顶部表面稍宽于脊的剩余部分。在脊的顶部表面在脊之间的间隙窄于微粒的大小。例如，如果微粒主要是生物反应器溶液中的心肌细胞，其具有通常是100μm长和10μm到25μm宽的细长形状，则在顶部表面在脊之间的间隙可仅为5μm宽，从而阻止细胞进入脊之间的区域（那里存在较强的电场）但仍允许生物反应器中的流体填充脊之间的空间和与来自波导模的场相互作用。
图10示出了根据本公开的实施例的使用旋转偏振器作为调节通过波导透射的光的强度的部件的波导光谱法系统。
图11（a）示出了根据本公开的实施例的附接在旋转支架上的片式偏振器或线栅偏振器。
图11（b）示出了根据本公开的实施例的具有多分区的旋转支架。在每个分区内有片式偏振器或线栅偏振器使得在相邻分区中的偏振方向是垂直的。
图12示出了根据本公开的实施例的使用固定偏振器和偏振分束器来监视通过波导透射的光的强度的波导光谱法系统。
图13是将与Si3N4波导芯接触的100M葡萄糖溶液的模指数的虚部示出为SiN芯厚度的函数的曲线图，该Si3N4波导芯沉积在用于TE和TM波导模的熔融石英衬底上。
图14是将在550nm Si3N4波导芯之上的100M葡萄糖溶液的模指数（Im（K））的虚部示出为波长（nm）的函数的曲线图，该550nm Si3N4波导芯沉积在用于TE0和TM0波导模的熔融石英衬底上。
图15是示出通过针对TE0和TM0模两者的1cm波导的光谱透射率以及光谱透射率差异的曲线图。
具体实施方式
本公开描述了在感兴趣的波长是可透过的并且在其上沉积波导芯和包层薄膜的衬底。芯的折射率可大于衬底和/或包层的折射率。如果衬底的折射率大于芯的折射率，则包层可以是若干个波长厚，以部分地将芯从衬底隔离并且减少从芯波导模到衬底中的漏光。如果衬底的折射率小于芯的折射率，则不存在对包层层的需要，因为衬底本身充当包层。
可使用棱镜或衍射光栅或两者的组合将通过衬底的光耦合到波导中。棱镜可位于衬底的外表面上或容器外部的窗口上。在一些实施例中，光栅可位于波导内或与容器内部上的波导相邻。在一些实施例中，波导可位于波导-衬底分界面。
为了使从衬底（例如，硅衬底）背侧入射的光束激发芯薄膜中的波导模，入射光束的波矢的分量必须等于波导模的波矢的分量。例如，如图4中所示，可将棱镜配置成能够实现该波矢匹配。如果棱镜具有nprism的折射率，并且棱镜内的光束的入射角是,则用于匹配波矢分量的必要要求被示出在如以下等式(1)或等式(2)中：
等式(1)；
和
等式(2)
波导模的模指数nmode可使用本领域技术人员所知的等式来计算。可使用在红外区域中是可透过的商用棱镜。如果耦合棱镜角是，例如如图8中所示，则空气中的入射角由等式(3)提供：
等式(3)
硅衬底内的光束的入射角由等式(4)提供：
等式(4)
硅衬底和水之间的临界角由等式(5)确定：
等式(5)
图5示出了本公开的另一实施例，其中棱镜由位于波导的芯/包层区域内的衍射光栅代替。光栅取代了棱镜。可通过调整光栅的周期p来调整将光耦合到波导中的入射角。通过调整光栅的深度，可调整耦合效率。通过使光栅啁啾（从一端到另一端稍改变光栅的周期），可将该光栅配置成在比传统光栅的入射角和/或波长的更宽的入射角和/或波长的范围内有效地耦合光。
衍射光栅从波导平面中的入射光波矢的分量加或减整数倍的光栅矢量，并且当两者之和等于波导模波矢时，则将光耦合到波导中。具体来说，耦合等式被示出在等式(6)中：
等式(6)
其中m是整数并且p是光栅的周期。在一些实施例中，可选择m=1。
在本公开中，可使用来自包含Thorlabs、Edmund Scientific和Karl Lambrecht,Inc的多种源的耦合棱镜。可使用从包含Thorlabs、Newport Corp.和Edmund Scientific的各种源可获得的宽带光源。可使用从包含University Wafer和WRS Materials的各种源可获得的晶圆衬底。可使用从包含Hionix, Inc.和Lionix BV的各种源可获得的薄膜涂层。可使用从包含Spectral Products、Newport和Ocean Optics的各种源可获得的光谱仪。可使用从包含Thorlabs、Newport Inc.、Cal Sensors和Agiltron的各种源可获得的探测器。
现在参考图9，其示出了本公开的实施例，在其中包括多个脊的脊形波导布置在衬底的顶部上。如图9中所示，可配置波导使得每个脊的顶部表面稍宽于脊的剩余部分。在脊的顶部表面在脊之间的间隙窄于微粒的大小。例如，如果微粒主要是生物反应器溶液中的心肌细胞，其具有通常大约100μm长和10μm到25μm宽的细长形状，则在顶部表面在脊之间的间隙可仅大约为5μm宽，从而阻止细胞进入脊之间的区域（那里存在较强的电场）但仍允许生物反应器中的流体来填充脊之间的空间和与来自波导模的场相互作用。
在本公开的一些实施例中，提供脊形波导并配置为能够实现流体与波导芯接触的波导光谱法，而同时排除某些大小的微粒进入流体内的波导的高电场区域。在一个实施例中，波导被配置具有多个脊，所述多个脊被间隔在基本上一个波长或小于一个波长内，使得脊之间的间隙小于周围流体内的微粒的大小。在脊的顶部表面在脊之间的间隙可小于微粒的大小，这对于阻止微粒进入间隙是必要的。
脊形波导可被配置具有至少一个脊的顶部表面宽于所述至少一个脊的剩余部分。
在一些实施例中，脊形波导可包括硅衬底上的硅。脊形波导的材料可从由Si3N、Al2O3、Ta2O5、SixOyN1-x-y、Si、Ge、金刚石、ZnS和ZnSe组成的群组中选择。
用于针对广泛多种配置制作脊形波导的工艺对本领域技术人员是已知的，并且可在各种不同制造设施处执行。
现在参考图10，其示出了本公开的实施例，在其中来自光源的光可以是非偏振的、圆偏振的、或利用在45°的偏振定向的线偏振的。光源可以是线偏振的，使得光源的定向与用于激发TE或TM波导模的定向成45°。如图11(a)或11(b)中进一步所示，还提供了旋转偏振器。光被聚焦到波导上，所述波导具有与样品接触的波导芯和波导芯下方的波导包层。衬底可在包层下方。在图10中，旋转偏振器被示出为被放置在光源和样品之间。还设想了旋转偏振器的其他配置。例如，在一些实施例中，旋转偏振器可被安置在样品和探测器之间。图10进一步示出了光谱仪或单色器可被定位在样品后。将理解，光谱仪或单色器还可被安置在光源和样品之间。如果光源是单波长光源（例如，激光器）或可调谐光源（例如，可调谐激光器），则可不要求光谱仪或单色器。
旋转偏振器可按第一特定频率旋转。这使透射光的偏振按第二特定频率被调节，该频率可以是旋转频率的倍数。如果偏振器包括如图11(b)中所示的分区，在示出的实施例中，则通过偏振器透射的光应该是在TM波导模和TE波导模（其分别在90°和0°）的方向中交替被偏振。对于图11(a)中示出的旋转片式偏振器，当偏振器旋转时，透射光的偏振从0°到90°连续变化。如果旋转偏振器安置在波导前面，则对焦到波导上的透射光以其调节强度激发带有90°相移的TE和TM模两者。如果旋转偏振器安置在波导后面，则该偏振器会透射来自在它们之间带有90°相移的TE和TM波导模两者的光。
透射TE和TM模的光强度可分别测量和被减去或划分以获得最终光谱。在其他实施例中，组合的透射TE和TM模的光的强度可由带有锁相放大器或相敏同步检测电子器件的单个探测器测量。如果对于两种模通过波导透射的光强度相等，则当旋转偏振器旋转时不存在光强度的改变。只有当在波导模的两种偏振的透射光强度中存在改变时，才由旋转偏振器调节探测的光强度。如果两种偏振的透射光强度由于除样品吸收以外的一些因素（诸如耦合光进入两种模的不同效率）而不同，则例如两种模的透射光强度可通过调整光源的输入偏振而将更多光放入更弱的模中来被补偿以在探测器处相等。可使用锁相放大器来同步地探测通过偏振器和波导的透射的信号。由于这两种模在它们的调节信号中具有相对90°的相移，所以也可以通过相对于旋转偏振器的相位来调整锁相探测的相位来针对来自锁相的零输出信号补偿和调整两种模的信号等级。
在一个实施例中，偏振器不旋转而是被固定在穿过与激发TE或TM波导模的定向成45°的光的定向。在图12中示出的另一实施例中，偏振器不旋转而是固定在相对于波导45°的定向。如果来自光源的非偏振光通过偏振器透射，则一半的光将激发TE波导模以及一半的光将激发TM波导模。在系统的输出处，提供了偏振光束分束器，所述偏振光束分束器将来自这些模中的一个模的光反射到一个探测器上，而透射光进入第二探测器。如所示出的，可使用两个锁相放大器分开探测TE和TM模透射信号。如果两种模的探测的输出信号振幅不相等，则可调整探测器电子器件的增益以使探测的输出信号振幅形成两个锁相放大器相等。
TE和TM模和与波导的芯接触的流体不同地相互作用。流体中的电场穿透取决于模类型和芯/包层厚度的具体情况以及折射率。在图13中，波导模指数的虚部（其测量在波导中传播的光被衰减得多快）作为葡萄糖溶液和熔融石英衬底上的Si3N4芯的芯厚度的函数而被画出。计算可基于本领域技术人员所知的标准波导公式。在该计算中，芯和包层没有吸收。仅葡萄糖溶液在吸收，所以模指数的虚部是由于葡萄糖溶液中的光的吸收。根据芯厚度，在波导中可存在不同数量的TE和TM模。如果芯太薄，则不存在任一偏振的传播模式。当芯厚度从零起始点增大时，它首先达到TE0模可传播的厚度（如对于大于320nm的芯厚度的虚模指数的值所表明的）。在该芯厚度的模指数的大虚部表明，TE0波导模是高衰减的。一般来说，这是希望的，因为它表明模正强烈地与样品溶液（诸如葡萄糖溶液）发生相互作用。当芯厚度进一步增大时，TE0模的衰减迅速下降。一旦芯厚度达到大约540nm，第一TM模（TM0）开始传播。对于大约540nm的芯厚度，它也具有非常大的虚模指数，表明它是高衰减的。然而，在该芯厚度的TE0模的模指数的虚部要小的多。因此，在该芯厚度，TM0模比TE0模与葡萄糖溶液更加强烈地相互作用。
对于TE0和TM0模两者的550nm的固定芯厚度，在图14中画出了作为波长的函数的模指数的虚部。模指数虚部的非零值完全地由于在模型计算中由葡萄糖的吸收。清楚地示出，由于在两种模之间的葡萄糖，在吸收中存在显著差异，其中在整个波长范围内，TM0模比TE0模表现出更大的衰减。
如图12中所示的一个实施例中所示，可由不同的锁相放大器分开探测TE和TM模的透射率信号。这些信号可由控制计算机数字地减去或划分。图15表现对于TE0和TM0模沿着1cm波导通过10mMol葡萄糖溶液的计算的透射率，以及透射率差异光谱。透射率差异光谱清晰地表现了葡萄糖溶液的吸收特性并且可因此用于确定葡萄糖浓度。通过从TE和TM模减去信号，在源光强度中或在波导耦合效率中或在类似地影响两种模的信号强度的任何其他因素中的共有变化可基本上从差异/划分光谱中被移除，因此提供在无需针对本底光谱测量而周期地向波导传感器提供纯溶液（例如，无微粒的样品）的情况下对葡萄糖溶液的光谱吸收进行长期测量的能力。
偏振器或偏振器分区可由片式偏振器和线栅偏振器中的一个或两者制成。针对各种波长范围，片式偏振器和线栅偏振器从大量源可获得，包含Thorlabs、EdmundScientific和Knight Optical。这些可被切割成合适的形状和偏振角并且附接在旋转“分割器”支架上。旋转“分割器”从各种源可获得，包含Thorlabs、Edmund Scientific和Newport Corp。在一些实施例中，偏振器可以是偏振分束器立方体、Glan-Thomson棱镜、Wollaston棱镜、Glan-Taylor棱镜或其任一组合。
Claims (29)
1.一种用于容器内的样品的波导光谱法的设备，所述设备包括：
具有窗口的衬底，所述窗口在感兴趣的波长处是可透过的并且与容纳样品的所述容器耦合；
在所述感兴趣波长处是可透过的材料的波导芯，所述波导芯位于与所述样品相邻的可透过窗口的内表面上，所述波导芯具有的折射率大于所述样品的折射率，
光学元件，所述光学元件配置成将光耦合进和耦合出所述波导，
光源，所述光源位于所述容器外部；以及
一个或多个探测器，所述一个或多个探测器位于所述容器外部。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述波导包括包层并且所述波导芯具有的折射率大于在所述芯和所述衬底之间沉积的所述包层的折射率。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述波导包括包层，所述包层具有的折射率小于所述衬底的折射率，并且其中所述包层具有三个或多个波长的厚度。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述波导芯具有的折射率大于所述衬底的折射率。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述光学元件包括棱镜和光栅中的一个。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述棱镜置于所述窗口上在所述容器外部。
7.如权利要求5所述的设备，其中所述光栅位于所述容器内部与所述波导相邻或在所述波导内。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述波导芯具有配置成使单个TE偏振波导模透射的厚度。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述波导芯具有配置成使单个TE偏振波导模和单个TM偏振模透射的厚度。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述芯从由Si3N4、Al2O3、Ta2O5、SixOyN1-x-y、Si、Ge、金刚石、ZnS和ZnSe组成的群组中选择的材料制成。
11.如权利要求1所述的设备，其中所述波导具有从由SiO2 MgF2、CaF2和SixOyN1-x-y组成的群组中选择的材料制成的包层。
12.如权利要求1所述的设备，其中所述衬底从由Si、玻璃、熔融石英、Al2O3、ZnS、ZnSe、金刚石、KBr、BaF2和CaF2组成的群组中选择的材料制成。
13.如权利要求1所述的设备，进一步包括位于所述容器外部并且配置成进行光谱测量的装置。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述装置包括滤光器和光谱仪中的至少一个。
15.一种用于在含有微粒的样品上执行波导光谱法的脊形波导，所述脊形波导包括两个或多个脊，所述两个或多个脊在所述脊的顶部表面之间带有间隙，使得所述间隙大约是一个波长或比一个波长更小并且小于所述微粒的最小尺寸。
16.如权利要求15所述的脊形波导，其中所述脊形波导被配置具有至少一个所述脊的所述顶部表面宽于所述至少一个所述脊的剩余部分。
17.如权利要求15所述的脊形波导，其中所述脊包括硅衬底上的硅。
18.如权利要求15所述的脊形波导，其中所述脊从由Si3N、Al2O3、Ta2O5、SixOyN1-x-y、Si、Ge、金刚石、ZnS或ZnSe组成的群组中选择。
19.一种用于使用系统测量波导光谱的方法，所述系统包括偏振光，包括支持TE和TM波导模两者的与样品接触的波导、光源、偏振器和探测器。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述偏振器以特定频率旋转，促使透射光的偏振旋转。
21.如权利要求19所述的方法，其中所述偏振器包括以特定频率旋转的多分区偏振器，其中邻近偏振器分区彼此垂直定向，并且一半的所述分区定向为穿过适于TE波导模的光以及一半定向为穿过TM波导模的光。
22.如权利要求19所述的方法，其中所述偏振器不旋转并且被固定在穿过与激发TE或TM波导模的定向成45°的光的定向。
23.如权利要求19所述的方法，其中所述光源是非偏振的或圆偏振的。
24.如权利要求19所述的方法，其中所述光源是线偏振的，使得所述光源的定向与用于激发TE或TM波导模的所述定向成45°。
25.如权利要求24所述的方法，其中透射的TE和TM模的光强度被分开测量和被减去或被划分以获得最终光谱。
26.如权利要求19所述的方法，其中组合的透射的TE和TM模的光的强度由带有锁相放大器或相敏同步检测电子器件的单个探测器测量。
27.如权利要求19所述的方法，其中所述偏振器或偏振器分区由片式偏振器和线栅偏振器中的一个或两者制成。
28.如权利要求19所述的方法，其中所述偏振器是偏振分束器立方体、Glan-Thomson棱镜、Wollaston棱镜、Glan-Taylor棱镜或其任一组合。
29.如权利要求19所述的方法，其中芯和包层在所述波导中具有被选择成支持单个TE和TM模或被选择成仅稍大于一个传播模式的截止的厚度。
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