CN115485549A - 用于超声感测的光学微谐振器阵列设备 - Google Patents

用于超声感测的光学微谐振器阵列设备 Download PDF

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Abstract

一种装置可包含一个或多个光纤、一个或多个光波导以及布置在感测位置阵列中的多个谐振器节点。每一谐振器节点可包含在光波导与在相应感测位置处具有一组谐振频率的光纤之间的光学耦合。每一谐振器节点可进一步被配置成传送一组信号，所述一组信号对应于在所述相应感测位置处的所述光纤中的所述一组谐振频率中的至少一个移位。

Description

用于超声感测的光学微谐振器阵列设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年3月30日提交的美国专利申请第63/001,738号的优先权，所述美国专利申请以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开大体上涉及超声领域，并且尤其涉及能够使用光学微谐振器阵列进行超声感测的方法和设备。
背景技术
由于许多优点，超声感测被用于包含医学成像的各个行业中。举例来说，超声感测利用具有显着穿透深度的超声信号。此外，已知超声成像具有有利的非侵入性成像形式，因为它基于非电离辐射。
常规的超声感测使用压电材料，例如锆钛酸铅(PZT)、聚合物厚膜(PTF)和聚偏二氟乙烯(PVDF)。然而，与使用这些材料的压电性质相关联的一些挑战包含高操作电压要求、高电场要求(其可导致击穿和故障)、具有高滞后的非线性响应和有限的检测角度。因此，需要用于超声感测的新的且改进的设备和方法。
发明内容
一般来说，在一些实施例中，一种装置可包含一个或多个(例如，多个)光纤、一个或多个光波导以及布置在感测位置阵列中的多个谐振器节点。每一谐振器节点可包含在光波导与在相应感测位置处具有一组谐振频率的光纤之间的光学耦合。每一谐振器节点可进一步被配置成传送一组信号，所述一组信号对应于在所述相应感测位置处的所述光纤中的所述一组谐振频率中的移位。在一些实施例中，每一光纤可具有相同或大体上类似的横截面几何形状和/或材料均一性，以使得所述光纤可具有相同或大体上类似的一组谐振频率。通过利用此类均一的材料特性(例如，利用大批生产的光纤)，包含此类装置的超声感测系统可更容易地以具有成本效益且一致的方式大规模生产，并且具有更一致、可预测的性能。
在一些实施例中，所述一个或多个光纤可被配置成接收多个超声回波。此外，所述一个或多个光纤可被配置成响应于所述多个超声回波而经历所述一组谐振频率中的所述移位。在一些实施例中，所述一个或多个光波导被配置成将与所述一组谐振频率中的所述至少一个移位相对应的一组信号传播到光学检测器。
在一些实施例中，所述一个或多个光波导可包含一个或多个锥形光纤或一个或多个集成光子波导(例如，硅光子波导)。所述一个或多个锥形光纤可处于聚合物结构。
所述一个或多个光纤可被布置成垂直于所述一个或多个光波导。举例来说，在一些实施例中，所述一个或多个光纤可彼此以预定等距离且垂直于所述一个或多个锥形光纤而线性地布置。此外，所述一个或多个光纤和所述一个或多个光波导可被布置成矩形网格。
在一些实施例中，所述一个或多个光波导可耦合到光源，并且所述光源可在所述一个或多个光波导中传播光。举例来说，所述光源可包含宽带光源或可调谐激光源。
所述一个或多个光纤和所述一个或多个光波导可以能够在每一谐振器节点处进行光学耦合的任何合适方式布置。举例来说，在一些实施例中，光纤可在谐振器节点处与光波导物理接触。替代地，在实施例中，在谐振器节点处的光纤与光波导之间可能存在较短分离间隙(例如，约1μm间隔或更小)。此外，所述光波导和所述光纤可以任何合适方式间隔开。举例来说，在一些实施例中，所述一个或多个光波导的光波导之间的距离可为来自所述光源的所述光的波长的至少约20倍。在一些实施例中，所述一个或多个光纤的光纤之间的距离可小于所述光的所述波长的约3倍。
一般来说，在一些实施例中，一种用于超声感测的方法可包含经由多个(例如，多于一个)谐振器节点在一个或多个光波导处接收与沿着一个或多个光纤的圆周传播的第一组回音壁模式相对应的第一组信号。所述方法可进一步包含经由所述多个谐振器节点在所述一个或多个光波导处接收与沿着每一光纤的所述圆周传播的第二组回音壁模式相对应的第二组信号。在一些实施例中，所述第二组回音壁模式可响应于所述一个或多个光纤接收到多个超声回波而传播。所述方法可进一步包含检测所述第一组信号与所述第二组信号之间的一组差异。所述方法可进一步包含至少部分地基于所述第一组信号、所述第二组信号和/或所述一组差异而计算每一谐振器节点处的每一超声回波的量值。所述方法可进一步包含将每一超声回波的所述量值与每一谐振器节点的感测位置相关联。在一些实施例中，所述方法可进一步包含使用多个压电元件传输多个超声信号。所述方法可进一步包含在所述一个或多个光纤处接收对应于所述多个超声信号的所述多个超声回波，所述多个谐振器节点可被配置成执行合成孔径(SA)操作或压缩感测(CS)操作。
在一些实施例中，所述一个或多个光纤可包含具有相同或大体上类似的横截面几何形状和材料的多个光纤以便具有相同或大体上类似的几组谐振频率。在一些实施例中，所述一个或多个光纤可垂直于所述一个或多个光波导。在一些实施例中，所述一个或多个光波导可包含一个或多个锥形光纤和/或一个或多个集成光子波导，或者可耦合到光源以便传播来自所述光源的光的另一合适波导。在一些实施例中，所述一个或多个光纤和/或所述一个或多个光波导可处于聚合物结构。
所述一个或多个光纤和所述一个或多个光波导可以能够在每一谐振器节点处进行光学耦合的任何合适方式布置。举例来说，在一些实施例中，光纤可在谐振器节点处与光波导物理接触。替代地，在实施例中，在谐振器节点处的光纤与光波导之间可能存在较短分离间隙(例如，约1μm间隔或更小)。此外，所述光波导和所述光纤可以任何合适方式间隔开。举例来说，在一些实施例中，所述一个或多个光波导的光波导之间的距离可为来自所述光源的所述光的波长的至少约20倍。在一些实施例中，所述一个或多个光纤的光纤之间的距离可小于所述光的所述波长的约3倍。
一般来说，在一些实施例中，一种装置可包含一个或多个光纤以及在多个谐振器节点处光学耦合到所述一个或多个光纤的一个或多个光波导。每一光纤的圆周可被配置成传播第一组回音壁模式。在一些实施例中，所述一个或多个光纤将对应于所述第一组回音壁模式的第一组信号传送到所述一个或多个光波导。所述一个或多个光波导可被配置成将所述第一组信号传播到至少一个光学检测器。
在一些实施例中，所述一个或多个光纤可包含具有相同或大体上类似的横截面几何形状和材料的多个光纤以便具有相同或大体上类似的几组谐振频率。在一些实施例中，所述一个或多个光纤可垂直于所述一个或多个光波导。在一些实施例中，所述一个或多个光波导可包含一个或多个锥形光纤和/或一个或多个集成光子波导，或者可耦合到光源以便传播来自所述光源的光的另一合适波导。在一些实施例中，所述一个或多个光纤和/或所述一个或多个光波导可处于聚合物结构。
所述一个或多个光纤和所述一个或多个光波导可以能够在每一谐振器节点处进行光学耦合的任何合适方式布置。举例来说，在一些实施例中，光纤可在谐振器节点处与光波导物理接触。替代地，在实施例中，在谐振器节点处的光纤与光波导之间可能存在较短分离间隙(例如，约1μm间隔或更小)。此外，所述光波导和所述光纤可以任何合适方式间隔开。举例来说，在一些实施例中，所述一个或多个光波导的光波导之间的距离可为来自所述光源的所述光的波长的至少约20倍。在一些实施例中，所述一个或多个光纤的光纤之间的距离可小于所述光的所述波长的约3倍。
在一些实施例中，所述一个或多个光纤被配置成接收多个超声回波且响应于所述多个超声回波而传播第二组回音壁模式。所述一个或多个光纤被配置成将对应于所述第二组回音壁模式的第二组信号传送到所述一个或多个光波导。在一些实施例中，所述一个或多个光波导被配置成将所述第二组信号传播到所述至少一个光学检测器。
在一些实施例中，所述一个或多个光纤可被配置成通过所述多个谐振器节点将与所述第一组回音壁模式和所述第二组回音壁模式之间的差异相对应的一组信号传送到所述一个或多个光波导。举例来说，所述第一组回音壁模式与所述第二组回音壁模式之间的所述差异包含以下中的至少一者：所述光纤的谐振频率中的至少一个移位和/或所述一个或多个光纤的谐振的衰减。
附图说明
图1A是示范性光学微谐振器阵列的示意性描述。
图1B是示范性光学微谐振器阵列的示意性描述。
图1C是示范性光学微谐振器阵列的示意性描述。
图1D是示范性光学微谐振器阵列的示意性描述。
图2A是封装光学微谐振器阵列的示范性方法的示意性描述。
图2B是封装光学微谐振器阵列的示范性方法的示意性描述。
图3A是示范性光学微谐振器阵列的示意性描述。
图3B是示范性光学微谐振器阵列的示意性描述。
图3C是示范性光学微谐振器阵列的示意性描述。
图4是使用光学微谐振器阵列设备来感测一组超声回波的示范性方法的示意性描述。
图5是测量光学微谐振器阵列设备的光学响应的示范性方法的示意性描述。
图6是测量光学微谐振器阵列设备的光学响应的示范性方法的示意性描述。
图7和图8是示范性超声探头的示意性描述。
具体实施方式
在本文中描述了并在附图中图示了本发明的各个方面和变型的非限制性实例。
本文中描述了示范性光学微谐振器阵列及其制造方法。此外，如本文中所描述，可组合此类光学微谐振器阵列以形成具有高品质因数和如下文所描述的各种其它有益特征的光学微谐振器阵列，以供用于诸如超声感测和/或超声成像的应用中。
光学微谐振器阵列
本文中描述了适用于包含高灵敏度声光感测系统的高灵敏度应用的光学微谐振器阵列。举例来说，如图1A中所展示，示范性光学微谐振器阵列100A可包含一组(例如，多个)光纤103A、一组(例如，多个)光波导102A以及布置在感测位置阵列中的多个谐振器节点104A。每一谐振器节点104A可包括在相应感测位置处的光波导与光纤之间的光学耦合。每一光纤可具有一组谐振频率，并且每一谐振器节点104A可进一步被配置成传送与在相应感测位置处的光纤中的所述一组谐振频率中的至少一个移位相对应的一组信号。在每一谐振器节点处，光纤的横截面可充当光学微谐振器(例如，回音壁模式微谐振器)，所述光学微谐振器被配置成传送与光纤中的所述一组谐振频率中的至少一个移位相对应的一组信号。这些信号与用于所述谐振器节点的相应感测位置相关联。
光学微谐振器阵列中的每一光学微谐振器包含透明介质的封闭回路，其允许一些准许频率的光在封闭回路内部连续地传播，且将准许频率的光的光学能量存储在封闭回路中。因此，光学微谐振器准许传播在光学微谐振器周围传播且对应于准许频率的回音壁模式(WGM)以循环光学微谐振器的圆周。来自WGM的每一模式可例如对应于来自准许频率的光的某一频率的光的传播。
本文中所描述的光学微谐振器阵列至少部分地由于具有高品质因数而具有高灵敏度，因为其有利地允许准许频率的光长时间停留在光学微谐振器阵列的封闭回路中。本文中所描述的准许频率的光和光学微谐振器阵列的品质因数可至少部分地基于光学微谐振器阵列的几何参数、透明介质的折射率以及光学微谐振器阵列周围环境的折射率。
如本文中进一步描述，光学微谐振器阵列可被配置成接收光、传输光并且在实践中是有用的(例如，用于声光系统中的超声成像或其它感测应用)。基于光学微谐振器阵列的声光系统可通过光弹性效应和/或响应于超声波(例如，超声回波)的光学微谐振器阵列的物理变形来直接测量超声波。举例来说，在存在超声(或任何压力)波的情况下，传播光学微谐振器阵列的WGM可经历由光学微谐振器阵列的折射率和/或形状的变化引起的一组一个或多个光谱移位。可在光谱域和进出光学微谐振器阵列的光传输强度中容易地监测并分析光谱变化。可通过监测并分析多个光学微谐振器阵列当中的移位WGM来另外导出额外的空间和其它信息。
在一些实施例中，光学微谐振器阵列可包含沿着其长度和/或相对于彼此具有相同或大体上类似的横截面特性(例如，横截面几何形状和/或材料性质)的光纤，如本文中进一步描述。因此，可利用批量生产的光纤的可用性来以适合大规模生产的有效、高度可再现的方式制造光学微谐振器阵列。此外，在光学微谐振器阵列中使用这种类似的、批量生产的光纤(和/或光波导)可在超声感测中产生更一致、更可靠的性能。因此，本文中所描述的光学微谐振器阵列提供了优于由传统技术形成的微谐振器阵列的若干优点，其中独立的微谐振器在组合成阵列之前必须费力地个别地形成，并且由于个别微谐振器当中的可变性而可能表现出不一致或不可靠的性能和/或需要复杂的微米或纳米制造技术来修整个别微谐振器谐振波长。此外，对于具有带有相同或非常接近的WGM谐振条件和谐振频率的光纤的光学微谐振器阵列的实施例，有可能使用单频激光器或其它单频光源来同时探测或激发光学微谐振器阵列中的所有WGM，从而简化了感测微谐振器阵列的操作。
替代地，在一些实施例中，至少一些光纤可具有变化的已知横截面特性(例如，不同的半径、不同的材料分布)，因此表现出在分析由于移位WGM而获得的信号期间引起的不同谐振频率。
光纤和光波导
光学微谐振器阵列中的所述一组光纤103A可由对在所述一组光纤内部传播的某一频率的光透明的材料(例如，玻璃、聚合物、晶体等)制成。所述一组光纤103A可包含例如一组一个或多个单模光纤、一组一个或多个多模光纤、一组一个或多个渐变型光纤、一组一个或多个突变型光纤、一组一个或多个保偏光纤和/或适合于在其圆周处支持回音壁模式的任何光纤。在一些实施例中，所述一组光纤可包含例如在大小、折射率和/或谐振波长方面共同具有相同或显著类似性质的市售光纤。举例来说，一组单模光纤可具有在所述一组单模光纤的任何垂直横截面处非常均一的材料指数1.5和直径125μm。
在一些实施例中，所述一组光纤103A可被选择为和/或被蚀刻为具有小半径。所述一组光纤的小半径会产生所述一组谐振频率的较大自由光谱范围。结果，由所述一组光纤103A的半径所支持的谐振模式的光谱密度减小，这可改进光学微谐振器阵列100A的感测性能的动态范围。
在一些实施例中，所述一组光波导102A可包含由玻璃、硅、氮化硅和/或对在所述一组光纤内部传播的某一频率的光透明的任何材料制成的一组集成光子波导。举例来说，所述一组光波导102A可包含一组条形波导、槽形波导、平板波导、条形加载槽形波导、光子晶体波导和/或适合于支持光传播跨越光学微谐振器阵列的长度的任何集成光子波导。
另外或替代地，所述一组光波导102A可包含由光纤制成的一组锥形光纤。举例来说，所述一组光波导102A的至少一部分可由一组单模光纤、多模光纤、渐变型光纤、突变型光纤、保偏光纤等制成。一般来说，在一些实施例中，可通过在加热光纤的同时轻轻拉伸所述光纤来产生所述一组锥形光纤。在这样做时，光纤在一定长度上变得更细。另外或替代地，在一些实施例中，可通过完全或部分地蚀刻(例如，使用湿式蚀刻)光纤包层来产生所述一组锥形光纤的至少一部分。
在一些实施例中，可蚀刻所述一组光纤和/或所述一组锥形光纤以减小其大小。举例来说，可使用化学溶液(例如，盐酸)来蚀刻所述一组光纤和/或所述一组锥形光纤以减小其长度和/或半径。所述一组光纤和/或所述一组锥形光纤的预定部分可暴露于化学溶液，从而仅蚀刻暴露于化学溶液的部分。
系统可进一步包含一个或多个光源。举例来说，所述一组光波导102A可耦合到一组一个或多个光源，以使得来自所述一组光源的光101A输入到所述一组光波导102A且输入到光学耦合的光纤103A中。光然后沿着每一光纤的方位角传播以激发谐振器节点的WGM，如本文中进一步描述。此外，光还可从光纤103A另外耦合出来并返回到光波导102A中。
一个或多个光源可包含宽带光源、可调谐激光源、使用数字调制方法或使用克尔四波混合(FWM)方法的光学频率梳(OFC)激光源，和/或适合于光学微谐振器阵列100A的操作频带的任何其它光源。在一些实施例中，所述一组一个或多个光源可包含被配置成将具有相同光谱特性的光101A传播到所述一组光波导102A中的单频光源。在一些实施例中，至少一个光源可包含将输入光101A直接发射到所述一组光纤中的光纤激光源，所述一组光纤可将输入光101A耦合到一组集成光子波导中。在一些实施例中，所述一组光源可包含将所述一组输入光101A直接发射到所述一组集成光子波导的一组基于芯片的激光源。所述一组集成光子波导然后可被配置成将所述一组输入光耦合到一组锥形光纤中。此外，在一些实施例中，一个或多个光源可耦合到平板或平面波导中，如下文进一步详细描述。
光纤和光波导可以各种合适方式中的任一者布置。举例来说，如图1A中所展示，光学微谐振器阵列100A可包含叠加在光纤103A上方以形成多个谐振器节点104A的锥形光纤(用作光波导102A)。如下文进一步详细描述，替代地，光纤103A的至少一部分可叠加在锥形光纤(波导102A)上方。
作为另一实例，一个或多个光纤可布置在例如硅光子平台、氮化硅平台和/或诸如图1B至图1D中所展示的平台等等的集成光子波导平台上方。图1B是示范性集成光子光波导阵列100B的示意性描述。在一些实施例中，集成光子平台可包含衬底107B(例如，硅、硅石、氮化硅等等)、内埋氧化物层106B和其它集成光子组件。光波导阵列100B可耦合到一组一个或多个光源。在一些实施例中，所述一组光源可为光纤耦合的光源或将光101B发射到与芯片上光栅耦合器102B竖直地对准的光纤中的其它光源。与其它集成光子组件(例如，多模干涉设备103B)组合的光栅耦合器102B可将光耦合到具有一个或多个光波导108B的光波导阵列100B中。举例来说，如图1B中所展示，来自单个光源的输入光可经由划分或分支图案耦合到多个光波导108B中。在一些实施例中，光波导阵列100B的至少一部分可涂覆有包封层105B(例如，旋涂有匹配聚合物)，而光波导阵列100B的其它部分可保持未涂覆有包封层105B(例如，通过选择性地蚀刻包封层)。
图1C是另一示范性光学微谐振器阵列100C的示意性描述，其中多个谐振器节点104C定位于一组感测位置处。光学微谐振器阵列100C可包含具有布置在集成平面光学平台中的多个光波导108C的光波导阵列102C(类似于上文关于图1B描述的光波导阵列100B)以及在所述一组感测位置处光学耦合到光波导阵列102C以建立多个谐振器节点104C的一组光纤103C。每一谐振器节点可具有相对于其它谐振器节点的预定位置，以用于确定由谐振器节点检测到的声学回波的位置。类似于上面关于图1B所描述的，光波导阵列102C可包含在衬底105C上制造的集成光子波导。在一些实施例中，光波导阵列可包含在输入波导101C处耦合输入光的多个光源，每一输入波导又可连接到多个光波导108C(例如，经由分束器或光纤耦合器)。图1C中所展示的实施例包含用于三个光波导的单个光输入；然而，应理解，其它实施例可包含光输入与光波导108C的任何合适比率(例如，约1:2、1:3、1:4等)。光波导阵列102C中的每一光波导108C可垂直于一组光纤103C以产生多个谐振器节点104C。如本文中进一步描述，多个谐振器节点104C可将光耦合到所述一组光纤103C中以传播一组WGM并将一组光学信号生成到光波导阵列102C中。光波导阵列可连接到一组光电检测器和多通道光谱分析仪以表征用于超声感测的所述一组光学信号。
图1D是另一光学微谐振器阵列100D的示意性描述，其中一组谐振器节点104D定位于一组感测位置处。光学微谐振器阵列100D可包含具有布置在集成平面光学平台中的多个光波导108D的光波导阵列102D(类似于上文关于图1B描述的光波导阵列100B)以及在所述一组感测位置处光学耦合到光波导阵列102D以建立多个谐振器节点104D的一组光纤103D。每一谐振器节点可具有相对于其它谐振器节点的预定位置，以用于确定由谐振器节点检测到的声学回波的位置。如图1D中所展示，来自光波导阵列102D的每一光波导108D可光学耦合到相应光输入101D(每一光输入可例如耦合到相应光源，或者至少一些光输入可从共同光源获得光)。换句话说，光输入与光波导108D的比率可为1:1)。光波导阵列102D中的每一光波导108D可垂直于一组光纤103D以产生多个谐振器节点104D。如本文中进一步描述，多个谐振器节点104D可将光耦合到所述一组光纤103D中以传播一组WGM并将一组光学信号生成到光波导阵列102D中。光波导阵列可连接到一组光电检测器和多通道光谱分析仪以表征用于超声感测的所述一组光学信号。
谐振器节点
系统可包含在光波导与光纤光学耦合的各个感测位置处的一组谐振器节点。举例来说，图1A是光学微谐振器阵列100A的示意性图示，其中谐振器节点104A定位于光纤103A与光波导102A光学耦合的感测位置处。每一谐振器节点可具有相对于其它光学微谐振器的预定位置，以用于确定检测到的声学回波的位置。
在一些实施例中，输入光101A可耦合到所述一组光纤103A，以使得一组回音壁模式(WGM)在多个谐振器节点104A处围绕光纤103A的内圆周传播。每一谐振器节点可具有相关联的感测坐标。多个谐振器节点104A可接收一组超声回波，所述超声回波在空间上以各种强度分布在光学微谐振器阵列的多个谐振器节点104A上。在一些实施例中，每一谐振器节点可具有相对于其它谐振器节点的预定位置，以用于确定由谐振器节点检测到的声学回波的位置。在一些其它情况下，每一谐振器节点可具有与谐振器节点相关联的可将谐振器节点的光学响应与其它谐振器节点区分开的特性几何形状和/或材料折射率。在下文进一步详细描述使用谐振器节点的感测。
谐振器节点104A可相对于所述一组光纤和所述一组光波导以各种合适种类的阵列且以各种合适的方式布置。在一些实施例中，所述一组光纤103A可垂直于光波导102A以便允许来自光波导102A的光围绕光纤130A的横截面循环。举例来说，光纤可使用对准程序而被布置成垂直于光波导。对准程序可包含将具有第一组强度的第一组光传播到所述一组光波导102A。对准程序可进一步包含检测具有第二组强度的第二组光。对准程序可包含调整所述一组光纤103A与所述一组光波导102A之间的一组角度(例如，通过使用高精度定位系统)以最大化第二组强度。在一个实例中，对所述一组角度的调整是为了实现每一光纤与光波导之间的垂直角度。在一些情况下，对准程序可能在光纤与光波导之间产生间隙以实现产生耦合到谐振器节点中的最高功率的耦合条件。在一些其它情况下，光纤可与光波导物理接触以便提高耦合条件的稳定性。所述一组光纤103A与所述一组光波导102A之间的垂直角度可允许光从所述一组光纤103A耦合以耦合到所述一组光波导102A，且反之亦然。在一些实施例中，对准程序可包含通过验证光纤与光波导之间的光耦合来验证所述一组光纤103A与所述一组光波导102A之间的垂直度。
在一些实施例中，谐振器节点可布置在诸如矩形阵列之类的网格中，由布置在网格中的光纤和光波导形成。举例来说，所述一组波导也可彼此平行且等距地布置，并且光纤可彼此平行且等距且垂直于所述一组波导而布置。然而，在一些实施例中，光纤可不规则地间隔开和/或波导可不规则地间隔开。
尽管在一些实施例中，光学微谐振器阵列可包含多个光波导和多个光纤，例如图1A中所展示的那样，应理解，多个谐振器节点也可仅由单个光波导或仅由单个光纤形成。
举例来说，如图3A中所展示，在一些实施例中，光学微谐振器阵列可包含由在多个感测位置处光学耦合到多个光纤303A和303A'的单个光波导302A形成的多个谐振器节点。在一些情况下，具有多个不同波长的一组光可在单个光波导302A中传播。在一些其它情况下，单波长的光可在单个光波导302A中传播。在一些其它情况下，宽带光301A可在单个光波导302A中传播。单个光波导302A可在光波导长度上的多个单独感测位置处垂直于且光学耦合到光纤303A和303A'，从而形成第一和第二谐振器节点304A和304A'。应理解，虽然图3A中示出了两个谐振器节点，但可通过将任何合适数目个光纤(例如，三个、四个、五个或更多个等)耦合到光波导而沿着单个光波导形成任何合适数目个谐振器节点。光输入301A可分别耦合到光纤303A和303A'中并在其周围传播以分别在谐振器节点304A和304A'处激发WGM。体现WGM和WGM中的任何移位的光学信号然后可在谐振器节点处耦合到光纤并提供为输出光305A。
作为另一实例，如图3B中所展示，在一些实施例中，光学微谐振器阵列可包含由在多个感测位置处耦合到单个光纤303B的多个光波导302B和302B'形成的多个谐振器节点。在一些情况下，各自具有不同波长的第一输入光301B和/或第二输入光301B'可在每一光波导中传播。在一些其它情况下，第一单波长光301B可在一个光波导(例如，光波导302B)中传播，并且第二单波长光301B'可在另一光波导(例如，光波导302B')中传播。光波导302B和光波导302B'可在光纤长度上的多个单独感测位置处垂直于且光学耦合到单个光纤303B，从而形成第一和第二谐振器节点304B和304B'。在一些实施例中，光波导302B和光波导302B'可在半径和材料均一性分布方面相同，且因此在一组谐振器节点304B和304B处展现相同的WGM和谐振频率。应理解，虽然图3B中示出了两个谐振器节点，但可通过将任何合适数目个光波导(例如，三个、四个、五个或更多个等)耦合到光纤而沿着单个光纤形成任何合适数目个谐振器节点。
光输入301B和301B'可耦合到光纤303B中并沿着其传播以分别在谐振器节点304B和304B'处激发WGM。体现WGM和WGM中的任何移位的光学信号然后可在谐振器节点处耦合到光纤并提供为输出光305B和305B'。
谐振器节点处的感测
为简单起见，在光学微谐振器阵列中的谐振器节点处的感测在下文关于如图3C中所展示的单个谐振器节点304C进行描述。当光波导301C被对准并定位以便光学耦合到单个光纤303C时，在感测位置处形成谐振器节点304C。在光学微谐振器阵列上，多个谐振器节点可位于多个感测位置或坐标处。举例来说，在一些实施例中，感测位置可位于光波导与光纤的交叉处。
光波导302C可位于光纤303C的顶部上或光纤303C的底部处(或在任何合适的切线处或从切线横向偏移分离间隙)。光波导302C可沿着单个光纤303C的长度在任何位置处光学耦合到光纤303C。光波导302C的纵向轴线可垂直于光纤303C的纵向轴线。光纤303C的特征可在于预定几何特征和材料特征，例如光纤半径、光纤表面粗糙度和/或光纤材料折射率，其中的每一者均可影响阻抗、散射损耗和/或对由谐振器节点提供的所述一组信号有影响的单个光纤303C的吸收损耗。
另外，一般来说，谐振器节点304C具有由位于感测位置处的特征的几何性质和材料性质确定的一组特征性的谐振频率。感测位置处的这些几何和材料性质可能受到在感测位置处接收到的一组超声回波的影响，从而移位谐振频率和/或衰减谐振器节点304C的所述一组谐振频率的谐振峰值或凹陷。考虑到整个光学微谐振器阵列上的多个谐振器节点，接收到的超声回波可能会影响到在不同感测坐标处具有不同强度的多个谐振器节点的几何性质和/或材料性质。因此，超声回波可使所述一组谐振频率移位和/或使多个谐振器节点的所述一组谐振频率的谐振峰值/凹陷衰减各种量，所述量指示所述一组超声回波的不同强度。
在用于感测期间，光波导302C可接收并传播来自光源的光301C。光可例如为单波长光(例如，532纳米激光器)、宽带光(例如，掺铒光纤放大器)和/或多波长光(例如，频率梳)。光可在谐振器节点304C处耦合到光纤304C以激发围绕光纤的圆周以方位角传播的一组WGM。所述一组WGM可在光波导302C中产生一组信号305C。所述一组信号可包含作为单个谐振器节点304C、单个光波导302C和/或单个光纤303C的特性的一组谐振特征。
单个谐振器节点304C然后可接收一组超声回波，所述超声回波机械地振动光波导302C、光纤303C、谐振器节点304C和/或这些组件内部和/或外部的材料。因此，光波导302C、光纤303C、谐振器节点304C和/或这些组件内部和/或外部的材料的几何特征和/或材料折射率可能经历与用于谐振器节点的WGM中的变化相关联的变化。与每一几何特征和/或材料折射率的默认值相比，所述变化可能较小或较大。即使每一几何特征和/或材料折射率的微小变化也会显著影响谐振特征并产生可检测信号。在一个说明性实例中，单个光纤303C的折射率变化了Δn＝0.01，这可比单个光纤303C的折射率n＝1.5小两个数量级。然而，折射率的此变化可能足以使谐振特征移位了与谐振特征最大值的一半处的全宽相当的频率量。
换句话说，谐振特征中的响应于接收到超声回波的一组一个或多个移位可对应于一组光学信号的传播中的移位(例如，与响应于超声回波的第一组WGM与第二组WGM之间的差异有关)。谐振特征中的所述一组移位可为多个移位(即，连续移位，或在每一光学频率处的移位)。可将光学信号传输到光电检测器或光谱分析仪以进行表征。举例来说，合适的计算设备可操作地耦合到光电检测器和/或光谱分析仪以检测在接收到超声回波之前和之后的光学信号中的差异。在一些实施例中，从由相同光波导耦合的不同光纤读出感测信号，可通过将不同光纤处的物理扰动与光波导的输出端处的光学读出时间同步来实施定时机制。
此外，在一些实施例中，如果不同光纤具有不同横截面特性(例如，半径、材料)并因此具有不同谐振频率，那么具有不同波长的光可沿着相同光波导传输且用以探测不同光纤中的WGM。在光波导的输出端处读取的光学信号可根据与相应不同光纤相关联的传输波长而分离。
在一个实例中，光学微谐振器阵列可包含一组谐振器节点，所述谐振器节点具有193THz的谐振频率和/或对应于谐振频率的10％传输率的谐振凹陷。光学微谐振器阵列可接收在第一感测坐标(x＝1，y＝1)处强度为0.03W/cm2的超声回波以及在第二感测坐标(x＝3，y＝4)处强度为0.1W/cm2的超声回波，举例来说，其中x可指示光纤的位置且y可指示光波导的位置。位于第一感测坐标(x＝1，y＝1)处的第一谐振器节点可归因于强度为0.03W/cm2的超声回波而将193THz的谐振频率移位到194THz。位于第二感测坐标(x＝3，y＝4)处的第二谐振器节点可归因于强度为0.1W/cm2的超声回波而将193THz的谐振频率移位到198THz。如此实例中所展现，每一谐振器节点的谐振频率的移位量值可与超声回波的强度中的移位量值相关。通过绘制用于感测坐标的谐振移位的量值，可基于超声回波而执行超声成像。
本文中所描述的谐振器节点至少部分地由于具有高品质因数而具有高灵敏度，因为谐振器节点有利地允许准许频率的光长时间停留在光学微谐振器的封闭回路中。本文中所描述的光学微谐振器的准许频率的光和品质因数可至少部分地基于所述一组光纤的几何参数和材料参数(例如，消光系数、折射率、缺陷、均质性)、所述一组波导的几何参数、所述一组光纤和所述一组波导的折射率、所述一组光纤和所述一组波导的周围环境的折射率等等。
封装光学微谐振器阵列
光学微谐振器阵列的性能至少部分地取决于设备中的材料的弹性和弹性光学性质。光学微谐振器阵列可被封装(例如，在聚合物结构中)以进一步增强光学微谐振器阵列的能力，如图2A和图2B中所展示。图2A是将所述一组光纤203A和/或所述一组光波导204A封装在结构中(例如，在聚合物结构中)以产生封装光学微谐振器阵列的示范性方法的示意性描述。所述结构可包含背衬区域202A(例如，背衬聚合物)和/或匹配区域205A(例如，匹配聚合物)。在一些实施例中，背衬区域202A和/或匹配区域205A可为沉积(例如，旋涂)在衬底上的层，如下文进一步详细描述。此外，也可至少部分地通过将光学微谐振器阵列封装在例如具有低折射率(至少低于所述一组光波导204A和所述一组光纤203A的折射率)的软质材料之类的材料结构中来提高光学微谐振器阵列的机械稳定性。
封装光学微谐振器阵列的方法可包含清洁衬底201A的表面，例如硅、硅石、石英、塑料或适合于充当声光传感器设备的衬底的任何其它材料。在一些情况下，可选择与光学微谐振器阵列中所使用的其它材料相比具有较高蚀刻速率的衬底，以使得可在封装光学微谐振器阵列之后将所述衬底蚀刻掉。充当衬底的合适材料可包含用以消除残余振动并最小化传感器结构内的超声回波的阻尼材料。参考图2A，然后可用包含背衬聚合物202A的一个或多个涂覆材料来涂覆衬底201A。背衬聚合物202A可为阻尼材料，例如具有低折射率的聚合物材料，其被配置成在所述一组光纤203A的圆周中获得宽回音壁模式(WGM)频率响应，同时具有高超声衰减以防止光学微谐振器阵列被设计以感测到的一组超声回波的混响。在一些实施例中，背衬聚合物的阻尼材料的声阻抗可例如与用于封装光学微谐振器阵列的匹配聚合物层205A的声阻抗匹配，如下文进一步描述。
如图2A中所展示，例如锥形光纤之类的所述一组光波导204A可放置在背衬聚合物202A或匹配聚合物205A中。如上文所描述，所述一组光波导204A可包含从光纤耦合的光源接收一组光的一组锥形光纤、从芯片上光源接收一组光的一组集成光子波导、耦合到从光纤耦合的光源传播所述一组光的所述一组锥形光纤的一组集成光子波导，或用以将一组光从光源传播到与所述一组光纤203A和所述一组光波导204A光学耦合的一组谐振器节点的任何其它合适介质。在一些实施例中，所述一组光纤203A可在固化背衬聚合物202A之前放置在背衬聚合物202A中。将所述一组光纤203A放置在未固化的背衬聚合物上可使得所述一组光纤嵌入在背衬聚合物202A中。在放置所述一组光波导204A之后，可例如通过在预设温度下烘烤背衬聚合物来固化背衬聚合物。
封装光学微谐振器阵列的方法可进一步包含将所述一组光波导204A放置成接近所述一组光纤203A以便将所述一组光纤光学耦合到所述一组光波导。举例来说，所述一组光纤203A和所述一组光波导204A可被定位(例如，通过使用高精度定位系统)以使得所述一组光波导垂直于所述光学组光纤(例如，如上文关于图1所描述)。虽然封装光学微谐振器阵列的方法主要描述为在光波导之前放置光纤，但应理解，在一些实施例中，光波导可在光纤之前放置。
图2B描绘光学微谐振器阵列(例如关于图1C所描述的光学微谐振器阵列100C)的示范性制造过程。光学微谐振器阵列可基于集成光子平台并被封装(例如，在聚合物结构中)以进一步增强光学微谐振器阵列的能力，如图2B中所展示。图2B是将所述一组光纤203B和/或所述一组集成光子波导204B封装在结构中(例如，在聚合物结构中)以产生封装光学微谐振器阵列的示范性方法的示意性描述。所述结构可包含背衬区域202B(例如，背衬聚合物)和/或匹配区域205B(例如，匹配聚合物)。在一些实施例中，背衬区域202B和/或匹配区域205B可为沉积(例如，旋涂)在衬底上的层，如下文进一步详细描述。
封装光学微谐振器阵列的方法可包含清洁(例如，使用食人鱼溶液)衬底201B的表面，例如硅、硅石、石英、塑料或适合于充当声光传感器设备的衬底的任何其它材料。在一些情况下，可选择与光学微谐振器阵列中所使用的其它材料相比具有较高蚀刻速率的衬底，以使得可将所述衬底蚀刻掉以释放光学微谐振器阵列。充当衬底的合适材料可包含用以消除残余振动并最小化传感器结构内的超声回波的阻尼材料。参考图2B，然后可用包含背衬聚合物202B的一个或多个涂覆材料来涂覆衬底201B。背衬聚合物202B可为阻尼材料，例如具有低折射率的聚合物材料，其被配置成在所述一组光纤203B的圆周中获得宽回音壁模式(WGM)频率响应，同时具有高超声衰减以防止光学微谐振器阵列被设计以感测到的一组超声回波的混响。在一些实施例中，背衬聚合物的阻尼材料的声阻抗可例如与用于封装光学微谐振器阵列的匹配聚合物层205B的声阻抗匹配，如下文进一步描述。
如图2B中所展示，可在衬底201B的顶部上制造所述一组光波导204B，例如一组集成光子波导。在一些实施例中，可使用光刻技术从计算机辅助设计(CAD)图案制造所述一组光波导204B。集成光子平台上的所述一组光波导204B的材料可包含硅、氧化硅、氮化硅或适合于可靠且有效地引导光学信号的任何材料。集成光子平台上的所述一组光波导204B可接收来自芯片上光源或光纤耦合的光源的一组光。此外，所述一组光波导204B可被配置成耦合到其它组集成光子组件(例如，分束器、干涉仪、多模干涉设备等等)。
在一个实例中，所述一组光源可为单波长光纤耦合的光源，其将单波长光发射到与芯片上光栅耦合器竖直地对准的光纤中。光栅耦合器改变单波长光的波矢量并将其引导至集成光子波导。集成光子波导将单波长光传播到多模干涉设备，所述多模干涉设备将单波长光分成多个集成光子波导。多个集成光子波导将单波长光耦合到所述一组光纤203B中以在其圆周内传播一组WGM并且将一组光学信号生成到多个集成光子波导中。
在一些实施例中，所述一组光波导204B可沉积或涂覆有包封层206B，所述包封层可例如提高光学微谐振器阵列的机械稳定性。一般来说，在一些实施例中，包封层206B可为与背衬聚合物202B或匹配聚合物205B相同的材料。封装光学微谐振器阵列的方法可进一步包含将所述一组光纤203B放置成接近所述一组光波导204B以便将所述一组光纤203B光学耦合到所述一组光波导204B。举例来说，所述一组光纤203B和所述一组光波导204B可被定位(例如，通过使用高精度定位系统)以使得所述一组光波导垂直于所述光学组光纤而对准(例如，如上文关于图1所描述)。虽然封装光学微谐振器阵列的方法主要描述为在光纤之前放置光波导，但应理解，在一些实施例中，光纤可在光波导之前放置。
实例
诸如本文中所描述的那些光学微谐振器阵列可用于诸如声光传感器设备之类的超声传感器设备中。图4是使用声光传感器设备403来感测超声回波的示意性描述。声光传感器设备403包含光学微谐振器阵列，所述光学微谐振器阵列包含多个谐振器节点410。尽管光学微谐振器阵列的一组光波导和一组光纤被展示为以彼此相距预定距离线性地布置，但应理解，在一些实施例中，至少一些光波导和/或光纤可布置在距彼此不同距离处。然而，一般来说，所述一组光波导和所述一组光纤可被布置成矩形网格。
如上文所描述，从一个或多个光源传播光的所述一组光波导可在各个感测位置处的谐振器节点处光学耦合到所述一组光纤。光学微谐振器阵列中的每一光纤和每一光波导的特征可在于特定横截面几何形状、材料均一性、制成光纤或光波导的材料的特定折射率以及封装材料的折射率，如上文关于图2A和图2B进一步详细描述。光源可为单波长光源、宽带光源、可调谐激光源、使用数字调制方法或使用克尔四波混合(FWM)方法的光学频率梳(OFC)激光源，或适合于声光传感器设备403的操作频带的任何其它光源。光可耦合到光学微谐振器阵列以在所述一组光纤和所述一组光波导光学耦合(例如，相交)的一组谐振器节点410处围绕所述一组光纤的圆周的壁传播第一组回音壁模式(WGM)。第一组WGM的传播促使生成对应于WGM的第一组谐振频率的第一组光学信号。在一些情况下，所述一组光波导之间的距离大于光的波长的五倍。在一些其它情况下，所述一组光纤之间的距离大于光的波长的三倍。
在使用中，声光传感器设备403可被配置成接收从对象401生成和/或反射的一组超声回波402。所述一组超声回波对于个别谐振器节点可具有不同的传播时间(t1、t2、t3等)。也就是说，来自相同对象的超声回波将在略微不同的时间到达阵列中的每一传感器。通过每一传感器之间的已知距离和这些测量到的略微延迟，可更好地计算对象的位置(例如，具有更好的空间分辨率)。所述一组超声回波可诱发几何形状、材料均一性、制成光纤或光波导的材料的折射率和/或封装材料的折射率的一组变化。所述一组变化可引入在光学微谐振器阵列的所述一组谐振器节点处围绕所述一组光纤的壁传播的例如第二组WGM之类的WGM中的变化。第二组WGM的传播促使生成对应于WGM的第二组谐振频率的第二组光学信号。第一组光学信号和第二组光学信号可被配置成在所述一组光波导中传播到一组光学检测器和/或一组光谱分析仪。光学检测器可连接到计算设备以检测第一组光学信号与第二组光学信号之间的差异。在一些实施例中，第一组光学信号与第二组光学信号之间的差异可使得能够测量所述一组谐振器节点的一个或多个谐振频率中的变化。在一些其它实施例中，第一组光学信号与第二组光学信号之间的差异可另外或替代地使得能够测量所述一组谐振器节点的谐振频率的谐振幅度的变化。
在一些实施例中，声光传感器设备403可被配置成接收从对象401生成和/或反射的连续超声回波402。所述连续超声回波可诱发几何形状、材料均一性和/或制成光纤或光波导的材料的折射率和/或封装材料的折射率的连续变化。连续变化可引入在光学微谐振器阵列的所述一组谐振器节点处围绕所述一组光纤的壁传播的连续WGM(例如，第二组WGM、第三第二组WGM、第四组WGM等等)。连续WGM的传播促使生成对应于WGM的连续谐振频率的连续光学信号。连续光学信号可被配置成在所述一组光波导中传播到一组光学检测器和/或一组光谱分析仪。光学检测器可连接到计算设备以检测来自连续光学信号的每对光学信号之间的连续差异。连续差异可使得能够测量所述一组谐振器节点的谐振频率的谐振幅度的连续变化。
图5描绘可用于处理来自感测到一组超声回波504(在本文中也称为“超声信号”)的声光传感器设备505的一组信号的示范性测量设置。测量设置可包含单波长光源、宽带光源或在光纤502中传播一组光的可调谐激光器501、可被配置成控制光的偏振的光纤偏振控制器503。测量设置可进一步包含声光传感器设备505，所述声光传感器设备可被配置成基于第一组回音壁模式(WGM)在声光设备505中所包含的一组谐振器节点中的传播而生成第一组光学信号(如上文关于图1A所描述)。声光传感器设备505可被配置成接收一组超声信号504并基于在所述一组谐振器节点中传播第二组WGM而生成第二组光学信号。声光传感器设备505可进一步被配置成将第一组光学信号和/或第二组光学信号传输到光纤502。测量设置可进一步包含光电检测器(本文中也称为“光学检测器”)506，所述光电检测器接收第一组光学信号和/或第二组光学信号并将其转换为第一组电信号和/或第二组电信号。光电检测器506可进一步被配置成将第一组电信号和/或第二组电信号传输到示波器507，所述示波器可操作地连接到计算机设备510以处理并分析第一组信号和/或第二组信号。示波器507可进一步被配置成将一组经分析信号传输到函数发生器508。函数发生器可被配置成生成一组生成信号并将其传输到宽带光源或可调谐激光器501以控制光在光纤502中的传播。
在另一示范性测量设置中，图5中的函数发生器508可由例如Pound-Drever-Hall(PDH)锁定系统之类的锁定系统代替，以在WGM的谐振斜率上设置光源的波长。光电检测器506将响应于一组超声回波而接收振荡光学信号。
图6描绘可用于处理来自感测到一组超声回波的声光传感器设备604的一组信号的示范性测量设置。测量设置可包含激光器601，例如使用数字调制方法或使用克尔四波混合(FWM)方法生成的光学频率梳(OFC)激光源，或适用于声光传感器设备604的操作频带的任何其它激光器，以生成激光。测量设置可进一步包含分束器602，例如50:50分束器、80:20分束器或适合于所述测量设置的任何其它分束器。分束器可被配置成将激光分成第一激光和第二激光。测量设置可被配置成将第一激光引导到电光调制器603以生成并传输经调制激光。测量设置可进一步被配置成将经调制激光引导到声光传感器设备604以生成对应于第一组回音壁模式(WGM)的第一组信号。声光传感器设备604可被配置成接收一组超声信号并生成对应于第二组WGM的第二组信号。测量设置可进一步被配置成将第一组信号、第二组信号和/或第二激光引导到相干接收器605以将第二激光与第一组信号和/或第二组信号混合并生成电子频率信号。测量设置可被配置成将电子频率信号传输到快速傅立叶变换(FFT)模块606，所述模块可操作地连接到计算设备以处理并分析第一组信号与第二组信号之间的差异。在一个实例中，OFC激光器可生成一组梳状束，并且来自所述一组梳状束的每一梳状束可生成数据点以检测第一组信号与第二组信号之间的差异。在此实例中，一组梳状束可生成对应于所述一组梳状束的一组数据点。在一些实施例中，使用OFC激光源可有利地将感测时间从毫秒减少到微秒量级的感测时间。
尽管在以上实例中光学微谐振器阵列已用于超声检测，但在一些实施例中，光学微谐振器阵列可用于纳米颗粒检测、生物分子检测等等。在一些情况下，通过将所述一组谐振器节点暴露于纳米颗粒和/或生物分子，在所述一组光纤与所述一组光波导的交叉处谐振器节点的周围环境可改变。环境的变化可引起在所述一组谐振器节点处传播回音壁模式(WGM)的变化并生成第二WGM。与第一WGM相关联的第一组光学信号和与第二WGM相关联的第二组光学信号之间的变化可由光电检测器和/或光谱分析仪检测。
在一些实施例中，如本文中所描述的光学微谐振器阵列可包含在超声探头(在本文中也称为“超声系统”)中。超声探头可包含至少一个光波导以传播光。超声探头可进一步包含多个压电元件以生成一组超声信号。超声探头可进一步包含多个压电元件以接收对应于所述一组超声信号的一组超声回波。超声探头可进一步包含聚合物结构中的一组谐振器节点。每一谐振器节点在光波导与光纤的交叉处具有预分配的感测位置。每一谐振器节点被配置成接收多个超声回波并传播一组回音壁模式(WGM)。所述一组光纤在所述一组谐振器节点处耦合到所述一组光波导，以使得所述一组光纤被配置成将对应于第一组WGM的第一组信号传送到所述一组光波导。
举例来说，图7是利用如本文中所描述的光学微谐振器阵列的超声探头的示意性描述。图8是图7中所描绘的探头的横截面视图。超声探头可包含光学微谐振器阵列801、匹配层802、压电晶体阵列803、电连接阵列804、一组光纤805、背衬材料806、声绝缘体807以及连接到超声数据采集的电缆808。超声探头可耦合到控制系统和显示器，以执行如本文中进一步详细描述的操作程序。背衬材料可包含与探头封装背面结合的阻尼材料以消除操作环境的残余振动、提高便携性并且最小化传感器结构内生成的回波。
超声探头可被配置成将来自光源的光传播到所述一组光学微谐振器阵列801以生成与在光学微谐振器阵列801的谐振器节点处的每一光纤中传播的第一组WGM相对应的第一组光学信号。压电晶体阵列803可被配置成经由电缆808和电连接阵列804从控制系统接收电信号以生成朝向对象的一组超声信号，以使得一组反射超声回波在朝向超声探头的方向上生成。超声探头可进一步被配置成在接收到所述一组超声回波之后生成与光学微谐振器阵列801中的第二组WGM相对应的第二组光学信号。超声探头可任选地被配置成接收所述一组超声回波以生成一组电信号。超声探头可进一步被配置成经由所述一组光纤805传输第一组信号和/或第二组信号，和/或任选地经由电连接阵列804将一组电信号传输到连接到超声数据采集、控制系统或显示器的电缆808。
在一些实施例中，超声探头可被配置成在通过使用压电晶体阵列的相控阵列进行跨视场扫描的同时重复操作程序。这样做，将为每一谐振器节点产生使用压电晶体阵列的逐行图像和在横向方向上的一个低分辨率图像。然后可使用已知的合成孔径(SA)算法来生成高分辨率光学微谐振器阵列传感器图像。
另外，在一些实施例中，压电元件中的一个或多个可被配置成接收对应于所述一组传输超声信号的超声回波，并且基于这些接收到的超声回波而生成传感器信号。举例来说，由压电元件生成的传感器信号可以任何合适方式补充由谐振器节点传送的信号或与所述信号组合(例如，以提供多模态传感器图像)。
另外或替代地，在一些实施例中，超声探头可被配置成使用不同模式的激发，例如使用压电晶体元件或一组压电晶体来传输超声信号，同时使用压电晶体阵列中的所有压电晶体元件来接收所述一组超声回波，也称为压缩感测(CS)方法。CS方法的一般做法是形成表示从图像中获取信号的过程的线性模型(也称为前向模型)并求解线性方程以获得图像。
出于解释目的，前述描述使用特定术语来提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，不需要特定细节即可实践本发明。因此，出于说明和描述目的而呈现了本发明的特定实施例的前述描述。其并不意图为穷尽性的或将本发明限于所公开的精确形式；显然，鉴于以上教示，许多修改和变化是可能的。选择并描述实施例以便解释本发明的原理及其实际应用，因此其使得本领域的其它技术人员能够利用本发明以及具有适于所考虑的特定用途的各种修改的各种实施例。期望所附权利要求书及其等同物定义本发明的范围。

Claims (35)

1.一种装置，其包括：
一个或多个光纤；
一个或多个光波导；以及
多个谐振器节点，其布置在感测位置阵列中，每一谐振器节点包括在光波导与在相应感测位置处具有一组谐振频率的光纤之间的光学耦合，
其中每一谐振器节点被配置成传送一组信号，所述一组信号对应于由所述光纤中的超声回波在所述相应感测位置处诱发的所述一组谐振频率中的至少一个移位。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个光纤包括具有相同或大体上类似的横截面几何形状和材料的多个光纤。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个光纤被配置成：
接收多个超声回波；并且
响应于所述多个超声回波而经历所述一组谐振频率中的所述至少一个移位，
其中所述一个或多个光波导被配置成将与所述一组谐振频率中的所述至少一个移位相对应的一组信号传播到光学检测器。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个光波导包括锥形光纤或集成光子波导。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个光纤处于聚合物结构中。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个光纤和所述一个或多个光波导处于聚合物结构中。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个光纤垂直于所述一个或多个光波导。
8.根据权利要求1所述的装置，其中在所述多个谐振器节点中的一个或多个处，所述光波导和所述光纤物理接触。
9.根据权利要求1所述的装置，其中在所述多个谐振器节点中的一个或多个处，所述光波导和所述光纤偏移了分离间隙。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个光波导中的每一者耦合到光源，以使得所述一个或多个光波导传播来自所述光源的光。
11.根据权利要求9所述的装置，其中所述一个或多个光波导包括平行布置的多个光纤，并且其中所述多个光纤间隔开所述光的波长的至少约5倍的距离。
12.根据权利要求9所述的装置，其中所述一个或多个光纤包括平行布置的多个光纤，并且其中所述多个光纤间隔开小于所述光的所述波长的约3倍的距离。
13.一种超声感测方法，其包括：
经由多个谐振器节点在一个或多个光波导处接收与沿着一个或多个光纤的圆周传播的第一组回音壁模式相对应的第一组信号；
经由所述多个谐振器节点在所述一个或多个光波导处接收与沿着所述一个或多个光纤的所述圆周传播的第二组回音壁模式相对应的第二组信号，所述第二组回音壁模式响应于所述一个或多个光纤接收到多个超声回波而传播；以及
检测所述第一组信号与所述第二组信号之间的一组差异。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个光纤包括具有相同或大体上类似的横截面几何形状和材料的多个光纤。
15.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：
至少部分地基于所述第一组信号与所述第二组信号之间的所述一组差异而计算每一谐振器节点处的每一超声回波的量值；以及
将每一超声回波的所述量值与每一谐振器节点的感测位置相关联。
16.根据权利要求13所述的方法，所述一个或多个光波导被配置成将所述第一组信号和所述第二组信号中的至少一者传播到光学检测器。
17.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：
将多个超声信号传输到目标；以及
在所述一个或多个光纤处从所述目标接收对应于所述多个超声信号的所述多个超声回波，所述一个或多个光纤被配置成执行合成孔径(SA)操作或压缩感测(CS)操作。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个光波导包括一个或多个锥形光纤或一个或多个集成光子波导。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个光纤处于聚合物结构中。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述一个或多个光纤和所述一个或多个光波导处于聚合物结构中。
21.根据权利要求13所述的方法，其中每一光纤垂直于每一光波导。
22.根据权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个光波导耦合到光源，并且所述光源在所述一个或多个光波导中传播光。
23.根据权利要求13所述的方法，其中在所述多个谐振器节点中的一个或多个处，光波导和光纤物理接触。
24.根据权利要求13所述的方法，其中在所述多个谐振器节点中的一个或多个处，光波导和光纤偏移了分离间隙。
25.根据权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个光波导与所述一个或多个光纤对准以激发所述一个或多个光纤中的所述第一组回音壁模式或所述第二组回音壁模式。
26.一种装置，其包括：
一个或多个光纤，每一光纤的圆周被配置成传播一组回音壁模式，以及
一个或多个光波导，其在多个谐振器节点处光学耦合到所述一个或多个光纤，以使得所述一个或多个光纤将对应于所述一组回音壁模式的一组信号传送到所述一个或多个光波导，
其中所述一个或多个光波导被配置成将所述一组信号传播到至少一个光学检测器。
27.根据权利要求26所述的装置，其中所述一个或多个光纤被配置成：
接收多个超声回波；
响应于所述多个超声回波而传播第二组回音壁模式；并且
将对应于所述第二组回音壁模式的第二组信号传送到所述一个或多个光波导，
其中所述一个或多个光波导被配置成将所述第二组信号传播到所述至少一个光学检测器。
28.根据权利要求27所述的装置，其中所述一组回音壁模式是第一组回音壁模式，并且其中一个或多个光纤被配置成通过所述多个谐振器节点将与所述第一组回音壁模式和所述第二组回音壁模式之间的差异相对应的一组信号传送到所述一个或多个光波导。
29.根据权利要求28所述的装置，其中所述第一组回音壁模式与所述第二组回音模式之间的所述差异是以下中的至少一者：所述光纤的谐振频率中的至少一个移位和所述一个或多个光纤的谐振的衰减。
30.根据权利要求26所述的装置，其中所述一个或多个光纤包括具有相同或大体上类似的横截面几何形状和材料的多个光纤。
31.根据权利要求26所述的装置，其中所述一个或多个光波导包括一个或多个锥形光纤或一个或多个集成光子波导。
32.根据权利要求26所述的装置，其中所述一个或多个光纤处于聚合物结构中。
33.根据权利要求32所述的装置，其中所述一个或多个光纤和所述一个或多个光波导处于聚合物结构中。
34.根据权利要求32所述的装置，其中所述一个或多个光纤垂直于所述一个或多个光波导。
35.根据权利要求32所述的装置，其中所述一个或多个光波导中的每一者耦合到光源，以使得所述一个或多个光波导传播来自所述光源的光。
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