專利名稱：光學微諧振器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及光學裝置。本發(fā)明尤其適用于諸如采用微諧振器的光學傳感器之 類的光學裝置。
背景技術：
微諧振器已經(jīng)在諸如光學開關、波長過濾、光學激光器、光去偏振以及化學和生物 感測之類的各種應用中受到越來越多的關注。某些公知的微諧振器構造涉及將球形玻璃微諧振器布置在緊鄰諸如光纖之類的 光波導處。在這類情況下，光能可以通過倏逝耦合(evanescent coupling)而在諧振器和 光波導之間轉移。諧振器和光波導之間的間距一般小于一微米，且必須被精確控制，以提供 可再現(xiàn)性能。其他形式的微諧振器包括盤形或環(huán)形微諧振器。

發(fā)明內(nèi)容
一般而言，本發(fā)明涉及光學裝置。本發(fā)明還涉及包括一個或多個微諧振器的光學 傳感器。在本發(fā)明的一個實施例中，一種光學微諧振器系統(tǒng)包括光波導和光學微諧振器， 該光學微諧振器直接光學耦合到該光波導。該光學微諧振器還包括光學微腔，該光學微腔 芯耦合到該光學微諧振器，而非芯耦合到該光波導。在本發(fā)明的另一個實施例中，一種光學傳感器包括微諧振器系統(tǒng)，該微諧振器系 統(tǒng)包括光波導、直接光學耦合到該光波導的光學微諧振器、以及光學微腔，所述光學微腔光 學耦合到該光學微諧振器，而非光學耦合到該光波導。該光學傳感器還包括光源，所述與該 光波導光學通信，并以與該光學微諧振器系統(tǒng)的諧振模對應的波長發(fā)射光。該光學傳感器 還包括檢測器，所述檢測器與該微諧振器系統(tǒng)光學通信。該檢測器檢測諧振模的特性。當 被分析物靠近該微諧振器系統(tǒng)時，諧振模的特性發(fā)生變化。該檢測器檢測所述變化。在本發(fā)明的另一個實施例中，一種光學微諧振器系統(tǒng)包括光波導，所述光波導支 持導模；光學微諧振器，所述光學微諧振器支持由該導模直接激發(fā)的第一諧振模；以及光 學微腔，所述光學微腔支持第二諧振模，所述第二諧振模由該第一諧振模直接激發(fā)，而非由 該導模直接激發(fā)。在本發(fā)明的另一個實施例中，一種光學微諧振器系統(tǒng)包括光波導；第一光學微 腔，所述第一光學微腔芯耦合到該光波導；光學微諧振器，所述光學微諧振器芯耦合到該第 一光學微腔，而非芯耦合到該光波導；以及第二光學微腔，所述第二光學微腔芯耦合到該光 學微諧振器，而非芯耦合到該第一光學微腔。


結合附圖對本發(fā)明的各種實施例所做的以下詳細描述將有利于更完整地理解和 領會本發(fā)明，其中
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圖1是微諧振器系統(tǒng)的示意性俯視圖；圖2是圖1中的微諧振器系統(tǒng)的示意性側視圖；圖3是微諧振器系統(tǒng)的示意性俯視圖；圖4是微諧振器系統(tǒng)的示意性俯視圖；圖5是光波導的示意性三維圖；圖6是微諧振器系統(tǒng)的示意性俯視圖；圖7是光波導系統(tǒng)的示意性俯視圖；圖8是光波導系統(tǒng)的示意性俯視圖；圖9是微諧振器系統(tǒng)的示意性俯視圖；圖10是微諧振器系統(tǒng)的示意性俯視圖；圖11是微諧振器系統(tǒng)的示意性俯視圖；圖12是微諧振器系統(tǒng)的示意性俯視圖；圖13是微諧振器系統(tǒng)的示意性俯視圖；圖14是集成光學裝置的示意性三維圖；圖15是微諧振器系統(tǒng)的示意性三維圖；圖16是各種微諧振器系統(tǒng)的計算信號強度/波長圖；圖17是光學裝置的示意性俯視圖；圖18是不具散射中心的微諧振器系統(tǒng)的計算信號強度/波長圖；圖19是微諧振器系統(tǒng)的示意性俯視圖；以及圖20是微諧振器系統(tǒng)的示意性俯視圖。在本說明書中，多個附圖中所使用的相同附圖標記是指具有相同或類似的性質(zhì)和 功能的相同或類似的元件。
具體實施例方式本發(fā)明主要涉及微諧振器系統(tǒng)。本發(fā)明尤其適用于采用光學微腔的微諧振器系 統(tǒng)。本專利申請公開了微諧振器系統(tǒng)，所述微諧振器系統(tǒng)包括光學耦合(例如芯耦 合)到光波導和光學微腔的光學微諧振器。該光學微腔可以設計為主要支持一種或多種諧 振模。該微諧振器能夠支持光導模，例如光學諧振模。微腔的諧振模耦合到微諧振器的諧 振模，導致微諧振器系統(tǒng)的諧振模的形成。微諧振器系統(tǒng)諧振模通?？膳c該系統(tǒng)中的高電 場儲存相對應。在一些情況下，例如當該系統(tǒng)的輸出口位于合適位置時，高的場儲存可以導 致高的系統(tǒng)光學傳輸和窄的帶寬，這使得該微諧振器適于諸如波長過濾以及化學和生物感 測之類的應用。如本文所用，對于給定的光學構造(例如本專利申請所公開的微諧振器系統(tǒng))而 言，光學模是指該光學構造中允許的電磁場；輻射或輻射模是指在該光學構造中未受限制 的光學模；而導模是指在該光學構造中由于高折射率區(qū)域的存在而在至少一個維度上受限 制的光學模，其中該高折射率區(qū)域通常為芯區(qū)域。在一個維度(第一維度)上受限制的導 ?？煞Q為一維導模，而在兩個相互正交的維度(第一和第二維度)上受限制的導?？煞Q為 二維導模。
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諧振模是指在三個相互正交的維度(第一、第二和第三維度)上受限制的光學模。 諧振?？梢暈槿S導?；蛘叻难卦摴鈱W構造第三維度的附加邊界條件要求的二維導模， 其中該附加要求通常在實質(zhì)上具有周期性。諧振模是光學構造中的光學模沿著三個互相正交的維度量化而得到的離散模。通 常，在與光學構造的諧振模相對應的頻率或波長下激發(fā)或激勵光學構造會引起明顯較強的 儲存電磁場，并且在一些情況下，與非諧振激發(fā)引起的響應相比，會引起該光學構造明顯較 強的響應(例如高光通量)。光學構造的諧振模的模態(tài)分布可以通過沿著三個互相正交的維度的邊界條件來 確定。在一些情況下，諧振?？梢允切胁；蛘咧饕切胁?。在其他一些情況下，諧振模 可以是駐波模或者主要是駐波模。在一些情況下，諧振?？梢允遣糠竹v波和部分行波。在一些情況下，光學?？梢灾饕侵C振模。在這類情況下，該光學?？删哂蟹侵C振 分量，例如非諧振行波分量。但是，在這類情況下，非諧振分量次要于光學模的諧振分量。例 如，非諧振分量可以是光學模總強度的一小部分。在一些情況下，諧振?？梢阅軌蝰詈系捷椛淠?。在其他一些情況下，諧振?？梢跃?有諧振的主要分量以及輻射和未受限制的次要分量。通常，導模(例如二維導模)可以是 諧振?；蚍侵C振模。圖1和圖2分別示出了微諧振器系統(tǒng)100的示意性俯視圖和側視圖。該微諧振器 系統(tǒng)包括光波導120、光學微諧振器150以及光學微腔140，所述光學微腔140芯耦合到光 學微諧振器150，而非芯耦合到光波導120。光學微諧振器150直接光學耦合到光波導120。 如本文所用，當主要因為兩種對應的電磁場間的至少部分重疊而產(chǎn)生耦合時，兩種模之間 的光學耦合是直接的。在對應的場之間沒有或者僅有很少重疊的兩種模之間產(chǎn)生光學耦合 的情況下，耦合被視為是間接的。例如，波導120的模可以直接耦合到微諧振器150的模。 又如，波導120的?？梢蚤g接(即，通過微諧振器150)耦合到微腔140的模。如本專利申 請別處所述，直接光學耦合可以是芯耦合或倏逝耦合，或者芯耦合和倏逝耦合的組合。光波導120包括上包層101、設置于基底103上的下包層102以及光學芯122，所述 光學芯I22具有寬度W3、高度或厚度H3、輸入面114和輸出面116。光波導120能夠支持一 種或多種光導模，例如，沿著正χ軸行進的導模128和124以及沿著負χ軸行進的導模129。 在一些情況下，一種或多種導模124、128和129可以是單一橫向?qū)?。光學微諧振器150包括上包層101、下包層102以及光學芯152，該光學芯152具 有高度或厚度H2并在耦合區(qū)域190通過倏逝耦合而光學耦合到光波導120。光學芯152與 光學芯122以距離、間隔開。通常，光學微諧振器150能夠支持諧振模和非諧振模。在一 些情況下，微諧振器的諧振模160主要是駐波。在這類情況下，模160可以具有行波分量， 但任何這類分量都次要于該諧振模的主要駐波分量或?qū)嵸|(zhì)。在一些情況下，諧振駐波模160 可以等同于兩列或多列沿基本不同方向(例如相反方向)行進的行波(例如各個第一行波 162和第二行波164)在微諧振器150內(nèi)的干涉疊加。在一些情況下，例如在圖1所示的環(huán) 形微諧振器150的情況下，行波模162和164可以是微諧振器的反向傳播導模。駐波模160 以及行波模162和164具有相同的頻率和/或自由空間波長。在一些情況下，微諧振器的諧振模160主要是在微諧振器150內(nèi)部(例如)逆時 針行進的行波。在這類情況下，模160可以具有駐波分量，但任何這類分量都次要于該諧振
7模的主要行波分量或?qū)嵸|(zhì)。圖1所出的示例性光學微諧振器150是環(huán)形微諧振器。通常，微諧振器150可以 是任何能夠光學耦合到波導120和微腔140的光學微諧振器。在一些情況下，微諧振器150可以具有圓對稱，這意味著芯152在xy平面中的橫 截面的周長可以表示為僅距中心點的距離的函數(shù)。在一些情況下，例如在圖1示意性地示 出的圓環(huán)形微諧振器150中，中心點可以是微諧振器的芯152的中心151。其他具有圓對稱 的示例性微諧振器包括球形、盤形和圓柱形。例如，圖3示出了微諧振器系統(tǒng)200的示意性 俯視圖，該微諧振器系統(tǒng)200包括盤形微諧振器250和光學微腔240，該盤形微諧振器250 具有光學耦合到光波導120的芯252，所述光學微腔240具有光學耦合到盤形微諧振器250 的芯242。光學微腔240能夠主要支持一種或多種諧振模，其中通常，所支持的諧振?？梢?主要是諧振駐波、諧振行波、或者具有基本行波和駐波分量的諧振模。在一些情況下，例如在球形微諧振器的情況下，微諧振器150可以具有球?qū)ΨQ。在 一些情況下，微諧振器150可以是閉環(huán)微諧振器，例如環(huán)形或跑道形微諧振器。例如，圖4 示出了微諧振器系統(tǒng)300的示意性俯視圖，該微諧振器系統(tǒng)300包括跑道形微諧振器350 以及光學微腔340，所述跑道形微諧振器350具有在耦合區(qū)域190光學耦合到光波導120的 芯352，所述光學微腔340具有光學耦合到該跑道形微諧振器350的芯342。光學微腔340 能夠主要支持一種或多種諧振模，例如一種或多種諧振駐波模。微諧振器350的芯352具 有線形部分360和362以及彎曲部分364和366。在圖4所示的示例性跑道形中，彎曲部分 364和366是半圓。具體而言，半圓彎曲部分366具有圓心351和內(nèi)徑rs。通常，彎曲部分 364和366可以是連接線形部分360和362的任何類型的彎曲部分。通常，微諧振器150可以是沿特定方向的單?；蚨嗄?。例如，微諧振器150可以是 沿微諧振器的高度或厚度方向(ζ軸)的單模或多模。在一些情況下，例如在環(huán)形微諧振器 的情況下，微諧振器可以是沿徑向的單?；蚨嗄?。在一些情況下，例如在環(huán)形微諧振器的情 況下，微諧振器150的行波導模162和164可以是微諧振器的方位模。光學微腔140包括上包層101、下包層102以及具有高度或厚度H1的光學芯142。 微腔140能夠主要支持一種或多種諧振模，其中在一些情況下，微腔的諧振?？梢灾饕?行波，而在其他一些情況下，微腔的諧振?？梢灾饕邱v波。在一些情況下，微腔的諧振模 可以具有基本行波和駐波分量。微腔140能夠主要支持一種或多種諧振模，其中每種諧振?？梢允?例如)行波、 駐波、或這兩者的組合。在一些情況下，微腔140可以能夠支持非諧振模(例如非諧振行 波)，但這類非諧振模次要于微腔所支持的諧振模。在一些情況下，微腔140的諧振?？梢灾饕邱v波模，其中通常，駐波可以等同于 在基本不同方向(例如相反方向)上行進的兩列行波的干涉疊加。在這類情況下，微腔140 所支持的諧振?？梢跃哂兄C振行波部分，但任何這類行波部分只形成總諧振模的一小部 分，這意味著該諧振模在實質(zhì)上主要是駐波，而該模的任何諧振行波部分僅是次要于該模 的駐波部分。在一些情況下，微腔140的諧振?？梢灾饕切胁！Ｔ谶@類情況下，微腔140所 支持的諧振?？梢跃哂兄C振駐波部分，但任何這類駐波部分只形成總諧振模的一小部分，
8這意味著該諧振模在實質(zhì)上主要是行波，而該模的任何駐波部分僅是次要于該模的行波部 分。當(例如)微腔沿著芯142的邊界具有高反射，使得大百分比的入射波被反射時， 微腔140的諧振?？梢栽趯嵸|(zhì)上主要是駐波。在這類情況下，反射波與入射波干涉，從而形 成在實質(zhì)上主要是駐波的波。該諧振模的任何行波分量都次要于該諧振模的駐波部分。當(例如)微腔沿著芯142的邊界具有低反射，使得僅小百分比的入射波被反射 時，微腔140的諧振?？梢栽趯嵸|(zhì)上主要是行波。在這類情況下，反射波和入射波干涉，從 而形成在實質(zhì)上主要是行波的波。該諧振模的任何駐波分量都次要于該諧振模的行波部 分。在圖1和圖2所示的示例性微諧振器系統(tǒng)100中，光學微腔芯142是矩形固體，所 述矩形固體具有沿X軸的長度L1、沿y軸的寬度W1以及沿Z軸的高度Hi。通常，微腔140可 以包括能夠主要支持一種或多種諧振模的任何形狀的微腔芯142。光學微腔芯142的示例 性形狀包括球形、盤形、圓柱形、環(huán)形、超環(huán)面形、或跑道形。在一些情況下，微腔芯142可以 是規(guī)則或不規(guī)則的多邊形。在一些情況下，微腔芯142可以是閉環(huán)微腔芯。例如，圖20示 出了包括六邊形光學微腔2040的光學微諧振器系統(tǒng)的示意性俯視圖，該六邊形光學微腔 2040芯耦合到微諧振器150。在一些情況下，六邊形微腔2040是正六邊形，在這種情況下， 六個內(nèi)角中的每一個(例如角α工和α2)為120°，并且該六邊形具有6條對稱線。在一 些情況下，六邊形微腔2040是不規(guī)則六邊形。在圖1和圖2所示的示例性微諧振器系統(tǒng)100中，波導120、微諧振器150、以及微 腔140具有相同的上包層101和相同的下包層102。通常，微諧振器系統(tǒng)100中不同的波導 元件可以具有不同的上和/或下和/或側包層。例如，波導120和微諧振器150可以具有 不同的上包層。通常，微諧振器系統(tǒng)100中的波導元件(例如光波導120)可以沿著不同方向具 有不同和/或多個包層。例如，圖5示出了設置于基底521上的光波導520，該光波導520 包括具有折射率η。的光學芯522、具有折射率Ii1的上包層501、具有折射率Ii2的左側包層 502、具有折射率Ii3的第一下包層503、具有折射率Ii4的第二下包層504、以及具有折射率 的右側包層505。在一些情況下，芯折射率η。大于芯周圍的某些或所有包層的折射率。沿 著(例如)x方向傳播的光波導520的導模510可以具有芯522內(nèi)的峰場強度510A、下包 層503和504內(nèi)的倏逝尾部(evanescent tail) 510B、以及上包層501內(nèi)的倏逝尾部510C。 光波導520可以是(例如)微諧振器系統(tǒng)100的光波導120。在圖1和圖2所示的示例性微諧振器系統(tǒng)100中，微腔芯142相等地延伸超過芯 152的內(nèi)周156和芯152的外周157。具體地說，距離(I1和d2是相等的。通常，在應用中， 微腔芯142可按照提供微腔140和微諧振器150之間的光學耦合的任何位置和/或任何取 向來定位。例如，圖6示出了微諧振器系統(tǒng)600的示意性俯視圖，其中微腔芯142不等地延伸 超過內(nèi)周156和外周157，這意味著距離Cl1和d2不相等。在示例性微諧振器系統(tǒng)600中， 距離Cl1大于距離d2。在示例性微諧振器系統(tǒng)100中，光學微諧振器150的芯152在第一面154和第二 面155處從光學微腔140的芯142延伸出。芯142和152形成一體構造，這意味著所述芯形成單一單元，在相連芯之間沒有物理界面。在一體構造中，芯通常由相同的芯材料制成。 一體構造可以使用各種公知的方法(例如蝕刻、澆鑄、模鑄、壓印以及擠壓)來制造。通常，芯142和152可能或可能不形成一體構造。在一些情況下，芯142和152可 以由具有相同折射率的不同材料制成。在一些情況下，芯142和152可以由具有不同折射 率的不同材料制成。例如，在圖6的微諧振器系統(tǒng)600中，芯152具有折射率Iitjl，而芯142 所具有的折射率n。2不同于r^。因為芯152和142之間的折射率差異引起兩個芯之間形成 各自的第一界面654和第二界面655，所以芯152和142不形成一體構造。在示例性微諧振器系統(tǒng)600中，微腔140和微諧振器150之間的光學耦合至少主 要是光學芯耦合，而微諧振器150和光波導120之間的光學耦合是倏逝耦合。通常，光波導具有由包層或包層區(qū)域圍繞的芯或芯區(qū)域。芯和包層中的每個可包 含一種或多種材料。通常，對于在光波導中受限制的光學模(例如波導的光導模)而言，包 層的折射率小于芯的折射率。受限制的光學模通常具有芯場分量和倏逝場分量。芯場通常 存在于芯內(nèi)并包括一個或多個峰。倏逝場通常是存在于包層內(nèi)的衰減場。倏逝場有時被稱 為受限光學模的倏逝尾部。通常，光能可以通過不同的方法從第一光波導中的第一模轉移到放置在第一光波 導附近的第二光波導中的第二模。例如，光能可以通過芯耦合從第一模轉移到第二模。又 如，兩種模之間的光能轉移可以通過倏逝耦合來實現(xiàn)。又如，一些光能可以通過芯耦合來轉 移，而一些光能可以通過倏逝耦合來轉移。兩種模之間的倏逝耦合通常是指主要由于這兩種模的倏逝場的重疊而引起的光 能轉移。在一些情況下，一些能量可通過倏逝耦合之外的方式(例如通過芯耦合)而轉移， 但是任何這類能量轉移都次要于由倏逝耦合弓I起的能量轉移。兩種模之間的芯耦合通常是指主要由于這兩種模的芯場的重疊而引起的光能轉 移。在一些情況下，一些能量可通過芯耦合之外的方式(例如通過倏逝耦合)而轉移，但是 任何這類能量轉移都次要于由芯耦合引起的能量轉移。在一些情況下，例如當兩種模的芯場之間以及這兩種模的倏逝場之間均存在重疊 時，這兩種模之間的光學耦合可以具有基本芯耦合和倏逝耦合部分。耦合區(qū)域通常是指光能可以在第一和第二光波導之間轉移的區(qū)域。在一些情況 下，一部分耦合區(qū)域可以包括兩種模的芯場之間的重疊區(qū)域，而另一部分耦合區(qū)域可以包 括這兩種模的倏逝場之間的重疊區(qū)域。在一些情況下，耦合區(qū)域包括每個模具有足夠高的場強的重疊區(qū)域。在一些情況 下，耦合區(qū)域是這樣的區(qū)域其中所轉移的能量是可轉移能量的至少20%，或可轉移能量 的至少30%，或可轉移能量的至少40%，或可轉移能量的至少50%，或可轉移能量的至少 60 %，或可轉移能量的至少70 %，或可轉移能量的至少80 %，或可轉移能量的至少90 %，或 可轉移能量的至少95%。在一些情況下，耦合區(qū)域是這樣的區(qū)域其中所轉移的能量不超過可轉移能量 的10%，或不超過可轉移能量的7%，或不超過可轉移能量的5%，或不超過可轉移能量 的3 %，或不超過可轉移能量的2 %，或不超過可轉移能量的1 %，或不超過可轉移能量的 0. 5%。圖7示出了光波導系統(tǒng)700的示意性俯視圖，該光波導系統(tǒng)700包括緊密間隔開的第一光波導710和第二光波導720。第一光波導710包括設置于包層701和702之間的 芯712并能夠支持第一導模730，該第一導模730包括芯712內(nèi)部的芯場730A、包層702中 的倏逝場730B、以及包層701中的倏逝場730C。芯場730A在芯712內(nèi)具有峰731。第二光波導720包括設置于包層702和包層703之間的芯722并能夠支持第二導 模740，該第二導模740包括芯722內(nèi)部的芯場740A、包層702中的倏逝場740B、以及包層 703中的倏逝場740C。芯場740A在芯722內(nèi)具有峰741和742。倏逝場730B和740B之間的重疊可以引起光能在第一光波導710和第二光波導 720之間的轉移。例如，射入波導710中的第一導模730可以倏逝耦合到波導720，使得在 波導720中激發(fā)第二導模740。區(qū)域790示意性表示模730和740的兩個波導之間的耦合 區(qū)域。圖8示出了光波導系統(tǒng)800的示意性俯視圖，該光波導系統(tǒng)800包括具有芯812 的第一光波導810以及具有芯822的第二光波導820。芯812和820在交叉區(qū)域850處交 叉或接合。在一些情況下，芯812和822可以形成一體構造。在這類情況下，芯822可以視 為從芯812延伸出，或者芯812可以視為從芯822延伸出。芯812和822被包層801圍繞。第一光波導810能夠支持第一導模830，該第一導 模830包括芯812內(nèi)部的芯場830A。芯場830A在芯812內(nèi)具有峰831。第二光波導820 能夠支持第二導模840，該第二導模840包括芯822內(nèi)部的芯場840A。芯場840A在芯822 內(nèi)具有峰841。芯場830A和840A之間的重疊可以引起光能在第一光波導810和第二光波導820 之間的轉移。例如，射入波導820中的導模840可以芯耦合到波導810，使得在波導810中 激發(fā)導模830。區(qū)域890示意性表示模830和840的兩個波導之間的耦合區(qū)域。當(例如)兩個波導的芯在一位置處附接、連接或接合時，在該位置處這兩個波導 之間的光學耦合通常為芯耦合。例如，在微諧振器系統(tǒng)100中，微諧振器150的芯152分別 在第一面154和第二面155處與微腔140的芯142接合。微諧振器150主要通過在面154 和155處/或附近并且/或者在包括各個面的區(qū)域中芯耦合，來光學耦合到微腔140。面 154處的耦合區(qū)域包括面154以及面154附近及周圍的區(qū)域。類似地，面155處的耦合區(qū)域 包括面155以及面155附近及周圍的區(qū)域。在一位置處兩個波導之間倏逝耦合的情況下，兩個芯通常在該位置處間隔開，一 個或多個包層占據(jù)這兩個波導的芯之間的間隙。例如，波導120和微諧振器150之間的光 學耦合主要是倏逝耦合。包層101在耦合區(qū)域190處占據(jù)芯122和152之間的間隙。通常，在所公開的實施例中，微諧振器芯和微腔芯可能或可能不具有平行的對稱 軸線。例如，在圖3的微諧振器系統(tǒng)200中，微腔芯242具有沿y軸的對稱軸線210以及與 對稱軸線210正交的沿χ軸的對稱軸線215，對稱軸線210大致指向(例如穿過)耦合區(qū)域 190。對稱軸線210沿著微腔的寬度方向，而對稱軸線215沿著微腔的長度方向。微腔具有 沿微腔的長度方向的長度L1以及沿微腔的寬度方向的寬度I。微諧振器芯252具有許多 對稱軸線，包括沿y軸的對稱軸線230以及與對稱軸線230正交的沿χ軸的對稱軸線235。 對稱軸線230與對稱軸線210重合或者共線。因此，微腔芯242和微諧振器芯252沿著y 軸共享相同的對稱軸線，其中所共享的對稱軸線沿著微腔的寬度方向。對稱軸線215和235 不共線。具體而言，兩條軸線沿y方向相對于彼此橫向偏移距離t2。
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圖9示出了微諧振器系統(tǒng)900的示意性俯視圖，該微諧振器系統(tǒng)900包括光波導 120 ；光學微諧振器950，其具有在耦合區(qū)域990光學耦合到波導120的芯952 ；以及光學微 腔940，其具有光學耦合到微諧振器950而非光學耦合到波導120的芯942。光波導120所 支持的導?？梢灾苯蛹ぐl(fā)模，例如光學微諧振器950的第一諧振模，這意味著(例如)該導 模的倏逝尾部至少部分地重疊第一諧振模的倏逝尾部。光學微腔940能夠支持一種或多種 模，例如一種或多種諧振模(例如第二諧振模)。第二諧振?？梢灾苯佑傻谝恢C振模激發(fā)， 這意味著(例如)第一諧振模的倏逝尾部至少部分地重疊該第二諧振模的倏逝尾部。但是， 因為芯場之間和/或兩種模的尾部之間不存在重疊，所以第二諧振模不能由該導模直接激 發(fā)。相反，第二諧振模由該導模間接激發(fā)，這意味著該導模通過首先直接激發(fā)第一諧振模來 激發(fā)第二諧振模。微諧振器芯952具有沿y軸的對稱軸線930以及與對稱軸線930正交的沿χ軸的 對稱軸線935，所述對稱軸線930大致指向耦合區(qū)域990。微腔芯942具有與軸線930平行 但不共線的沿y軸的對稱軸線910、以及與軸線935平行但不共線的沿χ軸的對稱軸線915。因此，微諧振器芯952和微腔芯942不具有共線的對稱軸線或者共享共同的對稱 軸線。具體而言，軸線910相對于軸線930橫向偏移距離t4，而軸線915相對于軸線935橫 向偏移距離t3。圖10示出了微諧振器系統(tǒng)1000的示意性俯視圖，該微諧振器系統(tǒng)1000包括光 波導120 ；光學微諧振器1050，其具有在耦合區(qū)域1090光學耦合到波導120的芯1052 ；以 及光學微腔1040，其具有光學耦合到微諧振器1050而非光學耦合到波導120的芯1042。微諧振器芯1052具有沿y軸的對稱軸線1030以及與對稱軸線1030正交的沿χ 軸的對稱軸線1035，所述對稱軸線1030大致指向耦合區(qū)域1090。微腔芯1042具有與軸線 1030平行但不共線的沿y軸的對稱軸線1010、以及與軸線1035共線的沿χ軸的對稱軸線 1015。微諧振器芯1052和微腔芯1042共享對稱軸線，所述對稱軸線沿微腔的寬度方向 但并不指向耦合區(qū)域1090。因此，微諧振器芯1052和微腔芯1042不具有大致指向耦合區(qū) 域1090的共線的對稱軸線，或著共享大致指向耦合區(qū)域1090的共同的對稱軸線。圖11示出了微諧振器系統(tǒng)1100的示意性俯視圖，該微諧振器系統(tǒng)1100包括光 波導120 ；光學微諧振器1150，其具有在耦合區(qū)域1190光學耦合到波導120的芯1152 ；以 及光學微腔1140，其具有光學耦合到微諧振器1150而非光學耦合到波導120的芯1142。微諧振器芯1152具有大致指向耦合區(qū)域1190的沿y軸的對稱軸線1030。微腔芯 1142具有沿微腔的寬度方向的對稱軸線1110以及沿微腔的長度方向的對稱軸線1115。微 腔的對稱軸線1110也是微諧振器芯1152的對稱軸線。微諧振器芯1152和微腔芯1142共享對稱軸線1110，所述對稱軸線1110沿微腔的 寬度方向，但并不指向耦合區(qū)域1190。因此，微諧振器芯1152和微腔芯1142不具有大致指 向耦合區(qū)域1190的共線的對稱軸線，或著共享大致指向耦合區(qū)域1190的共同的對稱軸線。圖12示出了微諧振器系統(tǒng)1200的示意性俯視圖，該微諧振器系統(tǒng)1200包括光 波導120 ；光學微諧振器1250，其具有在耦合區(qū)域1290光學耦合到波導120的芯1252 ；以 及光學微腔1240，其具有光學耦合到微諧振器1250而非光學耦合到波導120的芯1242。微腔芯1242具有沿微腔的寬度方向的對稱軸線1210以及沿微腔的長度方向的對稱軸線1215。微諧振器芯1252具有與軸線1210平行但不共線的對稱軸線1230以及與軸 線1215平行但不共線的對稱軸線1235。微諧振器芯1252和微腔芯1242共享對稱軸線，所述對稱軸線沿微腔的寬度方向， 但并不大致指向耦合區(qū)域1290。因此，微諧振器芯1252和微腔芯1242不具有大致指向耦 合區(qū)域1290的共線的對稱軸線，或著共享大致指向耦合區(qū)域1290的共同的對稱軸線。軸 線1210相對于軸線1230橫向偏移距離t5，而軸線1215相對于軸線1235橫向偏移距離t6。圖1的示例性微諧振器系統(tǒng)100包括單個光學微腔。通常，微諧振器系統(tǒng)可以包 括一個或多個光學微腔，其中至少一個微腔能夠主要支持一種或多種諧振模。例如，圖13示出了微諧振器系統(tǒng)1300的示意性俯視圖，該微諧振器系統(tǒng)1300包 括光波導120 ；光學微諧振器1350，其具有在耦合區(qū)域1390光學耦合到波導120的芯 1352 ；第一光學微腔1340，其具有光學耦合到微諧振器1350而非光學耦合到波導120的芯 1342 ；以及第二光學微腔1360，其具有光學耦合到微諧振器1350而非光學耦合到波導120 的芯1362。在一些情況下，微腔1340和1360中的至少一個能夠主要支持一種或多種諧振 模。光學微諧振器1350沿著y軸沿微腔1340的寬度尺寸光學耦合到微腔1340。微 腔芯1342具有寬度W2和長度L2。在示例性微諧振器系統(tǒng)1300中，微腔芯1342沿著微腔 的至少一個寬度側(例如寬度側1371)相等地延伸超過芯1352的內(nèi)周1356和外周1357。 具體而言，距離d3和d4是相等的。通常，在應用中，微腔芯1342可以按照提供微腔1340和 微諧振器1350之間的光學耦合的任何位置和/或任何取向定位。光學微諧振器1350沿著y軸沿微腔1360的寬度尺寸光學耦合到微腔1360。微腔 芯1362具有寬度W3和長度L3。在示例性微諧振器系統(tǒng)1300中，微腔芯1362沿著至少一個 寬度側(例如寬度側1372)相等地延伸超過內(nèi)周1356和外周1357。具體而言，距離d5和 d6是相等的。通常，在應用中，微腔芯1362可以按照提供微腔1360和微諧振器1350之間 的光學耦合的任何位置和/或任何取向定位。在示例性微諧振器系統(tǒng)1300中，微腔1340和1360彼此不直接光學耦合。例如， 芯1342和1362之間的間距Ic1足夠大，以使得兩個微腔之間沒有或只有很少倏逝耦合。在 一些情況下，距離h可以足夠小，以允許兩個微腔之間的光學耦合。在一些情況下，兩個微腔中的每一個都能夠主要支持一種或多種諧振模。在這類 情況下，兩個微腔的諧振模光學耦合到微諧振器的諧振模，可導致微諧振器系統(tǒng)1300的諧 振模的形成。在一些情況下，當(例如)每個微腔和微諧振器的一種或多種諧振模彼此足 夠接近時，例如當微諧振器系統(tǒng)100中距離、大約為100-10，000納米時，可存在系統(tǒng)諧振 模。微諧振器芯1352具有指向耦合區(qū)域1390的沿y軸的對稱軸線1330。微腔芯1342 具有對稱軸線1310，該對稱軸線1310與軸線1330平行并相對于軸線1330橫向偏移距離 k2。微腔芯1362具有對稱軸線1320，該對稱軸線1320與軸線1330平行并相對于軸線1330 橫向偏移距離k3。重新參照圖1，光源110能夠發(fā)射光束112，該光束112的至少一部分通過輸入面 114進入光波導120。在一些情況下，從光源110進入光波導120的光可以沿著波導作為波 導的導模(例如導模128)傳播。在一些情況下，導模128激發(fā)光學微諧振器150的諧振模
13160。在一些情況下，諧振模160激發(fā)光學微腔140的諧振模170。在一些情況下，諧振模 170和160可以分別是微腔140和微諧振器150的駐波模。通常，諧振模170和160之間的 光學耦合可以形成微諧振器系統(tǒng)100的諧振模。在一些情況下，微諧振器150的諧振模160可以激發(fā)沿著正χ軸朝著檢測器166 行進的光波導120的導模124。導模124可以從輸出面116作為輸出光168從光學波導出 射。輸出光168可以被檢測器166檢測到。通常，檢測器166能夠通過檢測輸出光168的 一種或多種特性(例如強度、波長、和/或相位)來檢測微諧振器系統(tǒng)100的模(例如諧振 模)的一種或多種特性。在一些情況下，輸出光168的一種或多種特性的變化可以指示能夠影響微諧振器 系統(tǒng)100的一種或多種特性的外部媒介(例如，散射中心180)的存在。例如，如果光學微 諧振器150的散射中心和芯152之間的距離“t”足夠小，則在微諧振器和散射中心之間可 以發(fā)生光學耦合。該光學耦合可以改變微諧振器系統(tǒng)100的激發(fā)的諧振模的一種或多種特 性。例如，該光學耦合可以改變微諧振器150的諧振模160的一種或多種特性。模160的變 化可以引起導模124的一種或多種特性的變化，該導模124作為輸出光168從波導120出 射。檢測器166可以通過檢測輸出光168對應的變化來檢測模160或者微諧振器系統(tǒng)100 的諧振模的變化。在圖1所示的示例性微諧振器系統(tǒng)100中，散射中心180鄰近微諧振器150。通 常，散射中心180可以足夠靠近微諧振器系統(tǒng)100的任何部位，以能夠引起微諧振器系統(tǒng)的 諧振模的特性的變化。例如，散射中心可以足夠靠近微腔140，以允許散射中心和微腔之間 的光學耦合。散射中心180和微諧振器150之間光學耦合的強度的變化可以引起(例如)諧振 模160的特性的變化。光學耦合的強度的變化可以通過各種手段來實現(xiàn)。例如，散射中心 180和微諧振器150或芯152之間的間距“t”的變化可以改變散射中心和微諧振器之間的 光學耦合的強度。又如，散射中心的折射率ns的變化可以改變散射中心和微諧振器之間的 光學耦合的強度。通常，任何可以造成散射中心180和微諧振器150之間光學耦合的強度 變化的機制都可以引起輸出光168以及微諧振器系統(tǒng)的諧振模的特性的變化。在一些情況下，例如就某些金屬(例如金)而言，對于1550nm附近的波長，散射中 心的折射率的實部小于1。在其他一些情況下，例如就硅而言，對于1550nm附近的波長，散 射中心的折射率的實部大于1?？梢杂米魃⑸渲行?80的散射中心實例包括介電納米顆粒；半導體納米顆粒，例 如硅納米顆粒；以及金屬納米顆粒，例如金和鋁納米顆粒。在一些情況下，散射中心可以是 半導體，例如Si、GaAS、InP、CdSe、或CdS。例如，散射中心可以是硅顆粒，其直徑為80納米， 對所關注的波長的折射率(實部)為3. 5。散射中心的另一個實例是金顆粒，其直徑為80 納米，對1550nm附近波長的折射率為0. 54+9. 58i。散射中心的另一個實例是鋁顆粒，其直 徑為80納米，對1550nm附近波長的折射率為1. 44+16. Oi。在一些情況下，散射中心可以是介電顆粒。在一些情況下，散射中心可以是非熒光 顆粒。在一些情況下，散射中心不是半導體。在一些情況下，散射中心180的尺寸不大于大約1000納米，或不大于大約500納 米，或不大于大約100納米，或不大于大約50納米。
微諧振器系統(tǒng)100可以用作傳感器，其能夠感測(例如)被分析物182。例如，微 諧振器150可以能夠與被分析物182粘合。這種粘合能力可以通過(例如)適當處理微諧 振器150或芯152的外表面來實現(xiàn)。在一些情況下，被分析物182與散射中心180關聯(lián)。這 種關聯(lián)可以通過(例如)將被分析物附接到散射中心來實現(xiàn)。當被分析物182與微諧振器 的外表面粘合時，可以使散射中心光學鄰近微諧振器150。散射中心引起諧振模160的特 性的變化，進而使得微諧振器系統(tǒng)的諧振模的特性發(fā)生變化。光學檢測器166通過監(jiān)測輸 出光168的一種或多種特性的變化來檢測諧振模160的特性的變化，從而可以檢測被分析 物182的存在。在一些情況下，所引起的變化可以是模160的頻率偏移。在這類情況下，光 學檢測器166可以通過(例如)檢測輸出光168的頻率偏移來檢測該頻率偏移。被分析物 182可以(例如)包括蛋白質(zhì)、病毒、或DNA分子。在一些情況下，被分析物182可以包括待檢測抗原的第一抗體。該第一抗體可以 與散射中心180關聯(lián)?？乖牡诙贵w可以與微諧振器150關聯(lián)?？乖奖愕谝豢贵w和第 二抗體之間的鍵合。這樣，使得散射中心與微諧振器光學接觸，引起微諧振器系統(tǒng)的諧振模 的特性的變化。檢測器可以通過檢測特性的變化來檢測散射中心的存在，并因此檢測抗原。 在一些情況下，第一抗體可以與第二抗體相同。這種示例性感測處理可以在諸如食品安全、 食品加工、醫(yī)學測試、環(huán)境測試和工業(yè)衛(wèi)生之類的多種應用中使用。在一些情況下，散射中 心180可以引起諧振模160的頻率偏移，從而引起微諧振器系統(tǒng)的對應諧振模的頻率偏移， 其中所述偏移可被檢測器166檢測到。在一些情況下，微諧振器系統(tǒng)100可以能夠檢測包層101的折射率的變化。例如， 包層101可以最初為空氣。借助空氣包層，微諧振器系統(tǒng)的諧振?？梢蕴幱谥C振頻率，其 可以引起諧振頻率fi處的輸出光168。當例如空氣包層用例如蒸汽(例如有機蒸汽)、氣 體、液體、生物或化學材料、或者可以引起包層101的折射率變化的任何其他材料代替或者 與之混合時，包層101的折射率會發(fā)生變化。包層101的折射率的變化可以使微諧振器系 統(tǒng)的諧振模和輸出光168偏移到頻率f2，其中f2不同于 \。光學檢測器166可以檢測到頻 率偏移f = f「f2。在一些情況下，波導120、微諧振器150以及微腔140可以集成在共用基底上。所 述集成可以為單片集成，在這種情況下，通常使用相同的材料系統(tǒng)將不同的元件都加工到 共用基底上。此類集成可以是針對特定基底的，這意味著對一些基底而言，集成可能較容易 或可行，而對另外一些基底而言，集成可能較困難或不可行。例如，可以將檢測器、微諧振 器、微腔以及波導加工或生長到基底(例如Si基底)上，但將(例如)光源生長或加工到 同樣的基底上可能是困難或不可行的。又如，可以將所有系統(tǒng)元件生長或加工到III-V半 導體基底(例如InP或GaAs基底)上。所述集成可以為混合集成，在這種情況下，至少一些元件首先被獨立地加工，然后 通過(例如)使用粘合劑或焊料粘合被裝配到共用基底上。在這種情況下，微諧振器、微腔 和波導可以單片集成到基底上。在一些情況下，粘合可能需要使光源和檢測器與波導主動 對齊。圖14示出了集成光學裝置1500的示意性三維圖。光源110和檢測器166集成到 光學裝置1500的基底103上。波導120、微腔140以及微諧振器150具有上包層101和下 包層102并被集成到基底103上。光源110通過間隙1501與波導120隔開，并且該光源
15110包括集成到基底103上的電引線1540和1541。電引線1540和1541延伸到光學裝置 1500的邊緣1521，以連接到例如外部電源和/或控制器(圖14中未示出)。檢測器166通 過間隙1502與波導120隔開，并且該檢測器166包括集成到基底103上的電引線1530和 1531。電引線1530和1531延伸到光學裝置1500的邊緣1522，以連接到例如外部電源和/ 或其他電子器件(圖14中未示出)。基底103可以是剛性或柔性的?；?03可以為透光或不透光的。該基底可以為 聚合物、金屬、半導體、或任何類型的玻璃。例如，基底103可以是硅。又如，基底103可以 是浮法玻璃，或者基底103可由有機材料，例如聚碳酸酯、丙烯酸樹脂、聚對苯二甲酸乙二 醇酯(PET)、聚氟乙烯(PVC)、聚砜等制成?？梢允褂霉闹圃旒夹g制備微諧振器150、微腔140以及光波導120。示例性的 制造技術包括光刻法、印刷、澆鑄、擠壓、壓印以及蝕刻(例如反應離子蝕刻或濕法化學蝕 刻)?？梢允褂霉姆椒?，例如濺射、氣相沉積、火焰水解、澆鑄、或任何其他可在應用中適 合的沉積方法，來形成微諧振器系統(tǒng)100中的不同層。在一些情況下，光源110可以是發(fā)射(例如)白光的寬帶光源。在一些情況下，光 源110可以為窄帶光源，例如可調(diào)窄線寬激光源。在一些情況下，檢測器166可以為窄帶檢 測器，或者該檢測器可以為光譜靈敏檢測器。例如，檢測器166可以為光譜分析儀。在一些 情況下，檢測器166可以為寬帶檢測器。圖15示出了微諧振器系統(tǒng)1400的示意性三維圖，該微諧振器系統(tǒng)1400包括光 波導1420，其具有芯1422 ；光學微諧振器1450，其具有在耦合區(qū)域1490光學耦合到波導 1420的芯1452 ；以及光學微腔1440，其具有光學耦合到微諧振器1450而非光學耦合到波 導1420的芯1442。在一些情況下，光學微腔1440能夠主要支持一種或多種諧振模。光學微諧振器1450沿著光學微腔1442的寬度方向1401和厚度方向1403光學 耦合到光學微腔1440，其中厚度方向1403與寬度方向1401正交。在示例性微諧振器系統(tǒng) 1400中，厚度方向1403沿y軸，而寬度方向1401沿負ζ軸。厚度和寬度方向限定了與該厚 度和寬度方向同時正交的長度方向1402。長度方向1402沿χ軸。微腔芯1442具有沿寬度 方向1401的最大寬度尺寸Wm、沿厚度方向1403的最大厚度尺寸Hm、以及沿長度方向1402 的最大長度尺寸Lm。在一些情況下，Hm不大于Wm。在一些情況下，光學微腔1440能夠主要支持一種 或多種諧振模，其中比率Lm/Wm不大于大約10，如在(例如)共同所有的美國專利申請 No. 11/616338 (代理人案卷號No. 62681US002)中所述。在其他一些情況下，光學微腔1440 能夠主要支持一種或多種諧振模，其中比率Lm/Wm不大于大約6，或不大于大約4，或不大于 大約3，或不大于大約2。在其他一些情況下，光學微腔1440能夠主要支持一種或多種諧振 模，其中比率Lm/Wm不大于大約1，或不大于大約0. 8，或不大于大約0. 5，或不大于大約0. 3， 或不大于大約0.1。在一些情況下，Lm不大于大約50微米，或不大于大約30微米，或不大于大約20微 米，或不大于大約10微米。在其他一些情況下，Lffl不大于大約5微米，或不大于大約3微 米，或不大于大約2微米，或不大于大約1微米。在其他一些情況下，Lffl不大于大約0. 8微 米，或不大于大約0. 6微米，或不大于大約0. 5微米。在一些情況下，光學微腔1440能夠主要支持不超過100種諧振模、或不超過50種
16諧振模、或不超過20種諧振模、或不超過15種諧振模、或不超過10種諧振模、或不超過8 種諧振模、或不超過5種諧振模。在一些情況下，光學微腔1440能夠主要支持至少一種諧振模、或至少2種諧振模、 或至少5種諧振模、或至少10種諧振模。在一些情況下，光學微腔1440能夠主要支持單一 諧振模、或兩種諧振模。在一些情況下，微諧振器系統(tǒng)1400被設計為主要工作在從大約0. 3微米至大約15 微米、或從大約0. 3微米至大約5微米、或從大約0. 3微米至大約2微米、或從大約0. 4微 米至大約1. 6微米、或從大約0. 6微米至大約1. 6微米的波長范圍內(nèi)。在一些情況下，微諧 振器系統(tǒng)1400被設計為主要工作在大約633nm、或在大約850nm、或在大約980nm、或在大約 1310nm、或在大約1550nm、或在大約10，600nm處。在一些情況下，微腔1440的諧振模(例如諧振模1470)是行波或主要是行波。在 其他一些情況下，微腔1440的諧振模是駐波或主要是駐波。在一些情況下，微諧振器1450的諧振模能夠激發(fā)微腔1440的諧振模。例如，微諧 振器的諧振模1460可以光學耦合到微腔的諧振模1470并激發(fā)所述諧振模1470。在一些情 況下，微諧振器1450的駐波模能夠激發(fā)微腔1440的駐波模。例如，微諧振器的諧振駐波模 1460可以光學耦合到微腔的諧振駐波模1470并激發(fā)所述諧振駐波模1470。在一些情況下，駐波模1470可以由沿不同方向行進的兩個行波模(例如第一行波 模1471和第二行波模1472)之間的光學干涉而引起。在一些情況下，駐波模1460可以由 沿不同方向行進的兩個行波模(例如第一行波模1461和第二行波模1462)之間的光學干 涉而引起。在一些情況下，行波模1461可以光學耦合到沿大致相同的方向行進的行波模 1471并主要激發(fā)所述行波模1471，而行波模1462可以光學耦合到行波模1472并主要激發(fā) 所述行波模1472，其中兩種模都沿大致相同的方向(例如順時針方向)行進。在一些情況 下，所激發(fā)的行波模1471和1472可以光學干涉以形成駐波模1470。來自光源110的光112可以激發(fā)光波導1420的光導模1428。模1428能夠經(jīng)由 耦合區(qū)域1490通過倏逝耦合而耦合到光學微諧振器1450，其中所述耦合區(qū)域1490大致定 位在光波導1420和微諧振器1450之間。導模1428能夠激發(fā)微諧振器的相同波長的行波 模(例如行波模1461)。導模1461能夠激發(fā)例如行波模1471，使得行波模1472和駐波模 1470產(chǎn)生。模1472可以進而激發(fā)行波1462。行波模1462和1461可以干涉以形成駐波模 1460。在一些情況下，不同波長下的導模1461可以主要激發(fā)微腔1440的不同駐波模。例 如，具有第一波長X1的導模1461可以主要激發(fā)一種駐波模，而具有第二波長入2的導?？?以主要激發(fā)微諧振器的不同的駐波模。在一些情況下，微腔1440可以能夠支持簡并駐波模，這意味著具有波長λ3的導 模1461可以主要激發(fā)微腔的兩種或兩種以上的具有相同波長λ 3的不同駐波模。圖19示出了光學微諧振器系統(tǒng)的示意性俯視圖，該光學微諧振器系統(tǒng)包括輸入 光波導1920，其具有光學芯1922，并能夠支持導模1928 ；輸出光波導1930，其具有光學芯 1932，并能夠支持導模1924 ；第一光學微腔1960，其在芯耦合區(qū)域1901芯耦合到輸入光波 導1920，并在芯耦合區(qū)域1902芯耦合到輸出光波導1930 ；光學微諧振器1950，其具有光學芯1952，并在芯耦合區(qū)域1903和1904處芯耦合到第一光學微腔；以及第二光學微腔1940， 其具有光學芯1942，并在芯耦合區(qū)域1905和1906處芯耦合到光學微諧振器1950。芯耦合區(qū)域通常是兩個或更多個波導之間發(fā)生芯耦合的區(qū)域。在一些情況下，例 如當兩個波導的芯為不同材料時，芯耦合區(qū)域可以包括物理界面，該物理界面為兩個芯之 間的界面。在一些情況下，例如當兩個芯由相同材料制成并形成一體構造時，芯耦合區(qū)域不 包括兩個波導之間的物理界面。輸入光波導1920與發(fā)射輸入光112的光源110光學通信。輸出光波導1930與接 收來自輸出波導1930的輸出光168的檢測器166光學通信。光學微諧振器1950芯耦合到第一光學微腔1960，但光學微諧振器1950并不芯耦 合到輸入波導1920和輸出波導1930。第一光學微諧振器1950直接耦合到第一光學微腔 1960，而間接(即通過第一微腔1960)耦合到輸入波導1920和輸出波導1930。第二光學微腔1940芯耦合到微諧振器1950，但第二光學微腔1940并不芯耦合到 第一光學微腔I960、輸入波導1920和輸出波導1930。第二光學微腔1940直接耦合到微諧 振器1950。第二光學微腔1940間接(即通過微諧振器1950)耦合到微腔1960。在示例性微諧振器系統(tǒng)1900中，第一光學微腔1960是具有沿χ方向的長度L4和 沿y方向的寬度W4矩形。在一些情況下，第一光學微腔I960可以是多模干涉耦合器(MMIC)，所述匪IC在 例如 1995 年 4 月 Journal of LightwaveTechnology 13(4)第 615—626 頁中 Soldano 等 AW "Optical Multi-ModeInterference Devices Based on Self-Imaging :Principles and Applications”中、以及在例如共同所有的美國專利申請No. 11/616338 (代理人案卷 號NO.62681US002)中有所描述。在一些情況下，MMIC 1960被如此設計，以使得沿著例如χ 方向在微腔內(nèi)傳播的微腔的行波模在微腔的至少一些邊界處(例如在微腔的側壁1912和 1913處)不受或很少受反射。在一些情況下，微腔1960可以主要支持兩種或更多種、或者三種或更多種、或者 五種或更多種行波模。在這類情況下，比率L4/W4不小于大約2，或不小于大約3，或不小于 大約4，或不小于大約6，或不小于大約10。在其他一些情況下，比率L4/W4不小于大約20， 或不小于大約40，或不小于大約60，或不小于大約80，或不小于大約100。在一些情況下，比率L4大于大約50微米，或大于大約100微米，或大于大約200微 米，或大于大約500微米。在其他一些情況下，比率L4大于大約1000微米，或大于大約2000 微米，或大于大約5000微米，或大于大約10，000微米。在一些情況下，光學微腔1960能夠主要支持至少100種諧振模，或至少200種諧 振模，或至少400種諧振模，或至少500種諧振模，或至少700種諧振模，或至少800種諧振 模，或至少1000種諧振模。在一些情況下，第一光學微腔1960是匪IC，而第二光學微腔1940不是匪IC。在 這類情況下，微腔I960可以支持至少50種諧振模且微腔1940可以支持不超過20種諧振 模，或著微腔I960可以支持至少100種諧振模且微腔1940可以支持不超過20種諧振模， 或著微腔1960可以支持至少100種諧振模且微腔1940可以支持不超過15種諧振模，或者 微腔1960可以支持至少100種諧振模且微腔1940可以支持不超過10種諧振模，或者微腔 1960可以支持至少100種諧振模且微腔1940可以支持不超過8種諧振模，或者微腔1960可以支持至少100種諧振模且微腔1940可以支持不超過5種諧振模。通過下面的實例進一步說明所公開的實施例的一些優(yōu)點。在這些實例中引用的特 定材料、數(shù)量和尺寸以及其他條件和細節(jié)不應當解釋為過度地限制本發(fā)明。實例1 使用有效二維時域有限差分(FDTD)方法對類似于圖1的微諧振器系統(tǒng)100的光 學裝置進行數(shù)值分析。對于該模擬，所有的芯均是折射率為3. 5并且有效厚度為0. 4微米的 硅。光學微諧振器是厚度為0.2微米并且外徑為3. 6微米的環(huán)。耦合區(qū)域190中的芯122 和152之間的間距、為0. 2微米。微腔芯142是矩形固體，該矩形固體的寬度W1為1. 8微 米，長度L1為0. 6微米，從而比率L1ZiW1大約為0. 33。微腔140沿著χ軸相對于環(huán)形微諧振 器150對稱地定位，這意味著微腔和微諧振器沿y軸共享相同的對稱軸線。距離Cl1和d2均 為0. 8微米。上包層101是折射率為1的空氣。下包層102是折射率為1. 46的二氧化硅。在該模擬中，光源110是脈沖光源，該脈沖光源以半峰全寬(FWHM)為1微米并在 2微米處保持居中的離散1飛秒長高斯脈沖的形式發(fā)射光112。經(jīng)檢測器166檢測，寬帶輸 入脈沖引起在大約1微米至大約3微米范圍內(nèi)的寬光譜響應。圖16中的曲線1620示出了缺少散射中心180的情況下在檢測器166處的計算信 號強度(相對于輸入光強度取任意單位)，該計算信號強度是波長(以微米為單位)的函 數(shù)。曲線1640示出了存在散射中心180的情況下的計算輸出信號強度。散射中心是直徑 等于80納米并且在大約1550nm處復折射率等于0. 54+9. 58 的球形金顆粒。如圖1示意 性地示出的，散射中心穿過中心151沿著微諧振器的水平對稱軸線191放置。在顆粒和微 諧振器之間存在50納米的間隙“t”。圖16示出了散射中心在微諧振器系統(tǒng)的至少多個諧 振頻率中引起偏移。曲線1620示出了該光學裝置具有若干諧振頻率，例如在位置1612處 與大約1. 62微米對應的諧振頻率。為了比較，曲線1610示出了針對參照光學裝置在檢測 器處的計算信號強度，所述參照光學裝置(如圖17示意性示出的)除了不包括微腔之外， 與實例1的光學裝置相同。圖16示出了微腔140的添加引起光學裝置的諧振頻率發(fā)生偏移并且峰在至少一 些諧振頻率處分裂。例如，圖16示出了峰在位置1611處分裂。二維FDTD方法用于驗證該微腔主要支持諧振模。光以光學裝置的諧振頻率進入 到波導120中，微腔內(nèi)電場最大值的位置被監(jiān)測為時間的函數(shù)。結果顯示，這些位置是基本 上靜止的，從而表明該微腔主要支持諧振駐波模。實例2 使用有效二維時域有限差分(FDTD)方法對類似于實例1的微諧振器系統(tǒng)的光學 裝置進行數(shù)值分析，不同之處在于微腔沿著正y軸偏移0. 2微米，從而使得Cl1等于1. 0微 米，d2等于0.6微米。圖16中的曲線1630示出了缺少散射中心180的情況下在檢測器166處的計算信 號強度。曲線1630示出了光學裝置具有若干諧振頻率，例如在位置1631處與大約1. 4微 米對應的諧振頻率。二維FDTD方法用于驗證該微腔主要支持諧振模。光以光學裝置的諧振頻率進入 到波導120中，微腔內(nèi)電場最大值的位置被監(jiān)測為時間的函數(shù)。結果顯示，這些位置是基本 上靜止的，從而表明該微腔主要支持諧振駐波模。
實例3 使用有效二維時域有限差分(FDTD)方法對類似于圖13的微諧振器系統(tǒng)1300的 光學裝置進行數(shù)值分析。對于該模擬，所有的芯均是折射率為3. 5并且有效厚度為0. 4微 米的硅。光學微諧振器是厚度為0.2微米并且外徑為3. 6微米的環(huán)。在耦合區(qū)域1390中 芯122和1352之間的間距、為0. 2微米。上包層101是折射率為1的空氣。下包層(類 似于微諧振器系統(tǒng)100)是折射率為1. 46的二氧化硅。微腔芯1342是矩形固體，該矩形固體的寬度W2為1. 8微米，長度L2為0. 6微米， 從而使得比率L2/W2大約為0. 33。微腔1340沿著X軸相對于環(huán)形微諧振器1350對稱地定 位，使得距離k2等于0. 4微米。距離d3和d4均為0. 8微米。微腔芯1362是矩形固體，該矩形固體的寬度W3為1. 8微米，長度L3為0. 3微米， 從而使得比率L3/W3大約為0. 17。微腔1360沿著X軸相對于環(huán)形微諧振器1350對稱地定 位，使得距離k3等于0. 25微米。距離d5和d6均為0. 8微米。在該模擬中，光源110是脈沖光源，該脈沖光源以半峰全寬(FWHM)為1微米并在 2微米處保持居中的離散1飛秒長高斯脈沖的形式發(fā)射光112。經(jīng)檢測器166檢測，寬帶輸 入脈沖引起在大約1微米至大約3微米范圍內(nèi)的寬光譜響應。圖18中的曲線1810示出了缺少散射中心180的情況下在檢測器166處的計算信 號強度(相對于輸入光強度取任意單位)，該計算信號強度是波長(以微米為單位)的函 數(shù)。曲線1810示出了該光學裝置具有若干諧振頻率，例如在位置1811處與大約1. 63微米 對應的諧振頻率。二維FDTD方法用于驗證這兩個微腔中的至少一個主要支持諧振模。光以光學裝 置的諧振頻率進入到波導120中，微腔內(nèi)電場最大值的位置被監(jiān)測為時間的函數(shù)。結果顯 示，這些位置在每個微腔中均是基本上靜止的，從而表明每個微腔主要支持諧振駐波模。如本文所用，術語(例如“豎直”、“水平”、“上面”、“下面”、“左”、“右”、“上”及“下”、 “順時針”及“逆時針”以及其他類似的術語)是指如附圖所示的相對位置。通常，物理實施 例可以具有不同的取向，在這種情況下，術語意在指示修改為裝置實際取向的相對位置。例 如，即使圖14中的構造相比圖中的取向倒置，包層102仍視為“下”包層。以上引用的所有的專利、專利申請以及其它出版物均以如同全文復制的方式引入 本文以供參考。雖然上文詳細描述了本發(fā)明的具體實例，以幫助解釋本發(fā)明的各個方面，但 是應當理解，其目的并不是將本發(fā)明限制于實例的具體內(nèi)容。相反，其目的在于涵蓋落在由 所附權利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、實施例和替代方式。
權利要求
一種光學微諧振器系統(tǒng)，包括光波導；光學微諧振器，所述光學微諧振器直接光學耦合到所述光波導；以及第一光學微腔，所述第一光學微腔芯耦合到所述光學微諧振器，而非芯耦合到所述光波導。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述第一光學微腔能夠主要支持一 種或多種諧振模。
3.根據(jù)權利要求2所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述一種或多種諧振模中的至少一 種在兩個而非三個維度上受限制。
4.根據(jù)權利要求2所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述一種或多種諧振模中的至少一 種在三個維度上受限制。
5.根據(jù)權利要求2所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述一種或多種諧振模中的至少一 種主要是行波。
6.根據(jù)權利要求2所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述一種或多種諧振模中的至少一 種主要是駐波。
7.根據(jù)權利要求1所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述光波導通過芯耦合來耦合到所 述光學微諧振器。
8.根據(jù)權利要求1所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述光波導通過倏逝耦合來耦合到 所述光學微諧振器。
9.根據(jù)權利要求1所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述光波導包括與光源光學通信的 輸入面以及與光檢測器光學通信的輸出面。
10.根據(jù)權利要求1所述的光學微諧振器系統(tǒng)，還包括第二光學微腔，所述第二光學微 腔芯耦合到所述光學微諧振器，而非芯耦合到所述光波導。
11.根據(jù)權利要求10所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述第二光學微腔能夠主要支持 一種或多種諧振模。
12.根據(jù)權利要求1所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述光學微諧振器具有對稱軸線， 該對稱軸線與所述光學微腔的對稱軸線平行。
13.根據(jù)權利要求12所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述光學微諧振器的對稱軸線與 所述光學微腔的對稱軸線共線。
14.根據(jù)權利要求1所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述光學微諧振器在耦合區(qū)域直 接光學耦合到所述光波導，所述光學微諧振器具有大致指向所述耦合區(qū)域的第一對稱軸 線。
15.根據(jù)權利要求14所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述光學微腔具有第二對稱軸 線，該第二對稱軸線與所述第一對稱軸線平行。
16.根據(jù)權利要求15所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述第二對稱軸線與所述第一對 稱軸線共線。
17.根據(jù)權利要求15所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述第二對稱軸線相對于所述第 一對稱軸線橫向偏移。
18.根據(jù)權利要求14所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述光學微腔沒有對稱軸線與所述第一對稱軸線平行。
19.根據(jù)權利要求1所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述光學微諧振器沿著微腔芯的 寬度方向和厚度方向光學耦合到所述光學微腔，所述厚度方向與所述寬度方向正交，所述 微腔芯具有沿寬度方向的最大寬度尺寸W、沿厚度方向的最大厚度尺寸H、以及沿長度方向 的最大長度尺寸L，所述長度方向與所述寬度和厚度方向正交，H不大于W，L/W不大于大約 6。
20.根據(jù)權利要求16所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中L/W不大于大約1。
21.一種光學傳感器，包括微諧振器系統(tǒng)，所述微諧振器系統(tǒng)包括 光波導；光學微諧振器，所述光學微諧振器直接光學耦合到所述光波導；以及光學微腔，所述光學微腔光學耦合到所述光學微諧振器，而非光學耦合到所述光波導；光源，所述光源與所述光波導光學通信，并以與所述微諧振器系統(tǒng)的第一諧振模對應 的波長發(fā)射光；以及檢測器，所述檢測器與所述微諧振器系統(tǒng)光學通信，所述檢測器檢測所述第一諧振模 的特性，以使得當使被分析物靠近所述微諧振器系統(tǒng)時，所述第一諧振模的特性發(fā)生變化， 所述檢測器檢測所述變化。
22.根據(jù)權利要求21所述的光學傳感器，其中所述光學微腔主要支持一種或多種諧振模。
23.根據(jù)權利要求22所述的光學傳感器，其中所述光學微腔的一種或多種諧振模中的 每一種是駐波模。
24.根據(jù)權利要求21所述的光學傳感器，其中所述特性包括所述第一諧振模的強度。
25.根據(jù)權利要求21所述的光學傳感器，其中所述特性包括所述第一諧振模的波長。
26.根據(jù)權利要求21所述的光學傳感器，其中所述特性包括所述第一諧振模的相位。
27.根據(jù)權利要求21所述的光學傳感器，其中所述微諧振器沿著所述微腔的長度光學 耦合到所述微腔，所述微腔具有長度尺寸L和寬度尺寸W，L/W不大于大約6。
28.根據(jù)權利要求27所述的光學傳感器，其中L/W不大于大約1。
29.一種光學微諧振器系統(tǒng)，包括 光波導，所述光波導支持導模；光學微諧振器，所述光學微諧振器能夠支持由所述導模直接激發(fā)的第一諧振模；以及 光學微腔，所述光學微腔能夠支持第二諧振模，所述第二諧振模由所述第一諧振模直 接激發(fā)，而非由所述導模直接激發(fā)。
30.根據(jù)權利要求29所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述第一諧振模包括行波模，所 述第二諧振模包括駐波模。
31.根據(jù)權利要求29所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述第一和第二諧振模中的每一 種包括駐波模。
32.根據(jù)權利要求29所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述光學微腔是矩形固體。
33.一種光學微諧振器系統(tǒng)，包括光波導；第一光學微腔，所述第一光學微腔芯耦合到所述光波導；光學微諧振器，所述光學微諧振器芯耦合到所述第一光學微腔，而非芯耦合到所述光 波導；以及第二光學微腔，所述第二光學微腔芯耦合到所述光學微諧振器，而非芯耦合到所述第一光學微腔。
34.根據(jù)權利要求33所述的光學微諧振器系統(tǒng)，其中所述第一光學微腔是多模干涉耦 合器，而所述第二光學微腔不是多模干涉耦合器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光學微諧振器系統(tǒng)和傳感器。所述光學微諧振器系統(tǒng)包括光波導和直接光學耦合到所述光波導的光學微諧振器。所述光學微諧振器還包括光學微腔，所述光學微腔芯耦合到所述光學微諧振器，而非芯耦合到所述光波導。
文檔編號G02B6/12GK101910898SQ200880124356
公開日2010年12月8日 申請日期2008年11月4日 優(yōu)先權日2007年11月15日
發(fā)明者巴里·J·科赫, 易亞沙, 特里·L·史密斯 申請人:3M創(chuàng)新有限公司