CN101416362A - 将光耦合进微谐振器 - Google Patents

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Abstract

本文描述了这样的光学微谐振器装置：即包括光波导并且确定光学微谐振器光耦合到所述波导的位置。所述波导包括芯以及位于所述芯的一个边界的至少一部分上的金属包覆层。

Description

将光耦合进微谐振器
技术领域
本发明整体涉及基于耦合到波导的微谐振器的光学装置。
背景技术
介电腔光学谐振器已经受到包括生物传感在内的传感应用的日益关注。通常，这些谐振器由微球组成，或者由基于平面波导的圆盘腔或环形腔组成。微球类型的谐振器的尺寸通常为约20微米至几毫米，环形或圆盘形的谐振器的尺寸通常为5微米至几百微米。这些小球以及环形或圆盘形的谐振器常常被称为微谐振器。
在最常见的基于微谐振器的传感器构造中，将微谐振器紧靠光波导(例如，具有特别定制的几何形状(例如，渐缩或蚀刻为1-5微米大小)的光纤)放置。将波导进行渐缩改造的结果是，在波导外部形成实质上的光场，因此光能够耦合进微谐振器并且激发其本征模式。这些本征模式可以是多种类型，具体取决于谐振腔的几何形状。对球形腔和圆盘腔，传感应用所关注的模式通常是所谓“回音壁模式”(WGM)，其为被约束在腔体表面附近的行波。由于回音壁模式被约束在表面附近，因此它们非常适合于与球面上或球面附近的被分析物相耦合。图2示意性地示出了光在平面圆盘微谐振器腔210内传播时回音壁模式202的电场分布。图2中示意性地示出了回音壁模式202沿横截面直线A-A’的电场强度E。
对基于单模式波导的环形腔，这些模式为单横向模式通道波导的那些模式，其约束条件为：所穿越的路径对应于波长的整数倍。其他几何形状的腔体(例如，使用单模式光导并且具有布拉格(Bragg)光栅反射器的法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振器，或多模式矩形腔)具有与其本征模式相似的驻波谐振。
使用由低损耗材料制成并且具有高表面反射率和高质量的微谐振器时，被约束在谐振模式中的光的损耗非常低，并且可以获得极高的质量因子，即Q因子，最高可达109。由于Q因子高，光能够在谐振器内传播很长时间，因此使得腔体模式中的光场得到极大增强，并且形成很长的有效光传播路径。这使得此类装置对非线性光学应用和传感应用非常有用。在传感应用中，待传感的样本紧靠谐振器的表面放置，它们在这里与微谐振器外部可用的谐振电场的渐逝部分相互作用。由于光与样本之间的光场增强，并且相互作用的长度增加，所以基于微谐振器的光学传感器具有高灵敏度和/或低检测极限的特征。
在最普遍推行的构造中，将微球谐振器耦合到锥形光纤，但是存在和实现效率和稳定耦合有关的实际困难。首先，为了使纤芯中的光场在光纤表面外可用，必须将光纤直径渐缩至数微米。这通常会导致渐缩区域相对较长(数厘米)并且易碎。其次，如果要保持光耦合和Q因子固定不变，则必须将微球与光纤锥的相对位置保持为数纳米之内的某个固定值。这对自由球形光纤和锥形光纤而言较困难。
在通常用于与微球耦合的另一种构造中，使斜面精磨光纤与微球接触。在这种情况下，与光纤锥易碎性有关的问题得到了解决，但是在将微球正确定位于光纤尖部时仍存在明显的困难。此外，未耦合进微球的光(代表所谓的“通过端口”信号)对光纤没有约束，因此难以搜集和分析。
因此，需要改进用于将波导耦合到微谐振器的方法和结构。
发明内容
本文描述了光学微谐振器装置，包括确定光波导和光学微谐振器的位置，使得光波导和光学微谐振器实现光耦合。该波导包括芯以及位于该芯的一个边界的至少一部分上的金属包覆层。
通过以下结合附图对本发明的多种具体实施方式进行描述，可以更全面地了解本发明。
附图说明
图1A、图1B和图1C示意性地示出了微谐振器基装置的实施例。
图2示意性地示出了光在回音壁模式内传播时平面圆盘微谐振器的光线模型和电场分布。
图3示意性地示出了耦合到球形微谐振器的金属包覆波导的实施例。
图4示意性地示出了图3所示的实施例沿直线4-4的侧向横截面。
图5示意性地示出了垂直耦合到金属包覆波导的平面(圆盘或环形)微谐振器的实施例。
图6示意性地示出了横向耦合到金属包覆波导的平面微谐振器。
图7示意性地示出了横向耦合到金属包覆波导的平面微谐振器，该谐振器经过改进后具有更好的表面灵敏度。
图8示意性地示出了横向耦合到金属包覆波导的平面微谐振器，其中将金属包覆层设置在间隙内以加强波导。
图9示意性地示出了横向耦合到金属包覆波导的平面微谐振器，其中将金属包覆层和介电包覆层设置在间隙内以加强波导。
图10示意性地示出了横向耦合到金属包覆波导的平面微谐振器，其中将金属包覆层和介电包覆层设置在间隙内以加强波导，并且将介电包覆层设置在该结构的顶部以增加附加的强度。
图11示意性地示出了垂直耦合到金属包覆波导的三个球形微谐振器。
图12示意性地示出了横向耦合到金属包覆波导的平面微谐振器，其中将金属设置在波导芯下面。
图13A、图13B和图13C示出了平板波导结构实例的建模结果，显示了对633纳米的波长，金属包覆的实折射率和虚折射率对相对场增强和波导衰减的影响。
图14A、图14B和图14C示出了平板波导结构实例的建模结果，显示了对1550纳米的波长，金属包覆的实折射率和虚折射率对相对场增强和波导衰减的影响。
图15示出了对其进行数值建模的通道波导构造，图16-图18示出了数值建模的结果。
图16示出了光束传播法(BPM)计算的、波长为1550纳米的有效模式折射率对图15所示金属层厚度的依赖关系，其中金属为金。
图17示出了光束传播法计算的、图15所示金属包覆波导的相对场增强，将其表示为金属层厚度的函数。
图18示出了光束传播法计算的、图15所示金属包覆波导的传播损耗，将其表示为金属的虚折射率的函数。
图19示出了用实验方法得到的、根据本发明的原则由耦合到金属包覆波导的微球组成的微谐振器的实施例的谐振图线。
本发明可以通过多种方式进行修改，细节已在图中以举例的方式示出，并将做详细描述。然而应当理解，本发明并不受所描述的具体实施例的限制。相反，其目的在于涵盖所有下列根据权利要求而限定的本发明的精神和范围内的修改形式、等同形式和替代形式。
具体实施方式
本发明适用于光学微谐振器装置，具体地讲，适用于光波导耦合到光学微谐振器的情况。基于将波导耦合到一个或多个微谐振器的装置在传感器、滤波器、电信装置和微型激光器的背景下尤其有用。
金属包覆波导是已知的，但是发明人未发现以前有耦合到微谐振器的金属包覆波导。在历史上，由于金属包覆比其他包覆结构具有更高程度的光学损耗，因此可能没有人建议将金属包覆波导耦合到微谐振器。已经发现，通过结合光学微谐振器使用金属包覆波导，有可能有效地将光从金属包覆波导耦合到微谐振器，同时损耗量是可接受的，并且在一些实施例中可以实现许多其他有益效果。本文将更多地描述这些有益效果。
在不同的实施例中，金属包覆层被设置在不同的位置。波导芯的外表面限定了波导芯的边界。金属包覆层位于芯的一个边界的至少一部分上。在一些实施例中，金属包覆层在仅沿着靠近谐振器的一部分芯而在波导芯上存在。金属包覆使得波导的光学模式的形式得到改进(参见卡明诺等人在《应用光学》1974年第13卷第396页发表的“金属包覆波导：分析和实验研究”(I.P.Kaminow et al，Metal-Clad OpticalWaveguides：Analytical and Experimental Study，Applied Optics，Vol 13，page 396(1974))，并且能够增加介电芯与金属相对的边界上的电场强度。将金属包覆层设置在与谐振器相对的芯边界上后，场强的这种增强使得耦合到谐振器的强度得到比传统介电包覆更大程度的增加。作为另外一种选择，在保持适当耦合的同时，还可以增大波导与谐振器之间的间隙(以使得间隙更易于制造)。
能够实现模式的显著转移、以促进谐振器耦合但同时不会在很大程度上增加波导损耗的金属是这样的金属：在工作波长的折射率的虚部值“k”很大。在可见光和近红外光波段具有较大k值的金属实例有铝、金、铟、银、铑、钠、铱、镁、铜、铼、铅、钼、铂、锌、镍、锶、铌、钽、镱、锇、钴、铁和钒。
这种方法主要有益于横向电场“TE”偏振基本模式的情况，在这种情况下，电场与金属表面平行。在横向磁场“TM”偏振模式的情况下(这时电场与金属表面垂直)，金属层的存在使得基本模式成为电场集中在金属表面附近的“等离子”模式，因此不能耦合到设置在芯与金属相对的侧面的谐振器。有可能实现高阶TM模式与谐振器之间的增强耦合，但是一般来讲，更高阶的TM模式的传播损耗高于TE模式，因此在装置设计中使用这种方法的吸引力较小。
首先，为了提供讨论耦合系统的背景，我们将大致描述微谐振器-波导系统的实例以及如何将它们用作传感器。然后将描述光耦合到微谐振器的金属包覆波导的不同构造和实施例，以及此类系统的优点。最后将总结建模和实验的结果。
微腔-波导系统
图1A示意性地示出了微腔-波导装置的实例100。光源102发出的光线沿着波导104到达检测器单元106。微谐振器110光耦合到波导104。光源102发出的光108进入波导104，并且朝向检测器单元106传播。微谐振器110短暂地将光108的一部分耦合出波导104，耦合出的光112在微谐振器110内传播。波导104外的耦合和微腔内光112的强度均在微谐振器110的一个或多个谐振频率处达到最大程度。
光源102可以是任何适合类型的光源。为了提高效率和灵敏度，有利的是，将光源产生的光有效地耦合进波导104，例如，该光源可以是诸如激光二极管之类的激光器，或者为发光二极管。通常有利的是，光源产生狭窄的可调谐光谱，使得可以扫描波长以探查微腔的谐振。光源102产生期望的波长或波长范围的光108。例如，在传感器中使用微谐振器的情况下，光源102产生与所感测物质相互作用的波长的光。所感测物质通常靠近微谐振器110的表面放置，以使得在谐振器内传播的光与所感测物质相互作用。光源102还可以包括灯，以及用于将灯发出的光耦合进波导104的适当光学元件。
用作传感器的微腔-波导系统的具体实施方式
将微腔-波导系统用作传感器有多种方法。方法的选择取决于多种考虑，包括待测被分析物的化学性质、可用的检测时间、样本制备技术等。
在一种方法中，检测基于对微谐振器110传播到检测器106的光108的强度或波长的监测。该方法基于这样的事实：当被分析物的分子与谐振器表面相接触并且因此进入波导模型的渐逝场时，它们能够改变该模式的有效折射率，并且因此改变其等效路径长度。这会导致谐振器谐振频率的变化。通过扫描输入波长并监测所得的强度分布，或者通过保持输入波长固定不变(但在谐振频率附近)并且检测到达检测器106的光的强度变化，能够检测到谐振频率的变化。这种方法具有“无标记”的有益效果，当被分析物紧靠谐振器时，不需要为促使信号变化而将标签剂附着在被分析物上。
在一种替代方法中，当装置100用作荧光传感器时，在微谐振器110内传播的光被靠近微谐振器表面的荧光分子(例如，荧光染料)吸收。该染料与被分析物有关，用作指示被分析物存在的标记。在更具体的实例中，可以使微谐振器的表面具有一定功能，从而带有所需被分析物抗原的特定抗体。在样本制备步骤中，与荧光染料共轭的被分析物抗原分子被引入传感器装置100。抗原分子与微谐振器110上的抗体分子结合，因而保持荧光染料分子充分地靠近微谐振器110，使得在微谐振器110内传播的光短暂地耦合到荧光分子。被吸收的光激发荧光分子，并且随后这些分子发出波长不同于激发波长的荧光。通过检测荧光可以确认被分析物抗原的存在。
在另一个荧光传感器实例中，被分析物抗原分子不与荧光染料共轭，但被允许与连接到微谐振器表面的抗体结合。随后，更多抗体(与荧光分子共轭)被引入传感器，并且与抗原结合。同样，通过与微谐振器110内传播的光的短暂相互作用激发荧光分子，并且对后续荧光的检测可以用于确定被分析物存在抗原和有丰富的抗原。
光源102可以将光引入多个不同的波导中，波导104就是其中一个实例。根据本发明，金属包覆波导用于将光耦合进微谐振器。在一个实施例中，图1A-图1C所示的波导104为金属包覆波导。更有可能的情况是，整个波导104均不是金属包覆波导。相反，介电包覆波导能够耦合到与微谐振器光耦合的点附近的金属包覆波导。波导104的其余部分可以是任何适当类型的波导，并且可以是(例如)在基底中或基底上形成的平面波导或通道波导，例如，在石英基底中形成的波导。波导104还可以是光纤。
检测器单元106包括用于检测光的光检测器，例如，光电二极管或光电倍增管。检测器单元106还可以包括对波长敏感的装置，该装置用于选择达到光检测器的光的波长。该波长选择装置可以是(例如)滤波器或光度计。该波长选择装置可以是可调谐式，以使得使用者可以主动改变入射到光检测器上的光的波长。
可以将微谐振器110设置为直接接触或非常靠近波导104，以使得光108沿波导104传播的部分短暂地耦合进微谐振器110。
图1B示意性地示出了另一类微谐振器装置150。在该装置150中，来自微谐振器110的光158被耦合进第二波导154，并且传播至检测器106。
图1C示意性地示出了另一类微谐振器装置170。在该装置170中，第二检测器172被设置在微谐振器110附近，用以检测来自微谐振器110的光。第二检测器172检测到的光并不是通过波导到达第二检测器172，而是经由辐射模式穿过周围介质(例如，被感测的液体被分析物)。被第二检测器172检测到的、来自微谐振器110的光可以(例如)被散射出微谐振器110，或者还可以是由微谐振器110内传播的光激励微谐振器表面附近的荧光物质所引发的荧光。第二检测器172可以检测来自微谐振器110的所有波长的光，或者(例如)通过使用放置在第二检测器172和微谐振器110之间的波长选择元件174，可以检测具体波长范围内的光。波长选择元件174可以是(例如)这样的滤波器：该滤波器剔除在微谐振器110内谐振的激发波长的光并且透射荧光波长的光。第二检测器172还可以用于与图1B所示构造类似的构造。将图1A-图1C的这些微谐振器装置描述为：为本发明的微谐振器-波导耦合结构的具体实施方式提供环境。
将金属包覆波导耦合到微谐振器的构造实例
对如何能够将金属包覆波导耦合到微谐振器，使所得的微谐振器结构具有可接受的光学损耗量，并且与其他许多波导类型相比制造工艺更为简单，具有许多不同的实例。
此类耦合的一个实例如图3和图4所示，其中微球-波导结构300包括垂直耦合到金属包覆光波导308的微球谐振器304。图4为沿图3中直线4-4的横截面图。注意，由于波导宽度通常比微球直径小得多，所以图3和图4未按比例绘制，而是为了叙述球体和波导结构的详细情况，尺寸已非原形。图5-图12也未按比例绘制，因为在那些实例中，波导宽度通常也比谐振器尺寸小得多。金属包覆波导308被构造在基底310上，在该实例中，该基底为硅晶片。首先，(例如)二氧化硅介电包覆层312在硅晶片310上生成。然后，形成金属层316，之后是介电芯层320的生成。金属层316被选择用作反射界面，用以阻止光渗入基底。在一个实施例中，芯层为二氧化硅。芯320被部分蚀刻，以形成芯脊324。介电芯层320的折射率比介电包覆层312的折射率高。该芯的外表面限定了边界，并且金属层316位于该芯的一个边界的至少一部分上。在图3-图4所示的实施例中，金属层位于芯320如图3-图4所示取向的底侧的一部分上。
在上述构造的一种变型中，如果金属包覆层沿波导的整个长度上存在，则可以省略介电包覆层。在这种情况下，可直接将金属沉积在硅晶片310上。
在一个实施例中，金属层为厚度为150至300纳米的金。在一个实施例中，芯脊的宽度为约4.6μm。芯层的厚度可以从1微米至5微米各不相同。芯层厚度的不同将实现不同的耦合效率，这将在下文描述仿真和实验结果时得到论证。
图4为图3所示实施例沿图3中的直线4-4截取的横截面图。图4示出了金属包覆层316仅仅在微谐振器304下面存在这一情况。因为与介电包覆层相比，使用金属包覆层会增大光学损耗，所以在该实施例中，金属包覆层316仅仅在微谐振器附近存在。例如，在图3-图4所示的实施例中，金属包覆层在传播方向上的长度为约300微米，微球304的直径为300微米。金属包覆层316相对于微球304被置于居中位置。在一些实施例中，该金属包覆层的宽度(图4中的w)范围为微球直径的0.1倍至整个波导的长度。
图3-图4所示的通道波导结构308是使用半导体制造技术在平面基底上整体制成的。然后将微球悬在通道表面的上面，用以在球体和波导之间发生垂直方向光耦合处形成混合构造。该方法能够保持玻璃微球的高Q因子，但是没有解决如何精确控制微球与波导之间的耦合这一问题。(已公布的美国专利申请No.2005/0077513已经提出了控制微球与通道波导之间的耦合方法。)
上述与将微谐振器耦合到波导相关的一些问题能够通过这样的方式解决：放弃基于微球谐振器的混合系统，而使用耦合波导和谐振腔均由平面加工制造而成的完全集成系统。在这种情况下，波导和谐振器的定位精确性和稳定性问题能够得以解决。然而，由于波导场投射到波导通道外的距离很小(约100至300纳米)，仍然难以控制耦合。该“渐逝”场的量值很小的原因在于，需要很高的折射率差值才能在很小的谐振器内实现低损耗。渐逝场的量值很小的结果是，要使波导与谐振器之间形成良好的耦合，就必须在它们之间制造非常狭窄(宽度通常小于1微米)的间隙。此类狭窄间隙的精确和可重复制造十分困难，尤其是因为波导层通常为数微米厚。
现在将描述整体制造整个微谐振器-波导结构的实例。当谐振腔为圆盘或环形，或者为基于单模式通道或多模式平面波导(而非球体)的其他谐振腔时，这是可能的，因此可以在相同的平面基底上制造微谐振器与波导。这种整体的方法通常在玻璃、聚合物或半导体波导中实现，能够使波导与谐振器之间的耦合具有优良的稳定性。然而，用于制造微谐振器的蚀刻工艺总是要引入表面粗糙度，表面粗糙度差会导致散射损耗，从而降低腔体的Q因子。使用这种方法形成的腔体的Q因子值通常为数千。
图5示出了微谐振器-波导耦合系统500的实施例，该系统包括垂直耦合到金属包覆光波导508的圆盘微谐振器或环形微谐振器504。波导508被构造在基底510上，在该实施例中，该基底为硅晶片。首先，(例如)二氧化硅介电包覆层512在基底510上生成。然后，沉积和蚀刻金属层516，用以在期望的谐振器耦合区域中形成局部的金属包覆区。接着，沉积总线波导的介电芯层520，并使其图案化。随后，波导芯被埋在介电包覆材料512的更多部分的下面，并且可选地使其做成平面。最后，沉积谐振腔504折射率更高的芯层，并使其图案化。芯层520的外表面限定了芯的边界。金属层516位于芯层边界的至少一部分上，在这种情况下，芯520在图5所示取向的底侧。金属层516用作高反射包覆，能够防止光渗入基底，并且迫使总线波导中的光学模型朝微谐振器向上，以提高耦合强度。在一个实施例中，芯层还可以是二氧化硅，其中加入了掺杂物以提高其折射率。与介电包覆层512的折射率相比，总线波导芯层520和谐振腔层504的折射率更高。
图5所示的实例具有垂直耦合到波导的微谐振器。还可能具有横向耦合关系，如图6中微谐振器-波导结构600所示。将被形成为环形或圆盘的微谐振器604耦合到金属包覆波导608。波导608在基底610上生成，包括介电包覆层612和总线波导芯620。金属包覆层616被设置在总线波导芯620与微谐振器604相对的侧面622上。金属包覆层616还被设置在介电包覆层612与总线波导芯620紧邻的顶部。在微谐振器604与总线波导芯620之间存在间隙624。位于芯的侧面622上的金属包覆层616用于将波导模型向谐振器推动以增强耦合。
图7示出了与图6几乎相同的微谐振器-波导耦合结构700，不同的是，附加的金属包覆部分702直接在微谐振器芯704下面存在。在这种构造中，谐振器中的光学模式被推向谐振器的顶部，使得顶部表面的电场更强，从而增加微谐振器的表面灵敏度。注意，由于金属包覆与谐振器相接触，所以该结构可能会导致比其他实施例更大的光学损耗，但是该结构可以用于这样的情况：实现极高的Q值并不特别重要或者甚至是不期望有的(例如，荧光基传感器的情况)。图6和图7中相同的参考数字表示相同的元件。
图8示出了与图6所示结构600有着很多相似之处的微谐振器-波导结构800。将被形成为环形或圆盘的微谐振器804横向耦合到金属包覆波导808。金属包覆波导808在基底810上生成，包括介电包覆层812和总线波导芯820。金属包覆层816被设置在总线波导芯820与微谐振器804相对的侧面822上。在微谐振器804与总线波导芯820之间存在间隙824。图6中未出现而在图8中示出的部件是与金属包覆层816相邻的增强结构828。增强结构828用于加强和支承总线波导芯820和金属层816，从而提高可靠性。在一个实例中，增强结构828具有与波导芯820相同的材料。
图9还示出了微谐振器-波导结构900，该结构包括横向耦合到金属包覆波导908的、被形成为环形或圆盘的微谐振器904。波导908在基底910上制造，包括介电包覆层912和总线波导芯920。金属包覆层916被设置在总线波导芯920与微谐振器904相对的侧面922上，并且也被设置在介电包覆层912紧邻总线波导芯920的顶部。波导908还包括被金属包覆层916三面围绕的增强结构928。增强结构928用于加强和支承总线波导芯920，从而提高可靠性。在一个实例中，增强结构928为能提供比金属层机械强度更高的介电材料。另外，材料与波导芯相同的部分930与金属包覆层916相邻，以提供附加的机械稳定性，从而提高可靠性。
图10示出了与图9所示结构900几乎相同的微谐振器-波导结构1000，该结构将圆盘微谐振器或环形微谐振器1004与波导1008横向耦合。然而，介电填充材料1028不仅与金属包覆层1016相邻，而且位于结构1000的整个顶部表面上，并且位于总线波导芯1020和微谐振器1004之间的间隙1024中。波导1008在基底1010上制造，包括下介电包覆层1012。波导1008包括波导芯材料部分1030，用于为波导和金属结构提供附加的稳定性。介电填充结构1028为以机械方式增强微谐振器、波导芯1020和金属包覆1016结构提供了成本相对较低的技术。另外，由于填充材料1028的折射率高于空气的折射率，所以会减小波导内的光学约束，并且会增强谐振器与波导之间的耦合。为了使微谐振器-波导结构1000可以用作传感器，介电填充材料1028可渗透到液体或气体中，以使得被分析物可以通过介电填充材料1008移动到微谐振器1004。在另一种方法中，填充材料被设计为具有适合的折射率和厚度，以使得谐振器的场穿透其顶部表面，从而可用于耦合到位于填充材料1028顶部表面的被分析物。
图11示出了微谐振器-波导结构1100，其中1102、1103、1104这三个微球谐振器以混合的方式耦合到单个通道波导1108。结构1100包括基底1110、介电包覆层1112和波导芯1120。单独的金属包覆层部分1116被设置在波导芯1120一部分的下面和1102、1103、1104这三个微谐振器的下面。在一些情况下，在金属层的边界上，预期反射可能会妨碍期望的谐振器操作，因此希望将这三个微谐振器组合在一个金属包覆层上，从而消除多重反射的存在。当然，可以以这种方式将任何数量的谐振器耦合到同一个金属包覆芯。
图12示出了微谐振器-波导结构1200，其中波导芯1220下面的金属包覆层1216使得光场被推入谐振器侧面的上包覆层1228，从而改善耦合。结构1200包括横向耦合到波导1208的圆盘微谐振器或环形微谐振器1204。与在波导芯侧面上具有金属包覆的结构相比，在波导芯下面具有金属包覆层1216的结构更易于制造。
在图12中，介电填充材料1228作为结构1200的顶部表面存在，并且在总线波导芯1220与微谐振器1204之间存在间隙1224。波导1208在基底1210上制造，包括下介电包覆层1212。介电填充结构1228为以机械方式增强微谐振器和波导芯1220提供了成本相对较低的技术。另外，由于填充材料1228的折射率高于空气的折射率，所以会减小波导内的光学约束，并且会增强谐振器与波导之间的耦合。为了使微谐振器-波导结构1200可以用作传感器，介电填充材料1228可渗透到液体或气体中，以使得被分析物可以通过介电填充材料1228移动到微谐振器1204上。在另一种方法中，填充材料被设计为具有适合的折射率和厚度，以使得谐振器的光场穿透其顶部表面，从而可用于耦合到被分析物。
微谐振器的特征
微谐振器的直径通常为10μm至5毫米，但是更常见的是10μm至500μm。微谐振器可以是环形谐振器、球形谐振器、超环面谐振器、圆盘谐振器、跑道形谐振器、矩形谐振器、多边形谐振器或法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔谐振器。微球谐振器的直径通常为300μm，而由平面制造技术制成的谐振器则可以小得多。
在一些实施例中，微谐振器的表面被改性以获得更高的表面灵敏度。例如，共同拥有的美国专利公开No.2005/0078731描述了用于增加此类材料量的多孔微球谐振器：该材料能被引入具有回音壁模式的微谐振器的表面。
一般波导特征
波导通常为锥形，以增加波导外的光场强度，从而增加耦合进微谐振器的光量。在光纤波导的情况下，光纤可以被加热并且可以拉制为锥形，或者可以由化学方法蚀刻的总厚度为约1至5μm。同样，对平面波导或通道波导，波导芯的厚度或宽度可以在光耦合到微谐振器的区域内减小。除了波导尺寸减小之外，波导周围的包覆厚度还可以减小。
难以实现微谐振器与波导锥之间稳定的相对位置。建立微谐振器与波导的相对稳定位置的多种方法在共同拥有并且共同未决的美国专利公开申请No.2005/0077513中有更为详细的讨论。
对包括芯脊的波导，有许多选择用于相对于芯脊设置金属包覆层。在一个实施例中，金属涂层位于芯脊下面。在另一个实施例中，金属包覆层位于芯脊的至少一部分的下面。在另一个实施例中，金属包覆层位于芯脊侧面的至少一部分上。
在一个实施例中，波导芯包括以下材料中的一种或多种材料：二氧化硅、硅、氮化硅、氮氧化硅、二氧化钛、氧化锆、III-V族化合物半导体、II-VI族化合物半导体和聚合物。二氧化硅材料可以具有掺杂物，例如，二氧化硅中的锗、磷或钛。
金属层可以是在装置中工作的光学频率范围内用作良好反射器的金属。也就是说，其折射率的虚部应该很大，通常大于5。然而，为了进一步实现较低的传播损耗，高量级的折射率虚部对折射率实部比值是可取的，该比值一般使k/n大于5。
表I提供了多种金属在633纳米或/和1550纳米波长测得的光学常数n和k。表I还示出了一些金属的k/n比值。另外，表I示出了每种金属在1550纳米的表层深度。表层深度的计算如下：
金属的光学常数测量值可以随具体的材料样本、测量技术和其他因素的不同而变，知道这一点很重要。因此，表I中的值可能不同于从其他来源得到的光学常数值。
表I.可能有益于波导包覆的一些金属的光学常数
 
波长(纳米) 633 633 633 1550 1500 1500 1550
金属 n k k/n n k k/n 表层深度(纳米)
铝 1.4 7.7 5.5 1.44 16 11.1 26
钴 4.5 5.8 1.29 24
铜 0.21 3.7 18 0.61 8.3 13.6 55
金 0.17 3.2 19 0.56 11.5 20.5 49
铟 2.3 11.3 4.91 24
铱 2.53 4.6 1.8 3.14 8.61 2.74 24
铁 4.1 5.6 1.37 26
铅 1.67 8.24 4.93 33
镁 0.48 3.7 7.7 2.04 8.6 4.22 30
钼 3.71 3.6 1 1.64 7.75 4.73 35
镍 1.98 3.7 1.9 3.38 6.82 2.02 26
铌 2.52 2.5 1 2.3 6.6 2.87 32
锇 3.88 1.7 0.4 2.00 5.95 2.98 36
铂 2.3 4.1 1.8 5.44 7.08 1.3 20
铼 3.41 3.1 0.9 4.37 8.3 1.9 21
铑 2.12 5.5 2.6 3.63 10.3 2.84 20
银 0.14 4.2 30 0.51 10.8 21.2 53
钠 0.03 2.6 87 0.45 9 20 62
锶 0.61 2.1 3.4 2 6.7 3.35 34
钽 2.13 2.9 1.4 1.85 6.1 3.3 37
钒 2 5.4 2.7 38
镱 0.78 3.3 4.2 1.63 6.1 3.74 39
锌 3.25 4.3 1.3 1.47 6.97 4.74 39
用于包覆层的可接受金属包括铝、金、铟、银、铑、钠、铱、镁、铜、铼、铅、钼、铂、锌、镍、锶、铌、钽、镱、锇、钴、铁、钒以及这些元素的合金。金、银、铝、铜及其合金尤其适用于波长为1550纳米的金属包覆层，这是因为基于这些材料的波导具有较低的损耗。
选择这些金属来平衡场增强的有益效果和光学损耗。由增加金属包覆导致的微谐振器装置总光学损耗取决于在波导上涂覆金属(以用于耦合)区域的长度，该长度继而取决于谐振器的尺寸。在许多实施例中，耦合区域的长度为10微米至100微米。选择最长的值100微米来评估最小的衰减/毫米，将“低损耗”定义为小于10分贝/毫米是合理的。从本质上看，如果100分贝/毫米的损耗是可接受的(对应于每10微米长度1分贝)，那么本文列出的任何金属都能工作。在某种程度上，低损耗和可接受损耗的定义是任意的，这是因为允许的损耗量取决于可用功率、信号强度、噪声源和其他因素的系统级问题。
当然，场增强和衰减与波长相关，
因此选择金属将取决于工作波长。在计算的基础上，出现了以下趋势：
1)当对于工作波长，k>5时，可以实现大多数场增强。当k降至2时，存在一定的有益效果，但是最佳性能要求k>5。
2)当k/n>5时，预测损耗将小于10分贝/毫米。
可以将这些原则应用于所关注的常用波长：1550纳米和633纳米。对1550纳米的工作波长，能提供良好的场增强的金属如下：铝、金、铟、银、铑、钠、铱、镁、铜、铼、铅、钼、铂、锌、镍、锶、铌、钽、镱、锇、钴、铁和钒。为了使损耗<10分贝/毫米，这些金属变为：金、银、铝、钠和铜。显然，由于化学原因，钠不易于使用。对633纳米的工作波长，可提供良好场增强的金属为铝和铑。在这两种金属中，只有铝还能提供小于10分贝/毫米的损耗。
在一些实施例中，使金属包覆层图案化。在一些实施例中，使介电包覆层图案化。金属层的所需厚度取决于电场渗入金属的深度，该深度由表层深度(电场的1/e衰减长度)描述。为了在金属包覆波导(其目的在于增强耦合)中实现性能优化，金属应足够厚，以使得在该金属与芯相对的侧面上没有显著的电场渗透。对1550纳米工作波长，典型金属的表层深度在20至50纳米之间。为了将光学模式限制在金属的一个侧面，超过表层深度的约两倍的厚度是可取的。因此，适合的最小厚度在40到100纳米之间，具体取决于金属的性质。然而应注意，除了超过最小厚度以外，不要求控制金属的精确厚度。当金属厚度为至少大于工作波长的表层深度的两倍时，结果是小于2％的光学功率存在于金属与芯相对的错误侧面上。
在一些实施例中，传统波导和金属包覆波导之间的基底上存在分级过渡。在一个实例中，金属包覆波导为在锥形的一个侧面上带有金属包覆层的光纤锥。
将通道波导耦合到微谐振器的组装方法
如前文所述，将金属包覆通道波导耦合到微谐振器的组装方法主要有两类：混合的和整体的。在这两种方法中，均提供第一基底(在其上制造波导)，其中波导包括芯和在一个侧面的至少一部分上的金属包覆层。然后设置微谐振器使其与波导具有光耦合关系。制造波导和谐振器有两种选择：将它们制成整体集成的光路，或将它们分别制造然后组装为混合光路。
抗谐振反射光波导(ARROW)结构上的金属包覆波导的优点
未发现非纤维波导(例如，集成的光学通道波导)与微球谐振器一起广泛使用，这是因为难以使波导外的可用光场足够大，因而难以使光充足地耦合进微球。与微球一起使用的通道波导结构的一个实例被称为ARROW。更具体的一类ARROW为带状基底抗谐振反射光波导(SPARROW)。ARROW结构通过高折射率材料层和低折射率材料层(例如，Si和SiO2，这些材料层的厚度被确定为垂直方向导向波长的四分之一)交替层叠构成的高反射率堆叠将波导芯与基底光学隔离。描述ARROW结构的早期文献为杜高依(Duguay)等人的美国专利No.4,715,672。塔帕利安(Tapalian)等人的美国专利No.6,657,731描述了如何将SPARROW波导用于将光耦合进化学传感器中的微谐振器。ARROW结构的缺点在于，其包括的多层在制造时需要进行厚度控制，因此制造非常耗时并且很复杂。
与ARROW结构相比，金属包覆波导的制造非常简单。根据本发明，仅仅使用单层金属即可，而不需要生成高折射率和低折射率材料交替层叠的多层。另外，ARROW结构要求完全精确地控制反射器层的厚度，而本发明的金属包覆层仅需要比特定最小值更厚即可，而不会对结构的性能造成不利影响。
在传统波导和ARROW之间进行分级的片上过渡非常困难。然而，由于金属层的厚度较薄，更容易在传统波导和金属包覆波导之间进行分级的片上过渡。与在脊波导的侧面上沉积多层反射器相比，在脊波导的侧面上涂敷金属涂层更为容易，从而有利于增强横向耦合，如图6-图10所示。
建模和实验结果
进行了一系列建模实验来确定金属包覆波导的典型特性。为此，使用了解析方法和商购的光束传播法(BPM)软件求解多种金属包覆波导结构的有效模式折射率、场振幅和传播损耗。具体地讲，将可得自阿尔软件设计集团有效公司(纽约州奥思宁)(RSoft Design Group，Inc.(Ossining，New York))的BeamPROPTM软件用作光束传播法软件。
建模实验的一个目的是确定在芯设置有谐振器的侧面以外的波导电场振幅部分。据信该值很重要，因为其与波导模式和谐振器模式之间的耦合强度有关。相对场增强被定义为具体构造的该振幅积分对参考构造的该振幅积分的比值。
4解析方法用于通过研究金属包覆平板波导结构的特性来寻找总体趋势(参见卡米诺等人在《应用光学》1974年第13卷第396页发表的“金属包覆波导：分析和实验研究”(Kaminow et al，Metal-CladOptical Waveguides：Analytical and Experimental Study，Applied Optics v13，p396(1974))。该结构由三层组成：厚度为无穷大的金属层；厚度为1微米、折射率为1.5的芯层；以及厚度为无穷大、折射率为1.33的顶部介电包覆层。参考构造与其相似，不同之处在于用折射率为1.45的层代替金属层。图13A-图13C和图14A-图14C示出了波长为633纳米和1550纳米的顶部包覆层的相对场增强以及计算得到的衰减。
图13A示出了波长为633纳米时时对应于金属的折射率实部的六个不同值，顶部包覆层的相对场增强与金属折射率虚部的对应关系。
图13B和图13C示出了波长为633纳米时对应于金属的折射率实部的六个不同值，TE0偏振光的衰减(单位为分贝/毫米)与金属折射率虚部的对应关系。图13C示出了与图13B相同的数据，但是为两个轴均使用了更精细的刻度。
图14A示出了波长为1550纳米时对应于金属的折射率实部的六个不同值，顶部包覆层的相对场增强与金属折射率虚部的对应关系。图14B和图14C示出了波长为1550纳米时对应于金属的折射率实部的六个不同值，TE0偏振光的衰减(单位为分贝/毫米)与金属折射率虚部的对应关系。图14C示出了与图14B相同的数据，但是为两个轴均使用了更精细的刻度。
使用光束传播软件实现了数值建模，用以评估金属包覆在现实通道波导构造(与易于进行解析分析的平板波导构造相反)中的有益效果。图15示出了进行数值建模的通道波导构造1500。
该通道波导结构包括芯1502，该芯的宽度和高度分别为1.5微米和2微米，折射率为1.53。金属层1504的起始折射率和厚度分别为0.56+i11.5和200纳米。从该起始点开始，改变金属的厚度和折射率虚部以寻找依赖关系。芯1502位于折射率为1.45的二氧化硅基底1510上。上包覆层1508为折射率为1.33的水。在右侧包覆区域1506测量相对场增强。对所有情况，波长均为1550纳米。用于相对场增强计算的参考构造是未使用金属的实例。因此，对于参考构造，对应于其他模式中金属区域部分的折射率为1.33。
使用图15所示金属包覆结构的目的在于，与参考构造相比增加位于芯右侧的水包覆区域的电场量。
图16示出了图15所示通道波导结构实例的实传播常数和虚传播常数与金层厚度的依赖关系。图17示出了图15所示通道波导结构实例的右侧包覆区域的相对场增强与变化的金层厚度的关系。
图16和图17论证了对图15所示的结构实例，可以使用相对较薄的金属层。例如，在一个实施例中，金属层的厚度大于20纳米。在另一个实施例中，金属层的厚度大于40纳米。在另一个实施例中，金属包覆层的厚度大于50纳米。对另一个实施例，金属包覆层的厚度大于80纳米。对厚度大于50纳米的金属包覆层，该结构可以避免穿过金属包覆时发生模式损耗和模式泄漏(在较薄的金属层中可能发生)。对给定结构所需的实际金属厚度取决于波导类型、几何形状和层折射率，并且还取决于使用的金属和工作波长。
图18示出了在改变金属的折射率虚部的同时将折射率实部保持为0.56的情况下，图15所示结构实例的传播损耗。对折射率实部为0.5的情况，图18的结果与图14B所示分析模型的结果非常一致。
进行实验确定耦合到金属包覆波导的微谐振器的Q因子观察值。质量因子观察值的定义为
Qobs＝2πυ0τ，
其中υ0为谐振频率，1/τ为具体模式的。使用以下关系以实验方式确定该值：
Q obs = &lambda; 0 &Delta; &lambda; 0 ,
其中λ0和Δλ0分别为谐振波长和宽度的1/2。
同样，
1 Q obs = 1 Q int + 1 Q coup ,
其中Qint为谐振器的固有质量因子，Qcoup为因耦合到波导所产生的贡献。
通过波导透射的光的部分是可测量的，等于
P trans P inc = ( 1 - 2 Q obs Q coup ) 2
注意，满足以下条件时，从波导中提取出最大光强度：
Qcoup＝Qint
整理后得到
Q coup = 2 Q obs 1 &PlusMinus; P trans / P inc
以及
1 Q int = 1 Q obs - 1 Q coup
所测试的实例为图3和图4的实例，其中微球谐振器的直径为300微米，并且波导包括厚度为300纳米的金包覆层。在不同的实验中，波导的芯厚度不同。芯脊的宽度为4.6微米。实验的布置方式与图1A所示相似。在每个实验中，金包覆波导108均被设置为与微谐振器110接触，并且两者均浸入水中。可调谐的二极管激光器用作激光波长为980纳米的光源102。通过改变驱动激光器内的压电致动器的电压来调整激光器发射的光的波长。当该波长与微谐振器的一个或多个回音壁模式112谐振时，耦合进微谐振器的激光功率得到增加，从而导致检测器106处的功率下降。
图19将检测器处检测到的信号表示为激光器调谐的函数，其中波导芯的厚度为2.0微米。从这些结果可以估计，微谐振器的Q因子观察值为约7 x 106，并且耦合效率接近100％。微谐振器的固有Q因子计算所得值为1.4 x 107。
该结果确认了具有高Q因子的微谐振器可以有效地耦合到金属包覆波导这一结论。
在不同的实验中，芯的厚度为2.5微米。该微谐振器系统的Q因子为约3 x 106，耦合效率为78％。在进行的另一个实验中，芯的厚度为3微米。该微谐振器系统的Q因子为约1.5 x 106，耦合效率为约60％。在另一个实验中，芯的厚度为4微米。该微谐振器系统的Q因子为约5 x 106，耦合效率为30％。
在这些实验中，发现耦合到微球谐振器的金包覆波导中的光的衰减或损耗相当于ARROW结构波导的光的衰减或损耗。另外，发现金包覆波导仅透射TE偏振光。
上文已指出，本发明适用于微谐振器，并且据信对在传感应用中使用微谐振器的情况尤其有用。本发明不应该被认为是对上述具体实例的限制，而应理解为涵盖如所附权利要求书中公正展示的本发明的所有方面。在阅览本发明的说明书之后，适用于本发明的多种修改形式、等同工艺以及众多结构对本发明领域的技术人员是显而易见的。本发明的权利要求旨在涵盖这些修改形式和装置。
上述说明书提供了本发明的结构和使用的完整说明。由于本发明的多个实施例可在不脱离本发明的精神和范围的情况下实施，本发明由权利要求限定。

Claims (17)

1.一种光学微谐振器装置，包括：
光波导，其中所述波导包括芯和位于所述芯的一个边界的至少一部分上的金属包覆层；以及
光学微谐振器，设置该光学微谐振器以使其光耦合到所述波导。
2.根据权利要求1所述的微谐振器装置，其中所述光学微谐振器选自由球形谐振器、超环面谐振器、环形谐振器、圆盘谐振器、跑道形谐振器、矩形谐振器、多边形谐振器和法布里-珀罗腔谐振器组成的组。
3.根据权利要求1所述的微谐振器装置，其中光波导芯为设置在基底上的介电脊。
4.根据权利要求3所述的微谐振器装置，其中所述金属包覆层位于光波导芯脊的至少一部分的下面。
5.根据权利要求3所述的微谐振器装置，其中所述金属包覆层位于光波导芯脊与所述微谐振器的位置相对的边界的至少一部分上。
6.根据权利要求1所述的微谐振器装置，其中波导芯由二氧化硅构成。
7.根据权利要求1所述的微谐振器装置，其中波导芯选自由硅、氮化硅、氮氧化硅、二氧化钛、氧化锆、III-V族化合物半导体、II-VI族化合物半导体和聚合物组成的组。
8.根据权利要求1所述的微谐振器装置，其中所述金属包覆层选自由铝、金、铟、银、铑、钠、铱、镁、铜、铼、铅、钼、铂、锌、镍、锶、铌、钽、镱、锇、钴、铁、钒以及这些金属的合金组成的组。
9.根据权利要求1所述的微谐振器装置，其中所述金属包覆层选自由金、银、铝、铜及其合金组成的组。
10.根据权利要求1所述的微谐振器装置，其中所述金属包覆层的厚度超过所述金属在工作波长的表层深度的两倍。
11.根据权利要求1所述的微谐振器装置，还包括基底，所述波导和微谐振器均设置在所述基底上。
12.根据权利要求1所述的微谐振器装置，还包括在介电包覆波导与金属包覆波导之间的至少一种过渡。
13.根据权利要求1所述的微谐振器装置，其中所述金属包覆层仅沿着靠近所述谐振器的一部分芯而在波导芯上存在。
14.根据权利要求1所述的微谐振器装置，其中所述波导为包括光纤锥的光纤，其中所述锥的与所述谐振器相对的边界上具有所述金属包覆层。
15.根据权利要求11所述的微谐振器装置，其中所述波导横向耦合到所述微谐振器。
16.根据权利要求11所述的微谐振器装置，其中所述波导垂直耦合到所述微谐振器。
17.一种光学微谐振器装置，包括：
光波导，包括：
介电芯，其中所述芯包括脊，以及
金属包覆层，位于所述芯的一个边界的至少一部分上，其中所述金属包覆层的厚度超过所述金属在工作波长的表层深度的两倍；以及
光学微谐振器，设置该光学微谐振器以使其光耦合到所述波导；
其中所述金属包覆层位于光波导芯脊的第一侧面的至少一部分上，并且所述微谐振器被设置在所述芯脊的第二、相对侧面上；
其中所述金属包覆层仅沿着靠近所述谐振器的一部分芯而在波导芯上存在。
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