[发明专利]光学传感装置

说明书

共同未决的专利申请的引用

本专利申请与标题为“OPTICAL SENSING METHODS(光学传感方法)”、专利申请号为11/565,955、代理人案卷号为62358US002、同样提交于2006年12月1日的共同转让的专利申请有关，该专利申请全文以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明整体涉及光学装置，并且更具体地讲，涉及使用微谐振器的光学传感器。

背景技术

对于生物、化学与气体物种的检测而言，光学传感成为越来越重要的技术。光学传感可以提供快速和敏感的优点。近年来，已经开发出多种制造非常灵敏的光学装置的新型光子结构和材料。

一种用于被分析物检测的光学传感方法采用了集成的光学波导。此类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种。但是，为了获得用于多种分析应用的足够的光学信号变化，集成的光学波导化学分析可能需要大型传感装置(通常为若干厘米长)。

表面等离子共振(SPR)也已经用于制造光学传感器。SPR技术已经商业化，而且已成为描述和量化生物分子相互作用的必需工具。但此类量度系统可能会有很大的体积。

目前正针对生化、化学和气体传感应用对光学微谐振器进行深入的调查研究。光学微谐振器是可具有高品质因数(Q因素)的非常小的装置，其中Q因素通常是指谐振波长与谐振线宽的比率。例如，用玻璃球体制成的微谐振器可以用来制造非常灵敏的光学传感器，因为微球谐振器中捕集的光多次循环，从而制备出具有高Q因素(＞10⁶)的装置，其可以有效增强微球表面上被分析物与在谐振器中循环的光之间的光学相互作用。在光学微谐振式传感器中，主波导(bus waveguide)用于激发位于微谐振器表面附近的导向光学模式。谐振光学模式的一个实例为回音壁模式。将被分析物设置在微球模式的渐逝场内。通过谐振频率的偏移来检测传感器的折射率变化。可使用连接至检测器的第二主波导从微谐振器中提取偏移的光谱。

已对多种类型的光学微谐振器展开了以制备光学传感器为目的的研究，但微球、微环和微盘受到了最多的关注。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。其相对于波导的位置可以用诸如干/湿蚀刻和层沉积之类的制造工艺进行调整。然而，至少部分地由于表面粗糙度和材料吸收，这些谐振器的Q因素通常低于10⁴。

在用微球传感的传统方法中，被分析物与球体表面的粘合导致球体有效折射率发生小的变化。这导致谐振光谱峰波长位置发生小的偏移。这些偏移通常在皮米范围内。为了检测此类小偏移，需要用昂贵的设备进行光谱分析。此外，微谐振器必须设计为提供非常窄的线宽，以使得能够检测小的峰偏移。这需要高精密度(自由光谱范围除以线宽)，或等效的高品质因数(工作波长除以线宽)的微谐振器。为了检测小的频率偏移，这转化为对微谐振器中的低损耗波导以及微谐振器与主波导之间弱耦合的需要。

存在对使用微谐振器的改善的光学传感系统的需求。

发明内容

总地来讲，本发明涉及光学系统。本发明也涉及包括一个或多个微谐振器的光学传感器。

在一个实施例中，光学传感系统包括第一和第二主波导。第一主波导包括与光源光学连通的输入口。第二主波导包括第二分光口。系统还包括光学耦合到第一和第二主波导的微谐振器，和被配置用于改变光学散射中心与微谐振器之间的光学耦合强度的光学散射中心。此外，系统还包括与第二分光口光学连通的检测器。光学传感系统被配置成，使得在不存在光学耦合到微谐振器上的散射中心的情况下，射在输入口处的光耦合到微谐振器的第一导向光学模式，而第一导向光学模式基本不耦合到第二分光口。

在另一个实施例中，光学传感系统包括一个或多个主波导，例如第一主波导。第一主波导包括与光源光学连通的输入口。系统还包括光学耦合到一个或多个主波导上的微谐振器和与输入口光学连通的检测器。