(57)【要約】  微小球共振器（３１２）および平面微小共振器（６１２）などの微小共振器が、光の入力および出力のための導波路（３０４、６０４）に光学的に結合される。高いキャビティＱを維持し、かつ光ビームの発射および抽出を容易にしながら、前記微小共振器と前記導波路との相対的位置が安定に維持されることが重要である。構造（３０８、６０８）が、前記導波路に対する前記微小共振器の位置を維持するために有用である基材上に設けられる。前記構造が、前記導波路と前記微小共振器との間の垂直または水平結合を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの自己整列特徴を表面の上に有する第１の基材と、
前記第１の基材に対して配置された第１の導波路と、
前記第１の導波路に光学的に結合するために前記自己整列特徴によって前記基材上に位置づけられた微小共振器と、を含む微小共振器デバイス。
【請求項２】
前記自己整列特徴が、前記第１の基材の前記表面の上の受容キャビティである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記自己整列特徴が前記第１の基材上のスロットであり、前記微小共振器が前記スロットに沿って所定の位置に位置づけられる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第１の導波路が前記スロット内に位置づけられる、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記微小共振器がスロット縁と接触し、前記スロット縁が前記第１の導波路と平行ではない、請求項３に記載のデバイス。
【請求項６】
前記微小共振器がスロット縁と接触し、前記スロット縁が前記第１の導波路と平行である、請求項３に記載のデバイス。
【請求項７】
前記スロットが、第１の縁と、前記第１の導波路に前記第１の縁より近い第２の縁とを有し、前記微小共振器が、前記スロットの前記第１の縁および前記第１の導波路によって整列される、請求項３に記載のデバイス。
【請求項８】
前記スロットが、第１の縁と、前記第１の導波路に前記第１の縁より近い第２の縁とを有し、前記微小共振器が、前記スロットの前記第１の縁および前記スロットの前記第２の縁によって整列される、請求項３に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第１の導波路が前記基材上に配置され、前記第１の導波路が、前記導波路の結合領域において前記基材によって支持されていない、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第１の導波路と前記微小共振器との間の光結合の方向が、前記第１の基材の前記表面に平行である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第１の導波路と前記微小共振器との間の光結合の方向が前記第１の基材の前記表面に垂直である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記第１の導波路が、光ファイバー、テーパー状光ファイバー、平面導波路およびチャネル導波路の１つである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記微小共振器を前記自己整列特徴に保持するように配置された接着材料をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記微小共振器を前記自己整列特徴に対して所望の位置に保持するように配置された少なくとも１つの保持部材をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
第２の基材と前記第２の基材に対して配置された第２の導波路とをさらに含み、前記第２の導波路が前記微小共振器に光学的に結合される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
光を発生する光源と、光を前記微小共振器から検出するために光学的に結合された光検出器とをさらに含み、前記光が前記第１の導波路に、および前記第１の導波路から前記微小共振器に結合される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記微小共振器が光学利得媒体をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記第１の基材に対して配置された第２の導波路をさらに含み、前記第２の導波路が前記第１の微小共振器に光学的に結合される、請求項１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、光デバイス、より詳しくは、微小共振器に基づいた光センサー、フィルターおよびマイクロレーザーなどの受動および能動光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電体微小共振器は、光電子およびバイオセンシングなどのセンシング用途においてますます注目を浴びている。微小共振器の一般的な構成の一つは、典型的に直径２０μｍ〜数ミリメートルのガラス微小球を必要とし、それは、加熱されてテーパーを付されているかまたは１〜５μｍの全厚さにエッチングされた光ファイバーなどの光導波路に十分に近接して置かれる。
【０００３】
ファイバーにテーパーを付ける改良によって、ファイバーの外側に実質的な光場強度があることになり、従って光が微小球に結合し、ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）としばしば称されるその固有モードを励起することができる。微小共振器が低損失材料で作製され、高い表面性質を有するとき、ＷＧＭにおいて伝播する光の伝播損失は非常に低いことがあり、Ｑ係数としても公知の非常に高い品質係数を得ることができる。１０9もの値が達成可能である。高いＱ係数のため、光は長時間、微小共振器の内部を循環することができ、従ってキャビティモードにおいての大きな場の増強、および長い有効な光路につながる。これは、このようなデバイスをリニア、非リニアおよび光学センシング用途に有用にする。
【０００４】
上述のファイバー−微小球の組合せを実現するのに実施上の難しさがある。最初に、ファイバーは、直径数ミクロンにテーパーを付されなければならない。これは一般に、比較的長い（数ｃｍ）、テーパーを付された脆い領域をもたらす。第二に、微小球とファイバーテーパーとの相対的位置は、光結合およびＱ係数が一定のままでなければならないならば、数ナノメートル以内に一定に保たれなければならない。これは、自由球および薄くしたファイバーについては難しい。
【０００５】
微小光共振器の他の形は、光共振キャビティとして球ではなくディスク、またはリングを使用しており、ディスクおよび導波路は同じ平面基材上に製造される。このモノリシック方法は典型的に、半導体導波路において実現され、導波路と微小共振器との間の結合のすぐれた安定性を提供する。しかしながら、ディスク微小共振器を製造するために用いられるエッチングプロセスは、常に表面粗さを導入し、キャビティのＱをひどく低下させる散乱損失をもたらす。この方法を用いて形成されたキャビティは典型的に、およそ数千のＱ係数値を有する。
【０００６】
別の方法は、平面基材上に製造されたチャネル導波路の表面の上にガラス微小球を吊り下げることであり、球と導波路との間の光結合が垂直方向に行なわれる。この方法は、ガラス微小球の高いＱ係数を保つが、微小球と導波路との間の結合をいかに精密に制御するかという問題を解決しない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
高いキャビティＱを維持し、かつ光ビームの発射および抽出を容易にしながら、平面または球形キャビティの場合、導波路に対してマイクロキャビティの位置の安定性を増加させる必要がある。本願明細書に記載された本発明の１つの特定の態様は、光を微小共振器に結合する、および微小共振器からの光と結合するために用いられた導波路に対して微小共振器の位置を維持するために有用である基材上の構造を提供することを目的としている。
【０００８】
本発明の特定の実施態様の１つは、少なくとも１つの自己整列特徴を表面の上に有する第１の基材と、前記第１の基材に対して配置された第１の導波路とを含む微小共振器デバイスを目的としている。微小共振器は、前記第１の導波路に光学的に結合するために自己整列特徴によって基材上に位置づけられる。
【０００９】
本発明の別の実施態様は、微小共振器光デバイスの作製方法を目的としている。前記方法は、少なくとも１つの自己整列特徴を第１の基材上に提供する工程と、第１の導波路を提供する工程とを有する。少なくとも１つの自己整列特徴を用いて微小共振器が位置づけられ、微小共振器は、前記第１の導波路と光学的に結合している。
【００１０】
本発明の上記の要旨は、各々説明された実施態様または本発明の全ての実施について記載することを意図するものではない。以下の図および詳細な説明は、これらの実施態様をより詳しく例示する。
【００１１】
本発明は、添付した図面と併せて、本発明の様々な実施態様の以下の詳細な説明を考慮してより完全に理解されよう。
【００１２】
本発明は様々な改良および別の形態が可能であるが、その詳細は図面において例示され、詳細に記載される。しかしながら、本発明は、記載された特定の実施態様に本発明を限定するものではないことは、理解されるはずである。一方、本発明は、本発明の精神および範囲内にある全ての改良、等価物、および代替物に及ぶものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、微小球および微小平面リングキャビティなどの微小共振器を使用する、センサー、フィルター、増幅器、および／またはマイクロレーザーなどの受動および能動光デバイスに適用可能である。本発明は、微小共振器と導波路との相対的位置が制御され、微小共振器のＱ係数が高い場合があり、光ビームの発射および受容が容易であるという点において、このようなデバイスの製造に特に有用であると考えられる。
【００１４】
微小共振器を用いる微小球導波路システム１００は、図１Ａにおいて図解される。光源１０２は、導波路１０４に沿って検出器ユニット１０６に光を誘導する。微小共振器１１０は、導波路１０４に光学的に結合される。光源１０２からの光１０８は導波路１０４中に発射され、検出器ユニット１０６に向かって伝播する。微小共振器１１０は、光１０８の一部を導波路１０４から外部にエバネッセント結合し、外部結合された光１１２は、微小共振器１１０の共振周波数の１つにおいて微小共振器１１０内に伝播する。
【００１５】
光源１０２は、いずれの適したタイプの光源であってもよい。効率および感度の増加のために、光源は、導波路１０４に効率的に結合される光を生じるのが有利であり、例えば光源は、レーザーダイオードなどのレーザーであってもよい。光源１０４は所望の波長の光１０８を発生する。例えば、微小共振器がセンサーにおいて用いられる場合、光源１０２は、検出される種と相互作用する波長の光を発生する。検出される種は典型的に微小共振器１１０の表面に近接して配置され、ＷＧＭにおいて伝播する光は、検出される種と相互作用する。別の実施例において、微小共振器１１０がマイクロレーザーとして用いられる場合、光源１０２は典型的に、微小共振器１１０中でドープされた励起性媒体を光学的にポンピングするために適した波長において作動する。
【００１６】
光源１０２は、光を多数の異なった導波路に誘導してもよく、導波路１０４はその１つである。導波路１０４は、いずれの適したタイプの導波路であってもよく、例えば、基材中または上に形成された平面導波路またはチャネル導波路、例えばシリカ基材中に形成された導波路であってもよい。導波路１０４はまた、光ファイバーであってもよい。
【００１７】
検出器ユニット１０６は、光を検出するための光検出器、例えばフォトダイオードまたはフォトトランジスタを備える。検出器ユニット１０６はまた、光検出器に達する光の波長を選択する波長感受性デバイスを備えてもよい。波長選択的デバイスは、例えば、フィルター、または分光計であってもよい。波長選択的デバイス、例えば分光計は、光検出器に入射する光の波長を使用者が能動的に変えることができるように調整可能であってもよい。
【００１８】
微小共振器１１０は、導波路１０４と物理的に接触して、または非常に接近して位置づけられてもよく、導波路１０４に沿って伝播する光１０６の一部が微小共振器１１０にエバネッセント結合される。導波路１０４は典型的に、微小共振器１１０が導波路１０４に結合する点においてクラッドをほとんどまたは全く有さず、微小共振器１１０は、導波路１０４のコアーに直接に結合する。
【００１９】
別のタイプの微小共振器デバイス１５０が図１Ｂに図解される。このデバイス１５０において、微小共振器１１０からの光１５８は、第２の導波路１５４に結合され、検出器１０６に伝播する。この構成において、検出器１０６だけが、微小共振器１１０から結合された光を検出する。
【００２０】
光は、いわゆる「ウィスパリングギャラリーモード」において微小共振器内に伝播し、その実施例が図２に図解される。ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）２０２において、光は、光源に戻るまで多数の内部全反射によって光源から微小共振器２１０の周りに伝播する。説明された実施態様において、ＷＧＭ２０２は、１回のラウンドトリップで８回の内部全反射を有する。異なった数の内部全反射に相応する他のＷＧＭにおいて光が微小共振器２１０内に伝播することができると理解されよう。
【００２１】
さらに、微小共振器２１０のＷＧＭは、波長がウィスパリングギャラリーモードのラウンドトリップ長の積分部分に等しい光のモードである。換言すると、ＷＧＭは、光が１ラウンドトリップ後に推定的に干渉するような波長である高いＱ係数を示すだけである。この共振条件は、
λm＝Ｌ／ｍ                                        （１）
として数学的に記述でき、上式中、λmがｍｔｈモードの波長であり、ＬがＷＧＭの１ラウンドトリップの光路長であり、ｍがモード数と称される整数である。共振条件（１）を満足する導波路１０４からの光は、微小共振器に効率的に結合される。
【００２２】
ＷＧＭピークの電界強度は、微小共振器２１０の内面においてピークに達する。ＷＧＭの電界強度は、
【数１】
2007508714.tif 000003
によって与えられた指数関数的減衰係数ｄによって、微小共振器２１０の外側で指数関数的に減衰し、そこにおいてλが真空中の光の波長であり、ｎが微小共振器２１０の外側の媒体の屈折率である。電界強度Ｅは、断面線ＡＡ’に沿ってＷＧＭ２０２について図２に図解される。
【００２３】
微小共振器は小さく、典型的に２０μｍ〜数ミリメートルの範囲の直径を有する。さらに、導波路はしばしば、テーパーを付されて導波路の外側の光場強度の強度を増加させ、従って微小共振器に結合する光の量を増加させる。光ファイバー導波路の場合、ファイバーが加熱され、テーパーを付されるかまたは約１〜５μｍの全厚さにエッチングされる。同様に、平面またはチャネル導波路については、導波路の厚さは、光が微小共振器に結合される領域において低減されてもよい。導波路の寸法が低減されることに加えて、導波路の周りのクラッドの厚さもまた、低減されてもよい。
【００２４】
これは、微小共振器センサーユニットを組み立てる時のいくつかの実施上の難しさにつながる。例えば、ファイバー導波路の場合、ファイバーは直径数ミクロンにテーパーを付され、典型的に長さ数ｃｍの比較的長いテーパーを付された領域をもたらし、それはまた脆性である。同じく、微小共振器と導波路との相対的位置は、導波路と微小共振器との間の一定の度合の光結合を維持するために、典型的に数ナノメートル以内に一定に保持されるのがよい。これは、自由微小球および薄くしたファイバー導波路については難しい。
【００２５】
本発明において、高いＱ係数の微小共振器の使用を可能にしながら、微小共振器と導波路との間の光結合の一定レベルを維持する方法は、少なくとも１つの自己整列特徴を表面に有する基材を使用する工程を有する。導波路は第１の基材に対して配置され、微小共振器は、第１の導波路に光学的に結合するために自己整列特徴によって基材上に位置づけられる。
【００２６】
本発明の特定の実施態様の一つは、図３Ａおよび３Ｂにデバイス３００として図解される。この実施例において、平面導波路３０４を有する基材３０２は、表面３０６上に形成される。傾斜側壁３１０を有する、整列溝、またはスロットの形状でここに示された自己整列特徴３０８は、表面３０６の上に設けられる。側壁３１０は、導波路３０４に横断方向に微小共振器３１２の位置を誘導する。この特定の実施例において、導波路３０４に対して微小共振器３１２の横位置を側壁３１０上に接触点によって決定することができる。溝を形成する側壁３１０は、表面３０６上に形成されたシムの壁または他の構造３０９であってもよい。この構造は、表面３０６上にキャストされるか、あるいは他の方法で形成されてもよく、または表面３０６とは別に形成され、次いで表面に付着されてもよい。
【００２７】
側壁３１０は、導波路３０４に平行になるように位置づけられてもよい。導波路３０４と側壁３１０との間の平行を達成するのは難しいことがあるので、側壁３１０は、導波路３０４に平行にならないように位置づけられてもよい。図３Ｂに示された１つの特定の実施態様において、側壁３１０は導波路３０４にまたは互いに平行でない。この構成は、微小共振器３１２と側壁３１０とが接触されるまで微小共振器３１２を側壁３１０内で導波路３０４に沿って転がすことによって微小共振器３１２が導波路３０４および側壁に整列されることを可能にし、なおかつ微小共振器３１２と導波路３０４との間の光結合が存在する。図示されない別の実施態様において、側壁は、互いに平行であるが導波路に平行でなくてもよい。
【００２８】
微小共振器３１２は、いくつかの異なった方法で導波路３０４に対して適所に保持されてもよい。例えば、接着剤（図示せず）を用いて溝３１０を充填するか、または少なくとも部分的に充填して微小共振器３１２を所定の位置に保持してもよい。別の方法が図３Ｃに図解され、保持部材３１４などの１個以上の保持デバイスで所定の位置に保持された微小共振器３１２を示す。保持部材３１４は、例えば、構造３０９にまたは基材３０２の表面に適用されたポリマー系材料から形成されてもよい。典型的な実施態様において、導波路３０４に対して微小共振器３１２を位置保持する保持デバイスは、微小共振器３１２内の光の伝播面上の位置において微小共振器３１２と接触しない。説明された実施例において、光の伝播面は、図３Ｂおよび３Ｃの平面に垂直な平面を線３１６において形成する。微小共振器３１２内の光の伝播面は、光が導波路３０４から微小共振器３１２に入る方向によって決定される。導波路３０４によって励起されたＷＧＭは、光の伝播面内にある。保持デバイスが光の伝播面において微小共振器３１２の外側の表面に触れるならば、微小共振器キャビティのＱ係数が低減される場合があり、従って微小共振器センサーの感度を低減する。
【００２９】
導波路がチャネル導波路である他の実施態様は、図３Ｄ〜３Ｆを参照して記載される。図３Ｄにおいて、導波路３０４は、基材３０２の表面３０６の上に配置されたチャネル導波路であってもよい。側壁３１０は、導波路３０４に対して微小共振器３１２を横に整列する。微小共振器３１２は、図示のように、導波路上にあってもよく、または導波路３０４と接触せずに保持されてもよい。
【００３０】
微小共振器３１２に結合する導波路３０４上の点より下のクラッド、この場合、基材３０２の屈折率を低減してもよい。これは、基材へ広がる電界の程度を低減し、微小共振器３１２に結合する導波路３０４の上面の電界強度の増加をもたらす。例えば、基材３０２をドープすることによって屈折率を低減してもよい。
【００３１】
導波路３０４と微小共振器３１２との間の結合点において導波路クラッドの屈折率を低減する別の方法は、ボイド３２０を導波路３０４の下に残す支持材料の一部を除去することである。これは、図３Ｅおよび図３Ｆに示され、図３Ｅに示された断面ＥＥ’に沿ってのデバイスの部分断面を示す。これは、ボイド３２０の上にブリッジを形成する導波路３０４の部分３２２をもたらす。
【００３２】
自己整列特徴は、傾斜側壁を有する溝である必要はなく、他の幾何学的形状をとってもよい。例えば、図４Ａおよび４Ｂに図解されるように、自己整列特徴４０８は、垂直側壁４１０を有する溝であってもよい。この特定の実施例において、微小共振器３１２の横位置が、側壁４１０の上縁によって決定される。
【００３３】
この説明から、自己整列特徴はまた、他の幾何学的形状を有してもよいことは理解されよう。例えば、自己整列特徴は、２つの側面より多い表面を有する溝、または２つの側面と下面とを有する溝を備えてもよい。このような実施例の１つは、４つ以上の表面を有する溝である。
【００３４】
上述のように、本発明の実施態様の１つ以上の微小共振器光デバイスを受動および能動的用途のために設計することができる。例えば、光デバイスは、フィルターまたはセンサーとして利用されてもよい。本明細書に記載された他のセンシングの実施態様に加えて、バイオセンシング用途において、微小共振器を１つ以上の抗体、タンパク質、またはは他の生物学的試料でコーティングすることができる。検出器を用いて、生物学的材料から出る光学出力または蛍光の変化を検出することができる。増幅器およびマイクロレーザー用途などの能動的用途は、例えば、微小共振器３１２をエルビウムなどの１つ以上の材料でドープして利得媒体を形成することによって達成可能である。レーザー用途において、光源からの第１の波長（例えば、９８０ｎｍ）を有する光を微小共振器にエバネッセント結合してマイクロレーザーを光学的にポンピングすることができ、第２の波長、例えば、約１５５０ｎｍの光が微小共振器から出力される。明らかなように、この説明から、光デバイス３００を、必要とされる特定の用途に応じて改良することができる。
【００３５】
別の典型的な実施態様によって、微小共振器に結合された２つの導波路を有する微小共振器光デバイスが、図５を参照して記載される。この特定の実施態様において、微小共振器５１２は、中間部材５１０によって隔てられた２つの基材５０２ａおよび５０２ｂの間に挟まれる。基材５０２ａおよび５０２ｂの各々が自己整列特徴５０８ａおよび５０８ｂを設けられ、微小共振器５１２を各基材５０２ａおよび５０２ｂ上の導波路５０４ａおよび５０４ｂに整列する。このタイプのセンサーユニットは、光を第１の導波路、例えば、５０４ａによって微小共振器５１２に誘導することを可能にし、さらに、光を第２の導波路、例えば５０４ｂによって検出することを可能にする。
【００３６】
本発明の範囲は、図５に説明された実施態様の変型に及ぶものとすることは理解されよう。例えば、中間部材５１０は存在する必要はなく、基材５０２ａおよび５０２ｂは互いに接触するかまたは接触しなくてもよい。さらに、微小共振器５１２を保持するための付加的な部材が存在してもよい。また、自己整列特徴５０８ａおよび５０８ｂは垂直側壁を有する必要はないが、異なった幾何学的形状をとってもよい。さらに、自己整列特徴５０８ａおよび５０８ｂは同じ幾何学的形状を有する必要はなく、微小共振器５１２は、導波路５０４ａおよび５０４ｂと直接に物理的に接触しているかまたは接触していなくてもよい。
【００３７】
図６Ａおよび６Ｂにおいて図解された別の実施態様において、微小共振器は、例えば光ファイバーからのセクションとしてとられてもよい場合、平面であってもよい。ファイバーセクションとしてとられる場合、ファイバーセクションは図６Ａにおいて側面から見られる。平面微小共振器６１２の平面は光平面６１６に平行である。この特定の実施態様において、基材６０２は、平面微小共振器６１２を導波路６０４に対して特定の横位置に拘束する溝の形状の自己整列特徴６０８を有する。平面微小共振器は、いずれかの適した方法を用いて例えば接着剤（図示せず）、または１つ以上の保持部材６１４を用いて所定の位置に保持されてもよい。図６Ｂは、光の伝播面６１２においてセンサーユニットの断面を図解する。
【００３８】
微小共振器光デバイスを組み立てる別の方法は、図７Ａ〜７Ｄを参照してここに記載される。図７Ａは、デバイスの平面図を図解的に示すが、図７Ｂは、ＡＡ’においての部分断面を図解的に示す。説明された実施態様において、導波路７０４は、基材７０２上に形成または取付けられ、接触可能表面７０５が基材７０２の全体にわたって水平に対向する。
【００３９】
傾斜側壁７１０を有する井戸またはキャビティとして説明された自己整列特徴７０８は、基材７０２の表面に設けられる。微小球７１２は、微小球７１２と導波路７０４との間に光結合が行なわれるような位置において自己整列特徴７０８によって配置されてもよい。自己整列特徴７０８は傾斜側壁を有する必要はないが、例えば、垂直側壁を有してもよいことは理解されよう。
【００４０】
導波路７０４は、クラッド７０６内に形成される。接触可能表面７０５を有する導波路７０４のその部分は、例えばテーパーを付された導波路部分７０４ａにおいて、導波路の他の部分より小さくなるようにテーパーを付されてもよい。導波路７０４のどの側面がテーパーを付されてもよいかに制限はない。例えば、導波路７０４は、微小共振器７１２に対向する前側と後側の両方においてテーパーを付されてもよい。また、導波路７０４の高さは、テーパーを付された領域においてテーパーを付されてもよい。このようにして、導波路７０４の外側の電界強度を増加させ、従って導波路７０４から微小共振器７１２へのより良い光結合を確実にすることができる。さらに、クラッド７０６は、導波路７０４と微小共振器７１２とを結合する光の場の大きさを増加させるために、例えばテーパーを付された領域７０６ａにおいて、テーパーを付されてもよい。また、導波路７０４は、ファイバーカプラー７２２において光ファイバー７２０に、または光を光源および検出器におよびそれから結合するための他の導波路に結合されてもよい。
【００４１】
微小共振器７１２は、いくつかの異なった方法を用いて自己整列特徴に保持されてもよい。１つの方法は、接着剤（図示せず）を適用して微小共振器７１２を基材７０２に固定することである。接着剤は、例えば、キャビティ７０８内に配置されてもよく、または微小共振器７１２を基材７０２の上面に付着してもよい。場合により、図７Ｃの破線で示された保持部材７１４を用いて、微小共振器７１２を所定の位置に保持してもよい。また、図７Ｃは、クラッド７０６が結合領域において一方の側面だけからテーパーを付される実施態様を示す。
【００４２】
微小共振器７１２が自己整列特徴７０８の縁７０８ａおよび７０８ｂの両方と接触する時に特定の事由が考慮される必要がある場合がある。特徴７０８に対する導波路７０４の位置は、いくつかの因子、例えば微小共振器７１２の半径、表面７１３の上の導波路７０４の高さ、整列特徴７０８の寸法および側壁７１０ａと７１０ｂの傾きに依存することがある。例えば、導波路７０４を微小共振器７１２とのより最適な光結合にもたらすために、導波路７０４は、縁７０８ａから凹ませられ、縁７０８ａに設けられてもよく、または縁７０８ａの上にカンチレバーのように設けられてもよい。この特定の方法は、導波路の縁からの制御された距離に微小共振器を保持することが望ましい時に有用である場合がある。
【００４３】
導波路７０４の前側の電界を増加させるために、従って導波路７０４と微小共振器７１２との間の光結合の量を増加させるために有用である場合がある１つの方法は、テーパーを付された導波路領域７０４ａにおいてクラッド７０６の有効な屈折率を低減することである。これは、クラッド７０６をドープすることによって、または導波路７０４が微小共振器７１２に光学的に結合する領域において導波路７０４に沿ってクラッド７０６ａの厚さを低減することによって行なわれてもよい。この後者の方法は、図７Ｂに図解される。
【００４４】
別の方法が図７Ｄに図解され、そこにおいて微小共振器７１２は導波路７０４と後側壁７１０ｂとの間に保持され、前壁７１０ａに触れない。この配置は、過剰制約された配置（ｏｖｅｒ−ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）と称されてもよい。このような配置の利点の１つは、導波路７０４と微小共振器７１２との間の十分な物理的接触の可能性を増加させることである。
【００４５】
図７Ａに示されるように、自己整列特徴７０８の形状は四角形である必要はないが、他の形状をとってもよいことは理解されよう。例えば、自己整列特徴８０８は、図８に図解されるように、導波路７０４と略平行な方向において細長くてもよい。ここで、自己整列特徴は、導波路７０４に平行な方向に長くなっており、溝またはスロットを形成する。さらに、特徴８０８の縁８０８ａおよび８０８ｂの両方ともが導波路７０４に平行である必要はないことが理解されよう。説明されるように、縁８０８ａおよび８０８ｂが互いに平行であるが、導波路７０４に平行でない場合、微小共振器７１２と導波路７０４との間の距離は単に、微小共振器７１２を特徴８０８に沿って移動させることによって調節されてもよい。
【００４６】
過剰制約された配置の別の実施態様において、後縁８０８ｂなどの１つだけの縁は、導波路７０４に平行でなくてもよい。これは、導波路７０４に対する微小共振器７１２の配置の柔軟性を提供する。
【００４７】
自己整列特徴は、平面導波路と共に用いられるだけでなく、ファイバー導波路と共に用いられる必要があることは理解されよう。このような配置の実施例の１つは、図９Ａおよび９Ｂに図解される。自己整列特徴９０８が、微小共振器９１２を保持するために基材９０２内に形成される。ファイバー導波路９０４は、微小共振器９１２の上に配置され、ファイバーマウント９０６によって所定の位置に保持される。説明された実施態様において、自己整列特徴９０８は、傾斜側壁９１０を有するキャビティまたは井戸である。ファイバー導波路９０４は、特徴９０８の縁に平行でないように配置されてもよい。従って、微小共振器９１２内の光の伝播面は、微小共振器の表面が側壁９１０に接触する点のいずれにも交わらない。この構成は、微小共振器のための高いＱ係数を維持するのに役立つ場合がある。
【００４８】
微小共振器９１２は、接着剤、保持部材、２つの組合せを用いて、または特定の他の方法を用いてキャビティ９０８内に保持されてもよい。自己整列特徴が傾斜側壁を有する必要はないが、曲線状または垂直側壁を有してもよいことは理解されよう。さらに、図９Ｂに示されるように、特徴９０８の形状が四角形である必要はないが、特定の他の形状を有してもよい。
【００４９】
微小共振器９１２の上部は、基材９０２の上面と同一平面であってもよく、または基材９０２の表面より高く突き出てもよい。さらに、ファイバー導波路９０４は、ファイバー導波路９０４と微小共振器９１２との間の緊密な物理的接触を維持するためにある引張応力下で微小共振器９１２の上に位置づけられてもよい。
【００５０】
ファイバー導波路と微小共振器との間の垂直光結合の別の方法は、図１０Ａおよび１０Ｂに図解される。この実施態様において、ファイバー導波路１００４は、基材１００２上に形成された整列特徴１００８内に位置づけられる。整列特徴１００８は、傾斜側壁１０１０を有する溝の形状であるように説明されるが、側壁はまた、垂直であってもよい。微小共振器１０１２は、ファイバー導波路１００４に対して横に拘束される。さらに、例えば、接着剤または保持部材を用いて、微小共振器１０１２を溝１００８に保持して、導波路１００４と微小共振器１０１２との間の光結合を維持してもよい。ファイバー導波路１００４は、下面１０１６上に例えばマウント（図示せず）を用いて溝の下面１０１６と接触せずに保持されてもよい。導波路コアーの外側の光の場の大きさが大きい導波路１００４のその部分、換言すれば導波路１００４の結合領域から離れてマウントが位置づけられる場合、マウントに関連した光損失が低減されることがある。この構成は、下面１０１６に触れるファイバーのテーパーを付されたセクションから他の場合なら生じることがある光損失を低減する。
【００５１】
別の実施態様（図示せず）において、例えば図５に説明された方法と同様にして、対応するファイバー導波路を有する別個の基材を微小共振器のいずれかの側に設けることによって２つのファイバー導波路が微小共振器に結合されてもよい。
【００５２】
また、例えば図１１Ａおよび１１Ｂに図解されるように、自己整列特徴を基材上で用いてファイバー導波路と微小共振器との間に水平な光結合を提供してもよい。図１１Ａは平面図を示し、図１１Ｂは、ＢＢ’においての部分断面図を示す。この特定の実施態様において、基材１１０２は、２つのファイバーホルダー１１０６の間に保持されたファイバー導波路１１０４を設けられる。キャビティとして示される整列特徴１１０８は、微小共振器１１１２をファイバー導波路１１０４に非常に接近して、または接触して位置づけられる。微小共振器１１１２と接触したファイバー導波路１１０４の部分は典型的に、テーパーを付されたセクション１１０５である。微小共振器１１１２は、いずれかの適した方法、例えば接着剤または保持部材を用いて、整列特徴１１０８に対して所定の位置に保持されてもよい。
【００５３】
別の実施態様が図１２に図解され、そこにおいてファイバーホルダー１２０６の間に保持された第２のファイバー１２０４は、微小共振器１１１２に光学的に結合される。この構成は、ファイバー１１０４および１２０４の一方を通して光を微小共振器１１１２に誘導することを可能にし、微小共振器１１１２からの光が他方のファイバー１２０４および１１０４に沿って伝播する。
【００５４】
整列特徴は、いくつかの異なった方法を用いて基材上に形成されてもよい。１つの特定の方法は、半導体基材、例えばシリコン基材を使用、リソグラフィー、マスキングおよびエッチングなどの平面微小製造技術を使用してデバイスを形成することである。例えば、溝またはキャビティは、シリコンにエッチングされてもよい。傾斜表面を有する溝またはキャビティを得る１つの方法は、＜１００＞シリコン基材に非異方性エッチングを行なうことである。溝角度の頂点は約７０．５°であり、結晶幾何学的形状によって定められる。別の結晶方向でシリコンをエッチングすることによって、垂直壁の製造を可能にしてもよい。エッチング形状の幅は、基材の表面にパターン化されたレジスト層によって制御されてもよい。シリコン基材の場合、レジスト層は、窒化シリコン層であってもよい。従って、基材の適切なマスキングおよびエッチングによって、溝、例えばＶ溝または平底溝などの整列特徴が形成されてもよい。また、基材表面は、微小共振器を配置するための、キャビティによって提供されるような孔を有するように形成されてもよい。このようなリソグラフィー技術は、基材上に前記特徴を正確に配置することを可能にし、従って微小共振器組立体の要素の受動的整列を可能にする。導波路は、シリコン中にまたはシリコン基材の上に形成された酸化シリコン層に形成されてもよい。
【００５５】
本明細書中で用いられる場合基材という用語は、微小共振器を保持する材料の単一塊だけに制限される必要はなく、微小共振器組立体の要素のための支持体を意味すると理解されるべきである。基材は、一体部分より多くから形成されてもよい。また、整列特徴は、基材の上面にエッチングされた部分として設けられることだけが必要なのではない。整列特徴は、例えば、微小共振器が載っている表面から突き出てもよく、あるいは例えば図３Ａに対して記載された実施態様において説明されるように、微小共振器それ自体が、基材と共に配置された整列特徴の上にあってもよい。
【００５６】
これの別の実施例は図１３に図解的に示され、微小共振器１３１２を置くための垂直溝を有する自己整列特徴１３０８を有する基材１３０２を示す。ファイバー導波路１３０４は、ファイバー導波路１３０４と微小共振器１３１２との間に良好な光結合が存在するようにファイバーホルダー１３０６（その１つだけが示される）の間に保持されてもよい。微小共振器１３１２内の光の伝播面において整列要素１３０８と微小共振器１３１２との間の接触を低減するように溝壁が例えば逃げ溝１３１４と共に造形されてもよい。
【００５７】
本明細書に記載された実施態様の変形物もやはり、本発明の範囲内に含まれることは理解されよう。例えば、図は、断面において円形または球形である微小共振器について説明するが、これが実際に行なわれる必要はない。微小共振器は、例えば、断面において楕円であってもよい。このような場合、微小共振器の共振光路が円形である必要はなく、非円形であってもよい。さらに、１つだけの微小共振器が基材上に保持されるように示されているが、多数の微小共振器が単一基材上に位置づけられてもよく、単一の導波路にまたは異なった導波路に結合されてもよいことは理解されよう。
【００５８】
上記のように、本発明は微小共振器に適用可能であり、微小共振器がセンシングおよびレーザー用途などの受動および能動的用途において用いられる場合、特に有用であると考えられる。本発明は、上述の特定の実施例に限定されると考えられるべきでなく、添付した特許請求の範囲に明確に示されるような本発明の全ての態様にわたると理解されるべきである。様々な改良、同等の方法、ならびに本発明が適用可能である多数の構造は、本明細書を検討する時に本発明が対象とする当業者には容易に明らかとなろう。特許請求の範囲は、このような変更および考案物を包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１Ａ】微小球共振器光デバイスの実施態様を図解する。
【図１Ｂ】微小球共振器光デバイスの実施態様を図解する。
【図２】微小球内の内部反射および微小共振器の内側および外側のウィスパリングギャラリーモードの電界分布の略図を示す。
【図３Ａ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの実施態様を図解する。
【図３Ｂ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの実施態様を図解する。
【図３Ｃ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの実施態様を図解する。
【図３Ｄ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの実施態様を図解する。
【図３Ｅ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの実施態様を図解する。
【図３Ｆ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの実施態様を図解する。
【図４Ａ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの別の実施態様を図解する。
【図４Ｂ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの別の実施態様を図解する。
【図５】本発明の原理による微小球共振器デバイスの別の実施態様を図解する。
【図６Ａ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの別の実施態様を図解する。
【図６Ｂ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの別の実施態様を図解する。
【図７Ａ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの他の実施態様を図解する。
【図７Ｂ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの他の実施態様を図解する。
【図７Ｃ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの他の実施態様を図解する。
【図７Ｄ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの他の実施態様を図解する。
【図８】本発明の原理による微小球共振器デバイスの別の実施態様を図解する。
【図９Ａ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの別の実施態様を図解する。
【図９Ｂ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの別の実施態様を図解する。
【図１０Ａ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの別の実施態様を図解する。
【図１０Ｂ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの別の実施態様を図解する。
【図１１Ａ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの別の実施態様を図解する。
【図１１Ｂ】本発明の原理による微小球共振器デバイスの別の実施態様を図解する。
【図１２】本発明の原理による微小球共振器ユニットの別の実施態様を図解する。
【図１３】本発明の原理による微小球共振器ユニットの別の実施態様を図解する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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