(57)【要約】  マイクロキャビティセンサ内でのバルジ状マイクロキャビティ（５００）の使用が位置合わせおよび製造再現性に利点を提供する。バルジ状マイクロキャビティのアレイを多数の導波路と共に用い得る。加えてバルジ状マイクロキャビティに高分子材料で作製された少なくとも外層を形成し得るとともに、全体的に高分子材料で作製し得る。これによりマイクロキャビティを成形し得るとともにアレイ構成で再現可能に成形し得る点で製造が容易になる。
2008500579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離間した少なくとも第１および第２の光導波路と、
少なくとも第１および第２のバルジ状マイクロキャビティが形成されているとともに前記第１および第２の光導波路にわたって延在している第１のバルジ状マイクロキャビティ部材とを備え、
前記第１のバルジ状マイクロキャビティが、前記第１のバルジ状マイクロキャビティと前記第１の光導波路との間に光を光学的に結合するように前記第１の光導波路に近接して位置するとともに、前記第２のバルジ状マイクロキャビティが、前記第２のバルジ状マイクロキャビティと前記第２の光導波路との間に光を光学的に結合するように前記第２の光導波路に近接して位置する微小共振器アレイ装置。
【請求項２】
基板をさらに備え、前記第１および第２の光導波路が前記基板上に配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１および第２の光導波路のうちの少なくとも一方が前記基板上に配置された光ファイバを備える、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１および第２の光導波路のうちの少なくとも一方が前記基板上に配置された平面導波路を備える、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記少なくとも第１および第２の光導波路内に光を注入するように結合された光源をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
それぞれ前記第１および第２のバルジ状マイクロキャビティに関連する光を検出するように配置された少なくとも第１および第２の光検出器をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１および第２の光検出器のうちの少なくとも一方が、それぞれ前記第１および第２の光導波路のうちの少なくとも一方に沿って伝播する光を受け取るように光学的に結合されている、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記第１および第２の光検出器のうちの少なくとも一方が、自由空間内を伝播する、前記第１および第２のバルジ状マイクロキャビティのうちの前記それぞれ少なくとも一方に関連する前記光を検出するように、それぞれ前記第１および第２のバルジ状マイクロキャビティのうちの少なくとも一方に近接して配置されている、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記第１および第２の光検出器のうちの少なくとも一方に伝播する光を波長選択するように配置された波長選択素子をさらに備える、請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１および第２のバルジ状マイクロキャビティが各々第１のマイクロキャビティ軸に沿って細長い、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１のバルジ状マイクロキャビティ部材が前記第１のマイクロキャビティ軸を横断する構成要素を有する方向に延在している、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１のバルジ状マイクロキャビティ部材がある長さを有する細長い部材として形成されているとともに、前記第１および第２のバルジ状マイクロキャビティが前記第１のバルジ状マイクロキャビティ部材の前記長さに沿って異なる位置に配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１のバルジ状マイクロキャビティ部材が前記第１および第２のバルジ状マイクロキャビティ間の狭窄部に延在している、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１および第２のバルジ状マイクロキャビティのうちの少なくとも一方が少なくとも高分子外層を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記少なくとも高分子外層を備える前記第１および第２のバルジ状マイクロキャビティのうちの少なくとも一方が、それぞれ前記第１および第２の光導波路のうちの少なくとも一方から結合された光に対して１０００より高いＱ値を有する赤道ウィスパリングギャラリモードを有する、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記高分子外層を備える前記第１および第２のバルジ状キャビティのうちの少なくとも一方が、高分子マイクロキャビティ本体を備える、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１および第２のバルジ状マイクロキャビティのうちの少なくとも一方が円筒状側壁部を有する側壁を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
異なる位置に少なくとも第３および第４のバルジマイクロキャビティが形成された少なくとも第２のバルジマイクロキャビティ部材をさらに備え、前記第３のバルジ状マイクロキャビティが、前記第３のバルジ状マイクロキャビティと前記第１の光導波路との間に光を光学的に結合するように前記第１の光導波路に近接して配置されているとともに、前記第４のバルジ状マイクロキャビティが、前記第４のバルジ状マイクロキャビティと前記第２の光導波路との間に光を光学的に結合するように前記第２の光導波路に近接して配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
出力光を発する光源と、
前記光源からの前記出力光を受け取るように結合された第１の光導波路と、
前記第１の光導波路に光学的に結合するために前記第１の導波路に近接して配置された第１のバルジ状マイクロキャビティとを備え、
前記バルジ状キャビティが少なくとも高分子材料外層を有するとともに長軸に沿って細長い本体を有し、前記バルジ状マイクロキャビティが前記第１の光導波路から結合された光に対して１０００より高いＱ値を有するウィスパリングギャラリモードを有し、前記高分子材料が前記出力光の波長で実質的に透明であるバルジ状マイクロキャビティ装置。
【請求項２０】
前記第１のバルジ状マイクロキャビティの本体が全体的に前記高分子材料で形成されている、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記高分子材料がアクリレート材料である、請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
前記アクリレート材料がポリメチルメタクリレートを備える、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記高分子材料がポリジメチルシロキサンおよびポリエステルのうちの少なくとも一方を備える、請求項１９に記載の装置。
【請求項２４】
前記高分子材料外層が第２の材料のコア上に形成されている、請求項１９に記載の装置。
【請求項２５】
前記第２の材料がシリカガラスである、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記第１の光導波路が光ファイバを備える、請求項１９に記載の装置。
【請求項２７】
前記第１の光導波路が平面導波路を備える、請求項１９に記載の装置。
【請求項２８】
前記第１のバルジ状マイクロキャビティに関連する光を検出するように配置された少なくとも第１の光検出器をさらに備える、請求項１９に記載の装置。
【請求項２９】
前記第１の光検出器が、前記第１のバルジ状マイクロキャビティから前記第１の光導波路に沿って伝播する光を受け取るように光学的に結合されている、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記第１の光検出器が、前記第１のバルジ状マイクロキャビティから自由空間内を伝播する前記光を検出するように前記第１のバルジ状マイクロキャビティに近接して配置されている、請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
前記第１のバルジ状マイクロキャビティに光学的に結合された第２の導波路をさらに備え、前記第１の光検出器が前記第１のバルジ状マイクロキャビティから前記第２の光導波路に沿って光を受け取るように光学的に結合されている、請求項２８に記載の装置。
【請求項３２】
前記第１の光検出器に伝播する光を波長選択するように配置された波長選択素子をさらに備える、請求項２８に記載の装置。
【請求項３３】
前記第１のバルジ状マイクロキャビティが円筒状側壁部を有する側壁を備える、請求項１９に記載の装置。
【請求項３４】
前記Ｑ値が１０6より高い、請求項１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に光学装置に関し、特に微小共振器を用いる光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
光共振器としての微小球およびディスクは現在、生化学感知の用途のために集中的に研究されている。ガラスで作製された微小球は非常に高いＱ係数（＞１０6）を特徴とするが、微小球共振器を大量生産および位置合わせする適当な手法がないことが、実行可能な製品として受け入れる妨げになっていた。一方半導体ウェハによる微小ディスクまたは微小リングは比較的容易に大量に作製される。導波路に対するそれらの位置は乾／湿式エッチングおよび層堆積などのリソグラフィ技術を用いて調整することができる。しかし少なくとも一部には表面粗さと材料吸収のため、これらの共振器のＱ係数は通例１０4未満である。
【０００３】
マイクロキャビティを形成する他の手法には、光ファイバの切断による円筒状キャビティの形成がある。これにより低コストでより高い達成可能なＱ係数と制御可能な寸法とを有するリング共振器の大量生産が可能になる。しかしこのような円筒状微小共振器は単なる二次元の光閉じ込めを特徴とするとともに、光は平面に垂直な方向に沿って自由に伝播できる。その結果導波路と円筒状リング共振器との間の位置ずれにより、光がマイクロキャビティの損失モード内へ結合することになり光増強の悪化につながる。
【発明の開示】
【０００４】
本発明はバルジ状マイクロキャビティの使用に関する。
【０００５】
具体的には本発明の一実施形態は、互いに離間した少なくとも第１および第２の光導波路を備える微小共振器アレイ装置に関する。第１のバルジ状マイクロキャビティ部材が少なくとも第１および第２のバルジ状マイクロキャビティが形成されているとともに第１および第２の光導波路にわたって延在している。第１のバルジ状マイクロキャビティが、第１のバルジ状マイクロキャビティと第１の光導波路との間に光を光学的に結合するように第１の光導波路に近接して位置している。第２のバルジ状マイクロキャビティが、第２のバルジ状マイクロキャビティと第２の光導波路との間に光を光学的に結合するように第２の光導波路に近接して位置している。
【０００６】
本発明の他の実施形態は、出力光を発する光源と、光源からの出力光を受け取るように結合された第１の光導波路とを備えるバルジ状マイクロキャビティ装置に関する。第１のバルジ状マイクロキャビティが第１の光導波路に光学的に結合するために第１の導波路に近接して配置されている。バルジ状キャビティが少なくとも高分子材料で形成された外層を有するとともに長軸に沿って細長い本体を有する。バルジ状マイクロキャビティは第１の光導波路から結合された光に対して１０００より高いＱ値を有するウィスパリングギャラリモードを有するとともに、高分子材料は出力光の波長で実質的に透明である。
【０００７】
本発明の上記の概要は本発明の各図示の実施形態またはすべての実施を説明しようとするものではない。図および以下の詳細な説明がこれらの実施形態をより具体的に例示する。
【０００８】
添付の図面と共に以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討することで本発明をより完全に理解されよう。
【０００９】
本発明は様々な変更例および代替形状が可能であるが、その具体例を一例として既に図面に示すとともに詳細に説明する。しかし本発明を説明する特定の実施形態に限定しようとするものではないことは理解されよう。反対に添付の特許請求の範囲により規定されるように本発明の要旨および範囲内にあるすべての変更例、等価物および代替物を網羅しようとするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明はマイクロキャビティ共振器（ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）を用いる光センサに特に適用可能である。このような共振器は微小共振器（ｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒ）とも称され得る。本発明の微小共振器は容易に再現、容易に取り扱い、容易に高キャビティＱ係数を維持し、さらに容易に結合導波路に位置合わせすることができる。
【００１１】
微小共振器を用いるマイクロキャビティ導波路システム１００の例が図１Ａに概略的に図示されている。光源１０２は光を導波路１０４に沿って検出ユニット１０６に指向する。微小共振器１１０は導波路１０４に光学的に結合されている。光源１０２からの光１０８は導波路１０４内に発射されて検出ユニット１０６に向かって伝播する。微小共振器１１０は導波路１０４から光１０８の一部分、微小共振器１１０内を微小共振器１１０の共振周波数の１つで伝播する出力結合光１１２をエバネセント結合する。
【００１２】
光源１０２は任意の好適なタイプの光源であり得る。効率と感度を向上させるため、光源が導波路１０４内に効率的に結合される光を生じることが有利であり、例えば光源はレーザダイオードなどのレーザであってもよい。光源１０２は所望の波長または波長領域の光１０８を生じる。例えば微小共振器がセンサ内で用いられる場合、光源１０２は感知対象種と相互作用する波長の光を生じる。感知対象種は通例、ＷＧＭ内を伝播する光が感知対象種と相互作用するように、微小共振器１１０の表面に近接配置される。また光源１０２はランプと、ランプからの光を導波路１０４内に結合する好適な光学部品も一緒に備え得る。
【００１３】
例えばシステム１００が蛍光センサとして用いられる場合、微小共振器１１０内を伝播する光は、検体または検体の存在を示すマーカに対して微小共振器表面上に付着させた蛍光染料などの蛍光分子により吸収される。より特定的な例において、微小共振器の表面に所望の抗原検体に特有の抗体を付着し得る。蛍光染料を接合させた検体抗原分子をセンサシステム１００に導入する。抗原分子は微小共振器１１０上の抗体分子と結合するため、蛍光染料分子を微小共振器１１０に十分近接して保持して、微小共振器１１０内で循環する光が蛍光分子にエバネセント結合する。吸収された光は蛍光分子を励起して、分子はその後励起波長とは異なる波長で蛍光を放つ。蛍光光の検出は検体抗原の存在を立証する。
【００１４】
他の例において検体抗原分子は蛍光染料に接合されないが、微小共振器表面に付着した抗体に結合できる。蛍光分子に接合したより多くの抗体はその後センサ内に導入されて抗原に結合する。また蛍光分子は微小共振器１１０内を伝播する光とのエバネセント相互作用により励起されるとともに、その後の蛍光発光の検出を用いて検体抗原の存在および発生量を決定し得る。
【００１５】
光原１０２は光を多数の異なる導波路に指向し得るが、そのうちの導波路１０４はその一例である。導波路１０４は任意の好適なタイプの波長であり得るとともに、例えばシリカ基板内に形成された導波路などの基板内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であり得る。また導波路１０４は光ファイバであり得る。
【００１６】
検出ユニット１０６は光検出器、例えば光を検出するフォトダイオードまたはフォトトランジスタを含む。また検出ユニット１０６は光検出器に到達する光の波長を選択する波長感知デバイスを含み得る。波長選択デバイスは例えばフィルタまたは分光計であり得る。波長選択デバイスは波長調整可能であるためユーザは光検出器に入射する光の波長を能動的に変更可能である。
【００１７】
微小共振器１１０は導波路１０４と物理的に接しているかまたは非常に近接して配置され得るため、導波路１０４に沿って伝播する光１０８の一部は微小共振器１１０内にエバネセント結合される。導波路１０４は通例微小共振器１１０が導波路１０４に結合する点でクラッドをほとんどまたは全く含まないため、微小共振器１１０は導波路１０４のコアに直接結合する。
【００１８】
他のタイプの微小共振デバイス１５０が図１Ｂに概略的に図示されている。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内に結合されて検出器１０６に伝播する。
【００１９】
他のタイプの微小共振デバイス１７０が図１Ｃに概略的に図示されている。このデバイス１７０では第２の検出器１７２は微小共振器１１０に近接して配置されて微小共振器１１０からの光を検出する。第２の検出器１７２により検出された光は導波路を介して第２の検出器１７２に通過するのではなく、自由空間を伝播すると言われる。第２の検出器１７２により検出された微小共振器１１０からの光は例えば、光が微小共振器１１０内を循環することにより、微小共振器１１０から散乱し得るまたは微小共振器の表面に付着した蛍光種の励起から生じた蛍光であり得る。第２の検出器１７２は微小共振器１１０からの光のすべての波長を検出し得る。または例えば第２の検出器１７２と微小共振器１１０との間に配置された波長選択素子１７４の利用により、特定の波長領域にある光を検出し得る。波長選択素子１７４は例えば、微小共振器１１０内で共振する励起波長の光を拒絶するとともに蛍光波長の光を透過するフィルタであり得る。また第２の検出器１７２を図１Ｂに示したような構成と共に用い得る。
【００２０】
光はいわゆる「ウィスパリングギャラリモード」の微小共振器内を伝播し、その例が図２に概略的に図示されている。ウィスパリングギャラリモード（ＷＧＭ）２０２では、光は多数の全反射により発生源から微小共振器２１０の周囲を伝播した後発生源に戻る。図示の実施形態ではＷＧＭ２０２は１周で８個の全反射を含む。光が異なる数の全反射に対応する他のＷＧＭ内で微小共振器２１０内を伝播し得ることは理解できよう。
【００２１】
さらにまた光が１周後に構造的に干渉するような波長である場合ＷＧＭ２０２は高Ｑ係数を示すに過ぎない。換言すればＷＧＭ２０２の周囲の光路長は整数波長に等しい。図２に図示された平面ＷＧＭ２０２内の光に対するこの共振条件を数学的に以下のように記述することができる。
ｌλ1＝Ｌ                                                      （１）
ここでλ1は真空中のｌ番目のモードの波長であり、ＬはＷＧＭの１周の光路長であり、ｌはモード番号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の電磁界強度は微小共振器２１０の内面で最大になる。ＷＧＭの電磁界強度は微小共振器２１０外で指数関数的に減衰し、特徴的指数関数的減衰長ｄはｄ≒λ／ｎにより与えられ、ここでλは真空中の光の波長であり、ｎは微小共振器２１０外の媒体の屈折率である。電界強度Ｅが断面線ＡＡ’に沿ってＷＧＭ２０２に対して図２に概略的に図示されている。
【００２３】
微小共振器２１０は通例２０μｍ〜数ミリメートルの範囲の直径を有するが、５０μｍ〜５００μｍの範囲であることが多い。さらにまた導波路は、導波路外の光場強度を増すことにより微小共振器内に結合する光量を増加させるように先細になっていることが多い。光ファイバ導波路の場合、ファイバを加熱およびテーパリングまたはエッチングして約１〜５μｍの全体厚さにし得る。同様に平面またはチャネル導波路では、導波路の厚さを光が微小共振器に結合される領域において低減し得る。導波路の大きさが低減されることに加えて導波路の周囲のクラッドの厚さも低減し得る。微小共振器を導波路またはファイバに結合させる様々な手法は、同一出願人が所有する且つ同時係属中の米国特許出願第１０／６８５，０４９号明細書により詳細に検討されており、本明細書に参照により援用する。
【００２４】
ここで図３Ａ〜４Ｃを参照して異なるタイプのマイクロキャビティ共振器を説明する。図４Ａ〜４Ｃに示したＷＧＭ３０６、３１６および３２６の各々は１つの全反射しか有さないＷＧＭに相当する。
【００２５】
図３Ａは円筒状微小共振器３００を概略的に図示し、円筒状微小共振器３００の円形壁３０４に平行に位置する長軸３０２を有する。このような微小共振器は例えば光ファイバを用いて形成し得るが、ここで光はファイバ軸に垂直方向にファイバの側面内に接線方向に結合される。ＷＧＭ３０６は破線で示され、軸３０２に垂直な平面内にある。円筒状微小共振器３００は軸に非垂直な平面内にあるＷＧＭモードを支持しないが、それはこのような光は閉経路をたどらずに共振キャビティから逃げるためである。
【００２６】
従ってＷＧＭ３０６の共振スペクトルは図４Ａに示したようなものであり、周波数υの関数としてプロットされた共振を示す。ｌ番目の共振モードは（ｌ＋１）番目の共振モードから、自由スペクトル領域（ＦＳＲ）とも称されるΔυと等しい分離だけ離間しており、ここでΔυはＷＧＭ３０６の周囲の波長の数の１つの増加に対応する。ＦＳＲを以下の式に従って算出し得る。
ＦＳＲ＝ｃ／Ｌ≒ｃ／（πｎＤ）                                  （２）
ここでｃは真空中の光速であり、ｎはマイクロキャビティの屈折率であり、Ｄはマイクロキャビティの直径、およびｎπＤはＥ（equatorial：赤道）ＷＧＭの１周の光路長を近似する。
【００２７】
なおＦＳＲを波長の観点で表わすこともできる。
ＦＳＲ（波長）＝Δυλ2／ｃ＝λ2／（πｎＤ）                    （３）
ここでλは真空中の光の波長である。ＦＳＲの両方の記述を交換的に用いることができる。
【００２８】
他のＥＷＧＭは異なる数の全反射を有するため、図示したモードとは異なる光路長を有する。これらの他のＥＧＷＭと関連する共振周波数は図４Ａに示した共振周波数とは異なる。
【００２９】
図３Ｂは軸３１２上に位置する球状微小共振器３１０を概略的に図示する。このような微小共振器は例えば球状壁３１４を有するガラス球を用いて形成し得る。ＷＧＭ３１６が軸３１２に垂直な平面にある破線で示されている。ＷＧＭ３１６の共振スペクトルが図４Ｂに示したグラフ内に概略的に図示されている。円筒状共振器のＷＧＭ３０６と同様に、隣接する共振間の周波数間隔はΔυ（ＦＳＲ）により与えられ、ここでΔυはＷＧＭ３１６の周囲の全体整数波長の数の１つの増加に相当する。ＦＳＲは上記の式（２）により与えられ、ここでＤは球状微小共振器３１０の直径である。
【００３０】
しかし円筒状微小共振器とは異なり、球状微小共振器３１０は軸３１２に垂直に位置しないＷＧＭを支持している。ＷＧＭ３１６に対して角度θに位置する１つのこのようなＷＧＭ３１８が示されている（破線で）。軸３１２に垂直にあるＷＧＭ３１６は赤道モードと称されるとともに、ＷＧＭ３１８は非赤道モードまたは方位モードと称される。しかし微小共振器３１０が球状であるため、ＷＧＭ３１８の光路長はＷＧＭ３１６の光路長と同等であり、そのためＷＧＭ３１８の共振周波数はＷＧＭ３１６のものと同等である。
【００３１】
異なる数の全反射を有するＷＧＭに相当する他の共振スペクトルは、図４Ｂに示したものとは異なる共振周波数を有する。
【００３２】
図３Ｃは円筒状でも球状でもない微小共振器３２０を概略的に示す。図示の実施形態において微小共振器３２０は楕円壁３２４を有する。微小共振器３２０は軸３２２上に位置する。赤道ＷＧＭ３２６が軸３２２に垂直な平面にある破線で示されている。赤道ＷＧＭ３２６の共振のいくつかが図４Ｃに示すグラフに共振３２７として概略的に示されている。ＷＧＭ３２６の隣接する共振３２７間の周波数間隔はΔυ（ＦＳＲ）により与えられ、ここでΔυは赤道ＷＧＭ３２６の周囲の全体整数波長の数の１つの増加に相当する。ＦＳＲは上記の式（２）により与えられ、ここでπｎＤはＥＷＧＭの１周の光路長を近似する。
【００３３】
あるモードの光路がゼロから角度θまで傾斜して非赤道光路を形成しているが、非赤道光路に関連する共振は赤道モードのものと同じではない。これは楕円微小共振器の周囲の光路長はθがゼロから増加する際に変動するからである。換言すれば赤道モードの光路長は非赤道モードのものとは異なる。このように異なる非赤道ＷＧＭはθの値と共に変動する異なる共振周波数を有する。このため微小共振器３２０の共振スペクトルは、赤道モードの共振３２７間の領域に「割り込む」非赤道モードの多数の共振３２９を含む。なお数個の非赤道共振しか図４Ｃに含まれておらず、図４Ｃ内の非赤道共振３２９の図示は定性的目的のためにのみ提供されている。非赤道共振３２９の大きさは、赤道共振と非赤道共振とを区別する目的のため赤道共振３２７の大きさより小さく図４Ｃに示されている。しかし非赤道共振３２９が赤道共振３２７とは異なるＱ係数を有することを示す意図はない。
【００３４】
微小共振器キャビティの多様な形状を用いて非赤道モードを生成し得るが、その２つの特定的な例が図５Ａおよび５Ｂに提供されている。図５Ａにおいて微小共振器５００が軸５０２を中心に形成されている。微小共振器５００は円筒状領域５０４を有し、円筒状領域５０４の両側に平行壁と先細領域５０６とを有する。先細領域５０６は微小共振器５００の最大幅より狭い平行壁を有する首部５０８につながり得る。円筒状領域５０４の長さは例えば０〜１００μｍの範囲で任意の適当な長さであり得る。
【００３５】
円筒状領域５０４の長さがゼロである場合、微小共振器５２０は図５Ｂに概略的に図示するような形状を有する。先細領域５０６のプロファイルは必要に応じて選択し得る。すなわち先細領域５０６の物理的プロファイルおよび円筒状領域５０４の長さは、マイクロキャビティの共振スペクトルに影響を与える。長軸から測定した微小共振器の半径ｒはｚ方向の軸に沿った位置の１つまたは複数の値の最大値に達するがここでプロファイルは非球状および非円筒状である、これらの微小共振器５００および５２０は非赤道モードが多い共振スペクトルを提供する。
【００３６】
安定非赤道共振モードの場合、半径ｒは微小共振器の最大値を示し、これは非赤道モードの光を捕捉するのを助けるためＱの高い値を維持する。半径ｒが微小共振器で最小値を示す場合には、光は微小共振器からより迅速に逃げることができるためＱの値はより低い。非球状および非円筒状であるとともにｒの最大値を示す微小共振器キャビティを以下バルジ状微小共振器キャビティと称する。
【００３７】
バルジ状微小共振器キャビティを多様な方法を用いて作製し得る。一手法はバルジ状キャビティ部材をグラスファイバから形成することである。グラスファイバの一部分を例えば炭酸ガスレーザを用いて加熱するとともに伸張して首部を形成する。この方法の特定例において、ある長さのコーニング（Ｃｏｒｎｉｎｇ）ＳＭＦ２８光通信ファイバを、バルジ状キャビティを作製すべきファイバの長さに沿って保護被覆を除去することにより処理した。これにより１２５μｍの直径を有するファイバクラッドを露出した。ファイバ上で比較的一定の張力を維持するように反対に移動させるようにした、ファイバのこの露出部を２つの並進台間で伸張した。ファイバ上の張力を歪みゲージを用いて監視した。５０Ｗ炭酸ガスレーザからの出力をレンズを通してファイバの短い部分に焦点を合わせた。またファイバの長さに沿って移動可能なようにレンズを並進台に載置した。
【００３８】
レーザによりグラスファイバはビームが焦点を合わせた地点で軟化した。ファイバに加えられた張力によりファイバは軟化領域で伸長したため、その直径が減少した。１つのテーパを形成するために、レーザビームを０．３ｍｍの距離にわたり２．４ｍｍ／秒の速度で前後に走査した。長さが１０ｍｍ増加するまでファイバを０．０１ｍｍ／秒の速度で伸張した。このプロセス中レーザからの出力を０．２ｇのファイバ上で所定張力を維持するように制御した。
【００３９】
第２のテーパを同じ方法を用いて、２つのテーパ間にバルジ状キャビティを形成するようにファイバに沿った地点１０ｍｍに作製した。その後このプロセスを繰り返してファイバ中に一連のバルジ状キャビティを形成した。先細領域はおよそ３０μｍの直径を有していたが、バルジ状キャビティの直径は約１２５μｍであった。
【００４０】
得られたバルジ状キャビティを以下のように特徴付けることができる。波長可変ダイオードレーザからの光を先細になっている光ファイバ内に発射した。光をファイバテーパからバルジ状キャビティ内に結合した。実験的配列が図６に図示されており、図６はバルジ状キャビティ６０２が形成されたＳＦＭ２８ファイバ６００を示している。線６０４は光をバルジ状キャビティ６０２に結合するのに用いられるファイバテーパの経路を示す。
【００４１】
図１Ｃに図示した検出器１０６と同様にファイバテーパとバルジ状キャビティの後で、１つの検出器を用いてファイバテーパに沿って透過する光を監視した。第２の検出器１７２に対して図１Ｃに図示したような位置で、バルジ状キャビティから散乱した光を測定するように第２の検出器を配置した。図７はレーザが高スペクトル解像度を有する１５ｐｍのスペクトル領域にわたって走査されたときに生成された透過スペクトル（上方の線）と散乱スペクトル（下方の線）とを示す。得られた最高Ｑ係数はおよそ３．４×１０6である。図８Ａは６３０ｎｍ〜６３３ｎｍにわたる、より大きいスペクトルスケールの散乱スペクトルを示すとともに、図８Ｂはより小さい領域６３１．２ｎｍ〜６３２．０ｎｍにわたる散乱スペクトルを示す。バルジ状キャビティは多数の非赤道モードを支持する。
【００４２】
比較のため円筒状微小共振器のモード構造も特徴付ける。図９Ａに示すようにファイバの円筒状部分が先細ファイバ結合器に結合されるようにＳＦＭ２８ファイバを移動することにより円筒状共振器が得られた。図９Ｂは２５ｐｍの範囲にわたる円筒状微小共振器の場合の透過および散乱スペクトルを示す。比較のためバルジ状キャビティは、図７に示すように比較可能な波長領域内により多くの共振を示す。
【００４３】
同様に円筒状共振器は、レーザが領域６３０ｎｍ〜６３３ｎｍ（図９Ｃ）にわたり走査されたときにバルジ状キャビティ（図８）より少ない共振を示す。図９Ｃにおいて約０．２５Ｖのレベルで検出された構造はノイズであるとともに、共振モードは高くて細いスパイク９１０として現れている。また所与の波長領域にはバルジ状マイクロキャビティの場合より少ないモードが存在する。
【００４４】
多数のバルジ状マイクロキャビティの使用によるセンサアレイ１０００の一例が図１０に概略的に図示されている。多数の導波路１００２は光源（図示せず）から光１００１を受け取る。導波路１００２は基板１００４上に配置され得る。多数のバルジ状マイクロキャビティ１００８を担持する第１のバルジ状キャビティ部材１００６は、導波路１００２上に配置されている。バルジ状マイクロキャビティ１００８は導波路１００２と同じ間隔で離間しているため、異なるバルジ状キャビティ１００８ａ、１００８ｂ、１００８ｃはそれぞれの導波路１００２ａ、１００２ｂ、１００２ｃに光学的に結合する。また例えばニュージャージー州クランベリのノーランド・プロダクツ（Ｎｏｒｌａｎｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｃｒａｎｂｕｒｙ，Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ）から入手可能なノーランド・オプティカル・アドヒーシブ（Ｎｏｒｌａｎｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｄｈｅｓｉｖｅ）６１などの接着剤１０１０を用いて、バルジ状キャビティ部材１００６を基板１００４に取り付け得る。追加バルジ状キャビティ１０１４を備える追加バルジ状キャビティ部材１０１２を、導波路１００２からの光をバルジ状キャビティ内に結合するように配置し得る。
【００４５】
従来の円筒状微小共振器では導波路から微小共振器への光の結合は、導波路と微小共振器との間の位置合わせの影響を受けやすく、光が微小共振器の赤道モード内に注入されない場合には、その光は低Ｑモードに入って急速に失われ得る。しかしバルジ状キャビティ１００８が三次元の光の閉じ込めを提供し、円筒状マイクロキャビティのような単なる二次元ではないため、バルジ状キャビティ部材１００６への光の結合は、バルジ状キャビティ１００８と導波路１００２との間の位置合わせによる影響をさほど受けない。さらにまた例えば光ファイバで形成されている場合、円筒状マイクロキャビティが円筒軸に沿って大きな横方向範囲を有し得ても、円筒状マイクロキャビティ内に光を結合する導波路は比較的狭い。比較的広い導波路はより多数の横モードを支持するため、導波路からの光が円筒状マイクロキャビティの非赤道ＷＧＭに入って失われる可能性が増す。しかしバルジ状マイクロキャビティの三次元閉じ込め特性が高Ｑを有する非赤道モードの効率的な励起を可能にするため、より広い導波路をバルジ状マイクロキャビティと共に用い得る。より広い導波路の使用が、光源と導波路との間および導波路とマイクロキャビティとの間の光の光学的結合効率の向上につながり得る。
【００４６】
バルジ状キャビティ微小共振器は、三次元光閉じ込めおよび高いＱ係数を始めとする多数の望ましい光学特性を保持している。微小球と比較するとバルジ状キャビティはある大きさおよび形状でより容易に大量生産するとともに所定の位置で導波路アレイと位置合わせすることができる。さらにまたバルジ状キャビティの使用は、ＷＧＭ内の光とマイクロキャビティ外の蛍光体との間の相互作用が存在する相互作用領域を、より広く使用することにつながり得る。この相互作用は効果的な検体捕捉の向上につながり、感度が付随的に向上し得る。
【００４７】
軟化光ファイバを引っ張ってバルジ状マイクロキャビティを作製するのではなく、他の方法、例えば成形を用いてもバルジ状キャビティを形成し得る。マイクロキャビティを形成するのに用いられる材料は、１０００を超える、高Ｑマイクロキャビティ、例えば低吸収および散乱損失に適した光学特性も有する任意の好適な成形可能材料であり得る。高分子、例えばポリメチルメタクリレートなどのアクリレート類、ジメチルポリシロキサンなどのポリシロキサン類を成形可能な材料として用い得る。適当なポリシロキサン類の例には、ミシガン州ミッドランドのダウ・コーニング（Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｍｉｄｌａｎｄ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ）から入手可能なＱ３−６６９６紫外線硬化ポリシロキサンまたはシルガード（ＳＹＬＧＡＲＤ）１８４、日本国東京の信越（Ｓｈｉｎ−Ｅｔｓｕ，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ）から入手可能なＯＦ−２０６、もしくはミシガン州フリントのゲネゼー・ポリマーズ（Ｇｅｎｅｓｅｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，Ｆｌｉｎｔ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ）から入手可能なＧＰ５５４がある。他の適当な高分子には、テネシー州コリエビル（Ｃｏｌｌｉｅｒｖｉｌｌｅ，Ｔｅｎｎｅｓｓｅｅ）のＡＯＣにより供給されるビキャスト（Ｖｉｃａｓｔ）（登録商標）などのポリエステル類がある。高分子類の使用により１０００を超えるＱの値を有するマイクロキャビティの作製を容易にすることができるとともに、５×１０6までの値が報告されている。
【００４８】
成形バルジ状マイクロキャビティに、取り扱いを容易にするために取り付けた支持部材を設け得るとともに、支持部材は１つまたは複数の異なるバルジ状キャビティを支持し得る。成形した一組１１００のバルジ状マイクロキャビティの一例が図１１Ａに概略的に図示されており、横支持部材１１０８を介して多数のバルジ状マイクロキャビティ１１０４を支持する支持部材１１０２を示している。成形技術の利用が広範囲のバルジ状マイクロキャビティ形状の作製を可能にするため、バルジ状マイクロキャビティ１１０４の形状が図示の目的のためだけに提供されていることは理解できよう。さらにまた支持部材１１０２は異なる形状で形成し得るとともに、異なる数のバルジ状マイクロキャビティ１１０４を支持し得る。加えて成形した一組のマイクロキャビティを一連の導波路１００２と共に用い得る。図示の実施形態においてバルジ状マイクロキャビティ１１０４は共通の長軸１１０６を共有しているが、この必要はなくマイクロキャビティ１１０４は各々異なる長軸を有し得る。横支持部材１１０８は軸１１０６を横断する構成要素を有する方向に延在している。
【００４９】
高分子マイクロキャビティを形成する他の手法は、例えば図１１Ｂに示すようにバルジ状マイクロキャビティ１１２４の連続線形アレイ１１２０を成形することである。バルジ状マイクロキャビティ１１２４は接続領域１１２２を介して接続されている。線形アレイ１１２０はアレイ１１００の端部１１２６の一方または両方に取り付けられた支持部材（図示せず）により外部から支持され得る。このような線形アレイを例えば成形可能な材料で全体的に形成されるように作製し得る。
【００５０】
他の手法においてバルジ状マイクロキャビティを、異なる材料で形成されたコアを取り囲む高分子外層を成形することにより形成し得る。例えばバルジ状マイクロキャビティ用の開始材料は高分子被覆ガラスコア、例えばシリカガラスコアであり得る。この高分子外層を、バルジ状キャビティ１１２４を形成するバルジを作製するように成形する。ＷＧＭは主に高分子外層内に、または全体的に高分子外層内に存在し得る。
【００５１】
したがって本発明は上述した特定の実施例に限定されることなく、添付の特許請求の範囲に正しく記載されたように本発明のすべての態様を網羅するものと考えるべきものである。本明細書を検討すれば本発明を適用可能な様々な変更例、等価物、方法および多数の構造は本発明が対象とする技術の当業者には容易に明らかになろう。特許請求の範囲はこのような変更例および考案物を網羅しようとするものである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１Ａ】マイクロキャビティセンサの実施形態を概略的に図示する。
【図１Ｂ】マイクロキャビティセンサの異なる実施形態を概略的に図示する。
【図１Ｃ】マイクロキャビティセンサの異なる実施形態を概略的に図示する。
【図２】マイクロキャビティ共振器のウィスパリングギャラリモードを概略的に図示する。
【図３Ａ】円筒状マイクロキャビティを概略的に図示する。
【図３Ｂ】球状マイクロキャビティを概略的に図示する。
【図３Ｃ】バルジ状マイクロキャビティを概略的に図示する。
【図４Ａ】図３Ａで図示されたマイクロキャビティの共振スペクトルの部分を概略的に表わす。
【図４Ｂ】図３Ｂで図示されたマイクロキャビティの共振スペクトルの部分を概略的に表わす。
【図４Ｃ】図３Ｃで図示されたマイクロキャビティの共振スペクトルの部分を概略的に表わす。
【図５Ａ】本発明の原理による、バルジ状キャビティの実施形態を概略的に図示する。
【図５Ｂ】本発明の原理による、バルジ状キャビティの異なる実施形態を概略的に図示する。
【図６】光ファイバから形成したバルジ状マイクロキャビティの写真を示す。
【図７】図６に示したバルジ状キャビティの共振スペクトルを表わす。
【図８Ａ】図６に示したバルジ状キャビティの共振スペクトルを表わす。
【図８Ｂ】図６に示したバルジ状キャビティの共振スペクトルを表わす。
【図９Ａ】光ファイバ内に形成された円筒状マイクロキャビティの写真を示す。
【図９Ｂ】図９Ａに示した円筒状マイクロキャビティの共振スペクトルを表わす。
【図９Ｃ】図９Ａに示した円筒状マイクロキャビティの共振スペクトルを表わす。
【図１０】本発明の原理による、バルジ状マイクロキャビティを用いて形成したマイクロキャビティアレイを概略的に図示する。
【図１１Ａ】本発明の原理による複数のバルジ状キャビティを有するバルジ状キャビティ部材を概略的に図示する。
【図１１Ｂ】本発明の原理による複数のバルジ状キャビティを有するバルジ状キャビティ部材を概略的に図示する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【国際調査報告】
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