(57)【要約】  光学的検知システム及び方法が開示される。一実施形態では、散乱中心の検出方法は、光源と、第１のバス導波路が光源と光通信する入力ポートを有する１つ以上のバス導波路と、１つ以上のバス導波路に光結合した微小共振器と、微小共振器と光結合が可能である散乱中心と、を含む光学的検知システムを提供する工程を含む。本方法は、微小共振器の少なくとも第１共振導波光学モードを光源で励起させる工程と、散乱中心と微小共振器との間の光結合の強度を変化させて、微小共振器の第１モードと少なくとも第２導波光学モードとの間の光散乱における変化を誘発する工程と、第１モードから第２モードへのエネルギーの移動における変化を検出する工程とを更に含む。
2010511870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小共振器の２つの導波光学モードの間の光散乱の検出方法であって、
光源と、
１つ以上のバス導波路であって、前記光源と光通信する入力ポートを有する第１のバス導波路を備える前記１つ以上のバス導波路と、
前記１つ以上のバス導波路に光結合した微小共振器と
を備える光学的検知システムを提供する工程と、
前記微小共振器の少なくとも第１共振導波光学モードを前記光源で励起させる工程と、
前記微小共振器の第１共振導波光学モードから少なくとも第２導波光学モードへの光散乱における変化を誘発する工程であって、前記第２モードが前記第１モードとは異なる工程と、
光散乱における変化を検出する工程とを含む、方法。
【請求項２】
前記微小共振器が、垂直結合によって１つ以上のバス導波路に光結合される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記微小共振器が、横結合によって１つ以上のバス導波路に光結合される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記微小共振器が、エバネッセント結合によって１つ以上のバス導波路に光結合される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記微小共振器が、コア結合によって１つ以上のバス導波路に光結合される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記微小共振器が、多モード干渉結合器によって１つ以上のバス導波路に光結合される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記微小共振器が、リング、ディスク、又はレーストラックである、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記光散乱における変化を検出する工程が、前記入力ポートで第２モードを検出することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記光散乱における変化を検出する工程が、
光サーキュレータを前記入力ポートと光通信するように配置することを含み、前記光サーキュレータが、前記第２モードの検出器との光結合を可能にする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記光散乱における変化を検出する工程が、
光スプリッタを前記入力ポートと光通信するように配置することを含み、前記光スプリッタが、前記第２モードの検出器との光結合を可能にする、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記１つ以上のバス導波路が、ドロップポート及びドロップ２ポートを有する第２のバス導波路を更に含み、前記ドロップポートが、主に前記第１の導波光学モードに光結合可能であり、前記ドロップ２ポートが、主に前記第２の導波光学モードに光結合可能であり、
前記光散乱における変化を検出する工程が、前記ドロップ２ポートで前記第２の導波光学モードを検出することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１モードと前記第２モードとの間の光散乱における変化を検出する工程が、前記微小共振器の中心で誘発散乱を検出することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１導波光学モードから前記第２導波光学モードへの光散乱における変化を誘発する工程が、
散乱中心と前記微小共振器との間の光結合の強度の変化を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記散乱中心と前記微小共振器との間の光結合の強度を変化させる工程が、
前記散乱中心と前記微小共振器との間の光結合を高めることを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
散乱中心と前記微小共振器との間の光結合の強度を変化させる工程が、
前記散乱中心と前記微小共振器との間の光結合を低下させることを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
散乱中心と前記微小共振器との間の光結合の強度を変化させる工程が、
前記散乱中心の屈折率を変えることを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記散乱中心が、共振器のコア内に埋め込まれた様々な屈折率の領域である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記散乱中心が、粒子を含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１９】
前記散乱中心が、ナノ粒子である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ナノ粒子が、金属ナノ粒子、半導体ナノ粒子、又は誘電体ナノ粒子である、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記微小共振器の第２導波光学モードが、前記微小共振器の共振モードである、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記微小共振器の第１導波光学モード及び第２導波光学モードが、実質的に同じ波長を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１共振導波光学モード及び第２導波光学モードが、同じ波長を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
散乱中心の検出方法であって、
光源と、
１つ以上のバス導波路であって、前記光源と光通信する入力ポートを有する第１のバス導波路を備える１つ以上のバス導波路と、
前記１つ以上のバス導波路に光結合した微小共振器と、
前記微小共振器と光結合が可能である散乱中心と
を備える光学的検知システムを提供する工程と、
前記微小共振器の少なくとも第１共振導波光学モードを前記光源で励起させる工程と、
前記散乱中心と前記微小共振器との間の光結合の強度を変化させて、前記微小共振器の前記第１モードと少なくとも第２導波光学モードとの間の光散乱における変化を誘発する工程と、
前記第１モードから前記第２モードへのエネルギーの移動における変化を検出する工程とを含む、方法。
【請求項２５】
エネルギーの移動における変化を検出する工程が、前記入力ポートで前記第２モードを検出することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
エネルギーの移動における変化を検出する工程が、
光サーキュレータを前記入力ポートと光通信するように配置することを含み、前記光サーキュレータが、前記第２モードの検出器との光結合を可能にする、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
エネルギーの移動における変化を検出する工程が、
光スプリッタを前記入力ポートと光通信するように配置することを含み、前記光スプリッタが、前記第２モードの検出器との光結合を可能にする、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記１つ以上のバス導波路が、ドロップポート及びドロップ２ポートを有する第２のバス導波路を更に備え、前記ドロップポートが、主に前記第１の導波光学モードに光結合可能であり、前記ドロップ２ポートが、主に前記第２の導波光学モードに光結合可能であり、
前記エネルギーの移動における変化を検出する工程が、前記ドロップ２ポートで前記第２の導波光学モードを検出することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１モードと前記第２モードとの間のエネルギーの移動における変化を検出する工程が、前記微小共振器の中心で誘発散乱を検出することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項３０】
被検物質の検出方法であって、
光散乱中心を有する被検物質種を標識する工程と、
光源と、
１つ以上のバス導波路であって、前記光源と光通信する入力ポートを有する第１のバス導波路を備える１つ以上のバス導波路と、
前記１つ以上のバス導波路と光結合し、前記被検物質と化学的に特異的結合可能な表面を有する微小共振器と
を備える光学的検知システムを提供する工程と、
前記微小共振器の少なくとも第１共振導波光学モードを前記光源で励起させる工程と、
前記微小共振器の表面を前記標識された被検物質種にさらす工程と、
前記微小共振器の前記第１モードから少なくとも第２導波光学モードへの光散乱における変化を誘発する工程と、
光散乱おける変化を検出する工程とを含む、方法。
【請求項３１】
光散乱における変化が、前記共振器の前記第２導波光学モードから前記１つ以上のバス導波路に結合された光の強度における変化を検出することにより検出される、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記散乱中心が、ナノ粒子である、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記ナノ粒子が、金属である、請求項３２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、本発明の譲受人に譲渡された特許出願第１１／５６５，９２０号、名称「光学的検知装置（OPTICAL SENSING DEVICE）」（２００６年１２月１日出願、代理人整理番号６２２６３ＵＳ００２でもある）に関し、その特許出願の全体を参照により本明細書に組み込む。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、一般に光学デバイスに関し、より詳細には、微小共振器を使用する光学センサに関する。
【背景技術】
【０００３】
光学的検知は、生物学的種、化学種、及びガス種の検出のための重要な技術となりつつある。光学的検知は、速度及び感度の利点を提供できる。近年、非常に高感度の光学デバイスを製造するために、多くの新規フォトニック構造及び材料が開発されている。
【０００４】
被分析物検出のための１つの光学的検知方法は、集積光導波路を使用する。そのようなセンサは、導波路表面上に吸着された化学種及び生物学的種を検出できることが実証されている。しかし、集積光導波路化学分析は、多くの分析応用のための十分な光信号変化を得るために大きな検知デバイス（通常数センチメートルの長さ）を必要とする場合がある。
【０００５】
光学センサを製造するために、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）も使用されている。ＳＰＲ技術は、商業化されており、生体分子相互作用を特性評価及び定量するのに不可欠なツールとなっている。しかし、そのような測定システムは、嵩高な場合がある。
【０００６】
光学的微小共振器が、現在、生化学的検知、化学的検知、及びガス検知での利用について集中的に調査されている。光学的微小共振器は、高い品質係数（Ｑ係数（Q-factor））を有することのできる非常に小さなデバイスであり、Ｑ係数は、一般に共振波長と共振線幅との比を指す。例えば、ガラス球でできた微小共振器を使用して、非常に高感度の光学センサを製造することができ、これは、微小球共振器内に捕らえられた光が何度も循環して、微小球の表面上の被分析物と微小共振器内を循環する光との間の光学的相互作用の有効な増強を可能にする高いＱ係数（＞１０６）を有するデバイスを作り出すからである。光学的微小共振器センサでは、微小共振器の表面の近くに配置された導波光学モードを励起させるためにバス導波路が使用される。共振光学モードの一例は、ウィスパリング・ギャラリー・モードである。次いで、被分析物が、微小球のモードのエバネッセントフィールド内に置かれる。センサの屈折率の変化は、共振周波数のシフトによって検出される。シフトしたスペクトルは、検出器に接続された第２のバス導波路を使用して微小共振器から抽出できる。
【０００７】
様々な種類の光学的微小共振器が光学センサを製造する目的で調査されてきたが、微小球、微小リング、及び微小ディスクが最も注目を集めている。半導体製作プロセスに基づいた微小ディスク又は微小リングは、大量又は／又は高密度で製作するのが比較的容易である。導波路に対するそれらの位置は、乾式／湿式エッチング及び層堆積などの製作技術を使用して調節できる。しかし、これらの共振器のＱ係数は、少なくとも一部は表面粗さ及び材料吸収が原因で、通常１０４未満である。
【０００８】
微小球を使用して検知するための従来の手法では、球の表面への被分析物の結合が、球の実効屈折率の小さな変化をもたらす。これが、共振スペクトルにおけるピークの波長位置の小さなシフトをもたらす。これらのシフトは、通常ピコメートルの範囲である。そのような小さなシフトを検出するためには、スペクトル分析用の高価な機器が必要とされる。更に、微小共振器は、小さなピークシフトを検出できるように、非常に狭い線幅を与えるように設計されなければならない。これは、高フィネス（自由スペクトル域を線幅によって除したもの）、又は同等に、高品質係数（動作波長を線幅によって除したもの）微小共振器を必要とする。これは、小さな周波数シフトを検出するための、微小共振器における低損失導波路、及び微小共振器とバス導波路との間の弱い結合の必要を意味する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
微小共振器を使用する改良された光学的検知システムが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、概して、光学システムに関する。本発明は、特に、微小共振器を組み込む光学センサなどの光学システムに適用される。
【００１１】
本発明の一実施形態は、微小共振器の２つの導波光学モードの間の光散乱の検出方法であり、光源と、１つ以上のバス導波路とを含む光学的検知システムを提供する工程を含み、第１のバス導波路は、光源と光通信する入力ポートを有する。光学的検知システムは、１つ以上のバス導波路と光結合した微小共振器を更に含む。本方法は、微小共振器の少なくとも第１共振導波光学モードを光源で励起させる工程と、微小共振器の第１共振導波光学モードから少なくとも第２導波光学モードへの光散乱における変化を誘発する工程であって、第２モードが第１モードとは異なる工程と、光散乱における変化を検出する工程とを更に含む。
【００１２】
本発明の別の実施形態は、散乱中心の検出方法であり、光源と、第１のバス導波路が光源と光通信する入力ポートを有する１つ以上のバス導波路と、１つ以上のバス導波路に光結合した微小共振器と、微小共振器と光結合が可能である散乱中心と、を含む光学的検知システムを提供する工程を含む。本方法は、微小共振器の少なくとも第１共振導波光学モードを光源で励起させる工程と、散乱中心と微小共振器との間の光結合の強度を変化させて、微小共振器の第１モードと少なくとも第２導波光学モードとの間の光散乱における変化を誘発する工程と、第１モードから第２モードへのエネルギーの移動における変化を検出する工程とを更に含む。
【００１３】
本発明の別の実施形態は、被分析物の検出方法であり、光散乱中心を有する被分析物種を標識する工程と、光学的検知システムを提供する工程とを含む。光学的検知システムは、光源と、光源と光通信する入力ポートを有する第１のバス導波路を含む１つ以上のバス導波路と、１つ以上のバス導波路と光結合し、被分析物と化学的に特異的結合可能な表面を有する微小共振器とを含む。本方法は、微小共振器の少なくとも第１共振導波光学モードを光源で励起させる工程と、微小共振器の表面を標識された被分析物種にさらす工程と、微小共振器の第１モードから少なくとも第２導波光学モードへの光散乱における変化を誘発する工程と、光散乱における変化を検出する工程とを更に含む。
【００１４】
本発明の上記の概要は、本発明の各図示の実施形態又はすべての実施を説明しようとするものではない。図及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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
添付の図面ととも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、本発明は、更に完全に理解されると思われる。
【図１】それぞれの光学システムの概略上面図及び側面図。
【図２】それぞれの光学システムの概略上面図及び側面図。
【図３】それぞれの光学システムの概略上面図及び側面図。
【図４】シングルバスリング共振器を有する光学システムの概略上面図であり、
【図５】中心の光検出器を備えるシングルバスディスク共振器を有する光学システムの概略上面図。
【図６】ダブルバスレーストラックリング共振器を有する光学システムの概略上面図。
【図７】シリコンナノ粒子散乱中心あり／なしの場合の、光学システムのスルーポートのところで検出された信号強度対波長のプロット。
【図８】シリコンナノ粒子散乱中心あり／なしの場合の、光学システムのドロップ２ポートのところで検出された信号強度対波長のプロット。
【図９】金ナノ粒子散乱中心あり／なしの場合の、光学システムのスルーポートのところで検出された信号強度対波長のプロット。
【図１０】金ナノ粒子散乱中心あり／なしの場合の、光学システムのドロップ２ポートのところで検出された信号強度対波長のプロット。
【図１１】アルミニウムナノ粒子散乱中心あり／なしの場合の、光学システムのスルーポートのところで検出された信号強度対波長のプロット。
【図１２】アルミニウムナノ粒子散乱中心あり／なしの場合の、光学システムのドロップ２ポートのところで検出された信号強度対波長のプロット。
【図１３】２つのバス導波路と微小共振器との間の垂直結合を有する光学デバイスの概略側面図。
【図１４】多モード干渉結合器を介して２つのバス導波路に結合したレーストラックリング共振器を有する光学システムの概略上面図。
【図１５】散乱中心あり／なしの場合の、光学システムのドロップ２ポートのところで検出された信号強度対波長のプロット。
【００１６】
本発明は様々な変更及び代替形状が可能であるが、その具体例を一例として図面に示すとともに詳細に説明する。しかしながら、本発明を、記載される特定の実施形態に限定することを意図しないことが理解されよう。逆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趣旨及び範囲内にあるすべての変更例、等価物及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形態】
【００１７】
本発明は、導波路と、光共振微小キャビティと、微小キャビティに光結合した光散乱中心とを含み、その光結合の程度を変えることがきる、光学センサについて記載する。そのような光共振微小キャビティは、微小共振器と呼ばれることもある。
【００１８】
散乱中心の導入又は除去が微小共振器システムにおいて有意な信号増強を引き起こす、微小共振器を使用する光学的検知のための新しい手法が、本明細書によって提示される。有意な信号増強は、これまでの微小共振器検知システムよりも安価な光源及び検出器の使用を可能にする。
【００１９】
本発明は、検出感度を犠牲にすることなく、検知用途及びデバイスにおける広帯域光源及び検出器の使用を可能にする。広帯域源及び検出器を使用する利点は、総デバイスコストの削減である。
【００２０】
本明細書において、複数の図において用いられる同じ参照符号は、同一の又は類似の特性及び機能性を有する同一の又は類似の要素を指す。
【００２１】
ここで、図１の上面図、並びに図２及び図３の断面図に概略的に示されている、微小共振器を使用する微小共振器−導波路システム１００の一例について説明する。本明細書で更に論じるように、単一の導波路を有するシステムもまた本発明に従って使用できる。しかしながら、第１の実施例として、２重バス導波路システムについて論じる。
【００２２】
光学デバイス１００は、基板１０３上に配置された下側クラッド層１０５上にすべて配置された、光学的微小共振器１１８と、第１の光導波路１０４と、第２の光導波路１３２とを含む。
【００２３】
一部の場合には、微小共振器１１８は、１つ以上の周期性条件など、１つ以上の境界条件を付与することによって、微小共振器の許容光学モードを離散モードへと量子化することが可能である。一部の場合には、微小共振器１１８は、第１の導波光学モード１２８及び第２の導波光学モード１６４など、少なくとも２つの異なる導波光学モードをサポート可能であり、導波光学モード１２８は、導波光学モード１６４とは異なる。一部の場合には、モード１２８及び１６４は、同一の波長を有する。一部の場合には、モード１２８及び１６４は、異なる波長を有する。モード１２８及び１６４がほぼ同一の波長を有する場合、それらは、波長について異なる強度レベルを有することができる。本明細書で使用するとき、光学デバイス１００などの所与の光学構成について、光学モードは、光学構成における許容電磁場を指し、放射又は放射モードは、光学構成内に拘束されない光学モードを指し、導波モードは、高屈折率領域の存在により光学構成内で少なくとも１つの寸法が拘束された光学モードを指し、共振モードは、光学構成において追加境界条件要件にさらされる導波モードを指しており、追加要件は、通常、周期的な性質である。
【００２４】
共振モードは、通常、離散導波モードである。一部の場合には、共振モードは、放射モードに結合可能とすることができる。他の一部の場合には、共振モードは、拘束されない放射成分を有することができる。一般に、微小共振器１１８の導波モードは、共振モードとすることも非共振モードとすることもできる。例えば、光学モード１２８及び１６４は、微小共振器１１８の共振モードにできる。
【００２５】
一部の場合には、第１の導波光学モード１２８及び／又は第２の導波光学モード１６４は、同一の電場プロファイルを維持しながら微小共振器内を伝播可能である。そのような場合、伝播モードの形状又はプロファイルは、そのモードが、例えば、吸収又は放射損失によってエネルギーを徐々に失う場合でも、長期にわたってほぼ同じままである。
【００２６】
図１〜３を参照すると、光源１０２は、第１のバス導波路１０４と光通信している。光源が配置された導波路１０４の端部は、入力ポート１０６である。導波路１０４の他端は、スルーポート１０８である。入力ポート検出器１１０が、入力ポート１０６のところに配置される。光学コンポーネント１１２は、入力光１２４を入力ポート１０６とだけ通信させ、第１のバス導波路１０４内を入力ポート１０６に向かって進む光を入力検出器１１０に向かって誘導できるように、光源１０２、入力検出器１１０、及び入力ポート１０６と光通信する。光学コンポーネント１１２は、特定の実施形態では、光スプリッタ又は光サーキュレータである。入力ポート検出器１１０は、光学コンポーネント１１２によって第１のバス導波路１０４と光通信しており、光を検出するように構成される。
【００２７】
微小共振器１１８は、第１の共振光学モード１２８及び第２の共振光学モード１６４をサポート可能であり、第１のバス導波路１０４に光結合している。入力ポート１０６は、第１共振モード及び第２の共振モードの両方に光結合可能である。光源１０２からの光１２４は、第１のバス導波路１０４内へと放たれ、スルーポート１０８に向かって伝播する。微小共振器１１８は、第１のバス導波路１０４から出てくる光１２４の一部をエバネッセント結合させ、結合していない光は、第１の共振光学モード１２８など、微小共振器１１８の共振周波数の１つ若しくはそれより多くにおいて微小共振器１１８内を伝播する。微小共振器１１８は、コア１２０とクラッド１２２とを含む。一部の実施形態では、上側クラッド１２２は、水を含むことができる。一部の場合には、上側クラッドは、例えば、異なる場所に、異なる材料を含むことができる。例えば、上側クラッドのいくつかの領域は、水を含むことができ、上側クラッドの他のいくつかの領域は、ガラスなどの他の材料を含むことができる。
【００２８】
第２のバス導波路１３２は、微小共振器１１８と光通信して位置決めされる。ドロップポート１３６は、第２のバス導波路１３２の一端に配置され、ドロップ２ポート１３８は、第２のバス導波路の他端に配置される。ドロップポート１３６は、第１の共振光学モードには主に光結合可能であるが、第２の共振光学モードには主に光結合可能ではない。ドロップ２ポート１３８は、第２の共振導波光学モードには主に光結合可能であるが、第１の共振導波光学モードには主に光結合可能ではない。ドロップ２ポート検出器１４４が、ドロップ２ポート１３８のところに配置される。
【００２９】
微小共振器１１８は、導波路に沿って伝播する光の一部分が微小共振器１１８内へとエバネッセント結合するように、導波路１０４及び１３２と物理的に接触して、あるいは導波路１０４及び１３２の非常に近くに位置決めることができる。また、微小共振器１１８内を伝播する光の一部分は、導波路１０４及び１３２内へとエバネッセント結合することになる。
【００３０】
図２は、第１のバス導波路１０４の軸に沿った、第１のバス導波路１０４を通る断面図である。図３は、第１のバス導波路の軸に垂直な、微小共振器１１８及び２つのバス導波路を通る断面図である。第１の光導波路及び第２の光導波路は、それぞれ、多数のクラッド間に配置されたコアを有する。例えば、第１の光導波路１０４は、上側クラッド１２２と下側クラッド１０５との間に配置された、厚さｈ２のコアを有する。同様に、第２の光導波路１３２は、上側クラッド１２２と下側クラッド１０５との間に配置された、厚さｈ３のコアを有する。一部の場合には、上側クラッド１２２は、空気又は水を含むことができる。
【００３１】
図１〜３の代表的な光学デバイス１００では、微小共振器１１８並びに光導波路１０４及び１３２は、異なる厚さを有する。一般に、厚さｈ１、ｈ２、及びｈ３は、同じ値であっても同じ値でなくてもよい。一部の用途では、微小共振器１１８並びに光導波路１０４及び１３２は、同一の厚さを有する。
【００３２】
散乱中心が微小共振器システム１００に及ぼす影響は、本発明の方法の中核を成す。図１は、微小共振器１１８と光通信している散乱中心１５０を示す。しかし、散乱中心１５０の効果について説明する前に、散乱中心１５０のない微小共振器システム１００の使用について説明する。
【００３３】
微小共振器を使用して検知するための従来の一手法では、微小共振器１１８のコア１２０の表面１４９が、被分析物と化学的に特異的結合可能となるように機能化される。微小共振器の表面への被分析物の結合は、微小共振器の実効屈折率の小さな変化を引き起こし、それが微小共振器透過スペクトルにおけるピークの波長位置をシフトさせる。これらのシフトは、スルーポート１０８及びドロップポート１３６のところで観察される。したがって、スルーポート１０８及び／又はドロップポート１３６のところでの透過スペクトルのピークのシフトの検出は、被分析物の存在を示す。微小共振器を使用して検知するための他の従来の手法が存在しており、様々な手法のいくつかの例が、同一所有者の米国公開特許出願第２００６／００６２５０８号に詳述されており、その特許出願を参考として引用し、本明細書に組み込む。
【００３４】
光源１０２によって発せられた光１２４は、第１のバス導波路１０４内を進み、微小共振器１１８は、第１のバス導波路１０４から出てくる光１２４の一部をエバネッセント結合させ、その結果、結合していない光は、第１の光学共振モード１２８など、微小共振器１１８の共振周波数の１つ若しくはそれより多くにおいて微小共振器１１８内を伝播する。微小共振器の共振モードの一例は、「ウィスパリング・ギャラリー・モード（whispering gallery modes）」である。幾何光学系では、ウィスパリング・ギャラリー・モード（ＷＧＭ）の光線は、いくつもの全内部反射を経て、始点から微小共振器の周りを伝播し、やがては始点に戻る。ＷＧＭに加えて、微小共振器には他の多くの共振モードが可能である。
【００３５】
散乱中心が存在しない高品質微小共振器の場合、第１の共振モード１２８は、スルーポート１０８及びドロップポート１３６に結合しており、検出器は、微小共振器における共振周波数のスペクトルを検出できる。共振モード１２８は、ドロップ２ポート１３８若しくは入力ポート１０６に、弱く結合しており、又は本質的に結合しない。スルーポート出力グラフ１５１は、スルーポート１０８のところで検出される光スペクトルの一例を示しており、強度対波長をグラフにしている。実線１５２は、散乱中心が存在しない場合に検出されうる光スペクトルの一例である。プロット１５２の強度極小値は、例えば、微小共振器１１８の実効屈折率が、例えば、導波路の表面への被分析物の結合によって改変される、例えば増大するときには、数ピコメートル程度のシフトを起こすことになる。このように、微小共振器の表面１４９への被分析物の結合は、従来の検知システムの一例で検出される。
【００３６】
同様に、微小共振器１１８内を伝播する光１２８は、第２のバス導波路１３２に結合し、ドロップポート１３６のところで検出される。ドロップポート出力グラフ１６０は、ドロップポート１３６のところで検出される光スペクトルの一例を示しており、強度対波長をグラフにしている。実線１６２は、散乱中心なしに検出されうる光スペクトルの一例である。プロット１６２のピークは、微小共振器１１８の実効屈折率が、導波路の表面１４９への被分析物の結合によって改変されるときには、数ピコメートル程度のシフトを起こすことになる。
【００３７】
ドロップポート１３６又はスルーポート１０８のところで数ピコメートル程度のスペクトルシフトを検出するためには、微小共振器出力スペクトルの関連のあるスペクトル領域をスキャンするためにかなり高価な波長可変の狭線幅レーザ源が使用される。あるいは、広帯域源及び高価なスペクトル分析器を使用することもできる。更に、微小共振器１１８は、小さなピークシフトを検出できるよう、狭い線幅を生み出すように設計される。微小共振器は、自由スペクトル域を線幅によって除したものである高フィネスを用いて、狭い線幅を生み出すことができる。微小共振器は、また、動作波長を線幅によって除したものである同等に高い品質係数を用いて、狭い線幅を生み出すことができる。これは、例えば、バス導波路に弱く結合した低損失共振器を用いて、達成できる。
【００３８】
前述した代表的な検知手法に比べて、本発明の散乱中心検知手法の使用は、ドロップポート１３６及びスルーポート１０８のところで、通常、ピコメートルではなくナノメートル程度の、共振ピークのスペクトル位置のはるかに大きな変化をもたらす。更に、微小共振器の広帯域伝達特性の大きな変化が観察される。これらの伝達特性は、ドロップ２ポート及び入力ポートのところで観察することができ、狭線幅の波長可変レーザ源の必要をなくすことによってシステムを単純化する可能性を有する。
【００３９】
本発明の一実施形態による検知イベントの間、散乱中心と微小共振器との間の光結合の強度が変化する。これは、例えば、散乱中心が微小共振器に光結合した状態になることによって、又は散乱中心が微小共振器との光結合から除去されることによって起こる。散乱中心が微小共振器に光結合するときには、微小共振器のモードのうちの１つ以上の光フィールドは、散乱中心と重なる。
【００４０】
再び図１を参照すると、散乱中心１５０が微小共振器と光通信しているときには、第１の共振光学モード１２８は、少なくとも、第１の共振光学モードとは異なる第２の導波光学モード１６４へと散乱される。第２の導波光学モードは、主に、入力ポート１０６及びドロップ２ポート１３８に結合する。グラフ１６６は、ドロップ２ポート１３８のところでの光出力のスペクトルを示す。実線１６８は、散乱中心が存在しないときの光出力のプロットである。散乱中心が存在しないときには、本質的にドロップ２ポートに分配される光は存在しない。破線１６９は、散乱中心１５０が微小共振器と光通信しているときの、ドロップ２ポート１３８のところでの光出力のスペクトルを示す。プロット１６９では有意なピークが観察される。したがって、散乱中心の存在は、広範囲の動作周波数について、ドロップ２ポートへの大きなエネルギー伝達をまねく。その結果、ドロップ２ポート１３８のところの出力を監視することによって、散乱中心が微小共振器に取り付けられているか否かを検出することが簡単になる。出力は、特定の波長におけるより大きなピークについて、及び／又はすべての波長にわたるより大きな光出力について、監視できる。
【００４１】
同様の変化が、入力ポート１０６のところで観察される。グラフ１７０は、概念レベルで、入力ポート検出器１１０によって検出される、入力ポート１０６からの光出力のスペクトルを示す。実線プロット１７２は、ゼロに近い、散乱中心が存在しないときの光出力を示す。破線プロット１７４は、散乱中心が微小共振器に取り付けられているときの光出力のスペクトルを示す。プロット１７４では、プロット１７２に比べて有意なピークが観察される。したがって、散乱中心の存在は、広範囲の動作周波数について、入力ポート１０６へと後方に反射される大きなエネルギー伝達をもたらす。その結果、入力ポート１０６のところの出力を監視することによって、散乱中心が微小共振器に取り付けられているか否かを検出することが簡単になる。出力は、特定の波長におけるより大きなピークについて、及び／又はすべての波長にわたるより大きな光出力について、監視できる。
【００４２】
散乱中心による第１のモードから第２のモードへの光散乱は、入力ポート若しくはドロップ２ポートで、又はそれら両方の場所で、観察できる。したがって、様々な実施形態は、入力ポートだけ、若しくはドロップ２ポートだけ、又は入力ポートとドロップ２ポートとの両方に、検出器を含む。
【００４３】
微小共振器に光結合した散乱中心の存在もまた、スルーポート１０８及びドロップポート１３６のところで観察される出力の変化を引き起こす。本発明の特定の一実施形態では、ほとんどのバイオセンシングシステムでは水である環境のクラッド材料とは異なる屈折率をもつ散乱中心は、ナノメートルスケールの大きな共振線周波数シフトを誘発する。一部の場合には、クラッド屈折率と散乱中心屈折率との間には大きな相違があり、各屈折率は、複素屈折率となりうる。周波数シフトは、図１に概念的に示されている。スルーポート１０８のところでは、グラフ１５１の実線１５２は、散乱中心が存在しないスルーポート検出器１１４のところで検出されるスペクトルを示す。破線１７６は、散乱中心が微小共振器と光結合するときに検出されるスペクトルを示しており、ピークがプロット１５２に比べてシフトしている。代表的なグラフ１５２では、シフトは、例えば、散乱中心の屈折率の実部がクラッド材料の屈折率よりも大きいことに対応して、より長い波長又は赤方偏移に向かう。
【００４４】
同様の変化がドロップポート１３６のところで見られ、破線１７８は、散乱中心ありのスペクトルを示し、実線１６２は、散乱中心なしのスペクトルを示す。散乱中心の結合強度の変化を検出するために、散乱中心とドロップポート又はスルーポートのところでの出力における周波数シフトとを使用する微小共振器検知システムについては、同一所有者の同時係属中の特許出願第＿＿＿＿＿＿＿＿号、名称「光学的微小共振器（Optical Microresonator）」（本願と同一日付に出願、代理人整理番号６２４５１ＵＳ００２）に詳述されている。したがって、様々な検知システムでは、検出器は、ドロップポート１３６若しくはスルーポート１０８のところに、又はそれら両方に配置される。
【００４５】
図４は、光源４０２が入力ポート４０６のところで単一の導波路４０４と光通信している、シングルバスリング共振器の実施形態４００の概略図である。入力ポート検出器４１０が、入力ポート４０６のところに位置決めされる。光スプリッタ又は光サーキュレータなどの光学コンポーネント４１２が、入力ポート４０６、光源４０２、及び入力ポート検出器４１０と光通信している。
【００４６】
リング微小共振器４１８が、導波路４０４と光通信している。光源４０２からの光４２４は、第１のバス導波路４０４内へと放たれ、スルーポート４０８に向かって伝播する。微小共振器４１８は、第１のバス導波路４０４から出てくる光４２４の一部をエバネッセント結合させ、結合していない光は、第１の共振光学モード４２８など、微小共振器４１８の共振周波数の１つ若しくはそれより多くにおいて微小共振器４１８内を伝播する。
【００４７】
本発明の一実施形態による検知イベントの間、散乱中心４５０と微小共振器４１８との間の光結合の強度が変化する。散乱中心４５０が微小共振器と光通信しているときには、第１の導波光学モード４２８は、少なくとも、第１の導波光学モードとは異なる第２の導波光学モード４６４へと散乱される。第２の導波光学モードは、主に入力ポート４０６に結合し、入力ポートから光４２６として出る。散乱中心の存在は、広範囲の動作周波数について、入力ポート４０６へと後方に反射される大きなエネルギー伝達をもたらす。その結果、散乱中心の結合の変化は、検出器４１０によって入力ポート４０６のところで光４２６を監視することによって確かめることができる。
【００４８】
代替的な一実施形態では、リング共振器４１８は、ディスク共振器に置き換えられる。
【００４９】
図５は、光５２４を導波路５０４に提供するために、入力ポート５０６のところで単一の導波路５０４と光通信する光源５０２を含む、シングルバスディスク共振器の実施形態５００の概略図である。本明細書で示される他の実施形態とは異なり、光検出器５１０は、導波路ポートの代わりに、ディスク共振器５１８の中心５１１に位置決めされる。散乱中心５５０は、微小共振器５１８との光通信状態にされるか、又は光通信状態から除去される。ここに示される実施形態では、第１の共振光学モード５２８と第２の導波光学モード５６４との間の誘発散乱を検出する工程には、微小共振器５１８の中心位置で誘発散乱を検出する工程が含まれる。
【００５０】
図６は、光源６０２が入力ポート６０６のところで第１の導波路６０４と光通信している、ダブルバス導波路レーストラック微小共振器の実施形態６００の概略図である。入力ポート検出器６１０が、入力ポート６０６のところに位置決めされる。スルーポート６０８は、第１の導波路６０４の他端に存在する。光スプリッタ又は光サーキュレータなどの光学コンポーネント６１２は、入力ポート６０６、光源６０２、及び入力ポート検出器６１０と光通信している。
【００５１】
光源６０２からの光６２４は、第１のバス導波路６０４内へと放たれ、スルーポート６０８に向かって伝播する。レーストラック微小共振器６１８は、２つの湾曲部分６１９と、２つの直線状部分６２０とを含む。微小共振器６１８は、第１のバス導波路６０４から出てくる光６２４の一部をエバネッセント結合させ、結合していない光は、第１の共振光学モード６２８など、微小共振器６１８の共振周波数の１つ若しくはそれより多くにおいて微小共振器６１８内を伝播する。一部の場合には、レーストラック６１８は、単一横モードレーストラックであり、それは、レーストラックが、レーストラック内の光伝播方向を横断する方向で単一のモードをサポートすることを意味する。他の一部の場合には、レーストラック６１８は、マルチ横モードレーストラックである。
【００５２】
第２のバス導波路６３２は、微小共振器６１８と光通信して位置決めされる。ドロップポート６３６は、第２のバス導波路６３２の一端に配置され、ドロップ２ポート６３８は、第２のバス導波路６３２の他端に配置される。ドロップポート６３６は、主に、第１の導波光学モード６２８に光結合可能である。ドロップ２ポート６３８は、第１の導波光学モードには非常に弱く結合可能であるか、又は第１の導波光学モードには結合可能ではない。ドロップ２ポート検出器６４４が、ドロップ２ポート６３８のところに配置される。
【００５３】
散乱中心６５０による第１のモードから第２のモードへの光散乱は、入力ポート６０６若しくはドロップ２ポート６３８で、又はそれら両方の場所で、観察できる。したがって、様々な実施形態には、入力ポート６０６と光通信する検出器、ドロップ２ポート６３８と光通信する検出器、又は入力ポート及びドロップ２ポートとそれぞれ光通信する第１検出器及び第２の検出器が含まれる。
【００５４】
第１の共振導波光学モードから少なくとも第２の導波光学モードへの光散乱を誘発するように構成された微小共振器導波路システムの他の実施形態が、同一所有者の米国特許出願第＿＿＿＿＿＿＿＿号、名称「光学的微小共振器（Optical Microresonator）」（本願と同一日付に出願、代理人整理番号６２４５１ＵＳ００２号）に示され、記載されており、その特許出願の全体を参考として引用し、本明細書に組み込む。
【００５５】
散乱中心は、微小共振器に光結合したときに、微小共振器内の共振モードの波動関数に摂動を与えて、散乱中心が存在しない場合に入力によって励起されるモード（図１の少なくとも第１の共振光学モード１２８など）から、散乱中心が存在しない場合には励起されないモード（図１の少なくとも第２の導波光学モード１６４など）へのエネルギー伝達を引き起こすことが可能な要素である。一実施形態では、散乱中心は、第１のモードから第２のモードへのエネルギー伝達を増大させるが、第１のモードから第２のモードへのいくらかのエネルギー伝達は、散乱中心が存在しない場合でも起こることがある。
【００５６】
本発明の検知方法とともに使用できる散乱中心の例には、ナノ粒子が含まれる。本明細書で使用するとき、用語「ナノ粒子」は、１０００ナノメートル以下程度の最大寸法を有する粒子を指す。特定の実施形態では、散乱中心は、少なくとも２０ナノメートル、若しくは最大でも１００ナノメートル、又はその両方である。他の実施形態では、散乱中心は、少なくとも１０ナノメートル、若しくは最大でも１５０ナノメートル、又はその両方である。
【００５７】
本発明の一実施形態では、散乱中心は、通常は水である、検知イベントの間に散乱中心を取り囲むことになる媒質に比べて、高い屈折率差を有する。本発明の一実施形態では、散乱中心は、高い吸収値を有する。例えば、散乱中心材料の複素屈折率の虚部分は、少なくとも８である。
【００５８】
金のような一部の金属の場合など、一部の場合には、散乱中心の屈折率の実部は、１未満である。シリコンの場合など、他の一部の場合には、散乱中心の屈折率の実部は、２．５を超える。
【００５９】
本発明とともに使用するのに適した散乱中心の例としては、シリコンナノ粒子、並びに金及びアルミニウムナノ粒子を含む金属ナノ粒子が挙げられる。一部の場合には、散乱中心は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＣｄＳｅ、又はＣｄＳなどの半導体であってよい。例えば、散乱中心は、８０ナノメートルの直径と、対象の波長において３．５の屈折率（実部）とを有する、シリコン粒子とすることができる。散乱中心の他の例は、８０ナノメートルの直径と、１５５０ｎｍ付近の波長において０．５４＋９．５８ｉの屈折率とを有する、金粒子である。散乱中心の他の例は、８０ナノメートルの直径と、１５５０ｎｍ付近の波長において１．４４＋１６．０ｉの屈折率とを有する、アルミニウム粒子である。
【００６０】
一部の実施形態では、散乱中心は、誘電体粒子である。散乱中心は、多くの実施形態では非蛍光粒子である。更に、散乱中心は、一部の実施形態では半導体ではない。
【００６１】
ここで、すべての実施例に関係する点を説明するために図１の実施例を参照すると、散乱中心１５０と微小共振器１１８との間の光結合の強度の変化は、それぞれ、第１の導波光学モード１２８と第２の導波光学モード１６４との間の光散乱の変化を誘発できる。光結合の強度の変化は、様々な手段によって達成できる。例えば、散乱中心１５０と微小共振器１１８との間の間隔「ｄ」の変化が、散乱中心と微小共振器との間の光結合の強度を変化させることができる。他の例では、散乱中心の屈折率ｎｓの変化が、散乱中心と微小共振器との間の光結合の強度を変化させることができる。一実施形態では、散乱中心は、微小共振器のコア内に埋め込まれた屈折率の可変領域である。そのような場合、屈折率は、例えば、その領域が気体又は液体などの物質にさらされてそれらを吸収するときに、変化する可能性がある。一般に、散乱中心１５０と微小共振器１１８との間の光結合の強度の変化を引き起こすことのできるいずれの機構も、モード１２８とモード１６４との間の光散乱の変化を誘発できる。
【００６２】
センサとして微小共振器導波路システムを使用するための手法がいくつかある。手法の選択は、検出されるべき被分析物の化学的性質、検出に利用可能な時間、サンプル調製技術などを含め、さまざまな考慮事項によって決定される。検出器システムにおいて散乱中心を使用する一実施例は、微小共振器を特異抗原に対する抗体でコーティングするものである。抗体は、バクテリア及びウイルスのような異物を識別して無力化するために免疫系によって使用されるタンパク質である。各抗体は、特異抗原をそのユニークな標的として認識する。
【００６３】
一手法では、分析されるサンプルは、ナノ粒子を対応する抗体で機能化することによって、それらをサンプルと混合する前にナノ粒子標識などの散乱中心標識が選択的に抗原分子に付着するように、調製される。サンプルは、次いで、微小共振器の表面と接触させられる。抗体で機能化された微小共振器とナノ粒子で標識された抗原との間の結合が共振器の表面のところで起こるとき、ナノ粒子は、光結合の範囲になり、信号は、これまでには有意な信号がなかったドロップ２ポート又は入力ポートのところで検出されることになる。同一又は類似の手法が、バクテリア、ウイルス及び胞子、並びにタンパク質及びＤＮＡを検出するために使用される。
【００６４】
微小共振器からの散乱中心の除去による検知は、被分析物が導入されるときに生じる抗原−抗体反応よりも弱い結合を有する抗原−抗体系によって、初めに、散乱中心を微小共振器に結合させることにより、達成される。微小共振器への結合の競合は、微小共振器の近傍からの散乱中心の離脱、及び散乱中心との光結合の喪失をもたらす。同様の手法は、ナノ粒子と共振器との間の化学結合を選択的に切断可能な任意の化学種の検出を可能にする。
【００６５】
光源１０２は、所望の波長又は波長範囲で光１２４を発生する。例えば、微小共振器がセンサ内で使用される場合、光源１０２は、微小共振器との光通信へと導入される散乱中心、又は微小共振器との光通信から除去される散乱中心と相互作用する波長で光を発生する。微小共振器を使用する既存の検知システムでは、光源が第１のバス導波路１０４内へと効率的に結合される光を生み出すことが特に重要である。これは、半導体レーザなど、レーザのような光源の頻繁な使用をもたらす。半導体レーザなどのレーザは、本発明の実施形態とともに使用するのに適した光源である。更に、本発明の手法は、既存の検知システムにおける光源よりも広い波長範囲を発生する光源の使用を可能にする。一実施形態では、光源１０２としては、ランプからの光を第１のバス導波路１０４内へと結合させる適切な光学系を伴った、ランプが挙げられる。一部の用途では、光源１０２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）又は半導体レーザなどのレーザであることができる。一実施形態では、ランプは、１つの特定の波長又は狭い範囲の波長ではなく、いくつもの周波数又はある範囲の周波数を発する、広帯域光源である。一部の用途では、光源は、例えば、白色光を発する、広帯域光源とすることができる。一部の場合には、光源１０２は、約４００ｎｍ〜約２０００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの波長を有する光を発することができる。他の一部の場合には、範囲を約７００ｎｍ〜約１６００ｎｍとすることができる。他の一部の場合には、範囲を約９００ｎｍ〜約１４００ｎｍとすることができる。一部の場合には、光源１０２は、６３３ｎｍ、８５０ｎｍ、９８０ｎｍ、１３１０ｎｍ、又は１５５０ｎｍで光を発することができる。
【００６６】
第１のバス導波路１０４は、任意の適切なタイプの導波路であってよく、例えば、シリコン基板内又はシリコン基板上に形成された導波路など、基板内又は基板上に形成されたチャネル導波路であってよい。第１のバス導波路１０４は、光ファイバであってもよい。
【００６７】
検出器ユニット１１０には、光を検出するために、光検出器、例えば、フォトダイオード又はフォトトランジスタが挙げられる。検出器ユニット１１０には、光検出器に到達する光の波長を選択する波長感応性デバイスを含むこともできる。波長選択デバイスは、例えば、フィルタ、又は分光計であってよい。ユーザが光検出器に入射する光の波長を能動的に変更できるように、波長選択デバイスは、波長可変であってよい。一部の場合には、波長選択デバイスは、ドロップ２ポートなど、他のポートのところで用いられてよい。
【００６８】
図１の微小共振器１１８は、ディスク微小共振器であることが示されている。一般に、微小共振器１１８は、多数の導波光学モードをサポート可能で、１つ以上の光導波路に結合可能な、任意の形状の微小キャビティなど、任意の種類の共振器とすることができる。例えば、微小共振器１１８は、リング微小共振器、閉ループ微小共振器、球微小共振器、トロイダル微小共振器、ディスク微小共振器、又はレーストラック微小共振器とすることができる。本明細書で論じる様々な代表的な実施形態では、これらの微小共振器のタイプのいずれかを別のものに置き換えて、代替的な実施形態を作り出すことができる。リング及びディスク微小共振器の製作プロセスが標準的なマイクロエレクトロニクスプロセスと適合性があるので、これらのデバイスは、低コスト製造及び着実なシステムの大きな可能性を提供する。
【００６９】
一部の場合には、微小共振器は、円対称性を有しており、これは、微小共振器のコアの断面の周囲長を、中心点からの距離だけの関数として表すことができることを意味する。ディスク形の微小共振器の場合など、一部の場合には、中心点は、微小共振器の中心とすることができる。円対称性を有する代表的な微小共振器形状としては、球、トロイド、ディスク、及び円筒が挙げられる。一部の場合には、微小共振器は、球形の微小共振器など、球対称性を有することができる。
【００７０】
微小共振器１１８は、通常、２μｍ〜数ミリメートルの範囲の直径を有するが、多くは５μｍ〜５００μｍの範囲である。一部の場合には、範囲は、約５μｍ〜約１００μｍである。
【００７１】
一部の場合には、本発明のバス導波路及び微小共振器並びに光源及び検出器は、共通の基板上に集積される。集積化は、モノリシック集積化とすることができ、そのような場合、様々な構成要素すべてが、通常は同一の材料系を使用して共通の基板上へと製作される。そのような集積化は、基板特異的である可能性があり、それは、集積化が、一部の基板についてはより容易又は実現可能で、他の一部の基板についてはより困難又は不可能な場合があることを意味する。例えば、検出器、微小共振器、及び導波路をＳｉ基板などの基板上に製作する又は成長させることは可能な場合があるが、同一の基板上に光源を成長させる又は製作することは、困難又は不可能な場合がある。他の例として、すべてのシステム構成要素をＩｎＰ又はＧａＡｓ基板などのＩＩＩ−Ｖ半導体基板上に成長させる又は製作することが可能な場合がある。
【００７２】
集積化は、混成集積化とすることができ、その場合、構成要素の少なくともいくつかが初めに別個に製作され、次いで共通の基板上に組み立てられる。組み立ては、例えば、検出器及び光源を基板上に接着結合させることによって、実施できる。そのような場合、微小共振器及び導波路は、基板上に一体となって集積されてよい。一部の場合には、結合は、光源及び検出器とバス導波路とのアクティブアライメントを必要とすることがある。
【００７３】
特定の実施形態では、共通の基板は、バス導波路及び微小共振器（又は光源及び光検出器）を作製するために使用される材料よりも実質的に低い屈折率を有する二酸化ケイ素などの集積光学系に使用される従来の基板である。基板には、ガラスなどの平らな固体材料、又はポリマー基板などの滑らかな可撓性材料を含むことができることが考慮される。例えば、ポリエステル、ポリアクリレート、及びポリイミド基板が、本発明で有用な場合がある。基板は、光学的に不透明又は透過性であってよい。基板は、ポリマー、金属、半導体、又は任意の種類のガラスであってよい。一実施例では、基板は、シリコンである。他の例として、基板は、フロートガラスであってもよく、又はポリカーボネート、アクリル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスルホンなどの有機材料から作製されてよい。
【００７４】
集積デバイスを製造するためには、通常、１つ以上の高屈折率材料が基板上に堆積され、１つ以上のバス導波路及び微小共振器を形成するようにパターン化される。パターン化は、マスクを介した蒸着、印刷、又はリフトオフプロセスなどの付加方法によって実施できる。熱蒸発、スパッタリング、印刷、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、気相エピタキシー（ＶＰＥ）、及び化学蒸着は、すべて、導波路、微小共振器、又は他の光学コンポーネントを基板上に堆積させるために使用できる方法の例である。反応性イオンエッチング又は湿式化学エッチングなど、エッチングのような減法的方法によって、導波路素子を基板上にパターン化することも可能である。一部の用途では、微小共振器、光導波路、光源及び検出器は、同一の基板上に集積される。集積デバイス又は集積デバイスの部品は、例えば、成形プロセスによって製作できる。
【００７５】
共振器に結合された導波路は、しばしば、導波路の外側の光フィールド強度の強度を高めるためにテーパ加工されており、ゆえに、微小共振器内へと結合する光の量を増加させている。光ファイバ導波路の場合、ファイバは、加熱され、全厚約１〜５μｍになるまでテーパ加工又はエッチングされてよい。同様に、平面又はチャネル導波路の場合、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縮小されてよい。導波路の大きさが縮小されることに加えて、導波路の周囲のクラッドの厚さも縮小されることができる。微小共振器を導波路又はファイバに結合させるための様々な手法が、同一所有者の同時係属中の米国特許公開出願第２００５−００７７５１３に更に詳細に論じられており、その特許出願を参考として引用し、本明細書に組み込む。
【００７６】
導波路をどのように微小共振器に結合させて、許容可能な光学損質量及び許容可能な製造プロセスをもつ微小共振器構造をもたらすことができるかについては、多くの異なる実施例がある。例えば、図３は、微小共振器１１８への第１のバス導波路１０４と第２のバス導波路１３２の横結合を示す。この構成では、導波路１０４、１３２と微小共振器１１８との間の光結合は、構造が図３の向きにあるとき、横向き又は横方向に起こる。特定の実施形態では、例えば、同一所有者の米国特許出願第１１／２７７７６９号に記載のように、導波路モードを結合強化のため微小共振器に向かって押すために、クラッドが導波路１０４、１３２の外側２０４、２３２上に存在しており、その特許出願を参考として引用し、本明細書に組み込む。導波路１０４、１３２と微小共振器１１８との間の結合を達成するように導波路１０４、１３２上にクラッドを構成する、他の多くの選択肢がある。
【００７７】
横結合構成のいくつかの実施形態では、導波路１０４、１３２及び微小共振器１１８は、同一のパターン化工程を使用して製作される。
【００７８】
図３の横結合構成の代替形態は、垂直結合構成であり、その実施例が図１３に示されている。垂直結合した光学デバイス１３００は、基板１３０３上に配置された下側クラッド層１３０５内にすべて埋め込まれた、光学的微小共振器１３１８、第１の光導波路１３０４、及び第２の光導波路１３３２を含む。導波路１３０４、１３３２は、クラッド層１３０５によって取り囲まれる。垂直結合構成では、導波路１３０４、１３３２と微小共振器１３１８との間の光結合は、光学デバイス１３００が図１３の向きにあるとき、垂直又は上下方向に起こる。
【００７９】
垂直結合構成のいくつかの実施形態では、導波路１３０４、１３３２は、微小共振器１３１８から、別のリソグラフィ工程でパターン化される。
【００８０】
一部の場合には、微小共振器とバス導波路との間の結合は、エバネッセント結合であり、これは、微小共振器及びバス導波路のコアは、接触していないが、互いに十分に近くにあり、それによって、微小共振器のエバネッセントテールと導波路が、２つのコア間のクラッド領域で重なり合っていることを意味する。
【００８１】
他の一部の場合には、微小共振器及びバス導波路のコアは、同時係属中の特許出願第＿＿＿＿＿＿＿＿号、名称「光学的微小共振器（Optical Microresonator）」（本願と同一日付に出願の代理人整理番号６２４５１ＵＳ００２号）に詳述されているように、物理的に接触している。そのような場合、微小共振器とバス導波路との間の結合は、コア結合と呼ぶことができる。
【００８２】
一部の場合には、微小共振器とバス導波路との間の結合は、図１４に概略的に示される多モード干渉結合器を介して実施できる。光学システム１４００は、多モード干渉結合器（ＭＭＩＣ）１４５０によって第１のバス導波路１４１０及び第２のバス導波路１４２０に光結合した微小共振器１４０５を含み、ＭＭＩＣは、例えば、方形とすることができる。ＭＭＩＣ内の光学干渉は、導波路１４１０内で放たれた光のどの部分が微小共振器１４０５に結合し、どの部分が第２のバス導波路１４２０に結合するかを判定する。代表的な光学システム１４００では、導波路１４１０及び１４２０は、同一直線上にある。一般に、２つのバス導波路は、同一直線上にあってもなくてもよい。
【００８３】
２つのバス導波路を有する微小リング共振器システムを、有効な２次元の有限差分時間領域（finite difference time domain）（ＦＤＴＤ）シミュレーションを使用して、数値的に分析した。異なるシミュレーションを実施して、微小リング共振器システムに光結合した様々な種類の散乱中心の効果を実証した。モデル化されたシステムは、図１に示したシステム１００に類似しているが、ディスク共振器１１８の代わりにシングルモード微小リング共振器を有する。リングの直径は、３．６ミクロンで、リングのコアの実効屈折率は、３であった。ｎ＝１．３３を有する水クラッド（water cladding）がリング共振器を取り囲んでいると考えた。１〜３ミクロンの波長を有する光が、広帯域源から放たれた。
【００８４】
第１の実施例は、２つのバス導波路を有するリング共振器に取り付けられたシリコンナノ粒子の効果を示しており、ナノ粒子は、８０ナノメートルの直径と、３．５の屈折率とを有する。図７では、信号強度は、ｘ軸の波長に対して、入力光の強度に関する任意の単位でｙ軸上にプロットされている。スルーポートのところで検出される信号が図７に示されており、図７では、プロット７１０は、水クラッドだけを有するリングについての出力を表し、プロット７２０は、シリコンナノ粒子に光結合したリングに対して出力を表す。スルーポートスペクトルでは、約２ナノメートルのピークシフトが、１．５５ミクロンの波長で起こる。他の共振波長では、かなりのシフトがナノメートルスケールで観察可能であり、検知方法においてナノ粒子を使用する技術の感度増大を示している。
【００８５】
この第１の実施例では、ドロップ２ポートについて波長に対してプロットされた信号強度が図８に示されており、図８では、プロット８１０は、水クラッドだけを有するリングについての出力を表し、プロット８２０は、シリコンナノ粒子がリングに光結合した、リングについての出力を表す。ドロップ２ポートスペクトルでは、波長１．５５ミクロンにおける信号は、ナノ粒子を用いた場合、ナノ粒子を用いない場合よりもほぼ５０倍高い。同様の強度増加は、他の多くの共振波長にも存在しており、この技術の広帯域の性質を示していた。これは、光源の波長が、散乱中心を伴う検知方法を実施するときに最大の信号増強を得るように選択可能であることを示す。
【００８６】
第２の実施例は、２つのバス導波路を有するリング共振器に取り付けられた金ナノ粒子の効果を示しており、金粒子は、８０ナノメートルの直径と、１５５０ナノメートル付近で０．５４＋９．５８ｉの屈折率とを有する。スルーポートについて波長に対してプロットされた信号強度が図９に示されており、図９では、プロット９１０は、水クラッドだけを有するリングについての出力を表し、プロット９２０は、光通信する金ナノ粒子を有するリングについての出力を表す。スルーポートスペクトルでは、約４ナノメートルのピークシフトが１．５５ミクロンの波長で起こる。
【００８７】
この第２の実施例では、ドロップ２ポートについて波長に対してプロットされた信号強度が図１０に示されており、図１０では、プロット１０１０は、水クラッドだけを有するリングについての出力を表し、プロット１０２０は、光通信する金粒子を有するリングについての出力を表す。ドロップ２ポートスペクトルでは、波長１．５５ミクロンにおける信号は、金粒子を用いた場合、金粒子を用いない場合よりもはるかに高い。金は、可視波長〜赤外波長について、小さな実屈折率と、非常に大きな虚屈折率（材料の吸収を表す）とを有する。したがって、一部の場合には、金でコーティングされた粒子又は金粒子は、スルーポートでのより大きな共振波長シフトと、ドロップ２ポートでの有意な信号増強とをもたらすことができる。
【００８８】
第３の実施例は、２つのバス導波路を有するリング共振器に取り付けられたアルミニウムナノ粒子の効果を示しており、アルミニウム粒子は、８０ナノメートルの直径と、１５５０ナノメートル付近で１．４４＋１６．０ｉの屈折率とを有する。スルーポートについて波長に対してプロットされた信号強度が図１１に示されており、図１１では、プロット１１１０は、水クラッドだけを有するリングについての出力を表し、プロット１１２０は、ディスク共振器と光通信するアルミニウムナノ粒子を有するリングについての出力を表す。スルーポートスペクトルでは、約５ナノメートルのピークシフトが１．５５ミクロンの波長で起こる。
【００８９】
この第３の実施例では、ドロップ２ポートについて波長に対してプロットされた強度が図１２に示されており、図１２では、プロット１２１０は、水クラッドだけを有するリングについての出力を表し、プロット１２２０は、ディスク共振器と光通信するアルミニウム粒子を有するリングについての出力を表す。ドロップ２ポートスペクトルでは、波長１．５５ミクロンにおける信号強度は、アルミニウム粒子を用いた場合、アルミニウム粒子を用いない場合よりもはるかに高い。アルミニウムの場合、屈折率の実部は、かなり高く、アルミニウムは、屈折率の大きな虚部を有する（吸収）。これらの特性は、スルーポートでのより大きな共振波長シフトと、ドロップ２ポートでのより大きな信号増強とをもたらすことができる。更に、共振波長でスペクトルピークブロードニングを観察できる。
【００９０】
ここに開示のデバイスに関係したいくつかの利点が、以下の実施例によって示される。この実施例で列挙される特定の材料、量及び寸法、並びに他の条件及び詳細は、本発明を不当に制限するものと解釈すべきではない。図１３のデバイスに類似した光学システムを製作した。初めに、屈折率１．４６の厚さ３ミクロンのボロホスホシリケートガラス（ＢＰＳＧ）下側クラッド層を、プラズマ助長型化学蒸着（plasma enhanced chemical vapor deposition）（ＰＥＣＶＤ）を使用して、０．７５ｍｍシリコン（１００配向）基板上に堆積させた。次に、サンプルを加熱し、１０８０℃で約４時間にわたって再流させた。次に、ＰＥＣＶＤを使用して、厚さ２５０ナノメートルのＳｉＮ層をＢＰＳＤＧ下側クラッド上に堆積させた。堆積されたＳｉＮ層は、２つの光導波路のコアを形成し、２．０の屈折率を有した。
【００９１】
次に、堆積されたＳｉＮ層を、リッジ形の第１のバス導波路及び第２のバス導波路を作り出すように、従来のフォトリソグラフィ技術及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用してパターン化した。各導波路についてのエッチング深度は、約１３０ナノメートルであった。各導波路のコアは、幅約１．５ミクロンであった。次に、ＰＥＣＶＤを使用して厚さ１００ナノメートルのＳｉＯ２層で導波路をコーティングすることによって、バス導波路を埋め込んだ。ＳｉＯ２層は、約１．４６の屈折率を有していた。
【００９２】
次に、微小共振器を形成するために、ＰＥＣＶＤを使用して、屈折率２．０を有する厚さ２５０ナノメートルのＳｉＮ層をＳｉＯ２層上に堆積させた。堆積されたＳｉＮ層を、従来のフォトリソグラフィ技術及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用して、直径３０ミクロンのディスクへと形成した。各バス導波路の中心軸は、ディスク周囲と公称的に並んだ。各導波路と微小共振器との間の光結合は、垂直エバネッセント結合によって達成された。
【００９３】
ポータブル原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）（モデルＭＯＢＩＬＥ  Ｓ、スイス、リースタール（Liestal）のナノサーフ（Nanosurf）から入手可能）を使用して、微小共振器の光フィールド内に１０ミクロンシリコンＡＦＭプローブ先端（モデルＳＩＣＯＮ  Ａ、カリフォルニア州サンタクララ（Santa Clara）のアプライド・ナノストラクチャーズ（Applied NanoStructures）から入手可能）を置くように、散乱中心をシミュレートした。
【００９４】
高出力エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）光源（モデルＮＰ  ３０００  ＰＳ、カリフォルニア州ムリエタ（Murrieta）のニューフォトン・テクノロジーズ（Nuphoton technologies）から入手可能）を使用して、約１５４０ナノメートル〜約１５７５ナノメートルの波長範囲内の自然発光で、第１のバス導波路内へと光を放った。
【００９５】
光学的スペクトル分析器（モデルＨＰ８６１４２Ａ、カリフォルニア州パロアルト（Palo Alto）のヒューレットパッカード（Hewlett-Packard）から入手可能）及び広帯域パワーメータ（モデルＨＰ８１５３２Ａ、これもまた、ヒューレットパッカード（Hewlett-Packard）から入手可能）の両方がドロップ２ポートでの出力を監視できるように、光スプリッタを光学システムのドロップ２ポートの近くに置いた。
【００９６】
結果を図１５に示す。曲線１５１０は、プローブ先端がディスク微小共振器の光フィールドの十分に外側にある（先端が上（tip up））、ドロップ２ポートのところでの出力スペクトルである。曲線１５２０は、プローブ先端が十分に微小共振器の光フィールド内にある（先端が下（tip down））、出力光のスペクトルを示す。各曲線は、約１５５０ｎｍ、１５５７ｎｍ、及び１５６４ｎｍのところに３つの共振を有する。散乱中心が存在しない場合の出力光１５１０の存在は、エッチングプロセスの間に引き起こされた表面粗さに起因すると考えられており、微小共振器のモード間の光散乱をもたらす。
【００９７】
先端が下（tip down）のドロップ２ポートでの総出力パワーは、先端が上（tip up）の場合の出力パワーよりも約１．５ｄＢ大きかった。増加は、散乱中心として作用するプローブ先端の存在によるものであった。
【００９８】
本発明の光学的検知システムは、容易に複製することができ、容易に取り扱うことができ、高いキャビティＱ係数を維持することができ、容易に結合導波路に位置合わせできる。一部の場合には、微小キャビティ共振器及び導波路は、同一の基板上に集積できる。ここに開示の実施形態は、システムの感度を犠牲にすることなく、高価な狭帯域光源の代わりに、低コストの発光ダイオード（ＬＥＤ）などの高価ではない広帯域光源の使用を可能にする。本発明は、検出感度をほとんど又は全く損失することなく、高価な分光学的検出器に代わる、広帯域検出器の使用をもまたもたらす。
【００９９】
本願は、異なるモード間のより大きな波長シフト又はより強い光散乱など、感度が増強された検知システムも開示する。増強された感度は、例えば、単一の被分析物の検出を可能にできる。
【０１００】
製作が容易で、被分析物にさらされたときにより大きなスペクトルシフトを生み出し、狭線幅の波長可変レーザよりも高価ではない光源を使用できる、微小共振器を使用する光学的検知システムが必要とされる。
【０１０１】
したがって、本発明は、前述した特定の実施例だけに限定されると考えるべきではなく、むしろ、特許請求の範囲で公正に記載される本発明のすべての態様に及ぶものと理解すべきである。本明細書を検討すれば、本発明を適用可能なさまざまな変更例、均等なプロセス、多数の構造を本発明に関連する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修正及び装置を網羅しようとするものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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