(57)【要約】  １つの光源と、この光源と光連通している入力ポートを有する第１のバス導波路とを含む光検出システム、及びこのシステムを使用する方法。システムは、光源が微小共振器の少なくとも第１の共振導波光モード及び第２の共振導波光モードを励起するように構成された微小共振器を更に含む。微小共振器は、第１のモードの電界強度は、第２のモードの電界強度より大きい、微小共振器のコアの表面上の第１の位置を含む。微小共振器コアは、第１の位置に第１のクラッドを有する。微小共振器は、前記微小共振器のコアの表面上の第２の位置もまた有し、第２の位置において第１のモードの電界強度は、第２のモードの電界強度以下であり、微小共振器コアは、前記第２の位置に第２のクラッドを有する。第１のクラッドは、前記第２のクラッドとは異なる。
2010511872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの光源と、
第１のバス導波路を含む、１つ以上のバス導波路と、
前記第１のバス導波路は、前記光源と光連通している入力ポートを含む、
前記光源が微小共振器の少なくとも第１の共振導波光モード及び第２の共振導波光モードを励起するように、構成された微小共振器と、
を含んでなる光検出システムであって、
前記微小共振器が、
前記第１のモードの電界強度が、前記第２のモードの電界強度より大きい、前記微小共振器のコアの表面上の、第１の位置と、
前記微小共振器のコアは、前記第１の位置に、第１のクラッドを有する、
前記第１のモードの電界強度が、前記第２のモードの電界強度以下である、前記微小共振器のコアの表面上の第２の位置と、
前記微小共振器のコアは、前記第２の位置に、第２のクラッドを有し、前記第１のク
ラッドは、前記第２のクラッドと異なる、
を含む、光検出システム。
【請求項２】
前記第１のクラッド及び第２のクラッドの１つが、検体と化学的に特異的に結合できる官能化層である、請求項１に記載の光検出システム。
【請求項３】
前記第１のクラッド及び第２のクラッドの１つが、光学的に厚いクラッド層であり、前記光学的に厚いクラッド層において導入される摂動が、前記微小共振器の第１のモード又は第２のモードと相互作用する可能性が低いであろう、請求項１に記載の光検出システム。
【請求項４】
前記第１のクラッド及び第２のクラッドが、異なる屈折率を有する、請求項１に記載の光検出システム。
【請求項５】
１つの光源と、
第１のバス導波路を含む１つ以上のバス導波路と、
前記第１のバス導波路は、前記光源と光連通している入力ポートを含む、
１つの表面を含む微小共振器と、
前記微小共振器は、前記１つ以上のバス導波路に光学的に結合されており、前記光源    が、微小共振器の少なくとも第１の共振導波光モード及び第２の共振導波光モードを    、励起するように、前記微小共振器は、構成されている、
を含んでなる光検出システムであって、
前記表面が、
前記第１のモード及び第２のモードが、利用不可能な第１の部分において、前記微小共振器の摂動と相互作用するのを妨げるように構成された利用不可能な第１の部分と、
１つ以上の結合領域と異なり、そして前記利用不可能な第１の部分と異なる、利用可能な第２の部分と、
前記第１の共振導波光モード及び第２の共振導波光モードが、前記微小共振器の摂動    と別々に相互作用するような様式で、前記第１のモード及び第２のモードが、微小共    振器の摂動と相互作用できるように、前記利用可能な第２の部分は構成されている、
を更に含む、光検出システム。
【請求項６】
前記摂動が前記微小共振器表面の利用不可能な第１の部分と光結合することを妨げるパターン化されたクラッドを、前記微小共振器表面が含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記摂動が、
散乱中心、及び
前記微小共振器の前記表面の前記利用可能な部分の屈折率の変化、からなる群の１つであり、前記光検出システムが、前記光検出システムと光連通している検出器を更に含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記摂動が、金属、半導体、誘電体、又はメタマテリアルのナノ粒子である、請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記微小共振器及び前記第１のバス導波路が、基材上に集積されている、請求項５に記載のシステム。
【請求項１０】
前記利用可能な部分が、検体と化学的に特異的に結合できる官能化層を含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項１１】
前記利用不可能な部分が、前記利用可能な部分と異なる屈折率を有するクラッドを含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項１２】
前記微小共振器が、前記微小共振器表面の１つ以上のそれぞれの結合領域において、前記１つ以上のバス導波路に光結合されており、前記利用不可能な部分が、前記１つ以上の結合領域とは異なっている、請求項５に記載のシステム。
【請求項１３】
微小共振器の摂動の存在を検出する方法であって、
１つの光源と、
１つ以上のバス導波路と、
前記１つ以上のバス導波路は、前記光源と光連通している入力ポートを有する第１の
バス導波路を含む、
１つの表面を含み、そして前記表面の１つ以上のそれぞれの結合領域において、前記１つ以上のバス導波路に光結合されている微小共振器と、
前記微小共振器の第１共振導波光モード及び第２の共振導波光モードが、前記光源に
よって励起される場合に、前記微小共振器は、少なくとも前記微小共振器の第１共振
導波光モード及び第２の共振導波光モードを支持するように構成されている、
前記微小共振器は、
前記第１のモード及び第２のモードが、前記利用不可能な第１の部分において、前
記微小共振器の摂動と相互作用することができないように構成された利用不可能な
第１の部分
を更に含む、
を含む光検出システムを用意する工程と、
前記光源を用いて、前記微小共振器の前記少なくとも第１の共振導波光モード及び第２の共振導波光モードを励起する工程と、
前記微小共振器の前記表面の利用可能な第２の部分を、前記微小共振器の摂動に暴露させる工程と、
前記利用可能な第２の部分は、前記利用不可能な第１の部分とは異なっており、前記
摂動が、前記第１の共振導波光モード及び第２の共振導波光モードと別々に相互作用
するように、前記利用可能な第２の部分は構成されている
前記相互作用を検出する工程と、
を含む方法。
【請求項１４】
前記摂動が、前記微小共振器表面の前記利用不可能な第１の部分に光結合しないようにするパターン化されたクラッドを、前記微小共振器表面が含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記摂動が、
散乱中心と、
前記微小共振器表面の前記利用可能な部分の屈折率の変化と、からなる群の１つである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記摂動が、金属、半導体、誘電体、又はメタマテリアルのナノ粒子である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
暴露させる前記工程が、前記第１の共振導波光モードにおける第１の周波数シフトと、前記第２の共振導波光モードにおける第２の周波数シフトとを誘発させ、前記第２の周波数シフトがゼロであることができ、
前記相互作用を検出する前記工程が、前記第１の周波数シフトと前記第２の周波数シフトとを比較することを更に含む、請求項１３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）
本出願は、本発明の譲受人に譲渡された４件の特許出願：出願番号第１１／５６５，９５５号と代理人整理番号第６２３５８ＵＳ００２号を有し、２００６年１２月１日に申請された「光検出法（OPTICAL SENSING METHODS）」、出願番号第１１／５６５，９２０号と代理人整理番号第６２２６３ＵＳ００２号を有し、２００６年１２月１日に申請された「光検出装置（OPTICAL SENSING DEVICE）」、出願番号第１１／５６５，９３５号と代理人整理番号第６２４５１ＵＳ００２号を有し、２００６年１２月１日に申請された「光微小共振器（OPTICAL MICRORESONATOR）」、及び出願番号第１１／６１６，３３８号と代理人整理番号第６２６８１ＵＳ００２号を有し、２００６年１２月２７日に申請された「光微小共振器（OPTICAL MICRORESONATOR）」、の一部継続出願である。これら４件の特許出願の全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、本発明の譲受人に譲渡された特許出願、「光検出装置及び方法（OPTICAL SENSING DEVICES AND METHODS）」（出願番号第１１／６１７，９２３号と代理人整理番号第６２６６６ＵＳ００２号を有し、本出願と同日に申請された）に関連する。
【０００３】
（発明の分野）
本発明は、概して光学装置に関し、更に詳細には、微小共振器を用いる光センサーに関する。
【背景技術】
【０００４】
光検出は、生物学的、化学的、及び気体状の種の検出にとって重要な技術になってきている。光検出は、速度及び感度の点で利点をもたらすことがある。ここ数年、高感度の光学装置を作製する目的で、数多くの新規フォトニック構造体及び材料が開発されてきた。
【０００５】
検体検出のための光検出方法の１つには、集積光導波路が用いられる。このようなセンサーは、導波路の表面に吸着された化学的及び生物学的種を検出できることが証明されてきた。しかし、集積光導波路による化学分析は、多くの分析用途に合わせて十分な光信号の変化を得るために、大きい検出装置（典型的には長さ数センチメートル）を必要とする可能性がある。
【０００６】
表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）も、光センサーを作製するのに使われてきている。ＳＰＲ技術は商品化されており、生体分子間相互作用の特徴付け及び定量化に不可欠なツールとなっている。しかし、このような測定システムは嵩高である可能性がある。
【０００７】
光微小共振器は現在、生化学的検出、化学的検出、及び気体検出における用途について徹底的な研究が行われている最中である。光微小共振器は、高い品質係数（Ｑ係数）を有することのできる非常に小さい装置であり、このＱ係数は一般的に、共振波長の共振線幅に対する比率を指す。例えば、ガラス球でできている微小共振器を用いて、高感度の光センサーを作ることができ、なぜならそれは、該微小球共振器に取り込まれた光が何度も循環して、高いＱ係数（＞１０６）を持つ装置を作り、微小球の表面上の検体と共振器内を循環する光との間の光相互作用を効果的に増大させるからである。光微小共振器センサーでは、バス導波路を用いて、微小共振器の表面の近くに位置する導波光モードを励起する。共振光モードの一例には、ウィスパリングギャラリーモードがある。続いて、検体を微小球のモードのエバネッセント場内に設置する。センサーの屈折率の変化は、共振周波数のシフトによって検出される。シフトスペクトルは、検出器に接続される第２のバス導波路を用いて、微小共振器から抽出されることができる。
【０００８】
光センサーを作製する目的で、さまざまなタイプの光微小共振器が研究されてきているが、微小球、マイクロリング、及びマイクロディスクに最も大きな関心が寄せられてきた。半導体の製造プロセスに基づくマイクロディスク又はマイクロリングは、大量及び／又は高密度での製造を比較的行いやすい。導波路に対するマイクロディスク又はマイクロリングの位置は、ドライ／ウエットエッチング及び層堆積のような製造技術を用いて調整されることができる。しかし、少なくとも表面粗さ及び材料吸収が原因で、これらの共振器のＱ係数は、典型的には１０４未満である。
【０００９】
微小球を用いて検出を行う従来のアプローチでは、検体を球体の表面に固着させると、球体の実効屈折率がわずかに変化する。この結果、共鳴スペクトルのピークの波長位置がわずかにシフトする。これらのシフトは、典型的にはピコメーターの範囲である。このようなわずか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を必要とする。更には、わずかなピークシフトを検出可能にするために、非常に狭い線幅をもたらすように微小共振器を設計しなければならない。このためには、自由スペクトル領域を線幅で除したものであるフィネスの高い微小共振器、又はそれに対応して、動作波長を線幅で除したものである品質係数の高い微小共振器が必要になる。これは、わずかな周波数シフトを検出するためには、微小共振器内の低損失導波路、及び微小共振器とバス導波路との間の弱い結合が必要であることを指す。
【００１０】
検体の検出による波長のわずかな変化を検出するためには、波長シフトをもたらすことのできる他のメカニズムをコントロール又は補正する必要がある。具体的には、共振器を構成する材料の屈折率の温度依存性による波長シフトを把握して、検出信号と混同しないようにしなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
微小共振器を用いた改良型の光検出システムに対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、概して光学システムに関するものである。また、本発明は、１つ以上の微小共振器を含む光センサーに関するものである。
【００１３】
本発明の１つの実施形態では、光検出システムは、１つの光源と、第１のバス導波路を含む１つ以上のバス導波路とを含む。第１のバス導波路は、光源と光連通している入力ポートを含む。このシステムは、この光源が、微小共振器の少なくとも第１の共振導波光モード及び第２の共振導波光モードを励起するように構成された微小共振器を更に含む。微小共振器は、第１のモードの電界強度が第２のモードの電界強度より大きい、微小共振器のコアの表面上の第１の位置と、この微小共振器のコアが第１の位置に第１のクラッドを有することと、第１のモードの電界強度が第２のモードの電界強度以下である、微小共振器のコアの表面上の第２の位置と、この微小共振器のコアが第２の位置に第２のクラッドを有することと、を含む。第１のクラッドは、第２のクラッドと異なる。
【００１４】
本発明の別の実施形態では、光検出システムは、１つの光源と、第１のバス導波路を含む１つ以上のバス導波路とを含む。第１のバス導波路は、この光源と光連通している入力ポートを含む。このシステムは、１つの表面を含む微小共振器を更に含み、この微小共振器は、光源が、微小共振器の少なくとも第１の共振導波光モード及び第２の共振導波光モードを励起するように構成されている。微小共振器の表面は、第１のモード及び第２のモードが、利用不可能な第１の部分において、微小共振器の摂動と相互作用するのを妨げるように構成された利用不可能な第１の部分を更に含む。微小共振器の表面は、利用不可能な第１の部分とは異なる、利用可能な第２の部分を更に含み、第１の共振導波光モード及び第２の共振導波光モードが、微小共振器の摂動と別々に相互作用するような様式で、第１のモード及び第２のモードが微小共振器の摂動と相互作用できるように、この利用可能な第２の部分は構成されている。別の実施形態では、微小共振器の摂動の有無を検出する方法は、光検出システムを用意する工程を含み、このシステムは、１つの光源と、１つ以上のバス導波路と、この１つ以上のバス導波路がこの光源と光連通している入力ポートを有する第１のバス導波路を含む、１つの表面を含み、そして１つ以上のバス導波路に光結合されている微小共振器とを含んでなる。この微小共振器は、微小共振器の第１のモード及び第２のモードが光源によって励起される場合に、微小共振器の少なくとも第１の共振導波光モード及び第２の共振導波光モードを支持するように構成されている。微小共振器の表面は、利用不可能な第１の部分を更に含み、この利用不可能な第１の部分は、第１のモード及び第２のモードが、利用不可能な第１の部分において、微小共振器の摂動と相互作用するのを妨げるように構成されている。この方法は、光源を用いて、微小共振器の少なくとも第１の共振導波光モード及び第２の共振導波光モードを励起する工程と、微小共振器の表面の利用可能な第２の部分を、微小共振器の摂動に暴露させる工程とを更に含み、この利用可能な第２の部分は、利用不可能な第１の部分とは異なっており、それによって、この摂動が、第１の共振導波光モード及び第２の共振導波光モードと別々に相互作用するように、その相互作用を検出する。
【００１５】
本発明の上記の概要は、本発明の各図示の実施形態又は全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】
【００１６】
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、本発明はより完全に理解され得る。
【図１】１つの光学システムの概略上面図。
【図２】１つの光学システムの概略側面図。
【図３】１つの光学システムの概略側面図。
【図４】摂動のある場合及びない場合における、図１の入力及びドロップポート検出器での光出力。
【図５】散乱中心のある場合及びない場合における、図１の１つの実施形態の検出器での光出力。
【図６】散乱ノッチを有する微小共振器を含む代替的な光学システムの概略上面図。
【図７】多角形微小共振器を含む代替的な光学システムの概略上面図。
【図８】ディスク微小共振器の上面及び側面図を、微小共振器の２つの放射モードの描写と共に示す概略図。
【図９】パターン化されたクラッドを有するディスク微小共振器の上面及び側面図を、微小共振器の２つの放射モードの描写と共に示す概略図。
【図１０】別のパターン化されたクラッド層を有するディスク微小共振器の上面及び側面図を、微小共振器の２つの放射モードの描写と共に示す概略図。
【図１１】パターン化されたクラッド層を有する方形微小共振器の上面及び側面図を、微小共振器の４つのモードの描写と共に示す概略図。
【図１２】官能化層を有するディスク微小共振器の上面及び側面図を、微小共振器の２つの放射モードの描写と共に示す概略図。
【図１３】単一バスのリング共振器を有する光学システムの概略上面図。
【図１４】中心光検出器を備える単一バスのディスク共振器を有する光学システムの概略上面図。
【図１５】ダブルバスの長円形リング共振器を有する光学システムの概略上面図。
【図１６】２つのバス導波路と微小共振器との間の縦方向結合を有する光学システムの概略側面図。
【図１７】マルチモード干渉カップラーを介して２つのバス導波路に結合された長円形リング共振器を有する光学システムの概略上面図。
【図１８】金ナノ粒子の散乱中心がある場合及びない場合における、光学システムのスルーポートで検出した、波長に対する信号強度のプロット。
【図１９】金ナノ粒子の散乱中心がある場合及びない場合における、光学システムのスルーポートで検出した、波長に対する信号強度のプロットであり、プロットの一部について、図１８よりも高レベルの詳細を提供。
【図２０】微小共振器の２つの共振モードのプローブ位置に対する相対波長シフトのプロット。
【００１７】
本発明は様々な変更例及び代替形状に柔軟に従うことができるが、それらの細目は図面で例を用いて示され、また詳細に記述されるであろう。しかしながら、その意図は、記述した特定の実施形態に本発明を限定することではないことを理解するべきである。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全ての変更例、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】
【００１８】
本発明は、導波路と、光共振マイクロキャビティと、このマイクロキャビティの共振導波光モードに摂動を導入する機能とを含む光センサーに関するものである。このような光共振マイクロキャビティは、微小共振器と称される場合もある。本明細書で用いる場合、摂動とは、微小共振器の光学特性の変化である。例えば、微小共振器の表面又は一部の屈折率の変化は、微小共振器の表面上をコーティングすること、又は、微小共振器を散乱中心に光結合させることなどによって生じる。散乱中心の例については、本明細書で更に詳しく説明していく。
【００１９】
微小共振器を用いる光検出への新たなアプローチは本明細書によって示されており、そのアプローチでは、摂動の導入又は除去が、信号の波長特性のシフトを引き起こす。この摂動は、微小共振器の第１の導波光モード及び第２の導波光モードに別々に作用するように構成される。例えば、いくつかの実施形態では、摂動は、第１の光モードには有意に作用し、第２の光モードには、わずかに作用するのみか、又はまったく作用しない。その結果、第１の導波光モード及び第２の導波光モードの双方に作用する他のシステム変化の影響を排除できる。したがって、摂動導入のシステムへの影響を分離して、摂動導入の影響をより正確に判断できる。このアプローチは、例えば温度によって誘発される、微小共振器のコア及びクラッド層の屈折率の変化（同じ様式で第１の光モード及び第２の光モードに作用する傾向がある）の影響を低減させるのに有用である。
【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】
以下では、図１の上面図、並びに、図２及び３の横断面図に概略的に示されているような、微小共振器を用いる微小共振器−導波路システム１００の例について説明していく。本明細書で更に論じられているように、本発明に従って、単一の導波路を有するシステムを用いてもよい。しかし、第１の例として、ダブルバス導波路型のシステムについて論じていく。
【００２２】
光学装置１００は、いずれも基材１０３の上に配置された下部クラッド層１０５の上に配置されている、光微小共振器１１８、第１の光導波路１０４、及び第２の光導波路１３２を含む。
【００２３】
微小共振器１１８は、１つ以上の周期性条件などの１つ以上の境界条件を課すことによって、微小共振器の許容光モードを離散モードに量子化できる。第１の導波光モード１２８及び第２の導波光モード１６４のような少なくとも２つの異なる導波光モードが光源１０２によって励起されると、微小共振器１１８は、その少なくとも２つの異なる導波光モードを支持することができ、この場合、導波光モード１２８は導波光モード１６４と異なる。いくつかのケースでは、モード１２８及びモード１６４は、同じ波長を有する。いくつかのケースでは、モード１２８及びモード１６４は、異なる波長を有する。モード１２８及びモード１６４が、実質的に同じ波長を有する場合には、モード１２８及びモード１６４は、その波長に対して異なる強度レベルを有してよい。本明細書で使用する場合、光学装置１００のような所与の光学形体では、光モードは、光学形体内の許容電磁界を指し、放射又は放射モードは、光学形体内に留まらない光モードを指し、導波モードは、高屈折領域の存在が原因で少なくとも１つの次元で光学形体内に閉じ込められる光モードを指し、共振モードは、光学形体内の追加的な境界条件要件に左右される導波モードを指し、この追加的な要件は典型的には、本質的に周期的なものである。
【００２４】
共振モードは、典型的には別個の導波モードである。いくつかのケースでは、共振モードは、放射モードに結合することができる。いくつかの他のケースでは、共振モードは、放射線であり閉じ込められないコンポーネント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、共振又は非共振モードであることができる。例えば、光モード１２８及び光モード１６４は、微小共振器１１８の共振モードであることができる。
【００２５】
いくつかのケースでは、第１の導波光モード１２８及び／又は第２の導波光モード１６４は、微小共振器内で伝搬する一方で、同じ電界プロファイルを保持することができる。このようなケースでは、伝搬モードの形又はプロファイルは、例えば吸収又は放射損失が原因で徐々にエネルギーを喪失しても、時間経過後、実質的に同じままである。
【００２６】
図１〜３に示されている微小共振器１１８はディスク微小共振器であり、平坦な上面１１９、平坦な底面１２３、及び円筒形の側面１２１を有する。ただし、本明細書で更に論じられているように、他の実施形態では別の微小共振器形体が用いられる。
【００２７】
図１〜３を参照すると、光源１０２は、第１のバス導波路１０４と光連通している。光源がある、導波路１０４の末端部は、入力ポート１０６である。導波路１０４のもう１つの末端部はスルーポート１０８である。入力ポート検出器１１０は、入力ポート１０６に位置する。光コンポーネント１１２は、光源１０２、入力検出器１１０、及び入力ポート１０６と光連通して、入力光１２４が入力ポート１０６にのみ伝わるようにすると共に、第１のバス導波路１０４内で入力ポート１０６の方に進む光が入力検出器１１０の方に向くようにする。光コンポーネント１１２は、特定の実施形態では、光スプリッター又は光サーキュレーターである。入力ポート検出器１１０は、光コンポーネント１１２を介して第１のバス導波路１０４と光連通していると共に、光を検出するように構成されている。
【００２８】
微小共振器１１８は、少なくとも第１の共振光モード及び第２の共振光モード１２８及び１６４にそれぞれ支持することができ、いくつかの実施形態では、他のモードも支持することができる。微小共振器１１８は、第１のバス導波路１０４に光結合される。入力ポート１０６は、第１の共振モード及び第２の共振モードの双方に光結合できる。光源１０２からの光１２４は、第１のバス導波路１０４の中に放出され、スルーポート１０８の方に伝搬する。微小共振器１１８は、第１のバス導波路１０４から出た光１２４の一部をエバネッセント結合させ、この出力結合された光は、第１の共振光モード１２８及び第２の共振光モード１６４のように、微小共振器１１８の共振周波数で、微小共振器１１８内で伝搬する。微小共振器１１８は、コア１２０及びクラッド１２２を含む。いくつかの実施形態では、上部クラッド１２２は水を含むことができる。いくつかのケースでは、上部クラッドは、例えば異なる位置に異なる材料を含むことができる。例えば、上部クラッドの領域には、水を含むことができる領域もあれば、ガラスのような別の材料を含むことができる領域もある。
【００２９】
第２のバス導波路１３２は、微小共振器１１８と光連通した状態で配置されている。ドロップポート１３６は、第２のバス導波路１３２の一方の末端部に位置し、ドロップ２ポート１３８は、第２のバス導波路のもう一方の末端部に位置する。ドロップポート１３６は、第１の共振光モードに光結合できる。ドロップ２ポート１３８は、散乱中心のない場合には、一般的に第１の共振導波光モードに光結合できない。ドロップポート検出器１３５は、ドロップポート１３６に位置する。ドロップ２ポート検出器１４４は、ドロップ２ポート１３８に位置する。
【００３０】
微小共振器１１８を導波路１０４及び１３２と物理的に接するか又は非常に近接した状態で配置して、これらの導波路に沿って伝搬する光の一部が、微小共振器１１８の中に結合されるようにしてよい。また、微小共振器１１８内で伝搬する光の一部は、導波路１０４及び導波路１３２の中に結合されることにもなるであろう。光結合は、１つのコアから別のコアに光エネルギーが移動することである。光結合領域は、大きな光エネルギー移動が発生する空間の領域である。図１では、微小共振器の表面の領域のうち、共振器のコアと導波路１０４のコアとの間で光結合が起こる領域は結合領域１４５と称され、共振器のコアと導波路１３２のコアとの間で光結合が起こる領域は結合領域１４７とそれぞれ称される。さまざまな実施形態において、結合された光エネルギーの約１％以上、又は約５％以上の移動が存在する場合に、大きな光エネルギー移動が発生する。
【００３１】
エバネッセント結合は、導波路の光コアを形成する構造体、及び共振器の光コアを形成する構造体が、構造的に相互に接合していないとき、光結合が主に、これらの構造体の１つ以上のコアの外側の光場の重複を介して起こるようにする。図１は、エバネッセント結合が起こる構造体の一例である。コア結合は、導波路の光コアを形成する構造体、及び共振器の光コアを形成する構造体が、構造的に相互に接合しているとき、光結合が主に、コアの内側の光場の重複を介して起こるようにする。
【００３２】
中心検出器１３７は、微小共振器の表面上において、ディスク微小共振器の上面１１９など、ディスクの平坦な表面のうちの１つの中心に位置する。別の実施形態では、実際には中心検出器をディスクの中心に取り付ける必要はない。その代わりに、取り外し可能な光学システムを介して、外部検出器をディスクの中心に結合させる。例えば、光ファイバーをディスクの中心と接触させて置くことができ、又は、レンズシステムを用いて、ディスクの中心から光を集めることができる。これらの実施形態では、エッチングした小平面のような光抽出機構を共振器の中心の上に作って、光を検出器システムに出力結合させるのが有益である場合がある。
【００３３】
図１は、５つの考え得る検出器の位置を示している。本発明の１つの実施形態では、図示されている位置の各々に、５つの検出器を含むことができる。ただし、本発明のさまざまな実施形態では、５つの考えられ得る位置の１つに１つの検出器を有する可能性の方が高い。本発明の他の実施形態は、異なる検出器の位置の考えられ得る組み合わせの各々に、２つ、３つ、又は４つの検出器を有する。
【００３４】
図２は、第１のバス導波路１０４を通るように、第１のバス導波路の軸に沿って切断した横断面図である。図３は、微小共振器１１８及び２つのバス導波路を通るように、第１のバス導波路の軸と垂直に切断した横断面図である。第１の光導波路及び第２の光導波路のそれぞれは、複数のクラッドの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、厚みｈ２を有すると共に上部クラッド１２２と下部クラッド１０５との間に配置されたコアを有する。同様に、第２の光導波路１３２は、厚みｈ３を有すると共に上部クラッド１２２と下部クラッド１０５との間に配置されたコアを有する。いくつかのケースでは、上部クラッド１２２は空気又は水を含むことができる。
【００３５】
図１〜３の代表的な光学装置１００では、微小共振器１１８、並びに、光導波路１０４及び光導波路１３２は、異なる厚みを有する。一般に、厚みｈ１、ｈ２、及びｈ３は、同じ値を有してもよいし、有さなくてもよい。いくつかの用途では、微小共振器１１８、光導波路１０４、及び光導波路１３２は、同じ厚みを有する。
【００３６】
散乱中心のような摂動を微小共振器システム１００に導入する又は除去することの影響は、本発明の方法の中核をなす。上述のように、摂動は、微小共振器の光学特性の変化である。例えば、微小共振器の表面上をコーティングすることなどによって生じる、微小共振器の表面又は表面の一部の屈折率の変化は、摂動の一例である。微小共振器の散乱中心への光結合は、摂動の別の例である。摂動としての散乱中心１５０の利用は、図１に示されており、摂動の一例として説明していくが、別のタイプの摂動も本明細書で説明していく。ただし、散乱中心の利用について説明する前に、化学検体の共振器表面への結合によって直接もたらされる実効屈折率の変化に依存する、より従来的なアプローチについて説明する。
【００３７】
微小共振器を用いて検出を行うための従来のアプローチでは、微小共振器１１８のコア１２０の表面１４９を、検体と化学的に特異的に結合できるように官能化される。検体が微小共振器の表面と結合すると、微小共振器の実効屈折率がわずかに変化し、それによって、共振器の透過スペクトルのピークの波長位置がシフトする。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で透過スペクトルのピークのシフトが検出されることは、検体の存在を指す。微小共振器を用いて検出を行うためのその他の従来のアプローチも存在し、さまざまなアプローチのうちのいくつかの例は、同一所有者の公開済み米国特許出願公開第２００６／００６２５０８号に詳述されており、この特許は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００３８】
微小共振器を用いて光検出を行うための新たなアプローチは、本発明によって提供され、そのアプローチでは、異なる光モードが、異なる空間特性を持つエバネッセント場を有するということを活用する。１つの光モードのエバネッセント場は、そのエバネッセント場内に摂動が位置する場合のみに、その摂動と相互作用することができる。１つの実施形態では、第１の光モードは、第２の光モードの場よりも、微小共振器１１８の表面１４９又は表面１４９上の特定の位置での相互作用に有用な場を有する。その結果、微小共振器の表面１４９の摂動は、微小共振器の第１の導波光モード及び第２の導波光モードに別々に作用する。
【００３９】
例えば、いくつかの実施形態では、摂動は第１の光モードには有意に作用し、第２の光モードには、わずかに作用するのみか又はまったく作用しない。その結果、第１の導波光モード及び第２の導波光モードの双方に作用する他のシステム変化の影響を排除できる。したがって、摂動導入のシステムへの影響を分離して、摂動導入の影響をより正確に判断できる。
【００４０】
例えば、システムの温度変化は、微小共振器のコア及び周囲のクラッド材の屈折率の変化を引き起こす可能性がある。コア及びクラッド材の双方の屈折率の変化は、第１の光モード及び第２の光モードの双方の波長シフトを典型的にはもたらすことになる。これに対して、ナノ粒子などの散乱中心の微小共振器への結合は、第１のモード及び第２のモードに別々に作用することになる。第１の光モードのシフトと第２の光モードのシフトとの間の差異を割り出すことによって、温度変化の影響を考慮に入れると共に、第１の光モードへの散乱中心の影響の測定から除外することができる。
【００４１】
本発明の１つの実施形態による検出事象中に、第１の導波光モード１２８及び第２の導波光モード１６４は、光源１０２によって微小共振器１１８内で励起される。続いて、摂動が光学システムに導入されるが、この摂動は、微小共振器の表面又は表面の一部の屈折率の変化などの、微小共振器の光学特性の変化である。摂動の一例は、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ものである。これは、例えば、微小共振器に光結合されつつある散乱中心、又は微小共振器との光結合から外れる散乱中心によって起こる。散乱中心が微小共振器に光結合されると、共振器のモードの１つ以上の光場が、散乱中心と重なり合う。
【００４２】
摂動の別の例は、微小共振器の表面上をコーティングすることなどによって生じる、微小共振器の表面又は表面の一部の屈折率の変化である。図４を参照すると、微小共振器１１８を含む光学システム１００について、光出力の様子が概略的に示されている。グラフは、摂動のある場合及び摂動のない場合における、スルーポート１０８及びドロップポート１３６での典型的な光出力の様子を示している。実線プロットは、摂動のない場合の光出力を示しており、点線は、摂動のある場合の出力を示している。
【００４３】
図４は、システム１００の摂動の２つの例を示している。摂動の１つの例は、散乱中心１５０である。摂動のもう一方の例は、微小共振器の表面での実効屈折率を変化させる効果を有するコーティング１５９である。散乱中心１５０及びコーティング１５９の双方が図４に示されているが、１つの実施形態では、散乱中心１５０又は屈折率を変化させるコーティング１５９の１つのみをシステム１００に導入して、第１の光モード及び第２の光モードにおける周波数シフトを誘発させる。
【００４４】
便宜上、まず、散乱中心と微小共振器との間の光結合の変化を検出するプロセスについて説明していく。このプロセスは、本明細書で更に論じていくように、摂動が、光結合の変化ではなく、微小共振器の表面の屈折率の変化であるときと非常に似ている。
【００４５】
微小共振器に光結合される散乱中心１５０の存在が、スルーポート１０８及びドロップポート１３６で観察される出力、並びに、入力ポート１０６及びドロップ２ポート１３８に反射される出力の変化を引き起こす。本発明の１つの特定の実施形態では、大半のバイオセンシングシステムでは水である、周囲のクラッド材とは異なる屈折率を持つ散乱中心は、ナノメートル規模で、第１の導波光モードの共振線周波数の大きなシフトを誘発する。いくつかのケースでは、クラッドの屈折率と散乱中心の屈折率との間に大きな差異が存在し、各屈折率は複素屈折率である可能性がある。周波数シフトは、図４に概念的に示されている。スルーポート１０８では、グラフ１５１の実線１５２は、存在する散乱中心がない場合にスルーポート検出器１１４で検出されるスペクトルを示し、実線１５２は、グラフ内の第１の導波光モードの共振波長における強度低下１５３、及び、第２の導波光モードの特徴を示す共振波長における強度低下１５５を含む。点線１７６は、散乱中心を微小共振器と光結合させたときに検出されるスペクトルを示している。第１の導波光モードの、例えば強度低下１５３などの低強度点が、強度低下１５４の近くなどまでシフトする。代表的なグラフ１５２では、このシフトは、前記よりも長い波長の方に向くか、又は、例えば、クラッド材の屈折率よりも大きい散乱中心の屈折率の実部に対応するレッドシフトである。ただし、第２の光モードは散乱中心１５０との相互作用にとってあまり有用ではないエバネッセント場を有するため、第２の光モードの低強度点１５５はシフトしない。
【００４６】
同様の変化はドロップポート１３６でも見られ、点線１７８は散乱中心を持つスペクトルを示し、実線１６２は散乱中心のないスペクトルを示している。散乱中心のないプロット１６２は、グラフ内の第１の導波光モードの共振波長における強度ピーク１６３、及び、第２の導波光モードの特徴を示す共振波長における強度ピーク１６５を含む。散乱中心の導入後、強度ピーク１６３は、Δλ１だけ強度ピーク１６４の方にシフトする。ただし、第２の導波光モードの強度ピーク１６５の波長は、散乱中心の導入による影響をあまり受けず、散乱中心の導入後には、強度ピーク１６６になり、実質的に同じ波長に存在する。その結果、第２のモードが経る波長シフトΔλ２、及び対応する周波数シフトは、ゼロである。
【００４７】
微小共振器１１８の第１のモード及び第２のモードは、異なるエバネッセント場、すなわち、異なる散乱中心への結合又はその他の摂動を有する。その結果、誘発されるシフトの大きさは、特定の共振モードに左右される。
【００４８】
図４に示されている例では、散乱中心１５０は、第２の光モード１６４に対してごくわずかな影響しか及ぼさないか、又はまったく影響を及ぼさない。次に、図５を参照しながら、１つの例について論じていく。図５では、第２の光モード１６４は、散乱中心が微小共振器に結合された後に測定可能なシフトを経る。これは、第２の放射モード８０６が、第１の位置８１３でナノ粒子と重なり合うエバネッセント場を有する図８に示されているように、第２の光モードが、微小共振器の表面と重なり合うエバネッセント場を有するよう微小共振器の特性が存在する場合に起こることがある。あるいは、散乱中心の微小共振器に対する結合強度の変化以外の理由で、第２の光モードは測定可能なシフトを経ている場合もある。例えば、システムの温度変化は、システムのクラッドの屈折率を変化させる場合があり、この結果、第２の光モードの波長シフトが起こる場合がある。
【００４９】
図５は、グラフ２００内で、微小共振器の１つの実施形態のドロップポートにおける光出力を示している。実線プロット２０２は、散乱中心のない場合の光出力を示しており、第１の光モードの特徴を示す第１の波長ｖ１における強度ピーク２０５、及び、第２の光モードの特徴を示す第２の波長ｖ２における強度ピーク２０６を含む。点線プロット２０８は、散乱中心が微小共振器と光連通している、ドロップポートでの光出力を示している。点線プロット２０８は、第１の光モードの特徴を示す第１の波長ｖ１Ｓにおける強度ピーク２１０、及び、第２の光モードの特徴を示す第２の波長ｖ２Ｓにおける強度ピーク２１２を含む。
【００５０】
第１の光モードの波長シフトは以下のとおりである。
【００５１】
Δλ１＝λ１−λ１Ｓ
第２の光モードの波長シフトは以下のとおりである。
【００５２】
Δλ２＝λ２−λ２Ｓ
第２の光モードが経たシフトを、第１の光モードが経たシフトから減じることによって、散乱中心の結合強度の変化以降に起きた他の光学特性変化とは別にして、散乱中心の第１の光モードへの影響を割り出すことができる。第１の光モードが経た第１の周波数シフトと、第２のモードが経た第２の周波数シフトとの間の差異は、以下のとおりである。
【００５３】
ΔλＳＨＩＦＴ＝Δλ１−Δλ２
スルーポート検出器１１４での出力も、第１の光モード及び第２の光モードで波長スペクトルのシフトを示すことになるが、このスペクトルの適切な最小強度における周波数を用いて、第１の周波数シフトと第２の周波数シフトとの間の差異を算出することになる。
【００５４】
中心共振器１３７、入力検出器１０２、及び／又はドロップ２検出器１４４の出力を用いる別の方法では、摂動の導入前に微小共振器内で後方散乱を誘発させる。上述のように、散乱中心が共振器と相互作用するまでは、これらの位置に信号が存在しないため、摂動の導入前に後方散乱がないと、自己参照方法で入力及びドロップ２ポートにおける検出器からの出力データが用いられない。このため、シフトを測定するために「導入後」信号と比較する「導入前」信号が存在しない。また、散乱中心が微小共振器に結合されるまでは、微小共振器中心に信号がほとんど存在しないため、これは中心検出器での出力を有するケースでもある。
【００５５】
ただし、摂動との相互作用前に後方散乱信号が生成される場合、摂動との相互作用が始まる前に、信号はドロップ２ポート、入力ポート、及び中心検出器で検出可能になる。摂動との相互作用が始まった後の信号と比較する「導入前」信号をもたらすために、恒久的な散乱中心を微小共振器に導入するなどの多くの方法で後方散乱信号を生成させることができる。恒久的な散乱中心の例としては、微小共振器コアの残部とは異なる屈折率の微小共振器コア内のノッチ、微小共振器の表面の十分な表面粗さ、又は、多角形微小共振器の傾斜側面が挙げられる。また、本明細書に記載されている散乱中心のうち、検出プロセス中に微小共振器と光連通状態にしたり光連通状態を解除したりできる、ナノ粒子、可変屈折率領域などの散乱中心の例も数多く存在する。後方散乱をもたらすノッチの代わりに、このようなその他のタイプの散乱中心を本方法と共に用いることができる。
【００５６】
図６は、いろいろな意味で図１〜４の光学システム１００に似ている光学システム２４０と併せた本方法を示している。光学システム２４０は、２つのバス導波路１０４及び１３２を含み、入力ポート１０６、スルーポート１０８、ドロップポート１３６、及びドロップ２ポート１３８を有する。光学システム２４０は、入力検出器１０２、ドロップ２検出器１４４、及び中心検出器１３７もまた含む。また、ディスク微小共振器２１８は、微小共振器２１８のコア２１７の残部とは異なる屈折率を有するノッチ２２２もまた含む。ノッチ２２２は、微小共振器の光モードの散乱をもたらし、その結果、中心検出器１３７、入力検出器１０２、及びドロップ２検出器１４４で有意なピークが観察される。光源１１０によって入力ポート１０６で導入される光は、第１の共振光導波モード１２８及び第２の共振光導波モード１６４を励起する。ノッチ２２２は、第１の導波光モード１２８及び第２の導波光モード１６４を第３の共振光モード１９０及び第４の共振光モード１９２に散乱させ、以下で更に詳しく論じられているように、これらはドロップ２及び入力ポートで検出される。これに加えて、本方法によれば、散乱中心１５０のような摂動が、第１のモード１２８及び第２のモード１６４の周波数シフトを引き起こす。また、周波数がシフトした第１のモード及び第２のモードは、摂動によって散乱され、続いて、周波数がシフトした第１のモード及び第２のモードが後方散乱されたモードが、第５の光モード及び第６の光モードとしてドロップ２及び入力ポートで検出される。
【００５７】
第３の導波光モード、第４の導波光モード、第５の導波光モード、及び第６の導波光モードは、ドロップ２及び入力ポートで検出可能である。このため、第３の導波光モードと第５の導波光モードとの間の第１の周波数差を、第４の導波光モードと第６の導波光モードとの間の第２の周波数差と比較できる。スルーポート及びドロップポートによる方法に関して上述したように、この比較は、摂動の導入以外で、システムが経る任意の周波数シフト効果を示す。その結果、摂動の効果を分離できる。図６は、システム２４０の異なるポートでの出力の様子を示すプロット２４２、２４４、２４６、及び２４８を含む。散乱中心１５０又はその他の摂動と微小共振器との間の光学結合が変化する場合、上記の３つの検出器の位置でピークのシフトを観察することができる。
【００５８】
入力ポート１０６においてグラフ２４４の実線１７２は、散乱中心１５０などの摂動は存在しないが、ノッチ２２２など、あるタイプの散乱中心が存在する場合に、入力ポート検出器１０２で検出されるスペクトルを示している。プロット１７２は、グラフ内の第３の導波光モードの共振波長における強度ピーク１７５、及び、第４の導波光モードの特徴を示す共振波長における強度ピーク１７３を含む。点線１７４は、散乱中心を微小共振器と光結合させた後に検出される入力ポートでのスペクトルを示している。第３の導波光モードの、強度ピーク１７４などの強度ピークは、強度ピーク１７６の近くなどまでシフトする。代表的なグラフ２４４では、このシフトは、前記よりも長い波長の方に向くか、又は、例えば、クラッド材の屈折率よりも大きい散乱中心の屈折率の実部に対応するレッドシフトである。ただし、第２の光モードは、散乱中心１５０との相互作用にとってあまり有用ではないエバネッセント場を有するため、第４の光モードの強度ピーク１７３はシフトしない。この結果、第２の光モードから後方散乱される第４の光モードも、散乱中心１５０の結合変化の影響を示さない。したがって、強度ピーク１７７は、強度ピーク１７３とほぼ同じ波長におけるものである。
【００５９】
同様の変化は、ドロップ２ポート１３８で見られ、実線１８１は、散乱中心１５０などの摂動が導入される前のスペクトルを示し、点線１８２は、散乱中心が導入された後のスペクトルを示している。この出力は、入力ポート１０６の出力に非常に似ており、第３のモード１８５は、Δλ１だけピーク１８６にシフトし、第４のモード１８３は、ピーク１８７へのわずかなシフトを経るか又はまったくシフトを経ないため、第２のモードが経る波長シフトΔλ２及び対応する周波数シフトはゼロである。
【００６０】
散乱及び周波数シフトしたモードの検出は、中心検出器１３７の位置で、ドロップ２及び入力ポートについて上述したケースと同様に行われる。検出されるスペクトルは、プロット２４２及び２４４と非常に似ることになる。１つの相違点は、中心検出器１３７で検出される散乱モードは共振モードではない点である。中心検出器は、第１の光モード及び第２の光モードから散乱される第３の光モード及び第４の光モードを検出することになる。中心検出器は、第１の周波数シフトした光モード及び第２の周波数シフトした光モードから散乱される第５の光モード及び第６の光モードも検出することになる。続いて、第３の光モードから第５の光モード、及び第４の光モードから第５の光モードへの周波数シフトを測定することになる。
【００６１】
上述のとおり、ノッチ２２２は、後方散乱をもたらす唯一の方法ではないため、自己参照方法で、ドロップ２ポート、入力ポート、及び中心検出器ポートを用いることができる。また、微小共振器の表面２１９の十分な表面粗さも、後方散乱したモードをもたらすことができる。１つの実施形態では、表面２１９は、約５０ナノメートル以上の表面の２乗平均平方根（Ｒｑ）粗さを有する。別の実施形態では、表面粗さ（Ｒｑ）は約７５ナノメートル以上である。
【００６２】
他の実施形態では、多角形共振器が、ドロップ２及び入力ポート、並びに中心検出器で信号を生成させるのに十分な後方散乱をもたらす。図７は、八角形微小共振器７１８、第１のバス導波路７０４、及び第２のバス導波路７３２を有する光学システム７００を示している。光学システム７００は、さまざまな実施形態において、図１〜４に示されているものと同様の他のコンポーネントを含むが、簡潔化のために、図７にはそれらのコンポーネントは示されていない。傾斜側面７２０、及び傾斜側面の間にある接合点７２２が後方散乱用の表面をもたらすため、図６を参照しながら説明した方法をノッチ２２２なしで行うことができる。
【００６３】
八角形微小共振器に加えて、後方散乱モードをもたらす微小共振器として、その他のタイプの多角形共振器を用いてもよい。例えば、六角形及び五角形微小共振器を用いてもよい。
【００６４】
スルーポート１０８におけるプロット２４６及びドロップポート１３６におけるプロット２４８は、それぞれ、摂動２５２及び２６２以前の実線プロットと摂動２７６及び２７８以降の点線プロットとの間の周波数シフトを示す。図４を参照しながら上述したように、シフトは初期散乱中心がなくても上記のポートで起こるため、スルーポート１０８及びドロップポート１３６における周波数シフトを活用するためにノッチ２２２のような初期散乱中心を有する必要はない。これら２つのポートでの出力は、スペクトルの点では、図４に示されているように初期散乱中心なしに起こるものと同様であるが、図４に示されている状況と比べると、光が追加的なポートに散乱されるため、図４よりも低い強度を有することになる。
【００６５】
後方散乱をもたらす目的で用いる異なる散乱中心は、さまざまな程度まで散乱することになる。ノッチ２２２のような散乱中心から非常に強く散乱するケースでは、一部の波長ピークの分裂が起こる可能性があることに留意されたい。これは、強い散乱を持つ共振モードの定在波特性によるものであり、ノッチに中心がある電界の節を持つモードと、ノッチに中心がある電界の波腹を持つモードという２つの異なるタイプの定在波モードが可能であるということである。これらの２つのモードは、やや異なる実効屈折率を有するため、やや異なる波長を有する。共振器の線幅（Ｑに関連する）、又は検出システムの周波数分解能のいずれかが、小さな分裂を分解するには不十分なため、分裂は実験的には頻繁には観察されない（リトル（Little）ら著、「単一の共振器内の、部分的に結合された進行波による２次フィルタリング及び検出（Second order filtering and sensing with partially coupled traveling waves in a single resonator）」、オプティクスレターズ（Optics Letters）第２３巻、１５７０ページ（１９９８年）を参照されたい）。
【００６６】
本明細書に記載されている自己参照型微小共振器システムの実施形態のケースの多くでは、摂動と共振器モードとの間の特異的な相互作用は、摂動が共振器のコア内のモードと相互作用できる共振器領域をコントロールする努力をしない場合の、共振モードの形の固有差に基づく。いくつかの実施形態では、摂動が光モードと相互作用できる共振器領域をコントロールするのが有益である場合があり、これを利用して、そのモードで摂動によってもたらされる効果の差を拡大することができる。
【００６７】
図８は、下部クラッド８３２の上に配置されたディスク微小共振器のコア８０２の上面図及び側面図を示しており、ディスクキャビティの波動方程式の２つの放射解に対応する２つのウィスパリングギャラリー共振モードが励起される。これらのモードを表す曲線８０４及び曲線８０６は、そのモードの電界振幅の２乗に相当する。放射モードは、波動方程式と境界条件を満たす次数ｍのベッセル関数である。第１のモード８０４は、ディスク内に単一のローブ８０８（最大）を有し、第２のモード８０６は、ディスク内に２つのローブ８１０及び８１２を有する。摂動がディスクの最上部でモードエバネッセント場と相互作用するとき、結合強度は、結合位置におけるモード場の強度に左右される。したがって、第１の位置８１３での摂動は、第１の放射モード及び第２の放射モードの双方に作用するが、第２のモードよりも第１のモードの方に強く作用する。第２の位置８１４での摂動は、主に第２のモードに作用する。
【００６８】
各モードは、異なる自由空間波長に対応するため、共振器表面の摂動の位置は、各モード波長に近いスペクトルに及ぶ作用の程度をコントロールする。異なる共振波長での効果を検出することによって、微小共振器のキャビティに対する摂動の放射位置が推測できる。
【００６９】
いくつかのケースでは、１つのモードを基準波長として用いるために、摂動のそのモードに対する効果を最小限に抑えるのが望ましい場合がある。これは、さまざまな方法で行うことができ、そのうちのいくつかについて後述する。
【００７０】
図９は、コアに比べて低い屈折率を有する上部クラッド８２０をディスクが備える点を除き、図８に示されているものと同様のディスク微小共振器のコア８０２を示している。これによって、散乱中心８２１のような摂動が、共振器ディスクの円筒形の側面８２２以外の共振器の場に作用するのを防ぐ。ディスク共振器では、２ローブの第２のモード８０６は典型的に、単一ローブの第１のモード８０４よりもディスクの周辺部においてかなり低い電界強度を有するため、摂動は、第１のモードの方にかなり強い効果を有する。その検体が、波長シフト法によって検出されるものであると、第２のモードに対応する波長が、検体が周辺部に結合するときにごくわずかにシフトすることになる一方で、第１のモードに対応する波長は、第２のモードに対応する波長よりもかなり大きくシフトすることになる。つまり、第１のモード波長と第２のモード波長とを比較することによって、検体の検出に自己参照効果をもたらす。
【００７１】
クラッド８２０で覆われる区域は、微小共振器の表面の利用不可能な部分（摂動との相互作用に利用されない部分）を画定する。特定の実施形態では、利用不可能な部分は、図１に示されている結合領域１４５及び１４７などの結合領域とは異なっており、微小共振器は、システムの一部で１つ以上のバス導波路と光結合される。
【００７２】
図１０は、コア８０２を有する別のディスク共振器を示し、この共振器でも、摂動の位置はクラッド８３０によってコントロールされる。図１０では、上部クラッド８３０をコアの上部全体を覆うように塗布してから、環状の開口区域８３２を有するようにパターン化してあり、この開口区域８３２によってのみ、共振器は、第２の（２ローブの）モードのピーク強度に対応する位置で摂動を受けることができる。この方法では、摂動の第２のモードに対する効果を、摂動の第１のモードに対する効果よりも強くすることができる。
【００７３】
図１１は、微小共振器の代表的な異なる形状の概略図である。このケースでは、共振器は、方形共振器８４０であり、この図では、簡潔化のために正方形になっている。この共振器は、多くの定在波共振モードを支持することができる。描写の簡潔化のために、キャビティのｘ方向における最長波長の共振８４２及び共振８４４、並びにｙ方向における最長波長の共振８４３及び共振８４５の電界振幅の２乗の空間依存性のみが示されている。このケースでは、低屈折率の上部クラッド８４４が共振器に追加されているため、摂動が、共振器の中心開口領域８４６内の共振器の場とのみ相互作用することができる。これは、単一ローブの水平モード８４２及び単一ロードの垂直モード８４３に対する摂動の効果を最大化すると共に、２ローブモード８４４及び８４５に対する摂動の効果を最小化する。したがって、周波数シフトの検出アプローチでは、検体が検出領域内で結合するとき、水平及び垂直方向で単一ローブである第１のモードに対応する波長は、最も大きくシフトすることになり、水平及び垂直方向の双方で２ローブである第２のモードに対応する波長は、最も小さくシフトすることになる。このため、第２のモードは、自己参照用の基準信号をもたらす。
【００７４】
上記の実施形態は、パターン化されたクラッド形体の例に過ぎず、微小共振器上でクラッドを用いて、微小共振器の１つ以上の空間局在モードに対する外部摂動の効果を増大又は抑制する概念を限定することは一切ない。
【００７５】
本発明のシステムを用いる方法について、主に、摂動として散乱中心を用いる状況を前提にして説明してきた。しかし、別のタイプの摂動は、微小共振器の表面、又は微小共振器の表面の一部の屈折率の変化である。散乱粒子に結合するケースと同様に、表面クラッドのパターン化も異なる共振モードに対する効果間の差異を拡大させることができる。
【００７６】
例えば、図９〜１０の微小共振器システム７００では、環状の利用可能な部分は、微小共振器の表面をコーティングする機会を提供して、その利用可能な部分の屈折率を変化させる。図４及び図５に関して上述した異なるシフトと同様に、このようなコーティングは、微小共振器の第１の光モードのシフトをもたらす一方で、微小共振器の第２の光モードのごくわずかなシフトしかもたらさないか、又はシフトをまったくもたらさない。上述のとおり、これらのシフトを用いて、摂動が微小共振器と結合したか否かを判断する。
【００７７】
検体と微小共振器の空間局在モードとの相互作用をコントロールする代替的な方法は、検体に選択的に結合する化学種のパターン化された層で、微小共振器の表面をコーティングするものである。このアプローチは図１２に概略的に示されており、図１２では、化学結合による官能化物が環内に塗布され、これが共振器の放射モードの１つの最大場と重なるように設計されている。
【００７８】
図１２は、ディスク微小共振器８６８の上面図及び側面図を含み、これらの２つの図は双方とも、システムの中心軸を表す軸８７０を中心としている。これに加えて、図１２は、微小共振器８６８内で励起される２つのウィスパリングギャラリー共振モードを示しており、これらのモードは、ディスクキャビティの波動方程式の２つの放射解に対応する。モードを示す曲線８７４及び曲線８７６は、モードの電界振幅の２乗に相当し、モードの強度が中心軸８７０からの距離によってどの程度変化するかを表すものとして示されている。放射モードは、波動方程式と境界条件を満たす次数ｍのベッセル関数である。図８〜１０を参照しながら上述した状況と同様に、第１のモード８７４は、ディスク内に単一のローブ（最大）を有し、第２のモード８７６は、ディスク内に２つのローブを有する。
【００７９】
微小共振器８６８は、平坦な上面８７８及び円筒形の側面８７９を有する。上面８７８は、化学結合による官能化物コーティング８８０を環状パターンで含み、このコーティングは、検体と化学結合する。非コーティング区域８８２は、検体と化学結合しない。官能化物コーティング８８０は、環状形で検体に結合するため、検体の官能化区域への結合による屈折率の変化は、第２の（２ローブの）モードのピーク強度に対応する位置で、微小共振器に摂動をもたらす。この方法では、検体の結合の第２のモードに対する効果を、摂動の第１のモードに対する効果よりも強くすることができる。１つの実施形態では、官能化された環状部分８８０と接する検体は、どちらかといえば、微小共振器の表面に結合するものである。さまざまな実施形態において検体は、９０％以上などの非常に高い確率で、官能化された環状部分８８０で微小共振器の表面に結合する。
【００８０】
図１２の代替的な実施形態では、化学結合を防ぐコーティングは、微小共振器の円筒形の側面８７９を含む区域８８２の上に存在する。この結果、区域８８２で微小共振器に接する検体が微小共振器の表面に付着する可能性は低い。
【００８１】
少なくとも２つの導波共振光モードを支持できるディスク微小共振器を含む本発明の実施形態について説明してきた。このシステムの代替的な実施形態は、その他の形の微小共振器を含む。ただし、微小共振器が少なくとも２つの導波共振光モードを支持することができ、その空間的形状によって、微小共振器の表面の摂動が、微小共振器の第１の光モード及び第２の光モードに対して異なる効果を有するようにすることが条件となる。本発明と共に用いることのできる微小共振器形体の他の例としては、マルチモードのリング共振器及びマルチモードの長円形共振器、並びに、多角形共振器が挙げられる。
【００８２】
図１３は、単一バスのリング共振器の実施形態４００の略図であり、光源４０２は、単一の導波路４０４と入力ポート４０６で光連通している。入力ポート検出器４１０は、入力ポート４０６に配置されており、摂動が導入される前に、後方散乱モードを生成するために、散乱中心が存在する場合、自己参照方法で利用できる。光スプリッター又は光サーキュレーターなど、光コンポーネント４１２は、入力ポート４０６、光源４０２、及び入力ポート検出器４１０と光連通している。スルーポート検出器４１１は、スルーポート４０８と光連通している。
【００８３】
リング微小共振器４１８は、導波路４０４と光連通している。光源４０２からの光４２４は、第１のバス導波路４０４の中に放出され、スルーポート４０８の方に伝搬する。微小共振器４１８は、第１のバス導波路４０４から出た光４２４の一部をエバネッセント結合させ、この出力結合された光は、微小共振器４１８の２つ以上の共振周波数（第１の共振光モード４２８及び第２の共振光モード４６４など）で、微小共振器４１８内で伝搬する。
【００８４】
本発明の１つの実施形態による検出事象中に、微小共振器４１８と散乱中心４５０又は他の摂動との間の光結合の強さが変化する。散乱中心４５０又は他の摂動が、微小共振器と光連通しているとき、第１の導波光モード４２８は波長シフトを経る。第２の導波光モード４６４は、異なる波長シフトを経るが、波長シフトを経なくてもよい。
【００８５】
代替的な実施形態は、入力検出器４１０及びスルーポート検出器４１１のうちの１つのみを含む。別の代替的な実施形態では、リング共振器４１８がディスク共振器に置き換わっている。
【００８６】
図１４は、単一バスのディスク共振器の実施形態５００の略図であり、この実施形態は、光５２４を単一の導波路５０４に提供するために導波路５０４と入力ポート５０６で光連通している光源５０２を含む。中心光検出器５１０は、ディスク共振器５１８の中心５１１に配置されている。もう１つの検出器５１３は、スルーポート５０８に配置されている。代替的な実施形態では、これらの検出器のうちの１つのみが存在する。
【００８７】
散乱中心５５０は、微小共振器５１８と光連通するか、又は、微小共振器５１８との光連通が外れるかする。図示されている実施形態では、第１の共振光モード５２８及び第２の導波光モード５６４の波長シフトを検出する工程は、スルーポート５０８に伝わると共に検出器５１３によって検出される波長を検出することを含む。散乱中心５５０のような摂動が導入される前に、後方散乱モードを生成させるために別個の散乱中心が存在する場合、中心位置５１１の中心検出器５１０によって検出される出力を自己参照法で用いることができる。
【００８８】
図１５は、ダブルバス導波路の長円形共振器の実施形態６００の概略図であり、光源６０２は、第１の導波路６０４と入力ポート６０６で光連通している。入力ポート検出器６１０は、入力ポート６０６に配置されている。光スプリッター又は光サーキュレーターなど、光コンポーネント６１２は、入力ポート６０６、光源６０２、及び入力ポート検出器６１０と光連通している。スルーポート検出器６１４は、第１の導波路６０４のもう一方の末端部にあるスルーポート６０８に存在する。
【００８９】
光源６０２からの光６２４は、第１のバス導波路６０４の中に放出され、スルーポート６０８の方に伝搬する。マルチ横モードの長円形共振器６１８は、２つの曲線部分６１９、及び２つの直線部分６２０を含む。微小共振器６１８は、第１のバス導波路６０４から出た光６２４の一部をエバネッセント結合させ、この出力結合された光は、微小共振器６１８の２つ以上の共振周波数（第１の共振光モード６２８及び第２の共振光モード６６４など）で、微小共振器６１８内で伝搬する。
【００９０】
第２のバス導波路６３２は、微小共振器６１８と光連通した状態で配置されている。ドロップポート６３６及びドロップポート検出器６３５は、第２のバス導波路６３２の一方の末端部に位置し、ドロップ２ポート６３８は、第２のバス導波路６３２のもう一方の末端部に位置する。ドロップポート６３６は主に、第１の導波光モード６２８に光結合できる。ドロップ２ポート６３８は、第１の導波光モードに非常に弱く結合できるか、又は、第１の導波光モードに結合できない。ドロップ２ポート検出器６４４は、ドロップ２ポート６３８に位置する。
【００９１】
他の微小共振器システムと関連させて上述したように、第１の光モード及び第２の光モードに対する散乱中心６５０の結合強度を変化させることの効果は、スルーポート６０８及びドロップポート６３６で観察できる。散乱中心６５０のような摂動の導入の前に、又はこの導入に加えて、後方散乱モードを生成させるために別個の散乱中心が存在する場合、入力ポート検出器６１０又はドロップ２ポート検出器６４４によって検出される出力を自己参照法で用いることができる。したがって、さまざまな実施形態は、これらの４つの検出器の位置の１つ以上と光連通している検出器を含む。
【００９２】
第１の共振導波光モード及び第２の導波光モードの双方を支持することができるように構成されることができると共に、自己参照法及び本発明の装置と併せて用いられることのできる微小共振器導波システムの追加的な実施形態は、「光微小共振器（Optical Microresonator）」という表題で、代理人整理番号第６２４５１ＵＳ００２号を有し、２００６年１２月１日に申請された同一所有者の米国特許出願第１１／５６５，９３５号、及び、「光微小共振器（Optical Microresonator）」という表題で、代理人整理番号第６２６８１ＵＳ００２号を有し、２００６年１２月２７日に申請された同一所有者の米国特許出願第１１／６１６，３３８号に図示及び記載されており、これらの特許の全体は、すでに参照により本明細書に組み込まれている。
【００９３】
上述のように、摂動は微小共振器の光学特性の変化である。例えば、微小共振器の表面又は一部の屈折率の変化は、微小共振器の表面上をコーティングすること、又は、微小共振器を散乱中心に光結合させることなどによって生じる。
【００９４】
散乱中心は、微小共振器に光結合されると、微小共振器内の共振モードの波動関数に摂動を付与して、散乱中心のない場合に入力によって励起されるモード（図１における少なくとも第１の共振光モード１２８など）から、散乱中心のない場合に励起されないモードへのエネルギー移動を引き起こすことのできる要素である。１つの実施形態では、散乱中心は、第１のモードから別のモードへのエネルギー移動を増大させるが、第１のモードから別のモードへのエネルギー移動の一部は、散乱中心がない場合でも起こる場合がある。
【００９５】
これに加えて、散乱中心が、クラッドとは異なる屈折率を有するとすると、散乱中心と微小共振器のモード場との相互作用は、そのモードの実効屈折率を変化させる。これはモードの共振波長をシフトさせる。
【００９６】
本発明の検出方法と共に用いてよい散乱中心の例としては、ナノ粒子が挙げられる。本明細書で使用する場合、「ナノ粒子」という用語は、約１０００ナノメートル以下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、最大で１００ナノメートル、又はこの両方である。別の実施形態では、散乱中心は、少なくとも１０ナノメートル、最大で１５０ナノメートル、又はこの両方である。
【００９７】
本発明の１つの実施形態では、散乱中心は、検出事象中に散乱中心を取り囲むことになる媒質（典型的には水）に比べて、高い屈折率差を有する。本発明の１つの実施形態では、散乱中心は、高い吸光値を有する。例えば、散乱中心材の複素屈折率の虚部は少なくとも８である。
【００９８】
いくつかのケースでは、金などのいくつかの金属のケースのように、散乱中心の屈折率の実部は１未満である。いくつかの他のケースでは、ケイ素のケースのように、散乱中心の屈折率の実部は２．５を超える。
【００９９】
本発明と共に用いるのに適切である散乱中心の例としては、ケイ素ナノ粒子、並びに、金ナノ粒子及びアルミニウムナノ粒子のような金属ナノ粒子が挙げられる。いくつかのケースでは、散乱中心は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＣｄＳｅ、又はＣｄＳのような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、及び３．５という関心波長に対する屈折率（実部）を有するケイ素粒子であることができる。散乱中心の別の例は、８０ナノメートルの直径を有すると共に、１５５０ｎｍ前後の波長に対して０．５４＋９．５８ｉという屈折率を有する金粒子である。散乱中心の別の例は、８０ナノメートルの直径を有すると共に、５５０ｎｍ前後の波長に対して１．４４＋１６．０ｉという屈折率を有するアルミニウム粒子である。
【０１００】
いくつかの実施形態では、散乱中心は誘電体粒子である。いくつかの実施形態では、散乱中心は、散乱中心を取り囲む上部クラッドとは異なる複屈折、磁化率、又は電気感受率を有する。散乱中心は、さまざまな実施形態では、強磁性又は常磁性粒子である。散乱中心は、多くの実施形態では、非蛍光性粒子である。更には、散乱中心は、いくつかの実施形態では半導体ではない。
【０１０１】
いくつかの実施形態では、散乱中心はメタマテリアルである。
【０１０２】
微小共振器の表面の一部の屈折率を変化させる摂動の一例は、微小共振器の表面上のコーティング（他のタンパク質を共振器の表面に結合させることができる抗体など）、又は、溶媒蒸気を吸収し、それによって屈折率を変化させることのできる、多孔質ポリマーによるコーティングである。
【０１０３】
全ての例に関連する問題を示している図１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さの変化は、それぞれ、第１の導波光モード１２８と第２の導波光モード１６４との間の光散乱の変化を誘発できる。光結合の強さの変化は、さまざまな手段によって実現させることができる。例えば、散乱中心１５０と微小共振器１１８との間隔「ｄ」の変化は、散乱中心と微小共振器との間の光結合の強さを変化させることができる。別の例では、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さを変化させることができる。１つの実施形態では、散乱中心は、共振器のコアに組み込まれた、可変屈折率の領域である。このようなケースでは、例えば、該領域が、気体又は液体などの物質に暴露されて吸収されると、屈折率が変化することができる。一般に、散乱中心１５０と微小共振器１１８との間の光結合の強さを変化させることのできるいずれかの機構は、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。
【０１０４】
センサーとして微小共振器導波路システムを用いることに対するいくつかのアプローチがある。アプローチの選択は、検出される検体の化学、検出のための割当時間、試料調製技術などを含めさまざまな考慮によって判断される。検出システム内で散乱中心を用いることの一例は、特定の抗原に対する抗体で共振器をコーティングすることを含む。抗体は、バクテリア及びウイルスのような異物を同定及び中和するために、免疫システムによって利用されるタンパク質である。各抗体は、特定の抗原を唯一の標的として認識する。
【０１０５】
１つのアプローチでは、散乱中心標識を試料と混合する前に、対応する抗体でナノ粒子を官能化することによって、ナノ粒子標識など、散乱中心標識が抗原分子に選択的に付着するように、分析対象試料を作製する。続いて、試料を微小共振器の表面と接触させる。抗体−官能化共振器とナノ粒子で標識した抗原との間の結合が、共振器の表面で起こると、ナノ粒子が光結合範囲の中にもたらされる。この結果、第１の光モードが、ドロップポート又はスルーポートで波長シフトを経て、そのシフトが検出される。また、それまでは有意な信号が存在しなかった中心検出器、ドロップ２ポート検出器、又は入力ポート検出器で、信号が検出されることにもなる。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、同じ又は同様のアプローチを用いる。
【０１０６】
共振器から散乱中心を除去することによる検出は、まず、検体を導入したときに生じる抗原−抗体反応よりも弱い結合を有する抗原−抗体システムによって散乱中心を共振器に結合させることによって実現される。共振器への結合をめぐる競争の結果、散乱中心が共振器の周囲から分離し、散乱中心との光結合が喪失する。同様のアプローチによって、ナノ粒子と共振器との間の化学結合を選択的に切断できる任意の化学種の検出が可能になる。
【０１０７】
光源１０２は、所望の波長又は波長範囲の光１２４を発生させる。例えば、微小共振器をセンサー内で用いる場合、光源１０２は、微小共振器に導入されるか又は微小共振器との光連通を解除された散乱中心と相互作用する波長の光を生成させる。微小共振器を用いる既存の検出システムでは、第１のバス導波路の中に効果的に結合される光を光源が生成させることが特に重要である。これは、レーザー（レーザーダイオードなど）のような光源の頻繁な利用につながる。レーザーダイオードのようなレーザーは、本発明の実施形態と共に用いるのに適した光源である。これに加えて、本発明のアプローチによって、既存の検出システム内の光源よりも広範な波長を発生させる光源の利用が可能になる。１つの実施形態では、光源１０２は、ランプと共に、ランプからの光を第１のバス導波路１０４の中に結合させるのに適した光学素子を含む。いくつかの用途では、光源１０２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザー（レーザーダイオードなど）であることができる。１つの実施形態では、ランプは広帯域光源であり、１つの特定の波長又は狭い範囲の波長ではなく、多くの周波数又は一連の周波数を放つ。いくつかの用途では、光源は、例えば白色光を発する広帯域光源であることができる。いくつかのケースでは、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。他のいくつかのケースでは、この範囲は、約７００ｎｍ〜約１６００ｎｍであることができる。他のいくつかのケースでは、この範囲は、約９００ｎｍ〜約１４００ｎｍであることができる。いくつかのケースでは、光源１０２は、６３３ｎｍ、８５０ｎｍ、９８０ｎｍ、１３１０ｎｍ、又は１５５０ｎｍの光を発することができる。
【０１０８】
光ヘテロダイン検出技術を用いて、第１の波長と第２の波長との間の差異を検出でき、この技術は、わずかに異なる２つの光周波数の間のビート周波数を分析する。
【０１０９】
第１のバス導波路１０４は、いずれかの好適なタイプの導波路であってよく、例えば、基材の中又は上に形成される、ケイ素基材の中又は上に形成される導波路など、チャネル導波路であってもよい。第１のバス導波路１０４は、光ファイバーであってもよい。
【０１１０】
検出器ユニット１１０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又はフォトトランジスターを含む。検出器ユニット１１０は、光検出器に到達する光の波長を選択する波長感受性装置もまた含む。波長選択装置は例えばフィルター又は分光計であってもよい。ユーザが光検出器に入射する光の波長を能動的に変更することができるように、波長選択装置は波長調整が可能であってもよい。いくつかのケースでは、波長選択装置は、ドロップ２ポートなどの他のポートで用いてもよい。
【０１１１】
図１の微小共振器１１８は、ディスク微小共振器であるように示されている。このシステムの代替的な実施形態は、別の形の微小共振器を含む。ただし、微小共振器が、少なくとも２つの導波共振光モードを支持することができ、その空間的形状によって、微小共振器の表面の摂動が、微小共振器の第１の光モード及び第２の光モードに対して異なる効果を有するようにすることが条件となる。例えば、微小共振器１１８は、マルチモードのリング共振器、マルチモードの長円形共振器、又は多角形共振器であることができる。
【０１１２】
本明細書で論じられているさまざまな代表的な実施形態では、上記の微小共振器タイプのいずれも、別のタイプに置き換えて、代替的な実施形態を作ることができる。リング及びディスク共振器の製造プロセスは、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ため、これらの装置は、低コスト製造及び強固なシステムを得るためのかなりの可能性を提供する。
【０１１３】
いくつかのケースでは、微小共振器は円対称性を有し、これは、微小共振器のコア断面の外辺部を、中心点からの距離の関数としてのみ表せることを意味する。いくつかのケースでは、ディスク状の微小共振器でのように、中心点は微小共振器の中心であることができる。円対称性を有する代表的な微小共振器の形としては、球体、円錐曲線回転体、ディスク、及び円筒形が挙げられる。
【０１１４】
微小共振器１１８は典型的に、２μｍ〜数ミリメートルの範囲の直径を有するが、５μｍ〜５００μｍの範囲である場合の方が多い。いくつかのケースでは、この範囲は、約５μｍ〜約１００μｍである。
【０１１５】
いくつかのケースでは、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、１つの共通の基材上で集積化される。この集積化は、モノリシック集積化であってよく、このケースでは、典型的には同じ材料系を用いて、異なるコンポーネントが全て１つの共通の基材上に製作される。このような集積化は、ある基材に特徴的である可能性があり、これは、集積化が容易又は実行可能である基材もあれば、集積化が困難又は不可能である基材もあるという可能性を意味する。例えば、Ｓｉ基材など、基材上に検出器、微小共振器、及び導波路を作製又は拡大可能である場合があるが、同じ基材上に光源を拡大又は作製するのは困難又は不可能である場合もある。別の例として、ＩｎＰ又はＧａＡｓ基材のようなＩＩＩ−Ｖ族半導体基材上に、全てのシステムコンポーネントを拡大又は作製可能である場合がある。
【０１１６】
集積化は、ハイブリッド集積化であることができ、このケースでは、まずコンポーネントの少なくともいくつかを別々に作製してから共通の基材上に組み立てる。この組み立ては、例えば、検出器及び光源を基材上に接着結合することによって行われることができる。このようなケースでは、微小共振器及び導波路は、基材上にモノリシック集積化してよい。いくつかのケースでは、上記結合は、光源及び検出器とバス導波路とのアクティブアラインメントを必要とする場合がある。
【０１１７】
特定の実施形態では、共通の基材は、バス導波路及び微小共振器（又は、光源及び光検出器）を作製するのに用い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、集積光素子用の従来の基材である。基材は、ガラスのような平坦な固形材料、又は、ポリマー基材のような滑らかな可撓性材料を含んでよいことが考慮される。例えば、ポリエステル、ポリアクリレート、及びポリイミド基材が本発明で有用である場合がある。基材は、光学的に不透明又は透過性であってよい。基材は、ポリマー材、金属、半導体、又はいずれかのタイプのガラスであってよい。１つの例では、基材はケイ素である。別の例として、基材はフロートガラスであってよく、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）、ポリスルホンなどといった有機物質で作られてもよい。
【０１１８】
集積装置を作製するには、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、典型的には１つの高屈折率材料又は複数の高屈折率材料を基材上に堆積及びパターン化する。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のような相加法によって行うことができる。熱蒸発、スパッタリング、印刷、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、気相エピタキシー（ＶＰＥ）、及び化学蒸着はいずれも、導波路、微小共振器、又はその他の光コンポーネントを基材上に堆積するのに用いることの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によって、導波路素子を基材上でパターン化するのも可能である。いくつかの用途では、共振器、光導波路、光源、及び検出器は、同じ基材上に集積される。集積装置又は集積装置の一部は、例えば、成形プロセスによって作製できる。
【０１１９】
導波路外側の光場の強度（the intensity of the optical field intensity）を向上させて、共振器の中に結合する光の量を増大させるために、共振器に結合される導波路を先細にする場合が多い。光ファイバー導波路のケースでは、その光ファイバーを加熱して、総厚が約１〜５μｍになるように先細にするか、又はエッチングする。同様に、平面又はチャネル導波路では、光が微小共振器に結合される領域で導波路厚を減少させてもよい。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又は繊維に結合させることに対するさまざまなアプローチが、同一所有者の同時係属中の米国特許出願公開第２００５−００７７５１３号で更に詳細に論じられており、この特許は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１２０】
導波路を微小共振器に結合可能にして、許容可能な量の光損失及び許容可能な製造プロセスを有する微小共振器構造体をもたらす方法には、多種多様な例がある。例えば、図３は、第１のバス導波路１０４及び第２のバス導波路１３２の微小共振器１１８への横方向結合を示している。この形体では、導波路１０４、導波路１３２と微小共振器１１８との間の光結合は、図３で構造体が向いているように、横向き又は側面方向で起こる。特定の実施形態では、例えば、参照により本明細書に組み込まれる、同一所有者の米国特許出願番号第１１／２７７７６９号に記載されているように、結合の強化のために導波路モードを共振器の方に押し動かすように、クラッドは導波路１０４の外側の側面２０４、導波路１３２の外側の側面２３２の上に存在する。導波路１０４、導波路１３２と微小共振器１１８との間の結合を実現させるように、導波路１０４、導波路１３２上のクラッドを構成するその他の選択肢も多く存在する。
【０１２１】
横方向結合形体のいくつかの実施形態では、導波路１０４、導波路１３２、及び微小共振器１１８は、同じパターン化工程を用いて作製する。
【０１２２】
図３の横方向結合形体の代替物は、縦方向結合形体であり、その一例は図１５に示されている。縦方向結合型光学装置１３００は、光微小共振器１３１８、第１の光導波路１３０４、及び第２の光導波路１３３２を含み、これらのいずれも、基材１３０３の上に配置された下部クラッド層１３０５の中に組み込まれている。導波路１３０４、導波路１３３２は、クラッド層１３０５に囲まれている。縦方向結合形体では、導波路１３０４、導波路１３３２と微小共振器１３１８との間の光結合は、図１５で光学装置１３３０が向いているような縦方向又は上下方向で起こる。
【０１２３】
縦方向結合形体のいくつかの実施形態では、導波路１３０４、導波路１３３２は、微小共振器１３１８とは別個のリソグラフィ工程で、パターン化されている。
【０１２４】
いくつかの実施形態では、微小共振器とバス導波路との間の結合は、本明細書に記載されているようなエバネッセント結合である。いくつかの他の実施形態では、微小共振器とバス導波路との間の結合は、本明細書に記載されているようなコア結合である。コア結合が存在すると共に、本発明と共に用いてよい微小共振器システムの例は、「光微小共振器（Optical Microresonator）」という表題で、代理人整理番号第６２４５１ＵＳ００２号を有し、２００６年１２月１日に申請された同時係属中の米国特許出願第１１／５６５，９３５号、及び「光微小共振器（Optical Microresonator）」という表題で、代理人整理番号第６２６８１ＵＳ００２号を有し、２００６年１２月２７日に申請された同時係属中の米国特許出願第１１／６１６，３３８号に記載されており、これらはいずれも、すでに参照により本明細書に組み込まれている。
【０１２５】
いくつかのケースでは、微小共振器とバス導波路との間の結合は、図１６に概略的に示されているマルチモード干渉カップラーを介して行うことができる。光学システム１４００は、マルチモード干渉カップラー（ＭＭＩＣ）１４５０を介して第１のバス導波路１４１０及び第２のバス導波路１４２０に光結合される微小共振器１４０５を含む。ＭＭＩＣ内の光干渉は、導波路１４１０内に放出される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に結合するかを決定する。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よいし、なくてもよい。
【０１２６】
ディスク微小共振器システムに光結合される散乱中心の効果を測定する有効２次元有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）シミュレーションを用いて、２つのバス導波路を有するマイクロディスク共振器システムを数値解析した。成形システムは、図１に示されているシステム１００と同様であった。第１の例では、ディスク直径は３．６ミクロン、ディスク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は、ディスク共振器を取り囲んでいると仮定した。広帯域光源から光を放出させ、その光は、１〜３ミクロンの波長を有した。
【０１２７】
散乱中心は、８０ナノメートルの直径を有すると共に、１５５０ｎｍ前後の波長に対して０．５４＋９．５８ｉという屈折率を有する金ナノ粒子であった。スルーポートの波長に対してプロットした信号強度は図１８に示されており、プロット９１０は、水クラッドのみを有するディスクの出力を表しており、プロット９２０は、光連通状態の金ナノ粒子を有するディスクの出力を表している。図１９は、より短い範囲の波長について、同じデータを更に詳細に示している。１．５ミクロン前後の基礎的ＷＧＭ  ９２２が観察される。金ナノ粒子の導入は、１．４７２ミクロンの基礎的ＷＧＭ  ９２２を約３ナノメートル、基礎的ＷＧＭ  ９２４にシフトさせる。１．４８５ミクロンの２次ＷＧＭ  ９２６は、金ナノ粒子の導入後、ごくわずかなシフトを経て、同様に１．４８５ミクロンである２次ＷＧＭ  ９２８をもたらす。
【０１２８】
金は、可視〜近赤外波長に対して小さい実屈折率と非常に大きい虚屈折率（材料の吸収度を表す）を有する。したがって、いくつかのケースでは、金被覆粒子又は金粒子は、異なる材料からなる同様の大きさの粒子よりも大きい共振波長シフトを導くことができる。
【０１２９】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のプローブチップを用いて、ナノ粒子による摂動をシミュレートすることによって、異なる微小共振器モードに関連する場プロファイルの空間的相違を用いて、微小共振器モードの摂動に対するさまざまな応答を生成させる原理を、実験的に実証した。この実証で用いた微笑共振器は、単一の縦方向結合型バス導波路によって励起されるディスク共振器であった。
【０１３０】
微小共振器の光学特性を測定するのに用いる装置の上に、特別な固定具を介して、携帯型ＡＦＭ（モデル名：モバイルＳ（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）を取り付け、ＡＦＭプローブチップが、微小共振器装置の表面に接触するようにする一方で、微小共振器装置の光学特性をモニタリングした。固定具には、ＡＦＭチップをおおまかに配置するために、３軸移動ステージを組み込んだが、細かい配置ではＡＦＭの圧電モーターを用いる。用いたＡＦＭプローブチップは、市販のケイ素プローブチップ（モデル名：シコンＡ（SICON A）、公称半径１０ｎｍ、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）であり、製造者からＡＦＭを入手した後に金でコーティングして、約１００ｎｍの典型的なチップ半径をもたらした。この試験で用いた波長（〜１５００ｎｍ）に対する金の屈折率は、空気よりもかなり低いので、プローブチップに直面する各モードは、モード実効屈折率の効果的な減少を経ることになる。したがって、共振に関連する波長は、より短い波長にシフトすることになる（より短い波長へのシフトは、「ブルーシフト」と称される）。
【０１３１】
共振器感度の空間マッピングの手順は、以下のとおりである。高出力のエルビウムドープファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）光源（モデル名：ＮＰ  ３０００  ＰＳ、カリフォルニア州ミュリエタ（Murrieta）のヌフォトンテクノロジーズ（Nuphoton technologies）から入手可能）からの光を用いて共振器を励起した。光スペクトルアナライザー（ＯＳＡ）（モデル名：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）を用いて、スルーポートにおける微小共振器の所与の共振前後の波長領域をフィルタリング及びモニタリングする。ＡＦＭプローブチップをディスク共振器の「縁部」の上又は近くに配置し、短い距離（約１５０ｎｍ）を周期的にスキャンするように設定する。プローブチップの平均位置を装置の中心方向に（縁部から離れるように）徐々に放射状に移動させ、所与の共振の位置の相対的変化（プローブによって誘発される波長シフト）を記録する。データを収集した後、各共振の波長シフト対ディスク縁部からのプローブの平均距離をプロットすることができる。得られるプロットは、その表面の摂動に対するディスクの感度のマップである。所与のモードの共振シフトは、摂動位置のモード場強度に正比例すると予想されるため、この感度マップは、同様に、共振器の共振モードの電界強度のマップであることに留意されたい。
【０１３２】
また、金被覆プローブチップは、かなり大きいため（直径約２００ｎｍ）、プローブサイズを上回る平均値により、マッピングプロセスの空間分解能が限られることに留意されたい。１サイクルあたり１５０ｎｍ移動するプローブチップからの更なる平均化効果も存在する。
【０１３３】
１つの実験例では、ケイ素の下部クラッドと共に、窒化ケイ素のコアを有する直径１００ミクロンのディスク共振器の上面に、感度の放射マップを作製した。チップの平均位置は、装置の縁部近くから、装置の縁部から約４ミクロンの位置まで、放射状に変化した。２つの共振モードに近い波長に検出を同調させるためのＯＳＡを用いる試料トレースを、装置の上部の９カ所の放射位置で行った（更に、その前後に基準測定を行った）。放射位置の関数として、これらのトレースから各モードのシフトを割り出した。続いて、各モードの定値によって除し、相対シフトをもたらすことによって、このシフトを正規化した。その結果は図２０にプロットされており、２つの微小共振器モードのプローブ位置に対する相対波長シフトをプロットしてある。
【０１３４】
直径１００ミクロンの共振器で、１５４９．９ｎｍ及び１５５１．０ｎｍの波長前後で、２つの共振モードを観察した。図２０によれば、これらの２つの共振モードは、それぞれ２つ及び３つの最大値を有するため、装置の第２の放射モード及び第３の放射モードであると思われる。更には、縁部から約４ミクロンの放射位置近くで、第３の放射モードは、ＡＦＭチップの存在によって影響を受けるが、第２のモードは影響を受けないことを認識できる。また、約２ミクロンの放射位置近くで、第２の放射モードは、ＡＦＭチップの存在によって強い影響を受けるが、第３の放射モードは弱い影響しか受けない。これは、モード応答の異なる性質を示しており、摂動の位置を制限することによって自己参照を実現させる可能性を示している。例えば、図２０における４ミクロン近くの位置に摂動の相互作用を制限するように共振器の表面が構成されれば、第３の放射モードに対応する波長を単一の波長として用いることができる一方で、第２の放射モードに対応する波長を基準信号として用いることができる。
【０１３５】
本出願は、異なるモード間におけるより大きい波長シフト又はより強い光散乱といった、向上した感度を有する検出システムも開示する。向上した感度によって、例えば、単一の検体の検出を可能にすることができる。
【０１３６】
微小共振器を用いる光検出システムであって、線幅の狭い波長可変レーザーよりも、製造しやすく、検体に露出させるとより大きいスペクトルシフトをもたらし、より安価な光源を用いることのできる光検出システムに対する必要性が存在する。
【０１３７】
それ故に、本発明は、上記の特定の実施例に限定されると考えるべきではなく、添付の特許請求の範囲に記載されているような本発明の全ての態様を網羅すると理解されるべきである。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、同等のプロセス、多数の構造は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】
2010511872.tif 000003
【図２】
2010511872.tif 000004
【図３】
2010511872.tif 000005
【図４】
2010511872.tif 000006
【図５】
2010511872.tif 000007
【図６】
2010511872.tif 000008
【図７】
2010511872.tif 000009
【図８】
2010511872.tif 000010
【図９】
2010511872.tif 000011
【図１０】
2010511872.tif 000012
【図１１】
2010511872.tif 000013
【図１２】
2010511872.tif 000014
【図１３】
2010511872.tif 000015
【図１４】
2010511872.tif 000016
【図１５】
2010511872.tif 000017
【図１６】
2010511872.tif 000018
【図１７】
2010511872.tif 000019
【図１８】
2010511872.tif 000020
【図１９】
2010511872.tif 000021
【図２０】
2010511872.tif 000022
【国際調査報告】
2010511872.tif 000023
2010511872.tif 000024