(57)【要約】  本願は、光学装置及び光学装置を組み込んだセンサーシステムを開示する。光学装置は、入力ポート及び出力ポートを有するコアを有する微小共振器を備える。出力ポートは入力ポートとは異なる。光学装置は、第１及び第２の光導波路を更に備える。各光導波路は、入力面及び出力面を有するコアを有する。第１の光導波路のコアの出力面は、微小共振器のコアの入力ポートと物理的にと物理的に接触する。第２の光導波路のコアの入力面は、微小共振器のコアの出力ポートと物理的に接触する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学装置であって、
円対称性を有する微小共振器であって、入力ポート及び出力ポートを有するコアを有し、前記出力ポートが前記入力ポートとは異なる、微小共振器と、
第１及び第２の光導波路であって、各光導波路が入力面及び出力面を有するコアを有し、前記第１の光導波路の前記コアの前記出力面が前記微小共振器の前記コアの前記入力ポートと物理的に接触し、前記第２の光導波路の前記コアの前記入力面が前記微小共振器の前記コアの前記出力ポートと物理的に接触している、第１及び第２の光導波路と、を備える光学装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の光導波路は、前記微小共振器との各々の接触点において同一直線上にない、請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の光導波路の少なくとも１つが、コア結合によって前記微小共振器と光学的に結合することができる、請求項１に記載の光学装置。
【請求項４】
前記微小共振器が球体である、請求項１に記載の光学装置。
【請求項５】
前記微小共振器が円筒である、請求項１に記載の光学装置。
【請求項６】
前記微小共振器がディスクである、請求項１に記載の光学装置。
【請求項７】
前記微小共振器がリングである、請求項１に記載の光学装置。
【請求項８】
前記微小共振器並びに前記第１及び第２の光導波路が一体構造を形成する、請求項１に記載の光学装置。
【請求項９】
前記第１及び第２の光導波路の少なくとも１つが平面導波路である、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２の光導波路の少なくとも１つが二次元の導波路である、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記微小共振器は、第１及び第２の誘導光学モードをサポートすることができ、前記第２の誘導光学モードは前記第１の誘導光学モードとは異なり、
前記第１の光導波路及び前記微小共振器の前記コアの前記入力ポートは、前記入力ポートに向かって前記第１の光導波路内を進行する光が、主に前記微小共振器の前記第１の誘導光学モードと結合することができるが、前記第２の誘導光学モードと結合することはできないように配置され、
前記第２の光導波路及び前記微小共振器の前記コアの前記出力ポートは、前記出力ポートから離れながら前記第２の光導波路内を進行する光が、主に前記微小共振器の前記第１の誘導光学モードと結合することができるが、前記第２の誘導光学モードと結合することはできないように配置される、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記微小共振器の前記第１及び第２の誘導光学モードの少なくとも１つが、進行するモードである、請求項１１に記載の光学装置。
【請求項１３】
前記微小共振器の前記第１及び第２の誘導光学モードのそれぞれが、進行するモードである、請求項１１に記載の光学装置。
【請求項１４】
前記微小共振器の前記第１及び第２の誘導光学モードが、ほぼ反対方向に進行する、請求項１３に記載の光学装置。
【請求項１５】
前記第１及び第２の誘導光学モードの少なくとも１つは、同一の電界プロファイルを維持している間に前記微小共振器内を伝播することができる、請求項１１に記載の光学装置。
【請求項１６】
前記入力ポートに向かって前記第１の光導波路内を進行する光は、コア結合によって前記第１の誘導光学モードに結合する、請求項１１に記載の光学装置。
【請求項１７】
前記出力ポートから離れながら前記第２の光導波路内を進行する光は、コア結合によって前記第２の誘導光学モードに結合する、請求項１１に記載の光学装置。
【請求項１８】
前記微小共振器の前記第１及び第２の誘導光学モードの少なくとも１つは、前記微小共振器の共振光モードである、請求項１１に記載の光学装置。
【請求項１９】
散乱中心が前記微小共振器に光学近接した状態にされたときに、前記光学近接が、前記第１の誘導光学モードと前記第２の誘導光学モードとの間に光散乱を誘発する、請求項１１に記載の光学装置。
【請求項２０】
前記微小共振器に光学的に結合される散乱中心を更に備える、請求項１１に記載の光学装置。
【請求項２１】
前記散乱中心と前記微小共振器との間の光結合の強度変化が、前記第１の誘導光学モードと前記第２の誘導光学モードとの間の光散乱における変化を誘発する、請求項２０に記載の光学装置。
【請求項２２】
前記散乱中心と前記微小共振器との間の間隔変化が、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、請求項２１に記載の光学装置。
【請求項２３】
前記散乱中心の屈折率変化が、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、請求項２１に記載の光学装置。
【請求項２４】
前記散乱中心がナノ粒子を含む、請求項１９に記載の光学装置。
【請求項２５】
前記ナノ粒子の寸法が約５００ナノメートル未満である、請求項２４に記載の光学装置。
【請求項２６】
前記ナノ粒子の寸法が約３００ナノメートル未満である、請求項２４に記載の光学装置。
【請求項２７】
前記ナノ粒子が金属を含む、請求項２４に記載の光学装置。
【請求項２８】
前記金属が金を含む、請求項２７に記載の光学装置。
【請求項２９】
センサーであって、
請求項１に記載の光学装置と、
光を放射することができる光源であって、該光は前記第１の光導波路の前記入力面を介して前記第１の光導波路によって受容される、光源と、
前記第２の光導波路の前記出力面を介して、前記第２の光導波路から抜け出す光を検出することができる検出器と、を備えるセンサー。
【請求項３０】
光学装置であって、
コアを有する、円対称性の微小共振器と、
前記微小共振器の前記コアにおいて終端する導波路コアを有する光導波路と、を備える光学装置。
【請求項３１】
前記微小共振器がディスクである、請求項３０に記載の光学装置。
【請求項３２】
請求項３０に記載の前記光学装置と、
それぞれが前記光導波路と光学的にコミュニケイトすることができる光源及び検出器と、を備えるセンサー。
【請求項３３】
前記光源が広帯域光源である、請求項３２に記載の光学装置。
【請求項３４】
前記検出器が広帯域検出器である、請求項３２に記載の光学装置。
【請求項３５】
前記微小共振器は、第１及び第２の誘導光学モードをサポートすることができ、前記第２の誘導光学モードは前記第１の誘導光学モードとは異なり、
前記光導波路は、前記光導波路内で第１の方向に沿って伝播する光が、主に前記微小共振器の前記第１の誘導光学モードと結合することができるが、前記第２の誘導光学モードと結合することはできず、かつ前記光導波路内で第１の方向と反対の第２の方向に沿って伝播する光が、主に前記微小共振器の前記第２の誘導光学モードと結合することができるが、前記第１の誘導光学モードと結合することができないように配置される、請求項３０に記載の光学装置。
【請求項３６】
前記第１及び第２の誘導光学モードの少なくとも１つは、同一の電界プロファイルを維持している間に前記微小共振器内を伝播することができる、請求項３５に記載の光学装置。
【請求項３７】
光学装置であって、
光源と、
光学検出器と、
第１及び第２の反対方向に進行する誘導光学モードをサポートすることができる、円対称性を有する微小共振器であって、前記第２の誘導光学モードは前記第１の誘導光学モードとは異なり、前記微小共振器は入力ポート及び出力ポートを有するコアを有し、前記出力ポートは前記入力ポートとは異なり、前記微小共振器が散乱中心に付随する検体と接合することができる、微小共振器と、
コアを有する第１の光導波路であって、前記第１の光導波路の前記コアが前記光源と光学的にコミュニケイトする入力面及び前記微小共振器の前記コアの前記入力ポートと物理的に接触する出力面を有する第１の光導波路と、
コアを有する第２の光導波路であって、前記第２の光導波路の前記コアが前記微小共振器の前記コアの前記出力ポートと物理的に接触する入力面及び前記光学検出器と光学的にコミュニケイトする出力面を有する第２の光導波路と、を備える光学装置であって、
前記付随する検体が前記微小共振器と接合するときに、前記散乱中心は、前記第１と第２の誘導光学モードとの間に光散乱を誘発することができ、前記光散乱は、前記第１の導波モードから前記第２の導波モードへとエネルギー移動をもたらし、前記光学検出器は、前記エネルギー移動を検出する、光学装置。
【請求項３８】
前記検体が抗体を含む、請求項３７に記載の光学装置。
【請求項３９】
光学デバイスであって、
少なくとも２つの共振光モードをサポートすることができる微小共振器であって、前記２つの共振光モードの少なくとも１つが、同一の電界プロファイルを維持している間に前記微小共振器内を伝播することができる微小共振器と
コア結合によって前記微小共振器に結合することができる第１及び第２の光導波路と、を含む光学装置。
【請求項４０】
前記微小共振器がレーストラックである、請求項３９に記載の光学装置。
【請求項４１】
前記微小共振器がディスクである、請求項３９に記載の光学装置。
【請求項４２】
光学装置であって、
コアを有する微小共振器と、
前記微小共振器の前記コア上の第１の位置から延びるコアを有する第１の光導波路と、
前記微小共振器の前記コア上の第２の位置から延びるコアを有する第２の光導波路であって、前記第２の位置が前記第１の位置とは異なる第２の光導波路と、を備える光学装置。
【請求項４３】
前記第１の位置及び前記第１の光導波路は、前記第１の位置に向かって前記第１の光導波路内を進行する光が、主に前記微小共振器の前記第１の誘導光学モードと結合することができるが、前記第２の誘導光学モードと結合することはできないように配置され、
前記第２の位置及び前記第２の光導波路は、前記第２の位置から離れながら前記第２の光導波路内を進行する光が、主に前記微小共振器の前記第２の誘導光学モードと結合することができるが、前記第１の誘導光学モードと結合することはできないように配置される、請求項４２に記載の光学装置。
【請求項４４】
前記微小共振器が、少なくとも第１及び第２の誘導光学モードをサポートすることができ、前記第２の誘導光学モードは前記第１の誘導光学モードとは異なり、少なくとも第１及び第２の誘導光学モードの少なくとも１つが、同一の電界プロファイルを維持している間に前記微小共振器内を伝播することができる、請求項４２に記載の光学装置。
【請求項４５】
前記微小共振器が円対称性を有する、請求項４２に記載の光学装置。
【請求項４６】
前記微小共振器コアが中心及び半径を有し、前記第１及び第２の光導波路の少なくとも１つの前記コアの外縁と前記中心との間の間隔が、前記半径未満である、請求項４２に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して光学装置に関する。本発明は特に、微小共振器を組み込んだ光学センサーのような光学装置に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
微小共振器は、例えば、米国特許第６，８７６，７９６号に記載の「光スイッチング」、例えば同第７，０９２，５９１号に記載の「光学フィルター」、例えば同第７，０６２，１３１号に記載の「波長フィルター」、例えば同第６，７４１，６２８号に記載の「光学レーザー」、例えば同第６，８９１，９９８号に記載の「光脱分極」、及び例えば同第５，７４４，９０２号に記載の「化学的及び生物学的感知」、のような様々な用途においてますます注目を集めている。
【０００３】
いくつかの既知の微小共振器の構造は、ガラスの球体微小共振器を、光ファイバーのような光導波路に近接して取り付けることを伴う。そのような場合には、光エネルギーは、エバネセント結合によって共振器と光導波路との間を移動することができる。共振器と光導波路との間の分離は典型的には１マイクロメートル未満であり、再現可能な性能を提供するために正確に制御されなければならない。微小共振器の他の形状には、例えば米国特許第７，０９５，０１０号に記載の「ディスク形状の微小共振器又はリング形状の微小共振器」が挙げられる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一般に、本発明は光学装置に関する。本発明はまた、１つ以上の微小共振器を備える光学センサーに関する。
【０００５】
一実施形態において、光学装置は、入力ポート及び出力ポートを有するコアを有する微小共振器を備える。出力ポートは入力ポートとは異なる。光学装置は、第１及び第２の光導波路を更に備える。各光導波路は、入力面及び出力面を有するコアを有する。第１の光導波路のコアの出力面は微小共振器のコアの入力ポートと物理的に接触する。第２の光導波路のコアの入力面は微小共振器のコアの出力ポートと物理的に接触する。
【０００６】
別の実施形態において、光学装置は、円対称性を有する微小共振器を含む。微小共振器はコアを有する。光学装置は、コアを有する光導波路を更に含む。導波路コアは微小共振器のコアにおいて終端する。
【０００７】
別の実施形態において、光学装置は、光源と、光学検出器と、第１及び第２の反対方向に進行する誘導光学モードをサポートすることができる微小共振器と、を含む。第２の誘導光学モードは第１の誘導光学モードとは異なる。共振器は入力ポート及び出力ポートを有するコアを有し、出力ポートは入力ポートとは異なる。微小共振器は散乱中心に付随する検体と接合することができる。光学装置は、光源と光学的にコミュニケイト（communication）する入力面及び微小共振器のコアの入力ポートと物理的に接触する出力面を有するコアを有する第１の光導波路を更に含む。光学装置は、微小共振器のコアの出力ポートと物理的に接触する入力面及び光学検出器と光学的にコミュニケイトする出力面を有するコアを有する第２の光導波路を更に含む。付随する検体が微小共振器と接触するときに、散乱中心は、第１と第２の誘導光学モードとの間に光散乱を誘発することができる。光散乱は、第１の導波モードから第２の導波モードへとエネルギー移動をもたらす。光学検出器はエネルギー移動を検出する。
【０００８】
別の実施形態において、光学装置は、少なくとも２つの共振光モードをサポートすることができる微小共振器を含む。２つの共振光モードの少なくとも１つは、同一の電界プロファイルを維持している間に微小共振器内を伝播することができる。光学装置は、コア結合によって微小共振器に結合することができる第１及び第２の光導波路を更に含む。
【０００９】
別の実施形態において、光学装置は、コアを有する微小共振器を含む。光学装置は、微小共振器のコア上の第１の位置から延びるコアを有する第１の光導波路を更に備える。光学装置は、微小共振器のコア上の第２の位置から延びるコアを有する第２の光導波路を更に備える。第２の位置は第１の位置とは異なる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
添付の図面と共に、本発明の種々の実施形態に関する以下の詳細な説明を考慮すれば、本発明がより完全に理解され評価されよう。
【図１】光学装置の概略平面図。
【図２】光学装置の概略側面図。
【図３】異なる配置の光導波路を有する光学装置の概略平面図。
【図４】異なる配置の光導波路を有する光学装置の概略平面図。
【図５】異なる配置の光導波路を有する光学装置の概略平面図。
【図６】相違する閉ループの微小共振器を有する光学装置の概略平面図。
【図７】相違する閉ループの微小共振器を有する光学装置の概略平面図。
【図８】光学装置の概略平面図。
【図９】単一光導波路を有する光学装置の概略平面図。
【図１０Ａ】波長の関数として計算された出力信号強度のプロット。
【図１０Ｂ】図１０Ａのプロットの一部の拡大図。
【図１１】集積光学装置の概略的三次元図。
【図１２Ａ】垂直コア結合を有する光学装置の概略平面図。
【図１２Ｂ】垂直コア結合を有する光学装置の概略側面図。
【図１２Ｃ】垂直コア結合を有する光学装置の概略平面図。
【図１３Ａ】垂直コア結合を有する光学装置の概略平面図。
【図１３Ｂ】垂直コア結合を有する光学装置の概略側面図。
【図１４】光学装置の概略的三次元図。
【００１１】
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、同一又は類似の特性及び機能性を有する同一又は類似の要素を指す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は一般に光学装置に関する。本発明は、特に、微小共振器を組み込んだ光学センサーのような光学装置に応用可能である。
【００１３】
本発明は、光学微小共振器に光学的に結合される１つ以上の導波路を含む光学装置を記載する。開示された実施形態の実施は、光学微小共振器に対する光導波路の配置には比較的影響を受けない。このように、本発明は、例えば、光導波路を光学微小共振器と光学近接させて配置する際の製造上の誤差及び／又は制限が、光結合における大きな変化をもたらすことが少ないので、製造コストを削減することが可能である。
【００１４】
図１及び図２は、光学装置１００の平面図及び側面図である。光学装置１００は、光学微小共振器１１０と、第１の光導波路１２０と、第２の光導波路１３０とを含み、これら全てが基材１６１上に配置された下部クラッド層１６５上に配置される。
【００１５】
一部の例では、微小共振器１１０は、１つ以上の境界条件を、例えば１つ以上の周期性条件を与えることによって、微小共振器の許容光モードを離散的なモードに量子化することができる。一部の例では、微小共振器１１０は、第１の誘導光学モード１５０及び第２の誘導光学モード１５２のような少なくとも２つの異なる誘導光学モードをサポートすることができ、誘導光学モード１５２は誘導光学モード１５０とは異なる。一部の例では、モード１５０とモード１５２とは同一の波長を有する。
【００１６】
本明細書で説明するとき、光学装置１００のような所与の光学構成に関して、光モードは、光学構成内において許容される電磁場を意味し、放射線又は放射線モードは、光学構成内において閉じ込められない（unconfined）光モードを意味し、導波モードは、高屈折率領域の存在により少なくとも一次元的な光学構成内に閉じ込められた光モードを意味し、共振光モードは、典型的には特性上周期的である、光学構成における追加の境界条件要求を受ける導波モードを意味する。
【００１７】
共振光モードは典型的には離散的な導波モードである。一部の例では、共振光モードは放射線モードに結合することができる。他のいくつかの例では、共振光モードは、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。一般的に、微小共振器１１０の導波モードは、共振光モード又は非共振光モードであり得る。例えば、光モード１５０及び１５２は微小共振器１１０の共振光モードであり得る。
【００１８】
一部の例では、第１の誘導光学モード１５０及び／又は第２の誘導光学モード１５２は、同一の電界プロファイルを維持している間に微小共振器内を伝播することができる。そのような場合には、例えば吸収又は放射損失により、モードが徐々にエネルギーを失ったとしても、伝播するモードの形状又はプロファイルはほぼ同一のままである。
【００１９】
一般的に、微小共振器１１０は、特定の方向に沿って単一モード又は多重モードであってもよい。例えば、微小共振器１１０は、微小共振器の厚さ方向（例えば、ｚ方向）に沿って単一モード又は多重モードになることができる。例えば球体形又はディスク形の微小共振器の場合などの一部の例では、微小共振器は半径方向に沿って単一モード又は多重モードになることができる。例えばディスク微小共振器の場合などの一部の例では、微小共振器１１０の誘導光学モード１５０及び１５２は、微小共振器の方位角モードになることができる。
【００２０】
微小共振器１１０は、下部クラッド１６５と上部クラッド１１４との間に配置されるコアつまり空洞１１２を含む。コア１１２は平均厚さｈ１を有する。広くは、微小共振器１１０のモードに付随する電界では、電界のエバネセントテイル（evanescent tail）は微小共振器のクラッド領域に位置され、電界のピーク（１つ若しくは複数）又は極大は微小共振器のコア領域である。例えば、図２に概略的に図示されているように、微小共振器１１０の導波モード１５１は、上部クラッド１１４中のエバネセントテイル１５１Ａ、下部クラッド１６５中のエバネセントテイル１５１Ｂ、及びコア１１２中のピーク１５１Ｃを有する。誘導光学モード１５１は、例えば、微小共振器のモード１５０又はモード１５２であり得る。
【００２１】
典型的な光学装置１００において、コア１１２は、２つのクラッド層１１４と１６５との間に配置される。一般的に、微小共振器１１０は、１つ以上の上部クラッド層と１つ以上の下部クラッド層とを有することができる。一部の例では、下部クラッド層１６５は光学装置１００内に存在しなくてもよい。そのような場合には、基材１６１が微小共振器１１０の下部クラッド層となり得る。他のいくつかの場合には、微小共振器１１０は上部クラッド層１１４を含まない。そのような場合には、周囲空気のような周囲媒質が微小共振器の上部クラッドを形成することが可能である。
【００２２】
コア１１２の屈折率はｎｍ、クラッド１１４の屈折率はｎｕｃ、及びクラッド１６５の屈折率はｎｌｃである。一般的に、少なくとも１つの目的波長に対する及び少なくとも１つの方向に沿ってｎｍは、ｎｕｃ及びｎｌｃよりも大きい。いくつかの用途で、目的の波長領域において、ｎｍはｎｕｃ及びｎｌｃよりも大きい。例えば、ｎｍは、約４００ｎｍ〜約１２００ｎｍの範囲の波長に対してｎｕｃ及びｎｌｃよりも大きいことが可能である。別の例として、ｎｍは、約７００ｎｍ〜約１５００ｎｍの範囲の波長に対してｎｕｃ及びｎｌｃよりも大きくあることが可能である。
【００２３】
微小共振器コア１１２は、入力ポート１１５Ａ及び出力ポート１１５Ｂを有し、出力ポート１１５Ｂは入力ポート１１５Ａとは異なる。例えば、典型的な光学装置１００において、入力ポート１１５Ａ及び出力ポート１１５Ｂは、コア１１２の外表面１１６の周囲の異なる場所に位置決めされる。
【００２４】
第１の光導波路１２０及び第２の光導波路１３０のそれぞれは、複数のクラッドの間に配置されるコアを有する。例えば、第１の光導波路１２０は、上部クラッド１１４と下部クラッド１６５との間に配置された、厚さｈ２のコア１２２を有する。同様に、第２の光導波路１３０は、上部クラッド１１４と下部クラッド１６５との間に配置された、厚さｈ３のコア１３２を有する。
【００２５】
コア１２２の屈折率はｎｗ１であり、一般的にｎｕｃ及びｎｌｃより大きい。同様に、コア１３２の屈折率はｎｗ２であり、一般的にｎｕｃ及びｎｌｃより大きい。
【００２６】
一部の例では、コア１１２、１２２、及び１３２は、同一又は異なる屈折率を有する異なるコア材料で作られてもよい。他のいくつかの場合には、コア１１２、１２２、及び１３２は一体構造を形成してもよく、これは、これらのコアが、接続するコアの間に物理的インターフェースを有さない単一ユニットを形成することを意味する。一体構造では、コアは同一のコア材料で作られてもよい。一体構造は、エッチング、キャスティング、モールディング、型押し、及び押出成形のようなさまざまな既知の方法を用いて形成され得る。
【００２７】
コア１２２は、入力面１２２Ａ及び出力面１２２Ｂを有する。入力面１２２Ａは光源１４０と光学的にコミュニケイトする。出力面１２２Ｂは、コア１１２の入力ポート１１５Ａと物理的に接触する。例えば一体構造においてなどの一部の例では、出力面１２２Ｂは入力ポート１１５Ａと同一にすることができる。一部の例では、出力面１２２Ｂと入力ポート１１５Ａとの間に有意なオーバーラップがある。一部の例では、出力面１２２Ｂ及び入力ポート１１５Ａの一方が他方を完全に覆う。例えば、一部の例では、出力面１２２Ｂは、微小共振器の入力ポート１１５Ａよりも大きくかつ入力ポート１１５Ａを完全に覆う。
【００２８】
コア１３２は、入力面１３２Ａ及び出力面１３２Ｂを有する。出力面１３２Ｂは光学検出器１６０と光学的にコミュニケイトする。入力面１３２Ａは、微小共振器１１０のコア１１２の出力ポート１１５Ｂと物理的に接触した状態である。
【００２９】
光源１４０は光線１４２を放射することができ、その少なくとも一部は入力面１２２Ａを介して第１の光導波路１２０に入射する。一部の例では、光源１４０から光導波路１２０に入射する光は、導波路の導波モードとして導波路に沿って伝播することができる。第１の光導波路１２０及び入力ポート１１５Ａは、入力ポート１１５Ａに向かって第１の光導波路１２０内を正のｙ方向に沿って進行する光が、主に微小共振器の第１の誘導光学モード１５０と結合することができるが、微小共振器の第２の誘導光学モード１５２と結合することはできないように、例えば、互いに対して配置される及び／又は微小共振器に対して配置される。例えば、光導波路１２０に沿って伝播し、出力面１２２Ｂに達する光は、主に第１の誘導光学モード１５０を励起することができるが第２の誘導光学モード１５２を励起することはできない。一部の例では、光導波路１２０内で伝播する光と誘導光学モード１５２との間でいくらかの光結合が起こる場合がある。この光結合は設計によるか、又は例えば、入力ポート１１５Ａでの光散乱に起因して生ずる。別の例として、このような結合は、製作又は製造の欠陥による光散乱に起因する場合がある。光導波路１２０内で伝播する光と誘導光学モード１５２との間でいくらかの光結合が起こる場合、伝播する光は主に光モード１５０と結合する。
【００３０】
第２の光導波路１３０及び出力ポート１１５Ｂは、出力ポート１１５Ｂから離れながら第２の光導波路１３０内を正のｙ方向に沿って進行する光が、主に微小共振器の第２の誘導光学モード１５２と結合することができるが、微小共振器の第１の誘導光学モード１５０と結合することはできないように、例えば、互いに対して配置され、かつ微小共振器に対しても配置される。例えば、出力ポート１１５Ｂでの導波モード１５２又は出力ポート１１５Ｂ近くの導波モード１５２は、出力面１３２Ｂに向かって正のｙ方向に沿って伝播する、第２の光導波路内の導波モード１３３を励起することができる。これに対し、誘導光学モード１５０は導波モード１３３を励起することができない、若しくはわずかに励起することができる。一部の例では、誘導光学モード１５０と導波モード１３３との間に、例えば、出力ポート１１５Ｂでの光散乱に起因していくらかの光結合が起こる場合がある。しかしながら、このような結合はいずれも、導波モード１５２と１３３との間の光結合により二次的に派生するものである。
【００３１】
図１及び図２の典型的な光学装置１００において、微小共振器１１０、並びに光導波路１２０及び１３０は異なる厚さを有する。一般的に、厚さｈ１、ｈ２、及びｈ３は同一の値を有しても有さなくてもよい。いくつかの用途で、微小共振器１１０、並びに光導波路１２０及び１３０は同一の厚さを有する。
【００３２】
光導波路１２０及び１３０は、光モード、例えば導波モードをサポートすることができる任意の種類の導波路であり得る。光導波路１２０及び１３０は平面導波路のような一次元の導波路であることができ、ここで一次元の導波路は１方向に沿った光閉じ込め（light confinement）のことをいう。いくつかの目的においては、光導波路１２０及び１３０は二次元の導波路であることができ、ここで二次元の導波路は２方向に沿った光閉じ込めのことをいう。典型的な光導波路には、チャネル型導波路と、ストリップローデッド光導波路（strip loaded waveguide）と、リブ導波路又はリッジ導波路と、イオン交換導波路とを含む。
【００３３】
典型的な光学装置１００において、第１の光導波路１２０のコア１２２と第２の光導波路１３０のコア１３２とは、微小共振器との各々の接触点において又は近くで実質的に平行である。詳細には、コア１２２及び１３２は共に、各々の接触点１１５Ａ及び１１５Ｂにおいてｙ軸に沿って延びる。しかしながら、コア１２２及び１３２は、同一線上にない。詳細には、コア１３２はコア１２２に対してｘ軸に沿ってオフセットしている。一般的に、コア１２２及び１３２は、入力ポート及び出力ポートで平行であっても平行でなくてもよい。同様に、コア１２２及び１３２は入力ポート及び出力ポートで同一線上にあってもなくてもよい。例えば、図３Ａでは、コア１３２は出力ポート１１５Ｂでｘ軸に沿って配向されており、コア１２２は、最終的にはｘ軸の方へ曲がるが、入力ポート１１５Ａでｙ軸に沿って延びている。別の例として、図３Ｂでは、コア１２２は入力ポート１１５Ａにおいてｙ軸に沿っており、コア１３２は出力ポート１１５Ｂでｙ軸と角度αをなしており、αの絶対値又は大きさは約０度〜約１８０度の範囲内にすることができる。一般的に、αは整数又は負数であり得る。したがって、一般的に、αは約−１８０度〜約１８０度であり得る。例えば、αは約４５度であり得る。
【００３４】
図１〜３の典型的な光学装置において、２つの光導波路のコアは光学微小共振器のコアと接線方向に接続される。広くは、光導波路のコアは、用途に好適であり得る任意の方法で光学微小共振器のコアに物理的に接続されることができる。例えば、図４は、取り付け位置４０１及び４０２で微小共振器１１０のコア１１２に各々取り付けられた、光導波路１２０のコア１２２及び光導波路１３０のコア１３２を有する光学装置４００を示す。コア１２２は、取り付け位置４０１でコア１１２と交わり、位置４０１でコア１１２の接線である線４１０と角度β１をなす。同様に、コア１３２は、取り付け位置４０２でコア１１２と交わり、位置４０２でコア１１２の接線である線４２０と角度β２をなす。角度β１及びβ２は等しくても等しくなくてもよい。角度β１及びβ２は、用途において望ましくあり得る任意の角度であってよい。いくつかの用途で、角度β１及びβ２は約０度〜約４５度の範囲である。他のいくつかの用途で、角度β１及びβ２は約０度〜約２０度の範囲である。他のいくつかの用途で、角度β１及びβ２は約０度〜約１０度の範囲である。更に他のいくつかの用途で、角度β１及び２は約０度〜約５度の範囲である。
【００３５】
いくつかの例では、第１の誘導光学モード１５０及び第２の誘導光学モード１５２の少なくとも１つは、微小共振器１１０の進行する導波モードになることができる。例えば、第１の誘導光学モード１５０及び第２の誘導光学モード１５２は、微小共振器１１０の「ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ：whispering gallery mode）」であり得る。ＷＧＭは一般に、微小共振器の空洞の表面近くに閉じ込められて進行するモードであり、放射損失が比較的低い。ＷＧＭは微小共振器のコアの外表面の近くで閉じ込められるので、ＷＧＭは微小共振器表面上の又は表面近傍の分析物との光結合に好適である。
【００３６】
進行する誘導光学モード１５０及び１５２は、異なる方向、例えば反対方向に伝播することができる。例えば、ディスク微小共振器又は球体の微小共振器において、第１の誘導光学モード１５０は一般に反時計方向に進行することが可能であり、第２の誘導光学モード１５２は一般に時計方向に進行することが可能である。このような場合には、第１の誘導光学モード１５０及び第２の誘導光学モード１５２は、反対方向に伝播する光モードである。
【００３７】
一部の例では、第１の誘導光学モード１５０及び第２の誘導光学モード１５２の少なくとも１つは、微小共振器１１０の定在波モードであることができる。定在波モードは、例えば、適切な位相関係を有する２つの進行するモードの重ね合わせにより形成される得る。一部の例では、２つの進行するモードの一方は他方の進行するモードの反射であり得る。
【００３８】
光導波路１２０内で正のｙ方向に沿って伝播する光は、主に微小共振器１１０の第１の誘導光学モード１５０と結合する。コア１２２はコア１１２と物理的に接続されているので、第１の光導波路１２０と微小共振器１１０との間の光結合は主にコア結合であり、エバネセント結合でない。
【００３９】
本発明の利点は、少なくとも１つの光導波路と微小共振器との間の結合ギャップの解消である。既知の微小共振器では、光導波路と微小共振器との間にギャップが存在する。そのような場合には、導波路と微小共振器との間の光結合はエバネセント結合によって達成される。このような結合は、結合ギャップの寸法にとりわけ敏感であり、このギャップ寸法は、例えば製造誤差が原因となって再現性良く制御することが通常難しい。十分な精度でギャップが制御されることが可能な製造方法においては、この制御のために製造コストを著しく増加させる可能性がある。本発明では、光導波路のコアと光学微小共振器のコアとの間の直接的物理的な接触をもたらすことで、結合ギャップを解消する。これにより製造コストを削減し再現性を向上させることができる。
【００４０】
一部の例では、第１の誘導光学モード１５０は、光源１４０からの光が、入力面１２２Ａを介して導波路１２０に入射され、微小共振器１１０の入力ポート１１５Ａに伝播されたとき、微小共振器１１０内で起動（launche）される。散乱中心１７０が微小共振器１１０の十分近くにもたれたとき、散乱中心は、第１の誘導光学モード１５０と第２の誘導光学モード１５２の各々との間に光散乱を誘発し、導波モード１５０から導波モード１５２へのエネルギー移動又はエネルギー移動の変化をもたらす。導波モード１５２が微小共振器１１０内で既に励起されている場合、散乱中心は、一層強く一層密な誘導光学モード１５２をもたらす。導波モード１５２が微小共振器１１０に既に存在する場合、散乱中心は、第１の導波モード１５０から第２の導波モード１５２への光散乱を引き起こすことにより、導波モード１５２の起動を誘発する。導波モード１５２は、出力ポート１１５Ｂで光導波路１３０と光学的に結合し、この結果、出力面１３２Ｂに向かって導波路１３０内で伝播する光をもたらす。検出器１６０は、導波モード１５０と１５２との間のエネルギー移動を検出し、こうすることにより、散乱中心１７０の存在を検出することができる。
【００４１】
散乱中心１７０が微小共振器への光近接から取り除かれるときに、この除去が、第１の誘導光学モード１５０と第２の誘導光学モード１５２の各々との間に光散乱の変化を誘発し、導波モード１５２から導波モード１５０へのエネルギー移動の変化をもたらす。検出器１６０は、導波モード１５２から導波モード１５０へのエネルギー移動の変化を検出し、こうすることにより散乱中心１７０の除去を検出することができる。
【００４２】
散乱中心１７０と微小共振器１１０との間の光結合の強度変化は、第１の誘導光学モード１５０と第２の誘導光学モード１５２の各々との間に光散乱の変化を誘発することができる。光結合の強度変化はさまざまな手段により達成され得る。例えば、散乱中心１７０と微小共振器１１０若しくはコア１１２との間の間隔「ｄ」変化は、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。別の例として、散乱中心の屈折率ｎｓ変化は、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。一般的に、散乱中心１７０と微小共振器１１０との間の光結合の強度変化を引き起こすあらゆるメカニズムが、導波モード１５０と１５２の各々との間に光散乱の変化を誘発することができる。
【００４３】
光学装置１００は、例えば、検体１７２を検知することができるセンサーとして使用することができる。例えば、微小共振器１１０は検体１７２と接合可能であってもよい。このような接合性能は、例えば、微小共振器１１０の外表面を適切に処理することにより達成することが可能である。一部の例では、検体１７２は散乱中心１７０に付随している。このような付随は、例えば、検体を散乱中心に取り付けることにより達成され得る。検体１７２が微小共振器の外表面と接合するときに、散乱中心は微小共振器１１０に光学近接していてもよい。散乱中心は、第１の誘導光学モード１５０と第２の案内された光モード１５２との間に光散乱を誘発する。光散乱は、この２つのモードの間のエネルギー移動の変化を生じさせる。光学検出器１６０は、導波モード１５０と１５２との間のエネルギー移動の変化を検出することにより、検体１７２の存在を検出することができる。検体１７２には、例えば、タンパク質、ウイルス、又はＤＮＡを挙げることができる。
【００４４】
一部の例では、検体１７２は、検出される抗原の第１の抗体を含むことができる。第１の抗体は散乱中心１７０に付随することができる。抗原の第２の抗体は微小共振器１１０に付随することができる。抗原は、第１の抗体と第２の抗体との間の接合を容易にする。この結果、散乱中心は微小共振器と光学的接触状態となり、微小共振器内の光散乱における変化を誘発する。検出器は、光散乱における変化を検出することにより、散乱中心の存在を検出することができ、したがって抗原の存在を検出することができる。一部の例では、第１の抗体は第２の抗体と同一であり得る。このような典型的な検知方法は、食品安全性、食品加工、医療検査、環境試験、及び産業衛生におけるようなさまざまな用途において使用することができる。
【００４５】
一部の例では、散乱中心１７０は、検出器１６０によって検出され得る第２の光モード１５２における振動数シフトを誘発することができる。一部の例では、散乱中心１７０は第１の誘導光学モード１５０の振動数シフトを誘発することができる。そのような場合には、検出器１６０が導波モード１５０内の振動数シフトを検出することができるように、検出器１６０は、感度を十分高くすることができ、及び／又は出力ポート１１５Ｂは、モード１５０を導波路１３０のモードに十分に散乱させることができる。
【００４６】
図５Ａは光学装置５２０の概略平面図を示す。光学装置５２０において、第２の光導波路１３０及び出力ポート１１５Ｂは、出力ポート１１５Ｂから離れながら第２の光導波路１３０内を負のｙ方向に沿って進行する光が、主に微小共振器の第１の誘導光学モード１５０と結合することができるが、微小共振器の第２の誘導光学モード１５２と結合することはできないように、例えば、互いに対して配置され及び／又は微小共振器に対して配置される。例えば、出力ポート１１５Ｂでの又は出力ポート１１５Ｂの近くでの導波モード１５０は、出力面１３２Ｂに向かって負のｙ方向に沿って伝播する、第２の光導波路内の導波モード５３３を励起することができる。一部の例では、誘導光学モード１５２と導波モード５３３との間の光結合はいずれも、導波モード１５０と導波モード５３３との間の光結合よりも実質的に弱い。一部の例では、光結合の検出を可能とするために、誘導光学モード１５２と光導波路１３０との間の光結合を十分に強くすることができ、及び／又は検出器１６０は感度を十分高くすることができる。
【００４７】
一部の例では、例えば、図５Ｂに概略的に示されているように、光導波路１３０を光導波路１２０の近くに移動することによって、光導波路１２０と１３０との間の間隔を小さくすることにより、第１の誘導光学モード１５０と光導波路１３０との間の光結合を減少させることができる。一部の例では、微小共振器１１０のコア１１２は、中心１１７と半径ｒｏとを有する。そのような場合には、中心１１７は、コア１３２の近い方の端部５０８Ａから距離Ｐ１だけ離間し、コア１３２の遠い方の端部５０８Ｂから距離Ｐ２だけ離間する。光導波路１３０のコア１３２の幅はＷ１であり、Ｐ２−Ｐ１と等しい。一部の例では、Ｐ２はｒｏより小さい又は等しい。一部の例では、光導波路１２０と１３０との間の間隔は２ｒｏより小さい。
【００４８】
一部の例では、光学装置１００は２つ以上の光導波路を有してもよい。例えば、図５Ｃは、３つの光導波路１２０、１３０、及び５７０を有する光学装置５９０の概略平面図を示す。詳細には、第１の光導波路１２のコア１２２、第２の光導波路１３０のコア１３２、及び第３の光導波路５７０のコア５７２は、それぞれ微小共振器１１０のコア１１２から延びている。
【００４９】
一部の例では、光学装置１００は、上部クラッド層１１４の屈折率変化を検出することができる。例えば、上部クラッド層１１４は、最初は、光源１４０からの光が第１の導波路１２０に入射するときに導波モード１５０の起動を引き起こす空気であってもよい。上部クラッド層１１４の屈折率変化は、例えば、空気クラッドが、例えば、有機蒸気のような蒸気、気体、液体、生体若しくは化学物質、又はクラッド１１４の屈折率変化をもたらすことができる任意の他の材料と交換される又は混合されるときに起こり得る。一部の例では、クラッド１１４の屈折率変化は、誘導光学モード１５０の振動数シフトを誘発することができる。振動数シフトは検出器１６０によって検出され得る。
【００５０】
図１の微小共振器１１０は、例えば、ディスク微小共振器であることが示されている。一般的に、微小共振器１１０は、任意の種類の共振器にすることができ、例えば任意形状の微小共振器であって、少なくとも１つの誘導光学モードをサポートすることができ、かつ１つ以上の光導波路に結合することができる。一部の例では、微小共振器１１０は円対称性を有し、円対称性は、微小共振器１１０のコア１１２の断面の周囲を、中心部からの距離の関数として表すことができることを意味する。一部の例では、例えばディスク微小共振器の場合、中心点は、微小共振器１１０の中心１１７のように、微小共振器の中心にすることができる。円対称性を有する典型的な微小共振器の形状には、球体、ディスク、及び円筒が挙げられる。
【００５１】
一部の例では、微小共振器１１０は、球対称を有することができ、例えば球体の微小共振器である。一部の例では、微小共振器１１０は閉ループの微小共振器にすることができる。例えば、図６は、光学装置５００の概略平面図を示し、この装置は、時には多重モード微小共振器であり得る、リング微小共振器５１０を含む。簡略化および一般性を喪失しないために、図６は、微小共振器５１０のいくつかの部分を明確に示していない又は識別していない。第１の光導波路１２０のコア１２２は、微小共振器５１０のコア５１２から延びている。同様に、第２の光導波路１３０のコア１３２は、微小共振器５１０のコア５１２から延びている。一部の例では、微小共振器５１０は、半径方向の多重モード微小共振器である。
【００５２】
別の例として、図７は、光学装置６００の概略平面図を示し、この装置は、時には多重モード微小共振器であり得る、レーストラック微小共振器６１０を含む。簡略化および一般性を喪失しないために、図７は、微小共振器６１０のいくつかの部分を明確に示していない又は識別していない。微小共振器６１０のコア６１２は、直線部分６３０及び６３２並びに湾曲部分６４０及び６４２を有する。第１の光導波路１２０のコア１２２は微小共振器６１０のコア６１２から延びている。同様に、第２の光導波路１３０のコア１３２は微小共振器６１０のコア６１２から延びている。
【００５３】
図８は、光学装置７００の概略平面図を示し、この装置は、少なくとも第１の誘導光学モード１５０及び第２の誘導光学モード１５２の各々をサポートすることができる微小共振器７１０を含み、第２の誘導光学モード１５２は第１の誘導光学モード１５０とは異なる。光学装置７００は光導波路７２０を更に含む。微小共振器７１０はコア７１２を有し、光導波路７２０はコア７２２を有する。簡略化および一般性を喪失しないために、図８は、微小共振器及び光導波路のクラッド（１又は複数）のようないくつかの部分を明確に示していない又は識別していない。
【００５４】
導波路コア７２２は、光源１４０と光学的にコミュニケイトする入力面７２２Ａを有する。コア７２２のもう一方の端は、コア７１２のポート７１５Ａにおいて終端する。光導波路７２０及びポート７１５Ａは、光導波路７２０内で正のｙ方向に沿って伝播する光が、例えば光７０１が、主に微小共振器７１０の第１の誘導光学モード１５０と結合することができるが、第２の誘導光学モード１５２と結合することはできないように、互いに対して及びコア７１２に対して配置される。光導波路７２０及びポート７１５Ａは、光導波路７２０内で負のｙ方向に沿って伝播する光が、例えば光７０２が、主に微小共振器７１０の第２の導波モード１５２と結合することができるが、第１の誘導光学モード１５０と結合することができないように、配置される。
【００５５】
一部の例では、微小共振器７１０は円対称性を有する。一部の例では、微小共振器７１０の導波モードは、例えば誘導光学モード１５０は、同一の電界プロファイルを維持している間に微小共振器７１０内を伝播することができる。
【００５６】
光源１４０は光１４２を放射することができる。光１４２の少なくとも一部は、導波路の入力面７２２Ａを介して光導波路７２０に入射し、光７０１として正のｙ軸に沿って伝播する。一部の例では、光７０１は光導波路７２０の導波モードであることができる。ポート７１５Ａで、光７０１は、主に微小共振器の第１の誘導光学モード１５０と光学的に結合して微小共振器の第１の誘導光学モード１５０を起動する。一部の例では、光７０１は、第２の誘導光学モード１５２と弱く結合して第２の誘導光学モード１５２を起動するが、このような結合はいずれも弱いものであり、光７０１と第１の誘導光学モード１５０との間の光結合により二次的に派生するものである。例えば、光７０１が導波モード１５０及び１５２の両方を起動する場合、導波モード１５０は導波モード１５２よりも実質的により強力である。
【００５７】
散乱中心１７０が微小共振器７１０と光学近接にされたときに、散乱中心は、第１の誘導光学モード１５０と第２の誘導光学モード１５２との間に光散乱を誘発し、この結果、導波モード１５０から導波モード１５２へのエネルギー移動をもたらす。導波モード１５２が現在微小共振器７１０内で励起されると、散乱中心は、より強くより強力な導波モード１５２を発生させる。導波モード１５２が微小共振器７１０内に既に存在しない場合、散乱中心１７０は、第１の導波モード１５０から第２の導波モード１５２への光散乱を引き起こすことにより、導波モード１５２の起動を誘発する。
【００５８】
誘導光学モード１５２は、コア結合により光導波路７２０と光学的に結合し、光７０２として導波路内を入力面７２２Ａに向かって伝播する。光学素子７３０は、光７０２の少なくとも一部を光７０３として検出器１６０の方向に向け直す。検出器１６０は、導波モード１５０と１５２との間のエネルギー移動を検出し、そうすることにより、散乱中心１７０の存在を検出することができる。
【００５９】
光学素子７３０は、入力光１４２の少なくとも一部が伝達される間に、光７０２の少なくとも一部を、例えば、反射によってｘ軸に沿って向け直す。光学素子７３０はビームスプリッタであり得る。別の例として、光学素子７３０は光サーキュレータであることができる。
【００６０】
図１〜図８に示された典型的な光学装置において、光導波路は直線的に延びる。一般的に、微小共振器に結合される光導波路は、用途において望ましい任意の形状を有することができる。例えば、図９に概略的に示された光学装置８００において、光導波路１２０及び１３０は、湾曲部分８０１及び８０２のような湾曲部分を有している。導波路１３０のコア１３２は、取り付け位置８１５で微小共振器１１０のコア１１２と交わる。コア１３２とコア１１２との間の角度は、位置８１５でのコア１３２の接線である線８１０と、同一の位置でのコア１１２の接線である線８２０との間の角度として規定される、β３である。
【００６１】
一部の例では、導波路の湾曲部分の曲率は十分に小さいので、曲率は放射損失を引き起こさないか又は殆ど引き起こさない。一部の例では、微小共振器に結合される光導波路は、非線形の導波路、区分線形の導波路、又は線形部分及び非線形部分を有する導波路であり得る。
【００６２】
図１〜図２に示される典型的な実施形態において、コア１２２、１１２、及び１３２は実質的に同一の平面内である。このような場合には、光導波路と微小共振器との間のコア結合は、横方向のコア結合であると考えられ得る。例えば、光導波路１２０は、コア結合領域１２２Ｂ内で微小共振器１１０に、横方向にコア結合する。同様に、光導波路１３０は、コア結合領域１３２Ａ内で微小共振器１１０に、横方向にコア結合する。
【００６３】
一部の例では、微小共振器コア及び光導波路コアは実質的に異なる平面内に存在してもよい。そのような場合には、光導波路と微小共振器との間のコア結合は、垂直コア結合であると考えられ得る。例えば、図１２Ａ及び図１２Ｂは、光学装置１２００の概略平面図及び概略側面図であり、微小共振器コア１１２は平面ＰＬ１内に配置され、光導波路コア１２２及び１３２は、平面ＰＬ１とは異なる平面ＰＬ２内に配置される。光導波路１２０は、コア結合領域１２０１内で微小共振器１１０に垂直にコア結合し、領域１２０１はコア１１２とコア１２２との間の重複領域である。同様に、光導波路１３０は、コア結合領域１２０２で微小共振器１１０に垂直にコア結合し、領域１２０２はコア１１２とコア１３２との間の重複領域である。
【００６４】
いくつかの用途で、微小共振器１１０並びに光学装置１２００の光導波路１２０及び１３０は一体構造を形成することができ、成形プロセスのような既知の製造方法を用いて製造することが可能である。
【００６５】
図１２Ａ及び図１２Ｂに示される典型的な実施形態において、光導波路１２０及び１３０は各々、終端点１２０１Ａ及び１２０２Ａにおいて終端する。一般的に、垂直コア結合を可能にする微小共振器コアと光導波路コアとの間の重複領域が存在する限り、光導波路はいかなる位置において終端してもよい。例えば、図１２Ｃは光学装置１２５０の概略平面図を示し、光導波路コア１２２及び１３２は微小共振器コア１１２を横切って延びる。
【００６６】
図１２Ａ及び図２Ｂに示される典型的な実施形態において、光導波路コア１２２及び１３２は微小共振器コア１１２の下に位置決めされる。一般的に、微小共振器に垂直コア結合する光導波路は、微小共振器の上又は下に配置されてもよい。例えば、図１３Ａ及び図１３Ｂは、光学装１３００の概略的平面図及び側面図を示し、微小共振器コア１１２は平面ＰＬ１内に配置され、光導波路コア１２２及び１３２は、平面ＰＬ１の上方に配置される平面ＰＬ２内に配置される。光導波路１２０及び１３０は、コア結合領域１２０１及び１２０２で各々、微小共振器１１０に垂直にコア結合する。
【００６７】
一般的に、光導波路コアは、コア結合によって光導波路と微小共振器との間の光の結合が可能となるように、微小共振器コアに対して配向される。例えば、図１４は光学装置１４００の概略的な三次元図を示し、光導波路１２０はコア結合領域１４０１内で微小共振器１１０にコア結合し、光導波路１３０は、コア結合領域１４０２内で微小共振器１１０にコア結合する。
【００６８】
開示される実施形態の利点のいくつかは以下の実施例で更に説明される。この実施例で挙げられる特定の材料、量、及び寸法、並びにその他の条件及び詳細は本発明を不当に制限するものとして考慮すべきではない。図１及び図２の光学装置１００と同様な光学装置について、実効ある２次元の時間領域差分（ＦＤＴＤ：Finite Difference Time Domain）法を用いて数値的に分析した。シミュレーションのため、微小共振器コア１１２は、コア直径Ｄが３．６マイクロメートル、コア厚さｈ１が０．２マイクロメートル、及びコア屈折率が３．５であるディスクの形状のシリコンとした。コア１２２及び１３２はそれぞれ、厚さ０．２マイクロメートル、及び屈折率３．５のシリコンとした。上部クラッド１１４は屈折率が１．３３に等しい水とした。下部クラッド１６５は、厚さ３マイクロメートル、屈折率１．４６の二酸化ケイ素とした。基材１６１は、屈折率が３．５のシリコンとした。
【００６９】
光源１４０は、波長２マイクロメートルに中心があり、半値全幅（ＦＷＨＭ）が１．５マイクロメートルである、離散的な１フェムトセカンド長のガウス形パルスの形で光１４２を放射するパルス光源である。広帯域入力パルスは、検出器１６０によって検出される約１マイクロメートル〜約３マイクロメートルの範囲における広域スペクトル応答をもたらした。
【００７０】
図１０Ａは、波長（単位：マイクロメートル）の関数として検出器１６０での計算された信号強度（図中のa.u.：入力光の強度に対する任意の単位）を示す。曲線９１０は、散乱中心１７０が存在しない信号強度を示す。曲線９２０は、散乱中心１７０が存在する信号強度を示す。曲線９２０の生成では、散乱中心は、微小共振器１１０と物理的に接触する固体の球状の金のナノ粒子であった。散乱中心１７０は、実数屈折率０．５４及び虚数屈折率９．５８を各々有した。散乱中心の直径は８０ナノメートルであった。曲線９１０及び９２０は、散乱中心１７０が微小共振器と接触させられたときに検出器１６０での出力スペクトルが大幅に変化することを示す。
【００７１】
図１０Ａは、微小共振器がいくつかの波長で高いＱ値を有することを示す。例えば、数値解析は、微小共振器のＱ値が、１．４３マイクロメートルで１４２４、１．４９マイクロメートルで１２４０、及び１．５６マイクロメートルで７８１であったことを示した。Ｑ値は、λＯ／ΔλＯと規定することができ、λＯは中心（共振）波長であり、ΔλＯは半値全幅（ＦＷＨＭ）である。
【００７２】
図１０Ｂは１．５６マイクロメートル付近の曲線９１０及び９２０の拡大図であり、散乱中心１７０が、ピーク９１１からピーク９１２にかけて約０．７ナノメートルと比較的大きくシフトしたことを示す。開示される実施形態の利点は、微小共振器と光学近接である散乱中心の存在が、検出器１６０での出力スペクトルのピークに比較的大きなシフトをもたらすことである。一部の例では、シフトは０．１ナノメートルを超過、１ナノメートル超過、２ナノメートルを超過、又は５ナノメートル超過であり得る。
【００７３】
いくつかの用途で、光源１４０は、例えば、白色光を放射する広帯域光源であり得る。同様に、検出器１６０は広帯域検出器であり得る。そのような場合、検出器１６０は、全ての検出された光強度が所定の強度閾値を上回ると、散乱中心の存在を信号で伝えることができる。例えば、図１０Ａを参照すると、約０．１６で設定された強度閾値レベル９３０より大きな検出強度レベルは、散乱中心１７０の存在を示すことができる。一部の例では、信号強度９１０のかなりの部分を暗騒音として排除している間に、閾値レベルを低いレベル、例えば閾値レベル９３０Ａに設定して、信号強度９１０のわずかな一部を含めることができる。広帯域光源及び広帯域検出器の利点は、全体的な装置コストの削減である。
【００７４】
図１１は、集積光学装置１１００の概略的三次元図である。光源１４０及び検出器１６０は、光学装置１１００の基材１６１の上に集積される。光源１４０はギャップ１１０１によって導波路１２０から離間され、基材１６１の上に集積された導線１１４０及び１１４１を含んでいる。導線１１４０及び１１４１は、例えば、図１１に示されていない外部電源及び／又は制御装置との接続のために、光学装置１１００の縁部１１２１まで延びる。検出器１６０はギャップ１１０２によって導波路１３０から離間され、基材１６１の上に集積された導線１１３０及び１１３１を含んでいる。導線１１３０及び１１３１は、例えば、図１１に示されていない外部電源及び／又は他の電子機器との接続のために、光学装置１１００の縁部１１２２まで延びる。
【００７５】
いくつかの用途で、微小共振器１１０の特定領域の光強度レベルをモニターするために、カメラ１１６０のような光検出器を用いてもよい。例えばカメラ１１６０は、例えば微小共振器１１０の中心に近い領域１１１０内の光強度の大きさ及び／又はプロファイルを画像化及びモニターすることができる。一部の例では、領域１１１０は微小共振器からの光を抽出することができる。例えば、領域１１１０は、粗面化又は構造化されて光を散乱してもよい。別の例として、領域１１１０は高屈折率材料でコーティングされて、領域内で光抽出を可能としてもよい。このような場合には、カメラ１１６０は高屈折率材料と直接接触して定置されてもよい。
【００７６】
光散乱中心が存在しないと、領域１１１０の光強度レベルは極めて低くすることができる。例えば、微小共振器内を伝播する導波モードは、微小共振器１１０のコア１１２側に実質的に閉じ込められるＷＧＭにすることができる。散乱中心が微小共振器の側面と光学的接触させられたときに、散乱中心は、微小共振器内を、領域１１１０の方を含む異なる方向で伝播する光を散乱することができる。領域１１１０は、散乱した光を受容し、カメラ１１６０に向け取り出すことができる。カメラ１１６０は、取り出された光を検出することで散乱中心の存在を検出することができる。
【００７７】
微小共振器１１０並びに光導波路１２０及び１３０は、既知の製造技術を用いて作製することができる。典型的な製造技術には、フォトリソグラフィ、印刷、キャスティング、押出成形、及びエンボス加工が挙げられる。光学装置１００の異なる層は、既知の方法、例えば、スパッタリング、蒸着、火炎加水分解、キャスティング、又は用途に好適であり得る任意の他の成膜法を用いて形成することができる。
【００７８】
基材１６１は剛性であっても可撓性であってもよい。基材１６１は光学的に不透明であっても透過性であってもよい。基材は、ポリマー、金属、半導体、又は任意の種類のガラスであり得る。例えば、基材１６１はシリコンであり得る。別の例として、基材１６１はフロートガラスであってもよく、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）、ポリサルフォン等のような有機材料で製造されてもよい。
【００７９】
開示された実施形態と共に使用するのに適切であり得る散乱中心の例には、シリコンナノ粒子、金及びアルミニウムのナノ粒子を含む金属ナノ粒子が挙げられる。一部の例では、散乱中心は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＣｄＳｅ、又はＣｄＳのような半導体であってもよい。例えば、散乱中心は、直径が８０ナノメートル及び目的波長に対する屈折率（実数部分）が３．５を有するシリコン粒子であることができる。散乱中心の別の例は、直径が８０ナノメートル及び１５５０ｎｍ近辺の波長に対する屈折率が０．５４＋９．５８ｉを有する金の粒子である。散乱中心の別の例は、直径が８０ナノメートル及び１５５０ｎｍ近辺の波長に対する屈折率が１．４４＋１６．０ｉを有するアルミニウムの粒子である。
【００８０】
一部の例では、散乱中心は誘電体粒子であり得る。一部の例では、散乱中心は蛍光粒子であり得る。他のいくつかの場合には、散乱中心は非蛍光粒子であり得る。
【００８１】
一部の例では、散乱中心１７０の寸法は１０００ナノメートル以下、５００ナノメートル以下、又は１００ナノメートル以下である。
【００８２】
本明細書で使用するとき、「垂直」、「水平」、「上」、「下」、「左」、「右」、「上部」及び「下部」、並びにその他同様の用語のような用語は、図中に示されるような相対位置を意味する。一般的に、物理的実施形態は異なる配向を有することができ、その場合、用語は、装置の実際の配向に修正された相対位置を意味することを意図している。例えば、図２における構造が図における配向と比べて逆であったとしても、下部クラッド１６５はなお上部クラッド１１４の「下」にあると見なされる。
【００８３】
本発明の種々の態様の説明を容易にするために、本発明の特定の実施例について上で詳細に説明しているが、その意図は、本発明を実施例の細部に限定することではないことを理解されたい。むしろ、その意図は、添付の特許請求の範囲で規定される本発明の趣旨と範囲に含まれる全ての修正物、等価物、並びに代替物を網羅することである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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