[发明专利]光学传感装置和方法

说明书

相关专利申请的引用

本专利申请是如下四个共同转让的专利申请的部分继续申请：于 2006年12月1日提交的、代理人档案号为No.62358US002、名称为 “OPTICAL SENSING METHODS”(光学传感方法)的专利申请 No.11/565,955；于2006年12月1日提交的、代理人档案号为 62263US002、名称为“OPTICAL SENSING DEVICE”(光学传感装置) 的专利申请No.11/565,920；于2006年12月1日提交的、代理人档案 号为No.62451US002、名称为“OPTICAL MICRORESONATOR”(光 学微谐振器)的专利申请No.11/565,935；以及于2006年12月27日提 交的、代理人档案号为No.62681US002、名称为“OPTICAL MICRORESONATOR”(光学微谐振器)的专利申请NO.11/616,338。 将这四个专利申请的全文以引用的方式并入本文。

该专利申请涉及与其同日提交的、代理人档案号为 No.62823US002、名称为“OPTICAL SENSING DEVICES AND METHODS”(光学传感装置和方法)的共同转让的专利申请 No.11/617,932。

技术领域

本发明整体涉及光学装置，更具体地讲，涉及使用微谐振器的光 学传感器。

背景技术

光学传感正变成一种用于检测生物、化学和气体物质的重要技术。 光学传感可以提供速度和灵敏度方面的优点。近年来，已经开发出许 多新型光子结构和材料来制造非常灵敏的光学装置。

用于分析物检测的一种光学传感方法使用了集成光波导。已经证 实这样的传感器能够检测波导表面上吸附的化学和生物物质。但是， 为了在许多分析应用中获得足够的光学信号变化，集成光波导化学分 析会需要大的传感装置(通常长度为几厘米)。

表面等离子体谐振(SPR)也已经被用来制造光学传感器。SPR技术 已经商业化，并且已经变成表征和定量生物分子相互作用的基本工具。 但是这样的测量系统会很庞大。

目前，正在深入地研究光学微谐振器在生化、化学和气体传感方 面的应用。光学微谐振器是具有高品质因数(Q因数)的非常小的装 置，其中，Q因数一般指谐振波长与谐振线宽的比率。例如，由于微 球谐振器中捕获的光循环多次，产生了高Q因数(＞10⁶)装置，这可使得 微球表面上的分析物和谐振器中循环的光之间的光学相互作用有效地 增强，因此由玻璃球制成的微谐振器可用于制造非常灵敏的光学传感 器。在光学微谐振器传感器中，使用总线波导来激发接近微谐振器表 面设置的导向光学模式。谐振光学模式的一个实例是回音壁模式。然 后，将分析物设置在微球的模式的渐逝场内。通过改变谐振频率来检 测传感器的折射率的变化。可以使用与检测器连接的第二总线波导， 从微谐振器中提取发生偏移的光谱。

虽然为了制造光学传感器的目的，已经调查研究了多种类型的光 学微谐振器，但是微球、微环和微盘最受关注。基于半导体制造工艺 的微盘或微环较为容易进行大量和/或高密度地制造。可以使用诸如干/ 湿蚀刻和层沉积之类的制造技术，调节它们相对于波导的位置。然而， 至少部分由于表面粗糙度和材料吸附性，导致这些谐振器的Q因数通 常低于10⁴。

在使用微球进行传感的常规方法中，将分析物粘合至球体表面导 致球的有效折射率发生小的变化。这导致谐振波谱中峰的波长位置发 生小的偏移。这些偏移通常在皮米范围内。为了检测这样小的偏移， 需要昂贵的设备用于光谱分析。此外，必须将微谐振器设计成给出非 常窄的线宽，使得可以检测出小的峰位移。这需要高精细度(自由光 谱范围除以线宽)，或者换句话讲，需要高品质因数(工作波长除以 线宽)的微谐振器。这转化成了需要微谐振器中的波导损耗低且微谐 振器和总线波导之间的耦合弱，以检测小的频率偏移。

为了检测由于检测分析物导致的小的波长变化，需要控制或补偿 可以引起波长偏移的其他机制。具体地讲，必须理解由于组成谐振器 的材料的折射率的温度依赖性导致的波长偏移，并且不将其与检测信 号混淆。

需要改进的使用微谐振器的光学传感系统。

发明内容