光学微小共振器
光学微小共振器システム及びそれを組み込むセンサシステムが開示される。光学微小共振器システムは光導波路と、光導波路に光学的に結合される光微小空洞と、を含む。微小空洞は一次的に１つ以上の共振モードをサポートすることができる。光学微小共振器システムは微小空洞に光学的に結合され、共振モードをサポートすることができる光学微小共振器を更に含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して光学デバイスに関する。本発明は、特に、微小共振器を組み込む、光学センサ等の光学デバイスに適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
微小共振器は、例えば米国特許第６，８７６，７９６号に記載される光スイッチング、例えば同第７，０９２，５９１号に記載される光学フィルター、例えば同第７，０６２，１３１号に記載される波長フィルター、例えば同第６，７４１，６２８号に記載されるレーザー、例えば同第６，８９１，９９８号に記載される光の偏光解消、並びに例えば、同第５，７４４，９０２号に記載される化学的及び生物学的感知等の様々な用途において、より一層注目を浴びている。
【０００３】
幾つかの既知の微小共振器構成では、光ファイバー等の光導波路に近接してガラス球状微小共振器を置く必要がある。そのような場合、光エネルギーは、エバネッ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１μｍ未満であり、再現可能な性能を提供するために、精密に制御されなければならない。微小共振器のその他の形態には、例えば、米国特許第７，０９５，０１０号に記載される円盤形状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】
概して、本発明は、光学デバイスに関する。また、本発明は、１つ以上の微小共振器を含む、光学センサに関する。
【０００５】
一実施形態においては、光学微小共振器システムは、光導波路と、光導波路に光学的に結合される光微小空洞と、を含む。微小空洞は１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる。光学微小共振器システムは、微小空洞に光学的に結合され、共振モードをサポートすることができる光学微小共振器を更に含む。
【０００６】
別の実施形態においては、光学微小共振器システムは、厚さ寸法ｈ、幅寸法Ｗ、及び長さ寸法Ｌを有する矩形光微小空洞を含む。光学微小共振器システムは、微小空洞に光学的に結合される入力光導波路と、微小空洞の長さに沿って微小空洞に光学的に結合される光学微小共振器と、を更に含む。比率Ｌ／Ｗは、約６以下である。
【０００７】
別の実施形態においては、光学センサは、第１の共振モードをサポートすることができる微小共振器システムであって、光学微小共振器、１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる光微小空洞であって、光学微小共振器に光学的に結合される光微小空洞を含む、微小共振器システムを含む。微小共振器システムは、光微小空洞に光学的に結合される第１の光導波路を更に含む。光学センサは、第１の光導波路との光通信内にあり、微小共振器システムの第１の共振モードに対応する波長で光を放射することができる光源を更に含む。光学センサは、微小共振器システムとの光通信内にある検出器を更に含む。検出器は、第１の共振モードの特性を検出することができる。検体が微小共振器システムの近くに来た場合に第１の共振モードの特性は変化する。検出器は特性の変化を検出することができる。
【０００８】
別の実施形態においては、光学微小共振器システムは、第１の光導波路と、第１の光導波路に光学的に結合され、１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる光微小空洞を含む。光学微小共振器システムは、微小空洞に光学的に結合され、共振モードをサポートすることができる光学ファブリ・ペロー（Fabry Perot）空洞を更に含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明は、添付の図面に関連して、本発明の様々な実施形態の、以下の詳細な記載を考慮して、より完全に理解され、評価されることができる。
【図１】微小共振器システムの概略平面図。
【図２】図１の微小共振器システムの一部分の拡大図。
【図３】定在波の概略プロファイル。
【図４Ａ】微小空洞内の様々な定在波モードの略図。
【図４Ｂ】微小空洞内の様々な定在波モードの略図。
【図４Ｃ】微小空洞内の様々な定在波モードの略図。
【図４Ｄ】微小空洞内の様々な定在波モードの略図。
【図４Ｅ】微小空洞内の様々な定在波モードの略図。
【図５Ａ】２つの微小共振器システムの概略平面図。
【図５Ｂ】２つの微小共振器システムの概略平面図。
【図６】微小共振器システムの概略三次元図。
【図７】多モード干渉カップラーの概略平面図。
【図８】光空洞の例示的な導波モードの略図。
【図９】微小共振器システムの概略平面図。
【図１０】集積光学デバイスの概略三次元図。
【図１１】散乱中心を有する異なる微小共振器システムの計算された信号強度対波長のプロット。
【図１２】散乱中心を有する異なる微小共振器システムの計算された信号強度対波長のプロット。
【図１３】散乱中心を有する異なる微小共振器システムの計算された信号強度対波長のプロット。
【図１４】散乱中心を有する異なる微小共振器システムの計算された信号強度対波長のプロット。
【図１５】金散乱中心を有する又は有さない、微小共振器システムの計算された信号強度対波長のプロット。
【図１６Ａ】図１５でのプロットの異なる部分の拡大図。
【図１６Ｂ】図１５でのプロットの異なる部分の拡大図。
【図１６Ｃ】図１５でのプロットの異なる部分の拡大図。
【図１６Ｄ】図１５でのプロットの異なる部分の拡大図。
【図１７】金散乱中心を有さない、並びに異なる位置に定置された金散乱中心を有する微小共振器システムの計算された信号強度対波長のプロット。
【００１０】
本明細書において複数の図面で用いられる同じ参照符号は、同一又は同様の性質及び機能を有する同一又は同様の要素を指す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、概して光学デバイスに関する。本発明は、特に、微小共振器を組み込む光学センサ等の光学デバイスに適用することができる。
【００１２】
本願は、光微小空洞を介して、光学微小共振器に光学的に結合される１つ以上の光導波路を含む光学デバイスを開示する。光微小空洞は定在波等の１つ以上の共振モードを一次的にサポートするように設計される。幾つかの開示された光学デバイスにおいては、光学デバイスの性能は、微小空洞に対する導波路及び微小共振器の配置には比較的感度が低い。そのような場合、光学デバイスは、例えば、光導波路の光微小空洞との光学近接での配置における製造誤差及び／又は制限が、光結合及び／又はデバイスの性能に大幅な変化をもたらす可能性が低いため、低費用で製造することができる。
【００１３】
本明細書で使用される場合、本願に開示される光学デバイス等の任意の光学的構成では、光学モードは、光学的構成において可能な電磁界を指し、放射線又は放射モードは、光学的構成において、閉じ込められない光学モードを指し、導波モードは、光学的構成において、典型的に芯領域である高屈折率領域が存在するために、少なくとも一次元に閉じ込められる光学モードを指す。一次元（第１の次元）に閉じ込められる導波モードは、一次元導波モードと称され得、２つの互いに直交する次元（第１及び第２の次元）に閉じ込められる導波モードは、二次元導波モードと称され得る。共振モードは、３つの互いに直交する次元（第１、第２、及び第３の次元）に閉じ込められる光学モードと称される。共振モードは、三次元導波モード又は光学的構成において、第３の次元に沿った追加の境界条件要求を条件とする二次元導波モードと見なされてもよく、追加の要求は実際は典型的に周期的である。
【００１４】
共振モードは、光学的構成において、３つの互いに直交する次元に沿った光学モードの量子化から生じる離散モードである。広くは、光学的構成の共振モードに対応する周波数若しくは波長で光学的構成を励起する又はエネルギーを与えることは、オフ共振励起から生じる反応と比較して、実質的により強い反応が光学的構成によって生じる。
【００１５】
光学的構成の共振モードのモードプロファイルは、３つの互いに直交する次元に沿った境界条件によって確定される。場合によっては、共振モードは進行波モード又は実質的に進行波モードであってよい。幾つかのその他の場合においては、共振モードは定在波モード又は実質的に定在波モードであってよい。
【００１６】
場合によっては、共振モードは放射モードに結合可能であってよい。幾つかのその他の場合においては、共振モードは放射線であり、閉じ込められない構成成分を有することができる。広くは、導波モードは共振又は非共振モードであってよい。
【００１７】
図１は、微小共振器システム１００の概略平面図を示す。微小共振器システム１００は、光源１１０と、第１の光導波路１２０と、第２の光導波路１３０と、光微小空洞１４０と、光学微小共振器１５０と、光学検出器１６６と、を含む。
【００１８】
第１の光導波路１２０は、入力面１２４、光学芯１２２、クラッド１０１、及び出力面１２６、を含む。光導波路１２０は、電界プロファイル１４５を有する導波モード１２８をサポートすることができる。広くは、導波路１２０の導波モードに関連する電界では、電界のエバネッセント・テイル（evanescent tails）は、導波路のクラッド領域内に位置決めされ、電界のピーク又は極大は、導波路の芯領域内に位置する。例えば、導波路１２０の導波モード１２８はクラッド１０１内にエバネッセント・テイル１４５Ａ及び１４５Ｂを有し、芯１２２内にピーク１４５Ｃを有する。
【００１９】
第２の光導波路１３０は入力面１３４、光学芯１３２、クラッド１０１、及び出力面１３６を含む。光導波路１３０は導波モード１３８をサポートすることができる。
【００２０】
微小空洞１４０は光学芯１４２及びクラッド１０１を含み、接触点又は出力面１２６を介して、導波路１２０に光学的に結合される。同様に、微小空洞１４０は接触点又は入力面１３４を介して、第２の光導波路１３０に光学的に結合される。微小空洞１４０はそれぞれの共振モードが、例えば、進行波、定在波、又はその２つの組み合わせであってよい１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる。場合によっては、微小空洞１４０は非共振進行波等の非共振モードをサポートすることが可能であり得るが、そのような非共振モードは微小空洞によってサポートすることができる共振モードに対する二次的なものである。
【００２１】
場合によっては、微小空洞１４０の共振モードは一次的に定在波モードであってよく、広くは、定在波は反対方向等の概して異なる方向に進行する２つの進行波の干渉重ね合わせと同等であってよい。そのような場合、微小空洞１４０によってサポートされる共振モードは共振進行部分を有してもよいが、このようないずれの進行部分も、共振モード全体のごく一部しか形成せず、共振モードは事実上、一次的に定在波であり、モードのいずれかの共振進行部分はモードの定在波部分に対する二次的なものでしかないことを意味する。
【００２２】
場合によっては、微小空洞１４０の共振モードは一次的に進行波モードであってよい。そのような場合、微小空洞１４０によってサポートされる共振モードは共振定在波部分を有してもよいが、このようないかなる定在波部分も、共振モード全体のごく一部しか形成せず、共振モードは事実上、一次的に進行しており、モードのいずれかの共振定在波部分はモードの進行部分に対する二次的なものでしかないことを意味する。
【００２３】
微小空洞１４０の共振モードは例えば、微小空洞が芯１４２の境界に沿って大きな反射を有し、結果として入射波の大部分が反射波として反射され、入射波及び反射波が干渉し、事実上、主に共振である波を形成する場合、事実上、一次的に定在波であってよい。共振モードのいかなる進行波構成成分も、共振モードの定在波部分に対する二次的なものである。
【００２４】
微小空洞１４０の共振モードは例えば、微小空洞が芯１４２の境界に沿って大きな反射を有し、結果として入射波の大部分が反射波として反射され、入射波及び反射波が干渉し、事実上、主に進行波である波を形成する場合、事実上、一次的に進行波であってよい。共振モードのいかなる定在波構成成分も、共振モードの進行波部分に対する二次的なものである。
【００２５】
光源１１０は光線１１２を放射することができ、その少なくとも一部分は、入力面１２４を通って第１の光導波路１２０に入る。場合によっては、光源１１０から光導波路１２０に入る光は導波モード１２８等の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。場合によっては、導波モード１２８は光微小空洞１４０の共振モード１７０を励起する。場合によっては、共振モード１７０は光学微小共振器１５０の共振モード１６０を励起する。場合によっては、共振モード１７０及び１６０はそれぞれ微小空洞１４０及び微小共振器１５０の定在波モードであってよい。広くは、共振モード１７０と１６０との間の光結合は微小共振器システム１００の共振モードを形成することができる。
【００２６】
場合によっては、微小空洞１４０の共振モード１７０は第２の光導波路１３０の導波モード１３８を励起することができる。導波モード１３８は出力光１６８として出力面１３６から第２の光導波路を抜け出すことができる。出力光１６８は検出器１６６によって検出することができる。広くは、検出器１６６は強度、波長、又は位相等の出力光１６８の１つ以上の特性を検出することによって微小共振器システム１００の共振モード等のモードの１つ以上の特性を検出することができる。
【００２７】
場合によっては、検出器１６６は波長又は強度の変化等、出力光１６８の特性の変化を検出することができる。このような変化は、微小共振器システム１００における変化を示すことができる。出力光１６８の変化は、例えば、クラッド１０１の屈折率の変化、及び／又は微小共振器１５０の芯１５２の屈折率の変化を示すことができる。別の例としては、出力光１６８の変化は、例えば室温の変化による、例えば微小共振器システム１００の寸法変化を示すことができる。
【００２８】
場合によっては、出力光１６８の１つ以上の特性の変化は、微小共振器システム１００の１つ以上の特性に影響を与えることができる、散乱中心１８０等の外部物質の存在を示すことができる。例えば散乱中心と光学微小共振器１５０の芯１５２との間の距離「ｔ」が十分に小さい場合、散乱中心は微小共振器に十分近く、微小共振器と散乱中心との間の光結合を可能にする。光結合は微小共振器システム１００の励起された共振モードの１つ以上の特性を変化させることができる。例えば光結合は微小共振器１５０の共振モード１６０の１つ以上の特性を変化させることができる。モード１６０の変化は出力光１６８として第２の光導波路１３０を抜け出す導波モード１３８の１つ以上の特性に変化をもたらすことができる。検出器１６６は出力光１６８における対応する変化を検出することによって微小共振器システム１００のモード１６０又は共振モードの変化を検出することができる。
【００２９】
図１に示される例示的な微小共振器システム１００においては、散乱中心１８０は微小共振器１５０に近接する。広くは、散乱中心１８０は微小共振器システムの共振モードの特性に変化をもたらすことができる、微小共振器システム１００のいずれかの部分と十分近くすることができる。例えば、散乱中心は散乱中心と微小空洞との間の光結合を可能にするために、微小空洞１４０に十分に近くてもよい。
【００３０】
散乱中心１８０と微小共振器１５０との間の光結合の強度の変化は、例えば共振モード１６０の特性の変化を引き起こすことができる。光結合の強度の変化は様々な手段によって達成することができる。例えば散乱中心１８０と微小共振器１５０又は芯１５２との間の間隔「ｔ」の変化は、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。別の例としては、散乱中心の屈折率ｎｓの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。広くは、散乱中心１８０と微小共振器１５０との間の光結合の強度に変化を生じさせることができるいずれかの機構は出力光１６８及び微小共振器システムの共振モードの特性に変化を引き起こすことができる。
【００３１】
金等の幾つかの金属類の場合など、幾つかの場合においては、散乱中心の屈折率の実数部は１未満である。シリコンの場合など幾つかのその他の場合においては、１５５０ｎｍ付近の波長に対する散乱中心の屈折率の実数部は１を超える。
【００３２】
散乱中心１８０として使用することができる散乱中心の例には、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。場合によっては、散乱中心は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＣｄＳｅ、又はＣｄＳ等の半導体であってもよい。例えば、散乱中心は直径が８０ｎｍであり、関心波長に対する屈折率（実数部）が３．５である、シリコン粒子であってよい。散乱中心の別の例は、直径が８０ｎｍであり、１５５０ｎｍ付近の波長に対する屈折率が０．５４＋９．５８ｉである、金粒子である。散乱中心の別の例は、直径が８０ｎｍであり、１５５０ｎｍ付近の波長に対する屈折率が１．４４＋１６．０ｉである、アルミニウム粒子である。
【００３３】
場合によっては、散乱中心は誘電体粒子であってよい。場合によっては、散乱中心は非蛍光粒子であってよい。場合によっては、散乱中心は半導体ではない。
【００３４】
場合によっては、散乱中心１８０の寸法は約１０００ｎｍ以下、約５００ｎｍ以下、約１００ｎｍ以下、又は約５０ｎｍ以下である。
【００３５】
微小共振器システム１００は、例えば、検体１８２を感知することができるセンサとして使用することができる。例えば、微小共振器１５０は検体１８２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１５０又は芯１５２の外側表面の適した処理によって達成されてもよい。場合によっては、検体１８２は散乱中心１８０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付着させることによって達成することができる。散乱中心は、検体１８２が微小共振器の外側表面と接合する際に、微小共振器１５０に光学近接されてもよい。散乱中心は、共振モード１６０の特性に変化を引き起こし、これは次いで微小共振器システムの共振モードの特性に変化を生じさせる。光学検出器１６６は、出力光１６８の１つ以上の特性の変化をモニタリングすることにより共振モード１６０の特性の変化を検出することによって検体１８２の存在を検出することができる。場合によっては、引き起こされる変化はモード１６０における周波数偏移であってよい。そのような場合、光学検出器１６６は周波数偏移を検出することができる。検体１８２は、例えば、タンパク質、病原体、又はＤＮＡを含むことができる。
【００３６】
場合によっては、検体１８２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１８０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１５０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促進する。結果として、散乱中心は微小共振器と光接触され、微小共振器システム内に存在する共振モードの特性における変化を引き起こす。検出器は特性変化を検出することによって散乱中心の存在、したがって抗原の存在を検出することができる。場合によっては、第１の抗体は第２の抗体と同一であることができる。このような例示的な検地プロセスは、食品の安全性、食品加工、医療検査、環境試験、及び産業衛生等の様々な用途に使用することができる。場合によっては、散乱中心１８０は共振モード１６０、並びに、したがって微小共振器システムの対応する共振モードに周波数偏移を引き起こすことができ、偏移は検出器１６６によって検出することができる。
【００３７】
場合によっては、微小共振器システム１００はクラッド層１０１の屈折率の変化を検出可能であってよい。例えば、クラッド層１０１は初期は空気であってもよい。空気クラッドを用いて、微小共振器システムの共振モードを共振周波数ｆ１の出力光１６８を生じることができる、共振周波数ｆ１にすることができる。クラッド層１０１の屈折率の変化は、例えば空気クラッドが、例えば有機蒸気等の蒸気、ガス、液体、生物学的若しくは化学物質、又はクラッド１０１の屈折率に変化をもたらすことができるいずれかの他の物質によっても置き換えられる又はそれと混合される場合に生じ得る。クラッド１０１の屈折率の変化は微小共振器システムの共振モードの変化及び出力光１６８の、ｆ１とは異なるｆ２への、周波数ｆ２への偏移をもたらすことができる。光学検出器１６６は周波数偏移Δｆ＝ｆ１−ｆ２を検出することができる。
【００３８】
図２は微小共振器システム１００の拡大部分を示す。微小空洞１４０は異なる、例えば反対の方向に進行する２つ以上の進行波モード間の干渉から生じる共振定在波モード１７０をサポートする。モード１７０は進行波モード間の破壊的干渉から生じる、微小空洞の芯の外側表面に沿った一点鎖線１７１Ａから１７１Ｃ及び微小共振器の芯内の一点鎖線１７１Ｃ等の複数個の一点鎖線を含む。一点鎖線上の波節は概して、モード１７０上の、モードの最小電界振幅の点である。典型的に、モードは波節で振動が最小となる又は振動がなくなる。場合によっては、モード振幅は波節でゼロである又はゼロに近くなることができる。場合によっては、波節は進行波節であってもよい。幾つかのその他の場合においては、波節は経時的に、実質的に非進行又は定在であってもよい。例えば定在波モードが反対方向に進行する以外は実質的に同一である２つの進行波モードから生じる場合、定在波モードの波節は実質的に定常点である。
【００３９】
定在波モード１７０は定在波モードを形成する進行波モード間の最大建設的干渉点に位置する、波腹１７２Ａから１７２Ｃ等の複数個の波腹を更に含む。波腹は概して、定在波モード上の定在波モードのピーク又は最大の点である。波腹は典型的に、最大正電界強度と最大負電界強度との間で振動する。場合によっては波腹は、進行波腹であってもよい。幾つかのその他の場合においては、波腹は経時的に、実質的に定在であってもよい。定在波モードの波腹は、例えば定在波モードが反対方向に進行する以外は実質的に同一である２つの進行波モードの干渉から生じる場合、実質的に定常である。線１７８は一定電界強度の例示的な輪郭を示す。
【００４０】
図３は方向Ａ１Ａ２に沿ったｙｚ平面の定在波モード１７０の概略断面プロファイルを示す。定在波モード１７０は第１の包絡線３１０と第２の包絡線３２０との間で振動する。図３に示される例示的なプロファイルにおいては１７１Ｃの波節は、振幅がゼロである。広くは、１７１Ｃの波節は振幅がゼロであってもそうでなくてもよい。
【００４１】
図３に示される例示的な定在波モード１７０においては、波節１７１Ｃから１７１Ｅは電界強度がゼロの点に位置する。広くは、定在波モードの波節は強度がゼロであってもそうでなくてもよい。波腹１７２Ａ及び１７２Ｂは正の最大電界強度Ａｍａｘと負の最大電界強度−Ａｍａｘとの間で振動する。
【００４２】
図２に示される例示的な定在波モード１７０はｙ方向に沿って２つの波腹を有し、ｘ方向に沿って２つの波腹を有する。広くは、微小空洞１４０の定在波モードはｘ方向に沿って１つ以上の波腹を有してもよく、ｙ方向に沿って１つ以上の波腹を有してもよい。
【００４３】
微小空洞１４０の共振定在波モードはΨｍ，ｎとして示すことができ、ｍはｘ軸に沿ったモードの波腹の数を指し、ｎはｙ軸に沿ったモードの波腹の数を指す。例えば、定在波モード１７０はΨ２，２として象徴的に示すことができ、ｘ及びｙ方向のそれぞれに２つの波腹を有する。
【００４４】
微小空洞１４０の幾つかの例示的な定在波モードが図４Ａ〜４Ｅに概略的に示される。具体的に、図４ＡはΨ１，６として象徴的に示され、ｘ軸に沿って１つの波腹を有し、ｙ軸に沿って６つの波腹を有する定在波モード１７０Ａを示し、図４ＢはΨ２，３として象徴的に示され、ｘ軸に沿って２つの波腹を有し、ｙ軸に沿って３つの波腹を有する定在波モード１７０Ｂを示し、図４ＣはΨ２，１として象徴的に示され、ｘ軸に沿って２つの波腹を有し、ｙ軸に沿って１つの波腹を有する定在波モード１７０Ｃを示し、図４ＤはΨ１，５として象徴的に示され、ｘ軸に沿って１つの波腹を有し、ｙ軸に沿って５つの波腹を有する定在波モード１７０Ｄを示し、図４ＥはΨ１，４として象徴的に示され、ｘ軸に沿って１つの波腹を有し、ｙ軸に沿って４つの波腹を有する定在波モード１７０Ｅを示す。
【００４５】
第１の光導波路１２０の導波モード１２８は出力面１２６又はその近くで結合領域を介して、光微小空洞１４０に結合することができる。結果として、導波モード１２８は同一周波数及び／又は波長で微小空洞の共振モード（共振モード１７０等の）を励起することができ、波長は例えば、自由空間波長であってよい。場合によっては、任意の波長で、導波モード１２８は微小空洞１４０の１つの共振モードを一次的に、微小空洞１４０の２つの共振モードを一次的に、又は微小空洞１４０の３つの共振モードを一次的に励起することができる。例えば、導波モード１２８が微小空洞１４０の２つの共振モードを一次的に励起する場合、導波モードによって励起されるいずれかその他の共振及び／又は非共振モードは、モードの光電力又は強度等のモードの特性において、２つの一次的励起共振モードに対する二次的なものでしかない。
【００４６】
場合によっては、導波モード１２８は共振モード１７０及び１７０Ａ〜１７０Ｅのうちの１つを一次的に励起することができる。例えば、場合によっては、導波モード１２８は共振モード１７０Ａを一次的に励起してもよい。そのような場合、導波モード１２８はモード１７０Ｂを励起してもよいが、モード１７０Ａは微小空洞１４０に存在する一次共振モードとなり、共振モード１７０Ｂは例えば、実質的にモード１７０Ａより低い強度となる。場合によっては、モード１７０Ａ及び１７０Ｂは同一若しくは実質的に同一の周波数及び／又は波長を有することができる。
【００４７】
場合によっては、導波モード１２８は、微小空洞１４０のモード１７０Ａ等の１つ以上の共振モードを微小空洞１４０の１つ以上の非共振モードより大幅に低い程度まで一次的に励起してもよい。そのような場合、微小空洞の励起されるモードに結合される導波モード１２８からの光エネルギーの大部分は、微小空洞の共振モードに結合される。
【００４８】
共振定在波モードの場合、場合によっては、導波モード１２８は微小空洞１４０の、モード１７０Ａ等の１つ以上の定在波モードを微小空洞１４０の１つ以上の進行波モードより大幅に低い程度まで一次的に励起してもよい。そのような場合、微小空洞の励起されるモードに結合される導波モード１２８からの光エネルギーの大部分は、微小空洞の定在波モードに結合される。
【００４９】
場合によっては、異なる波長の導波モード１２８は微小空洞１４０の異なる共振モードを一次的に励起してもよい。例えば、第１の波長λ１を有する導波モード１２８は共振モード１７０Ａを一次的に励起することができ、一方、第２の波長λ２を有する導波モードは共振モード１７０Ｃ等の異なる共振モードを一次的に励起することができる。
【００５０】
場合によっては、微小空洞１４０は縮退共振モードをサポート可能であり得、波長λ３を有する導波モード１２８が同一波長λ３を有するモード１７０Ａ及び１７０Ｂ等の２つ以上の共振モードを一次的に励起できることを意味する。場合によっては、微小空洞１４０は１つの比率Ｌ１／Ｗ１に対して、共振定在波モード等の縮退共振モードをサポートすることができるが、別の比率に対しては、サポートすることができない場合がある。場合によっては、微小空洞１４０は１つ以上の別個の比率Ｌ１／Ｗ１対して、縮退共振モードをサポート可能であり得る。
【００５１】
光学微小共振器１５０は光学芯１５２及びクラッド１０１を含み、第１の面１５４及び第２の面１５６を介して、光微小空洞１４０に光学的に結合される。光学微小共振器１５０は共振モード１６０をサポートすることができる。場合によっては、共振モード１６０は微小共振器１５０の周囲を伝播し、共振のための往復条件を満たす進行波モードであってよい。例えば、微小共振器の周囲の往復を進行する共振進行波モード１６０の位相は２πの整数乗算によって変化する。
【００５２】
場合によっては、共振モード１６０は光学微小共振器１５０の定在波モードであってよい。そのような場合、共振定在波モード１６０は第１及び第２の進行波光学モード１６２並びに１６４をそれぞれ伝播するカウンタを含むことができる。定在波モード１６０並びに進行波光学モード１６２及び１６４は同一周波数及び／又は波長を有する。
【００５３】
場合によっては、第１及び第２の進行波モード１６２及び１６４のうちの少なくとも１つは微小共振器１５０の進行導波モードであってよい。例えば、第１及び第２の導波光学モード１６２及び１６４は微小共振器１５０の「ウィスパリングギャラリーモード」（Whispering gallery mode：ＷＧＭ）であってもよい。ＷＧＭは概して、微小共振器空洞の表面付近に閉じ込められ、比較的低い放射損失を有する進行モードである。ＷＧＭは微小共振器の芯の外側表面付近に閉じ込められるため、それらは微小共振器表面上又はその近くの検体との光結合に非常に適している。
【００５４】
場合によっては、微小空洞１４０の共振モードは微小共振器１５０の共振モードを励起することができる。場合によっては、微小空洞１４０の定在波モードは微小共振器１５０の定在波モードを励起することができる。例えば、微小空洞の定在波モード１７０は光学的に微小共振器の定在波モード１６０に結合し、それを励起することができる。
【００５５】
場合によっては、定在波モード１７０は第１の進行波モード１７３及び第２の進行波モード１７５等の異なる方向に進行する２つの進行波モード間の光学干渉から生じる。場合によっては、進行波モード１７３は進行波モード１６２に光学的に結合し、それを一次的に励起することができ、進行波モード１７５は進行波モード１６４に光学的に結合し、それを一次的に励起することができる。そのような場合、励起される進行波モード１６２及び１６４は光学的に干渉し、定在波モード１６０を形成することができる。
【００５６】
図１において、進行モード１７３及び１７５はｘ方向に沿って進行するように、概略的に示される。広くは、モード１７３及び１７５のそれぞれは、いずれかの方向に沿って進行することができる。例えば、モード１７３及び１７５のそれぞれは様々な方向の、例えば、一定の振幅の波動ベクトルを有することができる。場合によっては、図１においてモード１７３及び１７５を示す水平矢印は２つのモードに関連付けられた波動ベクトルのｘ構成成分を示すことができる。
【００５７】
例示的な微小共振器システム１００において、芯１２２、１３２、及び１５２のそれぞれは微小空洞の芯１４２から延びる。結果として、微小空洞１４０と光導波路１２０及び１３０のそれぞれとの間の光結合はエバネッセント結合ではなく、一次的に芯結合である。同様に、面１５４及び１５６の微小空洞１４０と微小共振器１５０との間の光結合は一次的に芯結合である。
【００５８】
場合によっては、芯１２２、１３２、１４２、及び１５２は同一又は異なる屈折率を有する異なる芯材料で作製されてもよい。幾つかのその他の場合においては、芯１２２、１３２、１４２、及び１５２は一体構成を形成してもよく、芯が物理的境界面のない単一ユニットを形成することを意味する。一体構成においては、芯は典型的に、同一の芯材料で作製される。一体構成はエッチング、鋳造、成形、エンボス加工、及び押出成形等の様々な既知の方法を使用して作製することができる。
【００５９】
例示的な微小共振器システム１００においては、微小共振器１５０は微小空洞１４０を介して、光導波路１２０及び１３０に光学的に結合し、それぞれの導波路と微小空洞との間の光結合は芯結合によるものであり、微小共振器と微小空洞との間の光結合も、芯結合によるものである。
【００６０】
広くは、微小共振器システム１００における光結合はエバネッセント結合又は芯結合によるものであってもよい。例えば、場合によっては、光導波路１２０、１３０、及び微小共振器１５０のうちの少なくとも１つはエバネッセント結合によって微小空洞１４０に光学的に結合してもよい。
【００６１】
芯結合の特性は結合ギャップの削除である。既知の微小共振器においては、光導波路と、例えば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、導波路と微小共振器との間の光結合はエバネッセント結合によって達成される。このような結合は、とりわけ、例えば製造誤差のために典型的に再生可能な方法で制御することが困難である結合ギャップの寸法に非常に敏感である。ギャップを十分な精度で制御することができる製造方法であっても、このような制御は製造費用を大幅に増大させる可能性がある。本願に開示される幾つかの例示的な実施形態においては、光導波路と微小空洞との間の結合ギャップはそれらのそれぞれの芯間に直接物理接触を提供することによって削除される。同様に、幾つかの例示的な実施形態においては、微小共振器と微小空洞との間の結合ギャップはそれらのそれぞれの芯間に１つ以上の直接物理接触を提供することによって削除される。結合ギャップの削除は削減された製造費用及び改善された再現性をもたらすことができる。
【００６２】
図１の微小共振器１５０は卵形又は楕円形リング微小共振器として示される。広くは、微小共振器１１０は少なくとも１つの共振モードをサポートすることができ、微小空洞１４０に光学的に結合することができる任意の形状の微小共振器等の任意の種類の微小共振器であってよい。場合によっては、微小共振器１５０は円対称性を有し、微小共振器１５０の芯１５２の断面の外辺部は中心点からの距離のみの関数として表現することができることを意味する。図５Ａに概略的に示される円形リング微小共振器４５０等、場合によっては、中心点は微小共振器の芯４５２の中心４５１であってよい。円対称性を有するその他の例示的な微小共振器形状には、球体、円盤、及び円筒が挙げられる。
【００６３】
場合によっては、微小共振器１５０は球状微小共振器の場合等、球対称を有することができる。場合によっては、微小共振器１５０は図５Ｂに概略的に示されるレーストラック微小共振器４６０等、閉鎖ループ微小共振器であってよい。微小共振器４６０の芯４６２は直線部４３０、４３２、４３４、並びに曲線部４３６及び４３８を有する。
【００６４】
広くは、微小共振器１５０は特定の方向に沿って単一又は多モードであってもよい。例えば、微小共振器１５０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モードであってよい。リング形状微小共振器の場合等、場合によっては、微小共振器は半径方向に沿って単一又は多モードであってよい。リング形状微小共振器の場合等、場合によっては、微小共振器１５０の進行波導波モード１６２及び１６４は微小共振器の方位角モードであってよい。
【００６５】
光導波路１２０及び１３０は、光学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ってよい。光導波路１２０及び１３０は平面導波路等の一次元導波路であってよく、一次元導波路は１つの方向に沿った光の閉じ込めを指す。場合によっては、光導波路１２０及び１３０は二次元導波路であってよく、二次元導波路は２つの互いに直交する方向に沿った光の閉じ込めを指す。例示的な二次元光導波路にはチャネル導波路、ストリップ装荷導波路、リブ（rib）又はリッジ（ridge）導波路、及びイオン交換導波路が挙げられる。
【００６６】
例示的な微小共振器システム１００においては、第１の光導波路１２０の芯１２２及び第２の光導波路１３０の芯１３２は微小空洞１４０とのそれらのそれぞれの接触点で又はその近くで実質的に平行である。特に、両方の芯１２２及び１３２はそれぞれ接触点１２６及び１３４でｘ軸に沿って伸びる。更に、芯１２２及び１３２は共線である。広くは、芯１２２及び１３２は微小空洞１４０とのそれらのそれぞれの接触点で平行であってもそうでなくてもよい。同様に、芯１２２及び１３２は微小空洞１４０とのそれらのそれぞれの接触点で、共線であってもそうでなくてもよい。
【００６７】
図１に示される例示的な微小共振器システム１００においては、光微小空洞１４０はｘ軸に沿って長さＬ１を有し、ｙ軸に沿って幅Ｗ１を有する直方体である。広くは、微小空洞１４０は１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる任意の光微小空洞であってよい。光微小空洞１４０の例示的な形状には、球体、円盤、円筒、リング、ドーナツ形状、及びレーストラックが挙げられる。場合によっては、微小空洞１４０は閉鎖ループ微小空洞であってよい。
【００６８】
場合によっては、光微小空洞１４０の幅側１１３及び１１４は、微小空洞の可能な光学モードがｘ軸に沿って離散モードに量子化されるように、十分に反射する。広くは、微小空洞１４０のモードは、モードに関連付けられた実効屈折率が境界面での実効クラッド屈折率と異なる、例えば十分に異なる場合、クラッドと微小共振器との間の境界面で強反射される。例えば、幅側１１３又は１１４等の幅側は、例えば微小空洞１４０によってサポートされるモードの実効屈折率が例えば光学微小共振器１５０又は光導波路１３０によってサポートされるモードの実効屈折率と異なる場合、十分に反射することができる。場合によっては、光微小空洞１４０の長さ側１１１及び１１２は、微小空洞の可能な光学モードが、ｙ軸に沿って離散モードに量子化されるように十分に反射する。
【００６９】
広くは、光学微小共振器１５０は面１５４及び１５６を含む結合領域１９０内の微小空洞１４０に光学的に結合される。広くは、２つの導波路間の結合領域は、２つの導波路間に光結合が生じる空間等の領域である。微小共振器芯１５２と導波路１２０の芯１２２との間の距離間隔はｄであり、ｄはＷ１未満である。
【００７０】
図６は芯６５２を含む光学微小共振器６５０を含み、共振モードをサポートすることができ、結合領域６９０内で光微小空洞６４０に光学的に結合される概略三次元微小共振器システム６００を示す。結合領域６９０は微小共振器と微小空洞との間の光学ギャップを定義する。
【００７１】
微小共振器システム６００は光軸６９１上に中心をとる光導波路６２０も含む。光導波路６２０は微小空洞の芯６４２から延び、それにより微小空洞と導波路との間の結合領域６９５を定義する芯６２２を含む。
【００７２】
図６に示される例示的な微小共振器システムにおいては、微小共振器と微小空洞との間の光結合はエバネッセント結合によるものであり、導波路と微小空洞との間の光結合は芯結合である。
【００７３】
例示的な微小共振器システム６００においては、結合領域６９０での微小共振器芯６５２と光導波路芯６２２との間の距離はｄであり、ｄは結合領域６９５を越えて光軸６９１を延ばし、結合領域６９０から光軸に対して垂直に線６９２を描くことによって定義される。広くは、方向６９２は異なる方向に沿うことができるが、方向６９２はｙ軸に沿うことができる。微小空洞６４０は方向６９２に沿って最大寸法Ｗ３を有する。
【００７４】
微小空洞６４０は方向６９２に直交する方向６９３に沿って最大厚さｈ１を有する。図６の例示的な実施形態においては、方向６９３はｚ軸に沿う。微小空洞６４０は、この場合においてはｘ軸である方向６９２（ｙ軸）及び６９３（ｚ軸）に直交する方向に沿って最大寸法Ｌ３を有する。
【００７５】
図７は、例えばソルダノ（Soldano）らの「自己画像化に基づく、光学多モード干渉デバイス：原理及び用途（Optical Multi-Mode Interference Devices Based on Self-Imaging: Principles and Applications）」（光波技術ジャーナル（Journal of Lightwave Technology）、１９９５年４月号、１３章、４項、６１５〜６２６ページ）に記載される光学多モード干渉カップラー（ＭＭＩＣ）７００の概略平面図を示す。ＭＭＩＣ ７００はｘ軸に沿った光軸７０２上に中心をとり、矩形光空洞７３０、二次元光導波路７１０、７１５、７２０、及び７２５を含む。光空洞７３０は、芯７３２、クラッド７０５、第１の入力ポート７１４、第２の入力ポート７１９、第１の出力ポート７２４、及び第２の出力ポート７２９を有する。光空洞７３０はｘ軸に沿って長さＬを有し、ｙ軸に沿って幅Ｗを有する。
【００７６】
光導波路７１０は光軸７０１上に中心をとり、芯７１２、クラッド７０５を有し、第１の入力ポート７１４で空洞７３０に光学的に芯結合され、光導波路７１５は光軸７０３上に中心をとり、芯７１７、クラッド７０５を有し、第２の入力ポート７１９で空洞７３０に光学的に芯結合され、光導波路７２０は光軸７０１上に中心をとり、芯７２２、クラッド７０５を有し、第１の出力ポート７２４で空洞７３０に光学的に芯結合され、光導波路７２５は光軸７０３上に中心をとり、芯７２７、クラッド７０５を有し、第２の出力ポート７２９で空洞７３０に光学的に芯結合される。入力ポート７１４及び７１９は光空洞７３０の入力側又は幅側７５２と関連付けられ、出力ポート７２４及び７２９は光空洞の出力側又は幅側７５４と関連付けられる。
【００７７】
ＭＭＩＣ ７００内のそれぞれの光導波路は芯幅ｄ２を有し、光空洞芯７３２の最も近い長さ側から距離ｄ１だけ離れている。光導波路７１０及び７１５はＷ−２（ｄ１＋ｄ２）と等しい距離ｄ３だけ離れている。光導波路７２０及び７２５も距離ｄ３だけ離れている。
【００７８】
簡易化及び一般性を喪失しないために、空洞及び４つの導波路は屈折率ｎ２を有する同一クラッド７０５を有すると見なされる。４つの導波路及び光空洞の芯は同一屈折率ｎ１を有すると更に見なされる。
【００７９】
空洞７３０の可能な光学モードはｙ軸に沿って離散モードに量子化されるが、ｘ軸に沿って離散モードに量子化されないように、空洞芯７３２の長さ側７９１及び７９２は関心波長を十分に反射し、芯７３２の幅側７５２及び７５４は関心波長を十分に透過する。幅側７５２及び７５４のそれぞれは幅の両側で同一又は実質的に同一のモード実効屈折率を有することによって十分に光学的に透過性にすることができる。
【００８０】
幅側７５２及び７５４が十分に反射しないため、光空洞７３０はｘ方向に沿って進行する、非共振導波モード等の非共振モードを一次的にサポートすることができる。ＭＭＩＣは、例えば第２の入力導波路７１５内で発される光が、入力側７５２で光空洞７３０内の複数個の非共振進行波モードを励起するように設計される。出力側７５４で光空洞内の実質的に全ての光が空洞から抜け出て、それぞれに出力ポート７２４及び７２９を通って出力導波路７２０及び／又は７２５に入るように、複数個の非共振進行波はｘ軸に沿って進行し干渉する。したがって、ＭＭＩＣは、例えば光空洞７３０の出力側７５４で複数個の進行波モードの一部分も反射されない又はほんのごく一部が反射されるように設計されるため、光空洞７３０は共振モードを一次的にサポートすることができない。
【００８１】
場合によっては、入力側７５２からｘ軸に沿って進行し出力側７５４上に入射する光空洞７３０の進行波モードのごく一部は出力側で反射されてもよい。しかしながら、反射は非常に小さいため、入射波と反射波との間のいかなる光学干渉も一次的に非共振モードであるモードを生じる。例えば、出力側での反射は非常に小さいため、入射波と反射波との間のいかなる干渉も一次的に非共振進行波モードであり、共振定在波モードではないモードを生じる。
【００８２】
第２の入力導波路内の光学導波モード７６０は簡易化及び一般性を喪失しないために、ｘ＝０が入力側７５２に対応すると見なされる、ｘの関数として、ｙ軸に沿って変化するプロファイルを有することができる光空洞７３０内の進行波電界Φ（ｘ，ｙ）を励起することができる。例えば、電界Φ（０，ｙ）は図７に概略的に示されるように光軸７０３上に実質的に中心をとる電界プロファイル７４０を有する。図７に示される特定の電界プロファイル７４０は例示のためのものであり、制限するためのものではないことが理解されるであろう。したがって、開示される実施形態はいずれかの特定の電界プロファイルに制限されると解釈されるべきではない。
【００８３】
簡易化及び一般性を喪失しないために、例えばソルダノ（Soldano）らの「自己画像化に基づく、光学多モード干渉デバイス：原理及び用途（Optical Multi-Mode Interference Devices Based on Self-Imaging: Principles and Applications）」（光波技術ジャーナル（Journal of Lightwave Technology）、１９９５年４月号、１３章、４項、６１５〜６２６ページ）に記載されるように、電界Φ（ｘ，ｙ）は、放射等の非導波モードを含まず、進行電界Φ（ｘ，ｙ）は、光空洞７３０の一次結合として表現することができると見なす。１つのピークを有するゼロ次導波モード８１０、２つのピークを有する一次導波モード８２０、３つのピークを有する二次導波モード８３０、４つのピークを有する三次導波モード８４０等、光空洞の導波モードの幾つかの実施例が、図８に概略的に示される。
【００８４】
光空洞７３０は以下の等式１で示される、空洞によってサポートされるモードに関連付けられた、特性長さＬｃを有する。
【００８５】
【数１】
【００８６】
式中、ｎ１は、芯７３２の屈折率であり、λｏは、自由空間内の波長であり、Ｗｅは、サポートされるモードに対する光空洞７３０の実効幅である。実効幅Ｗｅはテイル８１１及び８１２等のモードエバネッセント・テイルの主要因となり、光空洞７３０の幅Ｗ１と異なってよい。
【００８７】
進行電界Φ（ｘ，ｙ）はｘ軸に沿って周期的に変化する。図７に概略的に示されるように、例えばｘ＝（１／２）Ｌｃで、進行電界Φ（（１／２）Ｌｃ，ｙ）は電界７４０と類似し、光軸７０３上に実質的に中心をとる進行電界７４１Ａ及び、実質的に電界７４１Ａの鏡像であり光軸７０１上に実質的に中心をとる進行電界７４１Ｂを含む。光空洞７３０の長さＬが（１／２）Ｌｃと等しい場合、電界７４１Ａは第２の出力ポート７２９で第２の出力導波路７２５の導波モードと実質的に結合することができ、電界７４１Ｂは第１の出力ポート７２４で第１の出力導波路７２０の導波モードと実質的に結合することができる。そのような場合、導波モード７６０からの光の約５０％は第２の出力導波路７２５に移動し、導波モード７６０からの光の約５０％は第１の出力導波路７２０に移動する。したがって、Ｌ＝（１／２）Ｌｃでは、ＭＭＩＣカップラー７００は５０：５０カップラーと称することができる。
【００８８】
別の実施例としては、ｘ＝Ｌｃでは、図７に概略的に示されるように、進行波電界Φ（Ｌｃ，ｙ）は電界７４０の鏡像と類似し、光軸７０１上に実質的に中心をとる進行波電界７４２を含む。光空洞７３０の長さＬがＬｃと等しい場合、電界７４２は第１の出力ポート７２４で第１の出力導波路７２０の導波モードに実質的に結合することができる。そのような場合、導波モード７６０からの光の約１００％は第１の出力導波路７２０に移動し、導波モード７６０からの光の約０％は第２の出力導波路７２５に移動する。したがって、Ｌ＝Ｌｃでは、ＭＭＩＣカップラー７００は０：１００カップラーと称することができる。
【００８９】
別の実施例としては、ｘ＝（３／２）Ｌｃでは、進行波電界Φ（（３／２）Ｌｃ，ｙ）は進行波電界Φ（（１／２）Ｌｃ，ｙ）と実質的に類似する。したがって、Ｌ＝（３／２）Ｌｃでは、ＭＭＩＣカップラー７００は５０：５０カップラーである。
【００９０】
更に別の実施例として、ｘ＝２Ｌｃでは、図７に概略的に示されるように、進行波電界Φ（２Ｌｃ，ｙ）は電界７４０と類似し、光軸７０３上に実質的に中心をとる光空洞７３０内の進行波電界７４４を含む。光空洞７３０の長さＬが２Ｌｃと等しい場合、電界７４４は第２の出力ポート７２９で第２の出力導波路７２５の導波モードに実質的に結合することができる。そのような場合、導波モード７６０からの光の約１００％は第２の出力導波路７２５に移動し、導波モード７６０からの光の約０％は第１の出力導波路７２０に移動する。したがって、Ｌ＝２Ｌｃでは、ＭＭＩＣカップラー７００は１００：０カップラーと称することができる。
【００９１】
したがって、５０：５０ＭＭＩＣ ７００の最小長さＬ５０：５０は等式２で示され、
【００９２】
【数２】
【００９３】
０：１００ＭＭＩＣ ７００の最小長さＬ０：１００は等式３で示される。
【００９４】
【数３】
【００９５】
簡易化及び一般性を喪失しないために、光空洞７３０はｚ方向における単一モード空洞であり、その結果、光空洞は例えば、Ｐ．ヤー（P. Yeh）らの「層状媒体中の光波（Optical Waves in Layered Media）」（ジョン・ワイリー・アンド・サンズ（John Wiley and Sons）、ニューヨーク（New York）、１９８８）に記載されるように、以下の関係を満たす場合、ｙ方向に沿って少なくともｍモードをサポートすることができると見なす。
【００９６】
【数４】
【００９７】
したがって、５０：５０ＭＭＩＣ ７００の最小長さＬ５０：５０は、以下の等式で示され、
【００９８】
【数５】
【００９９】
０：１００ＭＭＩＣ ７００の最小長さＬ０：１００は、以下の等式で示される。
【０１００】
【数６】
【０１０１】
実効幅Ｗｅは通常、Ｗを超えるため、等式（５）及び（６）はＷｅがＷで置き換えられる場合、依然として維持される。広くは、芯屈折率ｎ１は約１．５〜約３．５であってよく、クラッド屈折率ｎ２は約１．４４〜約１．５１であってよい。このような範囲のｎ１及びｎ２では、実効幅Ｗｅは、約１０％以下Ｗを超える。
【０１０２】
多モード干渉カップラーにおいては、光空洞７３０は、図８に示される導波モード８１０及び８２０等の導波モード（ｍ≧２）の少なくとも２つの進行波をサポートすることができるｙ方向における多モード空洞でなければならない。したがって、５０：５０カップラーでは、比率Ｌ／Ｗは２を超えなければならず、０：１００では、比率Ｌ／Ｗは４を超えなければならない。
【０１０３】
ＭＭＩＣ ７００が、低減された光学的損失等、改善された性能を有する必要がある場合、光空洞７３０は導波モード８１０、８２０、及び８３０等、少なくとも３つの進行導波モード（ｍ≧３）をサポートできなければならない。そのような場合、５０：５０カップラーでは比率Ｌ／Ｗは、３を超えなければならず、０：１００では比率Ｌ／Ｗは６を超えなければならない。
【０１０４】
図６に戻り、光微小空洞６４０は共振定在波等の１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる。場合によっては、比率Ｌ３／Ｗ３は約１０以下、約６以下、約５以下、約４以下、約３以下、又は約２以下である。幾つかのその他の場合においては、比率Ｌ３／Ｗ３は約１以下、約０．８以下、約０．５以下、約０．３以下、又は約０．１以下である。場合によっては、光微小空洞６４０は光微小空洞１４０と類似する矩形空洞である。
【０１０５】
場合によっては、Ｌ３は約５０μｍ以下、約３０μｍ以下、約２０μｍ以下、又は約１０μｍ以下である。幾つかのその他の場合においては、Ｌ３は約５μｍ以下、約３μｍ以下、約２μｍ以下、又は約１μｍ以下である。幾つかのその他の場合においては、Ｌ３は約０．８μｍ以下、約０．６μｍ以下、又は約０．５μｍ以下である。
【０１０６】
場合によっては、光微小空洞６４０は、１００以下の共振モード、５０以下の共振モード、２０以下の共振モード、１５以下の共振モード、１０以下の共振モード、８以下の共振モード、又は５以下の共振モードを一次的にサポートすることができる。
【０１０７】
場合によっては、光微小空洞６４０は、少なくとも１つの共振モード、少なくとも２つの共振モード、少なくとも５つの共振モード、又は少なくとも１０の共振モードを一次的にサポートすることができる。場合によっては、光微小空洞６４０は、１つの共振モード又は２つの共振モードを一次的にサポートすることができる。
【０１０８】
場合によっては、微小共振器システム６００は約０．３μｍ〜約１５μｍ、０．３μｍ〜約５μｍ、約０．３μｍ〜約２μｍ、約０．４μｍ〜約１．６μｍ、又は約０．６μｍ〜約１．６μｍの波長で一次的に動作するように設計される。場合によっては、微小共振器システム６００は約６３３ｎｍ、約８５０ｎｍ、約９８０ｎｍ、約１３１０ｎｍ、約１５５０ｎｍ、又は約１０，６００ｎｍの波長で一次的に動作するように設計される。
【０１０９】
例示的な微小共振器システム６００においては、光導波路６２０は芯結合によって光微小空洞６４０に光学的に結合する。広くは、光導波路６２０は用途に適し得る任意の結合機構を使用して、光微小空洞６４０に光学的に結合することができる。例えば、光導波路６２０はエバネッセント結合によって光微小空洞６４０に光学的に結合することができる。
【０１１０】
例示的な微小共振器システム６００においては、光微小空洞６４０はエバネッセント結合によって光学微小共振器６５０に光学的に結合する。広くは、光微小空洞６４０は用途に適し得る、任意の結合機構を使用して、光学微小共振器６５０に光学的に結合することができる。例えば、光微小空洞６４０は例えば、図１に概略的に示されるように、芯結合によって光学微小共振器６５０に光学的に結合することができる。
【０１１１】
図９は、光学微小共振器１５０が、光学微小共振器９５０で置き換えられていることを除き、微小共振器システム１００と類似する微小共振器システム９００の概略平面図を図示する。光学微小共振器９５０は共振モード９９９をサポートすることができ、芯９５２、第３の光導波路９６０、及び第４の光導波路９７０を含む。第３の光導波路９６０は第２の面１５６を介して、芯結合によって光微小空洞１４０に光学的に結合され、第１の格子９３４及び第１の端面９５６を含む。第４の光導波路９７０は第１の面１５４を介して、芯結合によって光微小空洞１４０に光学的に結合され、第２の格子９３２及び第２の端面９５４を含む。第３及び第４の光導波路９６０及び９７０は光軸９６５上に中心をとる。第１及び第２の格子９３４並びに９３２のそれぞれは光軸９６５に沿って周期的な屈折率を含む。場合によっては、周期性は例えば、導波路にエッチングされた又はその上に成膜された周期的構造によるものであってよい。幾つかのその他の場合においては、周期性は例えば構造的に滑らかな導波路における屈折率の周期的変化によるものであってよい。
【０１１２】
格子９３２及び９３４は１つ以上の波長で又は波長の範囲で、光を実質的に反射するように設計される。例えば、格子９３２は入射光９８０の大部分を反射光９８１として反射し、残りを透過光９８２として透過することができる。共振定在波モード９９９の場合、定在波は反対方向に進行する進行波導波モード９８０及び９８１を含んでもよい。
【０１１３】
場合によっては、格子９３２及び９３４は狭い波長範囲Δλ内の光を実質的に反射し、Δλ外の光を実質的に透過することができるブラッグ格子、分布ブラッグ格子、又は反射器（ＤＢＲ）である。
【０１１４】
場合によっては、格子９３２及び９３４は微小共振器システム９００の、共振波長等の動作波長で光を実質的に反射するように設計される。例えば、光源１１０は８５０ｎｍ等の波長λａで光を放射し、格子９３２及び９３４は、λａで光を実質的に反射するように設計され、λａは微小共振器システム９００の共振モードに対応することができる。
【０１１５】
格子又はＤＢＲ ９３２及び９３４は、２つの格子間のファブリ・ペロー（Fabry Perot）空洞を定義し、したがって微小共振器９５０が少なくとも１つの定在波導波モードをサポートできるようにする。場合によっては、一方又は両方の格子９３２及び９３４はチャープ格子、ブレーズド格子、正方格子、又は正弦格子であってよい。広くは、格子９３２及び９３４は相当な反射率を有する任意の種類の格子であってもよい。
【０１１６】
場合によっては、微小共振器システム９００の動作波長での格子９３２及び９３４の反射率は少なくとも５０％、少なくとも７０％、又は少なくとも８０％である。
【０１１７】
例示的な微小共振器システム９００においては、光学微小共振器９５０は２つのＤＢＲを含むことによって光を反射し定在波導波モードを形成するための機構を含む。広くは、光学微小共振器９５０は用途に適した任意の方法で光を反射することができる。例えば、場合によっては、格子９３２及び９３４は排除することができ、光学微小共振器９５０はそれぞれ実質的に反射する第１及び第２の端面９５６及び９５４を有することによって定在波導波モードを形成可能であってよい。場合によっては、いずれかの端面は平ら又は曲面であってよい。
【０１１８】
場合によっては、端面９５６及び９５４は一次的に正反射してもよい。そのような場合、端面９５６及び９５４は光を拡散反射することが可能であってよいが、いずれかのこのような拡散反射率は正反射率に対する二次的なもである。場合によっては、光学微小共振器９５０の端面のうちの少なくとも１つは少なくとも５０％正反射する、少なくとも６０％正反射する、又は少なくとも８０％正反射する。
【０１１９】
場合によっては、微小共振器システム９００は格子９３２及び９３４と、反射端面９５６及び９５４と、を含むことができる。例えば、場合によっては、光源１１０は範囲内の波長の光を放射する、広帯域光源であってもよい。そのような場合、格子９３２及び９３４は波長範囲に対する高反射率を提供するためにチャープ格子であってよい。反射端面は、例えば対応する格子によって反射されない任意の光を反射することができる。
【０１２０】
微小共振器システム９００の動作波長は格子９３２及び９３４を調節することによって調整する又は狭く定義することができる。場合によっては、格子９３２と９３４との間の空隙部は微小共振器９５０の自由スペクトル領域を向上するために削減することができる。空隙部を削減することにより、全体がより小さな微小共振器システム９００をもたらすこともできる。
【０１２１】
微小共振器システム９００は出力面１３６及び第２の光導波路１３０との光通信内に検出器１６６を含むことができる。場合によっては、図９に概略的に示されるように、検出器１６６の代わりに又はそれに加えて、第１の光導波路１２０との光通信内に検出器９６６を定置することができる。
【０１２２】
光源１１０は少なくとも一部分が導波路の入力面１２４を通って光導波路１２０に入り導波モード９０１として正のｘ軸に沿って伝播する、光１１２を放射することができる。導波モード９０１は微小空洞１４０の共振モード１７０を励起することができる。モード１７０は、同様に、正のｘ軸に沿って伝播する導波路１３０の導波モード１３８、負のｘ軸に沿って伝播する導波路１２０の導波モード９０２、及び光学微小共振器９５０の共振モード９９９を励起することができる。
【０１２３】
光学部品９３０は光９０２の少なくとも一部分を光９０３として検出器９６６に向ける。散乱中心１８０は光学微小共振器９５０に光学的に結合され、導波モード９０２の特性に変化を引き起こすことができる。検出器９６６は特性の変化を検出することによって散乱中心１８０の存在を検出することができる。
【０１２４】
光学部品９３０は、例えば、入力光１１２の少なくとも一部分を透過する一方、ｙ軸に沿って光９０２の少なくとも一部分を反射することによって向きを変える。光学部品９３０はビームスプリッタであってよい。別の実施例としては光学部品９３０は光サーキュレータであってよい。
【０１２５】
図１に示される例示的な微小共振器システム１００においては、光導波路１２０及び１３０はエバネッセント結合ではなく、芯結合によって微小空洞１４０に光学的に結合する。微小空洞１４０と微小共振器１５０との間の光結合は芯結合である。広くは、光結合は芯結合又はエバネッセント結合であってよい。
【０１２６】
例示的な微小共振器システム１００においては、例えば、導波路１２０と微小空洞１４０との間の光結合は横方向結合であって縦方向結合ではない。広くは、光結合は、例えば、全体が参照することによって本明細書に組み込まれる代理人整理番号が第６２４５１ＵＳ００２である、同一所有者の米国特許出願第＿＿＿＿＿＿＿＿号に記載されるように、横方向又は縦方向結合であってよい。
【０１２７】
場合によっては、導波路１２０及び１３０、微小共振器１５０、並びに微小空洞１４０は共通基材上に集積することができる。集積はモノリシック集積であってもよく、その場合、異なる構成要素は典型的に、同一材料系を使用して全て共通基材上に加工される。このような集積は基材特有であってよく、集積が幾つかの基材では容易又は実現可能であり、幾つかのその他の基材ではより困難又は不可能であることを意味する。例えば、検出器、微小共振器、微小空洞、及び導波路をＳｉ基材等の基材上に加工する又は作ることは可能であり得るが、同一基材上に光源を作る又は加工することは困難又は不可能である場合がある。別の例としては、ＩｎＰ又はＧａＡｓ基材等のＩＩＩ−Ｖ族半導体基材上に全てのシステム構成要素を作る又は加工することが可能であり得る。
【０１２８】
集積はハイブリッド集積であってよく、その場合、構成要素の少なくとも幾つかは最初に別個に加工され、次いで共通基材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材上に接着剤で接合することによって行うことができる。そのような場合、微小共振器、微小空洞、及び導波路は基材上にモノリシック集積されてもよい。場合によっては、接合は光源及び検出器の導波路との能動整合を必要とする場合がある。
【０１２９】
図１０は集積光学デバイス１１００の概略三次元図を示す。光源１１０及び検出器１６６は光学デバイス１１００の基材１１６１上に集積される。導波路１２０及び１３０、微小空洞１４０、並びにレーストラック微小共振器４６０は上部クラッド１０１及び下部クラッド層１１６５を有し基材１１６１上に集積される。光源１１０はギャップ１１０１によって導波路１２０から分離され、基材１１６１に集積された導線１１４０及び１１４１を含む。導線１１４０及び１１４１は、例えば、図１０には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デバイス１１００の端部１１２１に延びる。検出器１６６はギャップ１１０２によって導波路１３０から分離され、基材１１６１上に集積された導線１１３０及び１１３１を含む。導線１１３０及び１１３１は、例えば、図１０には示されていない外部電源及び／又はその他の電子機器との接続のために光学デバイス１１００の端部１１２２に延びる。
【０１３０】
基材１１６１は剛性又は可撓性であってよい。基材１１６１は光学的に不透明であっても透過性であってもよい。基材は高分子、金属、半導体、又は任意の種類のガラスであってもよい。例えば、基材１１６１はシリコンであってよい。別の例としては、基材１１６１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）、ポリスルホン等の有機材料から作製されてもよい。
【０１３１】
微小共振器１５０、微小空洞１４０、並びに光導波路１２０及び１３０は既知の加工技術を使用して作製することができる。代表的加工技術には、フォトリソグラフィ、印刷、鋳造、押出成形、エンボス加工、及び反応性イオンエッチング又は湿式化学エッチング等のエッチングが挙げられる。微小共振器システム１００内の異なる層は、スパッタリング、蒸着、火炎堆積法（flame hydrolysis）、鋳造、又は用途に適し得る任意のその他の成膜法等の既知の方法を使用して、形成することができる。
【０１３２】
場合によっては、光源１１０は例えば、白色光を放射する広帯域光源であってよい。場合によっては、光源１１０は、調節可能な狭線幅レーザー源等の狭帯域光源であってよい。場合によっては、検出器１６６は、狭帯域検出器であってよく、又は検出器は、スペクトルに敏感な検出器であってよい。例えば、検出器１６６は、スペクトル分析器であってよい。場合によっては、検出器１６６は、広帯域検出器であってよい。
【０１３３】
開示される実施形態の利点の一部が、以下の実施例によって更に説明される。本実施例で列挙される特定の材料、量、及び寸法、並びにその他の条件及び詳細は、過度に本発明を制限すると解釈されるべきではない。
【実施例】
【０１３４】
実施例１：
図１の微小共振器システム１００及び図５Ｂに示される光学デバイスと類似する光学デバイスを、実効二次元時間領域差分（ＦＤＴＤ）法を使用して、数値解析した。模擬実験では、全ての芯は屈折率３．５及び実効厚さ０．４μｍを有するシリコンであった。光学微小共振器は、４μｍ長の直線部４３０を有するレーストラックであった。曲線部４３６及び４３８は、それぞれ、内側半径ｒｓが１．６μｍ及び幅が０．２μｍの半円であり、結果として７．６μｍの長さＬ２及び３．６μｍの幅Ｗ２を有する微小共振器であった。寸法ｔ１、ｔ２、ｒ１、及びｒ２のそれぞれは０．２μｍであった。距離ｄは、１μｍであり、結果として幅Ｗ１は１．８μｍと同等であった。Ｌ１は、０．６μｍであり、結果として、比率Ｌ１／Ｗ１は約０．３３であった。上部クラッド１０１は１の屈折率を有する空気であった。下部クラッド１１６５は１．４６の屈折率を有する二酸化ケイ素であった。
【０１３５】
模擬実験において、光源１１０は２μｍで中心をとり、半値全幅（ＦＷＨＭ）が１μｍである、１フェムト秒長の離散型ガウス形パルスの形態で、光１１２を放射する、パルス光源であった。広帯域入力パルスは検出器１６６によって検出された約１μｍ〜約３μｍの広帯域反応を生じた。
【０１３６】
図１１は、散乱中心１８０がない状態で、波長（μｍ単位）の関数として、検出器１６６での計算された信号強度（入力光の強度に対する任意の単位での曲線１１０１）を示す。一例として、出力プロット上の点１１３０は約１．３８５μｍでの約６０％の透過に対応する。したがって、この波長では、例えば光の反射及び／又は散乱により、入力光の約４０％が損失される。
【０１３７】
図１１は、微小共振器システムが幾つかの波長で高いＱ値を有したことを示す。例えば、数値解析は微小共振器のＱ値が、約１．３２μｍ（位置１１２０）で１６４８であり、約１．５２μｍ（位置１１１０）で１５１０であったことを示した。Ｑ値はλｏ１／Δλｏ１として定義することができ、λｏ１は中心（共振）波長であり、Δλｏ１は半値全幅（ＦＷＨＭ）である。
【０１３８】
二次元ＦＤＴＤ法を使用して、微小空洞が共振モードを一次的にサポートしたことを証明した。導波路１２０内で微小共振器システムの共振周波数で光を発し、時間の関数として微小空洞内の電界最高点の位置をモニタリングした。結果はこのような位置が本質的に静止していたことを示し、したがって微小空洞が一次的に共振定在波モードをサポートしたことを示唆する。
【０１３９】
実施例２：
Ｌ１が１．２μｍであり、結果として比率Ｌ１／Ｗ１が約０．６７であったことを除き、実施例１のデバイスと類似する光学デバイスを、実効二次元ＦＤＴＤ法を使用して数値解析した。
【０１４０】
図１２の曲線１２０１は散乱中心１８０がない状態で、μｍ単位の波長の関数として、検出器１６６での入力光の強度に対する計算された信号強度を任意の単位で示す。図１２は、微小共振器システムが幾つかの波長で高いＱ値を有したことを示す。例えば、微小共振器のＱ値は約１．２２μｍ（位置１２２０）で２６００であり、約１．５８μｍ（位置１２１０）で２２６３であった。
【０１４１】
時間の関数としての微小共振器システムの共振モードでの微小空洞内の電界最高点の位置のモニタリングは、微小空洞が共振定在波モードを一次的にサポートしたことを示した。
【０１４２】
実施例３：
ｄが１．６μｍであり、結果として幅Ｗ１が２．４μｍであり、比率Ｌ１／Ｗ１が０．２５であったことを除き、実施例１のデバイスと類似する光学デバイスを実効二次元ＦＤＴＤ法を使用して数値解析した。
【０１４３】
図１３の曲線１３０１は、散乱中心１８０がない状態で、μｍ単位の波長の関数として、検出器１６６での入力光の強度に対する計算された信号強度を任意の単位で示す。図１３は微小共振器システムが、幾つかの波長で高いＱ値を有したことを示す。例えば、微小共振器のＱ値は約１．３０μｍ（位置１３２０）で１８５４であり、約１．６５μｍ（位置１３１０）で２２０３であった。
【０１４４】
時間の関数としての微小共振器システムの共振モードでの微小空洞内の電界最高点の位置のモニタリングは、微小空洞が共振定在波モードを一次的にサポートしたことを示した。
【０１４５】
実施例４：
ｄが２．２μｍであり、結果として幅Ｗ１が３．０μｍであり、比率Ｌ１／Ｗ１が０．２であったことを除き、実施例１のデバイスと類似する光学デバイスを実効二次元ＦＤＴＤ法を使用して数値解析した。
【０１４６】
図１４の曲線１４０１は、散乱中心１８０がない状態で、μｍ単位の波長の関数として、検出器１６６での入力光の強度に対する計算された信号強度を任意の単位で示す。図１４は微小共振器システムが、幾つかの波長で高いＱ値を有したことを示す。例えば、微小共振器のＱ値は約１．３７μｍ（位置１４２０）で１０９４であり、約１．５４μｍ（位置１４１０）で３０９０であった。
【０１４７】
時間の関数としての微小共振器システムでの共振モードの微小空洞内の電界最高点の位置のモニタリングは、微小空洞が共振定在波モードを一次的にサポートしたことを示した。
【０１４８】
実施例５：
ｄが２．８μｍであり、結果として幅Ｗ１が３．６μｍであり、比率Ｌ１／Ｗ１が約０．１７であったことを除き、実施例１のデバイスと類似する光学デバイスを実効二次元ＦＤＴＤ法を使用して数値解析した。
【０１４９】
図１５の曲線１５０１は、散乱中心１８０がない状態で、μｍ単位の波長の関数として、検出器１６６での入力光の強度に対する計算された信号強度を任意の単位で示す。曲線１５０２は散乱中心１８０の存在下での計算された出力信号強度を示す。散乱中心は、８０ｎｍと同等の直径及び、約１５５０ｎｍで０．５４＋９．５８ｉと同等の複素屈折率を有する球状金粒子であった。散乱中心は、図５Ｂに概略的に示されるように、微小共振器（場所１）の水平な対称軸５３０に沿って定置された。粒子と微小共振器との間には５０ｎｍのギャップｇ１があった。図１５は、散乱中心が微小共振器システムの少なくとも多数の共振周波数に偏移を引き起こしたことを示す。
【０１５０】
図１６Ａは、１．６８μｍ（図１５の位置１５１０Ａ）付近の曲線１５０１及び１５０２の拡大図であり、散乱中心１８０が、Ｑ値が約２１００のピーク１６１０ＡからＱ値が約８４０のピーク１６２０Ａへの約２．３ｎｍの比較的大きな偏移をもたらしたことを示す。図１６Ｂは、１．５７μｍ（図１５の位置１５１０Ｂ１及び１５１０Ｂ２）付近の曲線１５０１及び１５０２の拡大図であり、散乱中心１８０が、ピーク１６１０Ｂからピーク１６２０Ｂへの約１．１ｎｍの比較的大きな偏移、及びピーク１６３０Ｂからピーク１６４０Ｂへの約３ｎｍの比較的大きな偏移をもたらしたことを示す。
【０１５１】
図１６Ｃは１．３７μｍ（図１５の位置１５１０Ｃ）付近の曲線１５０１及び１５０２の拡大図であり、散乱中心１８０が、ピーク１６１０Ｃからピーク１６２０Ｃへの約１．２ｎｍの比較的大きな偏移をもたらしたことを示す。図１６Ｄは１．３１μｍ（図１５の位置１５１０Ｄ１及び１５１０Ｄ２）付近の曲線１５０１及び１５０２の拡大図であり、散乱中心１８０が、ピーク１６１０Ｄからピーク１６２０Ｄへの約０．４５ｎｍの比較的大きな偏移、及びピーク１６３０Ｄからピーク１６４０Ｄへの約０．７ｎｍの比較的大きな偏移をもたらしたことを示す。
【０１５２】
時間の関数としての微小共振器システムの共振モードの微小空洞内の電界最高点の位置のモニタリングは、微小空洞が共振定在波モードを一次的にサポートしたことを示した。
【０１５３】
実施例６：
金粒子が曲線部４３８に沿って図５Ｂの場所２に距離ｇ２＝０．４２μｍ移動されたことを除き、実施例５のデバイスと類似する光学デバイスを実効二次元ＦＤＴＤ法を使用して数値解析した。距離ｇ２は１．６８μｍでλ／４と同等であり、λ＝１．６８μｍは図１６Ａに示される位置１６１０Ａでの微小共振器システムの共振周波数に対応した。
【０１５４】
図１７の曲線１７０２は場所２に定置された金粒子の計算された信号強度を示す。曲線１７０２は、散乱中心１８０が、ピーク１７１０Ａからピーク１７３０Ａへの約２．８ｎｍの比較的大きな偏移をもたらしたことを示す。
【０１５５】
実施例７：
金粒子が曲線部４３８に沿って図５Ｂの場所３に移動され、結果として角度αｇが４５度と同等であったことを除き、実施例５のデバイスと類似する光学デバイスを実効二次元ＦＤＴＤ法を使用して数値解析した。
【０１５６】
図１７の曲線１７０１は場所３に定置された金粒子の計算された信号強度を示す。曲線１７０１は、散乱中心１８０がピーク１７１０Ａからピーク１７２０Ａへの約２．２ｎｍの比較的大きな偏移をもたらしたことを示す。
【０１５７】
本明細書で使用される場合、「垂直」、「水平」、「上方」、「下方」、「左側」、「右側」、「上部」及び「下部」、並びにその他の類似用語等の用語は図面に示されるような相対位置を指す。広くは、物理的な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指すことが意図される。例えば、図１０の構成が図面の配向と比較して反転されるとしても、クラッド層１１６５は依然として「下部」クラッド層と見なされる。
【０１５８】
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、定義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。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して光学デバイスに関する。本発明は、特に、微小共振器を組み込む、光学センサ等の光学デバイスに適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
微小共振器は、例えば米国特許第６，８７６，７９６号に記載される光スイッチング、例えば同第７，０９２，５９１号に記載される光学フィルター、例えば同第７，０６２，１３１号に記載される波長フィルター、例えば同第６，７４１，６２８号に記載されるレーザー、例えば同第６，８９１，９９８号に記載される光の偏光解消、並びに例えば、同第５，７４４，９０２号に記載される化学的及び生物学的感知等の様々な用途において、より一層注目を浴びている。
【０００３】
幾つかの既知の微小共振器構成では、光ファイバー等の光導波路に近接してガラス球状微小共振器を置く必要がある。そのような場合、光エネルギーは、エバネッ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１μｍ未満であり、再現可能な性能を提供するために、精密に制御されなければならない。微小共振器のその他の形態には、例えば、米国特許第７，０９５，０１０号に記載される円盤形状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】
概して、本発明は、光学デバイスに関する。また、本発明は、１つ以上の微小共振器を含む、光学センサに関する。
【０００５】
一実施形態においては、光学微小共振器システムは、光導波路と、光導波路に光学的に結合される光微小空洞と、を含む。微小空洞は１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる。光学微小共振器システムは、微小空洞に光学的に結合され、共振モードをサポートすることができる光学微小共振器を更に含む。
【０００６】
別の実施形態においては、光学微小共振器システムは、厚さ寸法ｈ、幅寸法Ｗ、及び長さ寸法Ｌを有する矩形光微小空洞を含む。光学微小共振器システムは、微小空洞に光学的に結合される入力光導波路と、微小空洞の長さに沿って微小空洞に光学的に結合される光学微小共振器と、を更に含む。比率Ｌ／Ｗは、約６以下である。
【０００７】
別の実施形態においては、光学センサは、第１の共振モードをサポートすることができる微小共振器システムであって、光学微小共振器、１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる光微小空洞であって、光学微小共振器に光学的に結合される光微小空洞を含む、微小共振器システムを含む。微小共振器システムは、光微小空洞に光学的に結合される第１の光導波路を更に含む。光学センサは、第１の光導波路との光通信内にあり、微小共振器システムの第１の共振モードに対応する波長で光を放射することができる光源を更に含む。光学センサは、微小共振器システムとの光通信内にある検出器を更に含む。検出器は、第１の共振モードの特性を検出することができる。検体が微小共振器システムの近くに来た場合に第１の共振モードの特性は変化する。検出器は特性の変化を検出することができる。
【０００８】
別の実施形態においては、光学微小共振器システムは、第１の光導波路と、第１の光導波路に光学的に結合され、１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる光微小空洞を含む。光学微小共振器システムは、微小空洞に光学的に結合され、共振モードをサポートすることができる光学ファブリ・ペロー（Fabry Perot）空洞を更に含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明は、添付の図面に関連して、本発明の様々な実施形態の、以下の詳細な記載を考慮して、より完全に理解され、評価されることができる。
【図１】微小共振器システムの概略平面図。
【図２】図１の微小共振器システムの一部分の拡大図。
【図３】定在波の概略プロファイル。
【図４Ａ】微小空洞内の様々な定在波モードの略図。
【図４Ｂ】微小空洞内の様々な定在波モードの略図。
【図４Ｃ】微小空洞内の様々な定在波モードの略図。
【図４Ｄ】微小空洞内の様々な定在波モードの略図。
【図４Ｅ】微小空洞内の様々な定在波モードの略図。
【図５Ａ】２つの微小共振器システムの概略平面図。
【図５Ｂ】２つの微小共振器システムの概略平面図。
【図６】微小共振器システムの概略三次元図。
【図７】多モード干渉カップラーの概略平面図。
【図８】光空洞の例示的な導波モードの略図。
【図９】微小共振器システムの概略平面図。
【図１０】集積光学デバイスの概略三次元図。
【図１１】散乱中心を有する異なる微小共振器システムの計算された信号強度対波長のプロット。
【図１２】散乱中心を有する異なる微小共振器システムの計算された信号強度対波長のプロット。
【図１３】散乱中心を有する異なる微小共振器システムの計算された信号強度対波長のプロット。
【図１４】散乱中心を有する異なる微小共振器システムの計算された信号強度対波長のプロット。
【図１５】金散乱中心を有する又は有さない、微小共振器システムの計算された信号強度対波長のプロット。
【図１６Ａ】図１５でのプロットの異なる部分の拡大図。
【図１６Ｂ】図１５でのプロットの異なる部分の拡大図。
【図１６Ｃ】図１５でのプロットの異なる部分の拡大図。
【図１６Ｄ】図１５でのプロットの異なる部分の拡大図。
【図１７】金散乱中心を有さない、並びに異なる位置に定置された金散乱中心を有する微小共振器システムの計算された信号強度対波長のプロット。
【００１０】
本明細書において複数の図面で用いられる同じ参照符号は、同一又は同様の性質及び機能を有する同一又は同様の要素を指す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、概して光学デバイスに関する。本発明は、特に、微小共振器を組み込む光学センサ等の光学デバイスに適用することができる。
【００１２】
本願は、光微小空洞を介して、光学微小共振器に光学的に結合される１つ以上の光導波路を含む光学デバイスを開示する。光微小空洞は定在波等の１つ以上の共振モードを一次的にサポートするように設計される。幾つかの開示された光学デバイスにおいては、光学デバイスの性能は、微小空洞に対する導波路及び微小共振器の配置には比較的感度が低い。そのような場合、光学デバイスは、例えば、光導波路の光微小空洞との光学近接での配置における製造誤差及び／又は制限が、光結合及び／又はデバイスの性能に大幅な変化をもたらす可能性が低いため、低費用で製造することができる。
【００１３】
本明細書で使用される場合、本願に開示される光学デバイス等の任意の光学的構成では、光学モードは、光学的構成において可能な電磁界を指し、放射線又は放射モードは、光学的構成において、閉じ込められない光学モードを指し、導波モードは、光学的構成において、典型的に芯領域である高屈折率領域が存在するために、少なくとも一次元に閉じ込められる光学モードを指す。一次元（第１の次元）に閉じ込められる導波モードは、一次元導波モードと称され得、２つの互いに直交する次元（第１及び第２の次元）に閉じ込められる導波モードは、二次元導波モードと称され得る。共振モードは、３つの互いに直交する次元（第１、第２、及び第３の次元）に閉じ込められる光学モードと称される。共振モードは、三次元導波モード又は光学的構成において、第３の次元に沿った追加の境界条件要求を条件とする二次元導波モードと見なされてもよく、追加の要求は実際は典型的に周期的である。
【００１４】
共振モードは、光学的構成において、３つの互いに直交する次元に沿った光学モードの量子化から生じる離散モードである。広くは、光学的構成の共振モードに対応する周波数若しくは波長で光学的構成を励起する又はエネルギーを与えることは、オフ共振励起から生じる反応と比較して、実質的により強い反応が光学的構成によって生じる。
【００１５】
光学的構成の共振モードのモードプロファイルは、３つの互いに直交する次元に沿った境界条件によって確定される。場合によっては、共振モードは進行波モード又は実質的に進行波モードであってよい。幾つかのその他の場合においては、共振モードは定在波モード又は実質的に定在波モードであってよい。
【００１６】
場合によっては、共振モードは放射モードに結合可能であってよい。幾つかのその他の場合においては、共振モードは放射線であり、閉じ込められない構成成分を有することができる。広くは、導波モードは共振又は非共振モードであってよい。
【００１７】
図１は、微小共振器システム１００の概略平面図を示す。微小共振器システム１００は、光源１１０と、第１の光導波路１２０と、第２の光導波路１３０と、光微小空洞１４０と、光学微小共振器１５０と、光学検出器１６６と、を含む。
【００１８】
第１の光導波路１２０は、入力面１２４、光学芯１２２、クラッド１０１、及び出力面１２６、を含む。光導波路１２０は、電界プロファイル１４５を有する導波モード１２８をサポートすることができる。広くは、導波路１２０の導波モードに関連する電界では、電界のエバネッセント・テイル（evanescent tails）は、導波路のクラッド領域内に位置決めされ、電界のピーク又は極大は、導波路の芯領域内に位置する。例えば、導波路１２０の導波モード１２８はクラッド１０１内にエバネッセント・テイル１４５Ａ及び１４５Ｂを有し、芯１２２内にピーク１４５Ｃを有する。
【００１９】
第２の光導波路１３０は入力面１３４、光学芯１３２、クラッド１０１、及び出力面１３６を含む。光導波路１３０は導波モード１３８をサポートすることができる。
【００２０】
微小空洞１４０は光学芯１４２及びクラッド１０１を含み、接触点又は出力面１２６を介して、導波路１２０に光学的に結合される。同様に、微小空洞１４０は接触点又は入力面１３４を介して、第２の光導波路１３０に光学的に結合される。微小空洞１４０はそれぞれの共振モードが、例えば、進行波、定在波、又はその２つの組み合わせであってよい１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる。場合によっては、微小空洞１４０は非共振進行波等の非共振モードをサポートすることが可能であり得るが、そのような非共振モードは微小空洞によってサポートすることができる共振モードに対する二次的なものである。
【００２１】
場合によっては、微小空洞１４０の共振モードは一次的に定在波モードであってよく、広くは、定在波は反対方向等の概して異なる方向に進行する２つの進行波の干渉重ね合わせと同等であってよい。そのような場合、微小空洞１４０によってサポートされる共振モードは共振進行部分を有してもよいが、このようないずれの進行部分も、共振モード全体のごく一部しか形成せず、共振モードは事実上、一次的に定在波であり、モードのいずれかの共振進行部分はモードの定在波部分に対する二次的なものでしかないことを意味する。
【００２２】
場合によっては、微小空洞１４０の共振モードは一次的に進行波モードであってよい。そのような場合、微小空洞１４０によってサポートされる共振モードは共振定在波部分を有してもよいが、このようないかなる定在波部分も、共振モード全体のごく一部しか形成せず、共振モードは事実上、一次的に進行しており、モードのいずれかの共振定在波部分はモードの進行部分に対する二次的なものでしかないことを意味する。
【００２３】
微小空洞１４０の共振モードは例えば、微小空洞が芯１４２の境界に沿って大きな反射を有し、結果として入射波の大部分が反射波として反射され、入射波及び反射波が干渉し、事実上、主に共振である波を形成する場合、事実上、一次的に定在波であってよい。共振モードのいかなる進行波構成成分も、共振モードの定在波部分に対する二次的なものである。
【００２４】
微小空洞１４０の共振モードは例えば、微小空洞が芯１４２の境界に沿って大きな反射を有し、結果として入射波の大部分が反射波として反射され、入射波及び反射波が干渉し、事実上、主に進行波である波を形成する場合、事実上、一次的に進行波であってよい。共振モードのいかなる定在波構成成分も、共振モードの進行波部分に対する二次的なものである。
【００２５】
光源１１０は光線１１２を放射することができ、その少なくとも一部分は、入力面１２４を通って第１の光導波路１２０に入る。場合によっては、光源１１０から光導波路１２０に入る光は導波モード１２８等の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。場合によっては、導波モード１２８は光微小空洞１４０の共振モード１７０を励起する。場合によっては、共振モード１７０は光学微小共振器１５０の共振モード１６０を励起する。場合によっては、共振モード１７０及び１６０はそれぞれ微小空洞１４０及び微小共振器１５０の定在波モードであってよい。広くは、共振モード１７０と１６０との間の光結合は微小共振器システム１００の共振モードを形成することができる。
【００２６】
場合によっては、微小空洞１４０の共振モード１７０は第２の光導波路１３０の導波モード１３８を励起することができる。導波モード１３８は出力光１６８として出力面１３６から第２の光導波路を抜け出すことができる。出力光１６８は検出器１６６によって検出することができる。広くは、検出器１６６は強度、波長、又は位相等の出力光１６８の１つ以上の特性を検出することによって微小共振器システム１００の共振モード等のモードの１つ以上の特性を検出することができる。
【００２７】
場合によっては、検出器１６６は波長又は強度の変化等、出力光１６８の特性の変化を検出することができる。このような変化は、微小共振器システム１００における変化を示すことができる。出力光１６８の変化は、例えば、クラッド１０１の屈折率の変化、及び／又は微小共振器１５０の芯１５２の屈折率の変化を示すことができる。別の例としては、出力光１６８の変化は、例えば室温の変化による、例えば微小共振器システム１００の寸法変化を示すことができる。
【００２８】
場合によっては、出力光１６８の１つ以上の特性の変化は、微小共振器システム１００の１つ以上の特性に影響を与えることができる、散乱中心１８０等の外部物質の存在を示すことができる。例えば散乱中心と光学微小共振器１５０の芯１５２との間の距離「ｔ」が十分に小さい場合、散乱中心は微小共振器に十分近く、微小共振器と散乱中心との間の光結合を可能にする。光結合は微小共振器システム１００の励起された共振モードの１つ以上の特性を変化させることができる。例えば光結合は微小共振器１５０の共振モード１６０の１つ以上の特性を変化させることができる。モード１６０の変化は出力光１６８として第２の光導波路１３０を抜け出す導波モード１３８の１つ以上の特性に変化をもたらすことができる。検出器１６６は出力光１６８における対応する変化を検出することによって微小共振器システム１００のモード１６０又は共振モードの変化を検出することができる。
【００２９】
図１に示される例示的な微小共振器システム１００においては、散乱中心１８０は微小共振器１５０に近接する。広くは、散乱中心１８０は微小共振器システムの共振モードの特性に変化をもたらすことができる、微小共振器システム１００のいずれかの部分と十分近くすることができる。例えば、散乱中心は散乱中心と微小空洞との間の光結合を可能にするために、微小空洞１４０に十分に近くてもよい。
【００３０】
散乱中心１８０と微小共振器１５０との間の光結合の強度の変化は、例えば共振モード１６０の特性の変化を引き起こすことができる。光結合の強度の変化は様々な手段によって達成することができる。例えば散乱中心１８０と微小共振器１５０又は芯１５２との間の間隔「ｔ」の変化は、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。別の例としては、散乱中心の屈折率ｎｓの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。広くは、散乱中心１８０と微小共振器１５０との間の光結合の強度に変化を生じさせることができるいずれかの機構は出力光１６８及び微小共振器システムの共振モードの特性に変化を引き起こすことができる。
【００３１】
金等の幾つかの金属類の場合など、幾つかの場合においては、散乱中心の屈折率の実数部は１未満である。シリコンの場合など幾つかのその他の場合においては、１５５０ｎｍ付近の波長に対する散乱中心の屈折率の実数部は１を超える。
【００３２】
散乱中心１８０として使用することができる散乱中心の例には、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。場合によっては、散乱中心は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＣｄＳｅ、又はＣｄＳ等の半導体であってもよい。例えば、散乱中心は直径が８０ｎｍであり、関心波長に対する屈折率（実数部）が３．５である、シリコン粒子であってよい。散乱中心の別の例は、直径が８０ｎｍであり、１５５０ｎｍ付近の波長に対する屈折率が０．５４＋９．５８ｉである、金粒子である。散乱中心の別の例は、直径が８０ｎｍであり、１５５０ｎｍ付近の波長に対する屈折率が１．４４＋１６．０ｉである、アルミニウム粒子である。
【００３３】
場合によっては、散乱中心は誘電体粒子であってよい。場合によっては、散乱中心は非蛍光粒子であってよい。場合によっては、散乱中心は半導体ではない。
【００３４】
場合によっては、散乱中心１８０の寸法は約１０００ｎｍ以下、約５００ｎｍ以下、約１００ｎｍ以下、又は約５０ｎｍ以下である。
【００３５】
微小共振器システム１００は、例えば、検体１８２を感知することができるセンサとして使用することができる。例えば、微小共振器１５０は検体１８２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１５０又は芯１５２の外側表面の適した処理によって達成されてもよい。場合によっては、検体１８２は散乱中心１８０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付着させることによって達成することができる。散乱中心は、検体１８２が微小共振器の外側表面と接合する際に、微小共振器１５０に光学近接されてもよい。散乱中心は、共振モード１６０の特性に変化を引き起こし、これは次いで微小共振器システムの共振モードの特性に変化を生じさせる。光学検出器１６６は、出力光１６８の１つ以上の特性の変化をモニタリングすることにより共振モード１６０の特性の変化を検出することによって検体１８２の存在を検出することができる。場合によっては、引き起こされる変化はモード１６０における周波数偏移であってよい。そのような場合、光学検出器１６６は周波数偏移を検出することができる。検体１８２は、例えば、タンパク質、病原体、又はＤＮＡを含むことができる。
【００３６】
場合によっては、検体１８２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１８０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１５０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促進する。結果として、散乱中心は微小共振器と光接触され、微小共振器システム内に存在する共振モードの特性における変化を引き起こす。検出器は特性変化を検出することによって散乱中心の存在、したがって抗原の存在を検出することができる。場合によっては、第１の抗体は第２の抗体と同一であることができる。このような例示的な検地プロセスは、食品の安全性、食品加工、医療検査、環境試験、及び産業衛生等の様々な用途に使用することができる。場合によっては、散乱中心１８０は共振モード１６０、並びに、したがって微小共振器システムの対応する共振モードに周波数偏移を引き起こすことができ、偏移は検出器１６６によって検出することができる。
【００３７】
場合によっては、微小共振器システム１００はクラッド層１０１の屈折率の変化を検出可能であってよい。例えば、クラッド層１０１は初期は空気であってもよい。空気クラッドを用いて、微小共振器システムの共振モードを共振周波数ｆ１の出力光１６８を生じることができる、共振周波数ｆ１にすることができる。クラッド層１０１の屈折率の変化は、例えば空気クラッドが、例えば有機蒸気等の蒸気、ガス、液体、生物学的若しくは化学物質、又はクラッド１０１の屈折率に変化をもたらすことができるいずれかの他の物質によっても置き換えられる又はそれと混合される場合に生じ得る。クラッド１０１の屈折率の変化は微小共振器システムの共振モードの変化及び出力光１６８の、ｆ１とは異なるｆ２への、周波数ｆ２への偏移をもたらすことができる。光学検出器１６６は周波数偏移Δｆ＝ｆ１−ｆ２を検出することができる。
【００３８】
図２は微小共振器システム１００の拡大部分を示す。微小空洞１４０は異なる、例えば反対の方向に進行する２つ以上の進行波モード間の干渉から生じる共振定在波モード１７０をサポートする。モード１７０は進行波モード間の破壊的干渉から生じる、微小空洞の芯の外側表面に沿った一点鎖線１７１Ａから１７１Ｃ及び微小共振器の芯内の一点鎖線１７１Ｃ等の複数個の一点鎖線を含む。一点鎖線上の波節は概して、モード１７０上の、モードの最小電界振幅の点である。典型的に、モードは波節で振動が最小となる又は振動がなくなる。場合によっては、モード振幅は波節でゼロである又はゼロに近くなることができる。場合によっては、波節は進行波節であってもよい。幾つかのその他の場合においては、波節は経時的に、実質的に非進行又は定在であってもよい。例えば定在波モードが反対方向に進行する以外は実質的に同一である２つの進行波モードから生じる場合、定在波モードの波節は実質的に定常点である。
【００３９】
定在波モード１７０は定在波モードを形成する進行波モード間の最大建設的干渉点に位置する、波腹１７２Ａから１７２Ｃ等の複数個の波腹を更に含む。波腹は概して、定在波モード上の定在波モードのピーク又は最大の点である。波腹は典型的に、最大正電界強度と最大負電界強度との間で振動する。場合によっては波腹は、進行波腹であってもよい。幾つかのその他の場合においては、波腹は経時的に、実質的に定在であってもよい。定在波モードの波腹は、例えば定在波モードが反対方向に進行する以外は実質的に同一である２つの進行波モードの干渉から生じる場合、実質的に定常である。線１７８は一定電界強度の例示的な輪郭を示す。
【００４０】
図３は方向Ａ１Ａ２に沿ったｙｚ平面の定在波モード１７０の概略断面プロファイルを示す。定在波モード１７０は第１の包絡線３１０と第２の包絡線３２０との間で振動する。図３に示される例示的なプロファイルにおいては１７１Ｃの波節は、振幅がゼロである。広くは、１７１Ｃの波節は振幅がゼロであってもそうでなくてもよい。
【００４１】
図３に示される例示的な定在波モード１７０においては、波節１７１Ｃから１７１Ｅは電界強度がゼロの点に位置する。広くは、定在波モードの波節は強度がゼロであってもそうでなくてもよい。波腹１７２Ａ及び１７２Ｂは正の最大電界強度Ａｍａｘと負の最大電界強度−Ａｍａｘとの間で振動する。
【００４２】
図２に示される例示的な定在波モード１７０はｙ方向に沿って２つの波腹を有し、ｘ方向に沿って２つの波腹を有する。広くは、微小空洞１４０の定在波モードはｘ方向に沿って１つ以上の波腹を有してもよく、ｙ方向に沿って１つ以上の波腹を有してもよい。
【００４３】
微小空洞１４０の共振定在波モードはΨｍ，ｎとして示すことができ、ｍはｘ軸に沿ったモードの波腹の数を指し、ｎはｙ軸に沿ったモードの波腹の数を指す。例えば、定在波モード１７０はΨ２，２として象徴的に示すことができ、ｘ及びｙ方向のそれぞれに２つの波腹を有する。
【００４４】
微小空洞１４０の幾つかの例示的な定在波モードが図４Ａ〜４Ｅに概略的に示される。具体的に、図４ＡはΨ１，６として象徴的に示され、ｘ軸に沿って１つの波腹を有し、ｙ軸に沿って６つの波腹を有する定在波モード１７０Ａを示し、図４ＢはΨ２，３として象徴的に示され、ｘ軸に沿って２つの波腹を有し、ｙ軸に沿って３つの波腹を有する定在波モード１７０Ｂを示し、図４ＣはΨ２，１として象徴的に示され、ｘ軸に沿って２つの波腹を有し、ｙ軸に沿って１つの波腹を有する定在波モード１７０Ｃを示し、図４ＤはΨ１，５として象徴的に示され、ｘ軸に沿って１つの波腹を有し、ｙ軸に沿って５つの波腹を有する定在波モード１７０Ｄを示し、図４ＥはΨ１，４として象徴的に示され、ｘ軸に沿って１つの波腹を有し、ｙ軸に沿って４つの波腹を有する定在波モード１７０Ｅを示す。
【００４５】
第１の光導波路１２０の導波モード１２８は出力面１２６又はその近くで結合領域を介して、光微小空洞１４０に結合することができる。結果として、導波モード１２８は同一周波数及び／又は波長で微小空洞の共振モード（共振モード１７０等の）を励起することができ、波長は例えば、自由空間波長であってよい。場合によっては、任意の波長で、導波モード１２８は微小空洞１４０の１つの共振モードを一次的に、微小空洞１４０の２つの共振モードを一次的に、又は微小空洞１４０の３つの共振モードを一次的に励起することができる。例えば、導波モード１２８が微小空洞１４０の２つの共振モードを一次的に励起する場合、導波モードによって励起されるいずれかその他の共振及び／又は非共振モードは、モードの光電力又は強度等のモードの特性において、２つの一次的励起共振モードに対する二次的なものでしかない。
【００４６】
場合によっては、導波モード１２８は共振モード１７０及び１７０Ａ〜１７０Ｅのうちの１つを一次的に励起することができる。例えば、場合によっては、導波モード１２８は共振モード１７０Ａを一次的に励起してもよい。そのような場合、導波モード１２８はモード１７０Ｂを励起してもよいが、モード１７０Ａは微小空洞１４０に存在する一次共振モードとなり、共振モード１７０Ｂは例えば、実質的にモード１７０Ａより低い強度となる。場合によっては、モード１７０Ａ及び１７０Ｂは同一若しくは実質的に同一の周波数及び／又は波長を有することができる。
【００４７】
場合によっては、導波モード１２８は、微小空洞１４０のモード１７０Ａ等の１つ以上の共振モードを微小空洞１４０の１つ以上の非共振モードより大幅に低い程度まで一次的に励起してもよい。そのような場合、微小空洞の励起されるモードに結合される導波モード１２８からの光エネルギーの大部分は、微小空洞の共振モードに結合される。
【００４８】
共振定在波モードの場合、場合によっては、導波モード１２８は微小空洞１４０の、モード１７０Ａ等の１つ以上の定在波モードを微小空洞１４０の１つ以上の進行波モードより大幅に低い程度まで一次的に励起してもよい。そのような場合、微小空洞の励起されるモードに結合される導波モード１２８からの光エネルギーの大部分は、微小空洞の定在波モードに結合される。
【００４９】
場合によっては、異なる波長の導波モード１２８は微小空洞１４０の異なる共振モードを一次的に励起してもよい。例えば、第１の波長λ１を有する導波モード１２８は共振モード１７０Ａを一次的に励起することができ、一方、第２の波長λ２を有する導波モードは共振モード１７０Ｃ等の異なる共振モードを一次的に励起することができる。
【００５０】
場合によっては、微小空洞１４０は縮退共振モードをサポート可能であり得、波長λ３を有する導波モード１２８が同一波長λ３を有するモード１７０Ａ及び１７０Ｂ等の２つ以上の共振モードを一次的に励起できることを意味する。場合によっては、微小空洞１４０は１つの比率Ｌ１／Ｗ１に対して、共振定在波モード等の縮退共振モードをサポートすることができるが、別の比率に対しては、サポートすることができない場合がある。場合によっては、微小空洞１４０は１つ以上の別個の比率Ｌ１／Ｗ１対して、縮退共振モードをサポート可能であり得る。
【００５１】
光学微小共振器１５０は光学芯１５２及びクラッド１０１を含み、第１の面１５４及び第２の面１５６を介して、光微小空洞１４０に光学的に結合される。光学微小共振器１５０は共振モード１６０をサポートすることができる。場合によっては、共振モード１６０は微小共振器１５０の周囲を伝播し、共振のための往復条件を満たす進行波モードであってよい。例えば、微小共振器の周囲の往復を進行する共振進行波モード１６０の位相は２πの整数乗算によって変化する。
【００５２】
場合によっては、共振モード１６０は光学微小共振器１５０の定在波モードであってよい。そのような場合、共振定在波モード１６０は第１及び第２の進行波光学モード１６２並びに１６４をそれぞれ伝播するカウンタを含むことができる。定在波モード１６０並びに進行波光学モード１６２及び１６４は同一周波数及び／又は波長を有する。
【００５３】
場合によっては、第１及び第２の進行波モード１６２及び１６４のうちの少なくとも１つは微小共振器１５０の進行導波モードであってよい。例えば、第１及び第２の導波光学モード１６２及び１６４は微小共振器１５０の「ウィスパリングギャラリーモード」（Whispering gallery mode：ＷＧＭ）であってもよい。ＷＧＭは概して、微小共振器空洞の表面付近に閉じ込められ、比較的低い放射損失を有する進行モードである。ＷＧＭは微小共振器の芯の外側表面付近に閉じ込められるため、それらは微小共振器表面上又はその近くの検体との光結合に非常に適している。
【００５４】
場合によっては、微小空洞１４０の共振モードは微小共振器１５０の共振モードを励起することができる。場合によっては、微小空洞１４０の定在波モードは微小共振器１５０の定在波モードを励起することができる。例えば、微小空洞の定在波モード１７０は光学的に微小共振器の定在波モード１６０に結合し、それを励起することができる。
【００５５】
場合によっては、定在波モード１７０は第１の進行波モード１７３及び第２の進行波モード１７５等の異なる方向に進行する２つの進行波モード間の光学干渉から生じる。場合によっては、進行波モード１７３は進行波モード１６２に光学的に結合し、それを一次的に励起することができ、進行波モード１７５は進行波モード１６４に光学的に結合し、それを一次的に励起することができる。そのような場合、励起される進行波モード１６２及び１６４は光学的に干渉し、定在波モード１６０を形成することができる。
【００５６】
図１において、進行モード１７３及び１７５はｘ方向に沿って進行するように、概略的に示される。広くは、モード１７３及び１７５のそれぞれは、いずれかの方向に沿って進行することができる。例えば、モード１７３及び１７５のそれぞれは様々な方向の、例えば、一定の振幅の波動ベクトルを有することができる。場合によっては、図１においてモード１７３及び１７５を示す水平矢印は２つのモードに関連付けられた波動ベクトルのｘ構成成分を示すことができる。
【００５７】
例示的な微小共振器システム１００において、芯１２２、１３２、及び１５２のそれぞれは微小空洞の芯１４２から延びる。結果として、微小空洞１４０と光導波路１２０及び１３０のそれぞれとの間の光結合はエバネッセント結合ではなく、一次的に芯結合である。同様に、面１５４及び１５６の微小空洞１４０と微小共振器１５０との間の光結合は一次的に芯結合である。
【００５８】
場合によっては、芯１２２、１３２、１４２、及び１５２は同一又は異なる屈折率を有する異なる芯材料で作製されてもよい。幾つかのその他の場合においては、芯１２２、１３２、１４２、及び１５２は一体構成を形成してもよく、芯が物理的境界面のない単一ユニットを形成することを意味する。一体構成においては、芯は典型的に、同一の芯材料で作製される。一体構成はエッチング、鋳造、成形、エンボス加工、及び押出成形等の様々な既知の方法を使用して作製することができる。
【００５９】
例示的な微小共振器システム１００においては、微小共振器１５０は微小空洞１４０を介して、光導波路１２０及び１３０に光学的に結合し、それぞれの導波路と微小空洞との間の光結合は芯結合によるものであり、微小共振器と微小空洞との間の光結合も、芯結合によるものである。
【００６０】
広くは、微小共振器システム１００における光結合はエバネッセント結合又は芯結合によるものであってもよい。例えば、場合によっては、光導波路１２０、１３０、及び微小共振器１５０のうちの少なくとも１つはエバネッセント結合によって微小空洞１４０に光学的に結合してもよい。
【００６１】
芯結合の特性は結合ギャップの削除である。既知の微小共振器においては、光導波路と、例えば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、導波路と微小共振器との間の光結合はエバネッセント結合によって達成される。このような結合は、とりわけ、例えば製造誤差のために典型的に再生可能な方法で制御することが困難である結合ギャップの寸法に非常に敏感である。ギャップを十分な精度で制御することができる製造方法であっても、このような制御は製造費用を大幅に増大させる可能性がある。本願に開示される幾つかの例示的な実施形態においては、光導波路と微小空洞との間の結合ギャップはそれらのそれぞれの芯間に直接物理接触を提供することによって削除される。同様に、幾つかの例示的な実施形態においては、微小共振器と微小空洞との間の結合ギャップはそれらのそれぞれの芯間に１つ以上の直接物理接触を提供することによって削除される。結合ギャップの削除は削減された製造費用及び改善された再現性をもたらすことができる。
【００６２】
図１の微小共振器１５０は卵形又は楕円形リング微小共振器として示される。広くは、微小共振器１１０は少なくとも１つの共振モードをサポートすることができ、微小空洞１４０に光学的に結合することができる任意の形状の微小共振器等の任意の種類の微小共振器であってよい。場合によっては、微小共振器１５０は円対称性を有し、微小共振器１５０の芯１５２の断面の外辺部は中心点からの距離のみの関数として表現することができることを意味する。図５Ａに概略的に示される円形リング微小共振器４５０等、場合によっては、中心点は微小共振器の芯４５２の中心４５１であってよい。円対称性を有するその他の例示的な微小共振器形状には、球体、円盤、及び円筒が挙げられる。
【００６３】
場合によっては、微小共振器１５０は球状微小共振器の場合等、球対称を有することができる。場合によっては、微小共振器１５０は図５Ｂに概略的に示されるレーストラック微小共振器４６０等、閉鎖ループ微小共振器であってよい。微小共振器４６０の芯４６２は直線部４３０、４３２、４３４、並びに曲線部４３６及び４３８を有する。
【００６４】
広くは、微小共振器１５０は特定の方向に沿って単一又は多モードであってもよい。例えば、微小共振器１５０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モードであってよい。リング形状微小共振器の場合等、場合によっては、微小共振器は半径方向に沿って単一又は多モードであってよい。リング形状微小共振器の場合等、場合によっては、微小共振器１５０の進行波導波モード１６２及び１６４は微小共振器の方位角モードであってよい。
【００６５】
光導波路１２０及び１３０は、光学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ってよい。光導波路１２０及び１３０は平面導波路等の一次元導波路であってよく、一次元導波路は１つの方向に沿った光の閉じ込めを指す。場合によっては、光導波路１２０及び１３０は二次元導波路であってよく、二次元導波路は２つの互いに直交する方向に沿った光の閉じ込めを指す。例示的な二次元光導波路にはチャネル導波路、ストリップ装荷導波路、リブ（rib）又はリッジ（ridge）導波路、及びイオン交換導波路が挙げられる。
【００６６】
例示的な微小共振器システム１００においては、第１の光導波路１２０の芯１２２及び第２の光導波路１３０の芯１３２は微小空洞１４０とのそれらのそれぞれの接触点で又はその近くで実質的に平行である。特に、両方の芯１２２及び１３２はそれぞれ接触点１２６及び１３４でｘ軸に沿って伸びる。更に、芯１２２及び１３２は共線である。広くは、芯１２２及び１３２は微小空洞１４０とのそれらのそれぞれの接触点で平行であってもそうでなくてもよい。同様に、芯１２２及び１３２は微小空洞１４０とのそれらのそれぞれの接触点で、共線であってもそうでなくてもよい。
【００６７】
図１に示される例示的な微小共振器システム１００においては、光微小空洞１４０はｘ軸に沿って長さＬ１を有し、ｙ軸に沿って幅Ｗ１を有する直方体である。広くは、微小空洞１４０は１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる任意の光微小空洞であってよい。光微小空洞１４０の例示的な形状には、球体、円盤、円筒、リング、ドーナツ形状、及びレーストラックが挙げられる。場合によっては、微小空洞１４０は閉鎖ループ微小空洞であってよい。
【００６８】
場合によっては、光微小空洞１４０の幅側１１３及び１１４は、微小空洞の可能な光学モードがｘ軸に沿って離散モードに量子化されるように、十分に反射する。広くは、微小空洞１４０のモードは、モードに関連付けられた実効屈折率が境界面での実効クラッド屈折率と異なる、例えば十分に異なる場合、クラッドと微小共振器との間の境界面で強反射される。例えば、幅側１１３又は１１４等の幅側は、例えば微小空洞１４０によってサポートされるモードの実効屈折率が例えば光学微小共振器１５０又は光導波路１３０によってサポートされるモードの実効屈折率と異なる場合、十分に反射することができる。場合によっては、光微小空洞１４０の長さ側１１１及び１１２は、微小空洞の可能な光学モードが、ｙ軸に沿って離散モードに量子化されるように十分に反射する。
【００６９】
広くは、光学微小共振器１５０は面１５４及び１５６を含む結合領域１９０内の微小空洞１４０に光学的に結合される。広くは、２つの導波路間の結合領域は、２つの導波路間に光結合が生じる空間等の領域である。微小共振器芯１５２と導波路１２０の芯１２２との間の距離間隔はｄであり、ｄはＷ１未満である。
【００７０】
図６は芯６５２を含む光学微小共振器６５０を含み、共振モードをサポートすることができ、結合領域６９０内で光微小空洞６４０に光学的に結合される概略三次元微小共振器システム６００を示す。結合領域６９０は微小共振器と微小空洞との間の光学ギャップを定義する。
【００７１】
微小共振器システム６００は光軸６９１上に中心をとる光導波路６２０も含む。光導波路６２０は微小空洞の芯６４２から延び、それにより微小空洞と導波路との間の結合領域６９５を定義する芯６２２を含む。
【００７２】
図６に示される例示的な微小共振器システムにおいては、微小共振器と微小空洞との間の光結合はエバネッセント結合によるものであり、導波路と微小空洞との間の光結合は芯結合である。
【００７３】
例示的な微小共振器システム６００においては、結合領域６９０での微小共振器芯６５２と光導波路芯６２２との間の距離はｄであり、ｄは結合領域６９５を越えて光軸６９１を延ばし、結合領域６９０から光軸に対して垂直に線６９２を描くことによって定義される。広くは、方向６９２は異なる方向に沿うことができるが、方向６９２はｙ軸に沿うことができる。微小空洞６４０は方向６９２に沿って最大寸法Ｗ３を有する。
【００７４】
微小空洞６４０は方向６９２に直交する方向６９３に沿って最大厚さｈ１を有する。図６の例示的な実施形態においては、方向６９３はｚ軸に沿う。微小空洞６４０は、この場合においてはｘ軸である方向６９２（ｙ軸）及び６９３（ｚ軸）に直交する方向に沿って最大寸法Ｌ３を有する。
【００７５】
図７は、例えばソルダノ（Soldano）らの「自己画像化に基づく、光学多モード干渉デバイス：原理及び用途（Optical Multi-Mode Interference Devices Based on Self-Imaging: Principles and Applications）」（光波技術ジャーナル（Journal of Lightwave Technology）、１９９５年４月号、１３章、４項、６１５〜６２６ページ）に記載される光学多モード干渉カップラー（ＭＭＩＣ）７００の概略平面図を示す。ＭＭＩＣ ７００はｘ軸に沿った光軸７０２上に中心をとり、矩形光空洞７３０、二次元光導波路７１０、７１５、７２０、及び７２５を含む。光空洞７３０は、芯７３２、クラッド７０５、第１の入力ポート７１４、第２の入力ポート７１９、第１の出力ポート７２４、及び第２の出力ポート７２９を有する。光空洞７３０はｘ軸に沿って長さＬを有し、ｙ軸に沿って幅Ｗを有する。
【００７６】
光導波路７１０は光軸７０１上に中心をとり、芯７１２、クラッド７０５を有し、第１の入力ポート７１４で空洞７３０に光学的に芯結合され、光導波路７１５は光軸７０３上に中心をとり、芯７１７、クラッド７０５を有し、第２の入力ポート７１９で空洞７３０に光学的に芯結合され、光導波路７２０は光軸７０１上に中心をとり、芯７２２、クラッド７０５を有し、第１の出力ポート７２４で空洞７３０に光学的に芯結合され、光導波路７２５は光軸７０３上に中心をとり、芯７２７、クラッド７０５を有し、第２の出力ポート７２９で空洞７３０に光学的に芯結合される。入力ポート７１４及び７１９は光空洞７３０の入力側又は幅側７５２と関連付けられ、出力ポート７２４及び７２９は光空洞の出力側又は幅側７５４と関連付けられる。
【００７７】
ＭＭＩＣ ７００内のそれぞれの光導波路は芯幅ｄ２を有し、光空洞芯７３２の最も近い長さ側から距離ｄ１だけ離れている。光導波路７１０及び７１５はＷ−２（ｄ１＋ｄ２）と等しい距離ｄ３だけ離れている。光導波路７２０及び７２５も距離ｄ３だけ離れている。
【００７８】
簡易化及び一般性を喪失しないために、空洞及び４つの導波路は屈折率ｎ２を有する同一クラッド７０５を有すると見なされる。４つの導波路及び光空洞の芯は同一屈折率ｎ１を有すると更に見なされる。
【００７９】
空洞７３０の可能な光学モードはｙ軸に沿って離散モードに量子化されるが、ｘ軸に沿って離散モードに量子化されないように、空洞芯７３２の長さ側７９１及び７９２は関心波長を十分に反射し、芯７３２の幅側７５２及び７５４は関心波長を十分に透過する。幅側７５２及び７５４のそれぞれは幅の両側で同一又は実質的に同一のモード実効屈折率を有することによって十分に光学的に透過性にすることができる。
【００８０】
幅側７５２及び７５４が十分に反射しないため、光空洞７３０はｘ方向に沿って進行する、非共振導波モード等の非共振モードを一次的にサポートすることができる。ＭＭＩＣは、例えば第２の入力導波路７１５内で発される光が、入力側７５２で光空洞７３０内の複数個の非共振進行波モードを励起するように設計される。出力側７５４で光空洞内の実質的に全ての光が空洞から抜け出て、それぞれに出力ポート７２４及び７２９を通って出力導波路７２０及び／又は７２５に入るように、複数個の非共振進行波はｘ軸に沿って進行し干渉する。したがって、ＭＭＩＣは、例えば光空洞７３０の出力側７５４で複数個の進行波モードの一部分も反射されない又はほんのごく一部が反射されるように設計されるため、光空洞７３０は共振モードを一次的にサポートすることができない。
【００８１】
場合によっては、入力側７５２からｘ軸に沿って進行し出力側７５４上に入射する光空洞７３０の進行波モードのごく一部は出力側で反射されてもよい。しかしながら、反射は非常に小さいため、入射波と反射波との間のいかなる光学干渉も一次的に非共振モードであるモードを生じる。例えば、出力側での反射は非常に小さいため、入射波と反射波との間のいかなる干渉も一次的に非共振進行波モードであり、共振定在波モードではないモードを生じる。
【００８２】
第２の入力導波路内の光学導波モード７６０は簡易化及び一般性を喪失しないために、ｘ＝０が入力側７５２に対応すると見なされる、ｘの関数として、ｙ軸に沿って変化するプロファイルを有することができる光空洞７３０内の進行波電界Φ（ｘ，ｙ）を励起することができる。例えば、電界Φ（０，ｙ）は図７に概略的に示されるように光軸７０３上に実質的に中心をとる電界プロファイル７４０を有する。図７に示される特定の電界プロファイル７４０は例示のためのものであり、制限するためのものではないことが理解されるであろう。したがって、開示される実施形態はいずれかの特定の電界プロファイルに制限されると解釈されるべきではない。
【００８３】
簡易化及び一般性を喪失しないために、例えばソルダノ（Soldano）らの「自己画像化に基づく、光学多モード干渉デバイス：原理及び用途（Optical Multi-Mode Interference Devices Based on Self-Imaging: Principles and Applications）」（光波技術ジャーナル（Journal of Lightwave Technology）、１９９５年４月号、１３章、４項、６１５〜６２６ページ）に記載されるように、電界Φ（ｘ，ｙ）は、放射等の非導波モードを含まず、進行電界Φ（ｘ，ｙ）は、光空洞７３０の一次結合として表現することができると見なす。１つのピークを有するゼロ次導波モード８１０、２つのピークを有する一次導波モード８２０、３つのピークを有する二次導波モード８３０、４つのピークを有する三次導波モード８４０等、光空洞の導波モードの幾つかの実施例が、図８に概略的に示される。
【００８４】
光空洞７３０は以下の等式１で示される、空洞によってサポートされるモードに関連付けられた、特性長さＬｃを有する。
【００８５】
【数１】
【００８６】
式中、ｎ１は、芯７３２の屈折率であり、λｏは、自由空間内の波長であり、Ｗｅは、サポートされるモードに対する光空洞７３０の実効幅である。実効幅Ｗｅはテイル８１１及び８１２等のモードエバネッセント・テイルの主要因となり、光空洞７３０の幅Ｗ１と異なってよい。
【００８７】
進行電界Φ（ｘ，ｙ）はｘ軸に沿って周期的に変化する。図７に概略的に示されるように、例えばｘ＝（１／２）Ｌｃで、進行電界Φ（（１／２）Ｌｃ，ｙ）は電界７４０と類似し、光軸７０３上に実質的に中心をとる進行電界７４１Ａ及び、実質的に電界７４１Ａの鏡像であり光軸７０１上に実質的に中心をとる進行電界７４１Ｂを含む。光空洞７３０の長さＬが（１／２）Ｌｃと等しい場合、電界７４１Ａは第２の出力ポート７２９で第２の出力導波路７２５の導波モードと実質的に結合することができ、電界７４１Ｂは第１の出力ポート７２４で第１の出力導波路７２０の導波モードと実質的に結合することができる。そのような場合、導波モード７６０からの光の約５０％は第２の出力導波路７２５に移動し、導波モード７６０からの光の約５０％は第１の出力導波路７２０に移動する。したがって、Ｌ＝（１／２）Ｌｃでは、ＭＭＩＣカップラー７００は５０：５０カップラーと称することができる。
【００８８】
別の実施例としては、ｘ＝Ｌｃでは、図７に概略的に示されるように、進行波電界Φ（Ｌｃ，ｙ）は電界７４０の鏡像と類似し、光軸７０１上に実質的に中心をとる進行波電界７４２を含む。光空洞７３０の長さＬがＬｃと等しい場合、電界７４２は第１の出力ポート７２４で第１の出力導波路７２０の導波モードに実質的に結合することができる。そのような場合、導波モード７６０からの光の約１００％は第１の出力導波路７２０に移動し、導波モード７６０からの光の約０％は第２の出力導波路７２５に移動する。したがって、Ｌ＝Ｌｃでは、ＭＭＩＣカップラー７００は０：１００カップラーと称することができる。
【００８９】
別の実施例としては、ｘ＝（３／２）Ｌｃでは、進行波電界Φ（（３／２）Ｌｃ，ｙ）は進行波電界Φ（（１／２）Ｌｃ，ｙ）と実質的に類似する。したがって、Ｌ＝（３／２）Ｌｃでは、ＭＭＩＣカップラー７００は５０：５０カップラーである。
【００９０】
更に別の実施例として、ｘ＝２Ｌｃでは、図７に概略的に示されるように、進行波電界Φ（２Ｌｃ，ｙ）は電界７４０と類似し、光軸７０３上に実質的に中心をとる光空洞７３０内の進行波電界７４４を含む。光空洞７３０の長さＬが２Ｌｃと等しい場合、電界７４４は第２の出力ポート７２９で第２の出力導波路７２５の導波モードに実質的に結合することができる。そのような場合、導波モード７６０からの光の約１００％は第２の出力導波路７２５に移動し、導波モード７６０からの光の約０％は第１の出力導波路７２０に移動する。したがって、Ｌ＝２Ｌｃでは、ＭＭＩＣカップラー７００は１００：０カップラーと称することができる。
【００９１】
したがって、５０：５０ＭＭＩＣ ７００の最小長さＬ５０：５０は等式２で示され、
【００９２】
【数２】
【００９３】
０：１００ＭＭＩＣ ７００の最小長さＬ０：１００は等式３で示される。
【００９４】
【数３】
【００９５】
簡易化及び一般性を喪失しないために、光空洞７３０はｚ方向における単一モード空洞であり、その結果、光空洞は例えば、Ｐ．ヤー（P. Yeh）らの「層状媒体中の光波（Optical Waves in Layered Media）」（ジョン・ワイリー・アンド・サンズ（John Wiley and Sons）、ニューヨーク（New York）、１９８８）に記載されるように、以下の関係を満たす場合、ｙ方向に沿って少なくともｍモードをサポートすることができると見なす。
【００９６】
【数４】
【００９７】
したがって、５０：５０ＭＭＩＣ ７００の最小長さＬ５０：５０は、以下の等式で示され、
【００９８】
【数５】
【００９９】
０：１００ＭＭＩＣ ７００の最小長さＬ０：１００は、以下の等式で示される。
【０１００】
【数６】
【０１０１】
実効幅Ｗｅは通常、Ｗを超えるため、等式（５）及び（６）はＷｅがＷで置き換えられる場合、依然として維持される。広くは、芯屈折率ｎ１は約１．５〜約３．５であってよく、クラッド屈折率ｎ２は約１．４４〜約１．５１であってよい。このような範囲のｎ１及びｎ２では、実効幅Ｗｅは、約１０％以下Ｗを超える。
【０１０２】
多モード干渉カップラーにおいては、光空洞７３０は、図８に示される導波モード８１０及び８２０等の導波モード（ｍ≧２）の少なくとも２つの進行波をサポートすることができるｙ方向における多モード空洞でなければならない。したがって、５０：５０カップラーでは、比率Ｌ／Ｗは２を超えなければならず、０：１００では、比率Ｌ／Ｗは４を超えなければならない。
【０１０３】
ＭＭＩＣ ７００が、低減された光学的損失等、改善された性能を有する必要がある場合、光空洞７３０は導波モード８１０、８２０、及び８３０等、少なくとも３つの進行導波モード（ｍ≧３）をサポートできなければならない。そのような場合、５０：５０カップラーでは比率Ｌ／Ｗは、３を超えなければならず、０：１００では比率Ｌ／Ｗは６を超えなければならない。
【０１０４】
図６に戻り、光微小空洞６４０は共振定在波等の１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる。場合によっては、比率Ｌ３／Ｗ３は約１０以下、約６以下、約５以下、約４以下、約３以下、又は約２以下である。幾つかのその他の場合においては、比率Ｌ３／Ｗ３は約１以下、約０．８以下、約０．５以下、約０．３以下、又は約０．１以下である。場合によっては、光微小空洞６４０は光微小空洞１４０と類似する矩形空洞である。
【０１０５】
場合によっては、Ｌ３は約５０μｍ以下、約３０μｍ以下、約２０μｍ以下、又は約１０μｍ以下である。幾つかのその他の場合においては、Ｌ３は約５μｍ以下、約３μｍ以下、約２μｍ以下、又は約１μｍ以下である。幾つかのその他の場合においては、Ｌ３は約０．８μｍ以下、約０．６μｍ以下、又は約０．５μｍ以下である。
【０１０６】
場合によっては、光微小空洞６４０は、１００以下の共振モード、５０以下の共振モード、２０以下の共振モード、１５以下の共振モード、１０以下の共振モード、８以下の共振モード、又は５以下の共振モードを一次的にサポートすることができる。
【０１０７】
場合によっては、光微小空洞６４０は、少なくとも１つの共振モード、少なくとも２つの共振モード、少なくとも５つの共振モード、又は少なくとも１０の共振モードを一次的にサポートすることができる。場合によっては、光微小空洞６４０は、１つの共振モード又は２つの共振モードを一次的にサポートすることができる。
【０１０８】
場合によっては、微小共振器システム６００は約０．３μｍ〜約１５μｍ、０．３μｍ〜約５μｍ、約０．３μｍ〜約２μｍ、約０．４μｍ〜約１．６μｍ、又は約０．６μｍ〜約１．６μｍの波長で一次的に動作するように設計される。場合によっては、微小共振器システム６００は約６３３ｎｍ、約８５０ｎｍ、約９８０ｎｍ、約１３１０ｎｍ、約１５５０ｎｍ、又は約１０，６００ｎｍの波長で一次的に動作するように設計される。
【０１０９】
例示的な微小共振器システム６００においては、光導波路６２０は芯結合によって光微小空洞６４０に光学的に結合する。広くは、光導波路６２０は用途に適し得る任意の結合機構を使用して、光微小空洞６４０に光学的に結合することができる。例えば、光導波路６２０はエバネッセント結合によって光微小空洞６４０に光学的に結合することができる。
【０１１０】
例示的な微小共振器システム６００においては、光微小空洞６４０はエバネッセント結合によって光学微小共振器６５０に光学的に結合する。広くは、光微小空洞６４０は用途に適し得る、任意の結合機構を使用して、光学微小共振器６５０に光学的に結合することができる。例えば、光微小空洞６４０は例えば、図１に概略的に示されるように、芯結合によって光学微小共振器６５０に光学的に結合することができる。
【０１１１】
図９は、光学微小共振器１５０が、光学微小共振器９５０で置き換えられていることを除き、微小共振器システム１００と類似する微小共振器システム９００の概略平面図を図示する。光学微小共振器９５０は共振モード９９９をサポートすることができ、芯９５２、第３の光導波路９６０、及び第４の光導波路９７０を含む。第３の光導波路９６０は第２の面１５６を介して、芯結合によって光微小空洞１４０に光学的に結合され、第１の格子９３４及び第１の端面９５６を含む。第４の光導波路９７０は第１の面１５４を介して、芯結合によって光微小空洞１４０に光学的に結合され、第２の格子９３２及び第２の端面９５４を含む。第３及び第４の光導波路９６０及び９７０は光軸９６５上に中心をとる。第１及び第２の格子９３４並びに９３２のそれぞれは光軸９６５に沿って周期的な屈折率を含む。場合によっては、周期性は例えば、導波路にエッチングされた又はその上に成膜された周期的構造によるものであってよい。幾つかのその他の場合においては、周期性は例えば構造的に滑らかな導波路における屈折率の周期的変化によるものであってよい。
【０１１２】
格子９３２及び９３４は１つ以上の波長で又は波長の範囲で、光を実質的に反射するように設計される。例えば、格子９３２は入射光９８０の大部分を反射光９８１として反射し、残りを透過光９８２として透過することができる。共振定在波モード９９９の場合、定在波は反対方向に進行する進行波導波モード９８０及び９８１を含んでもよい。
【０１１３】
場合によっては、格子９３２及び９３４は狭い波長範囲Δλ内の光を実質的に反射し、Δλ外の光を実質的に透過することができるブラッグ格子、分布ブラッグ格子、又は反射器（ＤＢＲ）である。
【０１１４】
場合によっては、格子９３２及び９３４は微小共振器システム９００の、共振波長等の動作波長で光を実質的に反射するように設計される。例えば、光源１１０は８５０ｎｍ等の波長λａで光を放射し、格子９３２及び９３４は、λａで光を実質的に反射するように設計され、λａは微小共振器システム９００の共振モードに対応することができる。
【０１１５】
格子又はＤＢＲ ９３２及び９３４は、２つの格子間のファブリ・ペロー（Fabry Perot）空洞を定義し、したがって微小共振器９５０が少なくとも１つの定在波導波モードをサポートできるようにする。場合によっては、一方又は両方の格子９３２及び９３４はチャープ格子、ブレーズド格子、正方格子、又は正弦格子であってよい。広くは、格子９３２及び９３４は相当な反射率を有する任意の種類の格子であってもよい。
【０１１６】
場合によっては、微小共振器システム９００の動作波長での格子９３２及び９３４の反射率は少なくとも５０％、少なくとも７０％、又は少なくとも８０％である。
【０１１７】
例示的な微小共振器システム９００においては、光学微小共振器９５０は２つのＤＢＲを含むことによって光を反射し定在波導波モードを形成するための機構を含む。広くは、光学微小共振器９５０は用途に適した任意の方法で光を反射することができる。例えば、場合によっては、格子９３２及び９３４は排除することができ、光学微小共振器９５０はそれぞれ実質的に反射する第１及び第２の端面９５６及び９５４を有することによって定在波導波モードを形成可能であってよい。場合によっては、いずれかの端面は平ら又は曲面であってよい。
【０１１８】
場合によっては、端面９５６及び９５４は一次的に正反射してもよい。そのような場合、端面９５６及び９５４は光を拡散反射することが可能であってよいが、いずれかのこのような拡散反射率は正反射率に対する二次的なもである。場合によっては、光学微小共振器９５０の端面のうちの少なくとも１つは少なくとも５０％正反射する、少なくとも６０％正反射する、又は少なくとも８０％正反射する。
【０１１９】
場合によっては、微小共振器システム９００は格子９３２及び９３４と、反射端面９５６及び９５４と、を含むことができる。例えば、場合によっては、光源１１０は範囲内の波長の光を放射する、広帯域光源であってもよい。そのような場合、格子９３２及び９３４は波長範囲に対する高反射率を提供するためにチャープ格子であってよい。反射端面は、例えば対応する格子によって反射されない任意の光を反射することができる。
【０１２０】
微小共振器システム９００の動作波長は格子９３２及び９３４を調節することによって調整する又は狭く定義することができる。場合によっては、格子９３２と９３４との間の空隙部は微小共振器９５０の自由スペクトル領域を向上するために削減することができる。空隙部を削減することにより、全体がより小さな微小共振器システム９００をもたらすこともできる。
【０１２１】
微小共振器システム９００は出力面１３６及び第２の光導波路１３０との光通信内に検出器１６６を含むことができる。場合によっては、図９に概略的に示されるように、検出器１６６の代わりに又はそれに加えて、第１の光導波路１２０との光通信内に検出器９６６を定置することができる。
【０１２２】
光源１１０は少なくとも一部分が導波路の入力面１２４を通って光導波路１２０に入り導波モード９０１として正のｘ軸に沿って伝播する、光１１２を放射することができる。導波モード９０１は微小空洞１４０の共振モード１７０を励起することができる。モード１７０は、同様に、正のｘ軸に沿って伝播する導波路１３０の導波モード１３８、負のｘ軸に沿って伝播する導波路１２０の導波モード９０２、及び光学微小共振器９５０の共振モード９９９を励起することができる。
【０１２３】
光学部品９３０は光９０２の少なくとも一部分を光９０３として検出器９６６に向ける。散乱中心１８０は光学微小共振器９５０に光学的に結合され、導波モード９０２の特性に変化を引き起こすことができる。検出器９６６は特性の変化を検出することによって散乱中心１８０の存在を検出することができる。
【０１２４】
光学部品９３０は、例えば、入力光１１２の少なくとも一部分を透過する一方、ｙ軸に沿って光９０２の少なくとも一部分を反射することによって向きを変える。光学部品９３０はビームスプリッタであってよい。別の実施例としては光学部品９３０は光サーキュレータであってよい。
【０１２５】
図１に示される例示的な微小共振器システム１００においては、光導波路１２０及び１３０はエバネッセント結合ではなく、芯結合によって微小空洞１４０に光学的に結合する。微小空洞１４０と微小共振器１５０との間の光結合は芯結合である。広くは、光結合は芯結合又はエバネッセント結合であってよい。
【０１２６】
例示的な微小共振器システム１００においては、例えば、導波路１２０と微小空洞１４０との間の光結合は横方向結合であって縦方向結合ではない。広くは、光結合は、例えば、全体が参照することによって本明細書に組み込まれる代理人整理番号が第６２４５１ＵＳ００２である、同一所有者の米国特許出願第＿＿＿＿＿＿＿＿号に記載されるように、横方向又は縦方向結合であってよい。
【０１２７】
場合によっては、導波路１２０及び１３０、微小共振器１５０、並びに微小空洞１４０は共通基材上に集積することができる。集積はモノリシック集積であってもよく、その場合、異なる構成要素は典型的に、同一材料系を使用して全て共通基材上に加工される。このような集積は基材特有であってよく、集積が幾つかの基材では容易又は実現可能であり、幾つかのその他の基材ではより困難又は不可能であることを意味する。例えば、検出器、微小共振器、微小空洞、及び導波路をＳｉ基材等の基材上に加工する又は作ることは可能であり得るが、同一基材上に光源を作る又は加工することは困難又は不可能である場合がある。別の例としては、ＩｎＰ又はＧａＡｓ基材等のＩＩＩ−Ｖ族半導体基材上に全てのシステム構成要素を作る又は加工することが可能であり得る。
【０１２８】
集積はハイブリッド集積であってよく、その場合、構成要素の少なくとも幾つかは最初に別個に加工され、次いで共通基材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材上に接着剤で接合することによって行うことができる。そのような場合、微小共振器、微小空洞、及び導波路は基材上にモノリシック集積されてもよい。場合によっては、接合は光源及び検出器の導波路との能動整合を必要とする場合がある。
【０１２９】
図１０は集積光学デバイス１１００の概略三次元図を示す。光源１１０及び検出器１６６は光学デバイス１１００の基材１１６１上に集積される。導波路１２０及び１３０、微小空洞１４０、並びにレーストラック微小共振器４６０は上部クラッド１０１及び下部クラッド層１１６５を有し基材１１６１上に集積される。光源１１０はギャップ１１０１によって導波路１２０から分離され、基材１１６１に集積された導線１１４０及び１１４１を含む。導線１１４０及び１１４１は、例えば、図１０には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デバイス１１００の端部１１２１に延びる。検出器１６６はギャップ１１０２によって導波路１３０から分離され、基材１１６１上に集積された導線１１３０及び１１３１を含む。導線１１３０及び１１３１は、例えば、図１０には示されていない外部電源及び／又はその他の電子機器との接続のために光学デバイス１１００の端部１１２２に延びる。
【０１３０】
基材１１６１は剛性又は可撓性であってよい。基材１１６１は光学的に不透明であっても透過性であってもよい。基材は高分子、金属、半導体、又は任意の種類のガラスであってもよい。例えば、基材１１６１はシリコンであってよい。別の例としては、基材１１６１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）、ポリスルホン等の有機材料から作製されてもよい。
【０１３１】
微小共振器１５０、微小空洞１４０、並びに光導波路１２０及び１３０は既知の加工技術を使用して作製することができる。代表的加工技術には、フォトリソグラフィ、印刷、鋳造、押出成形、エンボス加工、及び反応性イオンエッチング又は湿式化学エッチング等のエッチングが挙げられる。微小共振器システム１００内の異なる層は、スパッタリング、蒸着、火炎堆積法（flame hydrolysis）、鋳造、又は用途に適し得る任意のその他の成膜法等の既知の方法を使用して、形成することができる。
【０１３２】
場合によっては、光源１１０は例えば、白色光を放射する広帯域光源であってよい。場合によっては、光源１１０は、調節可能な狭線幅レーザー源等の狭帯域光源であってよい。場合によっては、検出器１６６は、狭帯域検出器であってよく、又は検出器は、スペクトルに敏感な検出器であってよい。例えば、検出器１６６は、スペクトル分析器であってよい。場合によっては、検出器１６６は、広帯域検出器であってよい。
【０１３３】
開示される実施形態の利点の一部が、以下の実施例によって更に説明される。本実施例で列挙される特定の材料、量、及び寸法、並びにその他の条件及び詳細は、過度に本発明を制限すると解釈されるべきではない。
【実施例】
【０１３４】
実施例１：
図１の微小共振器システム１００及び図５Ｂに示される光学デバイスと類似する光学デバイスを、実効二次元時間領域差分（ＦＤＴＤ）法を使用して、数値解析した。模擬実験では、全ての芯は屈折率３．５及び実効厚さ０．４μｍを有するシリコンであった。光学微小共振器は、４μｍ長の直線部４３０を有するレーストラックであった。曲線部４３６及び４３８は、それぞれ、内側半径ｒｓが１．６μｍ及び幅が０．２μｍの半円であり、結果として７．６μｍの長さＬ２及び３．６μｍの幅Ｗ２を有する微小共振器であった。寸法ｔ１、ｔ２、ｒ１、及びｒ２のそれぞれは０．２μｍであった。距離ｄは、１μｍであり、結果として幅Ｗ１は１．８μｍと同等であった。Ｌ１は、０．６μｍであり、結果として、比率Ｌ１／Ｗ１は約０．３３であった。上部クラッド１０１は１の屈折率を有する空気であった。下部クラッド１１６５は１．４６の屈折率を有する二酸化ケイ素であった。
【０１３５】
模擬実験において、光源１１０は２μｍで中心をとり、半値全幅（ＦＷＨＭ）が１μｍである、１フェムト秒長の離散型ガウス形パルスの形態で、光１１２を放射する、パルス光源であった。広帯域入力パルスは検出器１６６によって検出された約１μｍ〜約３μｍの広帯域反応を生じた。
【０１３６】
図１１は、散乱中心１８０がない状態で、波長（μｍ単位）の関数として、検出器１６６での計算された信号強度（入力光の強度に対する任意の単位での曲線１１０１）を示す。一例として、出力プロット上の点１１３０は約１．３８５μｍでの約６０％の透過に対応する。したがって、この波長では、例えば光の反射及び／又は散乱により、入力光の約４０％が損失される。
【０１３７】
図１１は、微小共振器システムが幾つかの波長で高いＱ値を有したことを示す。例えば、数値解析は微小共振器のＱ値が、約１．３２μｍ（位置１１２０）で１６４８であり、約１．５２μｍ（位置１１１０）で１５１０であったことを示した。Ｑ値はλｏ１／Δλｏ１として定義することができ、λｏ１は中心（共振）波長であり、Δλｏ１は半値全幅（ＦＷＨＭ）である。
【０１３８】
二次元ＦＤＴＤ法を使用して、微小空洞が共振モードを一次的にサポートしたことを証明した。導波路１２０内で微小共振器システムの共振周波数で光を発し、時間の関数として微小空洞内の電界最高点の位置をモニタリングした。結果はこのような位置が本質的に静止していたことを示し、したがって微小空洞が一次的に共振定在波モードをサポートしたことを示唆する。
【０１３９】
実施例２：
Ｌ１が１．２μｍであり、結果として比率Ｌ１／Ｗ１が約０．６７であったことを除き、実施例１のデバイスと類似する光学デバイスを、実効二次元ＦＤＴＤ法を使用して数値解析した。
【０１４０】
図１２の曲線１２０１は散乱中心１８０がない状態で、μｍ単位の波長の関数として、検出器１６６での入力光の強度に対する計算された信号強度を任意の単位で示す。図１２は、微小共振器システムが幾つかの波長で高いＱ値を有したことを示す。例えば、微小共振器のＱ値は約１．２２μｍ（位置１２２０）で２６００であり、約１．５８μｍ（位置１２１０）で２２６３であった。
【０１４１】
時間の関数としての微小共振器システムの共振モードでの微小空洞内の電界最高点の位置のモニタリングは、微小空洞が共振定在波モードを一次的にサポートしたことを示した。
【０１４２】
実施例３：
ｄが１．６μｍであり、結果として幅Ｗ１が２．４μｍであり、比率Ｌ１／Ｗ１が０．２５であったことを除き、実施例１のデバイスと類似する光学デバイスを実効二次元ＦＤＴＤ法を使用して数値解析した。
【０１４３】
図１３の曲線１３０１は、散乱中心１８０がない状態で、μｍ単位の波長の関数として、検出器１６６での入力光の強度に対する計算された信号強度を任意の単位で示す。図１３は微小共振器システムが、幾つかの波長で高いＱ値を有したことを示す。例えば、微小共振器のＱ値は約１．３０μｍ（位置１３２０）で１８５４であり、約１．６５μｍ（位置１３１０）で２２０３であった。
【０１４４】
時間の関数としての微小共振器システムの共振モードでの微小空洞内の電界最高点の位置のモニタリングは、微小空洞が共振定在波モードを一次的にサポートしたことを示した。
【０１４５】
実施例４：
ｄが２．２μｍであり、結果として幅Ｗ１が３．０μｍであり、比率Ｌ１／Ｗ１が０．２であったことを除き、実施例１のデバイスと類似する光学デバイスを実効二次元ＦＤＴＤ法を使用して数値解析した。
【０１４６】
図１４の曲線１４０１は、散乱中心１８０がない状態で、μｍ単位の波長の関数として、検出器１６６での入力光の強度に対する計算された信号強度を任意の単位で示す。図１４は微小共振器システムが、幾つかの波長で高いＱ値を有したことを示す。例えば、微小共振器のＱ値は約１．３７μｍ（位置１４２０）で１０９４であり、約１．５４μｍ（位置１４１０）で３０９０であった。
【０１４７】
時間の関数としての微小共振器システムでの共振モードの微小空洞内の電界最高点の位置のモニタリングは、微小空洞が共振定在波モードを一次的にサポートしたことを示した。
【０１４８】
実施例５：
ｄが２．８μｍであり、結果として幅Ｗ１が３．６μｍであり、比率Ｌ１／Ｗ１が約０．１７であったことを除き、実施例１のデバイスと類似する光学デバイスを実効二次元ＦＤＴＤ法を使用して数値解析した。
【０１４９】
図１５の曲線１５０１は、散乱中心１８０がない状態で、μｍ単位の波長の関数として、検出器１６６での入力光の強度に対する計算された信号強度を任意の単位で示す。曲線１５０２は散乱中心１８０の存在下での計算された出力信号強度を示す。散乱中心は、８０ｎｍと同等の直径及び、約１５５０ｎｍで０．５４＋９．５８ｉと同等の複素屈折率を有する球状金粒子であった。散乱中心は、図５Ｂに概略的に示されるように、微小共振器（場所１）の水平な対称軸５３０に沿って定置された。粒子と微小共振器との間には５０ｎｍのギャップｇ１があった。図１５は、散乱中心が微小共振器システムの少なくとも多数の共振周波数に偏移を引き起こしたことを示す。
【０１５０】
図１６Ａは、１．６８μｍ（図１５の位置１５１０Ａ）付近の曲線１５０１及び１５０２の拡大図であり、散乱中心１８０が、Ｑ値が約２１００のピーク１６１０ＡからＱ値が約８４０のピーク１６２０Ａへの約２．３ｎｍの比較的大きな偏移をもたらしたことを示す。図１６Ｂは、１．５７μｍ（図１５の位置１５１０Ｂ１及び１５１０Ｂ２）付近の曲線１５０１及び１５０２の拡大図であり、散乱中心１８０が、ピーク１６１０Ｂからピーク１６２０Ｂへの約１．１ｎｍの比較的大きな偏移、及びピーク１６３０Ｂからピーク１６４０Ｂへの約３ｎｍの比較的大きな偏移をもたらしたことを示す。
【０１５１】
図１６Ｃは１．３７μｍ（図１５の位置１５１０Ｃ）付近の曲線１５０１及び１５０２の拡大図であり、散乱中心１８０が、ピーク１６１０Ｃからピーク１６２０Ｃへの約１．２ｎｍの比較的大きな偏移をもたらしたことを示す。図１６Ｄは１．３１μｍ（図１５の位置１５１０Ｄ１及び１５１０Ｄ２）付近の曲線１５０１及び１５０２の拡大図であり、散乱中心１８０が、ピーク１６１０Ｄからピーク１６２０Ｄへの約０．４５ｎｍの比較的大きな偏移、及びピーク１６３０Ｄからピーク１６４０Ｄへの約０．７ｎｍの比較的大きな偏移をもたらしたことを示す。
【０１５２】
時間の関数としての微小共振器システムの共振モードの微小空洞内の電界最高点の位置のモニタリングは、微小空洞が共振定在波モードを一次的にサポートしたことを示した。
【０１５３】
実施例６：
金粒子が曲線部４３８に沿って図５Ｂの場所２に距離ｇ２＝０．４２μｍ移動されたことを除き、実施例５のデバイスと類似する光学デバイスを実効二次元ＦＤＴＤ法を使用して数値解析した。距離ｇ２は１．６８μｍでλ／４と同等であり、λ＝１．６８μｍは図１６Ａに示される位置１６１０Ａでの微小共振器システムの共振周波数に対応した。
【０１５４】
図１７の曲線１７０２は場所２に定置された金粒子の計算された信号強度を示す。曲線１７０２は、散乱中心１８０が、ピーク１７１０Ａからピーク１７３０Ａへの約２．８ｎｍの比較的大きな偏移をもたらしたことを示す。
【０１５５】
実施例７：
金粒子が曲線部４３８に沿って図５Ｂの場所３に移動され、結果として角度αｇが４５度と同等であったことを除き、実施例５のデバイスと類似する光学デバイスを実効二次元ＦＤＴＤ法を使用して数値解析した。
【０１５６】
図１７の曲線１７０１は場所３に定置された金粒子の計算された信号強度を示す。曲線１７０１は、散乱中心１８０がピーク１７１０Ａからピーク１７２０Ａへの約２．２ｎｍの比較的大きな偏移をもたらしたことを示す。
【０１５７】
本明細書で使用される場合、「垂直」、「水平」、「上方」、「下方」、「左側」、「右側」、「上部」及び「下部」、並びにその他の類似用語等の用語は図面に示されるような相対位置を指す。広くは、物理的な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指すことが意図される。例えば、図１０の構成が図面の配向と比較して反転されるとしても、クラッド層１１６５は依然として「下部」クラッド層と見なされる。
【０１５８】
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、定義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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学微小共振器システムであって、
導波モードをサポートすることができる第１の光導波路と、
該第１の光導波路に光学的に結合され、１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる光微小空洞であって、該第１の光導波路の該導波モードが該１つ以上の共振モードの第１の共振モードを励起する光微小空洞と、
該微小空洞に光学的に結合され、第２の共振モードをサポートすることができる光学微小共振器であって、該第１の共振モードが該第２の共振モードを励起する光学微小共振器と、を備える光学微小共振器システム。
【請求項２】
前記第１の共振モードが第１の進行波モードを含み、前記第２の共振モードが第２の進行波モードを含む、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項３】
前記第１の共振モードが第１の定在波モードを含み、前記第２の共振モードが第２の定在波モードを含む、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項４】
前記第１の定在波モードが第１及び第２の進行導波モードを含み、前記第２の定在波モードが第１及び第２の進行導波モードを含み、
該第１の定在波モードの該第１の進行導波モードが該第２の定在波モードの該第１の進行導波モードに一次的に光学的に結合し、
該第１の定在波モードの該第２の進行導波モードが該第２の定在波モードの該第２の進行導波モードに一次的に光学的に結合する、請求項３に記載の光学微小共振器。
【請求項５】
前記微小空洞が直方体である、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項６】
前記微小共振器が第１の結合領域内の前記微小空洞に光学的に結合され、該微小共振器が該第１の結合領域の前記導波路から距離ｄに位置し、該距離が第１の方向を定義し、該微小空洞が該第１の方向と直交する第２の方向に沿って最大厚さｈ１を有し、該微小空洞が該第１の方向に沿って最大寸法Ｗ１及び該第１及び第２の方向と直交する第３の方向に沿って最大寸法Ｌ１を有し、Ｌ１／Ｗ１が約１０以下である、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項７】
Ｌ１／Ｗ１が約５以下である、請求項６に記載の光学微小共振器。
【請求項８】
Ｌ１／Ｗ１が約２以下である、請求項６に記載の光学微小共振器。
【請求項９】
Ｌ１／Ｗ１が約１以下である、請求項６に記載の光学微小共振器。
【請求項１０】
Ｌ１が約１０μｍ以下である、請求項６に記載の光学微小共振器。
【請求項１１】
Ｌ１が約５μｍ以下である、請求項６に記載の光学微小共振器。
【請求項１２】
前記微小共振器が前記第１の方向に沿って最大寸法Ｗ２、前記第２の方向に沿って最大厚さｈ２、及び前記第３の方向に沿って最大寸法Ｌ２を有し、Ｗ２及びＬ２が実質的に等しい、請求項６に記載の光学微小共振器。
【請求項１３】
前記光学微小共振器がマイクロリング及びレーストラックのうちの１つである、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項１４】
前記光学微小共振器が単一横モード微小共振器である、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項１５】
前記光微小空洞が約０．３μｍ〜約５μｍの波長範囲で、１００以下の共振モードをサポートすることができる、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項１６】
前記光微小空洞が約０．３μｍ〜約５μｍの波長範囲で、２０以下の共振モードをサポートすることができる、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項１７】
前記光微小空洞が約０．３μｍ〜約５μｍの波長範囲で、少なくとも２つの共振モードをサポートすることができる、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項１８】
導波モードをサポートすることができ、前記光微小空洞に光学的に結合される第２の光導波路を更に備える、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項１９】
前記第１及び第２の光導波路が共線である、請求項１８に記載の光学微小共振器。
【請求項２０】
前記微小空洞が芯結合によって前記第１の導波路に光学的に結合され、前記微小共振器が芯結合によって該微小空洞に光学的に結合される、請求項１に記載の光学微小共振器システム。
【請求項２１】
光学微小共振器システムであって、
厚さ寸法ｈ、幅寸法Ｗ、及び長さ寸法Ｌを有する矩形光微小空洞と、
該微小空洞に光学的に結合される入力光導波路と、
該微小空洞の長さに沿って該微小空洞に光学的に結合される光学微小共振器と、を備え、Ｌ／Ｗが約６以下である、光学微小共振器システム。
【請求項２２】
前記微小空洞が１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる、請求項２１に記載の光学微小共振器システム。
【請求項２３】
前記１つ以上の共振モードのそれぞれが進行波モードである、請求項２２に記載の光学微小共振器システム。
【請求項２４】
前記光学微小共振器が芯結合によって前記微小空洞に光学的に結合される、請求項２１に記載の光学微小共振器システム。
【請求項２５】
前記入力光導波路が芯結合によって前記微小空洞に光学的に結合される、請求項２１に記載の光学微小共振器システム。
【請求項２６】
Ｌ／Ｗが約２以下である、請求項２１に記載の光学微小共振器システム。
【請求項２７】
Ｌ／Ｗが約１以下である、請求項２１に記載の光学微小共振器システム。
【請求項２８】
前記微小空洞に光学的に結合される出力光導波路を更に含む、請求項２１に記載の光学微小共振器システム。
【請求項２９】
前記出力光導波路が芯結合によって前記微小空洞に光学的に結合される、請求項２８に記載の光学微小共振器システム。
【請求項３０】
前記入力及び出力光導波路が共線である、請求項２８に記載の光学微小共振器システム。
【請求項３１】
光学センサであって、
第１の共振モードをサポートすることができる微小共振器システムであって、
光学微小共振器、
１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる光微小空洞であって、該光学微小共振器に光学的に結合される光微小空洞、及び
該光微小空洞に光学的に結合される第１の光導波路を備える、微小共振器システムと、
該第１の光導波路との光通信内の光源であって、該微小共振器システムの該第１の共振モードに対応する波長で光を放射することができる光源と、
該微小共振器システムとの光通信内の検出器であって、検体が該微小共振器システムに近接する場合に該第１の共振モードの該特性が変化し、該検出器が該変化を検出するように、該第１の共振モードの特性を検出することができる検出器と、を備える、微小共振器システムを備える、光学センサ。
【請求項３２】
前記光微小空洞の前記１つ以上の共振モードのそれぞれが定在波モードである、請求項３１に記載の光学センサ。
【請求項３３】
前記特性が前記第１の共振モードの強度を含む、請求項３１に記載の光学センサ。
【請求項３４】
前記特性が前記共振モードの波長を含む、請求項３１に記載の光学センサ。
【請求項３５】
前記特性が前記共振モードの位相を含む、請求項３１に記載の光学センサ。
【請求項３６】
前記微小共振器が前記微小空洞の長さに沿って該微小空洞に光学的に結合され、該微小空洞が長さ寸法Ｌ及び幅寸法Ｗを有し、Ｌ／Ｗが約６以下である、請求項３１に記載の光学センサ。
【請求項３７】
Ｌ／Ｗが約１以下である、請求項３６に記載の光学センサ。
【請求項３８】
光学微小共振器システムであって、
導波モードをサポートすることができる第１の光導波路と、
該第１の光導波路に光学的に結合され、１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる光微小空洞であって、該第１の光導波路の該導波モードが該１つ以上の共振モードの第１の共振モードを励起する光微小空洞と、
該微小空洞に光学的に結合され、第２の共振モードをサポートすることができる光学ファブリ・ペロー（Fabry Perot）空洞であって、該第１の共振モードが該第２の共振モードを励起する光学ファブリ・ペロー（Fabry Perot）空洞と、を備える光学微小共振器システム。
【請求項３９】
前記ファブリ・ペロー（Fabry Perot）が１つ以上の格子を含む、請求項３８に記載の光学微小共振器システム。
【請求項４０】
前記ファブリ・ペロー（Fabry Perot）が１つ以上の鏡面反射端面を含む、請求項３８に記載の光学微小共振器システム。
【請求項４１】
前記光微小空洞の前記１つ以上の共振モードのそれぞれが定在波モードである、請求項３８に記載の光学微小共振器システム。
【請求項４２】
前記光微小空洞の前記１つ以上の共振モードのそれぞれが進行波モードである、請求項３８に記載の光学微小共振器システム。
【請求項１】
光学微小共振器システムであって、
導波モードをサポートすることができる第１の光導波路と、
該第１の光導波路に光学的に結合され、１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる光微小空洞であって、該第１の光導波路の該導波モードが該１つ以上の共振モードの第１の共振モードを励起する光微小空洞と、
該微小空洞に光学的に結合され、第２の共振モードをサポートすることができる光学微小共振器であって、該第１の共振モードが該第２の共振モードを励起する光学微小共振器と、を備える光学微小共振器システム。
【請求項２】
前記第１の共振モードが第１の進行波モードを含み、前記第２の共振モードが第２の進行波モードを含む、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項３】
前記第１の共振モードが第１の定在波モードを含み、前記第２の共振モードが第２の定在波モードを含む、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項４】
前記第１の定在波モードが第１及び第２の進行導波モードを含み、前記第２の定在波モードが第１及び第２の進行導波モードを含み、
該第１の定在波モードの該第１の進行導波モードが該第２の定在波モードの該第１の進行導波モードに一次的に光学的に結合し、
該第１の定在波モードの該第２の進行導波モードが該第２の定在波モードの該第２の進行導波モードに一次的に光学的に結合する、請求項３に記載の光学微小共振器。
【請求項５】
前記微小空洞が直方体である、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項６】
前記微小共振器が第１の結合領域内の前記微小空洞に光学的に結合され、該微小共振器が該第１の結合領域の前記導波路から距離ｄに位置し、該距離が第１の方向を定義し、該微小空洞が該第１の方向と直交する第２の方向に沿って最大厚さｈ１を有し、該微小空洞が該第１の方向に沿って最大寸法Ｗ１及び該第１及び第２の方向と直交する第３の方向に沿って最大寸法Ｌ１を有し、Ｌ１／Ｗ１が約１０以下である、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項７】
Ｌ１／Ｗ１が約５以下である、請求項６に記載の光学微小共振器。
【請求項８】
Ｌ１／Ｗ１が約２以下である、請求項６に記載の光学微小共振器。
【請求項９】
Ｌ１／Ｗ１が約１以下である、請求項６に記載の光学微小共振器。
【請求項１０】
Ｌ１が約１０μｍ以下である、請求項６に記載の光学微小共振器。
【請求項１１】
Ｌ１が約５μｍ以下である、請求項６に記載の光学微小共振器。
【請求項１２】
前記微小共振器が前記第１の方向に沿って最大寸法Ｗ２、前記第２の方向に沿って最大厚さｈ２、及び前記第３の方向に沿って最大寸法Ｌ２を有し、Ｗ２及びＬ２が実質的に等しい、請求項６に記載の光学微小共振器。
【請求項１３】
前記光学微小共振器がマイクロリング及びレーストラックのうちの１つである、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項１４】
前記光学微小共振器が単一横モード微小共振器である、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項１５】
前記光微小空洞が約０．３μｍ〜約５μｍの波長範囲で、１００以下の共振モードをサポートすることができる、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項１６】
前記光微小空洞が約０．３μｍ〜約５μｍの波長範囲で、２０以下の共振モードをサポートすることができる、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項１７】
前記光微小空洞が約０．３μｍ〜約５μｍの波長範囲で、少なくとも２つの共振モードをサポートすることができる、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項１８】
導波モードをサポートすることができ、前記光微小空洞に光学的に結合される第２の光導波路を更に備える、請求項１に記載の光学微小共振器。
【請求項１９】
前記第１及び第２の光導波路が共線である、請求項１８に記載の光学微小共振器。
【請求項２０】
前記微小空洞が芯結合によって前記第１の導波路に光学的に結合され、前記微小共振器が芯結合によって該微小空洞に光学的に結合される、請求項１に記載の光学微小共振器システム。
【請求項２１】
光学微小共振器システムであって、
厚さ寸法ｈ、幅寸法Ｗ、及び長さ寸法Ｌを有する矩形光微小空洞と、
該微小空洞に光学的に結合される入力光導波路と、
該微小空洞の長さに沿って該微小空洞に光学的に結合される光学微小共振器と、を備え、Ｌ／Ｗが約６以下である、光学微小共振器システム。
【請求項２２】
前記微小空洞が１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる、請求項２１に記載の光学微小共振器システム。
【請求項２３】
前記１つ以上の共振モードのそれぞれが進行波モードである、請求項２２に記載の光学微小共振器システム。
【請求項２４】
前記光学微小共振器が芯結合によって前記微小空洞に光学的に結合される、請求項２１に記載の光学微小共振器システム。
【請求項２５】
前記入力光導波路が芯結合によって前記微小空洞に光学的に結合される、請求項２１に記載の光学微小共振器システム。
【請求項２６】
Ｌ／Ｗが約２以下である、請求項２１に記載の光学微小共振器システム。
【請求項２７】
Ｌ／Ｗが約１以下である、請求項２１に記載の光学微小共振器システム。
【請求項２８】
前記微小空洞に光学的に結合される出力光導波路を更に含む、請求項２１に記載の光学微小共振器システム。
【請求項２９】
前記出力光導波路が芯結合によって前記微小空洞に光学的に結合される、請求項２８に記載の光学微小共振器システム。
【請求項３０】
前記入力及び出力光導波路が共線である、請求項２８に記載の光学微小共振器システム。
【請求項３１】
光学センサであって、
第１の共振モードをサポートすることができる微小共振器システムであって、
光学微小共振器、
１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる光微小空洞であって、該光学微小共振器に光学的に結合される光微小空洞、及び
該光微小空洞に光学的に結合される第１の光導波路を備える、微小共振器システムと、
該第１の光導波路との光通信内の光源であって、該微小共振器システムの該第１の共振モードに対応する波長で光を放射することができる光源と、
該微小共振器システムとの光通信内の検出器であって、検体が該微小共振器システムに近接する場合に該第１の共振モードの該特性が変化し、該検出器が該変化を検出するように、該第１の共振モードの特性を検出することができる検出器と、を備える、微小共振器システムを備える、光学センサ。
【請求項３２】
前記光微小空洞の前記１つ以上の共振モードのそれぞれが定在波モードである、請求項３１に記載の光学センサ。
【請求項３３】
前記特性が前記第１の共振モードの強度を含む、請求項３１に記載の光学センサ。
【請求項３４】
前記特性が前記共振モードの波長を含む、請求項３１に記載の光学センサ。
【請求項３５】
前記特性が前記共振モードの位相を含む、請求項３１に記載の光学センサ。
【請求項３６】
前記微小共振器が前記微小空洞の長さに沿って該微小空洞に光学的に結合され、該微小空洞が長さ寸法Ｌ及び幅寸法Ｗを有し、Ｌ／Ｗが約６以下である、請求項３１に記載の光学センサ。
【請求項３７】
Ｌ／Ｗが約１以下である、請求項３６に記載の光学センサ。
【請求項３８】
光学微小共振器システムであって、
導波モードをサポートすることができる第１の光導波路と、
該第１の光導波路に光学的に結合され、１つ以上の共振モードを一次的にサポートすることができる光微小空洞であって、該第１の光導波路の該導波モードが該１つ以上の共振モードの第１の共振モードを励起する光微小空洞と、
該微小空洞に光学的に結合され、第２の共振モードをサポートすることができる光学ファブリ・ペロー（Fabry Perot）空洞であって、該第１の共振モードが該第２の共振モードを励起する光学ファブリ・ペロー（Fabry Perot）空洞と、を備える光学微小共振器システム。
【請求項３９】
前記ファブリ・ペロー（Fabry Perot）が１つ以上の格子を含む、請求項３８に記載の光学微小共振器システム。
【請求項４０】
前記ファブリ・ペロー（Fabry Perot）が１つ以上の鏡面反射端面を含む、請求項３８に記載の光学微小共振器システム。
【請求項４１】
前記光微小空洞の前記１つ以上の共振モードのそれぞれが定在波モードである、請求項３８に記載の光学微小共振器システム。
【請求項４２】
前記光微小空洞の前記１つ以上の共振モードのそれぞれが進行波モードである、請求項３８に記載の光学微小共振器システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１６Ｃ】
【図１６Ｄ】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１６Ｃ】
【図１６Ｄ】
【図１７】
【公表番号】特表２０１０−５１５０５９（Ｐ２０１０−５１５０５９Ａ）
【公表日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４４１５５（Ｐ２００９−５４４１５５）
【出願日】平成１９年１２月１２日（２００７．１２．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０８７１６６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９４３５６
【国際公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１２日（２００７．１２．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０８７１６６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９４３５６
【国際公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
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