Forskere skaber praktisk og alsidig mikroskopisk optomekanisk enhed

Forskere har udviklet en ny type optomekanisk enhed, der bruger en mikroskopisk siliciumskive til at begrænse optiske og mekaniske bølger. Den nye enhed er meget tilpasselig og kompatibel med kommercielle fremstillingsprocesser, gør det til en praktisk løsning til at forbedre sensorer, der registrerer kraft og bevægelse.

Optomekaniske enheder bruger lys til at registrere bevægelse. De kan bruges som laveffekt, effektive byggesten til accelerometre, der registrerer orientering og bevægelse af en smart telefon, eller som får en bils airbag til at indsætte splitsekunder efter en ulykke. Forskere arbejder på at gøre disse enheder mindre og endnu mere følsomme over for bevægelse, kræfter og vibrationer.

At identificere de mindste bevægelser kræver ekstremt høje niveauer af interaktion, eller kobling, mellem lysbølger, som bruges til påvisning, og de mekaniske bølger, der er bundet til bevægelse. I tidsskriftet The Optical Society Optik Express , forskere fra University of Campinas, Brasilien, rapporterer, at deres nye bullseye-diskdesign opnår koblingshastigheder, der matcher dem for de bedste laboratoriebaserede optomekaniske enheder, der er rapporteret.

Mens de fleste state-of-the-art optomekaniske enheder fremstilles ved hjælp af udstyr, der ikke er bredt tilgængeligt, den nye bullseye disk enhed blev fremstillet i et standard kommercielt støberi med de samme processer, der blev brugt til at fremstille komplementære metaloxid-halvlederchips (CMOS), som dem, der bruges i de fleste digitale kameraer.

"Fordi enheden blev fremstillet på et kommercielt CMOS -støberi, enhver gruppe i verden kunne gengive det, " sagde Thiago P. Mayer Alegre, leder af forskningsgruppen. "Hvis tusinder blev skabt, de ville alle udføre på samme måde, fordi vi gjorde dem modstandsdygtige over for støberiets fabrikationsprocesser. Det er også meget billigere og hurtigere at lave disse typer enheder på et CMOS-støberi frem for at bruge specialiserede interne fabrikationsteknikker. "

Bring lys og bevægelse sammen

De fleste optomekaniske enheder bruger den samme mekanisme til at begrænse både lys og mekaniske bølger inde i et materiale, hvor bølgerne kan interagere. Imidlertid, denne fremgangsmåde kan begrænse optomekaniske anordningers ydeevne, fordi kun visse materialer fungerer godt til at begrænse både let og mekanisk bevægelse.

"Når du har frakoblet indespærringsreglerne for lys og mekanik, du kan bruge enhver form for materiale, " sagde Alegre. "Det gør det også muligt selvstændigt at skræddersy enheden til at arbejde med bestemte lysfrekvenser eller mekaniske bølgefrekvenser."

Forskerne skabte en siliciumdisk 24 mikron bred, der begrænser lyset og de mekaniske bølger ved hjælp af separate mekanismer. Lyset er begrænset til total intern refleksion, hvilket får lyset til at hoppe ud af diskens kant og bevæge sig rundt om den ydre del i en cirkulær ring. Forskerne tilføjede cirkulære lunde til skiven, får det til at se ud som et bullseye, at lokalisere mekanisk bevægelse til den ydre ring, hvor det kan interagere med lyset. Disken understøttes af en central piedestal, der tillader disken at bevæge sig.

"Radiale lunde er blevet brugt til at begrænse lysbølger i andre enheder, men vi tog denne idé og anvendte den på mekaniske bølger, "sagde Alegre." Vores optomekaniske enhed er den første, der brugte radielle lunde til at koble mekaniske og optiske bølger. "

Alsidigheden af ​​bullseye disk-designet betyder, at den kan bruges til mere end at føle bevægelse. For eksempel, at lave disken ud af et lasermateriale kunne skabe en laser med pulser eller effektniveauer, der styres af bevægelse. Enheden kunne også bruges til at lave meget lille og højfrekvent optisk modulator til telekommunikationsapplikationer.

Forskerne arbejder nu på at forfine deres enheds design yderligere, så de fungerer endnu bedre med CMOS-støberifremstillingsprocesser. Dette bør reducere mængden af ​​lys, der går tabt af disken og dermed forbedre den samlede ydelse. De vil også gøre enheden endnu mere praktisk ved at kombinere den optomekaniske disk med en integreret optisk bølgeleder, der bringer lys til og fra enheden, alt i en pakke.