Forskere opnår ultra-høj-Q frirumskobling til mikrotoroidresonatorer

Forskere fra University of Arizona har opnået fjernfeltskobling af lys til mikrotoroider med ultrahøj kvalitet med en enkelt objektivlinse. Dette kunne danne grundlaget for en fuldt ud on-chip multiplekset mikrotoroid-sensorplatform.

Artiklen er publiceret i tidsskriftet Light:Science &Applications .

Hurtige og følsomme mærkefrie sensorer er nødvendige til mange biokemiske anvendelser, herunder tidlig diagnostik og prognose, overvågning af fødevare- og vandkvalitet, kemisk trusselsføling og tidlig påvisning af farlige gasser. Whispering Gallery Mode (WGM) mikrotoroid optiske resonatorer er en af ​​de mest følsomme biokemiske sensorer, der eksisterer, i stand til enkelt molekyle detektion.

Lys kobles typisk ind i disse resonatorer ved hjælp af en tilspidset optisk fiber, som let brydes, udsættes for vibrationsstøj og tidskrævende at fremstille, hvilket kræver omfangsrig og kostbar instrumentering samt specialiseret ekspertise. Brugen af ​​tilspidsede optiske fibre er hovedbarrieren for at lancere disse sensorer uden for laboratoriet.

Anført af prof. Judith Su har en forskergruppe fra Wyant College of Optical Sciences og Institut for Biomedicinsk Teknik ved University of Arizona demonstreret en måde at eliminere behovet for en tilspidset fiber ved at udføre fjernfeltsexcitation med en SNR> 26 dB. Dette blev gjort ved at bruge en enkelt objektivlinse til resonatorexcitation, overvågning af resonansbølgelængden og billeddannelse.

Systemet er mere kompakt, omkostningseffektivt og stabilt end koniske fiberbaserede koblinger. Den komplicerede proces med at trække en tilspidset fiber er ikke længere nødvendig. Faktorer af ultrahøj kvalitet (> 10 ⁸ ) blev opnået under anvendelse af mikrotoroider med en diameter på 100 mikron. Sus team viste, at det var muligt at forbedre fjernfeltskoblingseffektiviteten ved at bruge en meget divergerende laserstråle, og ved at scanne fjernfeltstrålen var det muligt at studere den elektriske feltprofil inde i resonatoren.

At opnå et fjernfelt-excitationssystem gør fuldt on-chip mikrotoroid-resonator-sensorplatforme mulige til feltbrug. Su's gruppe har tidligere vist, at mikrotoroid-resonatorer kan detektere farlige gasser ved lave dele pr. billion, og derfor kan et tidligt detektionssystem for farlig gas til praktisk brug snart udvikles. Sensorydeevnen af ​​dette system blev verificeret gennem et temperaturregistreringseksperiment.

Sideløbende arbejder Sus gruppe på at tilpasse systemet til biosensing detektion i vandige miljøer samt multiplekse sensorerne til simultan multi-target detektion.

"Vi mener, at dette fjernfeltskoblingssystem kan bruges til spektroskopi og biosensing, og er grundlaget for en fuldt on-chip mikrotoroid resonator sensing platform. Denne tilgang har gjort vores eksperimenter meget lettere. Vi sigter efter at miniaturisere vores system til at gør det mere bekvemt til praktisk brug," sagde Sartanee Suebka, første forfatter af papiret.