Onderzoekers hebben een nieuw type optomechanisch apparaat ontwikkeld dat een microscopisch kleine siliciumschijf gebruikt om optische en mechanische golven te beperken. Het nieuwe apparaat is in hoge mate aanpasbaar en compatibel met commerciële productieprocessen, waardoor het een praktische oplossing is voor het verbeteren van sensoren die kracht en beweging detecteren.

Optomechanische apparaten gebruiken licht om beweging te detecteren. Ze kunnen worden gebruikt als laagvermogen, efficiënte bouwstenen voor de versnellingsmeters die de oriëntatie en beweging van een smartphone detecteren of die de airbag van een auto in een fractie van een seconde activeren na een ongeval. Wetenschappers werken eraan om deze apparaten kleiner en nog gevoeliger voor beweging te maken, krachten en trillingen.

Het identificeren van de kleinste bewegingen vereist een extreem hoge mate van interactie, of koppeling, tussen lichtgolven, die worden gebruikt voor detectie, en de mechanische golven die verbonden zijn met beweging. In het tijdschrift The Optical Society Optica Express , onderzoekers van de Universiteit van Campinas, Brazilië, melden dat hun nieuwe bullseye-schijfontwerp koppelingssnelheden bereikt die overeenkomen met die van de beste op het laboratorium gebaseerde optomechanische apparaten die zijn gerapporteerd.

Hoewel de meeste ultramoderne optomechanische apparaten worden gemaakt met apparatuur die niet algemeen verkrijgbaar is, het nieuwe bullseye-schijfapparaat is vervaardigd in een standaard commerciële gieterij met dezelfde processen die worden gebruikt om complementaire metaaloxide-halfgeleiderchips (CMOS) te vervaardigen, zoals die in de meeste digitale camera's worden gebruikt.

"Omdat het apparaat is gemaakt in een commerciële CMOS-gieterij, elke groep ter wereld zou het kunnen reproduceren, " zei Thiago P. Mayer Alegre, leider van de onderzoeksgroep. "Als er duizenden werden gemaakt, ze zouden allemaal op dezelfde manier presteren omdat we ze bestand hebben gemaakt tegen de fabricageprocessen van de gieterij. Het is ook veel goedkoper en sneller om dit soort apparaten in een CMOS-gieterij te maken in plaats van gespecialiseerde interne fabricagetechnieken te gebruiken."

Licht en beweging samenbrengen

De meeste optomechanische apparaten gebruiken hetzelfde mechanisme om zowel de lichte als de mechanische golven in een materiaal te beperken, waar de golven kunnen interageren. Echter, deze benadering kan de prestaties van optomechanische apparaten beperken, omdat alleen bepaalde materialen goed werken voor het beperken van zowel lichte als mechanische beweging.

"Als je de opsluitingsregels voor het licht en de mechanica loskoppelt, je kunt elk soort materiaal gebruiken, "zei Alegre. "Het maakt het ook mogelijk om het apparaat onafhankelijk aan te passen aan bepaalde lichtfrequenties of mechanische golffrequenties."

De onderzoekers creëerden een siliciumschijf van 24 micron breed die het licht en de mechanische golven beperkt met behulp van afzonderlijke mechanismen. Het licht is beperkt met totale interne reflectie, waardoor het licht van de rand van de schijf weerkaatst en in een cirkelvormige ring rond het buitenste gedeelte reist. De onderzoekers voegden cirkelvormige bosjes toe aan de schijf, waardoor het eruitziet als een roos, om mechanische beweging naar de buitenring te lokaliseren, waar het kan interageren met het licht. De schijf wordt ondersteund door een centrale sokkel waardoor de schijf kan bewegen.

"Radiale groeven zijn gebruikt om lichtgolven in andere apparaten te beperken, maar we namen dit idee en pasten het toe op mechanische golven, "zei Alegre. "Ons optomechanisch apparaat is het eerste dat radiale groeven gebruikt om mechanische en optische golven te koppelen."

De veelzijdigheid van het ontwerp van de bullseye-schijf betekent dat het kan worden gebruikt voor meer dan alleen bewegingsdetectie. Bijvoorbeeld, het maken van de schijf uit een laserend materiaal zou een laser kunnen creëren met pulsen of vermogensniveaus die worden bestuurd door beweging. Het apparaat zou ook kunnen worden gebruikt om zeer kleine en hoogfrequente optische modulatoren te maken voor telecommunicatietoepassingen.

De onderzoekers werken nu aan het verder verfijnen van het ontwerp van hun apparaat om nog beter te werken met CMOS-gieterijfabricageprocessen. Dit zou de hoeveelheid licht die door de schijf verloren gaat moeten verminderen en dus de algehele prestaties moeten verbeteren. Ze willen het apparaat ook nog praktischer maken door de optomechanische schijf te combineren met een geïntegreerde optische golfgeleider die licht van en naar het apparaat zou brengen, alles in één pakket.