Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben een nieuwe, geïntegreerde optische sensor die zorgt voor een hogere resolutie bij metingen en de weg vrijmaakt voor volledig geïntegreerde en compacte optische sensoren, inclusief lasers en detectoren voor on-chip detectieplatforms. Dergelijke sensoren kunnen een cruciale rol spelen bij nauwkeurige verplaatsings- en krachtmetingen op nanoschaal, wat cruciaal is voor het ontwerp en de evaluatie van microchips en nanodevices. Dit onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

In het tijdperk van nano-elektronica, precisie is aan de orde van de dag. Bijvoorbeeld, nanostructuren kunnen worden gevolgd met nano-optische instrumentatie - kleine, op licht gebaseerde systemen die de kleinste oppervlaktevariaties meten, krachten en bewegingen. Omdat resolutie en snelheid essentieel zijn, optische uitleessensoren op basis van optomechanische systemen worden vaak gebruikt in detectietoepassingen zoals in atomic force microscopen (AFM's). Deze apparaten genereren afbeeldingen met een resolutie van minder dan nanometer door het laserlicht te meten dat wordt gereflecteerd door de afbuiging van een cantilever over een van belang zijnd oppervlak.

Echter, traditionele lasergebaseerde benaderingen zoals die in AFM's kunnen omvangrijk zijn, die samen met de vraag naar lagere kosten en hogere resolutie, motiveert de noodzaak van een alternatieve aanpak. Dankzij ontwikkelingen in nano-optomechanische systemen (NOMS), compacte optische sensoren voor het meten van beweging, kracht, en massa op nanoschaal haalbaar zijn. Een beperkende factor is echter de behoefte aan een afstembare laser met een smalle lijnbreedte, die moeilijk adequaat op een apparaat te integreren zijn.

Om dit probleem te omzeilen, Tianran Liu, Andrea Fiore, en collega's van het Institute for Photonic Integration van de TU/e ​​ontwierpen een nieuw optomechanisch apparaat met een resolutie van 45 femtometers (dat is ongeveer 1/1000 van de grootte van het kleinste atoom) in een meettijd van een fractie van een seconde. Cruciaal, het apparaat heeft een ultrabrede optische bandbreedte van 80 nm, het wegnemen van de eis voor een afstembare laser.

Golfgeleiders en groot golflengtebereik

De sensor is gebaseerd op een indiumfosfide (InP) membraan-op-silicium (IMOS) platform, wat ideaal is voor het opnemen van passieve componenten zoals lasers of detectoren. De sensor zelf bestaat uit vier golfgeleiders - structuren die lichtsignalen beperken tot een bepaald pad en een bepaalde richting - met twee golfgeleiders die boven twee uitgangsgolfgeleiders hangen. Wanneer een zwevende golfgeleider naar de uitgangsgolfgeleiders op het InP-membraan wordt geduwd, de relatieve hoeveelheid signaal gedragen door de uitgangsgolfgeleiders varieert. Fabricage vindt plaats via een reeks lithografische stappen om de golfgeleiders en cantilever te definiëren, en de laatste sensor bestaat uit de transducers, aandrijver, en fotodiodes.

Een van de belangrijkste voordelen van deze sensor is dat hij werkt in een groot bereik van golflengten, waardoor er geen dure laser op het apparaat nodig is. In termen van doorbuiging van de cantilever, de sensor repliceert ook de resolutie van cantilevers in traditionele, maar omvangrijke AFM's. Met dit nieuwe apparaat als basis, de onderzoekers zijn van plan een volledig "nanometrielab" te ontwikkelen dat is geïntegreerd op een chip die kan worden gebruikt voor halfgeleidermetrologie en kan helpen bij het ontwerp van de volgende generatie microchips en nano-elektronica.