Les chercheurs ont développé un nouveau type de dispositif optomécanique qui utilise un disque de silicium microscopique pour confiner les ondes optiques et mécaniques. Le nouvel appareil est hautement personnalisable et compatible avec les processus de fabrication commerciaux, ce qui en fait une solution pratique pour améliorer les capteurs qui détectent la force et le mouvement.

Les appareils optomécaniques utilisent la lumière pour détecter les mouvements. Ils peuvent être utilisés en basse puissance, des blocs de construction efficaces pour les accéléromètres qui détectent l'orientation et le mouvement d'un téléphone intelligent ou qui déclenchent le déploiement de l'airbag d'une voiture en quelques secondes après un accident. Les scientifiques travaillent pour rendre ces appareils plus petits et encore plus sensibles au mouvement, forces et vibrations.

Identifier les plus petits mouvements nécessite des niveaux d'interaction extrêmement élevés, ou couplage, entre les ondes lumineuses, qui sont utilisés pour la détection, et les ondes mécaniques liées au mouvement. Dans le journal de la Société d'optique Optique Express , chercheurs de l'Université de Campinas, Brésil, rapportent que leur nouvelle conception de disque bullseye atteint des taux de couplage qui correspondent à ceux des meilleurs dispositifs optomécaniques de laboratoire signalés.

Alors que la plupart des dispositifs optomécaniques de pointe sont fabriqués à l'aide d'équipements qui ne sont pas largement disponibles, le nouveau disque bullseye a été fabriqué dans une fonderie commerciale standard avec les mêmes procédés que ceux utilisés pour fabriquer des puces complémentaires métal-oxyde-semiconducteur (CMOS), tels que ceux utilisés dans la plupart des appareils photo numériques.

"Parce que l'appareil a été fabriqué dans une fonderie commerciale CMOS, n'importe quel groupe dans le monde pourrait le reproduire, " a déclaré Thiago P. Mayer Alegre, chef du groupe de recherche. « Si des milliers étaient fabriqués, ils fonctionneraient tous de la même manière parce que nous les avons rendus résistants aux processus de fabrication de la fonderie. Il est également beaucoup moins cher et plus rapide de fabriquer ces types de dispositifs dans une fonderie CMOS plutôt que d'utiliser des techniques de fabrication spécialisées en interne. »

Réunir la lumière et le mouvement

La plupart des dispositifs optomécaniques utilisent le même mécanisme pour confiner à la fois les ondes lumineuses et mécaniques à l'intérieur d'un matériau, où les vagues peuvent interagir. Cependant, cette approche peut limiter les performances des dispositifs optomécaniques car seuls certains matériaux fonctionnent bien pour confiner à la fois la lumière et le mouvement mécanique.

"Une fois que vous découplez les règles de confinement pour la lumière et la mécanique, vous pouvez utiliser tout type de matériel, " a déclaré Alegre. " Il permet également d'adapter indépendamment l'appareil pour qu'il fonctionne avec certaines fréquences lumineuses ou fréquences d'ondes mécaniques. "

Les chercheurs ont créé un disque de silicium de 24 microns de large qui confine la lumière et les ondes mécaniques à l'aide de mécanismes distincts. La lumière est confinée avec une réflexion interne totale, ce qui fait que la lumière rebondit sur le bord du disque et se déplace autour de la partie extérieure dans un anneau circulaire. Les chercheurs ont ajouté des bosquets circulaires au disque, lui donnant l'apparence d'une cible, pour localiser le mouvement mécanique à la bague extérieure, où il peut interagir avec la lumière. Le disque est soutenu par un socle central qui permet au disque de se déplacer.

"Les bosquets radiaux ont été utilisés pour confiner les ondes lumineuses dans d'autres appareils, mais nous avons pris cette idée et l'avons appliquée aux ondes mécaniques, " a déclaré Alegre. "Notre dispositif optomécanique est le premier à utiliser des bosquets radiaux pour coupler les ondes mécaniques et optiques."

La polyvalence de la conception du disque bullseye signifie qu'il pourrait être utilisé pour plus que la détection de mouvement. Par exemple, fabriquer le disque à partir d'un matériau laser pourrait créer un laser avec des impulsions ou des niveaux de puissance contrôlés par le mouvement. Le dispositif pourrait également être utilisé pour fabriquer un modulateur optique très petit et à haute fréquence pour des applications de télécommunication.

Les chercheurs travaillent maintenant à affiner davantage la conception de leur appareil pour qu'il fonctionne encore mieux avec les processus de fabrication de fonderie CMOS. Cela devrait réduire la quantité de lumière perdue par le disque et ainsi améliorer les performances globales. Ils souhaitent également rendre l'appareil encore plus pratique en associant le disque optomécanique à un guide d'onde optique intégré qui apporterait la lumière vers et depuis l'appareil, le tout dans un seul paquet.