Оптомеханические устройства используют свет для обнаружения движения. Их можно использовать как маломощные и эффективные строительные блоки для акселерометров, которые определяют ориентацию и движение смартфона или запускают срабатывание подушки безопасности автомобиля за доли секунды после аварии. Ученые работают над тем, чтобы сделать эти устройства меньшими по размеру и еще более чувствительными к движению, силам и вибрациям.
Выявление мельчайших движений требует чрезвычайно высокого уровня взаимодействия или связи между световыми волнами, которые используются для обнаружения, и механическими волнами, связанными с движением. В журнале The Optics Express, опубликованном в журнале Optics Express, исследователи из Университета Кампинаса, Бразилия, сообщают, что их новая конструкция диска «яблочко» обеспечивает скорость сцепления, которая соответствует показателям лучших лабораторных оптомеханических устройств.
В то время как большинство современных оптомеханических устройств изготавливаются с использованием оборудования, которое не является широко доступным, новое дисковое устройство было изготовлено в стандартном промышленном литейном цехе с использованием тех же процессов, которые использовались для производства комплементарных металлооксидных полупроводников (CMOS). чипы, такие как те, что используются в большинстве цифровых фотоаппаратов.
«Поскольку устройство было изготовлено на заводе по производству коммерческих КМОП-структур, любая группа компаний в мире могла воспроизвести его», — сказал Тьяго П. Майер Алегре, руководитель исследовательской группы. «Если бы были произведены тысячи, все они работали бы одинаково, потому что мы сделали их устойчивыми к производственным процессам литейного производства. Кроме того, гораздо дешевле и быстрее изготавливать устройства такого типа на литейном цехе CMOS, а не использовать специальные собственные методы производства."
Объединение света и движения
Большинство оптомеханических устройств используют один и тот же механизм для удержания как световых, так и механических волн внутри материала, где волны могут взаимодействовать. Однако этот подход может ограничить производительность оптомеханических устройств, поскольку только определенные материалы хорошо подходят для ограничения как света, так и механического движения.
«Как только вы разделите правила удержания света и механики, вы сможете использовать любой тип материала», — сказал Алегре. «Это также дает возможность самостоятельно настроить устройство для работы с определенными частотами света или частотами механических волн."
Исследователи создали кремниевый диск шириной 24 микрона, который ограничивает световые и механические волны с помощью отдельных механизмов. Свет ограничен полным внутренним отражением, что заставляет свет отражаться от края диска и перемещаться по внешней части по круговому кольцу.
Исследователи добавили на диск круговые канавки, придав ему вид яблочного глаза, чтобы локализовать механическое движение на внешнем кольце, где оно может взаимодействовать со светом. Диск поддерживается центральной подставкой, которая позволяет диску перемещаться.
«Радиальные канавки использовались для ограничения световых волн в других устройствах, но мы взяли эту идею и применили ее к механическим волнам», — сказал Алегре. «Наше оптомеханическое устройство — первое, в котором радиальные канавки используются для связи механических и оптических волн."
Универсальность конструкции диска «яблочко» означает, что его можно использовать не только для определения движения. Например, изготовление диска из материала для генерации может создать лазер с импульсами или уровнями мощности, которые контролируются движением.
Устройство также может быть использовано для изготовления очень маленьких и высокочастотных оптических модуляторов для телекоммуникационных приложений.
В настоящее время исследователи работают над дальнейшим усовершенствованием конструкции своего устройства, чтобы оно работало еще лучше с процессами изготовления литейных КМОП. Это должно уменьшить количество света, теряемого диском, и, таким образом, улучшить общую производительность.
Они также хотят сделать устройство еще более практичным, объединив оптико-механический диск со встроенным оптическим волноводом, который будет направлять свет к устройству и от него, все в одном корпусе.