Os pesquisadores desenvolveram um novo tipo de dispositivo optomecânico que usa um disco de silício microscópico para confinar as ondas ópticas e mecânicas. O novo dispositivo é altamente personalizável e compatível com processos de fabricação comercial, tornando-se uma solução prática para melhorar os sensores que detectam força e movimento.

Dispositivos optomecânicos usam luz para detectar movimento. Eles podem ser usados ​​como de baixo consumo, blocos de construção eficientes para os acelerômetros que detectam a orientação e o movimento de um smartphone ou que acionam o airbag de um carro para disparar frações de segundos após um acidente. Os cientistas estão trabalhando para tornar esses dispositivos menores e ainda mais sensíveis ao movimento, forças e vibrações.

Identificar os menores movimentos requer níveis extremamente altos de interação, ou acoplamento, entre as ondas de luz, que são usados ​​para detecção, e as ondas mecânicas que estão ligadas ao movimento. No jornal The Optical Society Optics Express , pesquisadores da Universidade Estadual de Campinas, Brasil, relatam que seu novo design de disco bullseye atinge taxas de acoplamento que correspondem às dos melhores dispositivos optomecânicos baseados em laboratório relatados.

Embora a maioria dos dispositivos optomecânicos de última geração sejam feitos com equipamentos que não estão amplamente disponíveis, o novo dispositivo de disco bullseye foi fabricado em uma fundição comercial padrão com os mesmos processos usados ​​para fabricar chips semicondutores de óxido de metal complementares (CMOS), como os usados ​​na maioria das câmeras digitais.

"Como o dispositivo foi feito em uma fundição comercial CMOS, qualquer grupo do mundo poderia reproduzi-lo, "disse Thiago P. Mayer Alegre, líder do grupo de pesquisa. "Se milhares fossem feitos, todos eles teriam o mesmo desempenho, porque os tornamos resilientes aos processos de fabricação da fundição. Também é muito mais barato e rápido fazer esses tipos de dispositivos em uma fundição CMOS, em vez de usar técnicas especializadas de fabricação interna. "

Trazendo luz e movimento juntos

A maioria dos dispositivos optomecânicos usa o mesmo mecanismo para confinar a luz e as ondas mecânicas dentro de um material, onde as ondas podem interagir. Contudo, esta abordagem pode limitar o desempenho de dispositivos optomecânicos porque apenas certos materiais funcionam bem para confinar o movimento leve e mecânico.

"Depois de desacoplar as regras de confinamento para a luz e a mecânica, você pode usar qualquer tipo de material, "disse Alegre." Também é possível adaptar o dispositivo de forma independente para funcionar com certas frequências de luz ou frequências de ondas mecânicas. "

Os pesquisadores criaram um disco de silício de 24 mícrons de largura que confina a luz e as ondas mecânicas usando mecanismos separados. A luz é confinada com reflexão interna total, o que faz com que a luz reflita na borda do disco e viaje ao redor da parte externa em um anel circular. Os pesquisadores adicionaram arvoredos circulares ao disco, dando a aparência de um alvo, para localizar o movimento mecânico para o anel externo, onde pode interagir com a luz. O disco é apoiado por um pedestal central que permite que o disco se mova.

"Os bosques radiais têm sido usados ​​para confinar as ondas de luz em outros dispositivos, mas pegamos essa ideia e a aplicamos a ondas mecânicas, "disse Alegre." Nosso dispositivo optomecânico é o primeiro a usar sulcos radiais para acoplar ondas mecânicas e ópticas. "

A versatilidade do design do disco bullseye significa que ele pode ser usado para mais do que apenas detectar movimentos. Por exemplo, fazer o disco com um material laser poderia criar um laser com pulsos ou níveis de energia controlados pelo movimento. O dispositivo também pode ser usado para fazer modulador óptico muito pequeno e de alta frequência para aplicações de telecomunicações.

Os pesquisadores agora estão trabalhando para refinar ainda mais o design de seus dispositivos para funcionar ainda melhor com os processos de fabricação de fundição CMOS. Isso deve diminuir a quantidade de luz que é perdida pelo disco e, assim, melhorar o desempenho geral. Eles também querem tornar o dispositivo ainda mais prático, combinando o disco optomecânico com um guia de ondas óptico integrado que traria luz de e para o dispositivo, tudo em um pacote.