I ricercatori hanno sviluppato un nuovo tipo di dispositivo optomeccanico che utilizza un microscopico disco di silicio per confinare le onde ottiche e meccaniche. Il nuovo dispositivo è altamente personalizzabile e compatibile con i processi di produzione commerciale, rendendolo una soluzione pratica per migliorare i sensori che rilevano la forza e il movimento.

I dispositivi optomeccanici utilizzano la luce per rilevare il movimento. Possono essere usati come basso consumo, elementi costitutivi efficienti per gli accelerometri che rilevano l'orientamento e il movimento di uno smartphone o che attivano l'airbag di un'auto per attivarsi in una frazione di secondo dopo un incidente. Gli scienziati stanno lavorando per rendere questi dispositivi più piccoli e ancora più sensibili al movimento, forze e vibrazioni.

Identificare i movimenti più piccoli richiede livelli di interazione estremamente elevati, o accoppiamento, tra onde luminose, che vengono utilizzati per il rilevamento, e le onde meccaniche che sono legate al movimento. Nella rivista The Optical Society Ottica Express , ricercatori dell'Università di Campinas, Brasile, riferiscono che il loro nuovo design del disco bullseye raggiunge tassi di accoppiamento che corrispondono a quelli dei migliori dispositivi optomeccanici di laboratorio segnalati.

Sebbene la maggior parte dei dispositivi optomeccanici all'avanguardia siano realizzati utilizzando apparecchiature non ampiamente disponibili, il nuovo dispositivo disco bullseye è stato fabbricato in una fonderia commerciale standard con gli stessi processi utilizzati per produrre chip CMOS (metal-oxide-semiconductor) complementari, come quelli utilizzati nella maggior parte delle fotocamere digitali.

"Poiché il dispositivo è stato realizzato in una fonderia commerciale CMOS, qualsiasi gruppo al mondo potrebbe riprodurlo, " ha detto Thiago P. Mayer Alegre, capogruppo del gruppo di ricerca. "Se ne fossero fatti migliaia, avrebbero funzionato tutti allo stesso modo perché li abbiamo resi resistenti ai processi di fabbricazione della fonderia. È anche molto più economico e veloce realizzare questi tipi di dispositivi in ​​una fonderia CMOS piuttosto che utilizzare tecniche di fabbricazione interne specializzate".

Unendo luce e movimento

La maggior parte dei dispositivi optomeccanici utilizza lo stesso meccanismo per confinare sia le onde luminose che quelle meccaniche all'interno di un materiale, dove le onde possono interagire. Però, questo approccio può limitare le prestazioni dei dispositivi optomeccanici perché solo alcuni materiali funzionano bene per confinare sia la luce che il movimento meccanico.

"Una volta disaccoppiate le regole di confinamento per la luce e la meccanica, puoi utilizzare qualsiasi tipo di materiale, " ha detto Alegre. "È anche possibile personalizzare in modo indipendente il dispositivo per lavorare con determinate frequenze luminose o frequenze delle onde meccaniche".

I ricercatori hanno creato un disco di silicio largo 24 micron che confina le onde luminose e meccaniche utilizzando meccanismi separati. La luce è confinata con una riflessione interna totale, che fa sì che la luce rimbalzi sul bordo del disco e viaggi intorno alla porzione esterna in un anello circolare. I ricercatori hanno aggiunto boschetti circolari al disco, dandogli l'aspetto di un bersaglio, per localizzare il movimento meccanico sull'anello esterno, dove può interagire con la luce. Il disco è sostenuto da un piedistallo centrale che permette al disco di muoversi.

"Gli alberi radiali sono stati usati per confinare le onde luminose in altri dispositivi, ma abbiamo preso questa idea e l'abbiamo applicata alle onde meccaniche, " ha detto Alegre. "Il nostro dispositivo optomeccanico è il primo ad utilizzare le scanalature radiali per accoppiare onde meccaniche e ottiche."

La versatilità del design del disco bullseye significa che potrebbe essere utilizzato per qualcosa di più del rilevamento del movimento. Per esempio, realizzare il disco con un materiale laser potrebbe creare un laser con impulsi o livelli di potenza controllati dal movimento. Il dispositivo potrebbe anche essere utilizzato per realizzare modulatori ottici molto piccoli e ad alta frequenza per applicazioni di telecomunicazione.

I ricercatori stanno ora lavorando per perfezionare ulteriormente il design del loro dispositivo in modo che funzioni ancora meglio con i processi di fabbricazione della fonderia CMOS. Ciò dovrebbe ridurre la quantità di luce che viene persa dal disco e quindi migliorare le prestazioni complessive. Vogliono anche rendere il dispositivo ancora più pratico combinando il disco optomeccanico con una guida d'onda ottica integrata che porterebbe luce da e verso il dispositivo, tutto in un pacchetto.