I ricercatori della Eindhoven University of Technology hanno sviluppato un nuovo, sensore ottico integrato che fornisce una maggiore risoluzione nelle misurazioni e apre la strada a sensori ottici completamente integrati e compatti, inclusi laser e rilevatori per piattaforme di rilevamento su chip. Tali sensori potrebbero svolgere un ruolo fondamentale nelle misurazioni accurate di spostamento e forza su scala nanometrica, fondamentale per la progettazione e la valutazione di microchip e nanodispositivi. Questa ricerca è stata pubblicata in Comunicazioni sulla natura .

Nell'era della nanoelettronica, la precisione è all'ordine del giorno. Per esempio, le nanostrutture possono essere monitorate con strumentazione nano-ottica:minuscola, sistemi basati sulla luce che misurano le più piccole variazioni di superficie, forze e movimenti. Poiché la risoluzione e la velocità sono essenziali, sensori di lettura ottici basati su sistemi optomeccanici sono spesso utilizzati in applicazioni di rilevamento come nei microscopi a forza atomica (AFM). Questi dispositivi generano immagini con risoluzione sub-nanometrica misurando la luce laser riflessa dalla deflessione di un cantilever su una superficie di interesse.

Però, gli approcci tradizionali basati sul laser come quelli degli AFM possono essere ingombranti, che insieme alla richiesta di costi inferiori e risoluzione più elevata, motiva la necessità di un approccio alternativo. Grazie agli sviluppi nei sistemi nano-optomeccanici (NOMS), sensori ottici compatti per la misurazione del movimento, forza, e massa su scala nanometrica sono realizzabili. Un fattore limitante è però la necessità di un laser sintonizzabile con una larghezza di linea stretta, che può essere difficile da incorporare adeguatamente su un dispositivo.

Per aggirare questo problema, Tianran Liu, Andrea Fiore, e colleghi dell'Istituto per l'integrazione fotonica del TU/e ​​hanno progettato un nuovo dispositivo optomeccanico con una risoluzione di 45 femtometri (che è circa 1/1000 delle dimensioni dell'atomo più piccolo) in un tempo di misurazione di una frazione di secondo. In modo cruciale, il dispositivo ha una larghezza di banda ottica ultra ampia di 80 nm, eliminando la necessità di un laser sintonizzabile.

Guide d'onda e ampio intervallo di lunghezze d'onda

Il sensore si basa su una piattaforma IMOS (membrana su silicio) al fosfuro di indio (InP), che è ideale per includere componenti passivi come laser o rilevatori. Il sensore stesso è costituito da quattro guide d'onda, strutture che limitano i segnali luminosi a un particolare percorso e direzione, con due guide d'onda sospese sopra due guide d'onda di uscita. Quando una guida d'onda sospesa viene spinta verso le guide d'onda di uscita sulla membrana InP, la quantità relativa di segnale trasportato dalle guide d'onda di uscita varia. La fabbricazione avviene tramite una serie di passaggi litografici per definire le guide d'onda e il cantilever, e il sensore finale è costituito dai trasduttori, attuatore, e fotodiodi.

Uno dei principali vantaggi di questo sensore è che opera in un'ampia gamma di lunghezze d'onda, che elimina la necessità di un costoso laser sul dispositivo. In termini di deflessione a sbalzo, il sensore replica anche la risoluzione dei cantilever nei tradizionali, ma AFM ingombranti. Utilizzando questo nuovo dispositivo come base, i ricercatori hanno in programma di sviluppare un intero "laboratorio di nanometrologia" integrato su un chip che può essere utilizzato per la metrologia dei semiconduttori e aiutare nella progettazione della prossima generazione di microchip e nanoelettronica.