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扭曲感应:一种新型光学纳米传感器使用扭矩进行信号处理

发布时间:2019-01-26 13:12:13 来源:

纳米传感器的世界可能很小,但需求量很大且不断增长,几乎没有放缓的迹象。随着电子设备变得越来越小,它们提供精确的,基于芯片的动态物理特性(例如运动)感知的能力变得难以开发。

一个国际研究小组已经对这一挑战进行了直接的改进,展示了一种新的纳米级光机械谐振器,能够以近乎最先进的灵敏度检测扭转运动。它们耦合光的谐振器也表现出扭转频率混合,这是一种利用机械运动影响光能的新颖能力。他们本周在AIP出版社的应用物理快报杂志上报道了他们的工作。

“随着纳米技术的发展,测量和控制纳米级扭转运动的能力可以为探索自然提供强大的工具,”中国西安交通大学的蒋建国说,该作品的作者之一。他还隶属于南洋理工大学和新加坡A * STAR微电子研究所。“我们提出了一种新颖的'腔内梁'设计,其中扭转机械谐振器嵌入到跑道光学腔中,以展示纳米级扭转运动传感。”

光已经以某种类似的方式用于检测纳米材料的机械弯曲或“呼吸”,通常需要复杂且灵敏地耦合到光源。这种新方法不仅在检测纳米级扭矩方面是新颖的,而且在其集成的光耦合设计中也是新颖的。

使用基于硅的纳米加工方法,Huang和他的团队设计了这种器件,允许光通过蚀刻光栅直接耦合到称为跑道腔的波导配置,纳米谐振器位于其中。

“当光通过光栅耦合器耦合到跑道腔中时,腔内的机械扭转运动会改变光的传播并改变输出光的功率,”Huang说。“通过检测输出光的微小变化,可以测量扭转运动。”

除了仅检测其微米长度杠杆臂上的扭矩之外,谐振器还可以影响入射信号的最终光学特性。机械系统的扭转频率与调制的光信号混合。

“最令人惊讶的部分是,当我们调制输入光时,我们可以观察到频率混合,”Huang说。“这对于频率混合来说是令人兴奋的,因为之前它只是通过弯曲或呼吸模式证明的。这是扭转频率混合的第一次演示,这可能对片上RF信号调制产生影响,例如使用光学的超外差接收器机械共振器。“

这只是基于扭矩的纳米传感器的潜在用途的开始。从理论上讲,这些设备可以为信号处理和传感应用提供许多频率技巧。

“我们将继续探索这种扭转光学机械传感器的独特特征,并试图展示新的现象,例如隐藏在传感背后隐藏的色散和耗散光机械耦合,”Huang说。“对于工程,磁性或电敏材料可以涂在扭转梁的表面,以感应物理场的微小变化,如磁场或电场,作为多功能传感器。”

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