Fabrikasjon og testing av Microfluidic optomekaniske oscillatorer
Summary
Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.
Abstract
Hulrom optomechanics eksperimenter som parametrisk par de fonon moduser og fotonmoduser har blitt undersøkt i ulike optiske systemer, inkludert microresonators. Men på grunn av den økte akustiske strålings tap i direkte flytende nedsenking av optomekaniske enheter, nesten alle publiserte optomekaniske Forsøkene er utført i fast fase. Artikkelen diskuterer en nylig innført hul microfluidic optomekaniske resonator. Detaljert metodikk er gitt for å dikte disse ultra-high-Q microfluidic resonatorer, utføre optomekaniske testing, og måle stråling press-drevet puste modus og SBS-drevet whispering gallery modusparametriske vibrasjoner. Ved å avgrense væsker inne i kapillær resonator, er høy mekanisk-og optisk kvalitet faktorer samtidig opprettholdes.
Introduction
Hulrom optomechanics studerer para kopling mellom fonon moduser og foton moduser i microresonators ved hjelp av stråling press (RP) 1-3 og stimulert Brillouin spredning (SBS) 4-6. SBS og RP mekanismer har blitt vist i mange forskjellige optiske systemer, som for eksempel fibre 7, mikrokulene, 4,6,8 toroider 1,9 og krystallinske resonatorer 5,10. Gjennom dette foton-fonon kopling, både kjøling 11 og eksitasjon 6,10 mekaniske modi er blitt demonstrert. Men nesten alle rapporterte optomechanics eksperimenter er med faste faser av saken. Dette er fordi direkte væske neddykking av optomekaniske enheter resulterer i sterkt økt strålings akustisk tap på grunn av den høyere impedansen av væsker sammenlignet mot luft. I tillegg, i enkelte situasjoner dissipative tapsmekanismene i væsker kan overskride strålings akustiske tap.
Recently, ble en ny type hul optomekaniske oscillator med en microcapillary geometri innført 12-15, og som ved design er utstyrt for microfluidic eksperimenter. Diameteren på denne kapillær er modulert langs sin lengde for å danne flere 'flaske resonatorer' som samtidig begrense optiske whispering-gallery resonanser 16 samt mekaniske resonansmodi 17. Flere familier av mekaniske resonansmodi delta, inkludert pustemoduser, vin-glass moduser, og whispering-gallery akustiske modi. Vin-glass (stående bølge) og whispering-gallery akustisk (reise-bølge) resonanser dannes når en vibrasjon med heltall multiplum av akustiske bølgelengder oppstår rundt enheten omkrets. Lys blir evanescently koplet inn i den optiske hviske-galleri måter disse "flasker" ved hjelp av en konisk optisk fiber 18.. Innesperring av væsken inne 19,20 kapillær resonator, sommotsetning til utenfor det, gir høy mekanisk-og optisk kvalitet faktorer samtidig, noe som gjør at den optiske eksitasjon av mekaniske modusene ved hjelp av både RP og SBS. Som det har blitt vist, er disse mekaniske eksitasjoner er i stand til å trenge inn i væsken inne i enheten 12,13, danner en delt faststoff-væske-resonansmodus og muliggjør en opto-mekanisk grensesnitt til fluidic miljøet innenfor.
I denne artikkelen beskriver vi fabrikasjon, RP og SBS aktivering, og representative måleresultater for denne romanen optomekaniske system. Spesifikke materielle og verktøylister er også gitt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi har fabrikkert og testet en ny enhet som bygger bro mellom hulrom optomechanics og MicroFluidics ved å bruke høy-Q optiske resonanser å opphisse (og avhøre) mekanisk vibrasjon. Det er overraskende at flere eksitasjon mekanismer er tilgjengelig i samme enhet, som genererer en rekke mekaniske vibrasjons moduser til priser som spenner over to MHz til 11 300 MHz. Sentrifugal stråling press støtter både wineglass moduser og pustemoduser i 2-200 MHz span, Forward stimulert Brillouin spredning tillater mekanisk hvisk…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was funded by Startup funding from the University of Illinois at Urbana-Champaign, DARPA ORCHID program through a grant from AFOSR, the National Science Foundation through grant CMMI-1265164, and the National Science Foundation Graduate Research Fellowship program. We acknowledge enlightening discussions with Prof. Jack Harris, Prof. Pierre Meystre, Dr. Matt Eichenfield, Prof. Taher Saif, and Prof. Rashid Bashir.
Materials
| Tunable IR laser | Newfocus | TLB-6328 | |
| Photodetectors | Newfocus | 1811-FC (Low speed 125MHz) / 1611-FC-AC (High speed 1GHz) | |
| Optical fiber | Corning | SMF28 | |
| Silica capillary | PolyMicro | TSP700850 | |
| 10.6 um wavelength CO2 laser | Synrad | 48-1KWM and 48-2KWM | |
| UV-curing optical adhesive | Thorlabs | NOA81 | |
| Tubing | Tygon | EW-06418-01 | |
| Syringes | B-D | YO-07940-12 | |
| Needles | Weller | KDS201P | |
| Electrical spectrum analyzer | Agilent Technologies | N9010A (EXA Signal Analyzer) | |
| Tektronix | 6114A (RSA, Real-time spectrum analyzer) | ||
| Optical spectrum analyzer | Advantest | Q8384 | |
| Oscilloscope | Tektronix | DPO 4104B-L | |
| Gold mirrors | II-VI Infrared | 836627 | |
| Linear stage (slow) | DryLin | H1W1150 | |
| Linear stage (fast) | PBC Linear | MTB055D-0902-14F12 | |
| Fabry Perot optical spectrum analyser | Thorlabs | SA 200-14A (FSR: 1.5 GHz) |
References
- Carmon, T., Rokhsari, H., Yang, L., Kippenberg, T., Vahala, K. Temporal Behavior of Radiation-Pressure-Induced Vibrations of an Optical Microcavity Phonon Mode. Physical Review Letters. 94 (22), (2005).
- Rokhsari, H., Kippenberg, T., Carmon, T., Vahala, K. J. Radiation-pressure-driven micro-mechanical oscillator. Optics Express. 13 (14), 5293-5301 (2005).
- Kippenberg, T. J., Rokhsari, H., Carmon, T., Scherer, A., Vahala, K. J. Analysis of Radiation-Pressure Induced Mechanical Oscillation of an Optical Microcavity. Physical Review Letters. 95 (3), 033901 (2005).
- Tomes, M., Carmon, T. Photonic Micro-Electromechanical Systems Vibrating at X-band (11-GHz) Rates. Physical Review Letters. 102 (11), (2009).
- Grudinin, I. S., Matsko, A. B., Maleki, L. Brillouin lasing with a CaF2 whispering gallery mode resonator. Physical Review Letters. 102 (4), 043902 (2009).
- Bahl, G., Zehnpfennig, J., Tomes, M., Carmon, T. Stimulated optomechanical excitation of surface acoustic waves in a microdevice. Nature Communications. 2 (403), (2011).
- Dainese, P., Russell, Stimulated Brillouin scattering from multi-GHz-guided acoustic phonons in nanostructured photonic crystal fibres. Nature Physics. 2 (6), 388-392 (2006).
- Carmon, T., Cross, M. C., Vahala, K. J. Chaotic Quivering of Micron-Scaled On-Chip Resonators Excited by Centrifugal Optical Pressure. Physical Review Letters. 98 (16), 167-203 (2007).
- Armani, D., Min, B., Martin, A., Vahala, K. J. Electrical thermo-optic tuning of ultrahigh-Q microtoroid resonators. Applied Physics Letters. 85 (22), 5439-5441 (2004).
- Savchenkov, A. A., Matsko, A. B., Ilchenko, V. S., Seidel, D., Maleki, L. Surface acoustic wave opto-mechanical oscillator and frequency comb generator. Optics Letters. 36 (17), 3338-3340 (2011).
- Bahl, G., Tomes, M., Marquardt, F., Carmon, T. Observation of spontaneous Brillouin cooling. Nature Physics. 8 (3), 203-207 (2012).
- Bahl, G., Kim, K. H., Lee, W., Liu, J., Fan, X., Carmon, T. Brillouin cavity optomechanics with microfluidic devices. Nature Communications. 4 (1994), (1994).
- Kim, K. H., et al. Cavity optomechanics on a microfluidic resonator with water and viscous liquids. Light: Science and Applications. , (2013).
- Sumetsky, M., Dulashko, Y., Windeler, R. S. Optical microbubble resonator. Optics Letters. 35 (7), 898-900 (2010).
- Lee, W., et al. A quasi-droplet optofluidic ring resonator laser using a micro-bubble. Applied Physics Letters. 99 (9), 091102-091103 (2011).
- Junge, C., Nickel, S., O’Shea, D., Rauschenbeutel, A. Bottle microresonator with actively stabilized evanescent coupling. Optics Letters. 36 (17), 3488-3490 (2011).
- Bahl, G., Fan, X., Carmon, T. Acoustic whispering-gallery modes in optomechanical shells. New Journal of Physics. 14 (11), 115026 (2012).
- Cai, M., Painter, O., Vahala, K. Observation of Critical Coupling in a Fiber Taper to a Silica-Microsphere Whispering-Gallery Mode System. Physical Review Letters. 85 (1), 74-77 (2000).
- Burg, T. P., Manalis, S. R. Suspended microchannel resonators for biomolecular detection. Applied Physics Letters. 83 (13), 2698-2610 (2003).
- Burg, T. P., et al. Weighing of biomolecules, single cells and single nanoparticles in fluid. Nature. 446 (7139), 1066-1069 (2007).
- Li, J., Lee, H., Chen, T., Vahala, K. J. Characterization of a high coherence, Brillouin microcavity laser on silicon. Optics Express. 20 (18), (2012).
- Knight, J. C., Cheung, G., Jacques, F., Birks, T. A. Phase-matched excitation of whispering-gallery-mode resonances by a fiber taper. Opt. Lett. 22 (15), 1129-1131 (1997).
- Boyd, R. W. . Nonlinear Optics. , (2003).
- Li, J., Lee, H., Vahala, K. J. Microwave synthesizer using an on-chip Brillouin oscillator. Nature Communications. 4 (2097), (2013).
- Carmon, T., Yang, L., Vahala, K. Dynamical thermal behavior and thermal self-stability of microcavities. Optics Express. 12 (20), 4742-4750 (2004).
