Tillverkning och testning av Microfluidic optomechanical 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
Cavity optomekanik experiment som parametriskt par de phonon lägen och fotonlägen har undersökts i olika optiska system inklusive microresonators. Men på grund av de ökade akustiska strålningsförluster under direkt flytande nedsänkning av optomechanical enheter, nästan alla publicerade optomechanical experiment har utförts i fast fas. Denna uppsats behandlar ett nyligen infört ihålig mikroflödes optomekanisk resonator. Detaljerad metodik är anordnad för att tillverka dessa ultra-high-Q microfluidic resonatorer, utför optomekanisk testning, och mäta strålning tryckdriven andningsläge och SBS-drivna Whispering Gallery läges parametriska vibrationer. Genom att begränsa vätskor inuti kapillär resonator, är hög mekanisk och optisk kvalitet faktorer samtidigt bibehålls.
Introduction
Cavity optomekanik studerar parametriska kopplingen mellan phonon lägen och fotonlägen i microresonators med hjälp av strålningstryck (RP) 1-3 och stimulerad Brillouinspridning (SBS) 4-6. SBS-och RP-mekanismer har visats i många olika optiska system, såsom fibrer 7, mikrosfärer 4,6,8, toroider 1,9, och kristallina resonatorer 5,10. Genom denna foton phonon koppling, både kyla 11 och excitation 6,10 av mekaniska lägen har påvisats. Men nästan alla rapporterade optomekanik experiment med fasta faser av materia. Detta beror på att direkt vätske nedsänkning av optomechanical anordningar resulterar i avsevärt ökad strålnings akustisk förlust på grund av den högre impedansen hos vätskor jämfördes mot luft. Dessutom, i vissa situationer dissipativa förlustmekanismer i vätskor får överskrida de strålnings akustiska förluster.
Recently, var en ny typ av ihåliga optomekanisk oscillator med en mikrokapillär geometri infördes 12-15, och som genom sin konstruktion är utrustat för mikroflödesexperiment. Diametern på denna kapillär moduleras längs dess längd för att bilda multipla "bottle resonatorer 'som samtidigt begränsar optiska viska-gallery resonanser 16 liksom mekaniska resonansmoder 17. Flera familjer av mekaniska resonanslägen deltar, däribland andningslägen, vin-glas lägen och viskar-galleri akustiska lägen. Vin-glas Den (stående-våg) och viskar-galleri akustisk (travelling-wave) reson bildas när en vibration med heltal multipel av akustiska våglängder sker runt enheten omkrets. Ljus är evanescent kopplad till de optiska viska-gallery moder dessa "flaskor" med hjälp av en avsmalnande optisk fiber 18. Inneslutning av vätskan inuti 19,20 kapillär resonator, sommotsätter sig utanför den, möjliggör hög mekanisk och optisk kvalitet faktorer samtidigt, vilket möjliggör den optiska excitering av mekaniska lägen medelst både RP-och SBS. Såsom har visats, dessa mekaniska excitationer kan tränga in i vätskan inuti anordningen 12,13, som bildar ett gemensamt fast-vätskeresonansläge, vilket möjliggör en opto-mekaniska gränssnittet till fluidic miljö inom.
I denna uppsats beskriver vi tillverkning, RP och SBS manövrering, och representativa mätresultat för denna roman optomekanisk systemet. Särskilda material och verktygslistor finns också.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi har tillverkat och testat en ny enhet som broar mellan hålighet optomekanik och mikrofluidik genom att använda hög-Q optiska resonanser för att väcka (och förhöra) mekanisk vibration. Det är förvånande att flera exciteringsmekanismer finns i samma enhet, vilket genererar en mängd olika mekaniska vibrationslägen i mängder som spänner över 2 MHz till 11.300 MHz. Radialstrålningstryck stöder både vinglas lägen och andningslägen i 2-200 MHz-span, Forward stimulerad Brillouinspridning tillåter mekanis…
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).
