Fabricage en testen van Microfluidic Optomechanische oscillators
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
Holte optomechanica experimenten die parametrisch paar de fonon modes en fotonmodes zijn onderzocht in diverse optische systemen, waaronder microresonators. Vanwege de verhoogde akoestische radiatieve verliezen in directe vloeistofomhulling van opto apparaten, bijna alle gepubliceerde opto experimenten zijn uitgevoerd in vaste fase. Dit artikel bespreekt een recent geïntroduceerde holle microfluïdische optomechanische resonator. Gedetailleerde methodologie wordt verstrekt aan deze ultra-high-Q microfluïdische resonatoren fabriceren, voeren optomechanische testen en meten van straling drukgedreven ademmode en SBS-driven fluistergalerij modus parametrische trillingen. Door het beperken van vloeistoffen in de capillaire resonator, worden hoge mechanische-en optische kwaliteit factoren tegelijk onderhouden.
Introduction
Cavity opto bestudeert de parametrische koppeling tussen fonon modes en fotonmodes in microresonators door straling druk (RP) 1-3 en gestimuleerde Brillouin-verstrooiing (SBS) 4-6. SBS en RP mechanismen aangetoond in verschillende optische systemen, zoals vezels 7, microsferen 4,6,8, ringkernen 1,9 en kristallijne resonatoren 5,10. Door deze foton-phononkoppeling, zowel koeling 11 en excitatie 6,10 mechanische functies aangetoond. Echter, bijna alle gemelde optomechanica experimenten met vaste fasen van de materie. Dit komt omdat directe vloeistofomhulling van de opto inrichtingen resultaten sterk toegenomen radiatieve akoestische verlies vanwege de hogere impedantie van vloeistoffen vergeleken met lucht. Daarnaast is in sommige situaties dissipatieve verlies mechanismen in vloeistoffen mag bedragen dan de stralingsbalans akoestische verliezen.
Recently, een nieuw soort holle optomechanische oscillator met een microcapillaire geometrie werd geïntroduceerd 12-15, en die door het ontwerp is uitgerust voor microfluïdische experimenten. De diameter van deze capillaire gemoduleerd wordt over de lengte van meerdere 'fles resonatoren' die tegelijkertijd beperken optische fluisteren-gallery resonanties 16 evenals de mechanische resonantiemodussen 17 vormen. Meerdere families van mechanische resonantiemodi deelneming, inclusief de ademhaling modi, wijnglas modes, en fluisterend-gallery akoestische modi. De wijn-glas (staande-golf) en gefluister-gallery akoestische (lopende golf) resonanties worden gevormd wanneer een trilling met een geheel veelvoud van akoestische golflengtes optreedt rondom het apparaat omtrek. Licht evanescently gekoppeld in de optische fluisteren-gallery vormen van deze "flessen" door middel van een tapse optische vezel 18. Opsluiting van de vloeistof in 19,20 de capillaire resonator, zoalstegen daarbuiten, maakt hoge mechanische en optische kwaliteit factoren tegelijk, dat de optische excitatie van mechanische modi kan dit zowel RP en SBS. Zoals is getoond, deze mechanische excitaties kunnen dringen in de vloeistof in de inrichting 12,13, tot een gedeeld vast-vloeibaar resonante modus, waardoor een opto-mechanische interface om de vloeibare omgeving binnen.
In dit artikel beschrijven we de fabricage, RP en SBS bediening, en representatieve meetresultaten voor deze roman optomechanische systeem. Specifieke materialen en gereedschap lijsten zijn ook aanwezig.
Protocol
Representative Results
Discussion
We hebben verzonnen en een nieuw toestel dat een brug tussen holte optomechanica en microfluidics door het gebruik van hoge-Q optische resonanties op te wekken (en ondervragen) mechanische trillingen getest. Het is verrassend dat verschillende excitatie mechanismen zijn in dezelfde inrichting, die een verscheidenheid van mechanische trillingsmodes een snelheid spanning 2 MHz tot 11.300 MHz genereren. Centrifugale stralingsdruk ondersteunt zowel wijnglas modes en ademhaling modi in het 2-200 MHz overspanning, Forward ges…
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).
