Aandrijving van geïntegreerde nanofotonische componenten door middel van de optische gradiëntkracht

Transcriptie

1 PHOTONICS RESEARCH GROUP Aandrijving van geïntegreerde nanofotonische componenten door middel van de optische gradiëntkracht Joris Roels 31/03/2011 PHOTONICS RESEARCH GROUP 1

2 Fiat lux (Genesis 1:3) PHOTONICS RESEARCH GROUP 2

3 Fiat fotonica Studie van het licht in al zijn facetten: -opwekken en detecteren van licht -manipuleren van eigenschappen van licht (bv kleur, snelheid, richting) -licht gebruiken als werktuig (bv interactie met materialen) PHOTONICS RESEARCH GROUP 3

4 verlichting energie biomedisch Fotonica materiaalbewerking informatietechnologie & telecommunicatie display, projector PHOTONICS RESEARCH GROUP 4

5 Fotonica for dummies PHOTONICS RESEARCH GROUP 5

6 Licht = Elektromagnetische golf Kleur = Golflengte = nm: zichtbaar = 1550 nm: telecom golflengte (IR) Toenemende golflengte infrarood licht PHOTONICS RESEARCH GROUP 6

7 Deeltje-golf dualiteit Licht is niet alleen golf, ook deeltje Elementair pakketje licht = foton licht = golf licht = fotonenstroom PHOTONICS RESEARCH GROUP 7

8 Lichtsnelheid c in vacuum = km/s Lichtsnelheid in materiaal neemt af met brekingsindex n = c/n n glas =1.44 lucht glas lucht glas Hoek te groot: licht ontsnapt uit materiaal Totale interne reflectie: alle licht blijft in materiaal PHOTONICS RESEARCH GROUP 8

9 Licht kan opgesloten worden in materiaal=golfgeleider mantel kern mantel Kern Licht Mantel PHOTONICS RESEARCH GROUP 9

10 Optische communicatie over vezel: -veel sneller dan elektrisch -basis van world wide web Hoe kunnen we nog beter doen? PHOTONICS RESEARCH GROUP 10

11 Nanofotonica PHOTONICS RESEARCH GROUP 11

12 Kracht van micro-elektronica: -integratie: circuits op klein plakje silicium = chip -miniaturisatie: steeds kleinere transistoren IC (integrated circuit) Krachtige, goedkope en in massa gefabriceerde elektronica beschikbaar voor iedereen (PC, laptop, GSM, ipod, ipad ) PHOTONICS RESEARCH GROUP 12

13 Zelfde concepten toepasbaar in fotonica: -integratie: fotonische circuits op klein plakje silicium = chip -miniaturisatie: steeds kleinere circuits PIC (photonic integrated circuit) PHOTONICS RESEARCH GROUP 13

14 Nanofotonische golfgeleider op silicium chip = miniatuurversie van optische vezel Silicium nanofotonische golfgeleider licht 450 nm 220 nm SiO 2 =glass Silicium substraat Si SiO 2 200nm PHOTONICS RESEARCH GROUP 14

15 Nanofotonische draad op een haar 100μm = 0.1mm PHOTONICS RESEARCH GROUP 15

16 Inkoppeling in nanofotonische golfgeleider licht in 10µm glasvezel 9µm versmalling nanofotonische golfgeleider geribbeld oppervlak buigt licht af in horizontale richting PHOTONICS RESEARCH GROUP 16

17 Fabricage met nanometerschaal nauwkeurigheid Cleanroom (stofvrije omgeving) Fabricage in IMEC (Leuven) in een CMOS lijn Complexe, dure toestellen (maar massafabricage mogelijk) Silicium nanofotonica: kernspecialiteit van Photonics Research Group PHOTONICS RESEARCH GROUP 17

18 Doel van dit doctoraat? PHOTONICS RESEARCH GROUP 18

19 Doel van dit doctoraat Mechanica als mogelijke strategie om passieve nanofotonica actief te maken. glasvezel (passief) beweegbare microspiegel (actief) PHOTONICS RESEARCH GROUP 19

20 Doel van dit doctoraat (2) Een object bewegen vergt een kracht. microspiegel werkt met elektrische coulombkracht moeilijk te combineren met nanofotonica Kan licht zelf als krachtbron voor beweegbare structuren op chip gebruikt worden? optomechanica geïntegreerd PHOTONICS RESEARCH GROUP 20

21 Licht als krachtbron 21 mei 2010, lancering van IKAROS (JAXA): aandrijving van ruimtetuig via stralingsdruk zon 7.5µm dik vierkant zeil van 200m² binnen 1 jaar 6800km/h Lichtkrachten kunnen significant zijn op grote oppervlakten PHOTONICS RESEARCH GROUP 21

22 Fysisch principe Impulsoverdracht: fotonen-> zeil Vergelijking met botsende knikkers Gereflecteerde fotonen hebben een beetje van hun energie afgestaan Zeil niet bruikbaar op chip PHOTONICS RESEARCH GROUP 22

23 Optisch pincet lichtintensiteit x gevangen microdeeltje 5µm laser spot y lichtintensiteit Microdeeltje wordt gevangen gehouden in centrum laser spot = pincet Lichtkrachten duwen deeltje naar regio met meest licht (centrum laser spot) PHOTONICS RESEARCH GROUP 23

24 Fysisch principe optische gradiëntkracht licht zorgt voor herschikking van ladingen in het deeltje: - + licht oefent kracht uit op ladingen: slechts netto kracht bij verschilllende lichtintensiteit links/rechts: E x F net qe - + q(e+de) dipool in veld gradiënt x PHOTONICS RESEARCH GROUP 24

25 Fysisch principe optische gradiëntkracht (2) materiaal ondervindt kracht naar plaats met meeste licht grote variatie in lichtsterkte over korte afstand: grote kracht optische gradiënt Sterke optische gradiënten vinden we ook terug bij nanofotonische golfgeleiders! PHOTONICS RESEARCH GROUP 25

26 Krachtwerking tussen nanofotonische golfgeleiders fabricage trillingsdetectie + calibratie krachtberekening experiment PHOTONICS RESEARCH GROUP 26

27 Fabricage van een vrijstaande nanofotonische golfgeleider Si nanofotonische golfgeleider (PRG specialiteit) SiO 2 PHOTONICS RESEARCH GROUP 27

28 Fabricage van een vrijstaande nanofotonische golfgeleider bedek chip met resist Si SiO 2 PHOTONICS RESEARCH GROUP 28

29 Fabricage van een vrijstaande nanofotonische golfgeleider Si SiO 2 maak gat in resistlaag PHOTONICS RESEARCH GROUP 29

30 Fabricage van een vrijstaande nanofotonische golfgeleider dompel chip onder in waterstoffluoride (HF) Si SiO 2 blootliggend SiO 2 (glas) wordt aangeëtst, Si (silicium) niet PHOTONICS RESEARCH GROUP 30

31 Fabricage van een vrijstaande nanofotonische golfgeleider verwijder resist masker Si SiO 2 Resultaat= brugstructuur, silicium snaar PHOTONICS RESEARCH GROUP 31

32 destructieve capillaire krachten treden op tijdens opdrogen vloeistof resultaat onderetstest PHOTONICS RESEARCH GROUP 32

33 druk Oplossing: drogen bij extreem hoge druk en temperatuur (superkritisch) superkritisch p c vaste stof vloeistof kritisch punt tripel punt gas T c temperatuur PHOTONICS RESEARCH GROUP 33

35 Trillingsdetectie g g= nm tweede nanofotonische golfgeleider in parallel koppeleffect afhankelijk van afstand tussen golfgeleiders licht in g P out (g) I. De Vlaminck et al., Detection of nanomechanical motion by evanescent light wave coupling, Applied Physics letters 90, (2007) PHOTONICS RESEARCH GROUP 35

36 g(t) optisch vermogen P out (t) tijd P out (t) tijd g(t) P in snaartrilling wordt ahw ingeprint in optisch signaal PHOTONICS RESEARCH GROUP 36

37 Vrijstaande parallelle golfgeleiders PHOTONICS RESEARCH GROUP 37

38 Spectrale dichtheid trilling (pm/rthz) twee snaren, twee signalen f (MHz) Trillingen kunnen gedetecteerd worden met een gevoeligheid van 2 fm Hz -1/2 1/ atoomdiameter, grootteorde protondiameter PHOTONICS RESEARCH GROUP 38

39 Spectrale dichtheid trlling (pm/rthz) Calibratie temperatuur = chaotische trilling van atomen in kristalrooster snaren ondergaan minieme trilling + grootte van de trilling kan gemakkelijk berekend worden: calibratie - optische kracht moet groter zijn dan zogenaamde browniaanse kracht om gedetecteerd te kunnen worden f (MHz) PHOTONICS RESEARCH GROUP 39

41 Fysisch principe optische gradiëntkracht licht zorgt voor herschikking van ladingen in materie (vorming dipolen): licht oefent kracht uit op ladingen: _ + _ + _ + _ + slechts netto kracht bij verschilllende lichtintensiteit links/rechts: F netto PHOTONICS RESEARCH GROUP 41

42 Licht kan slechts op twee manieren (=modes) door dubbele golfgeleider symmetrische mode anti-symmetrische mode PHOTONICS RESEARCH GROUP 42

43 Optische kracht (pn/µm/mw) Krachtberekening anti-symmetrisch afstotend aantrekkend spatiëring symmetrisch Si Si spatiëring (nm) vaste lijn = golfmodel bolletjes = deeltjesmodel controle over symmetrische/anti-symmetrische mode = controle over optische kracht PHOTONICS RESEARCH GROUP 43

45 vacuum set-up in vacuum om demping van de beweging door lucht te voorkomen PHOTONICS RESEARCH GROUP 45

46 browniaanse trilling bij verschillende drukken = = = demping neemt af in vacuum kwaliteitsfactor Q van de trilling neemt toe PHOTONICS RESEARCH GROUP 46

47 Symmetrische excitatie 50% 50% licht in vrijstaande dubbele golfgeleider PHOTONICS RESEARCH GROUP 47

48 Anti-symmetrische excitatie licht in vrijstaande dubbele golfgeleider via golflengte kan mode en dus type kracht (att/rep) geselecteerd worden PHOTONICS RESEARCH GROUP 48

49 Experiment probe laser registreert trilling probe pomp pomp laser induceert trilling (pulseert op frequentie van snaar) probe laser vacuum pomp laser optisch filter detector elektrische spectrum analyzer of oscilloscoop PHOTONICS RESEARCH GROUP 49

50 Optische kracht (pn/µm/mw) afstotend aantrekkend golflengte (nm) experimenteel bewijs: aantrekkende en afstotende kracht tussen golfgeleiders! J. Roels et al., Tunable optical forces between nanophotonic waveguides, Nat. Nanotechnology (2009) PHOTONICS RESEARCH GROUP 50

51 PHOTONICS RESEARCH GROUP 51

54 Feedback: op weg naar toepassingen voor optomechanica? PHOTONICS RESEARCH GROUP 54

55 Fysisch principe feedback optische kracht kan een beweging dempen of versterken hangt af van timing (schommel) feedback: kracht genereren op basis van opgemeten trillingssignaal snaartrilling lichtpulsen (probe laser) detector lichtpulsen (pomp laser) elektrische pulsen PHOTONICS RESEARCH GROUP 55

56 Feed-back experiment pomp laser vacuum probe laser versterker optisch filter vertragingslijn detector ESA PHOTONICS RESEARCH GROUP 56

57 PSD (dbm/rthz) Resultaat versterking: zeer krachtige trilling met zeer hoge kwaliteitfactor demping: interessant voor fundamentele fysica Q 2900 no FB versterking J. Roels et al., Parametric instability of an integrated micromechanical oscillator by means of optomechanical feedback, submitted to Optics Express -70 Q 180 demping f (MHz) PHOTONICS RESEARCH GROUP 57

58 Toepassingen van optomechanica -(massa) biosensing: 1GHz oscillator: f res verschuift met 5Hz/zg (biomolecule 100 zg) - crystal oscillators (in GSM, ), currently limited to MHz frequencies Probleem: hoogfrequente (GHz) oscillatoren = stijf optomechanica: verbetering uitlezing en aandrijving Nog veel marge voor verbetering: optomechanische effecten schalen exponentieel met afstanden tussen structuren! d n eff dg TE TM gap (µm) PHOTONICS RESEARCH GROUP 58

59 Samenvatting -licht kan gebruikt worden om nanofotonische golfgeleiders te laten bewegen -krachten kunnen zowel afstoten als aantrekken -met feedback kunnen trillingen met uiterst lage/hoge demping gemaakt worden - weg naar toepassingen is nog lang, dit doctoraat = pionierswerk PHOTONICS RESEARCH GROUP 59