Fully integrated transducer platform with cavity optomechanical readout

Michels, Thomas GND

Research and development of transducers based on cavity optomechanics is a topic of high interest particularly because these transducers enable measurement of mechanical motion down to the fundamental limit of precision imposed by quantum mechanics. The development of an on-chip cavity optomechanical transducer platform that combines high bandwidth and sensitivity near the standard quantum limit with compactness, robustness, small size, and potential for low cost batch fabrication inherent in MEMS is demonstrated as a proof of concept study. Design, fabrication and characterization of fully integrated and fiber pigtailed transducers is presented. The devices combine high sensitivity (0.14 - 40 fm·Hz^(-1/2), high bandwidth optomechanical readout and built-in thermal and electrostatic actuation. It is implemented by a double-side wafer-scale microfabrication process combining one e-beam, six stepper, and three contact mask aligner lithography steps. The SiN probes can be actuated using an electrical signal supplied to an integrated thermal or electrostatic actuator. The probe is evanescently coupled to a high-Q (10^5 - 2 x 10^6) optical whispering gallery mode of the optical microdisk cavity and the motion is detected by measuring the resonance frequency shift of the optical cavity mode. The actuator can be used to dynamically move the probe as well as to tune the distance between the cantilever and the optical cavity, to change the sensitivity and range of measurement of the cantilever. One side of the probe overhangs the edge of the chip, where it can be easily coupled to a variety of off-chip samples and physical systems of interest. The modular design of the transducer allows for parallelization, which enables the possibility of sensor arrays for simultaneous detection of multiple forces or other physical properties. Parallelization is shown on a 2x1 array, which can be easily extended to larger array architectures. The application of the probe arrays and single probes in a commercial scanning probe microscope is shown. In addition the flexibility of this transducer approach is demonstrated with membrane transducers and acceleration sensors. The performance of all presented transducers is studied, focusing on displacement sensitivity, frequency stability and readout gain tuning.

Forschung und Entwicklung von Wandlern basierend auf kavität- optomechanischen Elementen ist ein Forschungsgebiet von hohem Interesse. Sie kombiniert hohe Bandbreiten und Empfindlichkeit nahe dem Standardquantumlimit mit Kompaktheit, Robustheit, kleinen Abmessungen und dem Potential für eine wirtschaftliche Massenproduktion systemimmanent bei mikroelektromechanischen Systemen. Vollintegrierte Wandler erlauben demnach Bewegungsmessungen bis hin zum fundamentalen Quantenlimit. In dieser Arbeit werden Design, Herstellung und Charakterisierung eines vollintegrierten und glasfasergekoppelten Wandlers in einer Machbarkeitsstudie dargestellt. Das System kombiniert hohe Verschiebungsauflösungen 0.14 - 40 fm· Hz^(-1/2), optomechanische Detektion mit hoher Bandbreite und eine eingebaute thermische und elektrostatische Anregung. Die Herstellung erfolgt in einem doppelseitigen mikro- und nanotechnischen Fertigungsverfahren auf Waferbasis, in einer Kombination aus einem Elektronenstrahllithographieschritt, sechs Projektionslithographieschritten und drei Kontaktlithographie Schritten. Die Siliziumnitrid-Sonden können mittels eines elektrischen Signals, angelegt an den integrierten thermischen oder elektrostatischen Aktuator, angeregt werden. Sie sind optisch über das evanecente Feld mit einer optischen Kavität hoher Güte (10^5 - 2 x 10^6) gekoppelt. Die Bewegung der Sonde wird detektiert über eine Veränderung der Resonanzfrequenz der Kavität. Die eingebauten Aktuatoren ermöglichen die Einstellung des Abstandes zwischen Sonde und optischer Kavität, welche die Einstellung der Sensitivität ermöglicht. Eine Seite der Sonde steht über die Kante des Siliziumchips, um die Kopplung mit einer Vielzahl von Proben und physikalischen Systemen zu erlauben. Die modulare Bauweise des Wandlers schafft die Grundlage zur Parallelisierung der Sonden für die gleichzeitige Messung mehrerer Kräfte oder physikalischer Eigenschaften. Die Parallelisierung wird in dieser Arbeit am Beispiel eines 2x1 Array gezeigt, welche mit geringem Aufwand auf größere Arrayarchitekturen angepasst werden kann. Zur Demonstration der Funktion von Einzelsonden und Sondenarrays, wird die Sondenanwendung in der Rasterkraftmikroskopie präsentiert. Des Weiteren wird die Flexibilität der Wandlerbauweise an der Herstellung von Membrane- und Beschleunigungswandlern belegt. Das Verhalten aller hergestellten Wandler wird hinsichtlich der Bewegungsempfindlichkeit, Frequenzstabilität, und Einstellbarkeit der Auslesung analysiert.

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Michels, T., 2020. Fully integrated transducer platform with cavity optomechanical readout. Ilmenau.
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