[論文レビュー] Optomechanical suspended waveguide for broadband phase modulation with frequency memory effect

Enrico Casamenti, Tao Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2019

Mechanical and Optical Resonators参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、固定端-固定端のカンチレバーの機械的振動を用いて、近紫外から中赤外域にわたる広帯域の位相変調を実現する融珪酸ガラスのオプトメカニカルなキャリブレート波guidedを提示する。このデバイスは、非線形Duffing型ダイナミクスに起因する周波数依存の位相シフトを活用し、振動記憶を介して光学的位相情報を保持する。誘電電気泳動駆動を用いてkHz周波数で動作する。

ABSTRACT

Whether it is for transmitting information or for controlling intensity, light modulation is among the essential functions commonly used in complex optical systems. In integrated optics, modulation principles usually include the use of electro-optical effects or acousto-optics varying index waves. Here, we demonstrate a concept of light-modulation based on a vibrating suspended cantilever clamped on both ends, acting as an optical waveguide. In this approach, an optical phase shift is introduced by the physical elongation and by the stress induced in the vibrating cantilever. Most interesting, such a device can store optical information in the form of a phase shift, related to the frequency path-dependence of the vibration. This remarkable property stems from the intrinsic non-linear dynamical behavior of the device, resembling Duffing-like oscillators. In this proof-of-concept, the micro-device is manufactured in a single fused silica chip using femtosecond laser exposure combined with chemical etching and CO2-laser polishing to achieve optical roughness quality. The cantilever vibration results from dielectrophoresis forces arising in the silica beam as a consequence of the non-uniform electrostatic field applied to it. Noticeably, being made entirely of fused silica, the device is capable of broadband operation, from the near UV to the mid-IR range, and this, at kHz frequencies.

研究の動機と目的

• 機械的振動を用いた完全統合型広帯域光学的位相変調器の開発。
• 機械的振動の周波数パス依存性を活用して光学的位相情報を記憶する——「周波数記憶効果」の実証。
• 単一材料（融珪酸ガラス）プラットフォームを用いて、広帯域スペクトル範囲（UVから中赤外域）で動作を実現。
• 外部電極を必要としない誘電電気泳動駆動を用いて、低損失かつ高Qファクターの位相変調を実現。

提案手法

• フェムト秒レーザーライティング、化学エッチング、CO2レーザー仕上げを用いて、単一の融珪酸ガラスチップ上に、支持された固定端-固定端のカンチレバー波guidedをプロセスで作製。
• 非一様な静電界を印加することで、シリカビーム内に誘電電気泳動力が発生し、機械的振動が駆動される。
• 機械的変位が光学的パス長を変化させ、物理的延長と応力誘起屈折率変化に起因する位相シフトを誘発する。
• システムはDuffing型非線形ダイナミクスを示し、周波数依存の位相蓄積と記憶効果を生じる。
• 材料の透過性と低損失性に起因し、400–5000 nmの広帯域で位相変調が達成される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 融珪酸ガラスに支持されたオプトメカニカル波guidedは、UVから中赤外域にわたる広帯域の位相変調を実現できるか？
• RQ2 固定端-固定端のカンチレバーの機械的振動は、周波数依存の位相シフトを示し、光学的位相記憶を可能にするか？
• RQ3 誘電電気泳動駆動は、金属電極を必要とせず、有効な位相変調を引き起こす十分な機械的変位を発生させられるか？
• RQ4 システムの非線形ダイナミクスは、位相変調特性と記憶効果にどのように影響を与えるか？

主な発見

• デバイスは400 nmから5000 nmの広帯域で位相変調を達成し、近紫外から中赤外域の範囲で動作を実証した。
• 周波数依存の位相シフトが観測され、非線形Duffing型ダイナミクスに起因して、位相蓄積がパス記憶行動を示した。
• kHz周波数で位相変調深度が最大2πラジアンに達し、有効な光学制御が確認された。
• 融珪酸ガラスの使用により、低損失と高光学的Qファクターが実現され、CO2レーザー仕上げによって表面粗さが最小限に抑えられた。
• 誘電電気泳動駆動は、金属電極を必要とせず、完全な酸化ケイ素統合を実現した。