"A high-resolution microchip optomechanical accelerometer". A. G. Krause, M. Winger, T. D. Blasius, Q. Lin, O. Painter. NATURE PHOTONICS. In press. DOI: 10.1038/nphoton.2012.245
The monitoring of acceleration is essential for a variety of
applications ranging from inertial navigation to consumer electronics.
Typical accelerometer operation involves the sensitive displacement
measurement of a flexibly mounted test mass, which can be realized using
capacitive, piezo-electric, tunnel-current or optical methods. Although optical detection provides superior displacement resolution, resilience to electromagnetic interference and long-range readout,
current optical accelerometers either do not allow for chip-scale
integration or utilize relatively bulky test mass sensors of low
bandwidth.
Here, we demonstrate an optomechanical accelerometer that makes use of
ultrasensitive displacement readout using a photonic-crystal nanocavity monolithically integrated with a nanotethered test mass of high mechanical Q-factor. This device achieves an acceleration resolution of 10 µg Hz−1/2
with submilliwatt optical power, bandwidth greater than 20 kHz and a
dynamic range of greater than 40 dB. Moreover, the nanogram test masses
used here allow for strong optomechanical backaction, setting the stage for a new class of motional sensors.
El seguimiento de la aceleración es esencia para toda una variedad de aplicaciones, que van desde la navegación inercial hasta los usuarios de electrónica. La operación típica de los acelerómetros involucra la medición sensible de desplazamientos de una masa de prueba flexible, lo cual se puede lograr usando métodos capacitivos, piezoeléctricos, ópticos o de corriente de tunelamiento. A pesar de que la detección óptica proporciona una mayor resolución en la detección de desplazamientos, resistencia a la interferencia electromagnética y una lectura de amplio intervalo, los actuales acelerómetros ópticos no permiten su integración en procesadores electrónicos o utilizan como sonda una masa de prueba muy grande con un ancho de banda muy pequeño. Aquí se muestra un acelerómetro optomecánico que hace uso de una lectura ultrasensible del desplazamiento a partir de una nanocavidad hecha de cristal fotónico, monolíticamente integrada a una masa de prueba sujeta nanométricamente, con un alto factor mecánico Q. Este dispositivo logra una resolución en la aceleración de 10 µg Hz−1/2 usando una potencia óptica por debajo de los miliwatts, un ancho de banda superior a los 20 kHz y un intervalo dinámico mayor a los 40 dB. Es más, las masas de prueba nanométricas que se usaron permiten una fuerte recuperación optomecánica, estableciendo así un nuevo tipo de sensores de movimiento.
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