Optomechanical Displacement Sensing with Coupled Photonic Crystal Resonators

Abstract

The goal of this research is to study optomechanical device platforms based on silicon MEMS (Micro- Electromechanical Systems) structures implementing coupled nanophotonic resonators for highly sensitive displacement sensing. The nanophotonic resonators employ photonic crystal structures that enables compact, high-Q optical resonance for high-performance displacement readout.

We design MEMS structures with controlled eigenmodes and mechanical resonance frequency. We then explore photonic crystal resonators for different geometric parameters to realize strong displacement-to-optical transduction. Analytical methods and finite element simulations are performed to model desired mechanical and optical responses.

Based on these modeling efforts, we fabricate optomechanical devices based on the SOI (silicon-on- insulator) platform by utilizing various nanofabrication techniques such as photolithography, electron-beam lithography, reactive ion etching, and HF vapor etching.

Basic optical and mechanical responses of the fabricated devices, including optical transmission, thermomechanical noises, and forced mechanical responses, are characterized using a home-built optical setup. Lastly, we will also explore optical packaging of the device for stable fiber-to-chip coupling for practical device applications

| 본 논문의 목표는 고감도 변위 측정을 위해 결합된 나노포토닉 공진기가 통합된 실리콘 MEMS 기반의 Optomechanical 소자 플랫폼을 개발하는 것입니다. 해당 나노포토닉 공진기는 Photonic crystal 구조를 채택하여 소형화된 크기에서도 높은 Q-factor를 구현함으로써 고성능 변위 판독을 가능하게 합니다.

먼저 고유모드와 기계적 공진 주파수가 정밀하게 제어된 MEMS 구조를 설계하고, 변위-광 변환 성능을 확보하기 위해 다양한 기하학적 파라미터에 따른 광결정 공진기의 특성을 분석합니다. 설계된 구조의 Optomechanical 응답을 예측하기 위해 해석적 모델링과 유한요소법 시뮬레이션을 병행합니다.

위와 같은 모델링 결과를 바탕으로 포토리소그래피, 전자빔 리소그래피, 반응성 이온 식각(RIE) 및 HF 증기 식각 등 정밀 나노 공정 기술을 활용하여 SOI 플랫폼 기반의 광기계 소자를 제작합니다.

제작된 소자는 자체 구축한 광학 측정 시스템을 통해 광 투과도, 열기계적 노이즈, 기계적 응답 등 핵심적인 광학 및 기계적 특성을 평가합니다. 최종적으로는 실제 소자 응용 및 상용화를 고려하여, 안정적인 광섬유-칩 결합을 위한 광 패키징 기술에 대해서도 고찰할 예정입니다.