High-Q mechanical silicon oscillators in optomechanical sensor applications

Abstract

Optical interferometry on a well-defined mirror surface is the most promising technique to reach a sufficient measurement sensitivity so that eventually the detection of various long-sought quantum mechanical phenomena of macroscopic objects would be possible. Such goals would be for example to observe gravitational waves, standard quantum limit (SQL) and true nonlocal entanglement of macroscopic objects. In this work, two very sensitive optomechanical sensors to detect extremely small displacements in the position of a moving cavity mirror were constructed and characterized. The first sensor configuration utilizes a microfabricated, high-reflectivity (HR)-coated torsional high-Q silicon oscillator as a moving rear mirror in a Fabry-Pérot interferometer. The position of the oscillator was measured using the Hänsch-Couillaud stabilization technique. This sensor setup was used to demonstrate experimentally that an additional intensity modulated laser beam can be used to optically actuate the mechanical resonance of a macroscopic silicon oscillator through radiation pressure and photothermal effects.

For the second optomechanical sensor, a novel high-Q mechanical silicon oscillator, which effectively vibrates in a non-tilting out-of-plane mode, was designed and fabricated. The benefit of this oscillator design, if compared to traditional flexural, torsional and many bulk acoustic mode oscillators, is that the action of weak forces is observed to cause only pure linear translation of the moving mirror without any tilting or deformation of the mirror surface. The resonance frequency and the Q value of the uncoated oscillator were f0 = 27.5 kHz and Q = 100 000 (at p = 0.01 mbar and T = 300 K). This is the highest reported Q value for a non-tilting out-of-plane mode oscillator. The HR-coated non-tilting oscillator was then employed as a moving cavity mirror and the Pound-Drever-Hall method was used to stabilize the laser frequency to the high-finesse (ℱ = 2 600) optical cavity and to measure oscillator mirror displacements at a femtometer level.

In addition, the effects of the atomic layer deposited (ALD) alumina thin films on the dynamic, thermomechanical and optical characteristics of a high-Q mechanical silicon oscillator were studied. It was demonstrated that ALD alumina films with thickness at least up to 100 nm can be deposited on microfabricated mechanical resonant structures without any degrading of the initially high mechanical quality of the resonance. This is of great importance when depositing functional, protective and optical thin films on sensitive micromechanical devices. It was also shown that thin ALD alumina films effectively stiffen the resonant structure leading to the increase in the resonance frequency with increasing the film thickness and that the temperature sensitivity of the resonance frequency decreases as the film thickness increases.

Optinen interferometria on lupaavin menetelmä saavuttaa riittävä mittausherkkyys, joka viimein mahdollistaisi makroskooppisten kappaleiden mittaamiseen liittyvien kvantti-ilmiöiden havainnoinnin. Tällaisia ilmiöitä ovat mm. gravitaatioaallot, mittauksen kvanttiraja (SQL) ja toisistaan erillään olevien kappaleiden kvanttimekaaninen kytkeytyminen (entanglement). Tässä työssä rakennettiin ja karakterisoitiin kaksi optomekaanista sensoria, jotka pystyvät mittaamaan erittäin pieniä kaviteettipeilin liikkeitä. Ensimmäisessä optomekaanisessa sensorissa käytettiin suurihyvyyslukuista torsionaalista mikromekaanista piivärähtelijää Fabry-Pérot interferometrin liikkuvana peilinä. Piivärähtelijän liikettä mitattiin Hänsch-Couillaud stabilointimenetelmän avulla. Tällä optomekaanisella sensorilla osoitettiin, että intensiteettimoduloitua lasersädettä voidaan käyttää makroskooppisen mekaanisen värähtelijän resonanssin optiseen herättämiseen säteilypaineen ja valotermisen vaikutuksen avulla.

Toista optomekaanista sensoria varten suunniteltiin ja valmistettiin täysin uudentyyppinen suurihyvyyslukuinen piivärähtelijä, joka värähtelee komponentin pinnantasoon nähden kohtisuorassa suunnassa. Tämän värähtelijärakenteen etu verrattuna perinteisiin taipuma-, kiertymä- ja tilavuusaaltovärähtelijöihin on se, että värähtelijään vaikuttava heikko mekaaninen voima aiheuttaa ainoastaan peilitason lineaarisen siirtymän ilman peilipinnan kiertymistä tai taipumista. Pinnoittamattoman piivärähtelijän resonanssitaajuus oli f0 = 27.5 kHz ja hyvyysluku Q = 100 000 (p = 0.01 mbar ja T = 300 K). Kyseessä on korkein raportoitu Q-arvo tämän tyyppiselle värähtelijärakenteelle. Peilipinnoitettu piivärähtelijä asennettiin optisen kaviteetin liikkuvaksi peiliksi. Pound-Drever-Hall menetelmää käytettiin lukitsemaan laserin taajuus korkeafinessiseen (ℱ = 2 600) optiseen kaviteettiin ja mittaamaan piivärähtelijän liikettä jopa femtometritasolla.

Lisäksi tutkittiin atomikerroskasvatettujen (ALD) alumiinioksidiohutkalvojen vaikutuksia suurihyvyyslukuisten mekaanisten piivärähtelijöiden dynaamisiin, lämpömekaanisiin ja optisiin ominaisuuksiin. Tässä työssä osoitettiin, että on mahdollista kasvattaa vähintään 100 nm paksuisia alumiinioksidiohutkalvoja mikromekaanisten värähtelijöiden pinnalle huonontamatta mekaanisen resonanssin hyvyyslukua. Tämä on hyvin tärkeä ominaisuus kasvatettaessa toiminnallisia, suojaavia ja optisia ohutkalvoja mikromekaanisten komponenttien pinnalle. Alumiinioksidikerrosten todettiin jäykistävän värähtelijärakennetta, minkä johdosta värähtelytaajuus kasvaa kalvon paksunemisen myötä. Värähtelytaajuuden riippuvuus lämpötilasta sen sijaan pieneni kun kalvoa kasvatettiin paksummaksi.