Uma grade de Bragg de fibra com lentes

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 4937 (2022) Citar este artigo

1359 Acessos

2 Altmétrico

Detalhes das métricas

Os sistemas optomecânicos se beneficiam do acoplamento entre um campo óptico e vibrações mecânicas. Dispositivos baseados em fibra são adequados para explorar facilmente essa interação. Relatamos uma abordagem alternativa de uma membrana de nitreto de silício no meio de um fator de alta qualidade (\(10^6\)–\(10^7\)) Fabry – Perot, formada por uma grade inscrita dentro de uma fibra núcleo como um espelho de entrada na frente de um espelho traseiro dielétrico. A técnica Pound-Drever-Hall usada para estabilizar a frequência do laser na frequência de ressonância óptica nos permite reduzir o ruído de baixa frequência para \({4}\,{{\mathrm{kHz}}/\sqrt{\mathrm{ Hz}}}\). Apresentamos uma metodologia detalhada para a caracterização das propriedades ópticas e optomecânicas deste sistema estabilizado, utilizando várias geometrias de membrana, com frequências de ressonância correspondentes na faixa de várias centenas de \({\mathrm{kHz}}\). A excelente estabilidade a longo prazo é ilustrada por medições contínuas do espectro de ruído termomecânico durante vários dias, com a fonte de laser mantida em ressonância óptica. Este importante resultado torna este sistema um candidato ideal para detecção optomecânica.

A optomecânica de cavidades explora a interação mútua da radiação eletromagnética e do deslocamento mecânico usando ressonadores ópticos e mecânicos. Este acoplamento foi explorado em uma ampla variedade de sistemas a granel, desde o Fabry-Perot com um microespelho suspenso1 até a membrana mecânica no meio (descrita como MIM a seguir) de tal cavidade2. Vários dispositivos integrados em nanoescala também foram implementados, como microdiscos suspensos3, sistemas de cristais fotônicos e foxônicos4,5,6 ou configurações baseadas em ressonadores de modo de galeria sussurrante7,8,9,10,11.

As últimas duas décadas também viram o surgimento de numerosos sistemas optomecânicos de fibra para diversas aplicações. Usando facetas de extremidade de fibra côncavas revestidas com grade de Bragg altamente reflexivas formadas por \(\hbox {CO}_2\) usinagem a laser (ablação a laser das extremidades da fibra)12, alta a ultra-alta finura (entre \(10^3\) e \(10^5\)) cavidades optomecânicas baseadas em fibra podem ser construídas. Essas configurações são uma excelente base para o sistema “ressonador mecânico no meio”, onde as propriedades do ressonador mecânico e a sutileza óptica da cavidade podem ser otimizadas de forma independente (ao contrário do Fabry-Perot com espelho suspenso). Pesquisas foram conduzidas com nanobastões de carbono13 e nanotubos14 no meio dessas cavidades, com medição óptica de seu movimento browniano. Outros grupos trabalharam na introdução de uma membrana de nitreto de silício com fator de alta qualidade: o primeiro estudo nesta configuração MIM baseada em fibra realizou observação de retroação dinâmica com interação optomecânica dispersiva (mudança da frequência de ressonância óptica induzida pelo deslocamento mecânico), com mudança de frequência de ressonância mecânica induzida opticamente (efeito de mola óptica) e amortecimento optomecânico . Configurações semelhantes foram construídas desde então, com as observações de retroação dinâmica associadas, com várias outras propriedades interessantes, desde a hibridização do modo mecânico mediada opticamente até a interação optomecânica dissipativa adicional (deslocamento das perdas ópticas com o deslocamento mecânico) . Finalmente, o grupo de Eyal Buks trabalhou em várias cavidades optomecânicas baseadas em Fiber Bragg Grating (FBG). Seus sistemas são compostos por uma rede de Bragg altamente reflexiva inscrita no núcleo de uma fibra, que serve como um espelho de entrada estático de uma cavidade Fabry-Perot em \(\lambda ={1.55}\,{\upmu \text {m} }\), em frente a um espelho traseiro metálico suspenso (estrutura retangular ou em viga). A sutileza óptica nesta situação é relativamente baixa (da ordem de 10), devido a uma menor refletividade FBG, em comparação com as pontas de fibra revestidas com Bragg de perda ultrabaixa. Eles projetaram diversas configurações, com o feixe metálico fixado diretamente na extremidade da fibra polida, induzindo um alinhamento passivo19,20,21, ou com a luz focada no ressonador micromecânico por meio de uma lente de índice graduado emendada na face final da fibra22 ,23. Foram observadas oscilações bolométricas auto-sustentadas acima de um determinado limite de entrada, utilizando o aquecimento do espelho metálico devido à absorção óptica. Até onde sabemos, estes são os únicos estudos sobre cavidades optomecânicas baseadas em FBG.