Position-dependent calibration and frequency stability in on-axis optical transduction of vertical InP nanowire resonators

Abstract

We present a quantitative framework for on-axis optical transduction of vertical InP nanowire resonators, correlating laser position to signal amplitude, calibration, and frequency stability. Photothermal resonance detuning is used to reconstruct the local beam intensity profile and to calibrate the photodetector signal using the thermomechanical noise. A noise model incorporating shot noise and spatial variation in substrate reflectance predicts the position-dependent Allan deviation. We find that the optimal detection position lies near the steepest intensity gradient, and that increasing laser power does not significantly improve frequency stability, because the accompanying temperature rise enhances thermomechanical noise and offsets the signal gain. These results establish design guidelines for optimizing nanowire-based sensors in on-axis optical detection schemes.

Wir präsentieren einen quantitativen Rahmen für die axiale optische Transduktion vertikaler InP-Nanodrahtresonatoren, der die Laserposition mit Signalamplitude, Kalibrierung und Frequenzstabilität in Beziehung setzt. Die photothermische Resonanzverstimmung wird verwendet, um das lokale Strahlintensitätsprofil zu rekonstruieren und das Photodetektorsignal mittels des thermomechanischen Rauschens zu kalibrieren. Ein Rauschmodell, das Schrotrauschen und die räumliche Variation der Substratreflektivität einbezieht, sagt die positionsabhängige Allan-Abweichung voraus. Wir stellen fest, dass die optimale Detektionsposition nahe dem steilsten Intensitätsgradienten liegt und dass eine Erhöhung der Laserleistung die Frequenzstabilität nicht signifikant verbessert, da der begleitende Temperaturanstieg das thermomechanische Rauschen verstärkt und den Signalgewinn ausgleicht. Diese Ergebnisse etablieren Entwurfsrichtlinien zur Optimierung nanodrahtbasierter Sensoren in axialen optischen Detektionsschemata.