中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所張繼哲等研究團(tuán)隊(duì)最新發(fā)表研究成果，成功研制出一種運(yùn)動(dòng)軌跡可編程的光致動(dòng)器，用于集成光學(xué)芯片上的器件重構(gòu)。該制動(dòng)器由有機(jī)分子晶體組成，尺寸僅為微米量級(jí)，可以通過(guò)低功率激光遠(yuǎn)場(chǎng)照射的方式進(jìn)行供能驅(qū)動(dòng)和軌跡調(diào)控，從而在光芯片上實(shí)現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎、跨越波導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)片上微結(jié)構(gòu)的組裝和操控?；诖耍芯繄F(tuán)隊(duì)首次在光子芯片上實(shí)現(xiàn)了對(duì)微環(huán)諧振腔共振頻率的動(dòng)態(tài)、半永久性的精密調(diào)控。該研究成果以“Optically-driven organic nano-step actuator for reconfigurable photonic circuits”為題，9月2日在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上發(fā)表。

在實(shí)驗(yàn)中，他們采用了Liquid Instruments開(kāi)發(fā)的基于FPGA的可重構(gòu)測(cè)試與測(cè)量平臺(tái)Moku:Lab，集成多種靈活的信號(hào)處理、分析與控制等儀器功能于一臺(tái)設(shè)備。借助其中的PID控制器，他們成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光功率的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定控制，從而驗(yàn)證了測(cè)量結(jié)果的可重復(fù)性。

背景

可重寫(xiě)的光子集成電路被認(rèn)為是未來(lái)自適應(yīng)光學(xué)計(jì)算、量子信息處理以及智能傳感系統(tǒng)的核心組件。然而，其微納結(jié)構(gòu)的后期組裝與動(dòng)態(tài)重構(gòu)能力一直是該領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)器件控制方式往往依賴持續(xù)供能，而現(xiàn)有的微操控手段，如光鑷需要在液體環(huán)境中操作，近場(chǎng)探針則存在損傷器件的風(fēng)險(xiǎn)。這些方法均難以滿足芯片上非液體環(huán)境、非破壞性及低功耗操控的需求。

研究方案

近年來(lái)，光驅(qū)動(dòng)有機(jī)材料的發(fā)展為將局部光激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的微致動(dòng)器奠定了基礎(chǔ)。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用靛藍(lán)類給受體分子，制備出有機(jī)微晶光機(jī)械致動(dòng)器。在405 nm激光照射下，這些致動(dòng)器能夠在硅、氮化硅、藍(lán)寶石、鈮酸鋰等多種光子芯片基底上實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)。通過(guò)開(kāi)發(fā)定制的掃描反射鏡控制系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)展示了一種完全可編程的光驅(qū)動(dòng)有機(jī)納米步進(jìn)致動(dòng)器。其單步定位精度達(dá)30 nm，并具備前進(jìn)/后退、轉(zhuǎn)向等多自由度運(yùn)動(dòng)能力。此外，該致動(dòng)器還可精確操控直徑22 um的二氧化硅微球，展現(xiàn)了出色且可靠的微納操控性能。

實(shí)驗(yàn)裝置

致動(dòng)器的可靠運(yùn)行有賴于穩(wěn)定的光激勵(lì)信號(hào)與高精度的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（圖1）分為激光掃描模塊與顯微成像模塊兩部分。

在激光掃描模塊中，驅(qū)動(dòng)光束經(jīng)射頻源控制的聲光調(diào)制器（AOM）穩(wěn)定。分支光路由光電探測(cè)器監(jiān)測(cè)，基于Moku:Lab實(shí)現(xiàn)的PID反饋回路持續(xù)調(diào)整AOM調(diào)制功率。該硬件反饋系統(tǒng)將探測(cè)到的分支光功率與設(shè)定值比較，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)射頻功率以穩(wěn)定主光路激光功率。經(jīng)PID反饋整定后，主光路激光功率與設(shè)定值的相對(duì)偏差約為0.5%，滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)功率穩(wěn)定性的要求。

顯微成像模塊提供高分辨率的運(yùn)動(dòng)表征：CCD相機(jī)與高數(shù)值孔徑物鏡采集致動(dòng)器軌跡圖像，并通過(guò)自動(dòng)化圖像分析高精度計(jì)算位移，實(shí)現(xiàn)可量化的運(yùn)動(dòng)評(píng)估。

圖1：裝置包含兩部分：激光掃描模塊（紅色光路）與顯微成像模塊（綠色光路）。

結(jié)果

圖2展示了通過(guò)專門設(shè)計(jì)的激光掃描軌跡實(shí)現(xiàn)的有機(jī)納米步進(jìn)行為的可編程控制。

當(dāng)激光覆蓋整個(gè)致動(dòng)器寬度時(shí)，可實(shí)現(xiàn)直線位移（圖2a）。致動(dòng)器運(yùn)動(dòng)方向與掃描方向相反，反向掃描即可實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)。

長(zhǎng)期穩(wěn)定性（圖2b）通過(guò)每100次掃描追蹤一次位置獲取位移曲線，每輪累計(jì)2000步。圖2c所示CCD照片記錄了一次完整的往返運(yùn)動(dòng)。結(jié)果顯示：每1000步位移為30.2 ± 1.1 μm，對(duì)應(yīng)單步約30 nm。

基于光機(jī)致動(dòng)器工作原理，當(dāng)激光掃描致動(dòng)器表面時(shí)，被覆蓋晶格發(fā)生形變，致動(dòng)器位置隨之改變。若光斑僅覆蓋單側(cè)，該側(cè)在一次掃描中的“行程”大于另一側(cè)，從而引發(fā)轉(zhuǎn)向（圖2d、2e）。

圖2：a用于直線運(yùn)動(dòng)的激光掃描軌跡（紫色線）；紅色箭頭為運(yùn)動(dòng)方向。b運(yùn)動(dòng)特性穩(wěn)定且可重復(fù)。c與b對(duì)應(yīng)的一次往返過(guò)程的CCD照片。d控制轉(zhuǎn)向的掃描軌跡。e連續(xù)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的照片。

穩(wěn)定后的系統(tǒng)可支持長(zhǎng)時(shí)間、高重復(fù)性運(yùn)行（圖3）。在3.2×10^5步的連續(xù)驅(qū)動(dòng)中，每100步記錄一次圖像以監(jiān)測(cè)位移。在每1000步區(qū)間上，前進(jìn)與后退方向的平均單步位移分別為29.84 ± 1.21 nm與30.01 ± 1.31 nm。隨著致動(dòng)器多次運(yùn)動(dòng)“清潔”表面后，在隨后1.6×10^5步區(qū)間內(nèi)，位移進(jìn)一步穩(wěn)定至30.31 ± 0.88 nm（前進(jìn)）與30.37 ± 0.88 nm（后退）。這些結(jié)果表明致動(dòng)器在長(zhǎng)時(shí)操作下仍具備優(yōu)秀的可重復(fù)性與穩(wěn)定性。

圖3：a致動(dòng)器位置隨掃描步數(shù)的變化；b平均單步位移隨掃描步數(shù)的變化。

為展示跨越結(jié)構(gòu)障礙的能力，研究團(tuán)隊(duì)在藍(lán)寶石基底的鈮酸鋰集成光子器件上進(jìn)行測(cè)試：致動(dòng)器成功跨越厚度220 nm的楔形LN波導(dǎo)，并與微環(huán)諧振腔發(fā)生相互作用。當(dāng)致動(dòng)器跨過(guò)諧振腔光路時(shí)，引起了5.2 GHz的共振頻率漂移。同時(shí)，微環(huán)的品質(zhì)因子保持穩(wěn)定，線寬變化低于16%，且在致動(dòng)器移開(kāi)后完全恢復(fù)。該結(jié)果為實(shí)現(xiàn)非易失、可逆、低損耗、非破壞性的光子集成電路動(dòng)態(tài)控制開(kāi)辟了新的方向。

圖4：a在光芯片上通過(guò)控制微致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)調(diào)諧的示意圖。b致動(dòng)器跨過(guò)微環(huán)時(shí)，微環(huán)透射譜的變化。c微環(huán)諧振頻率約5.2 GHz的調(diào)諧范圍。曲線(i)對(duì)應(yīng)于(b)中步數(shù)110的譜線，(ii–vii)對(duì)應(yīng)步數(shù)1492–1497的譜線。d與(c)對(duì)應(yīng)的致動(dòng)器跨越微環(huán)的CCD照片。

總結(jié)

該有機(jī)納米步進(jìn)光致動(dòng)器具有低功耗、非侵入性、兼容性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，不僅可用于集成光子器件的后期調(diào)諧與重構(gòu)，還為片上集成功能材料（如增益介質(zhì)、非線性晶體、相變材料等）的精確定位與組裝提供了通用技術(shù)平臺(tái)。這一成果有望推動(dòng)自適應(yīng)集成光子線路、有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化光電集成系統(tǒng)和納米機(jī)器人等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。

張繼哲博士表示：“Moku已經(jīng)成為精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不可或缺的好幫手。其卓越的性能與簡(jiǎn)潔易用的操作界面，在產(chǎn)品首次亮相時(shí)就給我們留下深刻印象。我們希望Moku保持并繼續(xù)發(fā)揚(yáng)這份獨(dú)有的特色?！?/strong>

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所張繼哲博士、徐新標(biāo)特任副研究員與中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所鞏彥君博士為論文共同第一作者。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)“雙一流”建設(shè)經(jīng)費(fèi)等項(xiàng)目的有力支持。

參考文獻(xiàn)

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