장지제(Ji-Zhe Zhang) 박사 중국과학원 화학연구소, 집적 광 칩을 위한 새로운 재구성 가능 솔루션을 제안했습니다. 연구팀은 프로그래밍 가능한 동작 궤적을 갖는 유기 광 액추에이터를 성공적으로 개발했습니다. 저전력 레이저로 구동되는 이 액추에이터는 직선 운동, 회전, 도파관 교차, 그리고 광 칩의 미세 구조 조작을 가능하게 합니다. 이를 바탕으로 연구팀은 광자 칩에서 마이크로 링 공진기의 공진 주파수를 동적이고 반영구적이며 정밀하게 제어하는 최초의 기술을 달성했습니다. 연구 결과들 최근 저널에 게재되었습니다. 자연 통신.
그들의 연구에서 그들은 다음을 사용했습니다. Moku:LabLiquid Instruments의 FPGA 기반 장치로, 빠르고 유연한 신호 처리 및 분석을 위한 재구성 가능한 테스트 및 측정 계측기 제품군을 제공합니다. PID 컨트롤러이를 통해 연구팀은 장시간에 걸쳐 레이저 출력을 안정화시켜 측정의 반복성을 검증할 수 있었습니다.
난제
재기록 가능 광자 집적 회로는 미래 적응형 광 컴퓨팅, 양자 정보 처리, 그리고 지능형 감지 시스템의 핵심 구성 요소입니다. 마이크로-나노 구조의 조립 후 처리 및 동적 재구성 기능은 이 분야에서 상당한 난제를 야기합니다. 기존의 소자 제어 방식은 종종 연속적인 전원 공급을 필요로 합니다. 광학 집게와 같은 기존의 미세 조작 기술은 액체 환경에서 작동해야 하며, 근거리장 프로브는 소자를 손상시킬 위험이 있습니다. 두 방식 모두 온칩, 비액체, 비파괴, 저전력 조작에 대한 요구를 충족하지 못합니다.
해법
광 구동 유기 재료 분야의 최근 발전[1,2]은 국소적인 광 여기를 기계적 운동으로 변환하는 마이크로 액추에이터의 기반을 마련했습니다. 연구팀은 인디고 기반의 도너-억셉터 분자를 이용하여 유기 미세결정 광기계 액추에이터를 제작했습니다. 405nm 레이저 광으로 구동될 때, 이 액추에이터는 실리콘, 질화규소, 사파이어, 리튬 니오베이트 등 다양한 광자 칩 기판에서 정밀한 동작을 구현합니다. 본 연구는 맞춤형 스캐닝 미러 제어 시스템을 개발함으로써 완전히 프로그래밍 가능한 광학 구동 유기 나노스텝 액추에이터를 보여줍니다. 이 액추에이터는 30nm의 단일 스텝 위치 정확도와 정방향/역방향 이동 및 측면 조향을 포함한 다중 자유도 기능을 달성했습니다. 또한, 직경 22마이크로미터의 실리카 마이크로구체의 정밀한 위치 제어를 가능하게 하여 견고한 마이크로-나노 조작 성능을 보여주었습니다.
액추에이터의 안정적인 작동은 안정적인 광 여기와 정확한 동작 모니터링에 크게 좌우됩니다. 실험 구성은 그림 1에서 볼 수 있듯이 레이저 스캐닝 모듈과 이미징 모듈, 두 가지 모듈로 나뉩니다.
레이저 스캐닝 모듈에서 작동 빔은 RF 소스로 구동되는 음향 광학 변조기(AOM)에 의해 안정화됩니다. 전송된 빔은 포토다이오드에 의해 모니터링되며, Moku:Lab에 구현된 피드백 루프가 이를 모니터링합니다. PID 컨트롤러 AOM 변조 전력을 지속적으로 조정합니다. PID 컨트롤러는 분기 광 검출기에서 측정된 값을 설정값과 비교하여 AOM에 인가되는 RF 전력을 동적으로 조정하고 레이저 전력을 안정화합니다. 일련의 피드백 조정 후, 주 광 경로의 레이저 전력과 설정값 간의 상대 편차는 약 0.5%로 유지되어 주 광 경로의 레이저 전력 안정성에 대한 실험 요건을 충족합니다.
이미징 모듈은 액추에이터 동역학의 고해상도 특성 분석을 제공합니다. 고개구수 대물렌즈와 결합된 CCD 카메라는 액추에이터 궤적 이미지를 획득합니다. 이 이미지는 자동 이미지 분석 시스템에 의해 처리되어 변위를 정밀하게 측정하고, 이를 통해 운동의 정량적 평가가 가능합니다.
결과
그림 2는 맞춤형 레이저 스캐닝 궤적을 통한 유기 나노스텝 액추에이터의 프로그래밍 가능한 모션 제어를 보여줍니다. 그림 2a와 같이 액추에이터 전체 폭에 걸쳐 스캐닝하여 직선 변위를 구현합니다. 이때 스캐닝 레이저 스팟의 운동 방향과 반대 방향으로 스캐닝합니다. 스캔 방향을 반대로 하면 액추에이터의 움직임도 반대로 됩니다. 이러한 거동의 장기적인 안정성은 그림 2b에서 확인됩니다. 그림 100b는 2000회 스캔 후 액추에이터 위치를 추적하여 얻은 변위 궤적을 보여주며, 사이클당 2단계가 누적됩니다. 그림 30.2c의 해당 CCD 스냅샷은 완전한 정방향-역방향 시퀀스 하나를 포착하여 1.1단계당 1000 ± 30 µm의 변위를 생성하며, 이는 약 XNUMXnm의 스텝 크기에 해당합니다. 직선 운동 외에도, 광기계 액추에이터는 스캔된 레이저 빔이 하부 격자를 변형시키는 원리로 작동합니다. 이러한 변형은 액추에이터의 위치를 변화시킵니다. 레이저 빔이 액추에이터의 한쪽 면만 덮는 경우 스캐닝 중 해당 면이 이동한 거리가 다른 쪽보다 길어져 액추에이터가 회전하게 됩니다.
안정화된 시스템은 그림 3에서 볼 수 있듯이 높은 반복성으로 장기간 작동을 지원합니다. 3.2 × 10^5 단계에 걸쳐 연속 작동이 수행되었으며, 변위를 모니터링하기 위해 100단계마다 이미지를 기록했습니다. 1000단계 간격에서 액추에이터는 단계당 정방향으로 평균 29.84 ± 1.21 nm, 역방향으로 평균 30.01 ± 1.31 nm의 변위를 나타냈습니다. 액추에이터의 반복적인 작동을 통해 표면 오염물을 초기 세척한 후, 이후 1.6 × 10^5 단계 동안 변위가 더욱 안정화되어 정방향으로 30.31 ± 0.88 nm, 역방향으로 30.37 ± 0.88 nm에 도달했습니다. 이러한 결과는 장시간 작동 시 액추에이터의 뛰어난 재현성과 안정성을 보여줍니다.
구조적 장벽을 극복하는 액추에이터의 성능은 사파이어 기판에 제작된 집적 리튬 니오베이트(LN) 광자 회로에서 입증되었습니다. 이 회로에서 액추에이터는 두께 220nm의 쐐기형 LN 도파관을 성공적으로 통과하여 마이크로링 공진기와 결합합니다. 공진기의 광 경로에 위치할 때, 액추에이터는 5.2GHz의 공진 주파수 이동을 유도합니다. 중요한 것은 마이크로링의 품질 계수가 선폭 변동이 16% 미만으로 안정적으로 유지되며, 액추에이터가 제거된 후 초기 값으로 완전히 회복된다는 것입니다. 이러한 결과는 집적 광자 회로의 비휘발성, 가역성, 저손실, 비파괴 동적 제어를 위한 새로운 접근법을 제시합니다.
유기 나노 스텝 액추에이터는 낮은 전력 소비, 비침습성, 그리고 기존 광자 기술과의 뛰어난 호환성과 같은 장점을 제공합니다. 이 액추에이터는 광자 소자의 사후 튜닝 및 재구성뿐만 아니라, 이득 매질, 비선형 결정, 상변화 물질과 같은 기능성 소재의 칩 내 정밀 위치 결정 및 조립을 위한 범용 기술 플랫폼을 제공합니다. 이러한 접근 방식은 하향식 제조 방식에 실용적이고 가역적인 보완을 제공하여 적응형 집적 광자 회로, 유무기 하이브리드 광전자 집적 시스템, 나노로봇공학 등의 기술 분야를 발전시킵니다.
장지저 박사는 "Moku는 정밀 측정 실험에 없어서는 안 될 도구가 되었습니다. 뛰어난 성능과 사용하기 쉬우면서도 결코 단순하지 않은 인터페이스는 제품 출시 당시 우리에게 깊은 인상을 준 결정적인 특징이었습니다. Moku가 앞으로도 이러한 독보적인 품질을 유지해 나가기를 바랍니다."라고 말했습니다.
참고자료
[1] Gong, Y. et al. 위상 의존적 과도 탄성 격자 변형에 의한 분자 결정의 빛 구동 크롤링. 앵거 화학 Int. 에드 59, 10337-10342 (2020).
[2] Zhang, Y. et al. 빛에 의한 마이크로리본의 연속적인 꼬임 운동. 작은 15, 1804102 (2019).
[3] Zhang, JZ. et al. 재구성 가능한 광자 회로를 위한 광학 구동 유기 나노 스텝 액추에이터. Nat Commun 16, 8213 (2025).
