张继哲博士 中国科学院化学研究所提出了一种用于集成光学芯片的新型可重构解决方案。该团队成功开发了一种具有可编程运动轨迹的有机光致动器。该致动器由低功率激光驱动，可实现光学芯片上的直线运动、转动、穿过波导以及微结构操控。基于此，该团队首次实现了对光子芯片上微环谐振器谐振频率的动态、半永久性和精确控制。 研究成果 最近发表在杂志上 自然通讯.
在他们的研究中他们使用了 Moku:Lab是 Liquid Instruments 公司基于 FPGA 的设备，提供一套可重构的测试和测量仪器，用于快速、灵活的信号处理和分析。利用 PID 控制器研究小组可以在很长一段时间内稳定激光功率，从而验证测量的可重复性。
挑战
可重写光子集成电路是未来自适应光学计算、量子信息处理和智能传感系统的核心组件。其微纳结构的组装后和动态重构能力对该领域提出了重大挑战。传统的器件控制方法通常需要持续供电。现有的微操作技术，例如光镊，需要在液体环境中操作，而近场探针则存在损坏器件的风险。这两种方法都无法充分满足片上、非液体、非破坏性和低功耗操作的需求。
解决方案
光驱动有机材料领域的最新进展[1,2]为将局部光激发转化为机械运动的微执行器奠定了基础。研究团队利用靛蓝基供体-受体分子制备了有机微晶光机械执行器。在405纳米激光驱动下，这些执行器可在硅、氮化硅、蓝宝石和铌酸锂等各种光子芯片基底上实现精确运动。通过开发定制的扫描镜控制系统，本研究展示了一种完全可编程的光驱动有机纳米步进执行器。它实现了30纳米的单步定位精度和包括正向/反向运动和横向转向在内的多自由度功能。此外，它还能够精确定位直径为22微米的二氧化硅微球，展现出强大的微纳操控性能。
执行器的可靠运行关键取决于稳定的光学激励和精确的运动监控。实验装置分为两个模块：激光扫描模块和成像模块，如图1所示。
在激光扫描模块中，驱动光束由射频源驱动的声光调制器 (AOM) 稳定。发射光束由光电二极管监控，并在 Moku:Lab 上实现反馈回路。 PID 控制器 连续调节AOM调制功率。PID控制器通过比较分支光探测器的测量值与设定值，动态调节施加到AOM的射频功率，稳定激光功率。经过一系列反馈调节后，主光路激光功率与设定值的相对偏差保持在0.5%左右，满足实验对主光路激光功率稳定性的要求。
成像模块提供执行器动力学的高分辨率表征。CCD相机与高数值孔径物镜相结合，采集执行器轨迹的图像。这些图像由自动图像分析系统处理，该系统可高精度地确定位移，从而实现运动的定量评估。
结果
图2展示了通过定制激光扫描轨迹对有机纳米步进驱动器进行可编程运动控制。如图2a所示，通过扫描整个驱动器宽度实现直线位移，运动方向与扫描激光点的方向相反；反转扫描方向则驱动器的运动方向也随之反转。图2b证实了这种行为的长期稳定性，图100b显示了每2000次扫描后跟踪驱动器位置获得的位移轨迹，每个周期累积2步。图30.2c中相应的CCD快照捕获了一个完整的正向-反向序列，每1.1步产生1000±30微米的位移，相当于约XNUMX纳米的步长。除了直线运动之外，光机械驱动器的工作原理是扫描激光束使底层晶格变形。这种变形反过来又导致驱动器的位置发生变化。如果激光束仅覆盖执行器的一侧，则扫描时该侧行进的距离将大于另一侧，从而导致执行器转动。
如图 3 所示，稳定的系统支持长期运行，具有高重复性。连续驱动超过 3.2 × 10^5 步，每 100 步记录一次图像以监测位移。在 1000 步间隔内，执行器每步正向平均位移为 29.84 ± 1.21 纳米，反向平均位移为 30.01 ± 1.31 纳米。通过重复执行器运动初步清洁表面污染物后，位移在随后的 1.6 × 10^5 步中进一步稳定，达到 30.31 ± 0.88 纳米（正向）和 30.37 ± 0.88 纳米（反向）。这些结果表明，执行器在长期运行下具有出色的可重复性和稳定性。
该致动器克服结构障碍的能力已在蓝宝石衬底上制作的集成铌酸锂 (LN) 光子电路上得到验证。该致动器成功穿过厚度为 220 nm 的楔形 LN 波导，并与微环谐振器接合。当致动器位于谐振器的光路中时，其谐振频率偏移为 5.2 GHz。至关重要的是，微环的品质因数保持稳定，线宽变化低于 16%，并且在移除致动器后完全恢复到其初始值。这些结果为实现集成光子电路的非易失性、可逆、低损耗和非破坏性动态控制提供了一种新方法。
有机纳米步进驱动器具有低功耗、非侵入性以及与现有光子技术高度兼容等优势。它们不仅可用于光子器件的后期调谐和重构，还能为片上功能材料（例如增益介质、非线性晶体和相变材料）的精确定位和组装提供通用技术平台。该方法为自上而下的制造方法提供了一种实用且可逆的补充，推动了自适应集成光子电路、有机-无机杂化光电集成系统和纳米机器人等技术领域的发展。
张继哲博士表示：“Moku 确实已成为精密测量实验中不可或缺的工具。其卓越的性能，加上简洁易用却又不失简约的界面，是产品首次亮相时就给我们留下深刻印象的关键特征。我希望 Moku 能够继续保持这种独特的品质。”
案例
[1] Gong，Y.等人。通过相位相关的瞬态弹性晶格变形实现分子晶体的光驱动爬行。 Angew。 化学 诠释 埃德 59，10337-10342（2020）。
[2] Zhang, Y. et al. 光驱动微带的连续扭转运动。 S小号 15，1804102（2019）。
[3] 张建忠等，用于可重构光子电路的光驱动有机纳米阶跃致动器。 Nat Commun 16，8213（2025）。
