Dr Ji-Zhe Zhang の 中国科学院化学研究所は、集積光チップ向けの新しい再構成可能なソリューションを提案しました。研究チームは、プログラム可能な動作軌跡を持つ有機光アクチュエータの開発に成功しました。低出力レーザーで駆動されるこのアクチュエータは、直線移動、旋回、導波路の交差、そして光チップ上の微細構造の操作を可能にします。これにより、研究チームは光チップ上のマイクロリング共振器の共振周波数を動的、半永久的、かつ精密に制御することに初めて成功しました。 研究結果 最近ジャーナルに掲載された ネイチャー·コミュニケーションズ.
彼らの研究では Moku:LabLiquid Instruments社のFPGAベースのデバイスは、高速で柔軟な信号処理と解析のための再構成可能なテストおよび計測機器スイートを提供します。 PIDコントローラーこれにより、研究チームは長期間にわたってレーザー出力を安定させることができ、測定の再現性を検証することができました。
課題
書き換え可能な光集積回路は、将来の適応型光コンピューティング、量子情報処理、そしてインテリジェントセンシングシステムの中核部品です。これらのマイクロナノ構造は、組み立て後における動的再構成が可能であるため、この分野において大きな課題となっています。従来のデバイス制御方法では、多くの場合、継続的な電源供給が必要です。光ピンセットなどの既存のマイクロマニピュレーション技術は、液体環境での動作を必要とし、近接場プローブはデバイスを損傷するリスクがあります。どちらのアプローチも、オンチップ、非液体、非破壊、低消費電力といった要求を十分に満たしていません。
ソリューション
光駆動型有機材料の近年の進歩 [1,2] により、局所的な光励起を機械的運動に変換するマイクロアクチュエータの基礎が確立されました。研究チームは、インジゴベースのドナー・アクセプター分子を用いて有機微結晶光機械アクチュエータを作製しました。405 nmのレーザー光で駆動すると、これらのアクチュエータはシリコン、窒化シリコン、サファイア、ニオブ酸リチウムなどのさまざまなフォトニックチップ基板上で精密な動きを実現します。カスタム走査ミラー制御システムを開発することで、本研究では完全にプログラム可能な光駆動型有機ナノステップアクチュエータを実証しました。このアクチュエータは、30 nmのシングルステップ位置決め精度と、前進/後進運動や横方向ステアリングなどの多自由度機能を実現しました。さらに、直径22マイクロメートルのシリカ微粒子の精密な位置決めを可能にし、堅牢なマイクロナノマニピュレーション性能を示しました。
アクチュエータの信頼性の高い動作は、安定した光励起と正確な動作監視に大きく依存します。実験装置は、図1に示すように、レーザー走査モジュールとイメージングモジュールのXNUMXつのモジュールに分かれています。
レーザー走査モジュールでは、駆動ビームはRF光源で駆動される音響光学変調器（AOM）によって安定化されます。送信ビームはフォトダイオードによって監視され、Moku:Labに実装されたフィードバックループによって制御されます。 PIDコントローラー AOMの変調電力を連続的に調整します。PIDコントローラは、分岐光検出器からの測定値と設定値を比較することで、AOMに印加されるRF電力を動的に調整し、レーザー出力を安定化させます。一連のフィードバック調整を経て、主光路におけるレーザー出力と設定値との相対偏差は約0.5%に維持され、主光路におけるレーザー出力安定性に関する実験要件を満たしています。
イメージングモジュールは、アクチュエータのダイナミクスを高解像度で評価します。CCDカメラと高開口数対物レンズを組み合わせることで、アクチュエータの軌跡の画像を取得します。これらの画像は自動画像解析システムによって処理され、変位を高精度に測定することで、動作の定量的な評価を可能にします。
結果
図2は、調整されたレーザー走査軌跡による有機ナノステップアクチュエータのプログラム可能な動作制御を示しています。直線移動は、図2aに示すように、走査レーザースポットの方向とは反対の方向でアクチュエータの全幅を走査することで実現されます。走査方向を反転すると、アクチュエータの動きも反転します。この動作の長期安定性は図2bで確認されており、100回の走査ごとにアクチュエータの位置を追跡することで得られた変位トレースを示しています。2000サイクルあたり2ステップが累積されています。図30.2cの対応するCCDスナップショットは、1.1回の完全な順方向-逆方向シーケンスを捉えており、1000ステップあたり30 ± XNUMX µmの変位が得られており、これは約XNUMX nmのステップサイズに相当します。直線移動以外にも、フォトメカニカルアクチュエータは、走査されたレーザービームが基礎となる格子を変形させるという原理で動作します。この変形により、アクチュエータの位置が変化します。レーザービームがアクチュエータの片側のみをカバーする場合、スキャン中にその側が移動する距離がもう一方の側よりも長くなり、アクチュエータが回転することになります。
図3に示すように、安定化されたシステムは高い再現性で長期動作をサポートします。3.2 × 10^5ステップにわたって連続駆動を行い、100ステップごとに画像を記録して変位をモニタリングしました。1000ステップ間隔にわたって、アクチュエータは前進方向に平均29.84 ± 1.21 nm、後退方向に平均30.01 ± 1.31 nmの変位を示しました。アクチュエータの繰り返し動作による表面汚染物質の初期除去後、変位はその後の1.6 × 10^5ステップでさらに安定し、前進方向に30.31 ± 0.88 nm、後退方向に30.37 ± 0.88 nmに達しました。これらの結果は、長期動作下でもアクチュエータが優れた再現性と安定性を示すことを示しています。
アクチュエータが構造的障壁を克服する能力は、サファイア基板上に作製されたニオブ酸リチウム（LN）集積光子回路において実証され、厚さ220nmのくさび形LN導波路を通過させ、マイクロリング共振器と係合することに成功した。アクチュエータを共振器の光路を横切るように配置することで、5.2GHzの共振シフトが誘発される。重要なのは、マイクロリングの品質係数が安定しており、線幅の変動は16%未満であり、アクチュエータを取り外した後は初期値に完全に回復する点である。これらの結果は、集積光子回路の不揮発性、可逆性、低損失、非破壊的な動的制御を実現するための新たなアプローチを提供する。
有機ナノステップアクチュエータは、低消費電力、非侵襲性、既存の光技術との優れた互換性などの利点を備えています。光デバイスのポストチューニングや再構成に使用できるだけでなく、利得媒体、非線形結晶、相変化材料といった機能性材料をチップ上で精密に位置決め・組み立てるための汎用的な技術プラットフォームを提供します。このアプローチは、トップダウン型製造を実用的かつ可逆的に補完し、適応型集積光子回路、有機無機ハイブリッド光電子集積システム、ナノロボティクスといった技術分野を発展させます。
Jizhe Zhang博士は、「Mokuはまさに精密測定実験に欠かせないツールとなっています。その卓越した性能と、シンプルでありながら決して単純ではないインターフェースの組み合わせは、製品が初めて登場した際に私たちが強く感銘を受けた決定的な特徴でした。Mokuがこの際立った品質を維持し続けることを願っています。」と述べています。
参考情報
[1] Gong, Y. et al. 位相依存の過渡的弾性格子変形による分子結晶の光駆動クローリング。 怒り。 Chem。 Int。 エド。 59、10337 –10342（2020）
[2] Zhang, Y. et al. 光駆動によるマイクロリボンの連続ねじれ運動。 S 15、1804102（2019）
[3] Zhang, JZ. et al. 再構成可能な光回路のための光駆動有機ナノステップアクチュエータ。 Nat Commun 16、8213（2025）
