CN108267815B - 基于波导与谐振腔耦合的微纳光学马达及其驱动方法 - Google Patents

基于波导与谐振腔耦合的微纳光学马达及其驱动方法 Download PDF

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    • G02B6/29338—Loop resonators
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Abstract

一种基于波导与谐振腔耦合的微纳光学马达及其驱动方法，属于微光机械技术领域。本发明方法提出了一种新的能够产生巨大光力矩的微光学马达结构。首先通过波导和环形谐振腔之间的光学耦合作用产生的力矩作用到了环形谐振腔上，通过给环形谐振腔设定一个中心转轴，利用中心转轴连接所要旋转的微纳结构，如微纳米齿轮，微纳米棒或微纳米球，从而间接地实现了光致旋转。本发明方法具有较大的创新之处，打破了传统方法中照明光束直接与微纳结构相互作用的种种限制。

Description

基于波导与谐振腔耦合的微纳光学马达及其驱动方法
技术领域
本发明涉及一种基于波导与谐振腔耦合的微纳光学马达及其驱动方法，属于微光机械技术领域。
背景技术
自从A.Ashkin在1986年发现光场梯度力可捕获微粒，它就是基于光的力学效应和激光技术的“光镊”(Optical Tweezers)。这项新技术的发现受到了世界各国科学工作者的广泛关注，成为了当前生物、物理及化学等学科的有力研究工具。当光与物质发生相互作用时，光子自身的动量会传递给物体从而产生力的作用当光与物质发生相互作用时，因此实现了光镊系统对微小物体的捕获和操控。光的力学效应不仅表现为光力，还包括光子自身的自旋角动量和轨道角动量对非球体微粒或各向异性微粒产生的光力矩作用。光力矩的存在使微粒发生朝向的变化，从而实现对非球体微粒或各向异性微粒的转动。因此，光致旋转技术逐渐地发展起来，其有效地利用了光束角动量的传输可以带动光学微机械系统的研究，甚至可以衍生到振荡、搅拌及泵浦等制动器的研究，在不久的将来可以用于显微系统的微流操控方面。光学微机械系统是一种微米量级的机械设备，能用来研究多种微观现象。光学微马达的研究对于光学微机械的研究至关重要，关乎光学微机械研究的进展与应用前景。对于光学微机械系统而言，光学微齿轮是其重要组成部分之一。自身携带的角动量使微齿轮受到光力矩的作用，微齿轮因此发生扭转或旋转。传统的实现光致旋转的方法主要有两种：一是通过带有轨道/自旋角动量的光束照射到微机械结构物体上实现旋转；第二种是通过利用各向异性、手性或者非对称的结构，在分布不均匀光力的作用下产生旋转效应。本发明方法提出了一种新的能够产生巨大光力矩的微光学马达结构。首先通过波导和环形谐振腔之间的光学耦合作用产生的力矩作用到了环形谐振腔上，通过给环形谐振腔设定一个中心转轴，利用中心转轴连接所要旋转的微纳结构，如微纳米齿轮，微纳米棒或微纳米球，从而间接地实现了光致旋转。本发明方法具有较大的创新之处，打破了传统方法中照明光束直接与微纳结构相互作用给的种种限制。
发明内容
本发明利用一种间接耦合传递的方式实现了一种高效率大转速的微光学马达，可以在不受到光照面积和旋转元件几何尺寸限制的情况下实现高速稳定的旋转。
本发明所述微光学马达，由光学耦合模块和机械传动模块组成。
所述的光学耦合模块主要包括：两个条形波导1和一个环形谐振腔2；
所述的机械传动装置主要包括：微纳齿轮3、环形谐振腔的中心轴4和连接环形谐振腔和中心轴的4个辐条5；
所述整个装置中包括了4个端口，表示由多种不同的光源输入模式。外部输入的光源可以通过4个端口中的1个、2个或者更多个端口输入相同或不同波长的光源，作为激励源，实现对环形谐振腔的耦合作用。
环形谐振腔和两个条形波导之间的距离之和为0.4μm，旋转中心轴半径0.32μm，环形谐振腔外径2.4μm，内径2.2μm。在这些结构参数下，仿真计算得到整个系统的共振波长为λ0＝1.55655μm。
所述的整个装置中，两个条形波导通过机械方式固定到基底上，中心轴镶嵌在基底中，通过4个辐条连接环形谐振腔的中心轴镶嵌在基底上，其可以在光力矩的驱动下无阻力或小阻力的转动。
微光学马达整个结构的尺度范围可以实现从厘米毫米量级跨越到微米纳米量级，都具有相互作用的基本效应不会发生改变，都具有产生力矩的效应，实现光学微马达。
微光学马达旋转速度和旋转力矩的大小可以通过调节两个波导不同的端口激励模式改变，可以通过同时激励4个端口中的1个、2个或者更多个端口(激励端口表示该端口有入射光)。
微光学马达限制光束传播的装置可以是但不限于波导，可以是其他结构，其中包括光纤、光子晶体等。
微光学马达被旋转元件可以是但不限于微纳米光学齿轮，可以是其他结构，其中包括微纳米榜、微纳米线、微纳米球以及其他微纳米装置和结构。
微光学马达可以通过调整结构激励光源的波长来实现对环形谐振腔力矩的大小和方向的调节，整个系统的共振波长假定为λ0，对于其蓝移和红移的入射波长具有调控光力矩大小和方向的作用。
微光学马达中心旋转轴的固定位置不影响整个系统的性能，固定位置在x和y方向移动时依然具有上述的特征。
微光学马达可以通过改变环形谐振腔的半径实现同等条件下机械地增强光力矩，由于光力矩可一个描述为光力与光力臂的矢量乘积，其中光力臂对应于环形谐振腔的半径，所以可以通过增加环形谐振腔半径的方法实现光力矩的方法。
有益效果
首先，由于光束不是直接作用到被旋转器件上，避免了大功率入射光源的情况下对被选择器件的损伤，所以入射可以实现很大功率，从而实现更大的光力矩和旋转速度。其次，光力矩转换效率被大幅度提高，根据动量守恒理论，由于限制了光束的传播路径，能够实现更高的动量传递效率，同时也可以机械地增加光力臂(环形谐振腔半径)实现增大光力矩。最后，在光学转轴的一端连接的事光学耦合系统，是光力矩的产生端口，另一端连接的事待旋转的器件，可以是各种各样的光机械结构，从而大幅度地扩展了本发明的应用范围。
附图说明
图1微纳光学马达结构示意图
图2微纳光学马达结构图(1-条形波导，2-环形谐振腔，3-被旋转元件，4-旋转中心轴，5-辐条)
图3微纳光学马达具体结构参数
图4不同形式微光学马达结构示意图(a)微纳米齿轮；(b)微纳米球；(c)微纳米棒
图5环形谐振腔在不同的端口类型激励下所受的力矩
图6固定位置在x和y方向移动时系统性能
图7不同半径的环形谐振腔所受力矩
具体实施方式
实施例1，微米、纳米级光学马达具体结构如图1和图2所示，该装置产生的技术效果为在条形波导与环形谐振腔耦合作用下，光学齿轮被环形谐振腔带动，随其一起转动，并且，其转速和转动方向可以根据波导中光束的强度、波长和端口激励的个数来调节。
实施例2，对于更大尺度的光学马达，如厘米毫米量级，其具体结构以及产生的技术效果与实施例1中相似，区别在于其几何空间尺度从微纳米量级跨越到厘毫米量级，其相互作用机理和耦合方式保持不变。
实施例3，优选参数
微纳光学马达具体结构参数为：r0＝0.32μm,r1＝2.2μm,r2＝2.4μm,h＝0.2μm,hs＝0.054μm,d1和d2是环形谐振腔和两个条形波导之间的距离，且d1+d2＝0.4μm。在这些结构参数下，仿真计算得到整个系统的共振波长为λ0＝1.55655μm。
实施例4，微纳光学马达驱动方法：
第一步，确定两个平行放置的条形波导空间位置并固定，同时确定中心转轴镶嵌位置，并固定。
第二步，旋转4个端口中的1个或多个端口作为激励端口，通过相应方式把外部光源耦合到条形波导中，激发起相应的传播模式。
第三步，通过条形波导与环形谐振腔之间的耦合，光束由条形波导进入环形谐振腔，则在光学力矩的作用下，环形谐振腔开始发生转动。
第四步，在环形谐振腔的带动下，光学齿轮随环形谐振腔一起转动，通过调整入射光源波长、强度和端口激励的个数可以实现被旋转元件转速的调节。
实施例5，通过调整结构激励光源的波长来实现对环形谐振腔力矩的大小和方向的调节
通过调整结构激励光源的波长来实现对环形谐振腔力矩的大小和方向的调节，整个系统的共振波长假定为λ0，对于其蓝移和红移的入射波长具有调控光力矩大小和方向的作用，其仿真计算结果如图5所示。
实施例6，固定位置在x和y方向移动时系统性能
中心旋转轴的固定位置不影响整个系统的性能，固定位置在x和y方向移动时依然具有上述的特征。在图6(a)中，仿真计算了在端口1和3同时被激励时，相对于不同波长失谐情况其中λb1-b4(λr1-r4)分别是相对于共振波长不同程度蓝移(红移)下的入射波长，环形谐振腔中心轴在x轴上移动时，其所受力矩的变化；在图6(b)中，仿真计算了在端口1、端口1和2、端口1和3以及端口1和4同时激励下，环形谐振腔在不同入射y方向移动时，其所受到力矩大小和方向的变化。
实施例7，不同半径的环形谐振腔所受力矩
通过改变环形谢振强的半径实现同等条件下机械地增强光力矩，由于光力矩可一个描述为光力与光力臂的矢量乘积，其中光力臂对应于环形谐振腔的半径，其仿真计算结果如图7所示，我们仿真计算了2.4μm,3.3μm,4.0μm and 4.7μm共4个不同半径的环形谐振腔，图7(a)～(c)是用于计算不同半径时系统共振波长而计算的透过率，图7(e)表示了在在端口1、端口1和2、端口1和3以及端口1和4同时激励共4中不同的激励类型下，环形谐振腔所受到的力矩大小，可以看出随着环形谐振腔半径的增加，其所受到的力矩可以不断增加。

Claims (9)

1.基于波导与环形谐振腔耦合的微光学马达，其特征在于，由光学耦合模块和机械传动模块组成；所述的光学耦合模块为：平行固定的两个条形波导(1)中间放置一个环形谐振腔(2)；所述的机械传动模块为：旋转中心轴(4)通过4个辐条(5)与环形谐振腔(2)相连，旋转中心轴(4)的一端连接环形谐振腔(2)，旋转中心轴(4)的端头固定在基底中，保证旋转中心轴(4)能够自由旋转，旋转中心轴(4)的另一端与被旋转元件(3)相连；所述两个条形波导共有4个端口，表示有 多种不同的光源输入模式；外部输入的光源通过4个端口中的1个、2个或者更多个端口输入限制光束传播装置发出相同波长的光源或不同波长的光源，作为激励源，实现对环形谐振腔(2)的耦合作用；所述两个条形波导通过机械方式固定到基底上，中心轴镶嵌在基底。
2.根据权利要求1 所述微光学马达，其特征在于，被旋转元件(3)为微纳米光学齿轮、微纳米线或微纳米球。
3.根据权利要求1 所述微光学马达，其特征在于，所述限制光束传播装置是光学波导、光纤或光子晶体。
4.根据权利要求1 所述微光学马达，其特征在于，马达结构的尺度范围从微米到纳米量级。
5.根据权利要求1 所述微光学马达，其特征在于，环形谐振腔和两个条形波导之间的距离之和为0.4μm，旋转中心轴半径0.32μm，环形谐振腔外径2.4μm，内径2.2μm。
6.基于波导与环形谐振腔耦合的微光学马达的驱动方法，适用权利要求1-5任一项所述的基于波导与环形谐振腔耦合的微光学马达，其特征在于，由光学耦合模块和机械传动模块组成；所述的光学耦合模块为：平行固定的两个条形波导(1)中间放置一个环形谐振腔(2)；所述的机械传动模块为：旋转中心轴(4)通过4个辐条(5)与环形谐振腔(2)相连，旋转中心轴(4)的一端连接环形谐振腔(2)，旋转中心轴(4)的端头固定在基底中，保证旋转中心轴(4)能够自由旋转，旋转中心轴(4)的另一端与被旋转元件(3)相连；所述两个条形波导共有4个端口，表示- 有 多种不同的光源输入模式；外部输入的光源通过4个端口中的1个、2个或者更多个端口输入限制光束传播装置发出相同波长的光源或不同波长的光源，作为激励源，实现对环形谐振腔(2)的耦合作用；所述两个条形波导通过机械方式固定到基底上，中心轴镶嵌在基底；
具体驱动方法如下：
第一步，确定两个平行放置的条形波导空间位置并固定，同时确定中心转轴镶嵌位置，并固定；
第二步，旋转4个端口中的1个或多个端口作为激励端口，通过相应方式把外部光源耦合到条形波导中，激发起相应的传播模式；
第三步，通过条形波导与环形谐振腔之间的耦合，光束由条形波导进入环形谐振腔，在光学力矩的作用下，环形谐振腔开始发生转动；
第四步，在环形谐振腔的带动下，被旋转元件随环形谐振腔一起转动，通过调整入射光源波长、强度和端口激励的个数实现被旋转元件转速的调节。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，旋转速度和旋转力矩的大小通过调节两个波导不同的端口激励模式改变，通过同时激励4个端口中的1个、2个或者更多个端口。
8.根据权利要求6所述方法，其特征在于，通过调整结构激励光源的波长来实现对环形谐振腔力矩的大小和方向的调节，整个系统的共振波长假定为λ0，对于其蓝移和红移的入射波长具有调控光力矩大小和方向的作用。
9.根据权利要求6所述方法，其特征在于，通过改变环形谢振强的半径实现同等条件下机械地增强光力矩，由于光力矩描述为光力与光力臂的矢量乘积，其中光力臂对应于环形谐振腔的半径。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111117861A (zh) * 2019-11-15 2020-05-08 桂林电子科技大学 基于双多芯光纤端的差动转矩式光学马达
CN111019802A (zh) * 2019-11-15 2020-04-17 桂林电子科技大学 角度偏差式双多芯光纤细胞光学马达
CN110993140A (zh) * 2019-11-15 2020-04-10 桂林电子科技大学 单芯光纤-多芯光纤组合式光学马达系统
CN112684539B (zh) * 2021-01-13 2022-11-29 上海理工大学 使用光力效应控制金属纳米线移动的方法及光子集成系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102185398A (zh) * 2011-05-04 2011-09-14 哈尔滨工程大学 用于光马达的复合材料双体转子
CN102222533A (zh) * 2011-05-04 2011-10-19 哈尔滨工程大学 基于多芯光纤的自组装式光动力钻
CN103430380A (zh) * 2011-03-16 2013-12-04 国际商业机器公司 具有有效折射率梯度的电磁波谐振器
CN107161943A (zh) * 2017-04-28 2017-09-15 浙江大学 一种基于微纳光纤的空气环境光力驱动微纳马达系统

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060285799A1 (en) * 2005-06-21 2006-12-21 Spillane Sean M Integrated circuit device with optically coupled layers
CN102183818B (zh) * 2011-05-04 2013-03-20 哈尔滨工程大学 一种基于多芯光纤的光马达及微泵
CN103592782B (zh) * 2013-10-24 2016-05-11 复旦大学 基于光微流环形谐振腔的纳米生物光镊

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103430380A (zh) * 2011-03-16 2013-12-04 国际商业机器公司 具有有效折射率梯度的电磁波谐振器
CN102185398A (zh) * 2011-05-04 2011-09-14 哈尔滨工程大学 用于光马达的复合材料双体转子
CN102222533A (zh) * 2011-05-04 2011-10-19 哈尔滨工程大学 基于多芯光纤的自组装式光动力钻
CN107161943A (zh) * 2017-04-28 2017-09-15 浙江大学 一种基于微纳光纤的空气环境光力驱动微纳马达系统

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