CN110023802A - 光子谐振电机 - Google Patents

光子谐振电机 Download PDF

Info

Publication number
CN110023802A
CN110023802A CN201780068834.8A CN201780068834A CN110023802A CN 110023802 A CN110023802 A CN 110023802A CN 201780068834 A CN201780068834 A CN 201780068834A CN 110023802 A CN110023802 A CN 110023802A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical
plane
resonantor
photon
resonance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201780068834.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110023802B (zh
Inventor
卡洛·爱德华多·坎帕内拉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jopsys Liability Co Ltd
Original Assignee
Jopsys Liability Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jopsys Liability Co Ltd filed Critical Jopsys Liability Co Ltd
Publication of CN110023802A publication Critical patent/CN110023802A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110023802B publication Critical patent/CN110023802B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12002—Three-dimensional structures
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12007—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29331—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by evanescent wave coupling
    • G02B6/29335—Evanescent coupling to a resonator cavity, i.e. between a waveguide mode and a resonant mode of the cavity
    • G02B6/29338—Loop resonators
    • G02B6/29341—Loop resonators operating in a whispering gallery mode evanescently coupled to a light guide, e.g. sphere or disk or cylinder
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29331—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by evanescent wave coupling
    • G02B6/29335—Evanescent coupling to a resonator cavity, i.e. between a waveguide mode and a resonant mode of the cavity
    • G02B6/29338—Loop resonators
    • G02B6/29343—Cascade of loop resonators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29379—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device
    • G02B6/29395—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device configurable, e.g. tunable or reconfigurable

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

本申请公开了一种光子电机，该光子电机包括：至少一个光学辐射输入端；第一光学波导装置，包括位于第一平面中的至少一个第一光学谐振器，以在预定坐标参考系中形成电机的静止部分；激励光学波导装置，在距至少一个第一光学谐振器预定光学模式耦接距离处耦接至第一光学波导装置，并且被配置为从至少一个光学辐射输入端接收预定波长的至少一个光学辐射并且将光学辐射光学地耦接到至少一个第一光学谐振器；至少第二光学波导装置，包括位于平行于第一平面的在垂直于平面的预定堆叠距离处的第二平面中的至少一个第二光学谐振器，第二光学波导装置被配置为至少根据预定义移动方向在第二平面中相对于第一光学波导装置移动，从而在预定坐标参考系中形成电机的移动部分，其中，堆叠距离适于在第一光学谐振器和第二光学谐振器在横向于第一平面和第二平面的平面中的邻近条件下，在第一光学波导装置的至少一个第一光学谐振器与第二光学波导装置的至少一个第二光学谐振器之间建立光学模式的渐逝波耦接，在第二平面处发生第二装置的局部运动，第一光学谐振器和第二光学谐振器适于根据堆叠距离以及在横向平面上的第一光学谐振器与第二光学谐振器之间的距离，引导预定第一波长的至少一个谐振对称模式、或预定第二波长的至少一个谐振反对称模式、或预定第一波长的至少一个谐振对称模式和预定第二波长的至少一个谐振反对称模式的至少组合或叠加，并且其中，当选择性地建立谐振对称模式时，建立第二光学谐振器朝向第一光学谐振器的吸引条件，该吸引条件根据预定义局部移动方向在第二平面上产生第二光学谐振器朝向第一光学谐振器的接近运动，或者当选择性地建立谐振反对称模式时，建立第二光学谐振器远离第一光学谐振器的排斥条件，该排斥条件根据预定义局部移动方向在第二平面上产生第二光学谐振器远离第一光学谐振器的背离运动。

Description

光子谐振电机
技术领域
本发明涉及光机械系统。具体地，本发明涉及一种旨在从光子源(即激光源)提取机械能的光机械设备。特别地，本发明涉及利用光机械原理的光子电机。
背景技术
自1821年，迈克尔·法拉第先生采用了由载流导线产生的磁力，以隔离线圈中的磁极并使其连续移动。这是电动机的首次演示。在这种类型的设备中，磁通量需要连续的反向以允许电动机的旋转。
考虑到微观和宏观的应用，到目前为止，旋转电机领域的现有技术如下：
a)基于法拉第-诺依曼-楞茨定律的电动机和微机电电机(MEMS)，致力于磁场与进入导体线圈的电流的相互作用。关于这些设备的缺点是非常小组件中的构造限制，限制在毫米级，以及为了获得有用的转矩而总是使用需要的高电压和高电流而产生的危险；
b)往复式和旋转式内燃机，通常由不可再生燃料供给，造成环境污染和相关问题，尺寸为米级，并且以高操作温度和多个液压连接和移动机械部件为特征，因此降低了系统的可靠性；
c)喷气发动机，例如，依赖于牛顿第3动力学定律并且通常基于焦耳-布雷顿热力循环的燃气涡轮机(诸如，呈涡轮螺旋桨和涡轮轴的形式)；它们通常因操作期间达到的最高温度而闻名。尺寸与上述那些发动机的尺寸相当，但与之相关联的声学和环境污染问题要高得多；
d)电磁或化学能驱动的分子电机，能够执行旋转运动或线性运动；
e)光学微型电机，利用由光学波导承载的光与自由移动的结构之间的相互作用产生的辐射压力。
目前，对于现有电机而言，最具挑战性的限制是在微型电机的情况下可输送功率低，或者在宏电机的情况下重量、尺寸和污染排放很大。
辐射压力产生光学力，这些光学力引起光机械系统中的机械位移。然而，腔光机械原理是通过改善谐振光子系统中发生的光-物质相互作用来增强作用于物质的光学力的强度的最有效策略。迄今为止，对腔增强光机械系统的研究仅限于允许单向致动的线性位移系统。
US 2009/0116788公开了控制两个间隔开的耦接的强约束光子设备之间的光学谐振，其中，光学谐振用于产生光学感生力并且在由两个耦接的强约束光子设备制成的光机械系统中实现精确的机械致动。公开了形成为环谐振器的两个堆叠的光子设备之间的轴向接近或背离。
发明内容
本发明的目的是提供一种光机械系统，该光机械系统有效地将光学功率转换为机械转矩。
根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的光子电机实现。
特定实施方式是从属权利要求的主题，其内容是本说明的整体部分。
具体地，本发明涉及一种光子电机，包括：
-至少一个光学辐射输入端；
-第一光学波导装置，包括布置在第一平面中的至少一个第一光学谐振器，以在电机的预定坐标参考系中形成所述电机的静止部分；
-激励光学波导装置，在距所述至少一个第一光学谐振器的预定光学模式耦接距离处耦接至所述第一光学波导装置，并且被配置为从所述至少一个光学辐射输入端接收预定波长的至少一个光学辐射并且将所述光学辐射光学地耦接至所述至少一个第一光学谐振器；
-至少第二光学波导装置，包括布置在平行于所述第一平面的在垂直于所述平面的预定堆叠距离处的第二平面中的至少一个第二光学谐振器，第二光学波导装置被配置为至少根据预定义移动方向在所述第二平面中相对于所述第一光学波导装置移动，从而在电机的预定坐标参考系中形成所述电机的移动部分，
其中，所述预定堆叠距离适于在所述第一光学谐振器和所述第二光学谐振器在横向于所述第一平面和所述第二平面的平面中的邻近条件下，在所述第一光学波导装置的至少一个第一光学谐振器与所述第二光学波导装置的至少一个第二光学谐振器之间建立光学模式的渐逝波模式耦接，在第二平面处发生所述第二装置的局部运动，所述第一光学谐振器和所述第二光学谐振器适于根据所述堆叠距离以及在横向平面上的所述第一光学谐振器与所述第二光学谐振器之间的距离，引导预定第一波长的至少一个谐振对称模式、或预定第二波长的至少一个谐振反对称模式、或预定第一波长的至少一个谐振对称模式和预定第二波长的至少一个谐振反对称模式的至少组合或叠加，并且
其中，当选择性地建立谐振对称模式时，建立所述第二光学谐振器朝向所述第一光学谐振器的吸引条件，该吸引条件根据所述预定义局部移动方向在所述第二平面上产生第二光学谐振器朝向第一光学谐振器的接近运动，或者当选择性地建立谐振反对称模式时，建立所述第二光学谐振器远离所述第一光学谐振器的排斥条件，该排斥条件根据所述预定义局部移动方向在所述第二平面上产生第二光学谐振器远离第一光学谐振器的背离运动。
根据第二方面，光子电机包括控制装置，该控制装置被布置为至少控制来自所述至少一个光学辐射输入端的辐射的参数，从而选择性地建立所述谐振对称模式和所述谐振反对称模式中的至少一者。
根据另一个方面，所述第一光学波导装置包括多个第一光学谐振器，并且所述控制装置被布置为至少控制要由所述激励光学波导装置接收的来自所述至少一个光学辐射输入端的光学辐射的参数，从而沿着所述预定义移动方向连续地将所述光学辐射光学地耦接到所述多个第一光学谐振器中的每一个第一光学谐振器，并且在所述多个第一光学谐振器中的所述每一个第一光学谐振器的邻近条件下，在所述多个第一光学谐振器中的所述每一个第一光学谐振器或至少一个第二光学谐振器之间选择性地建立所述谐振对称模式和所述谐振反对称模式中的至少一者。
根据另一个方面，来自所述光学辐射输入端的辐射的参数是以下各项中的至少一项：所述辐射的波长、相位、偏振、所述辐射的打开/关闭定时、所述辐射的功率。
根据另一个方面，所述第一光学波导装置包括沿着第一平面中的至少一个预定路径布置的多个第一光学谐振器，并且所述第二光学波导装置包括沿着第二平面中的至少一个预定路径布置的多个第二光学谐振器。
根据另一个方面，所述控制装置被布置为至少控制来自所述至少一个光学辐射输入端的辐射的参数，从而当根据所述预定义移动方向沿着第二平面中的所述至少一个预定路径的至少一个所述第二光学谐振器的位置滞后于沿着第一平面中的所述至少一个预定路径的耦接的第一光学谐振器的位置时，选择性地建立谐振对称模式，并且当根据所述预定义移动方向沿着第二平面中的所述至少一个预定路径的至少一个所述第二光学谐振器的位置超前于沿着第一平面中的所述至少一个预定路径的所述耦接的第一光学谐振器的位置时，选择性地建立谐振反对称模式。
根据另一个方面，第一平面中的所述至少一个预定路径和第二平面中的所述至少一个预定路径是闭合路径，并且它们优选地是圆形路径。
根据另一个方面，所述第二光学波导装置中的第二光学谐振器的闭合路径与所述第一光学波导装置中的第一光学谐振器的闭合路径同轴。
根据另一个方面，第一平面中的所述至少一个预定路径和第二平面中的所述至少一个预定路径是直线路径。
根据另一个方面，所述光学谐振器沿着所述预定路径均匀地分配。
根据另一个方面，所述第一光学谐振器和所述第二光学谐振器是环谐振器，优选地是圆环谐振器，并且所述第一光学谐振器包括选择性激励的环谐振器的子集以及至少一个激励主环谐振器。优选地，第一环谐振器的所述子集和所述第二环谐振器具有相同的直径。
根据另一个方面，所述第一光学谐振器和所述第二光学谐振器是回音壁模式光学谐振器。
根据另一个方面，在第一平面与第二平面之间的所述预定堆叠距离基于以下各项中的至少一项：来自所述光学辐射输入端的光学辐射的所述预定波长、所述光学谐振器的材料、所述光学谐振器的几何特征。
根据另一个方面，所述激励光学波导装置包括与所述第一光学波导装置共面的至少一个激励光学波导。在第一实施方式或配置中，所述第一光学波导装置包括沿着第一平面中的至少一个预定圆形路径布置的多个第一光学谐振器，并且所述至少一个激励光学波导沿着至少部分侧向于所述至少一个圆形路径的路径延伸。在另一个实施方式配置中，所述第一光学波导装置包括沿着第一平面中的预定直线路径布置的多个第一光学谐振器，并且所述至少一个激励光学波导沿着侧向于所述直线路径的路径延伸。
根据另一个方面，所述激励光学波导装置包括在与第一光学波导装置的所述第一平面不同的平面中的至少一个激励光学波导。
根据另一个方面，所述光学辐射输入端是至少一个相干辐射源，或者耦接到至少一个相干辐射源。优选地，所述相干辐射源是激光源，该激光源的工作带宽至少取决于所述第一光学谐振器和所述第二光学谐振器的尺寸和材料以及所述第一光学波导装置与所述第二光学波导装置之间的电介质。
根据另一个方面，至少探针光学波导耦接到所述激励光学波导装置。
根据另一个方面，所述第一光学谐振器和所述第二光学谐振器中的每一者和所述激励光学波导装置被制造为光纤、电介质基板上的集成光导、半导体有源结构或半导体无源结构、等离子体结构、聚合物结构。
根据另一个方面，第一光学波导装置被形成在静止部分基板上，该静止部分基板被布置为机械地耦接至静止的第一固定机器结构，并且第二光学波导装置被形成在移动部分基板上，该移动部分基板被布置为机械地耦接至可相对于所述第一固定机器结构移动的第二机器结构。
本发明进一步涉及一种光子电机组件，其包括多个基本单元，每个基本单元包括如上限定的光子电机，所述基本单元在平面上或三维体积中机械地耦接。
总之，本发明基于产生光学力的辐射压力，这些光学力引起光机械系统中的机械位移。根据本发明的一个方面，一种光机械系统，表现类似于光子谐振电机，其中光学力通过位于两个相对移动的(优选地相对旋转的)平面上的谐振器的优选圆形的装置产生。光子谐振电机是借助于耦接的谐振器动力学设想的腔增强的光机械旋转系统，并且可以有利地在小型硅光子系统中制造。诸如硅光子学的新兴半导体制造技术允许制造光机械微系统，其中通过小型化的尺寸增强了相对力强度。
本发明的一个实施方式包括光子谐振电机，其利用光子谐振结构来转换电磁力，以便产生有用的机械能。这种光子谐振电机可以通过由跟踪光学信号(即，激光源)的波长产生的光学感生力来驱动。具体地，根据本发明的一个方面，刚性连接到相同旋转轴线的光学耦接的光学谐振器的布置由于由谐振现象引起的所产生的不对称光学力而相对回转。
光子谐振电机基本上是由激励波导结构的相干辐射源(即，激光束)供电的电机。它呈现了允许光子进入电磁波导中的端口，该电磁波导激励位于相对运动的两个平行的紧密定位的表面(即，滑动平面、旋转系统等)上的光学谐振器的装置。虽然基本构建块可以以不同形状制造，但是示例性公开的实施方式为谐振元件和移动表面采用圆形形状，并且相对运动中的表面之一是固定的，而另一个表面是自由旋转的。
根据本发明的一个方面，光子电机可以包括一个或多个电磁谐振器。具体地，光子电机可以包括通过两个相对旋转的平面光学地耦接的光学谐振器的一种或多种装置。在该实施方式中，光子电机应该包括紧密邻近的至少两个平行平面：自由旋转的转子平面和静止的定子平面。根据本发明的一个方面，定子平面包括多个光学闭合路径(在下文中称为“环谐振器”)，其可以优选地布置成圆形几何形状并且通过一个或多个内部或外部电磁谐振器(主电磁谐振器)(诸如，围绕它们的主环谐振器)激励。可以通过一个或多个总线波导激励主环谐振器。类似地，转子平面包含相同数量的光学环谐振器，其数量与放置在定子平面上的环谐振器的数量有关并且优选地以与定子平面中相同的方式布置。转子平面和定子平面通过渐逝耦接来(例如，在镜像的环谐振器之间)光学耦接。与不对称谐振模式相关联的不对称光学力使得能够产生光机械转矩。可以通过多谐振器腔增强的系统捕获光子的动量并提取有用的光机械转矩。
转子平面和定子平面可以由两个半导体晶片构成，通过使用在光子技术工业中广泛采用的常规微制造技术来制造。通过采用当前技术领域中已经可用的特定微机械解决方案，可以获得允许转子与定子之间相对旋转的最佳机械条件。
对于适当选择的激励波长，光子谐振电机通过跟踪光源的波长，在通过定子平面和转子平面上的谐振器的耦接产生的转矩下被动地旋转，从而产生光学感生的转矩。与激励包含在光子电机中的环的谐振对称模式和谐振反对称模式相关联的不对称光学力使能够在转子上产生并且利用光机械转矩。
除了广泛的实际应用外，光子谐振电机还展示了其在物理上是如何通过光学腔增强的系统捕获光子的动量，以从光物质相互作用中提取光机械转矩。
光子谐振电机的基本构建块由垂直堆叠的渐逝耦接的光学环谐振器组成，其中主环与定子环之间的垂直环间距离、主环与定子环之间的横向距离、主环与总线波导之间的横向距离确定每个环中光功率的分布，从而调节光子谐振电机的光谱特征。在优选实施方式中，光子谐振电机包括通过周期2π/N的周期性圆形分布均匀地交错的N对垂直堆叠环谐振器(CVSRR：couples of vertically stacked ring resonators)的闭环。
在优选实施方式中，N＝4并且四个CVSRR通过闭环相互作用，该闭环由位于定子平面(与四个CVSRR的底环所在的平面重合)中的另一个环组成并且被称为'主环谐振器'。主环的半径被适当地选择，以避免VSRR对之间的横向交叉耦接。通过位于定子平面中的总线波导(或波导阵列)来激励主环。尽管波导可以支持两种不同的光学模式(准TE和准TM)，但是只有基本模式(准TE)以多种方式被选择性地激发，例如通过调整激光源的偏振。
这种光子电机可以通过传递矩阵方法、散射矩阵方法和耦接模式理论(CMT)进行光学建模。通过使用集总参数模型，通过量子理论导出调节光子电机的机械行为的光机械力(辐射压力)。
在两个弱耦接的谐振器之间的力F可以从由围绕垂直于谐振器所在平面的轴线的旋转θ产生的谐振波长偏移(Δλ)导出。力F由下式给出：
其中ξ是定子上的环与转子环之间的距离，对应于角度θ。Qm是单个转子/定子环的品质因子(与第m阶谐振相关联)，而P是在VSRR中循环的光功率。
P由PiEN给出，其中Pi是输入激光功率，并且EN是由于主谐振器的存在而引起的功率增强因子，该主谐振器允许VSRR中的光子的再循环。
存储在定子的环谐振器中的谐振电磁能为PQλm/2πc(λm＝2πr/neff，其中r为定子/转子环半径，neff为独立的定子/转子环波导截面的有效折射率)。Qm可以在定子/转子的单个环谐振器中进行评估，而没有与其他转子/定子环的存在相关的扰动，并且在θ＝πp/N的旋转角度下计算(p是整数，并且N是VSRR对的总数量)。
附图说明
本发明的进一步的特性和优点将在参考附图通过非限制性实例给出的优选实施方式的以下描述中更详细地公开，其中：
图1中的a和b分别是根据本发明的光子谐振电机的实施方式中的转子平面和定子平面的示意性顶视图，以及包括转子平面和定子平面的所述光子电机的透视图；
图2中的a、b和c分别示出了图1中的b的光子谐振电机的定子平面和转子平面呈分解视图、呈静止条件下的安装视图、以及在相对于静止条件成小旋转(θ)的操作中的横截面；
图3中的a和b分别示出了在图1b的光子电机的实施方式中的由一对VSRR组成的光子电机的基础元件和与用于一对VSRR的传递矩阵相关联的集总参数块；
图4中的a和b分别以3D视图和横截面视图示出了单对VSRR，其中转子环相对于定子环以角度θ(围绕旋转轴线)自由旋转；
图5中的a和b分别示出了根据环间距离和根据环间旋转角度的单对VSRR的模式分离动力学；
图6示出了根据定子平面与转子平面之间的旋转角度的对称模式的有效折射率的演变，以及在插图中在沿着有效折射率曲线的所指示旋转位置处的对称模式电磁场分布；
图7示出了根据定子平面与转子平面之间的旋转角度的反对称模式的有效折射率的演变，以及在插图中在沿着有效折射率曲线的所指示旋转位置处的反对称模式电磁场分布；
图8是横向耦接到定子主环谐振器的N对VSRR的开环配置的示意图示；
图9中的a和b分别示出了根据环间距离和根据环间旋转角度的由环形地闭合到主环谐振器中的4对VSRR制成的光子谐振电机的增强因子EN和模式分离动力学；
图10是单对VSRR的等效集总参数系统的几何描述；
图11示出了根据定子平面与转子平面之间的旋转角度θ的对称谐振线λ+的光机械力分布；
图12示出了根据定子平面与转子平面之间的旋转角度θ的对称谐振线λ+的光机械转矩分布；以及
图13至图17示出了根据本发明的光子谐振电机的另外的实施方式的示意性透视图。
具体实施方式
在下文中，公开了示例性光子谐振电机M，其包括两组波导光子谐振器的装置，这些波导光子谐振器彼此光学地耦接并具有相同的旋转轴线，由于通过谐振现象引起的所产生的不对称光学力而相对回转。
根据本发明的实施方式的光子谐振电机M的光机械系统包括紧密邻近定位的两个平行的平面：自由旋转的转子平面ΠR，和静止的定子平面ΠS，如图1中的a和b中所描绘的。
光子电机M包括：
-至少一个光学辐射输入端S；
-第一光学波导装置，包括布置在定子平面中的至少一个且优选多个的第一光学谐振器10、20、30、40和主环谐振器MR，以在电机的预定坐标参考系x、y、z中形成所述电机的静止部分；
-激励光学波导装置，优选地包括至少一个激励光学总线波导WG1，并且在所描绘的实施方式中包括一对激励光学总线波导WG1和WG2，激励光学波导装置在距主环谐振器MR、或更一般地距至少一个第一光学谐振器的预定光学模式耦接距离处耦接至所述第一光学波导装置，并且被配置为从光学辐射输入端S接收预定波长的至少一个光学辐射并且将所述光学辐射光学地耦接到所述至少一个第一光学谐振器；
-至少第二光学波导装置，包括布置在于垂直于所述平面的预定堆叠距离处平行于定子平面的转子平面中的至少一个且优选多个的第二光学谐振器10'、20'、30'、40'。
第二光学波导装置被配置为至少根据预定义移动方向在转子平面中相对于所述第一光学波导装置移动，从而在电机的预定坐标参考系x、y、z中形成电机M的移动部分。
在图1中的a和b中描绘的本发明的示例性实施方式中，定子平面包含多个光学环谐振器10、20、30、40，这些光学环谐振器以圆形几何形状排列并同时通过围绕它们的主环谐振器MR激励。类似地，转子平面优选地包含以与定子平面中相同的方式布置的相同数量的光学环谐振器10'、20'、30'、40'。转子平面和定子平面通过镜像的环谐振器之间的渐逝耦接来光学耦接。
对于某些输入激励波长，由于通过源于定子谐振器与转子谐振器的耦接的辐射压力产生的光机械转矩，光子谐振电机通过跟踪光源的波长而旋转。与激励环的谐振对称模式和谐振反对称模式相关联的不对称光学力在转子上产生有用的转矩。图1中的a中示出了光子谐振电机的实施方式，其中描画了转子平面和定子平面的顶视图，并且在图1中的b中，报告了光子谐振电机的3D视图。
不同的是，图2中的a至c示出了当经由二氧化硅制成的机械接头(假设为转子上的内置销和定子上的相应凹座)结合时(如图2中的a中的分解视图所示)、当转子处于静止时(如图2中的b所示)、以及转子相对于静止条件的小旋转(θ)(图2中的c所示)时的定子平面和转子平面的横截面。
以下描述基于光学谐振器的相互作用实现光子谐振电机的实例。
根据本发明的实施方式的光子谐振电机的基础元件(基本单元)包括彼此渐逝地耦接的两个垂直堆叠波导环谐振器。垂直的环间距离用q指示，横向的定子环至主环的距离用d指示，而横向的主环至总线波导的距离用g指示。通过使用有限元方法(FEM)，可以找到物理参数q、d和g与调节光子谐振电机的光谱特征的光功率的分数之间的关联。
整个光学谐振腔由通过周期2π/N rad的周期性圆形分布等间隔的内部半径为r的N对垂直堆叠环谐振器(CVSRR)的闭环构成。根据所公开的示例性实施方式，N＝4，因此，这四个CVSRR仅通过由位于定子平面中(即，与这四个CVSRR的底环所在的平面重合)的较宽环组成的被称为“主环”的闭环彼此相互作用，该主环的半径RMR与q一起被选择，以避免主环与转子环之间的横向交叉耦接。
主环通过位于定子平面中的一个或两个总线波导WG1和WG2激励。
光子电机可以通过传递矩阵方法、散射矩阵方法和如下所述的通过分析其由两个垂直堆叠环谐振器(即，属于转子平面的顶环和属于定子平面的底环)组成的基础元件(如图3中的a中所描绘的)的耦接模式理论(CMT)进行光学建模。
单对VSRR的光学特征可以通过耦接模式理论(CMT)导出，并然后用于构造与该对(块)相关联的传递矩阵。
通过用ζ表示沿这两个VSRR的曲线坐标，取决于定子平面和转子平面中的轴线x、y，在底环和顶环中传播的光学信号的幅值分别为a1(ζ)和a2(ζ)。这两个幅值对曲线坐标ζ的相关性可以通过CMT建模，CMT提供了这两个耦接微分方程：
其中j是虚数单位，ω是角频率(即2πc/λ，其中c是真空中光速，并且λ是波长)，nSym和nAsym分别是与对称模式和反对称模式相关联的有效指数，而ng是独立(无扰动)波导的群指数。nSym和nAsym可以通过考虑两个耦接波导的横截面中的光场的电磁分布通过FEM来评估，而ng来源于对无扰动独立波导的横截面的电磁分析。重要的是，应注意nSym和nAsym是这两个耦接光学波导的横截面之间的距离ξ的函数，其可以通过考虑这两个VSRR的中心之间的距离来评估，如图4中所示。
一旦固定了旋转轴线与环中心之间的距离R，该距离ξ就取决于这两个VSRR之间的垂直距离q以及旋转角度θ。换句话说，参考图1中所描绘的结构，通过隔离图4中的单对VSRR，转子环能够旋转角度θ，从而影响电磁场分布，并进而影响nSym和nAsym。因此，系统的旋转动力学通过方程(1)中的nSym和nAsym的旋转相关性来考虑。在方程(1)的第三项中，β是无扰动波导的传播常数(即，β＝2πneff/λ＝ωneff/c)，k是传播常数，q和θ的函数，与nSym和nAsym的组合相关联。
通过忽略传播损耗，由方程(1)描述的系统的两个通解a1(ζ)和a2(ζ)为：
这两个幅值a1(0)和a2(0)可以通过施加边界条件来确定。第一边界条件为：
a2(L)＝a2(0) (3)
方程(3)是由于圆形形状和由于上环仅与下环而不与主环耦接的条件而产生的封闭条件。L是该对VSRR的每个环的平均周长(即，L＝2πr)。
通过假设存在单个激励源(即，图3中的b中的Ei1)，主环与一个下环之间的耦接通过以下传递矩阵来建模：
其中Ei1是在与一对VSRR相互作用之前在主环上的信号的幅值，并且Et是与一对VSRR相互作用后在主环中的信号的幅值(参见图3中的a)。方程(4)的系统的第二方程将第二边界条件规定为：
通过将这两个边界条件(方程(3)和(5))施加到方程(2)中的方程组，我们获得：
一旦固定了谐振的阶数m，谐振条件(通过使等式(6)的分母等于零而获得)在ω≈ωm ±时发生，其中ωm +是对称谐振频率，并且ωm -是反对称谐振频率。这些谐振是nSym与nAsym之差的组合，并且它们的表达式由下式给出：
其中ωm是当这两个VSRR之间的距离足够大到避免其间的相互作用时发生的单个环谐振器(在定子平面上)的谐振频率(λm是谐振波长)。
ωm(λm)由下式给出：
谐振条件对应于ωL/c＝2πm的条件，其中m对应于谐振阶数。通过结合方程(4)和(6)，我们将通过一对VSRR在主环上传输的光场幅值导出为：
该模型已经通过三维时域有限差分(3D-FDTD)方法验证。
形成光子谐振电机的环谐振器和两个总线波导的光学波导结构优选地是硅线(硅折射率nSi＝3.45)，其特征为横截面宽度W＝500nm且高度H＝300nm。转子硅环谐振器和定子硅环谐振器锚固在属于两个不同的硅基板的两个二氧化硅盘(折射率nSiO2＝1.46)上。这两个不同的转子平面和定子平面经由二氧化硅制成的机械接头(假设为转子上的内置销和定子上的相应凹座)结合并被空气(naur＝1)包围。
波导部件优选地利用硅光子技术实现，允许集成光学设备的极度小型化，并且因此由于强光物质相互作用而改善光机械效应，其可以用作用于光子谐振电机的最佳性能的基本策略。
在一对垂直堆叠环谐振器的特定情况下，认为特征值网格通过找到使方程(9)的分母为零的谐振波长而获得。在图5中的a中，描绘了当θ＝0[rad]且垂直距离q是自由参数(即，这两个VSRR在轴向方向上自由移动)时的模式分离动力学。为简单起见，我们可以将k(q,0)重命名为k(q)，并且因此与模式分离相关联的不对称谐振由下式规定：
通过固定q＝q*(即，通过固定与垂直耦接相关联的距离以便在低于“捕获”条件的条件下操作，如P.T.Rakich、M.A.M.和E.P.Ippen的“Trapping,corralling and spectral bonding of optical resonances through opticallyinduced potentials”，Nat.Photonics 1(11),658–665(2007)中所公开的，对应于两个连续谐振阶数的两个不对称谐振的交叉)并通过考虑转子相对于定子环自由旋转角度θ，可以通过下式来评估旋转结构的模式分离动力学
k(q*,θ)＝[nSym(q*,θ)-nAsym(q*,θ)]/2。
直观地，参考图1中的特征为以圆形布置分布的4对VSRR的光子电机的实施方式，将在θ＝2πp/N(p是整数，并且N是VSRR对的总数量，如图5中的b中所描绘的)时发生在单对VSRR中在θ＝0时发生的相同模式分离条件。
在角度条件θ＝(2p+1)π/N时，转子环谐振器与所有定子环谐振器完全解除耦接，并且在转子环谐振器与定子环谐振器之间没有交换电磁能量。在传输光谱中，由于这两个谐振线与独立定子环谐振器的谐振线一致(λm ±≈λm)，因此在模式分离消失时，该条件可见。此外，由于特征值的连续性和旋转对称性(即，λm ±(θ*)＝λm ±(-θ*))，模式分离动力学的特征为，对于角度θ＝(2p+1)π/N，最小值位移在λm ±≈λm处，并且对于角度θ＝2πp/N，最大值移位在：
特别地，旋转模式分离动力学由下式规定：
通过方程(10)至(12)表达的条件在图5中以图形表示，其中参考单对VSRR来报告模式分离动力学。在图5中的a中，环间距离q是变量，而旋转角度θ是零；不同的是，在图5中的b中，环间旋转角度θ从0变化到2π，而q固定为q*。
在前面的考虑的基础上，固定q＝q*＝400nm，并且认为旋转半径R-r-W/2≈5μm，对于更靠近旋转轴线的那些波导横截面是有效的。利用这些参数，通过有限元方法，我们对于在角度范围[2πp/N-0.4，2πp/N+0.4]中的围绕条件θ＝2πp/N的小角度θ模拟了图6中的nSym的旋转动力学和图7中的nAsym的旋转动力学。显然，虽然这些报告的旋转动力学与最靠近光学电机的旋转轴线的波导横截面有关(即，R-r-W/2≈5μm)，但所获得的结果显示具有较大旋转半径的波导横截面具有相同趋势。因此，通过施加顺时针旋转，nSym(θ)显示准洛伦兹分布，如图6中所描绘的。
实际上，数值FEM数据已经成功地用以下函数进行插值：
其中a＝12并且γ＝1.87。
通过从插图1)移动到插图13)，在图6中还已经报告了与转子波导横截面的旋转相关联的电磁场的分布。
在nSym(θ)的相同评估条件之后，在图7中示出了nAsym(θ)。
为简单起见，已经使用保持前一方程(13)的相同参数的准洛伦兹函数来进行对nAsym(θ)的插值：
尽管相对于nSym(θ)的插值，已经通过高近似度来对nAsym(θ)的数值FEM数据进行插值，但该表达式直观地示出nAsym(θ)具有相对于nSym(θ)的反向走势。
从图6和图7中，容易注意到nSym(θ)≈nAsym(θ)≈ng，其中θ<-10°和θ>10°。在距旋转轴线较远的距离(即，在从R-r-W/2至R+r+W/2范围内的距离)处的波导横截面显示了nSym(θ)和nAsym(θ)的相互作用的角度间隔比图6和图7的那些窄，由于耦接范围在线性距离方面对于每个半径R保持恒定，因此对R-r-W/2≈5μm是有效的。
一旦导出单对VSRR的旋转模式分离动力学，我们开发了由两个总线波导(即，图1、图2中的WG1和WG2)激励的闭环配置中的N对VSRR的光学模型。
首先，参考图8，其中报告了N对平行耦接的VSRR的开环配置，与沿着主环的相位延迟相关联的相位项是ΦMR＝4π2ngRMR/λ，其中主环半径RMR等于R+r+d+3W/2。N对VSRR(即，图1的a中的N＝4)被移位以便等间隔(即，周期性地移位)，使得关联于第p对VSRR与第(p+1)对之间的光路的相位项是ΦEX＝ΦMR/N，其中N是VSRR对的数量。
根据D.G.Rabus的《集成环谐振器》概要，纽约：Springer-Verlag出版社，2007年，由于主环的存在，电光场的腔内积聚幅值可以表示为：
其中是从总线波导WG1/WG2传输到主环的光场幅值，其取决于WG1/WG2与主环之间的几何间隙g(参见图2中的a)。
主环中的功率增强因子EN为：
EN是基本参数，因为它考虑了相对于激励总线波导WG1/WG2的功率|EIN|2的腔内功率增强。在谐振光学系统中，作为线性地取决于输入光学功率的光机械力的强度，对于允许光学腔欠耦接(即，低于临界耦接条件)的值，腔内功率增强EN表示改善因子(例如，相对于通过总线波导直接激励的单对VSSR)。
表I.光子谐振电机：物理参数、符号和假设值
参考表1中报告的物理参数，在图9中的a中，表示了作为波长λ和k(q)的函数的方程(16)的增强因子EN行为，以便还包括分析中的模式分离动力学。由于存在4对VSRR环形地闭合到主环中，模式分离动力学不同于单对VSRR的模式分离动力学。对于在从0.002μm-1至0.02μm-1范围内的k(q)的值，光子电机显示的分离动力学的特征为以λm为中心的中心谐振线(类似于图5中的a)和没有收敛到退化模式条件(λm，诸如图5中的a中所示)的现在被称为λpm +和λpm -(类似于图5中的a的λ+和λ-)的两个不对称谐振线。对于k(q)＝0(即，q→±∞)，我们证明了谐振λpm +和λpm -采用了取决于表1中报告的所有物理参数的值。类似于图5中的b中报告的单对VSRR的角度模式分离动力学，在图9中的b中，闭合到主环中的4对VSRR的相互作用(其中q＝q*)允许在范围[2πp/N-0.4，2πp/N+0.4]内的角度相互作用，遵循与图5中的b中说明的类似趋势。实际上，该趋势与图5中的b的趋势类似但不同，因为存在以λm为中心的直谐振线，其避免了这两个不对称谐振线λpm +和λpm -在λm处收敛。我们证明了只有单对VSRR的趋势与图5中的b的趋势完全相同。
现在，返回考虑图4中报告的几何构造，其中ξ是单对VSRR的两个环的两个中心之间的距离，q＝q*是这两个VSRR之间的固定垂直距离，R是旋转轴线与VSRR中心之间的距离，θ是转子环相对于相应的定子环的旋转角度，并且在完美堆叠的配置中假设零旋转参考角度(θ＝0)，以下说明假设对于θ＝0附近的小旋转角度的有效性并且θ仅在正方向上增加(dθ>0，即，始终保持相同的旋转方向)。
光学谐振器的物理参数(包括波导环的几何特征及其横截面)会聚到与每个环谐振器(放置在距旋转轴线的距离R处)的几何中心重合的等效集中点。通过这个假设，光机械理论聚焦于集总模型上，该集总模型使得能够研究沿着连接这些点的移动线作用的相互作用力(即，参见10中的a中的定子等效点和转子等效点，PS和PR)。
由于作用在PS与PR之间的腔增强辐射压力，光子谐振电机的机械性能由光机械力Fξ规定。Fξ可以作为由两个弱耦接谐振器产生的力，通过量子论证或经典论证导出，如由M.L.Povinelli、Steven G.Johnson、Marko Mihai Ibanescu、ElizabethJ.Smythe、Federico Capasso和J.D.Joannopoulos在"High-Q enhancement ofattractive and repulsive optical forces between coupled whispering-gallery-mode resonators”，Opt.Express 13，8286-8295(2005)中所公开的。它由下式给出：
其中P是在单对VSRR中循环的光学功率，并且P由下式给出：
P＝PiEN (18)
其中Pi是输入源(例如，激光器)功率，并且EN是功率增强因子(方程16)；
并且其中Qm是独立环谐振器的品质因子，参考第m阶谐振，其可以对角度条件θ＝(2p+1)π/N(非耦接条件)进行评估。
存储在单个定子环中的谐振电磁能Ur由下式给出：
假设在零参考角度附近的小旋转角度，可以认为是线性化距离Rθ(对应于x-y平面上的距离ξ的投影，参见图10中的b和图4中的a)，而不是弦长。因此，ξ可以表示为：
通过考虑方程(20)和方程(12)，Δλ(θ)＝λm ±(θ)-λm，使得d(Δλ(θ))＝d(λm ±(θ))≈d(λpm ±(θ))，方程17可以表示为：
我们通常将与对称谐振线相关联的吸引力定义为负，并且将与反对称谐振线相关联的排斥力定义为正。因此，Fξ可以表示为Fξλ +和Fξλ -，对于对称谐振线和反对称谐振线(参见图9中的b)，λpm +和λpm -分别表示为：
由于集总等效系统的减少，Fξλ +和Fξλ -沿着ξ(即，连接耦接的定子环和转子环的中心的移动线)起作用。参考角度γ(参见图10中的b)，被限定为：
考虑总力Fξλ +(-)的两个特定投影：轴向分量Fzλ +(-)和切向分量Fθλ +(-)，由下式给出：
Fzλ +(-)由外框给出的反作用力平衡，而Fθλ +(-)引起转子的运动。
参考图1和图2中报告的光子电机的具体配置，其中N＝4，在图11中，报告了作为旋转角度的函数的曲线，该曲线表示对称谐振线λ+的光机械力分布(参见图5中的b和图9中的b中的特征值网格)。反对称谐振线λ-的光机械力分布相对于对称谐振线是反向的，并且为简单起见未进行报告。
通过将切向力Fθλ +(-)的值乘以从点PR到旋转轴的距离R，来计算由单对耦接环施加并作用在转子上的转矩C1(θ)。如前所述，当考虑零参考角度附近的小旋转角度时，这个假设(意味着Fθλ +(-)和R的垂直方向)是可接受的：
在所提出的配置中(N＝4个在2πrad上等间隔的CVSRR)，可以对N个同相函数求和，以便获得总转矩C(θ)：
C(θ)＝N·C1(θ)[Nm] (28)
容易注意到总转矩随着动态参数Fθλ +(-和拓扑/几何参数N和R的增加而线性增加。
图12公开了作为旋转角度θ的函数的对称谐振线λ+的光机械转矩分布。
可用于维持这种系统中的旋转并从转子中提取有用的转矩的控制装置的技术之一是同步定时：当使用对称谐振线(吸引力)时，仅需要在接近阶段器件保持(激光)源启用，并且当转子环与相应的定子环处于完美堆叠状态时将源关闭。在这个阶段之后，由于惯性力，转子将保持其运动，直到它达到与不同的定子环的下一个耦接状态。
控制装置的这种技术的替代方案在于使用反对称谐振线(排斥力)，仅在转子环与相应的定子环处于完美堆叠状态时打开(激光)源，并且在整个逃离阶段期间保持其开启，直到面对的环之间的光学耦接下降。
另一种方法在于使用前者的组合，确保从吸引(在接近阶段期间)到排斥(在逃离阶段期间)的切换。
可以应用以获得全运动控制的更复杂但有效的技术由步进式架构表示：作为实例，考虑对称谐振线(吸引力)，单个定子环在激活时吸引最近的转子环，直到它被困在局部零位(堆叠条件)。为了获得第二运动(步)，驱动器单元关闭前一个定子环并启用下一个定子环。上述转子环离开其实际位置，因为它被不同的定子环吸引，并拉动整个转子直到它到达新的安置位置。这种机制根据驱动器单元施加的动作而重复(甚至沿着两个旋转方向)。应注意，在以上描述中的本发明的所提出的实施方式是示例性的而非限制本发明。技术人员可以在不背离本文中概述的原理的各种实施方式中容易地实施本发明。这尤其适用于改变第一光学波导装置、第二光学波导装置和耦接到所述第一光学波导装置的激励光学波导装置的布置的可能性。
图13示出了根据本发明的光子谐振电机M的替代实施方式，其中，第一光学波导装置包括光学环谐振器的至少两个子集，这些子集沿着定子平面上的共同圆形路径交错(在图中描绘了八个光学环谐振器的示例性阵列，每个子集四个)。光学环谐振器13、23、33、43的第一子集通过内接在圆形路径中的第一波导WG3激励并具有优化的形状，使得它达到距第一子集的每个光学谐振器13、23、33、43的预定光学模式耦接距离，第一波导WG3被配置为从第一光学辐射输入端S3接收预定波长的至少一个光学辐射。光学环谐振器53、63、73、83的第二子集通过外接在圆形路径中的第二波导WG4激励并具有优化的形状，使得它在某些特定设计的点中达到距第二子集的每个光学谐振器53、63、73、83的预定光学模式耦接距离，第二波导WG4被配置为从第而光学辐射输入端S4接收预定波长的至少一个光学辐射。
图14示出了根据本发明的光子谐振电机M的替代实施方式，其中，第一光学波导装置包括光学环谐振器14-84的子集，该子集沿着定子平面上的共同圆形路径布置(在图中描绘了八个光学环谐振器的示例性圆形阵列)。主环谐振器MR2外接到圆形路径，并且具有大致圆形的形状，使得它在规则间隔的角度位置处达到距每个光学谐振器的预定光学模式耦接距离。主环谐振器MR2通过直线波导WG5激励，该直线波导被配置为从光学辐射输入端S5接收预定波长的至少一个光学辐射并且在主环谐振器MR2附近切向地通过。
图15示出了根据本发明的光子谐振电机M的替代实施方式，其中，第一光学波导装置包括光学环谐振器15-85的两个子集，这些子集沿着定子平面上的同轴圆形路径布置(在图中分别描绘了八个光学环谐振器的两个示例性圆形阵列)。主环谐振器MR3外接到光学环谐振器的这两个子集的圆形路径，并且具有大致圆形的形状，使得它在规则间隔的角度位置处达到距同轴布置的光学环谐振器的最外子集的每个光学谐振器15-85的预定光学模式耦接距离。主环谐振器MR3通过直线波导WG6激励，该直线波导被配置为从光学辐射输入端S6接收预定波长的至少一个光学辐射并且在主环谐振器MR3附近切向地通过。
图16示出了根据本发明的光子谐振电机M的替代实施方式，其中，第一光学波导装置包括光学环谐振器16、26、36、46的阵列，该阵列沿着定子平面上的线性路径布置(在图中描绘了四个光学环谐振器的示例性阵列)。光学环谐振器通过侧向于光学环谐振器的线性路径延伸的直线波导WG7激励，使得它以规则距离达到距每个光学谐振器的预定光学模式耦接距离，波导WG7被配置为从光学辐射输入端S7接收预定波长的至少一个光学辐射。
图17示出了根据本发明的光子谐振电机M的另一个替代实施方式，其中，第一光学波导装置包括沿着定子平面上的圆形路径布置的光学环谐振器的三个子集，光学环谐振器的每个子集具有一对光学环谐振器17-27、37-47、57-67。相应的主环谐振器MR4、MR5、MR6外接到光学环谐振器的每个子集，并且具有大致椭圆形的形状，使得它在规则间隔的角度位置处达到距子集的每个光学谐振器的预定光学模式耦接距离。每个主环谐振器MR4、MR5、MR6通过相应的直线波导WG8、WG9、WG10激励，这些直线波导被配置为从相应的光学辐射输入端S8、S9、S10接收预定波长的相应光学辐射并且在主环谐振器附近切向地通过。
自然地，本发明的原理保持不变，与已经通过非限制性实例描述的内容相比，可以改变实施方式，并且技术人员将理解，在不背离由所附权利要求限定的保护范围的情况下，以上参考图1中的a和图1中的b的布置描述并参考图2至图12示出的光子谐振电机的光学和光机械建模在适当的改变下将也适用于在图13至图17中公开的光子谐振电机布置。

Claims (27)

1.一种光子电机，其特征在于，所述光子电机包括：
至少一个光学辐射输入端；
第一光学波导装置，包括位于第一平面中的至少一个第一光学谐振器，以在所述电机的预定坐标参考系中形成所述电机的静止部分；
激励光学波导装置，在距所述至少一个第一光学谐振器的预定光学模式耦接距离处耦接至所述第一光学波导装置，并且被配置为从所述至少一个光学辐射输入端接收预定波长的至少一个光学辐射并且将所述光学辐射光学地耦接至所述至少一个第一光学谐振器；
至少第二光学波导装置，包括位于平行于所述第一平面的在垂直于所述平面的预定堆叠距离处的第二平面中的至少一个第二光学谐振器，所述第二光学波导装置被配置为至少根据预定义移动方向在所述第二平面中相对于所述第一光学波导装置移动，从而在所述电机的所述预定坐标参考系中形成所述电机的移动部分，
其中，所述预定堆叠距离适于在所述第一光学谐振器和所述第二光学谐振器在横向于所述第一平面和所述第二平面的平面中的邻近条件下，在所述第一光学波导装置的至少一个所述第一光学谐振器与所述第二光学波导装置的至少一个所述第二光学谐振器之间建立光学模式的渐逝波耦接，在所述第二平面处发生所述第二装置的局部运动，
所述第一光学谐振器和所述第二光学谐振器适于根据所述堆叠距离以及在横向平面上的所述第一光学谐振器与所述第二光学谐振器之间的距离，引导预定第一波长的至少一个谐振对称模式、或预定第二波长的至少一个谐振反对称模式、或预定第一波长的至少一个谐振对称模式和预定第二波长的至少一个谐振反对称模式的至少组合或叠加，并且
其中，当选择性地建立谐振对称模式时，建立所述第二光学谐振器朝向所述第一光学谐振器的吸引条件，所述吸引条件根据所述预定义局部移动方向在所述第二平面上产生所述第二光学谐振器朝向所述第一光学谐振器的接近运动，或者当选择性地建立谐振反对称模式时，建立所述第二光学谐振器远离所述第一光学谐振器的排斥条件，所述排斥条件根据所述预定义局部移动方向在所述第二平面上产生所述第二光学谐振器远离所述第一光学谐振器的背离运动。
2.根据权利要求1所述的光子电机，进一步包括控制装置，所述控制装置被布置为至少控制来自所述至少一个光学辐射输入端的辐射的参数，从而选择性地建立所述谐振对称模式和所述谐振反对称模式中的至少一者。
3.根据前述权利要求中任一项所述的光子电机，其中，所述第一光学波导装置包括多个第一光学谐振器，并且所述控制装置被布置为
当在所述第二平面中沿着所述预定义移动方向的至少一个所述第二光学谐振器相对于在所述第一平面中沿着所述预定义移动方向的耦接的第一光学谐振器靠近堆叠条件时，同步地控制来自所述光学辐射输入端的辐射的波长，从而选择性地从谐振对称模式切换到谐振反对称模式，
一旦固定谐振对称模式，仅在接近阶段期间同步地控制所述光学辐射输入端的激活，并且当在所述第二平面中沿着所述预定义移动方向的至少一个所述第二光学谐振器相对于在所述第一平面中沿着所述预定义移动方向的耦接的第一光学谐振器靠近所述堆叠条件、且由于惯性力而达到与在所述第一平面中沿着所述预定义移动方向的不同的第一光学谐振器的下一个耦接条件时，将所述光学辐射输入端关闭，或者
一旦固定谐振反对称模式，仅在逃离阶段期间同步地控制所述光学辐射输入端的激活，并且当在所述第二平面中沿着所述预定义移动方向的至少一个所述第二光学谐振器相对于在所述第一平面中沿着所述预定义移动方向的耦接的第一光学谐振器靠近所述堆叠条件时，将所述光学辐射输入端打开，并且当在所述第二平面中沿着所述预定义移动方向的至少一个所述第二光学谐振器离开与所述第一光学谐振器的耦接条件、且由于惯性力而达到与在所述第一平面中沿着所述预定义移动方向的不同的第一光学谐振器的下一个耦接条件时，将所述光学辐射输入端关闭。
4.根据权利要求1、2或3所述的光子电机，其中，来自所述光学辐射输入端的所述辐射的参数是以下各项中的至少一项：所述辐射的波长、相位、偏振、所述辐射的打开/关闭定时、所述辐射的功率。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光子电机，其中，所述第一光学波导装置包括沿着所述第一平面中的至少一个预定路径布置的多个第一光学谐振器，并且所述第二光学波导装置包括沿着所述第二平面中的至少一个预定路径布置的多个第二光学谐振器。
6.根据权利要求5所述的光子电机，其中，所述控制装置被布置为至少自动地控制来自所述至少一个光学辐射输入端的辐射的参数，从而当根据所述预定义移动方向沿着所述第二平面中的所述至少一个预定路径的至少一个所述第二光学谐振器的位置滞后于沿着所述第一平面中的所述至少一个预定路径的耦接的第一光学谐振器的位置时，选择性地建立谐振对称模式，并且当根据所述预定义移动方向沿着所述第二平面中的所述至少一个预定路径的至少一个所述第二光学谐振器的位置超前于沿着所述第一平面中的所述至少一个预定路径的所述耦接的第一光学谐振器的位置时，选择性地建立谐振反对称模式。
7.根据权利要求5所述的光子电机，其中，所述第一平面中的所述至少一个预定路径和所述第二平面中的所述至少一个预定路径是闭合路径。
8.根据权利要求7所述的光子电机，其中，所述闭合路径是圆形路径。
9.根据权利要求7或8所述的光子电机，其中，所述第二光学波导装置中的所述第二光学谐振器的闭合路径与所述第一光学波导装置中的所述第一光学谐振器的闭合路径同轴。
10.根据权利要求5所述的光子电机，其中，所述第一平面中的所述至少一个预定路径和所述第二平面中的所述至少一个预定路径是直线路径。
11.根据权利要求5所述的光子电机，其中，所述光学谐振器沿着所述预定路径均匀地分配。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光子电机，其中，所述第一光学谐振器和所述第二光学谐振器是环谐振器，优选地是圆环谐振器。
13.根据权利要求12所述的光子电机，其中，所述第一光学谐振器包括选择性激励的环谐振器的子集以及至少一个激励主环谐振器。
14.根据权利要求13所述的光子电机，其中，第一环谐振器的所述子集和所述第二环谐振器具有相同的直径。
15.根据前述权利要求中任一项所述的光子电机，其中，所述第一光学谐振器和所述第二光学谐振器是回音壁模式光学谐振器。
16.根据前述权利要求中任一项所述的光子电机，其中，在所述第一平面与所述第二平面之间的所述预定堆叠距离基于以下各项中的至少一项：来自所述光学辐射输入端的所述光学辐射的所述预定第一波长、所述光学谐振器的材料、所述光学谐振器的几何特征。
17.根据前述权利要求中任一项所述的光子电机，其中，所述激励光学波导装置包括与所述第一光学波导装置共面的至少一个激励光学波导。
18.根据权利要求17所述的光子电机，其中，所述第一光学波导装置包括沿着所述第一平面中的至少一个预定圆形路径布置的多个第一光学谐振器，并且所述至少一个激励光学波导沿着至少部分侧向于所述至少一个圆形路径的路径延伸。
19.根据权利要求17所述的光子电机，其中，所述第一光学波导装置包括沿着所述第一平面中的预定直线路径布置的多个第一光学谐振器，并且所述至少一个激励光学波导沿着侧向于所述直线路径的路径延伸。
20.根据权利要求1至16中任一项所述的光子电机，其中，所述激励光学波导装置包括在与所述第一光学波导装置的所述第一平面不同的平面中的至少一个激励光学波导。
21.根据前述权利要求中任一项所述的光子电机，其中，所述光学辐射输入端是至少一个相干辐射源，或者耦接到至少一个相干辐射源。
22.根据权利要求21所述的光子电机，其中，所述相干辐射源是激光源，所述激光源的工作带宽至少取决于所述第一光学谐振器和所述第二光学谐振器的尺寸和材料以及所述第一光学波导装置与所述第二光学波导装置之间的电介质。
23.根据前述权利要求中任一项所述的光子电机，其中，至少探针光学波导耦接到所述激励光学波导装置。
24.根据前述权利要求中任一项所述的光子电机，其中，所述第一光学谐振器和所述第二光学谐振器中的每一者和所述激励光学波导装置被制造为光纤、电介质基板上的集成光导、半导体有源结构或半导体无源结构、等离子体结构、聚合物结构。
25.根据前述权利要求中任一项所述的光子电机，其中，所述第一光学波导装置被形成在静止部分基板上，所述静止部分基板被布置为机械地耦接至静止的第一固定机器结构，并且所述第二光学波导装置被形成在移动部分基板上，所述移动部分基板被布置为机械地耦接至能够相对于所述第一固定机器结构移动的第二机器结构。
26.一种光子电机组件，包括多个基本单元，每个基本单元包括根据权利要求1至25中任一项所述的光子电机，所述基本单元在平面上机械地耦接。
27.一种光子电机组件，包括多个基本单元，每个基本单元包括根据权利要求1至25中任一项所述的光子电机，所述基本单元在三维体积中机械地耦接。
CN201780068834.8A 2016-11-10 2017-06-01 光子谐振电机 Active CN110023802B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662420450P 2016-11-10 2016-11-10
US62/420,450 2016-11-10
PCT/IT2017/000111 WO2018087789A1 (en) 2016-11-10 2017-06-01 A photonic resonant motor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110023802A true CN110023802A (zh) 2019-07-16
CN110023802B CN110023802B (zh) 2021-10-08

Family

ID=59579799

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780068834.8A Active CN110023802B (zh) 2016-11-10 2017-06-01 光子谐振电机

Country Status (11)

Country Link
US (1) US10663658B2 (zh)
EP (1) EP3538935A1 (zh)
JP (1) JP2020513716A (zh)
KR (1) KR102471753B1 (zh)
CN (1) CN110023802B (zh)
BR (1) BR112019009590B1 (zh)
CA (1) CA3042848A1 (zh)
EA (1) EA036511B1 (zh)
MA (1) MA46740A (zh)
MX (1) MX2019005536A (zh)
WO (1) WO2018087789A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116018766A (zh) * 2020-11-19 2023-04-25 瑞典爱立信有限公司 光学滤波器和方法

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110967001B (zh) * 2019-12-17 2023-09-26 重庆邮电大学 一种腔光机械振动陀螺
IT202000006379A1 (it) 2020-03-26 2021-09-26 Eldor Corp Spa Motore elettrico
IT202000017770A1 (it) 2020-07-22 2022-01-22 Eldor Corp Spa Motore elettrico
IT202100007118A1 (it) 2021-03-24 2022-09-24 Qopsys S R L Motore a risonanza fotonica planare
IT202100017144A1 (it) 2021-06-30 2022-12-30 Eldor Corp Spa Dispositivo di commutazione per un motore elettrico e motore elettrico comprendente detto dispositivo di commutazione
US11668874B1 (en) * 2022-03-21 2023-06-06 Xilinx, Inc. Optical filter having a tapered profile

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090116788A1 (en) * 2007-10-31 2009-05-07 Massachusetts Institute Of Technology Controlling optical resonances via optically induced potentials
US20140283601A1 (en) * 2011-10-08 2014-09-25 Cornell University Optomechanical sensors based on coupling between two optical cavities

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU722509A3 (ru) * 1974-01-18 1980-03-15 Тексас Инструментс Инкорпорейтед (Фирма) Поверхностный лазер
US4630885A (en) * 1984-03-02 1986-12-23 Northrop Corporation Multichannel optical wave guide resonator
FR2662304B1 (fr) * 1990-05-21 1992-07-24 France Telecom Procede de fabrication d'une structure integree guide-detecteur de lumiere en materiau semi-conducteur.
JP2003517625A (ja) * 1998-12-07 2003-05-27 カリフォルニア・インスティテュート・オブ・テクノロジー 共振型光波エネルギー制御装置及び方法
JP3311722B2 (ja) * 1999-02-09 2002-08-05 財団法人神奈川科学技術アカデミー リング共振器付き光導波路型波長フィルタおよび１×ｎ光導波路型波長フィルタ
JP2003337236A (ja) * 2002-05-17 2003-11-28 Nec Corp 光リング共振器、光導波路デバイスならびに光リング共振器の製造方法
US6819837B2 (en) * 2002-05-31 2004-11-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method of temporarily adjusting the index of refraction of ring resonator with precision laser micromachining
JP2005331247A (ja) * 2004-05-18 2005-12-02 Canon Chemicals Inc 光導波路の処理方法及び処理装置
JP5588493B2 (ja) * 2012-10-25 2014-09-10 株式会社アドバンテスト 電子ビーム露光方法
US9494715B2 (en) * 2013-04-04 2016-11-15 California Institute Of Technology Nanoscale plasmonic field-effect modulator
WO2015059511A1 (en) * 2013-10-22 2015-04-30 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Optomechanical device with mechanical elements and optical filters for actuating and/or detecting the movement of the elements

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090116788A1 (en) * 2007-10-31 2009-05-07 Massachusetts Institute Of Technology Controlling optical resonances via optically induced potentials
US20140283601A1 (en) * 2011-10-08 2014-09-25 Cornell University Optomechanical sensors based on coupling between two optical cavities

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116018766A (zh) * 2020-11-19 2023-04-25 瑞典爱立信有限公司 光学滤波器和方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110023802B (zh) 2021-10-08
BR112019009590B1 (pt) 2023-04-11
MA46740A (fr) 2019-09-18
WO2018087789A8 (en) 2019-05-23
EA201991162A1 (ru) 2019-11-29
WO2018087789A1 (en) 2018-05-17
CA3042848A1 (en) 2018-05-17
MX2019005536A (es) 2019-09-09
US20190285797A1 (en) 2019-09-19
US10663658B2 (en) 2020-05-26
KR20190076996A (ko) 2019-07-02
EP3538935A1 (en) 2019-09-18
BR112019009590A2 (pt) 2019-08-06
JP2020513716A (ja) 2020-05-14
KR102471753B1 (ko) 2022-11-28
EA036511B1 (ru) 2020-11-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110023802A (zh) 光子谐振电机
US7557470B2 (en) 6-axis electromagnetically-actuated meso-scale nanopositioner
Syms et al. Sliding-blade MEMS iris and variable optical attenuator
US7379286B2 (en) Quantum vacuum energy extraction
Koh et al. A 2-D MEMS scanning mirror based on dynamic mixed mode excitation of a piezoelectric PZT thin film S-shaped actuator
TWI290239B (en) Electromagnetic scanning micro-mirror and optical scanning device using the same
Nabavi et al. A SOI out-of-plane electrostatic MEMS actuator based on in-plane motion
Lee et al. Microelectromechanical-system-based design of a high-finesse fiber cavity integrated with an ion trap
Sasaki et al. Three-dimensional SOI-MEMS constructed by buckled bridges and vertical comb drive actuator
Koh et al. Design and characterization of a 3D MEMS VOA driven by hybrid electromagnetic and electrothermal actuation mechanisms
Sharma et al. Hybrid MEMS actuator with 3 degrees-of-freedom for efficient planar optical switching
Koh et al. Study of hybrid driven micromirrors for 3-D variable optical attenuator applications
CN117377896A (zh) 平面光子谐振电机
US20240184050A1 (en) Planar photonic resonant motor
KR20100097943A (ko) 양방향 구동 가능한 전열 전자기 회전형 마이크로 액추에이터 및 그 제조방법
CN106599424B (zh) 基于微电子工艺的智能化结构变换系统
Sun et al. A MEMS Voice Coil Motor with a 3D Solenoid Coil
Gomathi et al. An efficient and effective energy harvesting system using surface micromachined accelerometer
Liang et al. Light-Stimulated Micromotor Swarms in an Electric Field with Versatile Spatial, Temporal, and Mode Control
Basha Optical MEMS switches: theory, design, and fabrication of a new architecture
Afsharipour A 3-degree-of-freedom low power and large displacement MEMS Lorentz force micro-mirror
Bayat et al. Large electrostatically and electromagnetically actuated mirror system for space applications
Jia et al. Design and Fabrication of a MEMS Electromagnetic Swing-Type Actuator for Optical Switch. Micromachines 2021, 12, 221
Yamaguchi et al. Optimal Design of Electromagnetic Harvester with Sputtered Thin NdFeB/Ta Film and Considering Lorentz Force
Pai Development of a surface micromachined electro-thermal vibromotor

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant