KR20190076996A - 광자 공진 모터 - Google Patents

Abstract

광자 모터로서,
적어도 하나의 광학 복사 입력;
제1 광학 도파관 배치로서, 모터의 미리 정해진 좌표 기준 시스템에서 모터의 정적 부분을 형성하기 위해 제1 평면에 놓인 적어도 하나의 제1 광학 공진기를 포함하는, 제1 광학 도파관 배치;
적어도 하나의 제1 광학 공진기에 미리 정해진 광학 모드 결합 거리에서 제1 광학 도파관 배치에 결합되고, 적어도 하나의 광학 복사 입력으로부터 미리 정해진 파장의 적어도 하나의 광학 복사를 수신하고 광학 복사를 적어도 하나의 제1 광학 공진기에 광학적으로 결합시키도록 구성되는, 여기 광학 도파관 배치;
적어도 하나의 제2 광학 도파관 배치로서, 미리 정해진 적층 거리에서 제1 평면에 평행한 제2 평면에 놓인 적어도 하나의 제2 광학 공진기를 포함하고, 미리 정해진 적층 거리는 제1 평면 및 제2 평면에 직교하며, 제2 광학 도파관 배치는 모터의 미리 정해진 좌표 기준 시스템에서 모터의 이동 부분을 형성하기 위하여, 적어도 미리 정해진 이동 방향을 따라 제1 광학 도파관 배치에 관하여 제2 평면 에서 움직이도록 구성되는, 적어도 하나의 제2 광학 도파관 배치;를 포함하고,
적층 거리는 제1 광학 도파관 배치의 적어도 하나의 제1 광학 공진기와 제2 광학 도파관 배치의 적어도 하나의 제2 광학 공진기 사이의 광학 모드들의 소멸-파 결합을 수립하도록 구성되고, 수립은 제2 배치의 국소 운동이 일어나는 제1 평면 및 제2 평면을 횡단하는 평면에서 제1 광학 공진기와 제2 광학 공진기의 근접 조건으로 수립되며;
제1 광학 공진기 및 제2 광학 공진기는, 미리 정해진 제1 파장에서의 적어도 하나의 공진 대칭 모드, 미리 정해진 제2 파장에서의 적어도 하나의 공진 반-대칭 모드, 미리 정해진 제1 파장에서의 적어도 하나의 공진 대칭 모드와 미리 정해진 제2 파장에서의 적어도 하나의 공진 반-대칭 모드의 적어도 조합 및 중첩을, 적층 거리 뿐만 아니라 횡단 평면 상의 제1 광학 공진기 및 제2 광학 공진기 사이의 거리의 함수로, 가이드하도록 구성되고; 또한
공진 대칭 모드가 선택적으로 수립될 경우, 미리 정해진 국소 이동 방향을 따라 제2 광학 공진기의 제1 광학 공진기를 향한 접근 운동을 제2 평면 상에서 생성하는 제2 광학 공진기의 제1 광학 공진기를 향한 인력 조건이 수립되고, 또는, 공진 반-대칭 모드가 선택적으로 수립될 경우, 미리 정해진 국소 이동 방향을 따라 제1 광학 공진기로부터 제2 광학 공진기의 이탈 운동을 제2 평면 상에 생성하는 제1 광학 공진기로부터 제2 광학 공진기의 척력 조건이 수립되는; 광자 모터.

Description

광자 공진 모터

본 발명은 광-기계 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 광자원(光子源, photon source)(즉, 레이저 광원)으로부터 기계적 에너지를 추출하는 목적의 광-기계 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 광-기계 원리를 이용하는 광자 모터에 관한 것이다.

1821년에, 마이클 패러데이 경은 전류가 흐르는 전선에 의해 생성된 자기력을 사용하여, 코일 내의 자극(磁極, magnetic pole)을 격리하고 연속적으로 움직이도록 하였다. 그것은 전기 모터를 최초로 시연한 것이었다. 이런 종류의 장치에서는, 전기 모터를 회전하도록 하기 위하여 자속(磁束, magnetic flux)을 연속적으로 반전시켜야 한다.

마이크로 및 매크로 스케일의 응용들 모두를 고려할 때, 로터리 모터 영역에서의 최신 기술은 다음과 같다:

a) 패러데이-뉴만-렌츠 법칙(Faraday-Neumann-Lenz law)에 기초한, 전기 모터 및 미소전자기계모터(Micro-Electro-Mechanical-Motors, MEMS)로서, 자기장과 전도체 코일들로 들어가는 전류 사이의 상호작용으로 작동하는 것. 이 장치들의 단점은 매우 작은 조립체에서 제조가 어렵고, 밀리미터 규모로 한정되며, 쓸만한 토크를 얻기 위해 항상 요구되는, 고전압과 전류의 사용으로 인해 위험이 증가한다는 것이다.

b) 왕복 및 회전 연소 엔진으로, 통상적으로 비-재생가능 연료를 주입하며, 환경 오염 및 관려된 문제들을 초래하고, 미터 규모를 가지고, 또한 높은 동작 온도와 다수의 유압 연결과 움직이는 기계 부품들을 가지고 있어서, 시스템의 신뢰성을 저하시킨다.

c) 제트 엔진, 예컨대 뉴턴 역학의 3법칙에 따른, 그리고 일반적으로 줄-브래턴 열역학 사이클(Joule-Brayton thermodynamic cycle)에 기초한 (터보프롭(Turboprop)과 터보샤프트(Turboshaft)의 형태와 같은) 가스 터빈으로서; 이들은 통상적으로 동작 중에 가장 높은 온도에 이르는 것으로 알려져 있다. 크기는 전술한 엔진들 중의 하나와 비슷하지만, 그들과 관련된 소음 및 환경 공해가 훨씬 심하다.

d) 전자기 또는 화학에너지로 구동되는 분자 모터로서, 회전 또는 직선 운동을 할 수 있는 것.

e) 광 미세-모터로서, 광 도파로에 의해 전달되는 빛과 자유롭게 움직일 수 있는 구조 사이의 상호작용으로부터 유래되는 복사압(radiation pressure)을 이용하는 것.

현재까지, 존재하는 모터들에 대한 가장 도전적인 한계는 마이크로 모터들의 경우에는 전달되는 전력이 낮다는 것이고, 매크로 모터들의 경우에는 상당한 무게, 크기 및 오염을 배출한다는 것이다.

복사압은 광-기계 시스템들의 기계적 변위를 유도하는 광학력(optical forces)을 생성한다. 그러나, 공동 광-기계 원리(Cavity opto-mechanical principles)가 물체에 작용하는 광학력의 힘을 강화하기 위한 가장 효율적인 전략이며, 광 공진 시스템에서 일어나는 빛-물질의 상호작용 향상을 통해 얻어진다. 현재까지, 공동으로 강화된 광-기계 시스템의 연구는 단방향 발동을 가능케 하는 선형 변위 시스템들에 한정되어 왔다.

US 2009/0116788은 두 개의 이격된, 결합된 강하게-구속된 광자 장치들 사이의 광 공진을 제어하는 것을 개시하는데, 여기서 광 공진은 광학적으로 유도된 힘을 생성하고 두 개의 결합된 강하게-구속된 광자 장치들로 만들어진 광-기계 시스템의 정밀한 기계적 발동을 얻는데 사용된다. 환형 공진기로 형성된 두 개의 집적된 광자 장치들 사이의 축방향 접근이나 이탈이 개시되었다.

본 발명의 목적은 광 전력을 효율적으로 기계적 토크로 변환하는 광-기계 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면 위와 같은 목적은 청구항 1의 특징을 포함하는 광자 모터로서 달성될 수 있다.

구체적인 실시예들은 종속청구항의 주제로서 그 내용이 본 명세서에 통합된 부분이다.

구체적으로, 본 발명은 광자 모터에 관한 것으로, 상기 광자 모터는:

적어도 하나의 광학 복사 입력;

제1 광학 도파관 배치로서, 모터의 미리 정해진 좌표 기준 시스템에서 상기 모터의 정적 부분(static part)을 형성하기 위해 제1 평면에 놓인 적어도 하나의 제1 광학 공진기를 포함하는, 제1 광학 도파관 배치;

상기 적어도 하나의 제1 광학 공진기에 대한 미리 정해진 광학 모드 커플링 거리에서 상기 제1 광학 도파관 배치에 결합되고, 상기 적어도 하나의 광학 복사 입력으로부터 미리 정해진 파장의 적어도 하나의 광학 복사를 수신하고 또한 상기 광학 복사를 상기 적어도 하나의 제1 광학 공진기에 광학적으로 결합시키도록 구성되는, 여기 광학 도파관 배치(excitation optical waveguides arrangement);

적어도 하나의 제2 광학 도파관 배치로서, 미리 정해진 적층 거리(stacking distance)에서 상기 제1 평면에 평행한 제2 평면에 놓인 적어도 하나의 제2 광학 공진기를 포함하고, 상기 미리 정해진 적층 거리는 상기 제1 평면 및 상기 제2 평면에 직교하며, 제2 광학 도파관 배치는 모터의 미리 정해진 좌표 기준 시스템에서 상기 모터의 이동 부분을 형성하기 위하여, 적어도 미리 정의된 이동 방향을 따라 상기 제1 광학 도파관 배치에 관하여 상기 제2 평면에서 움직이도록 구성되는, 적어도 하나의 제2 광학 도파관 배치;를 포함하고,

상기 미리 정해진 적층 거리는, 상기 제1 광학 도파관 배치의 적어도 하나의 제1 광학 공진기와 상기 제2 광학 도파관 배치의 적어도 하나의 제2 광학 공진기 사이의 광학 모드들의 소멸-파(evanescent-wave) 커플링을 수립하도록 구성되고, 상기 수립은 상기 제2 배치의 국소 운동(local motion)이 일어나는 상기 제1 평면 및 상기 제2 평면을 횡단하는 평면에서 상기 제1 광학 공진기와 상기 제2 광학 공진기의 근접 조건(proximity condition)으로 수립되며;

상기 제1 광학 공진기 및 상기 제2 광학 공진기는, 미리 정해진 제1 파장에서의 적어도 하나의 공진 대칭 모드(resonant symmetric mode), 미리 정해진 제2 파장에서의 적어도 하나의 공진 반-대칭 모드(resonant anti-symmetric mode), 미리 정해진 제1 파장에서의 적어도 하나의 공진 대칭 모드와 미리 정해진 제2 파장에서의 적어도 하나의 공진 반-대칭 모드의 적어도 조합 또는 중첩을, 상기 적층 거리 뿐만 아니라 상기 횡단 평면 상의 상기 제1 광학 공진기 및 상기 제2 광학 공진기 사이의 거리의 함수로, 가이드하도록 구성되고; 또한

공진 대칭 모드가 선택적으로 수립될 경우, 미리 정의된 국소 이동 방향을 따라 제2 광학 공진기의 제1 광학 공진기를 향한 접근 운동을 상기 제2 평면 상에서 생성하는 상기 제2 광학 공진기의 상기 제1 광학 공진기를 향한 인력 조건(attractive condition)이 수립되고, 또는, 공진 반-대칭 모드가 선택적으로 수립될 경우, 상기 미리 정의된 국소 이동 방향을 따라 제1 광학 공진기로부터 제2 광학 공진기의 이탈 운동을 상기 제2 평면 상에 생성하는 상기 제1 광학 공진기로부터 상기 제2 광학 공진기의 척력 조건(repulsive condition)이 수립된다.

제2 측면에 따르면, 광자 모터는 상기 공진 대칭 모드와 상기 공진 반-대칭 모드 중의 적어도 하나를 선택적으로 수립하기 위해 상기 적어도 하나의 광학 복사 입력으로부터 적어도 하나의 복사 매개변수를 제어하기 위해 배치되는 제어 수단;을 더 포함한다.

추가적인 측면에 따르면, 상기 제1 광학 도파관 배치는 복수의 제1 광학 공진기들을 포함하고 상기 제어 수단은 상기 미리 정의된 이동 방향에 따라 연속적으로 상기 복수의 제1 광학 공진기들의 각각 하나에 상기 광학 복사를 광학적으로 결합시키고 상기 복수의 제1 광학 공진기들 중의 상기 각각 하나의 근접 조건에서 적어도 하나의 제2 광학 공진기와 상기 복수의 제1 광학 공진기들 중의 상기 각각 하나 사이의 상기 공진 대칭 또는 반-대칭 모드 중의 적어도 하나를 선택적으로 수립하기 위해 상기 여기 광학 도파관 배치에 의해 수신될 상기 적어도 하나의 광학 복사 입력으로부터 광학 복사의 적어도 하나의 매개변수를 제어하도록 구성된다.

추가적인 측면에 따르면, 상기 광학 복사 입력으로부터의 복사의 매개변수는 파장, 페이스(phase), 상기 복사의 편광(polarization), 상기 복사의 활성화/비활성화 타이밍, 상기 복사의 전력(power) 중의 적어도 하나이다.

추가적인 측면에 따르면, 상기 제1 광학 도파관 배치는 제1 평면에서 적어도 하나의 미리 정해진 경로를 따라 배치된 복수의 제1 광학 공진기들을 포함하고, 상기 제2 광학 도파관 배치는 제2 평면에서 적어도 하나의 미리 정해진 경로를 따라 배치된 복수의 제2 광학 공진기들을 포함한다.

추가적인 측면에 따르면, 상기 제어 수단은, 상기 미리 정의된 이동 방향에 따라 제2 평면에서 상기 적어도 하나의 미리 정해진 경로에 따른 상기 적어도 하나의 제2 광학 공진기의 위치가 제1 평면에서 상기 적어도 하나의 미리 정해진 경로에 따른 결합된 제1 광학 공진기의 위치에 뒤쳐지는 경우, 공진 대칭 모드를 선택적으로 수립하고, 상기 미리 정의된 이동 방향에 따라 제2 평면에서 상기 적어도 하나의 미리 정해진 경로에 따른 상기 적어도 하나의 제2 광학 공진기의 위치가 제1 평면에서 상기 적어도 하나의 미리 정해진 경로에 따른 상기 결합된 제1 광학 공진기의 위치의 앞에 있는 경우, 공진 반-대칭 모드를 선택적으로 수립하기 위하여, 상기 적어도 하나의 광학 복사 입력으로부터 적어도 복사의 매개변수를 자동으로 제어하도록 구성된다.

추가적인 측면에 따르면, 제1 평면에서 상기 적어도 하나의 미리 정해진 경로와 제2 평면에서 상기 적어도 하나의 미리 정해진 경로는 폐쇄 경로들(closed paths)이고, 바람직하게는 그들은 원형 경로들이다.

추가적인 측면에 따르면, 상기 제2 광학 도파관 배치의 제2 광학 공진기들의 폐쇄 경로는 상기 제1 광학 도파관 배치의 제1 광학 공진기들의 폐쇄 경로와 동축(coaxial)이다.

추가적인 측면에 따르면, 제1 평면에서 상기 적어도 하나의 미리 정해진 경로와 제2 평면에서 상기 적어도 하나의 미리 정해진 경로는 직선형 경로이다.

추가적인 측면에 따르면, 상기 광학 공진기들은 상기 미리 정해진 경로들을 따라 균등하게 할당된다.

추가적인 측면에 따르면, 상기 제1 및 제2 광학 공진기들은 링 공진기들이고, 바람직하게는 원형 링 공진기들이고, 또한 상기 제1 광학 공진기들은 선택적으로 여기된 링 공진기(selectively excited ring resonators)들의 하위집합과 적어도 하나의 여기 마스터 링 공진기(excitation master ring resonator)를 포함한다. 바람직하게는, 상기 제1 링 공진기들과 상기 제2 링 공진기들의 하위집합은 동일한 직경을 갖는다.

추가적인 측면에 따르면, 상기 제1 광학 공진기들 및 상기 제2 광학 공진기들은 위스퍼링-갤러리 모드(whispering-gallery mode) 광학 공진기들이다.

추가적인 측면에 따르면, 제1 평면과 제2 평면 사이의 상기 미리 정해진 적층 거리는, 상기 광학 복사 입력으로부터의 상기 미리 정해진 제1 파장의 광학 복사, 상기 광학 공진기들의 재질들, 상기 광학 공진기들의 기하학적 특징들 중의 적어도 하나에 기초하는 것이다.

추가적인 측면에 따르면, 상기 여기 광학 도파관 배치는, 상기 제1 광학 도파관 배치와 동일 평면상에 있는 적어도 하나의 여기 광학 도파관을 포함한다. 제1 실시예 또는 구성에서, 상기 제1 광학 도파관 배치는 제1 평면에서 적어도 하나의 미리 정해진 원형 경로를 따라 배치된 복수의 제1 광학 공진기들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 여기 광학 도파관은 상기 적어도 하나의 원형 경로에 적어도 부분적으로 옆으로 가는 경로를 따라 연장한다. 추가적인 실시예 구성에서, 상기 제1 광학 도파관 배치는 제1 평면에서 미리 정해진 직선형 경로를 따라 배치된 복수의 제1 광학 공진기들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 여기 광학 도파관은 상기 직선형 경로의 옆으로 가는 경로를 따라 연장한다.

추가적인 측면에 따르면, 상기 여기 광학 도파관 배치는 제1 광학 도파관 배치의 상기 제1 평면과 상이한 평면에 있는 적어도 하나의 여기 광학 도파관을 포함한다.

추가적인 측면에 따르면, 상기 광학 복사 입력은 적어도 하나의 결맞음 복사원(coherent radiation source)이거나 또는 적어도 하나의 결맞음 복사원에 결합된다. 바람직하게는, 상기 결맞음 복사원은 적어도 상기 제1 광학 공진기와 상기 제2 광학 공진기의 크기와 재질 그리고 상기 제1 광학 도파관 배치 및 상기 제2 광학 도파관 배치 사이의 유전체(dielectric)에 따라 달라지는 동작 대역을 가지는 레이저 광원이다.

추가적인 측면에 따르면, 적어도 하나의 탐침 광학 도파관(probe optical waveguide)는 상기 여기 광학 도파관 배치에 결합된다.

추가적인 측면에 따르면, 각각의 상기 제1 광학 공진기들과 상기 제2 광학 공진기들 그리고 상기 여기 광학 도파관 배치는 광섬유로 만들어지며, 유전체 기판, 반도체 활성 능동 또는 수동 구조, 플라스모닉 구조(plasmonic structure), 폴리머 구조 상의 통합된 광학 가이드들이다.

추가적인 측면에 따르면, 제1 광학 도파관 배치는 정지된(at rest) 제1 고정 기계 구조에 기계적으로 결합되도록 배치되는 정지 부분 기판(static part substrate) 상에 형성되고, 제2 광학 도파관 배치는 상기 제1 고정 기계 구조에 관하여 이동가능한 제2 기계 구조에 기계적으로 결합되도록 배치되는 이동 부분 기판(moving part substrate) 상에 형성된다.

본 발명은 또한 광자 모터 조립체에 관한 것으로, 광자 모터 조립체는 각각이 앞에서 정의된 광자 모터를 포함하는 복수의 기초 유닛을 포함하고, 상기 기초 유닛들은 평면 상에 또는 3차원 체적에서 기계적으로 결합된다.

요약하면, 본 발명은 광-기계 시스템들에서 기계적 변위를 유도하는 광학력들을 생성하는 복사압에 기초한 것이다. 본 발명의 일측면에 따르면, 광학력들이 바람직하게는 공진기들의 원형 배치들을 통해 생성되는 광-기계 시스템은 두 개의 상대적으로 이동하는, 바람직하게는 회전하는 평면에 놓여있는데, 광자 공진 모터처럼 거동한다. 광자 공진 모터는 결합된 공진기 다이나믹스를 수단으로 이루어지는 공동 강화된 광-기계 회전 시스템이며 유리하게도 소형화된 실리콘 광 시스템에서 제조될 수 있다. 실리콘 포토닉스(silicon photonics)와 같은 발전하는 반도체 제조 기술은 상대 힘의 세기가 소형화된 사이즈에 의해 강화된 광-기계 마이크로 시스템의 제작을 가능케 한다.

본 발명의 일 실시예는 유용한 기계적 에너지를 생성하기 위하여 전자기력을 변환하는 광자 공진 구조들을 활용하는 광자 공진 모터를 포함한다. 그러한 광자 공진 모터는 광학 신호(즉, 레이저 광원)의 파장을 추적함으로써 생성되는 광학적으로-유도된 힘을 통해 발진된다. 구체적으로, 광학적으로 결합된 광학 공진기들의 배치는, 본 발명의 일 측면에 따른 동일한 회전축에 단단하게 연결되고, 공진 현상에 의해 유도된 비대칭적 광학력들이 생성된 덕분에 상대적으로 회전한다.

광자 공진 모터는 본질적으로 도파관 구조를 여기하는 결맞은 복사원(즉, 레이저 빔)에 의해 구동되는 모터이다. 그것은 광자들로 하여금 상대적으로 움직이는 두 개의 평행한 가깝게 위치된(즉, 미끄러지는 평면들, 회전하는 시스템 등) 표면들 위에 위치된 광학 공진기들의 배치를 여기하는 전자기 도파관으로 들어갈 수 있도록 하는 포트(port)를 나타낸다. 기초적인 구성 블록들이 상이한 형상들로 제조될 수는 있지만, 예시적인 개시된 실시예는 공진 요소들 및 이동 표면들 모두에 대해 원형 형상을 채택하였고, 상대적으로 움직이는 표면들 중의 하나는 고정되어 있고 다른 하나는 자유롭게 회전한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 광자 모터는 하나 또는 그 이상의 전자기 공진기들을 포함할 수 있다. 구체적으로, 광자 모터는 하나 또는 그 이상의 광학 공진기들의 배치들을 포함할 수 있고, 두 개의 상대적으로-회전하는 평면들을 통해 광학적으로 결합될 수 있다. 이 실시예에서, 광자 모터는 적어도 두 개의 평행한 평면들을 근접하게 포함한다: 회전자 평면은, 자유롭게 회전하고, 고정자 평면은, 정지되어 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 고정자 평면은 몇몇 광학 폐쇄 경로를 포함하며, 이하에서는 '링 공진기들'로 명명되며, 바람직하게는 원형 지오메트리로 배치될 수 있고 그들을 둘러싼 마스터 링 공진기와 같은 하나 또는 그 이상의 내외부 전자기 공진기들(마스터 전자기 공진기들)을 통해 여기될 수 있다. 마스터 링 공진기는 하나 또는 그 이상의 버스 도파관들을 통해 여기될 수 있다. 회전자 평면은, 유사하게, 동일한 숫자의 광학 공진기들을 포함하며, 그 숫자는 고정자 평면 상에 있는 링 공진기들의 숫자와 관련되어 있고, 바람직하게는 고정자 평면에서와 같은 방식으로 배치되어 있다. 회전자와 고정자 평면들은 예컨대 미러링된 링 공진기들 사이에서 소멸 커플링(evanescent coupling)을 통해 광학적으로 결합된다. 비대칭 광학력들은, 비대칭 공진 모드들과 연관되며, 광-기계 토크의 생성을 가능케 한다. 멀티-공진기 공동-강화 시스템을 통해 광자들의 모멘텀을 트랩하고 유용한 광-기계 토크를 추출하는 것이 가능하다.

회전자와 고정자 평면들은 두 개의 반도체 웨이퍼들로 만들어질 수 있는데, 포토닉스 기술 산업에서 널리 채택된 종래의 미소-제조 기술들을 사용함으로써 제조된다. 회전자와 고정자 사이의 상대적인 회전을 가능케 하는 최적화된 기계 조건들은 현재의 기술 지평에서 이미 사용가능한 특정한 미소-기계 솔루션들을 채택함으로써 얻어질 수 있다.

적당하게 선택된 여기 파장에 대하여, 광자 공진 모터는 고정자 상의 그리고 회전자 평면들 상의 공진기들의 커플링을 통해 생성된 토크 하에서, 광원의 파장을 추적함으로써 수동적으로 회전하고, 그럼으로써 광-유도된 토크를 생성한다. 공진 대칭 및 반-대칭 모드들에 연관된 비대칭 광학력들은 광자 모터 내에 포함된 링들을 여기하고, 회전자 상의 광-기계 토크의 생성 및 이용을 가능케 한다.

넓은 범위의 실용적인 응용 이외에도, 광자 공진 모터는 광학 공동-강화 시스템을 통하여, 빛-물질 상호작용으로부터 광-기계 토크를 추출하기 위한, 광자들의 모멘텀을 어떻게 물리적으로 트랩할 수 있는지를 보여준다.

광자 공진 모터의 기초적인 구성 블록들은 수직으로 적층되고, 소멸성 결합이 되는, 광학 링 공진기들로 구성되며, 여기서 마스터 링과 고정자 링들 사이의 횡측 거리이고, 마스터 링과 버스 도파관 사이의 횡측 거리인 수직 인터-링 거리는 결과적으로 광자 공진 모터의 스펙트럼 특성을 조절하는 각 링에서의 광전력의 분포를 결정한다. 선호되는 실시예에서, 광자 공진 모터는 2π/N 주기의 주기적인 원형 분포를 통해 균등하게 끼워진, N개 커플의 수직으로 적층된 링 공진기들(CVSRR들)의 폐쇄 루프를 포함한다.

바람직한 실시예에서, N=4이고 4개의 CVSRR들은 다른 링들이 구성하고, (4개 CVSRR들의 바닥 링들이 위치된 평면과 일치하는) 고정자 평면에 놓여 있으며 '마스터 링 공진기'라고 불리는 폐쇄 루프를 통해 서로 상호작용한다. 마스터 링의 반경은 적절히 선택되어 VSRR의 커플들 간의 측면 상호-커플링이 방지된다. 마스터 링은 고정자 평면 상에 위치된 버스 도파관(또는 도파관의 어레이)을 통해 여기된다. 비록 두 개의 상이한 광학 모드(준-TE(Quasi-TE)와 준-TM(Quasi-TM))가 도파관들에 의하여 지원될 수 있지만, 기본 모드(준-TE) 만이 여러가지 방식으로 선택적으로 여기되는데, 예컨대 레이저 광원의 편광을 조절하는 방식이 있다.

그러한 광자 모터는 전달 행렬 방법, 산란 행렬 방법, 및 결합 모드 이론(coupled mode theory, CMT)에 의해 광학적으로 모델링될 수 있다. 일괄 매개변수 모델을 사용함으로써, 광자 모터의 기계적 거동을 규율하는 광-기계 힘(복사압)은, 양자 이론에 의해 유도된다.

두 개의 약하게 결합된 공진기들 사이의 힘 F는 공진기가 위치된 평면에 수직한 축에 관한 회전 θ로부터 얻어지는 공진 파장 전이(Δλ)로부터 유도된다. F는 다음과 같이 주어진다:

여기서 ξ는 θ의 각도에 대응하는 고정자 상의 링과 회전자 링 사이의 거리이다. Q_m은 단일 회전자/고장자 링의 품질 팩터인 반면(m차 공진에 연관됨), P는 VSRR들을 순환하는 광전력이다.

P는 P_iE_N으로 주어지며, Pi는 입력 레이저 전력이고 EN은 마스터 공진기의 존재로 인한 전력 강화 팩터인데, 마스터 공진기는 VSRR들에서 광자들의 재순환을 허용케 한다.

고정자의 링 공진기 내에 저장된 공진 전자기 에너지는 PQλ_m/2πc이다(λ_m=2πr/n_eff, r은 고정자/회전자 링 반경이고 n_eff는 단독 고정자/회전자 링 도파관 단면의 유효 굴절률). Q_m은 다른 회전자/고정자 링의 존재와 관련된 섭동 없이 고정자/회전자의 단일 링 공진기에서 평가될 수 있고, θ=πp/N의 회전각에서 계산될 수 있다(p는 정수이고 N은 VSRR들 쌍들의 전체 숫자).

본 발명의 추가적인 특성과 장점들은 비한정적인 예시로서 주어지는 선호되는 실시예들의 이하의 설명에서 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 자세히 개시될 것이다.
도 1a 및 1b는 각각 본 발명에 따른 광자 공진 모터의 일 실시예에서 회전자 및 고정자 평면의 개략적인 평면도와, 회전자와 고정자 평면을 포함한 상기 광자 모터의 예상도이다.
도 2a, 2b 및 2c는 각각 도 1b의 광자 공진 모터의 고정자 평면과 회전자 평면의 절단면을 분해도에서, 그리고 정지 중인 조건에서 그리고 정지된 조건에 대하여 작은 회전(θ) 만큼 동작했을 때의 결합도로 도시한 것이다.
도 3a 및 3b는 각각 도 1b의 광자 모터의 실시예에서, VSRR들의 쌍에 대한 전달 행렬(transfer matrix)과 연관된 VSRR들의 쌍과 일괄 매개변수 블록(lumped parameter block)으로 구성된 광자 모터의 기본 요소들을 도시한 것이다.
도 4a 및 4b는 각각 3D 도면과 절단면도에서, 회전자 링이 고정자 링에 대하여 (회전축을 중심으로) 각도 θ 만큼 자유롭게 회전하는 VSRR들의 단일 쌍을 도시한 것이다.
도 5a 및 도 5b는 VSRR들의 단일 쌍의 모드 분할 다이나믹스(mode splitting dynamics)를 도시하며, 각각 인터-링 거리의 함수로써 그리고 인터-링 회전각의 함수로써 도시된 것이다.
도 6은 고정자 평면과 회전자 평면 사이의 회전각의 함수로서 대칭 모드의 유효 굴절률의 진화를 도시하며, 또한 도면에서, 유효 굴절률 곡선을 따라 표시된 회전 위치들에서 대칭 모드의 전자기장 분포를 도시한 것이다.
도 7은 고정자 평면과 회전자 평면 사이의 회전각의 함수로서 반-대칭(anti-symmetric) 모드의 유효 굴절률의 진화를 도시하며, 또한 도면에서, 유효 굴절률 곡선을 따라 표시된 회전 위치들에서 반-대칭 모드의 전자기장 분포를 도시한 것이다.
도 8은 고정자 마스터 링 공진기에 측방향으로 결합된 VSRR들의 N개 쌍들의 개방 루프 구성을 도시한 개략도이다.
도 9a 및 9b는 각각 마스터 링 공진기로의 루프에서 폐쇄된 4개 쌍의 VSRR들에 의해 만들어진 광자 공진 모터에 대한 강화 팩터 E_N과 모드 분할 다이나믹스를 인터-링 거리의 함수로써 그리고 인터-링 회전각의 함수로써 도시한 것이다.
도 10은 단일 쌍의 VSRR들의 등가 일괄 매겨매개변수 시스템의 기하학적 묘사이다.
도 11은 고정자 평면과 회전자 평면 사이의 회전각 θ의 함수로써 대칭 공진 라인 λ⁺에 대한 광-기계 힘 분포를 도시한 것이다.
도 12는 고정자 평면과 회전자 평면 사이의 회전각 θ의 함수로써 대칭 공진 라인 λ⁺에 대한 광-기계 토크 분포를 도시한 것이다.
도 13~17은 본 발명에 따른 광자 공진 모터의 더 많은 실시예들의 개략적인 사시도들을 도시한 것이다.

이하에서는 예시적인 광자 공진 모터 M이 개시되는데, 이것은 파동을 가이드하는 광자 공진기들의 두 개의 집합들의 배열을 포함하고, 서로 간에 광학적으로 결합되고, 동일한 회전축을 가지며, 공진 현상에 의해 유도된 비대칭 광학력들의 생성 덕분에 상대적으로 회전한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광자 공진 모터의 광-기계 시스템은 서로 근접하게 놓여있는 2개의 평행한 평면들을 포함한다: 자유롭게 회전가능한 회전자 평면 Π_R과 정지되어 있는 고정자 평면 Π_S이며, 도 1a 및 1b에 묘사되어 있다.

광자 모터 M은:

- 적어도 하나의 광학적 복사 입력 S;

- 제1 광학 도파관 배열로서, 적어도 하나 그리고 바람직하게는 복수의 제1 광학 공진기(10, 20, 30, 40)와 마스터 링 공진기 MR을 포함하며, 이들은 고정자 평면에 배치되어 미리 정해진 모터의 좌표 기준 시스템 x, y, z에서 상기 모터의 고정 부분을 형성한다.

- 여기 광학 도파관 배열로서, 바람직하게는 적어도 하나의 여기 광학 버스 도파관(excitation optical bus waveguide) WG1을 포함하고, 묘사된 실시예에서는 한 쌍의 여기 광학 버스 도파관 WG1과 WG2를 포함하며, 상기 제1 광학 도파관 배열과 미리 정해진 광학 모드 커플링 거리에서 마스터 링 공진기 MR이나 더 일반적으로는 적어도 하나의 제1 광학 공진기에 결합되며, 광학 복사 입력 S로부터 미리 정해진 파장의 적어도 하나의 광학 복사를 수신하고 상기 광학 복사를 상기 적어도 하나의 제1 광학 공진기로 광학적으로 결합시키도록 구성된다.

- 적어도 하나의 제2 광학 도파관 배열로서, 회전자 평면에 배열된 적어도 하나의 그리고 바람직하게는 복수의 제2 광학 공진기(10', 20', 30', 40')를 포함하며, 미리 정해진 적층 거리에서 상기 평면들에 수직하게 고정자 평면에 평행하다.

제2 광학 도파관 배열은 미리 정해진 모터의 좌표 기준 시스템 x, y, z에서 모터 M의 이동 부분을 형성하기 위하여 적어도 미리 정의된 이동 방향을 따라 상기 제1 광학 도파관 배열에 관하여 회전자 평면 내에서 움직이도록 구성된다.

도 1a 및 1b에 묘사된 본 발명의 예시적인 실시예에서 고정자 평면은 원형 지오메트리로 배열되고 동시에 그들을 둘러싼 마스터 링 공진기 MR을 통해 여기되는 몇몇 광학 링 공진기들(10, 20, 30, 40)을 포함한다. 회전자 평면은, 유사하게, 고정자 평면에서와 동일한 방식으로 배열된 바람직하게는 동일한 숫자의 광학 링 공진기들(10', 20', 30', 40')을 포함한다. 회전자와 고정자 평면들은 거울상의 링 공진기들 사이에서 소멸 커플링(evanescent coupling)을 통해 광학적으로 결합된다.

특정한 입력 파장들의 여기에 대하여, 광자 공진 모터는 광학 소스의 파장을 추적하는 것에 의해 회전하는데, 이것은 고정자 공진기들과 회전자 공진기들의 커플링으로부터 유도되는 복사압 힘을 통해 생성되는 광-기계 토크 때문이다. 링들을 여기시키는 공진 대칭 및 반-대칭 모드들에 연관된 비대칭 광학력들은 회전자에 유용한 토크를 생성한다. 광자 공진 모터의 일 실시예가 도 1a에 도시되고, 회전자와 고정자 평면의 평면도가 스케치되고 있으며, 도 1b에서는 광자 공진 모터의 3D 도면이 보고된다.

반면, 도 2a ~ 2c는 고정자 평면과 회전자 평면이 이산화실리콘으로 만들어진 기계적 조인트를 통해 접착되었을 때의 단면(회전자에 빌트-인된 핀과 고정자의 대응하는 함몰된 시트인 것으로 가정되며, 도 2a의 분해도에 도시됨), 회전자가 정지 중일 때(도 2b에 도시됨), 그리고 회전자가 정지 중일 때와 비교하여 작은 회전(θ)이 있었을 때(도 2c에 도시됨)를 도시한 것이다.

광 공진기들의 상호작용에 기초한 광자 공진 모터의 구현의 예시가 이하에서 설명된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광자 공진 모터의 기본 요소들(기본 셀)은 두 개의 수직으로 적층된 파장을 가이드하는, 서로 간에 소멸-결합된 링 공진기들을 포함한다. 수직 인터-링 거리는 q로 표시되며, 횡측 고정자 링과 마스터 링 거리는 d로 표시되는 반면, 횡측 마스터 링과 버스 도파관 거리는 g로 표시된다. 유한 요소 방법(Finite Element Method)을 사용함으로써, 물리 파라미터 q, d 및 g 사이의 연관성과 광자 공진 모터의 스펙트럼 특성들을 조절하는 광 전력의 부분들이 발견될 수 있다.

전체 광학 공진 공동은 내경 r, 주기 2π/N 라디안의 주기적 원형 분포를 통해 등간격으로 수직 적층된 링 공진기(CVSRR들)의 N개 쌍의 폐쇄 루프에 의해 구성된다. 그러므로, 개시된 N=4인 예시적인 실시예에 따르면, 4개의 CVSRR들이 '마스터 링'이라 불리는 고정자 평면 내에 놓여있는(즉, 4개의 CVSRR들의 바닥 링들이 위치된 평면과 일치하는) 더 넓은 링으로 구성되는 폐쇄 루프만을 통해 서로 간에 상호작용하며, 마스터 링에 대해, 마스터 링과 회전자 링 사이의 횡측 상호-커플링을 피하기 위하여, q와 함께, 반경 R_MR이 선택된다.

마스터 링은 고정자 평면에 놓여있는, 하나 또는 두개의 버스 도파관 WG1 및 WG2를 통해 여기된다.

광자 모터는 전달 행렬법, 산란 행렬법 및 결합 모드 이론(coupled mode theory, CMT)에 의해 이하에서 설명되는 바와 같이, 두 개의 수직 적층된 링 공진기들, 즉 도 3a에 묘사된 것과 같이 회전자 평면에 속하는 탑 링(top ring)과 고정자 평면에 속하는 바닥 링으로 구성되는 기본 요소들을 분석함으로써 광학적으로 모델링 될 수 있다.

VSRR들의 단일 쌍의 광학적 특징은 결합 모드 이론(CMT)에 의해 유도될 수 있으며, 그 후, 이 쌍(블록)과 연관된 전달 행렬을 구축하는데 사용될 수 있다.

고정자와 회전자 평면에서 x, y축에 의존하는, 두 개의 VSRR들을 따르는 곡선 좌표를 ζ로 표기하면, 바닥과 꼭대기 링들에서 광학 진호가 전파하는 세기는 각각 a₁(ζ)과 a₂(ζ)이다. 이 두개의 세기의 곡선 좌표 ζ에 대한 의존은 CMT에 의해 모델링될 수 있는데, 이 두 개의 결합된 미분방정식을 제공한다:

식 (1)

여기서 j는 허수 단위이고, ω는 각주파수(즉, 2πc/λ를 말하며 c는 진공에서 빛의 속도이고 λ는 파장이다), n_sym과 n_Asym은 각각 대칭 및 반-대칭 모드들과 연관된 유효 지수들인 반면, n_g는 도파관 단독의 (섭동되지 않은) 그룹 지수이다. n_sym과 n_Asym은 두 개의 결합된 도파관들의 단면에서 광학 장의 전자기 분포를 고려함으로써 FEM에 의하여 평가될 수 있는 반면, n_g는 섭동되지 않은 도파관 단독의 단면도의 전자기 분석으로부터 얻어진다. n_sym과 n_Asym은 두 개의 결합된 광학 도파관들의 단면도 사이의 거리 ζ의 함수임을 인지하는 것이 중요한데, 도 4에 도시된 두 개의 VSRR들의 중심들 사이의 거리를 고려하는 것을 통해 평가될 수 있다.

이 거리 ζ는 두 개의 VSRR들 사이의 수직 거리 q와 회전축과 링 중심 사이의 거리 R을 고정한 회전 각도 θ에 따라 달라진다. 달리 말하면, 도 1에 묘사된 구조를 참조하여, 도 4의 VSRR들의 단일 쌍을 고립시킴으로써, 회전자 링은 각도 θ만큼 회전할 수 있고 따라서 전자기장 분포에 영향을 주며, 차례로 n_sym과 n_Asym에 영향을 준다. 따라서, 시스템의 회전 다이나믹스는 식 (1)에서 n_sym과 n_Asym의 회전 의존성을 통해 고려된다. 식 (1)의 세번째 등가식에서, β는 비섭동된 도파관의 전파 상수이며(즉, β = 2πn_eff/λ= ωn_eff/c), k는 전파 상수로서 q와 θ의 함수이고, n_sym과 n_Asym의 조합에 연관된다.

전파 손실을 무시하면, 식 (1)로 기술된 시스템의 두 개의 일반 해 a₁(ζ)과 a₂(ζ)는 아래와 같이 된다.

식 (2)

두 개의 세기 a₁(0)과 a₂(0)은 경계 조건을 부가함으로써 결정될 수 있다. 제1 경계 조건은:

식 (3)

식 (3)은 원형 형상에 따른 폐쇄 조건이며 상부 링이 오직 하부 링에만 결합되고 마스터 링에는 결합되지 않는다는 조건에 따른 것이다. L은 VSRR들의 쌍의 각 링의 평균 둘레이다(즉, L=2πr).

단일 여기원의 존재를 전제하면(즉, 도 3b의 E_il), 마스터 링과 하부 링 중의 하나 사이의 커플링은 이하의 전달 행렬에 의해 모델링된다.

식 (4)

여기서 E_il은 VSRR들의 한 쌍과 상호작용하기 전에 마스터 링 상의 신호의 세기이며, E_t는 한 쌍의 VSRR들의 상호작용 뒤에 마스터 링의 신호의 세기이다(도 3a를 보라). 식 (4)의 시스템의 두번째 등식은 제2 경계 조건을 결정하는데:

식 (5)

두 개의 경계 조건(식 (3)과 식 (5))을 식 (2)의 등식 시스템에 부가함으로써, 우리는 다음을 얻는다:

식 (6)

일단 공진 m의 차수(order)가 정해지면, (식 (6)의 분모가 0이라고 부가함으로써 얻어지는) 공진 조건들이

에 대해 발생하며, 여기서 ω^m ₊는 대칭 공진 주파수이고 ω^m _-는 반-대칭 공진 주파수이다. 이 공진들은 n_sym과 n_Asym 사이의 차이의 조합들이며 그들의 표현은 다음과 같이 주어진다:

식 (7)

여기서 ω^m은 (고정자 평면 상의) 단일 링 공진기의 공진 주파수(λ_m은 공진 파장)로서 두 개의 VSRR들 사이의 거리가 충분히 커서 그들 간의 상호작용을 회피할 수 있을 때에 나타나는 것이다.

ω^m(λ_m)은 아래와 같이 주어진다.

식 (8)

공진 조건은 ωL/c = 2πm인 조건에 대응되며, m은 공진 차수에 대응된다. 식 (4)와 식 (6)을 결합함으로써, 우리는 한 쌍의 VSRR들을 통해 마스터 링 상에 투과된 광학 장 세기를 유도할 수 있다:

식 (9)

모델은 3차원 유한 변분 시간 영역법(three-dimensional Finite Difference Time Domain, 3D-FDTD)을 통해 확인되었다.

광자 공진 모터의 링 공진기들과 두 개의 버스 도파관들을 형성하는 광 파동-가이드 구조는, 바람직하게는 폭 W=500nm와 높이 H=300nm의 단면으로 특징지어지는 실리콘 전선(실리콘 굴절률은 n_Si = 3.45)이다. 회전자 실리콘 링과 고정자 실리콘 링은 두 개의 이산화실리콘 디스크들(굴절률 n_SiO2 = 1.46)에 앵커되며, 두 개의 다른 실리콘 기판들에 속한다. 이 두 개의 다른 회전자와 고정자 평면들은 이산화실리콘으로 만들어진 기계적 조인트를 통해 접착되고(회전자 상에 빌트-인된 핀과 고정자 상에 대응하는 함몰된 시트로 가정된다) 공기(n_air=1)로 둘러싸인다.

파동-가이드 부품들은 바람직하게는 실리콘 포토닉스 기술로 구현되며, 집적된 광학 장치들에서 극단적인 소형화를 가능케 하고, 따라서, 광자 공진 모터의 최상의 성능을 위한 기본적인 전략으로서 사용될 수 있는 강 빛-물질 상호작용에 따라 광-기계 효과들의 향상을 가능케 한다.

특정한 경우의 수직으로 적층된 링 공진기의 쌍에서는, 고유치 그리드(eigenvalue grid)가 고려되는데, 이것은 식 (9)의 분모를 0으로 만드는 공진 파장을 찾아냄으로써 얻어진다. 도 5a에는 θ=0[라디안]이고 수직 거리인 q가 자유 매개변수(즉, 두 개의 VSRR들이 축방향으로 자유롭게 움직이는)일 때의 모드-분할 다이나믹스가 묘사되었다. 단순화를 위해, 우리는 k(q,0)을 k(q)로 이름을 변경하고, 모드-분할과 연관된 비대칭 공진들 결과가 다음으로 규율된다:

식 (10)

q = q*으로 고정함으로써 (즉, P. T. Rakich, M. A. Popovic, M. Soljacic, and E. P. Ippen, "Trapping, corralling and spectral bonding of optical resonances through optically induced potentials," Nat. Photonics ics 1(11), 658-665 (2007)에 개시된 것과 같이, '트래핑(trapping)' 조건 이하의 조건에서 작동하기 위하여 수직 커플링에 연관된 거리를 고정함으로써, 두 개의 근접한 공진 차수들의 두 개의 비대칭 공진들의 교차에 대응하는) 그리고 회전자 링이 고정자 링에 대하여 각도 θ에서 자유롭게 회전하는 것을 고려함으로써, 회전 구조의 모드-분할 다이나믹스는 아래 수식을 통해 평가될 수 있다:

직관적으로, 도 1의 광자 모터의 실시예를 참조하여, 원형 배열로 분포된 4개 쌍의 VSRR들에서, 단일 쌍의 VSRR들에서는 θ=0에서 일어나는 동일한 모드-분할 조건은 θ = 2pπ/N에 대하여 일어날 것이다(p는 정수이고 N은 도 5b에 묘사된 VSRR들의 쌍들의 전체 숫자임).

각 조건 θ = (2p+1)π/N에서 회전자 링 공진기는 고정자 링 공진기로부터 완전히 디커플링되며 회전자와 고정자 링 공진기들 사이에 아무런 전자기 에너지가 교환되지 않는다. 투과 스펙트럼에서, 이 조건은 모드-분할의 사람짐으로 보이게 되는데 왜냐하면 두 개의 공진 라인들이 고정자 링 공진기 단독의 공진 라인과 일치하기 때문이다(λ^m _±

λ_m). 추가적으로, 고유값들의 연속성 및 회전 대칭성 때문에, 즉 λ^m _±(θ^*) = λ^m _±(-θ^*)이기 때문에, 모드-분할 다이나믹스는 각도 θ=(2p+1)π/N에 대하여 λ^m _±

λ_m에서 최소값을 값는 것으로 특징지어지고, 최대값은 아래와 같이 θ=2πp/N에 위치하게 된다:

식 (11)

특히, 회전 모드-분할 다이나믹스는 아래와 같이 규율된다:

식 (12)

식 (10) ~ (12)로 표현되는 이 조건들은 모드 분할 다이나믹스가 단일 쌍의 VSRR들을 참조하여 보고된 도 5에서 그래픽적으로 표현된다. 도 5a에서 인터-링 거리 q는 변수(variable)이며, 회전각 θ는 널(null)이다; 반면, 도 5b에서 인터-링 회전각 θ는 0에서 2π 사이에서 변화하는 반면 q는 q^*으로 고정되어 있다.

위 고려들을 기초하여, q는 q = q^* = 400nm로 고정되고 R-r-W/2

5μm인 회전 반경이 고려되는데, 회전축에 가까운 도파관 단면들의 경우에 유효하다. 이 매개변수들과 함께, 유한 요소법을 통해, 우리는 도 6에서 n_Sym의 회전 다이나믹스를 그리고 도 7에서 n_Asym의 회전 다이나믹스를 θ = 2πp/N의 조건 주위의 작은 각도 θ에 대하여, 각도 범위 [2πp/N - 0.4, 2πp/N + 0.4]에서 시뮬레이션한다. 명백하게, 비록 이 보고된 회전 다이나믹스들이 광학 모터의 회전 축에 가장 가까운 도파관 단면에 관련되어 있지만(즉, R-r-W/2

5μm), 얻어진 결과는 더 큰 회전 반경을 가진 도파관 단면에 대해서도 동일한 경향을 보여준다. 그러므로, 시계방향 회전을 부가함으로써, n_sym(θ)은 준-로렌츠 분포(quasi-lorenzian distribution)를 보여주며, 도 6에 묘사된다.

사실, 수치 FEM 데이터는 성공적으로 이하의 함수를 내삽(interpolate)하였다:

식 (13)

여기서 a = 12, γ = 1.87이다.

삽화 1)에서 13)으로 이동함으로써, 회전자 도파관 단면의 회전과 연관된 전자기장의 분포가 또한 도 6에 보고되고 있다.

n_sym(θ)과 동일한 평가 조건에 따라, 도 7에서는 n_Asym(θ)이 도시된다.

단순함을 위해, n_Asym(θ)의 내삽이 이전 식 (13)과 동일한 매개변수를 갖는 준-로렌츠 함수와 함께 수행되었다:

식 (14)

비록 n_Asym(θ)에 대한 수치 FEM이 n_Sym(θ)에 대한 내삽에 관하여 높은 근사도로 내삽되었지만, 이 표현은 직관적으로 n_Asym(θ)이 n_Sym(θ)에 관하여 역전된 거동을 보임을 보여준다.

도 6 및 도 7에서 θ < -10도와 θ > 10도 마다 n_Sym(θ)

n_Asym(θ)

n_g임을 용이하게 인식할 수 있다. 회전축으로부터 먼 거리들(즉, R-r-W/2 내지 R+r+W/w 범위의 거리들)에서의 도파관 단면들은, 도 6과 도 7에서 보다 좁은 n_Asym(θ)과 n_Sym(θ) 사이의 상호작용의 각 간격을 보여주며, R-r-W/2

5μm에 대하여 유효한데 왜냐하면 커플링 범위가, 직선 거리로서, 모든 반경 R마다 상수로 남아있기 때문이다.

일단 단일 쌍의 VSRR들의 회전 모드-분할 다이나믹스가 유도되면, 우리는 두 개의 버스 도파관(즉, 도 1, 2의 WG1 및 WG2)에 의해 여기된 폐쇄 루프 구성에서의 N개 쌍의 VSRR들의 광학 모델을 개발할 것이다.

먼저, 도 8을 참조하면, 평행하게-결합된 VSRR들의 N개 쌍들의 개방 루프 구성이 보고되는데, 마스터 링을 따른 위상 지연과 연관된 위상 항(term)은 Φ_MR = 4π²n_gR_MR/λ이며, 마스터 링 반경 R_MR은 R+r+d+3W/2와 같다. N개 쌍의 VSRR들(즉, 도 1a에서 N=4)은, 등거리로 이격되어(즉, 주기적으로 위치되어) VSRR들의 p번째 쌍과 (p+1)번째 쌍 사이의 광 경로에 연관된 위상 항은 Φ_EX =Φ_MR/N이고, 여기서 N은 VSRR들의 쌍들의 숫자이다.

D. G. Rabus, Integrated Ring Resonator. The Compedium. New York: Springer-Verlag, 2007에 따르면, 마스터 링의 존재로 인한 전기 광학 장의 내부-공동 빌드업 세기는 아래와 같이 표현될 수 있다:

식 (15)

여기서 ξ는 버스 도파관 WG1/WG2로부터 마스터링으로 전달된 광학 장 세기이며, WG1/WG2와 마스터 링 사이의 기하학적 갭 g에 따라 달라진다(도 2a를 보라).

마스터 링에서 전력 강화 팩터 E_N은:

식 (16)

E_N은 기초 매개변수인데 왜냐하면 이것이 버스 도파관 WG1/WG2를 여기하는 전력 |E _IN |²에 관하여 내-공동 전력 강화를 반영하기 때문이다. 공진 광학 시스템에서, 광 기계 힘의 강도는 입력 광학 전력에 선형적으로 의존하며, 광학 공동이 언더-커플링되도록 하는 ξ의 값들에 대하여(즉, 임계 커플링 조건 이하), 내-공동 전력 강화 E_N은 향상 팩터를 나타낸다(예컨대 버스 도파관을 통해 직접적으로 여기된 VSSR들의 단일 쌍에 관하여).

광자 공진 모터: 물리적 매개변수, 심볼 및 가정된 값

물리적 매개변수	심볼	가정된 값
실리콘 굴절률	nSi	3.45
이산화실리콘 굴절률	nSO2	1.46
공기 굴절률	nair	1
파장 폭	W	500nm
파장 높이	H	300nm
수직 적층된 링 공진기(VSRR)들의 결합들	N	4
마이크로 유닛 당 수직 인터-링 갭/인터 링들 커플링 계수	q/k @ 1.55μm*	400nm / 0.0164*
마스터 링으로부터 링들로 결합된 표준화된 장(field)의 세기	h	0.1
버스 도파관들로부터 마스터 링으로 결합된 표준화된 장의 세기	ξ	0.1
링 반지름	r	5μm
회전축과 링들의 중심 사이의 거리	R	15μm
마스터 링 반지름	RMR	R+r+d+3W/2
회전자 반지름	R0	> RMR
입력 전력	Pi	100mW

표 1에 보고된 물리적 매개변수들을 참조하면, 도 9a에는 식 (16)의 강화 팩터 E_N의 거동이 파장 λ과 k(q)의 함수로서 표현되는데, 분석에서 모드 분할 다이나믹스도 포함하기 위함이다. 마스터 링의 폐쇄된 루프 내의 4개 쌍의 VSRR들 때문에, 모드 분할 다이나믹스는 단일 쌍의 VSRR 들 중의 하나와는 다르다. k(q)가 0.002μm^-1에서 0.02μm^-1 범위에서, 광자 모터는 λ_m에 중심을 둔 중심 공진 선과 두 개의 비대칭 공진 선들에 의해 특징지어지는 분할 다이나믹스를 보여주며(도 5a와 유사함), 두 개의 비대칭 공진 선들은 이제 λ_pm ⁺와 λ_pm ^-로 불리고(도 5a의 λ⁺ 및 λ^-와 유사함) 이들은 축퇴 모드(degenerate mode) 조건으로 수렴하지 않는다(도 5a에 도시된 λ_m와 같은). k(q)=0에 대해(즉, q →±∞) 우리는 공진 λ_pm ⁺와 λ_pm ^-이 표 1에 보고된 모든 물리적 매개변수들에 의존하는 값을 가짐을 증명하였다. 도 5b에 보고된 단일 쌍의 VSRR에 대한 각(angular) 모드 분할 다이나믹스와 유사하게, 도 9b에서 4개 쌍의 VSRR들의 상호작용은 q = q^*와 함께, 도 5b에서 설명된 것과 유사한 경향을 따르는 것에 의해 마스터 링에 폐쇄되어 [2πp/N -0.2, 2πp/N +0.4] 범위에서 각 상호작용(angular interaction)을 가능케 한다. 사실, 도 5b와 경향은 유사하나 동일하지는 않는데, 왜냐하면 두 개의 비대칭 공진 라인들 λ_pm ⁺와 λ_pm ^-의 λ_m에서의 수렴을 회피하는 λ_m에 중심을 둔 직선 공진 라인의 존재 때문이다. 우리는 오직 단일 쌍의 VSRR들에서만 도 5b와 완벽하게 경향이 일치함을 증명했다.

이제 도 4에 보고된 기하학적 구조를 고려하는 것으로 되돌아가면, 여기서 ξ는 단일 쌍의 VSRR들의 두 개의 링들의 두 개의 중심들 사이의 거리이고, q=q^*은 두 개의 VSRR들 사이의 고정된 수직 거리이며, R은 회전축과 VSRR들의 중심들 사이의 거리이고, θ는 회전자 링의 대응하는 고정자 링에 대한 회전각이고, 회전에 대한 0 기준 각(θ=0)은 완벽하게 적층되는 구성으로 가정되고, 이하의 설명에서는 θ=0 근처에서 작은 회전각과 θ가 양의 방향으로만 증가하는(dθ>0, 즉 항상 같은 회전 방향을 유지하는) 것으로 가정한다.

파동을 가이드하는 링들과 그들의 단면들의 기하학적 특징들을 포함하는 광 공진기들의 물리적 매개변수들은, 각각의 링 공진기의 기하학적 중심(회전축으로부터 거리 R에 위치함)과 일치하는 등가 집중점(equivalent concentrated point)으로 수렴한다. 이 가정과 함께, 광-기계 이론은 그 점들을 연결하는 이동선을 따라 작동하는 상호력의 학습을 가능케 하는 일괄 모델(lumped model)에 주목한다(즉, 도 10a에서 고정자와 회전자 등가 점들 P_s와 P_R을 보라).

광자 공진 모터의 기계적 거동은 광-기계 힘 F_ξ에 의해 규율되는데, 공동-강화된 복사압 때문에, P_S와 P_R 사이에서 작용한다. F_ξ는 양자 인수(quantum argument) 또는 고전 인수(classical argument)에 의해 유도될 수 있는데, M. L. Povinelli, Steven G. Johnson, Marko Loncar, Mihai Ibanescu, Elizabeth J. Smythe, Federico Capasso, and J. D. Joannopoulos, "High-Q enhancement of attractive and repulsive optical forces between coupled whispering-gallery-mode resonators," Opt. Express 13, 8286-8295 (2005)에 의해 개시된 두 개의 약-결합된 공진기들 사이에서 형성되는 힘이다. 그것은 아래와 같이 주어진다:

식 (17)

여기서 P는 단일 쌍의 VSRR들을 순환하는 광 전력인데, 아래와 같이 주어진다:

식 (18)

여기서 P_i는 입력원(즉, 레이저) 전력이고 E_N은 전력 강화 팩터이며(식 (16)), Q_m은 단독 링 공진기의 품질 팩터이며, m번째 공진 차수라고 지칭되며, 각 조건 θ = (2p+1)π/N에 대해 평가될 수 있다(비-커플링 조건).

단일 고정자 링에 저장된 공진 전자기 에너지 U_r는 아래와 같이 주어진다:

식 (19)

제로 기준 각도 근처의 작은 회전각을 전제할 때, 시위 길이(chord length) 대신 선형화된 거리 Rθ가 고려될 수 있다. 그러므로, ξ는 아래와 같이 표현될 수 있다:

식 (20)

식 (20)과 식 (12)를 고려함으로써, Δλ(θ) = λ_m ^±(θ) - λm이어서 d(Δλ(θ)) = d(λ_m ^±(θ))

d(λ_pm ^±(θ))이고, 식 (17)은 다음과 같이 표현될 수 있다:

식 (21)

우리는 관행적으로 대칭적인 공진 라인과 연관된 인력(attractive force)를 음수로 정의하고, 반-대칭적인 공진 라인과 연관된 반발력을 양수로 정의한다. 따라서, F_ξ는 각각 대칭 및 반-대칭 공진 라인 λ_pm ⁺ 및 λ_pm ^-에 대하여, F_ξλ ⁺ 및 F_ξλ ^-로 표현될 수 있다(도 9b를 보라):

식 (22)

식 (23)

일관 등가 시스템의 감소 때문에, F_ξλ ⁺ 및 F_ξλ ^-는 ξ를 따라 작용한다(즉, 결합된 고정자 및 회전자 링들의 중심을 연결하는 이동선). 각도 γ를 참조하면(도 10b를 보라), 다음과 같이 정의된다:

식 (24)

전체적인 힘 F_ξλ ^+(-)의 두 개의 특정한 투사들이 고려된다. 축상 성분 F_Zλ ^+(-)과 접선 성분 F_θλ ^+(-)은 아래와 같이 주어진다.

식 (25)

식 (26)

F_Zλ ^+(-)는 외부 프레임에 의해 주어진 반작용력에 의해 균형을 이루는 반면, F_θλ ^+(-)는 회전자의 운동을 야기한다.

도 1과 도 2에 보고된 광자 모터의 N=4인 특정한 구성을 참조하면, 도 11에서 대칭 공진 라인 λ⁺에 대한 광-기계 힘 분포를 나타내는 곡선은(도 5b와 9b의 고유값 그리드를 보라) 회전각의 함수로서 보고된다. 반-대칭 공진 라인 λ^-에 대한 광-기계 힘 분포는 대칭 공진 라인에 관하여 반전된 것이고 편의상 여기에 보고되지 않았다.

단일 쌍의 결합 링들에 의해 가해지고 회전자에 작용하는 토크 C_l(θ)는 지점 P_R에서 회전축으로의 거리 R에 의해 접선방향 힘 F_θλ ^+(-)의 값을 곱함으로써 계산된다. 전술한 것처럼, 이 가정(F_θλ ^+(-)와 R에 대한 직교 방향을 암시하는)은 영의 기준 각도 근처에서 작은 회전각들을 고려할 때 수용가능하다:

식 (27)

제시된 구성(N=4인 CVSRR들로서, 2π 라디안 마다 등간격으로 이격된)에서, N 내-위상(in-phase) 함수들이 전체적인 토크 C(θ)를 얻기 위해 합산될 수 있다:

식 (28)

전체적인 토크가 다이나믹 매개변수 F_θλ ^+(-)와 토폴로지의/기하학적 매개변수 N과 R이 증가함에 따라 선형적으로 증가함을 쉽게 알 수 있다.

도 12는 회전각 θ의 함수로서 대칭 공진 라인 λ⁺에 대한 광-기계 토크 분포를 개시한다.

이러한 시스템에서 회전을 유지하고 회전자로부터의 유용한 토크를 추출하는 데 사용될 수 있는 골 제어 수단(trough control means)를 통한 기술 중의 하나는 시간 동기화(synchronous timing)이다: 대칭적 공진 라인(인력)과 함께 작동할 때는, (레이저) 광원이 페이스(phase)에 접근 중일 때에만 유지되고 회전자 링들이 대응하는 고정자 링들과 완벽하게 적층된 조건에서는 꺼져 있을 것이 요구된다. 이 페이스 이후에는, 관성력 덕분에, 회전자는 다른 고정자 링과 함께 다음 커플링 조건에 이를 때까지 운동을 유지할 것이다.

이 골 제어 수단의 대안은 반-대칭 공진 라인(척력)과 함께 작동하는 것으로 구성되는데, (레이저) 광원을 회전자 링들이 대응하는 고정자 링들과 완벽하게 적층된 조건에서만 켜고 전체 이탈 페이스(escaping phase) 동안 켜진 채로, 마주한 링들 간의 광학 커플링이 떨어질 때까지 유지하는 것이다.

다른 방법은, 전술한 방법들을 조합하여 (접근 페이스 동안) 인력으로부터 (이탈 페이스 동안) 척력으로의 스위칭을 보장하는 것이다.

좀 더 복잡한, 그러나 효율적인 완전한 동작 제어를 하기 위해 적용될 수 있는 기술이 단계별 아키텍쳐로 제시된다: 예로서, 대칭 공진 라인(인력)을 고려하면, 단일 고정자 링은, 활성화되었을 때, 최근접한 회전자 링을, 국소 원점 내로 트랩될 때까지(적층 조건) 끌어당긴다. 제2 운동(단계)을 얻기 위하여, 구동 유닛은 이전의 고정자 링을 비활성화하고 그 다음 것을 활성화한다. 전술한 회전자 링은 다른 고정자 링에 의해 당겨지기 때문에 그 실제 위치를 벗어나고, 새로운 정착 위치에 도달할 때까지 전체 회전자를 당긴다. 이 메커니즘은 (심지어 회전의 양방향 모두를 따라) 구동 유닛에 의해 부가된 동작들에 따라 반복된다. 또한 위 설명에서 본 발명의 제시된 실시예는 예시적이고 본 발명을 한정하는 것이 아님을 주목해야 한다. 당업자는 여기에 개략화된 원리들을 벗어나지 않으면서 다양한 실시예에서 본 발명을 구현할 수 있다. 이것은 특히 제1 광학 도파관 배열, 제2 광학 도파관 배열 및 상기 제1 광학 도파관 배열에 결합된 여기 광학 도파관 배열을 변화시키는 가능성에 적용된다.

도 13은 본 발명에 따른 광자 공진 모터 M의 대안적인 실시예를 보여주며, 여기서 제1 광학 도파관 배열은 고정자 평면 상에 공통 원형 경로를 따라 끼워진 광학 링 공진기들의 적어도 두 개의 하위집합을 포함한다(8개의 광학 링 공진기의 예시적인 배열로, 각 하위집합마다 4개가 도면에 묘사되었다). 광학 링 공진기의 첫번째 하위집합 13, 23, 33, 43은 원형 경로에 새겨진 제1 도파관 WG3을 통해 여기되고 첫번째 하위집합의 각 광학 공진기 13, 23, 33, 43에 미리 정해진 광학 모드 커플링 거리를 가지는 최적화된 형상을 가지며, 제1 도파관 WG3는 제1 광학 복사 입력 S3로부터 미리 정해진 파장의 적어도 하나의 광 복사를 수신하도록 구성된다. 광학 링 공진기의 두번째 하위집합 53, 63, 73, 83은 원형 경로에 외접한 제2 도파관 WG4를 통해 여기되고, 일정한 특정 설계된 지점에서 두번째 하위집합의 각 광학 공진기 53, 63, 73, 83로의 미리 정해진 광학 모드 커플링 거리에 도달하도록 최적화된 형상을 가지며, 제2 도파관 WG4는 제2 광 복사 입력 S4로부터 미리 정해진 파장의 적어도 하나의 광학 복수라르 수신하도록 구성된다.

도 14는 본 발명에 따른 광자 공진 모터 M의 대안적인 실시예를 보여주며, 여기서 제1 광학 도파관 배치는 고정자 평면 상의 공통 원형 경로를 따라 배치된 광학 링 공진기들 14-84의 하위집합을 포함한다(예시적으로 8개의 광학 링 공진기의 원형 배열이 도면에 묘사되었다). 마스터 링 공진기 MR2는 원형 경로에 외접하게되고 일반적인 원형 형상을 가져서 일정하게 이격된 각위치들에서 각 광학 공진기에 미리 정해진 광학 모드 커플링 거리를 가진다. 마스터 링 공진기 MR2는 광학 복사 입력 S5로부터 미리 정해진 파장의 적어도 하나의 광학 파장을 수신하도록 구성되고 마스터 링 공진기 MR2에 근접하게 접하여 통과하는 직선형 도파관 WG5를 통해 여기된다.

도 15는 본 발명의 광자 공진 모터 M의 대안적인 실시예를 도시한 것이며, 여기서 제1 광학 도파관 배치는 고정자 평면 상에 동축 원형 경로들을 따라 배치된 광학 링 공진기의 두 개의 하위집합 15~85, 115~185를 포함한다(각각 8개의 광학 링 공진기를 가진 두 개의 예시적인 원형 배열들이 도면에 묘사되었다). 마스터 링 공진기 MR3는 광학 링 공진기들의 두 개의 하위집합들의 원형 경로들에 외접하고 일반적인 원형 형상을 가져서, 일정하게 이격된 각 위치들로 동축으로 배치된 광학 링 공진기들의 최외각 하위집합의 각 광학 공진기 15~85에 미리 정해진 광학 모드 커플링 거리를 가진다. 마스터 링 공진기 MR3는 광학 복사 입력 S6로부터 미리 정해진 파장의 적어도 하나의 광 복사를 수신하도록 구성되고 마스터 링 공진기 MR3에 근접하게 접하여 통과하는 직선형 도파관 WG6를 통해 여기된다.

도 16은 본 발명에 따른 광자 공진 모터 M의 대안적인 실시예를 도시한 것이며, 여기서 제1 광학 도파관 배열은 고정자 평면 상의 선형 경로를 따라 배치된 광학 링 공진기 16, 26, 36, 46의 배열을 포함한다(4개의 광학 링 공진기들의 예시적인 배열이 도면에 묘사되었다). 광학 링 공진기들은 광학 링 공진기들의 선형 경로의 옆으로 연장되는 직선형 도파관 WG7을 통해 여기되어, 일정한 거리에서 각 광학 공진기에 미리 정해진 광학 모드 커플링 거리를 가지고, 도파관 WG7은 광학 복사 입력 S7로부터 미리 정해진 파장의 적어도 하나의 광학 복사를 수신하도록 구성된다.

도 17은 본 발명에 따른 광자 공진 모터 M의 또다른 대안적인 실시예를 도시한 것이며, 여기서 제1 광학 도파관 배치는 고정자 평면 상의 원형 경로를 따라 배치된 광학 링 공진기들의 3개의 하위집합들을 포함하며, 광학 링 공진기들의 각 하위집합은 한 쌍의 광학 링 공진기들 17~27, 37~47, 57~67을 갖는다. 각각의 마스터 링 공진기 MR4, MR5, MR6은 광학 링 공진기들의 각 하위집합에 외접하고 일반적인 타원형 형상을 가져서, 일정하게 이격된 각 위치들에서 하위집합의 각 광학 공진기에 미리 정해진 광학 모드 커플링 거리를 가진다. 각 마스터 링 공진기 MR4, MR5, MR6은 각각 광학 복사 입력 S8, S9, S10으로부터 각각 미리 정해진 파장의 광학 복사를 수신하고 마스터 링 공진기를 근접하게 접하여 통과하는 각각 직선형 도파관 WG8, WG9, WG10을 통해 여기된다.

물론 본 발명의 원리는 동일하게 유지되며, 실시예들은 비한정적인 예시들로서 기술된 것에 비교하여 변화될 수 있고, 당업자는 도 1a 및 1b의 배치를 참조하여 기술된 그리고 및 도 2 내지 12를 참조하여 묘사된 광자 공진 모터의 광 및 광-기계 모델링이 적절한 각색과 함께, 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 보호 범위를 벗어나지 않으면서 도 13 내지 17에 개시된 광자 공진 모터 배치들에도 적용될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (27)

1. 광자 모터로서,
   적어도 하나의 광학 복사 입력;
   제1 광학 도파관 배치로서, 모터의 미리 정해진 좌표 기준 시스템에서 상기 모터의 정적 부분(static part)을 형성하기 위해 제1 평면에 놓인 적어도 하나의 제1 광학 공진기를 포함하는, 제1 광학 도파관 배치;
   상기 적어도 하나의 제1 광학 공진기에 대한 미리 정해진 광학 모드 커플링 거리에서 상기 제1 광학 도파관 배치에 결합되고, 상기 적어도 하나의 광학 복사 입력으로부터 미리 정해진 파장의 적어도 하나의 광학 복사를 수신하고 또한 상기 광학 복사를 상기 적어도 하나의 제1 광학 공진기에 광학적으로 결합시키도록 구성되는, 여기 광학 도파관 배치(excitation optical waveguides arrangement);
   적어도 하나의 제2 광학 도파관 배치로서, 미리 정해진 적층 거리(stacking distance)에서 상기 제1 평면에 평행한 제2 평면에 놓인 적어도 하나의 제2 광학 공진기를 포함하고, 상기 미리 정해진 적층 거리는 상기 제1 평면 및 상기 제2 평면에 직교하며, 제2 광학 도파관 배치는 모터의 미리 정해진 좌표 기준 시스템에서 상기 모터의 이동 부분을 형성하기 위하여, 적어도 미리 정의된 이동 방향을 따라 상기 제1 광학 도파관 배치에 관하여 상기 제2 평면에서 움직이도록 구성되는, 적어도 하나의 제2 광학 도파관 배치;를 포함하고,
   상기 미리 정해진 적층 거리는, 상기 제1 광학 도파관 배치의 적어도 하나의 제1 광학 공진기와 상기 제2 광학 도파관 배치의 적어도 하나의 제2 광학 공진기 사이의 광학 모드들의 소멸-파(evanescent-wave) 커플링을 수립하도록 구성되고, 상기 수립은 상기 제2 배치의 국소 운동(local motion)이 일어나는 상기 제1 평면 및 상기 제2 평면을 횡단하는 평면에서 상기 제1 광학 공진기와 상기 제2 광학 공진기의 근접 조건(proximity condition)으로 수립되며;
   상기 제1 광학 공진기 및 상기 제2 광학 공진기는, 미리 정해진 제1 파장에서의 적어도 하나의 공진 대칭 모드(resonant symmetric mode), 미리 정해진 제2 파장에서의 적어도 하나의 공진 반-대칭 모드(resonant anti-symmetric mode), 미리 정해진 제1 파장에서의 적어도 하나의 공진 대칭 모드와 미리 정해진 제2 파장에서의 적어도 하나의 공진 반-대칭 모드의 적어도 조합 또는 중첩을, 상기 적층 거리 뿐만 아니라 상기 횡단 평면 상의 상기 제1 광학 공진기 및 상기 제2 광학 공진기 사이의 거리의 함수로, 가이드하도록 구성되고; 또한
   공진 대칭 모드가 선택적으로 수립될 경우, 미리 정의된 국소 이동 방향을 따라 제2 광학 공진기의 제1 광학 공진기를 향한 접근 운동을 상기 제2 평면 상에서 생성하는 상기 제2 광학 공진기의 상기 제1 광학 공진기를 향한 인력 조건(attractive condition)이 수립되고, 또는, 공진 반-대칭 모드가 선택적으로 수립될 경우, 상기 미리 정의된 국소 이동 방향을 따라 제1 광학 공진기로부터 제2 광학 공진기의 이탈 운동을 상기 제2 평면 상에 생성하는 상기 제1 광학 공진기로부터 상기 제2 광학 공진기의 척력 조건(repulsive condition)이 수립되는; 광자 모터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 공진 대칭 모드와 상기 공진 반-대칭 모드 중의 적어도 하나를 선택적으로 수립하기 위해 상기 적어도 하나의 광학 복사 입력으로부터 적어도 하나의 복사 매개변수를 제어하기 위해 배치되는 제어 수단;을 더 포함하는, 광자 모터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 광학 도파관 배치는 복수의 제1 광학 공진기들을 포함하고, 상기 제어 수단은:
   제2 평면에서 상기 미리 정의된 이동 방향에 따른 상기 적어도 하나의 제2 광학 공진기가 제1 평면에서 상기 미리 정의된 이동 방향에 따른 결합된 제1 광학 공진기에 관한 적층 조건(stacking condition)에 가까우면, 공진 대칭 모드로부터 공진 반-대칭 모드로 선택적으로 전환하기 위해 상기 광학 복사 입력으로부터 복사의 파장을 동기식으로 제어하거나, 또는
   일단 공진 대칭 모드가 고정되면, 접근 페이스(approaching phase) 동안에만 광학 복사 입력을 활성화(activation)하고, 제2 평면에서 상기 미리 정의된 이동 방향에 따른 상기 적어도 제2 광학 공진기가 제1 평면에서 상기 미리 정의된 이동 방향에 따른 결합된 제1 광학 공진기에 관한 적층 조건에 가까우면 비활성화하고(turning it off), 관성력 때문에 제1 평면에서 상기 미리 정의된 이동 방향에 따른 상이한 제1 광학 공진기와의 다음 커플링 조건(coupling condition)에 도달하도록 동기식으로 제어하거나, 또는
   일단 공진 반-대칭 모드가 고정되면, 이탈 페이스(escaping phase) 동안에만 광학 복사 입력을 활성화(activation)하고, 제2 평면에서 상기 미리 정의된 이동 방향에 따른 상기 적어도 하나의 제2 광학 공진기가 제1 평면에서 상기 미리 정의된 이동 방향에 따른 결합된 제1 광학 공진기에 관한 적층 조건에 가까우면 활성화하고(turning it on), 제2 평면에서 상기 미리 정의된 이동 방향에 따른 상기 적어도 하나의 제2 광학 공진기가 상기 제1 광학 공진기와의 커플링 조건으로부터 벗어날 때에는 비활성화(turning it off)하고, 관성력 때문에 제1 평면에서 상기 미리 정해진 이동 방향을 따라 상이한 제1 광학 공진기와의 다음 결합 조건에 도달하도록 동기식으로 제어하도록 구성되는, 광자 모터.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광학 복사 입력으로부터의 복사의 매개변수는 파장, 페이스(phase), 상기 복사의 편광(polarization), 상기 복사의 활성화/비활성화 타이밍, 상기 복사의 전력(power) 중의 적어도 하나인, 광자 모터.
5. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 광학 도파관 배치는 제1 평면에서 적어도 하나의 미리 정해진 경로를 따라 배치된 복수의 제1 광학 공진기들을 포함하고, 상기 제2 광학 도파관 배치는 제2 평면에서 적어도 하나의 미리 정해진 경로를 따라 배치된 복수의 제2 광학 공진기들을 포함하는, 광자 모터.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제어 수단은, 상기 미리 정의된 이동 방향에 따라 제2 평면에서 상기 적어도 하나의 미리 정해진 경로에 따른 상기 적어도 하나의 제2 광학 공진기의 위치가 제1 평면에서 상기 적어도 하나의 미리 정해진 경로에 따른 결합된 제1 광학 공진기의 위치에 뒤쳐지는 경우, 공진 대칭 모드를 선택적으로 수립하고, 상기 미리 정의된 이동 방향에 따라 제2 평면에서 상기 적어도 하나의 미리 정해진 경로에 따른 상기 적어도 하나의 제2 광학 공진기의 위치가 제1 평면에서 상기 적어도 하나의 미리 정해진 경로에 따른 상기 결합된 제1 광학 공진기의 위치의 앞에 있는 경우, 공진 반-대칭 모드를 선택적으로 수립하기 위하여, 상기 적어도 하나의 광학 복사 입력으로부터 적어도 복사의 매개변수를 자동으로 제어하도록 구성되는, 광자 모터.
7. 제5항에 있어서,
   제1 평면에서 상기 적어도 하나의 미리 정해진 경로와 제2 평면에서 상기 적어도 하나의 미리 정해진 경로는 폐쇄 경로들(closed paths)인, 광자 모터.
8. 제7항에 있어서,
   상기 폐쇄 경로들은 원형 경로인, 광자 모터.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
   상기 제2 광학 도파관 배치의 제2 광학 공진기들의 폐쇄 경로는 상기 제1 광학 도파관 배치의 제1 광학 공진기들의 폐쇄 경로와 동축(coaxial)인, 광자 모터.
10. 제5항에 있어서,
    제1 평면에서 상기 적어도 하나의 미리 정해진 경로와 제2 평면에서 상기 적어도 하나의 미리 정해진 경로는 직선형 경로인, 광자 모터.
11. 제5항에 있어서,
    상기 광학 공진기들은 상기 미리 정해진 경로들을 따라 균등하게 할당되는, 광자 모터.
12. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광학 공진기들은 링 공진기들이고, 바람직하게는 원형 링 공진기들인, 광자 모터.
13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 광학 공진기들은 선택적으로 여기된 링 공진기(selectively excited ring resonators)들의 하위집합과 적어도 하나의 여기 마스터 링 공진기(excitation master ring resonator)를 포함하는, 광자 모터.
14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 링 공진기들과 상기 제2 링 공진기들의 하위집합은 동일한 직경을 갖는, 광자 모터.
15. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 광학 공진기들 및 상기 제2 광학 공진기들은 위스퍼링-갤러리 모드(whispering-gallery mode) 광학 공진기들인, 광자 모터.
16. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 평면과 제2 평면 사이의 상기 미리 정해진 적층 거리는, 상기 광학 복사 입력으로부터의 상기 미리 정해진 제1 파장의 광학 복사, 상기 광학 공진기들의 재질들, 상기 광학 공진기들의 기하학적 특징들 중의 적어도 하나에 기초하는 것인, 광자 모터.
17. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 여기 광학 도파관 배치는, 상기 제1 광학 도파관 배치와 동일 평면상에 있는 적어도 하나의 여기 광학 도파관을 포함하는, 광자 모터.
18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 광학 도파관 배치는 제1 평면에서 적어도 하나의 미리 정해진 원형 경로를 따라 배치된 복수의 제1 광학 공진기들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 여기 광학 도파관은 상기 적어도 하나의 원형 경로에 적어도 부분적으로 옆으로 가는 경로를 따라 연장하는, 광자 모터.
19. 제17항에 있어서,
    상기 제1 광학 도파관 배치는 제1 평면에서 미리 정해진 직선형 경로를 따라 배치된 복수의 제1 광학 공진기들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 여기 광학 도파관은 상기 직선형 경로의 옆으로 가는 경로를 따라 연장하는, 광자 모터.
20. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 여기 광학 도파관 배치는 제1 광학 도파관 배치의 상기 제1 평면과 상이한 평면에 있는 적어도 하나의 여기 광학 도파관을 포함하는, 광자 모터.
21. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 복사 입력은 적어도 하나의 결맞음 복사원(coherent radiation source)이거나 또는 적어도 하나의 결맞음 복사원에 결합되는, 광자 모터.
22. 제21항에 있어서,
    상기 결맞음 복사원은 적어도 상기 제1 광학 공진기와 상기 제2 광학 공진기의 크기와 재질 그리고 상기 제1 광학 도파관 배치 및 상기 제2 광학 도파관 배치 사이의 유전체(dielectric)에 따라 달라지는 동작 대역을 가지는 레이저 광원인, 광자 모터.
23. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 탐침 광학 도파관(probe optical waveguide)는 상기 여기 광학 도파관 배치에 결합되는, 광자 모터.
24. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 제1 광학 공진기들과 상기 제2 광학 공진기들 그리고 상기 여기 광학 도파관 배치는 광섬유로 만들어지며, 유전체 기판, 반도체 활성 능동 또는 수동 구조, 플라스모닉 구조(plasmonic structure), 폴리머 구조 상의 통합된 광학 가이드들인, 광자 모터.
25. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 광학 도파관 배치는 정지된(at rest) 제1 고정 기계 구조에 기계적으로 결합되도록 배치되는 정지 부분 기판(static part substrate) 상에 형성되고, 제2 광학 도파관 배치는 상기 제1 고정 기계 구조에 관하여 이동가능한 제2 기계 구조에 기계적으로 결합되도록 배치되는 이동 부분 기판(moving part substrate) 상에 형성되는, 광자 모터.
26. 광자 모터 조립체로서, 각각이 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 광자 모터를 포함하는 복수의 기초 유닛을 포함하고, 상기 기초 유닛들은 평면 상에 기계적으로 결합되는, 광자 모터 조립체.
27. 광자 모터 조립체로서, 각각이 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 광자 모터를 포함하는 복수의 기초 유닛을 포함하고, 상기 기초 유닛들은 3차원 체적 상에 기계적으로 결합되는, 광자 모터 조립체.
    

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