中國科學院化學所張繼哲等研究團隊最新發表研究成果，成功研制出一種運動軌跡可編程的光致動器，用于集成光學芯片上的器件重構。該制動器由有機分子晶體組成，尺寸僅為微米量級，可以通過低功率激光遠場照射的方式進行供能驅動和軌跡調控，從而在光芯片上實現直行、轉彎、跨越波導運動，進一步實現對片上微結構的組裝和操控。基于此，研究團隊首次在光子芯片上實現了對微環諧振腔共振頻率的動態、半永久性的精密調控。該研究成果以“Optically-driven organic nano-step actuator for reconfigurable photonic circuits”為題，9月2日在國際知名學術期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上發表。

在實驗中，他們采用了Liquid Instruments開發的基于FPGA的可重構測試與測量平臺Moku:Lab，集成多種靈活的信號處理、分析與控制等儀器功能于一臺設備。借助其中的PID控制器，他們成功實現了對激光功率的長時間穩定控制，從而驗證了測量結果的可重復性。

背景

可重寫的光子集成電路被認為是未來自適應光學計算、量子信息處理以及智能傳感系統的核心組件。然而，其微納結構的后期組裝與動態重構能力一直是該領域面臨的重大挑戰。傳統器件控制方式往往依賴持續供能，而現有的微操控手段，如光鑷需要在液體環境中操作，近場探針則存在損傷器件的風險。這些方法均難以滿足芯片上非液體環境、非破壞性及低功耗操控的需求。

研究方案

近年來，光驅動有機材料的發展為將局部光激勵信號轉化為機械運動的微致動器奠定了基礎。研究團隊創新性地利用靛藍類給受體分子，制備出有機微晶光機械致動器。在405 nm激光照射下，這些致動器能夠在硅、氮化硅、藍寶石、鈮酸鋰等多種光子芯片基底上實現精確運動。通過開發定制的掃描反射鏡控制系統，團隊展示了一種完全可編程的光驅動有機納米步進致動器。其單步定位精度達30 nm，并具備前進/后退、轉向等多自由度運動能力。此外，該致動器還可精確操控直徑22 um的二氧化硅微球，展現了出色且可靠的微納操控性能。

實驗裝置

致動器的可靠運行有賴于穩定的光激勵信號與高精度的運動監測。實驗系統（圖1）分為激光掃描模塊與顯微成像模塊兩部分。

在激光掃描模塊中，驅動光束經射頻源控制的聲光調制器（AOM）穩定。分支光路由光電探測器監測，基于Moku:Lab實現的PID反饋回路持續調整AOM調制功率。該硬件反饋系統將探測到的分支光功率與設定值比較，動態調節射頻功率以穩定主光路激光功率。經PID反饋整定后，主光路激光功率與設定值的相對偏差約為0.5%，滿足實驗對功率穩定性的要求。

顯微成像模塊提供高分辨率的運動表征：CCD相機與高數值孔徑物鏡采集致動器軌跡圖像，并通過自動化圖像分析高精度計算位移，實現可量化的運動評估。

圖1：裝置包含兩部分：激光掃描模塊（紅色光路）與顯微成像模塊（綠色光路）。

結果

圖2展示了通過專門設計的激光掃描軌跡實現的有機納米步進行為的可編程控制。

當激光覆蓋整個致動器寬度時，可實現直線位移（圖2a）。致動器運動方向與掃描方向相反，反向掃描即可實現反向運動。

長期穩定性（圖2b）通過每100次掃描追蹤一次位置獲取位移曲線，每輪累計2000步。圖2c所示CCD照片記錄了一次完整的往返運動。結果顯示：每1000步位移為30.2 ± 1.1 μm，對應單步約30 nm。

基于光機致動器工作原理，當激光掃描致動器表面時，被覆蓋晶格發生形變，致動器位置隨之改變。若光斑僅覆蓋單側，該側在一次掃描中的“行程”大于另一側，從而引發轉向（圖2d、2e）。

圖2：a用于直線運動的激光掃描軌跡（紫色線）；紅色箭頭為運動方向。b運動特性穩定且可重復。c與b對應的一次往返過程的CCD照片。d控制轉向的掃描軌跡。e連續轉向運動的照片。

穩定后的系統可支持長時間、高重復性運行（圖3）。在3.2×10^5步的連續驅動中，每100步記錄一次圖像以監測位移。在每1000步區間上，前進與后退方向的平均單步位移分別為29.84 ± 1.21 nm與30.01 ± 1.31 nm。隨著致動器多次運動“清潔”表面后，在隨后1.6×10^5步區間內，位移進一步穩定至30.31 ± 0.88 nm（前進）與30.37 ± 0.88 nm（后退）。這些結果表明致動器在長時操作下仍具備優秀的可重復性與穩定性。

圖3：a致動器位置隨掃描步數的變化；b平均單步位移隨掃描步數的變化。

為展示跨越結構障礙的能力，研究團隊在藍寶石基底的鈮酸鋰集成光子器件上進行測試：致動器成功跨越厚度220 nm的楔形LN波導，并與微環諧振腔發生相互作用。當致動器跨過諧振腔光路時，引起了5.2 GHz的共振頻率漂移。同時，微環的品質因子保持穩定，線寬變化低于16%，且在致動器移開后完全恢復。該結果為實現非易失、可逆、低損耗、非破壞性的光子集成電路動態控制開辟了新的方向。

圖4：a在光芯片上通過控制微致動器實現調諧的示意圖。b致動器跨過微環時，微環透射譜的變化。c微環諧振頻率約5.2 GHz的調諧范圍。曲線(i)對應于(b)中步數110的譜線，(ii–vii)對應步數1492–1497的譜線。d與(c)對應的致動器跨越微環的CCD照片。

總結

該有機納米步進光致動器具有低功耗、非侵入性、兼容性強等優勢，不僅可用于集成光子器件的后期調諧與重構，還為片上集成功能材料（如增益介質、非線性晶體、相變材料等）的精確定位與組裝提供了通用技術平臺。這一成果有望推動自適應集成光子線路、有機-無機雜化光電集成系統和納米機器人等技術領域的發展。

張繼哲博士表示：“Moku已經成為精密測量實驗系統不可或缺的好幫手。其卓越的性能與簡潔易用的操作界面，在產品首次亮相時就給我們留下深刻印象。我們希望Moku保持并繼續發揚這份獨有的特色。”

中國科學院化學所張繼哲博士、徐新標特任副研究員與中國科學院化學研究所鞏彥君博士為論文共同第一作者。本研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會及中國科學技術大學“雙一流”建設經費等項目的有力支持。

參考文獻

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[2] Zhang, Y. et al. Light-driven continuous twist movements of microribbons. Small15, 1804102 (2019).

[3] Zhang, JZ. et al. Optically-driven organic nano-step actuator for reconfigurable photonic circuits. Nat Commun 16, 8213 (2025). https://www.nature.com/articles/s41467-025-63521-z