用于传感和混频的扭转光学机械谐振腔的示意图（动画）。由黄建国供图

纳米传感器虽然很小，但市场需求量很大，而且在不断增长，几乎没有下降的迹象。随着电子设备越做越小，其提供精确的、基于芯片动态物理特性传感（如运动）的能力变得极其具有挑战性。

一个国际研究团队对这个挑战做了一个字面上的转折，展示了一种新型的纳米尺度的光学机械谐振腔，可以在近乎最先进灵敏度下检测扭转运动。他们将光耦合进谐振腔，展示了扭转混频，这是一种利用机械运动来影响光学能量的新能力。他们本周在《Applied Physics Letters》期刊上刊登了此项研究。

“随着纳米技术的发展，在纳米尺度上测量和控制扭转运动的能力可以为探索自然界提供强大的工具，”该研究的作者之一，来自中国西安交通大学黄建国说。黄建国还隶属于新加坡的南洋理工大学和A * STAR微电子研究所。 “我们提出了一种新颖的‘光束入射腔’设计，其中将扭转机械谐振腔嵌入到跑道型光学谐振腔中，以展示纳米级扭转运动感应。

光已经以某种相似的方式被用于检测纳米材料的机械弯曲或“呼吸”，通常需要复杂和灵敏地耦合进光源。这种新方法在其纳米级扭矩的检测中和其集成的光耦合设计中都是新颖的。

使用硅基纳米制造方法，黄建国和他的团队设计了一种器件，该器件允许光通过蚀刻光栅直接耦合到纳米谐振腔所在的波导结构，该波导结构称为跑道型谐振腔。

“当光通过光栅耦合器耦合到跑道型谐振腔中时，腔内的机械扭转运动可以改变光的传播，并改变输出光功率。”黄建国说，“通过检测输出光的微小变化，可以测量扭转运动。”

除了检测其微米级扭臂上的扭矩之外，谐振腔也可以影响所得到的入射信号的光学特性。机械系统的扭转频率与调制光信号混合。

“最令人惊奇的是，当我们调制输入光时，我们可以观察到混频，”黄建国说。“混频是非常令人激动的，因为之前仅能通过弯曲或‘呼吸’模式证明。这是第一次展示扭转混频，这可能会影响芯片上的射频信号调制，如超外差接收器使用光学机械谐振腔。”

这只是基于扭矩的纳米传感器潜在用途的开始。理论上，这些装置可以在信号处理和传感器中发挥许多应用价值。

“我们将继续探索这种扭转光学机械传感器的独特性能，并尝试展示新现象，如隐藏在传感器后光学机械耦合色散和损耗的推理。”黄建国说，“对于工程上来说，磁性或电感材料可以涂在扭转梁的表面上，以感应磁场或电场等物理场的微小变化，作为一种多功能传感器。”

来源：https://m.phys.org/news/2017-09-kind-optical-nanosensor-torque.html

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