现代生物学和医学研究已经深入到了单细胞水平,在对细胞器和单分子的研究上尤其重视,如蛋白质表达、单个DNA的消化成像。对于分子水平样品的处理,传统技术如微流控技术已经无法胜任,此时就需要更为先进的纳流控技术。其中,传统光镊技术由于其非侵入性、封装小及并行处理能力等优势成为纳流控技术中的首选驱动力。但由于衍射极限、作用距离局限以及会产生高热量,传统光镊无法对尺寸在亚微米以下的对象进行有效操控。基于近场光学力的操控技术,通过倏逝场或局域增强场的剧烈梯度变化,获得了处理更小粒子的能力,并且能够一次处理大量粒子。通过设计特定的硅基波导结构,可以在纳流控芯片中实现对纳米颗粒的各种操控功能,包括捕获、传送、分拣等。本文提出了多种新颖的波导结构以实现对纳米颗粒的操控,分别是波长控制的粒子交换单元、相位控制的粒子交换单元、驻波操控的粒子传送单元、基于驻波的粒子流量控制单元,同时从理论、仿真和数值求解等多个角度分析这些结构的性能。此外,在结构实现方面,我们也进行了深入研究,并通过苏州纳米加工平台对波导的制备工艺进行了摸索和实践。本论文主要分为四个部分:1.提出了基于波分复用(WDM)的粒子交换单元。波导倏逝场与纳米颗粒相互作用时,会对粒子产生梯度力与散射力,从而捕获并推动粒子前进。粒子的运动轨迹依赖于光的传输路径,而光的传输路径又受波长控制。由于波长控制操作方便,并且在硅基纳流芯片设计中被广泛采用,所以我们提出采用WDM结构操控粒子运动路径的切换。通过光学软件的仿真,我们得到了粒子在波导表面的受力分布以及对应的光学势阱,从而展示了粒子在波导上的运动轨迹。我们提出的WDM粒子交换单元结构紧凑,能够快速高效地实现粒子的交换。具体地,1×2和1×4WDM结构单元的长度分别为～6μm和～20μm,粒子通过波导结构只需要几秒钟。该结构能够进行级联实现多项操控任务,在高通量和集成化的纳流控系统中具有巨大的应用潜力。2.提出了基于马赫曾德干涉仪(MZI)的粒子交换单元。尽管基于WDM的粒子交换单元可以通过级联实现多任务操控,但是在更大规模的集成方面还存在一定的局限,因为对于每一个控制波长都需要对结构进行定制。考虑这一点,我们提出基于相位控制的粒子交换单元,并通过引入环形波导的方式极大地缩短的MZI干涉臂的长度。通过电光调制的方式,环形波导的折射率只需要变化8.00× 10-4,就能够实现光的传输路径的切换,并且消光比能达到～22 dB。在40 mW的输入功率下,MZI能够稳定地捕获并传送直径小至60 nm的聚苯乙烯(PS)颗粒。同时,粒子大量加载到MZI上时,对于干涉臂中光造成的损耗和相位扰动很小,基本不影响粒子的路径交换。该结构具有的单波长激励、电光调制方式和紧凑的结构等特性,提高了其路径切换效率、集成性能和动态配置能力,开辟了电-光-流混合集成平台在纳流控芯片领域的应用。3.提出了一个流畅高速的驻波粒子传送带,可以对纳米粒子进行纳米量级精度的位移操控。通过对与Sagnac环耦合的环形波导进行热光调制,驻波可以捕获并携带纳米粒子进行流畅并可控的移动,这一点是传统光子器件无法实现的。环的引入提高了反射光和入射光之间相位差对折射率变化的敏感性,将波导结构的长度缩短上百倍,并且获得了很高的热响应速度。通过数值求解粒子运动方程可知,波导附近的纳米颗粒在几十微秒内即可被驻波捕获到波腹中,并能够以纳米量级的位置分辨率随着驻波移动。此外,粒子对于高速运动的驻波传送带的延迟响应可以用来实现对不同大小粒子的分拣。这样一个结构紧凑并且光学热点可控的传送带,对于高度集成的光流控系统中的精密操控具有巨大的应用潜力。4.提出了将驻波场引入MZI结构,并从撤除驻波场和移动驻波这两种恢复粒子运动的角度,设计驻波粒子暂停结构和定量释放结构。粒子暂停结构将MZI结构与Sagnac环组合起来,通过MZI切换光在结构中的传输路径,控制结构中驻波的建立和撤除,从而捕获和释放纳米粒子。为了衡量驻波捕获纳米粒子的稳定性,我们定义了驻波对粒子的平均捕获时间,并依此选择暂停和释放两种状态需要的反射光量。对于粒子定量释放结构,我们将MZI与驻波粒子传送带组合起来,通过环形波导的热光调制实现驻波的移动。由于耦合区模场分布不规则,粒子的运动状态不能够定性了解,我们采用光学仿真与数值求解运动方程相结合的方式,直观地展示了粒子在驻波移动时的运动分布。对于一个高度集成的光流控系统,我们的结构不仅可以作为样品暂停单元,还可以在源端作为样品的定量释放单元,具有广阔的应用前景。此外,在苏州纳米加工平台支持下,我们尝试了对1×2WDM粒子交换单元和驻波粒子传送带两种波导结构的制备。波导结构的图形基本完整,但是波导宽度比预先设计的明显缩小,这主要是由于电子束光刻的临近效应和深硅刻蚀带来的侧壁展宽。另外,在波导附近的刻蚀区域有很多凸起结构,这可能是由于光刻胶不够纯净,刻蚀工艺无法刻蚀干净。总而言之,波导结构的制备还需要更为深入的探索和总结。