實驗名稱：芯片級腔光力(li)傳感器(qi)諧振腔中(zhong)的可控光機械耦合(he)實驗

　　研究方向：腔光(guang)力系統、光(guang)子晶(jing)體技術、精密測量(liang)、噪聲抑制(zhi)與Q值增強。

　　實驗目的：本研究采用絕(jue)緣體上硅（Silicon‐On‐Insulator，SOI）技術(shu)刻蝕制作的(de)(de)芯(xin)片級腔(qiang)光(guang)力加速度計作為實(shi)驗的(de)(de)光(guang)機械系統。通(tong)過調(diao)節(jie)光(guang)纖耦合狀態(tai)改變腔(qiang)內光(guang)場模態(tai)體積(ji)，實(shi)現光(guang)機械耦合強度的(de)(de)可(ke)控性。驗證(zheng)強互鎖狀態(tai)下機械品(pin)質因(yin)數(shu)（Q值(zhi)）的(de)(de)提(ti)升及系統底噪的(de)(de)抑制效果(guo)。開發高(gao)靈(ling)敏度的(de)(de)腔(qiang)光(guang)力加速度傳感器，目標頻段為千赫茲范圍(wei)。

　　測試設備：

　　1、光(guang)學系統：激光(guang)源（工作(zuo)波長1510nm）、光(guang)纖(xian)偏振(zhen)控制器（FPC）、V型光(guang)纖(xian)錐（透射率>90%）。光(guang)電探測器（PD）、電子頻譜儀（ESA）、數據(ju)采集卡(ka)（DAQ）。

　　2、真空(kong)環境：真空(kong)腔（含水平振動臺）、真空(kong)計、顯微(wei)鏡(jing)觀測系統。

　　3、核心器(qi)件：硅基二維(wei)光子晶體諧振腔（尺寸16μm×10μm，晶格常數510nm）。高壓放大器(qi)（用(yong)于驅(qu)動壓電陶瓷產(chan)生加速度信號(hao)）。

　　4、模(mo)擬軟件(jian)：COMSOL（用于電場(chang)分布模(mo)擬）。

　　5、光機(ji)械耦合測試實(shi)驗系(xi)統原理圖見(jian)圖1（a），系(xi)統實(shi)物圖見(jian)圖1（b）。

　　注：①激(ji)光(guang)源；②光(guang)纖跳(tiao)線；③三環偏(pian)振控制器(qi)(qi)；④真空(kong)(kong)光(guang)纖法蘭；⑤真空(kong)(kong)腔(qiang)；⑥光(guang)電探測(ce)器(qi)(qi)；⑦頻(pin)譜儀；⑧真空(kong)(kong)排針；⑨電壓源；⑩波形發生器(qi)(qi)；?高壓放大(da)器(qi)(qi)；?射頻(pin)跳(tiao)線；?數據采集器(qi)(qi)；?計算機；?顯微鏡(jing)；?點光(guang)源；?真空(kong)(kong)計。

　　圖(tu)1：光機械耦合測試系統

　　實驗過程：

　　1、系統搭建：

　　（1）將光子(zi)晶體諧振腔(qiang)安裝在真空腔(qiang)內，通(tong)過V型(xing)光纖耦(ou)合激(ji)光。

　　（2）使用(yong)顯微鏡和納米(mi)促動器精確調(diao)控光(guang)纖(xian)位置，改變光(guang)場模態體積。

　　2、耦合調控：

　　（1）調整光纖(xian)與微腔的(de)接(jie)觸狀(zhuang)態(tai)，誘導Drude自脈沖(chong)等(deng)離子體鎖(suo)定。

　　（2）監測自(zi)脈(mo)沖振蕩（1510.40–1511.06nm）與光機械自(zi)持續振蕩（1511.06–1511.86nm）的(de)(de)共(gong)存(cun)狀態，自(zi)脈(mo)沖振蕩和光機械共(gong)振共(gong)存(cun)的(de)(de)過渡狀態光學特性如圖2所示。

　　圖2：自脈沖振(zhen)(zhen)蕩和光機械共振(zhen)(zhen)共存的過渡狀態光學特性

　　3、性能測試：

　　（1）在(zai)強(qiang)互(hu)鎖(suo)模式下，施加(jia)(jia)(jia)6kHz交流加(jia)(jia)(jia)速度(du)激勵，記錄機(ji)(ji)械譜響應。圖3顯示(shi)(shi)了強(qiang)互(hu)鎖(suo)模式下的(de)光(guang)機(ji)(ji)械傳感響應，其中，黑(hei)線(xian)（Test1）表示(shi)(shi)靜(jing)止狀態(tai)下光(guang)機(ji)(ji)械傳感器的(de)功率譜密度(du)，而(er)6kHz處的(de)藍線(xian)（Test2）和紅線(xian)（Test3）則(ze)表示(shi)(shi)在(zai)施加(jia)(jia)(jia)不同幅(fu)值的(de)6kHz交流加(jia)(jia)(jia)速度(du)后的(de)機(ji)(ji)械譜。

　　圖3：6kHz加速度激勵(li)下(xia)強互鎖(suo)模式的光機械(xie)傳感響應

　　（2）通(tong)過頻譜(pu)分(fen)析計(ji)(ji)算靈(ling)敏(min)度，并對比弱/強互(hu)鎖(suo)狀態(tai)的Q值與底噪(zao)差(cha)異，對其進行線性(xing)擬合后(hou)，可得出6kHz處加速度計(ji)(ji)的靈(ling)敏(min)度為(wei)126.58mV/g如(ru)圖4所示。

　　圖(tu)4：6kHz加速度下強(qiang)互鎖態加速度計傳感器的靈敏度

　　實驗結果：1、Q值提(ti)升：強互(hu)鎖(suo)狀態下機械Q值較弱(ruo)互(hu)鎖(suo)狀態提(ti)升約10倍。2、噪(zao)聲抑(yi)制：系統底噪(zao)降低26dB。3、靈敏度(du)：加速度(du)傳感器(qi)在6kHz下達到126.58mV/g的靈敏度(du)。4、光機械鎖(suo)定：功實(shi)現(xian)低頻（72.2kHz）光機械共振與自(zi)脈(mo)沖的互(hu)鎖(suo)。

　　功率放大器推薦：ATA-2042

　　圖：ATA-2042高壓放大器指標參數

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