电压放大器在芯片级腔光力传感器谐振腔耦合实验中的关键应用

实验名称：芯片级腔光力传感器谐振腔中的可控光机械耦合实验

研究方向：腔光力系统、光子晶体技术、精密测量、噪声抑制与Q值增强。

实验目的：本研究采用绝缘体上硅（Silicon‐On‐Insulator，SOI）技术刻蚀制作的芯片级腔光力加速度计作为实验的光机械系统。通过调节光纤耦合状态改变腔内光场模态体积，实现光机械耦合强度的可控性。验证强互锁状态下机械品质因数（Q值）的提升及系统底噪的抑制效果。开发高灵敏度的腔光力加速度传感器，目标频段为千赫兹范围。

测试设备：

1、光学系统：激光源（工作波长1510nm）、光纤偏振控制器（FPC）、V型光纤锥（透射率>90%）。光电探测器（PD）、电子频谱仪（ESA）、数据采集卡（DAQ）。

2、真空环境：真空腔（含水平振动台）、真空计、显微镜观测系统。

3、核心器件：硅基二维光子晶体谐振腔（尺寸16μm×10μm，晶格常数510nm）。高压放大器（用于驱动压电陶瓷产生加速度信号）。

4、模拟软件：COMSOL（用于电场分布模拟）。

5、光机械耦合测试实验系统原理图见图1（a），系统实物图见图1（b）。

注：①激光源；②光纤跳线；③三环偏振控制器；④真空光纤法兰；⑤真空腔；⑥光电探测器；⑦频谱仪；⑧真空排针；⑨电压源；⑩波形发生器；?高压放大器；?射频跳线；?数据采集器；?计算机；?显微镜；?点光源；?真空计。

图1：光机械耦合测试系统

实验过程：

1、系统搭建：

（1）将光子晶体谐振腔安装在真空腔内，通过V型光纤耦合激光。

（2）使用显微镜和纳米促动器精确调控光纤位置，改变光场模态体积。

2、耦合调控：

（1）调整光纤与微腔的接触状态，诱导Drude自脉冲等离子体锁定。

（2）监测自脉冲振荡（1510.40–1511.06nm）与光机械自持续振荡（1511.06–1511.86nm）的共存状态，自脉冲振荡和光机械共振共存的过渡状态光学特性如图2所示。

图2：自脉冲振荡和光机械共振共存的过渡状态光学特性

3、性能测试：

（1）在强互锁模式下，施加6kHz交流加速度激励，记录机械谱响应。图3显示了强互锁模式下的光机械传感响应，其中，黑线（Test1）表示静止状态下光机械传感器的功率谱密度，而6kHz处的蓝线（Test2）和红线（Test3）则表示在施加不同幅值的6kHz交流加速度后的机械谱。

图3：6kHz加速度激励下强互锁模式的光机械传感响应

（2）通过频谱分析计算灵敏度，并对比弱/强互锁状态的Q值与底噪差异，对其进行线性拟合后，可得出6kHz处加速度计的灵敏度为126.58mV/g如图4所示。

图4：6kHz加速度下强互锁态加速度计传感器的灵敏度

实验结果：1、Q值提升：强互锁状态下机械Q值较弱互锁状态提升约10倍。2、噪声抑制：系统底噪降低26dB。3、灵敏度：加速度传感器在6kHz下达到126.58mV/g的灵敏度。4、光机械锁定：功实现低频（72.2kHz）光机械共振与自脉冲的互锁。

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审核编辑 黄宇