電壓放大器在芯片級腔光力傳感器諧振腔耦合實驗中的關鍵應用

　　實驗名稱：芯片級腔光力傳感器諧振腔中的可控光機械耦合實驗

　　研究方向：腔光力系統、光子晶體技術、精密測量、噪聲抑制與Q值增強。

　　實驗目的：本研究采用絕緣體上硅（Silicon‐On‐Insulator，SOI）技術刻蝕制作的芯片級腔光力加速度計作為實驗的光機械系統。通過調節光纖耦合狀態改變腔內光場模態體積，實現光機械耦合強度的可控性。驗證強互鎖狀態下機械品質因數（Q值）的提升及系統底噪的抑制效果。開發高靈敏度的腔光力加速度傳感器，目標頻段為千赫茲范圍。

　　測試設備：

　　1、光學系統：激光源（工作波長1510nm）、光纖偏振控制器（FPC）、V型光纖錐（透射率>90%）。光電探測器（PD）、電子頻譜儀（ESA）、數據采集卡（DAQ）。

　　2、真空環境：真空腔（含水平振動臺）、真空計、顯微鏡觀測系統。

　　3、核心器件：硅基二維光子晶體諧振腔（尺寸16μm×10μm，晶格常數510nm）。高壓放大器（用于驅動壓電陶瓷產生加速度信號）。

　　4、模擬軟件：COMSOL（用于電場分布模擬）。

　　5、光機械耦合測試實驗系統原理圖見圖1（a），系統實物圖見圖1（b）。

　　注：①激光源；②光纖跳線；③三環偏振控制器；④真空光纖法蘭；⑤真空腔；⑥光電探測器；⑦頻譜儀；⑧真空排針；⑨電壓源；⑩波形發生器；?高壓放大器；?射頻跳線；?數據采集器；?計算機；?顯微鏡；?點光源；?真空計。

圖1：光機械耦合測試系統

　　實驗過程：

　　1、系統搭建：

　　（1）將光子晶體諧振腔安裝在真空腔內，通過V型光纖耦合激光。

　　（2）使用顯微鏡和納米促動器精確調控光纖位置，改變光場模態體積。

　　2、耦合調控：

　　（1）調整光纖與微腔的接觸狀態，誘導Drude自脈沖等離子體鎖定。

　　（2）監測自脈沖振蕩（1510.40–1511.06nm）與光機械自持續振蕩（1511.06–1511.86nm）的共存狀態，自脈沖振蕩和光機械共振共存的過渡狀態光學特性如圖2所示。

圖2：自脈沖振蕩和光機械共振共存的過渡狀態光學特性

　　3、性能測試：

　　（1）在強互鎖模式下，施加6kHz交流加速度激勵，記錄機械譜響應。圖3顯示了強互鎖模式下的光機械傳感響應，其中，黑線（Test1）表示靜止狀態下光機械傳感器的功率譜密度，而6kHz處的藍線（Test2）和紅線（Test3）則表示在施加不同幅值的6kHz交流加速度后的機械譜。

圖3：6kHz加速度激勵下強互鎖模式的光機械傳感響應

　　（2）通過頻譜分析計算靈敏度，并對比弱/強互鎖狀態的Q值與底噪差異，對其進行線性擬合后，可得出6kHz處加速度計的靈敏度為126.58mV/g如圖4所示。

圖4：6kHz加速度下強互鎖態加速度計傳感器的靈敏度

　　實驗結果：1、Q值提升：強互鎖狀態下機械Q值較弱互鎖狀態提升約10倍。2、噪聲抑制：系統底噪降低26dB。3、靈敏度：加速度傳感器在6kHz下達到126.58mV/g的靈敏度。4、光機械鎖定：功實現低頻（72.2kHz）光機械共振與自脈沖的互鎖。

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圖：ATA-2042高壓放大器指標參數

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