電壓放大器在芯片級(jí)腔光力傳感器諧振腔耦合實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵應(yīng)用

　　實(shí)驗(yàn)名稱：芯片級(jí)腔光力傳感器諧振腔中的可控光機(jī)械耦合實(shí)驗(yàn)

　　研究方向：腔光力系統(tǒng)、光子晶體技術(shù)、精密測(cè)量、噪聲抑制與Q值增強(qiáng)。

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>本研究采用絕緣體上硅（Silicon‐On‐Insulator，SOI）技術(shù)刻蝕制作的芯片級(jí)腔光力加速度計(jì)作為實(shí)驗(yàn)的光機(jī)械系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)節(jié)光纖耦合狀態(tài)改變腔內(nèi)光場(chǎng)模態(tài)體積，實(shí)現(xiàn)光機(jī)械耦合強(qiáng)度的可控性。驗(yàn)證強(qiáng)互鎖狀態(tài)下機(jī)械品質(zhì)因數(shù)（Q值）的提升及系統(tǒng)底噪的抑制效果。開發(fā)高靈敏度的腔光力加速度傳感器，目標(biāo)頻段為千赫茲范圍。

　　測(cè)試設(shè)備：

　　1、光學(xué)系統(tǒng)：激光源（工作波長(zhǎng)1510nm）、光纖偏振控制器（FPC）、V型光纖錐（透射率>90%）。光電探測(cè)器（PD）、電子頻譜儀（ESA）、數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）。

　　2、真空環(huán)境：真空腔（含水平振動(dòng)臺(tái)）、真空計(jì)、顯微鏡觀測(cè)系統(tǒng)。

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

　　4、模擬軟件：COMSOL（用于電場(chǎng)分布模擬）。

　　5、光機(jī)械耦合測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖見圖1（a），系統(tǒng)實(shí)物圖見圖1（b）。

　　注：①激光源；②光纖跳線；③三環(huán)偏振控制器；④真空光纖法蘭；⑤真空腔；⑥光電探測(cè)器；⑦頻譜儀；⑧真空排針；⑨電壓源；⑩波形發(fā)生器；?高壓放大器；?射頻跳線；?數(shù)據(jù)采集器；?計(jì)算機(jī)；?顯微鏡；?點(diǎn)光源；?真空計(jì)。

圖1：光機(jī)械耦合測(cè)試系統(tǒng)

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

　　1、系統(tǒng)搭建：

　　（1）將光子晶體諧振腔安裝在真空腔內(nèi)，通過(guò)V型光纖耦合激光。

　　（2）使用顯微鏡和納米促動(dòng)器精確調(diào)控光纖位置，改變光場(chǎng)模態(tài)體積。

　　2、耦合調(diào)控：

　　（1）調(diào)整光纖與微腔的接觸狀態(tài)，誘導(dǎo)Drude自脈沖等離子體鎖定。

　　（2）監(jiān)測(cè)自脈沖振蕩（1510.40–1511.06nm）與光機(jī)械自持續(xù)振蕩（1511.06–1511.86nm）的共存狀態(tài)，自脈沖振蕩和光機(jī)械共振共存的過(guò)渡狀態(tài)光學(xué)特性如圖2所示。

圖2：自脈沖振蕩和光機(jī)械共振共存的過(guò)渡狀態(tài)光學(xué)特性

　　3、性能測(cè)試：

　　（1）在強(qiáng)互鎖模式下，施加6kHz交流加速度激勵(lì)，記錄機(jī)械譜響應(yīng)。圖3顯示了強(qiáng)互鎖模式下的光機(jī)械傳感響應(yīng)，其中，黑線（Test1）表示靜止?fàn)顟B(tài)下光機(jī)械傳感器的功率譜密度，而6kHz處的藍(lán)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(jī)械譜。

圖3：6kHz加速度激勵(lì)下強(qiáng)互鎖模式的光機(jī)械傳感響應(yīng)

　　（2）通過(guò)頻譜分析計(jì)算靈敏度，并對(duì)比弱/強(qiáng)互鎖狀態(tài)的Q值與底噪差異，對(duì)其進(jìn)行線性擬合后，可得出6kHz處加速度計(jì)的靈敏度為126.58mV/g如圖4所示。

圖4：6kHz加速度下強(qiáng)互鎖態(tài)加速度計(jì)傳感器的靈敏度

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1、Q值提升：強(qiáng)互鎖狀態(tài)下機(jī)械Q值較弱互鎖狀態(tài)提升約10倍。2、噪聲抑制：系統(tǒng)底噪降低26dB。3、靈敏度：加速度傳感器在6kHz下達(dá)到126.58mV/g的靈敏度。4、光機(jī)械鎖定：功實(shí)現(xiàn)低頻（72.2kHz）光機(jī)械共振與自脈沖的互鎖。

　　功率放大器推薦：ATA-2042

圖：ATA-2042高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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