[发明专利]含非线性机械振子的光机械微腔结构、测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种含非线性机械振子的光机械微腔结构、测量系统及方法，属于微纳光电子微腔传感领域。在两根一维光子晶体微纳梁构成的光机械微腔中，将可移动的微纳梁设计在一个含有非线性机械振子中，此外使用微盘微腔来监测微型探针的移动来实现非线性机械振子的位移的测量，以实现全光片上集成的腔光力驱动的非线性光‑机械耦合特性的实验研究；同时，还设计了一种基于两路微纳光纤‑光学微腔耦合方法用于同时实现光‑机械耦合泵浦和位移探测，该全光探测系统可以有效地观测光机械微腔系统中的非线性现象。首次提出将一个含有非线性机械振子引入光机械微腔的设计，同时通过实验测量实现对光‑机械耦合作用下的非线性现象的观测。

技术领域

本发明涉及微纳光电子微腔传感技术领域，具体是一种含非线性机械振子的光机械微腔结构、测量系统及方法。

背景技术

光机械微腔是一种基于光学微腔能量和机械微腔能量相互耦合的光子-声子相互作用进行设计的微纳系统，用以研究光机械微腔中丰富的光学/机械谐振特性和光-机械耦合特性。光学微腔结构可以在微纳尺寸的结构内束缚光场能量以实现高光学谐振Q值，所聚集的光场能量施加在半导体硅材料上时产生的光学梯度力可以使微腔结构自身发生位移。

当这种微腔结构应用在一个悬臂梁支撑的机械振子上，即光学微腔本身也作为一个机械振子，由微纳尺寸的机械振子组成的光机械微腔结构可以在泵浦激光能量的激励下产生机械谐振甚至受激振荡。通常，片上的微腔结构主要包括Fabry-Perot（FP）腔，回音壁式（WGM）微腔以及光子晶体（PhC）微腔。对比于其他两种微腔，光子晶体微腔以极小的模式体积和高光学Q值等优点，使其更适合设计在光机械系统中。此外，得益于其超低质量和易集成的悬臂支撑结构，一维光子晶体微纳梁微腔可以设计成多种片上集成的光机械微腔系统，并广泛应用在光通讯以及传感等领域。将一维光子晶体的微腔应用在光机械系统中时，外界的物理量（如位移、应力与加速度等）施加在悬臂梁支撑的机械振子使得其发生介质边界移动或者腔体形变，从而导致该系统内光机械耦合强度产生变化，因此从光机械微腔的光学谐振特性和机械谐振特性来表征外界物理参数变化。

光机械微腔中的光学微腔和机械微腔的光-机械相互作用效应可以使用Langevin耦合方程进行数值求解和理论分析。一般地，为了简化光-机械耦合方程的求解，大部分的光机械系统会线性化处理机械振子发生的位移。然而事实上，非线性现象本身就存在于光机械系统中，且在强光-机械耦合作用中激发腔光力时，机械振子产生的高阶项位移是不可以等效忽略的，相反地，非线性特性在光机械微腔系统会产生明显的且丰富的光-机械相互作用现象。目前，非线性光机械微腔的理论研究主要集中在微弱光-机械耦合作用下，考虑机械腔在腔光力驱动下的高阶项位移（机械振子的平方、三次方项等）而产生的非线性现象，例如光机械诱导透明，光机械混沌等现象。但是在较弱的光机械耦合作用下，这类光机械微腔中的高阶项位移导致的非线性现象很难被实验论证，因此另外一种基于非线性机械振子的光机械微腔可以从理论和实验上来论证光机械系统中的非线性现象。理论上，将光机械微腔结构中的机械振子结构设计成非线性的，当该非线性机械振子与光学微腔发生光-机械耦合作用时，腔光力会驱动该机械振子运动以产生丰富的非线性现象。这些理论模型对基于非线性机械振子的光机械微腔进行了数值求解与分析，理论分析了该非线性机械振子在较强腔光力驱动后发生较大位移量时会引起光机械微腔的非线性现象（如光机械诱导透明，参数光-机械振动，不同机械振子频率合成等现象），但是目前尚未从实验系统中进行论证。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种含非线性机械振子的光机械微腔结构、测量系统及方法，在两根一维光子晶体微纳梁构成的光机械微腔中，将可移动的微纳梁设计在一个含有非线性机械振子中，此外使用微盘微腔来监测微型探针的移动来实现非线性机械振子的位移的测量，以实现全光片上集成的腔光力驱动的非线性光-机械耦合特性的实验研究；同时，还设计了一种基于两路微纳光纤-光学微腔耦合方法用于同时实现光-机械耦合泵浦和位移探测，该全光探测系统可以有效地观测光机械微腔系统中的非线性现象。