含非线性机械振子的光机械微腔结构、测量系统及方法

摘要

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。

说明书

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。

为实现上述目的，本发明提供一种含非线性机械振子的光机械微腔结构，包括硅基座以及位于同一平面的第一微纳梁、第二微纳梁、线性机械振子、非线性机械振子与测量微盘；

所述第一微纳梁的两端、所述线性机械振子的两端均与所述硅基座相连，所述第二微纳梁固定连接在所述线性机械振子的一侧，且所述第二微纳梁与所述第一微纳梁之间具有空气间隙，所述第二微纳梁与所述线性机械振子之间具有第二空气槽；

所述非线性机械振子包括至少两个串联在线性机械振子另一侧的曲线臂，所述曲线臂的中部设有质量块，所述质量块上设有微纳探针，所述测量微盘设在与所述微纳探针相邻的位置，且所述测量微盘与所述微纳探针之间具有第一空气槽；

所述曲线臂的曲线线型为：

式中，

所述第一微纳梁、所述第二微纳梁、所述线性机械振子、所述非线性机械振子的底部均悬空。

在其中一个实施例中，所述第一微纳梁与所述第二微纳梁的光学结构和几何尺寸相同；

所述第一微纳梁上沿长度方向间隔设有若干空气通孔，所述第一微纳梁的缺陷区上的空气通孔的孔径沿中间至两端的方向逐渐减小；

所述第一微纳梁的反射区上的空气通孔的孔径相等，且与所述第一微纳梁的缺陷区上的空气通孔的最小孔径相等。

在其中一个实施例中，所述第一微纳梁上缺陷区的空气通孔的半径是从中心孔r

所述第一微纳梁上两个反射区的空气通孔半径均为105.3nm，所述第一微纳梁上任意相邻的两空气通孔之间的距离都是等于晶格常数364.8nm；

所述第二微纳梁与所述第一微纳梁之间空气间隙的初始宽度是125nm。

为实现上述目的，本发明还提供一种上述含非线性机械振子的光机械微腔结构的测试系统，包括：

第一信号输出组件，用于输出第一信号光；

第一微纳拉锥光纤，与所述第一信号输出组件相连，并与光机械微腔结构中的第一微纳梁接触相连，用于将所述第一信号光耦合进光机械微腔结构，以作为泵浦信号光；

第二信号输出组件，用于输出第二信号光；

第二微纳拉锥光纤，与所述第二信号输出组件相连，并与光机械微腔结构中的测量微盘接触相连，用于将所述第二信号光耦合进光机械微腔结构，以作为探测信号光；

光电探测器，与所述第一微纳拉锥光纤、所述第二微纳拉锥光纤相连，用于进行光电转换，以将泵浦信号光转换为第一电压信号、将探测信号光转换为第二电压信号；

显示单元，用于显示测试结果；

高速数据采集卡，与所述光电探测器、所述第一信号输出组件、所述第二信号输出组件、显示单元相连，以用于将第一电压信号与所述第一信号输出组件、所述第二信号输出组件信号同步后由显示单元来显示光机械微腔结构的光学谐振模式；

实时信号分析仪，与所述光电探测器、显示单元相连，以用于根据第二电压信号得到光机械微腔结构的机械振子的机械谐振特性，并通过显示单元进行显示。

在其中一个实施例中，还包括真空器件探测单元，所述真空器件探测单元包括真空箱以及设在真空箱内的第一微纳位移平台、第二微纳位移平台与第三微纳位移平台；

所述第一微纳拉锥光纤通过第一光纤固定夹具固定在所述第一微纳位移平台上，所述第二微纳拉锥光纤通过第二光纤固定夹具固定在所述第二微纳位移平台上，所述光机械微腔结构通过待测芯片固定平台固定在所述第三微纳位移平台上。

在其中一个实施例中，所述第一微纳拉锥光纤、所述第二微纳拉锥光纤均为由标准的单模光纤热熔拉锥至中心芯径低于1.5μm的U型带有微凹的微纳拉锥光纤。

在其中一个实施例中，所述第一信号输出组件包括通过光纤依次相连的第一可调谐窄线宽激光器、第一光纤偏振控制器、第一单模光纤衰减器；

所述第二信号输出组件包括通过光纤依次相连的第二可调谐窄线宽激光器、第二光纤偏振控制器、第二单模光纤衰减器；

所述第一可调谐窄线宽激光器、所述第二可调谐窄线宽激光器均工作于C波段，输出的光波长为1500.00~1620.00nm，第一可调谐窄线宽激光器光源输出功率为150μW以保证产生足够强的腔光力来驱动机械振子，第二可调谐窄线宽激光器光源输出功率为30μW，以避免热光效应导致的非线性效应。

为实现上述目的，本发明还提供一种上述测试系统的测试方法，包括如下步骤：

步骤1，组装并打开测试系统的各个部件，在空气环境下，完成第一微纳拉锥光纤与第一微纳梁之间、第二微纳拉锥光纤与测量微盘之间的物理耦合操作；之后对真空箱抽气，直至真空箱内压强达到

步骤2，利用第一可调谐窄线宽激光器在1500nm-1620nm波长范围内对光机械微腔结构扫谱以获得其光学谐振腔模式；

步骤3，将第一可调谐窄线宽激光器设置在光学谐振峰的半波位置处以对光机械微腔中的机械谐振模式进行测试；

步骤4，利用第二可调谐窄线宽激光器在1500nm-1620nm波长范围内对测量微盘扫谱以获得其光学谐振峰的波长移动来监测设在非线性机械振子上的微纳探针的位移；

步骤5，对驱动非线性机械振子运动的腔光力进行强度调制，以测得非线性机械振子的非线性特性。

在其中一个实施例中，步骤1中，所述完成第一微纳拉锥光纤与第一微纳梁之间、第二微纳拉锥光纤与测量微盘之间的物理耦合操作，具体为：

将第一微纳拉锥光纤、第二微纳拉锥光纤分别通过UV胶固定在第二光纤固定夹具、第三光纤固定夹具上；

将一根0.5cm直径的圆柱形2B笔芯打磨成宽度为8μm的楔形针状头部，并在机械式位移台的辅助下，将该楔形针状头部按压并压紧第一微纳拉锥光纤、第二微纳拉锥光纤的中间位置，使用一个微小酒精灯火焰灼烧按压点1-2秒钟后撤离，最后将第一微纳拉锥光纤、第二微纳拉锥光纤与楔形针状头部分离；

在高倍光学显微镜与高分辨率CCD相机的辅助下，完成第一微纳拉锥光纤与第一微纳梁之间、第二微纳拉锥光纤与测量微盘之间的物理耦合操作。

在其中一个实施例中，步骤5具体为：

通过第一可调谐窄线宽激光器的外置电压驱动端口，利用信号发生器输入一个电平幅值为5Vpp，频率设置在10.22MHz附近扫描的方波激励信号；

方波激励信号经强度调制后会使得施加在非线性机械振子上的腔光力也被该方波激励信号调制；

利用第二可调谐窄线宽激光器输出的探测信号光对测量微盘的谐振峰波长进行检测。

相较于现有技术，本发明提供的一种含非线性机械振子的光机械微腔结构、测量系统及方法具有如下有益技术效果：

1.首次在片上集成的光机械微腔系统中设计了一种非线性机械振子，从实验角度实现全光泵浦-探测方式来观测光-机械耦合过程中的非线性现象；

2.采用两路微纳光纤-光学谐振腔耦合的方法，一路作为泵浦光来激发光机械系统中的腔光力，另外一路作为探测信号光来测量非线性机械振子的位移，这样的两路微纳光纤耦合方式实现了一个完全全光的探测系统，优于传统片上集成的光-机-电微腔系统中的电学测量方式；

3.本发明提出的光机械微腔结构具有优化的光学和机械结构、更好的实验可实现性，所设计的光机械微腔结构参数易于半导体加工制作，具有良好的适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中含非线性机械振子的光机械微腔结构的示意图；

图2为本发明实施例中第一空气槽的放大示意图；

图3为本发明实施例中光机械微腔的结构示意图；

图4为本发明实施例中曲线臂的尺寸示意图；

图5为本发明实施例中测试系统的模块示意图；

图6为本发明实施例中测试系统中含非线性机械振子的光机械微腔结构与第一微纳拉锥光纤、第二微纳拉锥光纤的连接关系示意图；

图7为本发明实施例中真空器件探测单元的结构示意图；

图8为本发明实施例中测试方法的流程示意图；

图9为本发明实施例中U型带有微凹的微纳拉锥光纤的制备方法示意图；

图10为本发明实施例中耦合型一维光子晶体微纳梁微腔的光学谐振模式测试光谱示意图；

图11为本发明实施例中蓝失谐位置处测量的光机械微腔中的机械振子的机械光谱示意图；

图12为本发明实施例中用于非线性机械振子位移测量的微盘微腔的静态光谱示意图；

图13为本发明实施例中不同泵浦信号光下测量的第二级非线性机械振子的位移示意图；

图14为本发明实施例中强光-机械耦合作用下的机械振子的谐振分频现象示意图。

附图标号：硅基座1、第一微纳梁10、空气通孔101、缺陷区102、反射区103、第二微纳梁11、线性机械振子12、第一连接梁121、第二连接梁122、第二空气槽123、第三连接梁124、镂空槽125、非线性机械振子13、微纳探针131、第一空气槽132、曲线臂133、质量块134、测量微盘14、扇形槽141、平面空腔15、空气间隙16；

第一可调谐窄线宽激光器211、第一光纤偏振控制器212、第一单模光纤衰减器213、第一微纳拉锥光纤22、第二可调谐窄线宽激光器231、第二光纤偏振控制器232、第二单模光纤衰减器233、第二微纳拉锥光纤24、真空器件探测单元25、真空箱251、第一微纳位移平台252、第二微纳位移平台253、第三微纳位移平台254、第一光纤固定夹具255、第二光纤固定夹具256、待测芯片固定平台257、待测芯片258、光电探测器26、显示单元27、高速数据采集卡28、实时信号分析仪29、高倍光学显微镜30、高分辨率CCD相机31、信号发生器32；

楔形针状头部41、酒精灯42、UV胶43。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1-4所示为本实施例公开的一种含非线性机械振子13的光机械微腔结构，其包括硅基座1以及位于同一平面的第一微纳梁10、第二微纳梁11、线性机械振子12、非线性机械振子13与测量微盘14，其中，第一微纳梁10、第二微纳梁11、线性机械振子12、非线性机械振子13的底部均悬空。具体地，硅基座1为二氧化硅层(BOX layer)，通过腐蚀液对硅基座1进行腐蚀处理，使得硅基座1上形成一个封闭的平面空腔15，第一微纳梁10、第二微纳梁11、线性机械振子12、非线性机械振子13与测量微盘14均位于该平面空腔15内。

参考图2，本实施例中，第一微纳梁10、第二微纳梁11均为一维光子晶体微纳梁结构，第一微纳梁10与第二微纳梁11并排布置，且之间具有空气间隙16，进而构成能够产生腔光力的光机械微腔。具体地，第一微纳梁10与第二微纳梁11的光学结构和几何尺寸相同。以第一微纳梁10为例，经过仿真优化后第一微纳梁10的宽度是556nm，厚度为220nm，为了在第一微纳梁10上产生一个一维光子晶体微腔，在第一微纳梁10的中间位置沿长度方向设置若干的空气通孔101。参考图2，第一微纳梁10上包括位于第一微纳梁10中部的缺陷区102以及位于两端的反射区103。缺陷区102的空气通孔101的半径是从中心孔r

在具体实施过程中，第一微纳梁10的两端均与硅基座1固定相连，其作为光机械微腔的固定微纳梁，并使得第一微纳梁10底部悬空。线性机械振子12的两端均与硅基座1固定相连，第二微纳梁11固定连接在线性机械振子12的一侧，且第二微纳梁11与第一微纳梁10之间具有空气间隙16，即第二微纳梁11作为光机械微腔的移动微纳梁。

具体地，线性机械振子12的两端通过多根对称的第一连接梁121与硅基座1相连，使得线性机械振子12以及连接在线性机械振子12上的非线性机械振子13与第二微纳梁11均底部悬空。其中，第一连接梁121的数量为八根，其宽度为120nm，长度为1.2μm，即线性机械振子12每一段均通过四根第一连接梁121与硅基座1相连。进一步具体地，第二微纳梁11的两端通过第二连接梁122与线性机械振子12相连，第二微纳梁11与线性机械振子12之间具有第二空气槽123，该第二空气槽123宽度为1.5μm，为一大空气槽，进而可通过第二空气槽123避免在第二微纳梁11上面的一维光子晶体微腔的光场分布受到线性机械振子12的干扰。

需要注意的是，为了方便对硅基座1进行腐蚀悬空加工，线性机械振子12的表面均匀的开启了若干方形结构的镂空槽125，便于腐蚀液通过该镂空槽125与硅基座1发生充分反应后使二氧化硅层被腐蚀掉后整个器件实现一个悬空结构。此外，第二空气槽123内设在两个相互对称的第三连接梁124，第三连接梁124的一端与第二微纳梁11相连，另一端与线性机械振子12相连；通过将一对第三连接梁124设计在第二空气槽123中可以有效传递腔光力，使腔光力施加在第二微纳梁11上后使得整个线性机械振子12发生受迫振动，与此同时，为了保证第三连接梁124结构不影响光子晶体微腔的光学谐振模式分布，经过仿真设计后，第三连接梁124上与第二微纳梁11相连的部分梁体的宽度为70nm，且与光子晶体微腔中心位置的距离是5.8μm。

本实施例中，非线性机械振子13串联在线性机械振子12的一侧，即将可移动的第二微纳梁11设计在非线性机械振子13中。非线性振子上设有微纳探针131，测量微盘14设在与微纳探针131相邻的位置，且测量微盘14与微纳探针131之间具有第一空气槽132。其中，非线性机械振子13跟随线性机械振子12在腔光力的作用下进行位移，带动微纳探针131位移，测量微盘14利用光场扰动原理来监测微纳探针131的微小位移，即实现非线性机械振子13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。

参考图4，在具体实施过程中，非线性机械振子13包括至少两个曲线臂133，本实施例中的非线性机械振子13由两个曲线臂133组成，曲线臂133的两端对称连接在线性机械振子12上。两个曲线臂133通过位于曲线臂133中部的质量块134连成一体，微纳探针131设在质量块134上。本实施例中，曲线臂133是基于弯曲梁屈曲特性设计的。具体的，参考图3，曲线臂133的曲线线型为：

式中，

当一个归一化的负载F加载到曲线臂133的中间位置处，相应的曲线臂133形变表示为：

式中，T是归一化的形变量，即曲线臂133中间点的位移量比曲线臂133预弯曲高度进行归一化；P=

为了实际测量非线性机械振子13受到腔光力驱动后发生的位移，本实施例使用一个悬空的测量微盘14微腔，即微盘型回音壁式（WGM）微腔来测量微纳探针131的位移。悬空的测量微盘14的半径是10μm，与微纳探针131之间的第一空气槽132原始间隙为180nm。测量微盘14上沿周向间隔设有若干扇形槽141，其作用是便于腐蚀液通过并加快与硅基座1充分反应，使得测量微盘14外轮廓部分（该部分是起于扇形槽141至圆盘端部的圆环，环宽为2μm）是一个悬空结构。

需要注意的是，本实施例中的光机械微腔结构采用E-beam光刻技术和电感耦合等离子体蚀刻（ICP）技术制备在“硅-二氧化硅-硅”（SOI）晶圆上，制备光机械微腔的硅层厚度为220nm，该悬空结构包含的一维光子晶体微腔以及两级机械振子的上下均为空气，下层空气通过稀释的氢氟酸（6:1的BOE）腐蚀3μm厚的二氧化硅层获得。

为了实现对上述含有非线性机械振子13的光机械微腔结构进行实验测试论证，本实施例还公开了一种基于两路微纳光纤-微腔耦合方式的测试系统。参考图5，该测试系统包括第一信号输出组件、第一微纳拉锥光纤22、第二信号输出组件、第二微纳拉锥光纤24、光电探测器26、显示单元27、高速数据采集卡28、实时信号分析仪29。

第一信号输出组件包括通过光纤依次相连的第一可调谐窄线宽激光器211、第一光纤偏振控制器212、第一单模光纤衰减器213，用于输出第一信号光；第二信号输出组件包括通过光纤依次相连的第二可调谐窄线宽激光器231、第二光纤偏振控制器232、第二单模光纤衰减器233，用于输出第二信号光。其中，第一可调谐窄线宽激光器211、第二可调谐窄线宽激光器231均工作于C波段，输出的光波长为1500.00~1620.00nm，其中第一可调谐窄线宽激光器211的光源输出功率为150μW以保证产生足够强的腔光力来驱动机械振子，第二可调谐窄线宽激光器231的光源输出功率为30μW，以避免热光效应导致的非线性效应。

第一微纳拉锥光纤22与第二微纳拉锥光纤24均为带有微凹微纳拉锥光纤，由标准的单模光纤热熔拉锥至中心芯径低于1.5μm的微纳拉锥光纤制作而成。其中，第一微纳拉锥光纤22的一端与第一单模光纤衰减器213相连，其U型底端与光机械微腔结构中的第一微纳梁10接触耦合，用于将第一信号光耦合进光机械微腔结构，以作为泵浦信号光。由于第一微纳梁10为光机械微腔的固定微纳梁，因此，当光机械微腔内腔光力激发后作用在可移动的第二微纳梁11上时，该微纳光纤-微腔的耦合方式可以避免对可移动机械振子的机械模式产生影响。第二微纳拉锥光纤24的一端与第二单模光纤衰减器233相连，其U型底端与光机械微腔结构中的测量微盘14接触耦合，用于将第二信号光耦合进光机械微腔结构，以作为探测信号光，即图6所示。为了使光机械微腔内传输的激光能很好的进入到腔体区域并有效收集耦合出腔体的信号光，采用该U型带有微凹的第一微纳拉锥光纤22与第二微纳拉锥光纤24具有低传输损耗、高耦合效率等优点，且微凹结构的设计可以有效调整光纤-微腔之间的位置和耦合长度。

光电探测器26与第一微纳拉锥光纤22、第二微纳拉锥光纤24相连，用于进行光电转换，以将泵浦信号光转换为第一电压信号、将探测信号光转换为第二电压信号。

本实施例中，显示单元27为计算机，用于显示测试结果。高速数据采集卡28与光电探测器26、第一信号输出组件、第二信号输出组件、显示单元27相连，以用于将第一电压信号与第一信号输出组件、第二信号输出组件信号同步后由显示单元27来显示光机械微腔结构的光学谐振模式。实时信号分析仪29与光电探测器26、显示单元27相连，以用于根据第二电压信号得到光机械微腔结构的机械振子的机械谐振特性，并通过显示单元27进行显示。

此外，对光机械微腔结构的测试需要在一个真空中完成，以更好地观察光-机械耦合现象。因此本实施例中的测试系统还包括真空器件探测单元25。参考图7，真空器件探测单元25包括真空箱251以及设在真空箱251内的第一微纳位移平台252、第二微纳位移平台253与第三微纳位移平台254，其中，第一微纳位移平台252、第二微纳位移平台253与第三微纳位移平台254均为高精度微纳位移控制台，以用于分别控制作为泵浦信号光的第一微纳拉锥光纤22、光机械微腔结构和作为探测信号光的第二微纳拉锥光纤24的位置三轴移动和精确对准。具体地，第一微纳拉锥光纤22通过第一光纤固定夹具255固定在第一微纳位移平台252上，第二微纳拉锥光纤24通过第二光纤固定夹具256固定在第二微纳位移平台253上，搭载有光机械微腔结构的待测芯片258通过待测芯片固定平台257固定在第三微纳位移平台254上。

上述测量系统的具体过程为：

第一可调谐窄线宽激光器211发出的窄线宽激光经过单模光纤进入机械式的第一光纤偏振控制器212进行偏振态模式调整选择后再输入第一单模光纤衰减器213，再作为泵浦光进入第一微纳拉锥光纤22中，在第一微纳位移平台252和高倍光学显微镜30、高分辨率CCD相机31等显微设备的辅助下，该第一微纳拉锥光纤22与固定的第一微纳梁10接触以激发光-机械耦合现象中的腔光力；

第二可调谐窄线宽激光器231发出的窄线宽激光经由单模光纤进入机械式的第二光纤偏振控制器232进行偏振态模式调整选择后再输入第二单模光纤衰减器233，再作为探测光进入第二微纳拉锥光纤24，在第二微纳位移平台253和高倍光学显微镜30、高分辨率CCD相机31等显微设备的辅助下，该第二微纳拉锥光纤24与悬空的测量微盘14边缘接触以测量微纳探针131的移动，从而实现对非线性机械振子13在光机械微腔中的非线性特性的观测。

如图8所示，本实施例还公开了一种上述测试系统的测试方法，包括如下步骤：

步骤1，组装上述测试系统的各个部件，并依次打开第一可调谐窄线宽激光器211、第二可调谐窄线宽激光器231，高倍光学显微镜30，高分辨率CCD相机31，光电探测器26，高速数据采集卡28，计算机和实时信号分析仪29；将第一微纳拉锥光纤22、第二微纳拉锥光纤24分别通过UV胶43固定在第一光纤固定夹具255、第二光纤固定夹具256上。参考图9，以第一微纳拉锥光纤22为例：将一根0.5cm直径的圆柱形2B笔芯打磨成宽度为8μm的楔形针状头部41，并在机械式位移台的辅助下，将该楔形针状头部41轻轻按压并压紧第一微纳拉锥光纤22、第二微纳拉锥光纤24的中间位置，使用一个微小酒精灯42火焰灼烧按压点1-2秒钟后撤离，最后将第一微纳拉锥光纤22、第二微纳拉锥光纤24与楔形针状头部41轻轻分离；在空气环境下，操作第一微纳位移平台252、第二微纳位移平台253与第三微纳位移平台254，在高倍光学显微镜30与高分辨率CCD相机31的辅助下，完成第一微纳拉锥光纤22与第一微纳梁10之间、第二微纳拉锥光纤24与测量微盘14之间的物理耦合操作；之后打开真空泵对真空箱251进行抽气处理，测试过程中，真空箱251内压强可达

步骤2，利用第一可调谐窄线宽激光器211在1500nm-1620nm波长范围内对光机械微腔结构扫谱以获得其光学谐振腔模式；其中，第一可调谐窄线宽激光器211作为泵浦信号光的扫描参数设置为：波长扫描速度为1nm/秒，波长扫描步长为1pm。第一可调谐窄线宽激光器211的扫描与高速数据采集卡28需要设置信号同步，以实现对耦合出光机械微腔的光强进行采集来获取微腔的光学谐振模式。测试结果如图10所示，该耦合型的光机械微腔的前两阶光学谐振模式分别位于1551.756nm（TE

步骤3，将第一可调谐窄线宽激光器211设置在光学谐振峰的半波位置处以对光机械微腔中的机械谐振模式进行测试；特别要说明的是，由于仿真结果表明在第一微纳梁10与第二微纳梁11之间的空气间隙16中仅有横电场even模式存在光场分布，为了在该光机械微腔中获得更大的由于光学梯度力导致的腔光力，使得该腔光力有效作用在可移动的第二微纳梁11上，在实验测试中，选择光学基模谐振模式的TE

步骤4，利用第二可调谐窄线宽激光器231在1500nm-1620nm波长范围内对测量微盘14微腔扫谱以获得其光学谐振峰的波长移动来监测设在非线性机械振子13上微纳探针的位移。此时，泵浦信号光需要设置在耦合型一维光子晶体微腔（即第一微纳梁10与第二微纳梁11）的TE

步骤5，在非线性机械振子13的本征频率10.22MHz附近，使用一个被调制的腔光力来观察该非线性机械振子13的非线性位移。腔光力的调制是通过调制泵浦信号光的幅度来实现的。具体方法是使用一个信号发生器32输入一个电平幅值为5Vpp，频率设置在10.22MHz附近扫描的方波激励信号进入第一可调谐窄线宽激光器211的外调制接口，在光学谐振模式TE

参考图14，利用上述的一种全光集成的含有非线性机械振子13的光子晶体光机械微腔结构设计及其测量系统进行测试时，作为泵浦信号光的第一可调谐窄线宽激光器211在光学谐振模式TE

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。