三分量光弹波导光电集成加速度地震检波理论与实验研究

论文摘要

为提高石油天然气产量,石油地震勘探正朝着多波多分量的三维精细地震勘探发展,以寻找储藏在浅层、薄层的油气。因此,检波器作为地震勘探中地震反射波信号的拾取单元,必须满足三分量地震勘探对其频带、分量间串扰、灵敏度、野外施工适应性等各项性能的要求。本课题首次提出基于光弹效应的三分量混合集成加速度地震检波器,很好地结合了光波导技术和三分量地震加速度检波技术,与其他三分量检波器相比有频带更宽、分量间串扰低、灵敏度高的优点。同时由于光波导集成器件本身的特点,所研制的三分量加速度检波器体积小、适合在强电磁场和高温高寒等恶劣环境下稳定工作。论文的主要研究工作如下:1、首先建立三分量光弹波导混合集成加速度地震检波器动力学模型、微分运动方程,系统分析并计算加速度检波器的幅频特性、相频特性、阶跃响应以及其静态特性,为加速度检波器结构设计奠定振动力学理论基础。2、首次从单向力作用下晶体光弹效应出发,详细推导出在空间加速度作用下,LiNbO3晶体的三维光弹效应,采用坐标变换法推导出:通过LiNbO3晶体的光相位变化与三分量加速度变化的对应关系,为加速度检波器结构设计奠定光学理论基础。3、基于LiNbO3晶体的光弹效应,详细分析计算三分量光弹波导加速度检波器的极间耦合影响,结合对三分量检波器的振动力学和光学理论分析,最终确定分量间串扰值为零的加速度检波器结构设计。4、对三分量光弹波导混合集成加速度地震检波器的Mach-Zehnder光波导干涉仪系统进行了系统研究和优化设计。从导波的射线理论出发,根据波导单模条件,结合有效折射率法完成了单模波导的优化设计。结合有效折射率法,二维空间有限差分光传播法和透明边界条件,对S形反正弦波导构成的双Y分支波导光路传输进行深入分析研究,对波导传输损耗进行了计算分析,在此基础上设计的双马赫-曾德干涉仪具有良好的分光比和低损耗的优点。5、对波导干涉仪的制作工艺进行了详尽的理论和实验研究。通过大量的实验制定出了切实可行的工艺流程,获得了有参考价值的工艺参数。成功研制分支波导结构复杂、波导间隔小的干涉芯片并完成通光实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 引言
• 1.1 地震勘探技术的发展及其对检波器的要求
• 1.2 地震检波技术的发展
• 1.3 MEMS/MOEMS 加速度传感技术发展及其在地震检波技术上的应用
• 1.4 基于光弹效应的加速度传感技术的发展
• 1.5 本文的意义及工作
• 第二章 三分量光弹波导加速度传感器敏感单元的结构设计和理论分析
• 2.1 三分量光弹波导加速度加传感器的总体结构设计
• 2.1.1 光弹波导加速度加传感器的结构和工作原理
• 2.2 三分量光弹波导加速度传感器的特性分析
• 2.2.1 三分量光弹波导加速度传感器的静态特性分析
• 2.2.2 三分量光弹波导加速度传感器的动态特性分析
• 2.2.3 光弹加速度传感器的工作频带
• 2.3 三分量光弹波导加速度传感器的光弹效应特性分析
• 2.3.1 单向加速度作用下的光弹效应
• 2.3.2 三维加速度作用下的光弹效应
• 2.3.3 利用三维光弹效应求解三维加速度
• 2.4 三分量光弹波导加速度传感器极间耦合分析
• 2.4.1 组合式三分量光弹加速度传感器极间耦合分析
• 2.4.2 一体化式三分量光弹加速度传感器极间耦合分析
• 2.4.3 三分量光弹波导加速度传感器结构确定
• 2.5 小结
• 第三章 双M-Z 干涉仪中光传输分析
• 3.1 双M-Z干涉仪设计
• 3.1.1 M-Z 干涉仪工作原理
• 3.1.2 双M-Z 干涉仪工作原理及结构设计
• 3 单模波导设计'>3.2 Ti：LINbO₃单模波导设计
• 3 波导折射率分布'>3.2.1 Ti：LINbO₃波导折射率分布
• 3.2.2 有效折射率法分析波导模式传播特性
• 3.3 对称 Y 分支波导优化设计
• 3.3.1 对称Y 分支的工作原理
• 3.3.2 Y 分支的改进
• 3.3.3 S 型反正弦弯曲波导Y 分支设计
• 3.4 光束传播法（BPM）分析双M-Z 干涉仪的光场传输
• 3.4.1 有限差分光束传播法（FD-BPM）
• 3.4.2 光束传播法（BPM）的基本原理
• 3.4.3 FD-BPM 对双M-Z 干涉仪光场传输的模拟仿真
• 3.5 小结
• 第四章 三分量光弹波导加速度传感器工艺研究
• 3 基片的准备和清洗'>4.1 LiNbO₃基片的准备和清洗
• 3 基片的准备'>4.1.1 LiNbO₃基片的准备
• 3 基片的清洗'>4.1.2 LiNbO₃基片的清洗
• 4.2 波导干涉仪光路的制作工艺、流程及实验结果
• 4.2.1 双马赫-曾德干涉仪掩膜板设计制作
• 4.2.2 双马赫-曾德干涉仪光路的制作
• 4.3 小结
• 第五章 总结及展望
• 5.1 论文完成的主要工作
• 5.2 论文的主要创新
• 5.3 进一步工作计划
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和参加科研情况
• 致谢