基于微环谐振器的光学加速度地震检波器的研究

论文摘要

地震勘探是发展历史最长,技术最成熟的一种地球物理勘探方法。该方法通过地震检波器获取人工地震反射波信号来对地质构造进行探明,以达到寻找油、气藏的目的。随着地震勘探复杂性的增加,对检波器提出了更高的要求,未来新一代的数字检波器会向高精度、大动态范围、高保真度以及抗干扰能力强等方面发展。微环谐振器具有很高的探测极限、易于大批量生产,成本低,与CMOS工艺兼容等优点,能够与激光器、探测器和信号处理单元集成于同一芯片,有望实现高性能的新一代地震检波器。在“国家重点研究发展计划前期预言专项”和“国家自然科学基金”支持下,我们开展了基于微环谐振器的光学加速度检波器的研究,取得了一些创新性的研究成果,总结为：（1）分析了微环光学加速度检波器的工作机理。外界加速度作用引起光波导长度形变以及弹光效应,对微环中传输光的相位进行调制,从而导致微环谐振波长发生漂移。设计的振子结构能够抵消波导上产生的弹光效应,从而波导的形变是谐振波长漂移的主要因素。（2）构建了振动单元的物理模型,并采用有限元方法对振动单元在加速度作用下的动态响应进行了仿真,分别对传感器的机械灵敏度、交叉去敏度、以及频率响应等性能进行了研究,以此优化振动单元的设计,奠定了振子结构的制作基础。（3）对加速度传感器的微环光学部分进行了优化设计。采用有效折射率法对输入波导的模式进行了具体分析,给出了单模工作条件。利用耦合模式理论,确定微环波导和直波导之间耦合系数,并讨论了光强探测方式下最佳相位偏置点,模拟结果表明：在信噪比SNR为30的探测系统下,加速度探测极限可达到～10-4g,传感器探测频率在200Hz以下。（4）对微环的加速度传感器的动态范围进行了理论分析,得到制约动态范围的主要因素有自耦合系数t、自由频谱空间FSR和品质因素Q。对于光强探测方式而言,当t趋于振幅衰减因子σ,即满足临界耦合条件时,我们可得到接近于探测系统信噪比的动态范围。对于波长探测方式,FSR限制了谐振波长漂移范围,从而限制了最大可探测信号；而高Q值将从很大程度上降低光谱噪声,提高系统的波长探测极限。（5）在原有的单环设计上进行改进,选用FSR不同的微环进行级联,利用“游标尺”技术,FSR最小的微环保证测量极限,而FSR最大的微环保证系统的测量范围。模拟分析表明：在信噪比SNR=30的探测系统下,光强检测方式的动态范围从29.1dB提高到47.6dB；同时波长探测的动态范围与单环相比也提高了一倍。（6）对微环的加速度制备工艺进行了研究,给出了光波导和机械振动部分制备的工艺流程。利用电子束光刻、等离子体增强化学气相沉积、感应耦合等离子体刻蚀来实现跑道型微环谐振器的制备；通过以二氧化硅为掩膜的辅助光刻以及硅片背面刻蚀技术来实现振动部分的制备。制备了跑道型微环谐振器,测试结果表明特征谱线的消光比达到9.772dB,品质因数Q达到27000。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 地震勘探技术的研究背景
• 1.2 地震波传播规律及传统地震检波器
• 1.3 国内外地震检波技术的研究进展与发展趋势
• 1.4 硅基微环谐振器的加速度地震检波器提出和研究意义
• 1.5 本论文的主要研究工作
• 2 微环谐振器的基本理论
• 2.1 微环谐振器
• 2.2 有效折射率法
• 2.3 耦合模理论
• 2.4 微环谐振器损耗
• 2.5 有限时域差分法
• 2.6 本章小结
• 3 微环谐振器加速度检波器的工作原理及结构优化设计
• 3.1 传感原理
• 3.2 振动传感部分的静态特性
• 3.3 弹光效应
• 3.4 振动单元的动态特性
• 3.5 振动单元有限元分析和优化设计
• 3.6 本章小结
• 4 微环谐振器加速度检波器的光波导优化设计
• 4.1 单模条件
• 4.2 单直波导微环谐振器的传输特性
• 4.3 矩形波导的弯曲耦合
• 4.4 灵敏度分析
• 4.5 动态范围
• 4.6 本章小结
• 5 微环谐振器加速度检波器的动态范围研究
• 5.1 级联谐振器的基本特性
• 5.2 动态范围的改善
• 5.3 本章小结
• 6 微环谐振器的地震检波器的制备与工艺研究
• 6.1 微环谐振器的加速度检波器的制备研究
• 6.2 微环谐振器的制作结果和通光测试
• 6.3 本章小结
• 7 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 ICP刻蚀设备和制备气体