迈克尔逊干涉型集成光学加速度地震检波器的理论与实验研究

【摘要】：地震监测与地质勘探研究对保障人类生存环境与石油天然气资源的开发有十分重要的意义,该研究涉及传感、光学、信号处理等多门学科技术,以达到高精度的检测。利用光学干涉检测加速度地震波是高精度地震监测与地质勘探的主要研究方向。本学位论文“迈克尔逊干涉型集成光学加速度地震检波器的理论和实验研究”是国家自然科学基金资助项目(项目编号:49874031)的子课题。本课题研究一种全新的迈克尔逊干涉型检波器,是集成化导波型加速度地震检波器,应用集成光学与数字信号处理技术高精度检测加速度和地震波,为地震波检测与地质勘探的准确测量提供了重要保障。主要研究工作有: 对迈克尔逊干涉型集成光学加速度地震检波器在理论上进行了深入研究,分析了光纤受到纵向机械应力作用时,光纤中的应变效应、泊松效应、光弹效应,并对光纤中光波的相位变化进行了深入的研究探讨。推导出光纤中光波相位变化与光纤应力应变的关系,建立了待测加速度与相位之间的函数关系,进而得出输出光强与加速度的关系。对系统的静态和动态特性进行了研究,完成了静态灵敏度和频谱特性的分析和设计计算,设计出具有优良特性横向限振片,有效的防止简谐振子横向振动,通过测试获得了平坦的频谱特征曲线。 首次提出迈克尔逊干涉型加速度计集成光学芯片的设计方案。完成了对称双Y分支退火质子交换波导的设计计算;对弯曲波导损耗进行了深入分析,根据波导中输出光功率与分支角的关系,设计出S型连接波导,有效的减小了连接损耗;根据X切Y传铌酸锂晶体的线性电光效应,结合混合型集成光学加速度计相位调制的特点及工艺要求,设计并研制出了集总型调制器。本文的创新之处: 首次提出一种全新、集成化的导波型传感器。完成了Michelson干涉型集成光学-光纤加速度地震检波技术的理论研究与系统集成;研制出加速度地震检波器专用的迈克尔逊干涉型集成光学芯片。 研制出灵敏度高、横向限振性能好的光纤-质量块简谐振子,并与集成光学芯片、LD和PIN进行了混合集成,研制成功一个性能稳定、精度高、集成化的新型检波器测量系统。 对芯片制作工艺进行了深入研究和大量实验,并提出了“显影腐蚀一步”法,从而实现了显影与铝膜腐蚀在常温下一步完成,具有侧向腐蚀小,波导平整光滑的特点。