基于微环谐振器的集成光学地震检波技术的理论与实验研究

High-precision and high-resolution seismic prospecting puts forward higher demands on the seismic detection, such as sensitivity, dynamic range, low distortion and immunity from interference. The microring resonator confines light to circulate in tight bends as a result of the evanescent wave coupling between the waveguide and cavity. Therefore, it has an extremely high detection limit and can greatly enhance the sensitivity of the seismic detection to satisfy the needs of the high-precision and high-resolution seismic prospecting. Our study begins with the influence of the vibration on the transmitted light in the microring resonator, and then respectively optimizes the structure of mechanical and optical part in order to solve the main problems on the practicability of the integrated optical seismic geophone. The finite element analysis is utilized to get the vibration structure with high sensitivity and low-distortion. Applying the mode coupled theory and transfer matrix method to analyze the transmitted spectrum to improve the dynamic range of geophone. Based on the system optimization, the sample preparation can be completed with the mature micro- and nano-fabrication and the main properties of the geophone will be acquired through vibration test, which will provide references and suggestion for the development of integrated-optic seismic detection technology in China.

高精度、高分辨率地震勘探对地震检波器的灵敏度、动态范围、保真度以及抗干扰能力等方面提出了更高要求。光学微环谐振器通过波导和环腔间倏逝波耦合，使得光信号能够在腔内不断谐振、放大，因而具有极高的探测极限，可极大地提高地震检波的灵敏度，以满足高精度、高分辨率地震勘探的需要。本研究从振动激励对微环谐振器中传输光场的作用和影响入手，分别对检波器振动结构和波导结构进行优化分析，以解决集成光学地震检波器实用化的关键问题。采用有限元分析获得具有高灵敏度和高保真度的振动单元。运用模式耦合理论和传输矩阵法对级联式微环谐振器的传输光谱进行分析，以提高检波器的动态范围。通过光学测试研究微环结构的制备工艺参数对波导侧壁粗糙度的影响，以降低波导传输损耗。在系统优化基础上，利用成熟的微纳加工技术完成样片的制备，并通过振动激励测试，获得样片的主要特性指标，为我国集成光学地震检波技术的发展提供一些参考和建议。

高分辨率地震勘探对地震检波器的灵敏度、动态范围、保真度以及抗干扰能力等方面提出了更高要求。光学微环谐振腔具有谐振效应，光信号能够在腔内不断谐振、放大，具有极高的灵敏度，可以满足高精度、高分辨率地震勘探的需要。本研究从振动激励对微环波导中传输光场的作用和影响入手，重点对振动单元的结构优化、级联式微环谐振器“游标”效应、波导制备工艺以及样品测试方案进行了深入研究，以解决集成光学地震检波器实用化的关键问题。运用模式耦合理论和传输矩阵法对级联式微环谐振腔的传输光谱进行分析；采用级联结构获得理想的测量灵敏度和动态范围，通过合理选择级联微环周长参数，探测极限按十倍递减，同时动态范围得到大幅度提高；采用有限元分析了支撑梁振动单元，并对波导结构和振子单元的制备工艺进行研究，设计了简化结构的制备工艺，并制作了样片。通过波导通光实验以及扫描电子显微镜（SEM）测试，分析了电子束光刻（EBL）和感应耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺参数对波导结构的影响。对样品性能测试方案进行了设计，利用自制信号发生器和功率放大器模块以及激振器实现了低频振动测试平台的搭建，该振动测试平台可以用于新型低频加速度传感器的标定中。