摘要
中国自古便是海洋大国，有着丰富的的海洋资源，海岸线长达32000km，对海洋环境的探索和水下目标的探测有着迫切的需求。因此，发展高质量的水声传感器设备具有十分重大的意义。 相较于传统振膜类声传感器容易受到自身共振频率的局限，造成水声检测灵敏度低的缺陷。光波导谐振腔（OpticalWaveguideResonator，OWR）结构具有较强的局域增强效应和频率选择特性，对于提升水声传感器灵敏度、拓宽工作频率范围提供了可行的途径。本文以掺杂Ge元素的二氧化硅为光波导芯层材料，深入研究了二氧化硅光波导谐振腔的光声传感原理、结构设计、制备工艺以及水声传感效应。 本文主要工作如下： 首先，本文梳理了国内外光波导谐振腔的研究进程及其在声传感方面的研究进程，对光波导谐振腔的基本结构以及光学传输特性进行了介绍，最后对光波导谐振腔结构的声传感机理进行了分析； 然后，对光波导谐振腔结构进行仿真，并对其进行数值模拟，以设计合适的腔长、耦合间距以及微槽的尺寸； 随后，详细介绍了二氧化硅光波导谐振腔声传感器的制备工艺过程和器件的耦合封装，并对制备完成的二氧化硅光波导谐振腔器件进行了性能测试； 最后，搭建了基于二氧化硅光波导谐振腔水声传感器测试系统。该测试系统可实现信号调制同步解调功能以及谐振点频率锁定功能。通过对二氧化硅光波导谐振腔在相同幅值，不同频率的低频水声信号进行测试，得到了二氧化硅光波导谐振腔水声传感器的频率响应特征；通过对二氧化硅光波导谐振腔在相同频率，不同幅值的低频水信号进行测试，得出了二氧化硅光波导谐振腔水声传感器的灵敏度大小；并对二氧化硅光波导谐振腔水声传感器进行了信噪比和最小可探测声压进行了测量，最后对其进行了稳定性试验。 研究结果表明，制备得到的二氧化硅光波导谐振腔Q值达到1.69×106，在10Hz~2kHz范围内，水声传感灵敏度最高为-142.6dB@160Hz，频率响应在40Hz~1600Hz响应平坦，上下浮动不超过±3dB，1kHz下最小可探测声压为0.05Pa/Hz1/2。本论文提出的新型水声传感器件在高灵敏度、宽频带水声传感领域具有良好的应用前景。
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