本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域和微納系統(tǒng)領(lǐng)域，具體為基于回音壁模式的垂直耦合光柵芯片級(jí)多環(huán)波導(dǎo)腔級(jí)聯(lián)矢量高靈敏聲傳感器。

背景技術(shù)：

隨著MEMS技術(shù)的進(jìn)步，基于MOEMS技術(shù)的傳感器具備了光學(xué)傳感器和MEMS技術(shù)的特點(diǎn)，具有良好的抗電磁干擾性、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、微型化、易集成、低成本、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適用于高壓變電環(huán)境、生化分析、軍事等應(yīng)用中的形變、振動(dòng)/聲信號(hào)等的探測(cè)和識(shí)別。光纖傳聲器陣列探測(cè)是除雷達(dá)、光電外對(duì)低空慢速小目標(biāo)和地面目標(biāo)探測(cè)的新型手段，可以滿足戰(zhàn)場(chǎng)偵察、陣地防護(hù)、攻擊預(yù)警等多方面的應(yīng)用需求，具備極高的性?xún)r(jià)比。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)更多的是非對(duì)稱(chēng)、高強(qiáng)度的局部戰(zhàn)爭(zhēng)和特種戰(zhàn)爭(zhēng)，戰(zhàn)場(chǎng)具備復(fù)雜的電磁環(huán)境、攻擊手段更加隱蔽，針對(duì)傳統(tǒng)雷達(dá)和光電探測(cè)的防護(hù)技術(shù)也日新月異，特別是強(qiáng)電磁脈沖、寬頻電磁波干擾器等新式裝備的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)聲傳感探測(cè)裝備的探測(cè)能力和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力受到質(zhì)疑，傳統(tǒng)聲音傳感器由于以電流為載波介質(zhì)，易于受到外界電磁波的干擾和破壞。此外其探測(cè)頻率的寬度以及靈敏度均無(wú)法滿足應(yīng)用需要。因此研究具備更高抗極端環(huán)境干擾能力、更高探測(cè)精度和分辨率的新型光纖傳聲器陣列探測(cè)器對(duì)未來(lái)具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種垂直耦合光柵芯片級(jí)多環(huán)波導(dǎo)腔級(jí)聯(lián)矢量高靈敏聲傳感器，實(shí)現(xiàn)高靈敏度、長(zhǎng)探測(cè)距離、能夠在強(qiáng)電磁干擾等極端環(huán)境正常工作的聲信號(hào)探測(cè)。

本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：垂直耦合光柵芯片級(jí)多環(huán)波導(dǎo)腔級(jí)聯(lián)矢量高靈敏聲傳感器，包括多環(huán)環(huán)形波導(dǎo)腔級(jí)聯(lián)傳感單元和高速采集系統(tǒng)，多環(huán)環(huán)形波導(dǎo)腔級(jí)聯(lián)傳感單元包括刻蝕在SOI片上的中心環(huán)形波導(dǎo)腔，中心環(huán)形波導(dǎo)腔四周均勻耦合有方位環(huán)形波導(dǎo)腔，中心環(huán)形波導(dǎo)腔上還耦合有納米垂直耦合輸入光柵，每個(gè)方位環(huán)形波導(dǎo)腔上還耦合有納米垂直耦合輸出光柵，高速采集系統(tǒng)包括光電探測(cè)器、AD采集模塊和FPGA處理器，每個(gè)納米垂直耦合輸出光柵都和光電探測(cè)器連接，光電探測(cè)器和AD采集模塊連接，AD采集模塊和FPGA處理器連接。

本發(fā)明提出的基于垂直耦合光柵芯片級(jí)多環(huán)波導(dǎo)腔級(jí)聯(lián)矢量高靈敏聲傳感器，利用回音壁模式光路傳輸原理，當(dāng)光信號(hào)由納米垂直耦合輸入光柵輸入中心環(huán)形波導(dǎo)腔，由于中心環(huán)形波導(dǎo)腔與周?chē)轿画h(huán)形波導(dǎo)腔進(jìn)行耦合，在方位環(huán)形波導(dǎo)腔的納米垂直耦合輸出光柵會(huì)輸出一個(gè)光信號(hào)，輸出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器、AD采集模塊和FPGA處理器處理，在PC機(jī)上顯示，當(dāng)沒(méi)有聲音信號(hào)時(shí)，每個(gè)納米垂直耦合輸出光柵輸出的值相同，當(dāng)聲音信號(hào)從某個(gè)方向傳來(lái)時(shí)，聲音信號(hào)會(huì)使該方向上方位環(huán)形波導(dǎo)腔產(chǎn)生振動(dòng)，從而影響方位環(huán)形波導(dǎo)腔與中心環(huán)形波導(dǎo)腔的耦合效率，使得該方位環(huán)形波導(dǎo)腔的納米垂直耦合輸出光柵輸出信號(hào)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)定位的功能。

本發(fā)明與傳統(tǒng)聲探測(cè)系統(tǒng)相比，解決了傳統(tǒng)聲探測(cè)系統(tǒng)存在的靈敏度低、信號(hào)傳輸損耗大、抗電磁干擾能力差等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高靈敏度、長(zhǎng)探測(cè)距離、能夠在強(qiáng)電磁干擾等極端環(huán)境正常工作的聲信號(hào)探測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1為本多環(huán)環(huán)形波導(dǎo)腔級(jí)聯(lián)傳感單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為高速采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-中心環(huán)形波導(dǎo)腔，2-方位環(huán)形波導(dǎo)腔，3-納米垂直耦合輸入光柵，4-光傳輸方向，5-納米垂直耦合輸出光柵。

具體實(shí)施方式

垂直耦合光柵芯片級(jí)多環(huán)波導(dǎo)腔級(jí)聯(lián)矢量高靈敏聲傳感器，包括多環(huán)環(huán)形波導(dǎo)腔級(jí)聯(lián)傳感單元和高速采集系統(tǒng)，多環(huán)環(huán)形波導(dǎo)腔級(jí)聯(lián)傳感單元包括刻蝕在SOI片上的中心環(huán)形波導(dǎo)腔1，中心環(huán)形波導(dǎo)腔1四周均勻耦合有方位環(huán)形波導(dǎo)腔2，中心環(huán)形波導(dǎo)腔1上還耦合有納米垂直耦合輸入光柵3，每個(gè)方位環(huán)形波導(dǎo)腔2上還耦合有納米垂直耦合輸出光柵5，高速采集系統(tǒng)包括光電探測(cè)器、AD采集模塊和FPGA處理器，每個(gè)納米垂直耦合輸出光柵5都和光電探測(cè)器連接，光電探測(cè)器和AD采集模塊連接，AD采集模塊和FPGA處理器連接。

納米垂直耦合輸出光柵輸出的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將檢測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)送入高速采集系統(tǒng)中的AD采集模塊，經(jīng)由信號(hào)調(diào)理電路和衰減電路處理后由高速A/D芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)輸出至FPGA進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)，在FPGA中設(shè)計(jì)時(shí)鐘處理單元和存儲(chǔ)單元用于控制AD采集模塊的采樣時(shí)序、同步信號(hào)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。PC機(jī)通過(guò)并行接口與FPGA進(jìn)行系統(tǒng)程序的調(diào)試并控制系統(tǒng)的復(fù)位、工作使能、模式選擇等，F(xiàn)PGA也將運(yùn)行狀態(tài)如存儲(chǔ)器的滿信號(hào)等反饋給PC機(jī)，相互配合進(jìn)行系統(tǒng)的控制；為了保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，PC機(jī)通過(guò)通用總線對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制傳輸和實(shí)時(shí)顯示，完成對(duì)光纖聲傳感陣列信號(hào)的高速采集與解調(diào)。