Eine Silizium-bestückte Glasfaser-Sensing-Plattform mit hoher Auflösung und schnelle Reaktion

Zusammenfassung

Diese Arbeit berichtet eine innovative Silicon-bestückte Glasfaser-Fernerkundung Plattform (Si-FOSP) für hochauflösende und reaktionsschnelle Messung einer Vielzahl von physikalischen Parametern wie Temperatur, Strömung und Strahlung. Anwendungen dieser Si-FOSP reichen von ozeanographische Forschung, mechanische Industrie, Fusionsenergieforschung.

Zusammenfassung

In diesem Artikel stellen wir Ihnen eine innovative und praktisch viel versprechende Glasfaser-Fernerkundung Plattform (FOSP), die wir vorgeschlagen und vor kurzem demonstriert. Diese FOSP stützt sich auf ein Silizium Fabry-Perot-Interferometer (FPI) befestigt auf dem Faserende in dieser Arbeit als Si-FOSP bezeichnet. Die Si-FOSP erzeugt ein Interferogramm durch die optische Weglänge (OPL) der Silizium-Kavität bestimmt. Messgröße ändert das OPL und so verschiebt sich das Interferogramm. Aufgrund der einzigartigen optischen und thermischen Eigenschaften von Silizium-Material weist dieser Si-FOSP eine vorteilhafte Performance in Bezug auf die Empfindlichkeit und Geschwindigkeit. Darüber hinaus verleiht die ausgereiften Silizium Herstellung Industrie der Si-FOSP hervorragende Reproduzierbarkeit und low-Cost auf praktische Anwendungen. Abhängig von den spezifischen Anwendungen entweder eine niedrig-Finesse oder High-Finesse-Version genutzt werden, und zwei verschiedene Methoden der Demodulation entsprechend angenommen werden. Detaillierte Protokolle für die Herstellung von beiden Versionen von Si-FOSP werden bereitgestellt. Drei repräsentative Anwendungen und deren entsprechende Ergebnisse werden angezeigt. Ersteres ist ein Prototyp Unterwasser-Thermometer für die Profilierung der Ozean Sprungschichten, das zweite ist ein Durchflussmessgerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in den Ozean, und der letzte ist ein Bolometer zur Überwachung Auspuff Strahlung von magnetisch beschränkt Hochtemperatur-Plasma.

Einleitung

Faseroptische Sensoren (FOSs) wurden der Fokus für viele Forscher aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften, wie seine geringe Größe, die niedrigen Kosten, sein geringes Gewicht und seine Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI)¹. Diese FOSs haben breite Anwendungen in vielen Bereichen wie Umweltüberwachung, Ozean-Überwachung, Ölförderung und industriellen Prozess unter anderem gefunden. Wenn es darum geht, die temperaturbedingten Abtastung, der traditionellen FOSs sind nicht überlegen in Bezug auf Auflösung und Geschwindigkeit für die Fälle, in denen Messung von Minute und schnelle Temperaturschwankungen wünschenswert ist. Diese Einschränkungen ergeben sich aus der optischen und thermischen Eigenschaften des Werkstoffes Quarzglas auf denen viele traditionelle FOSs basieren. Auf der einen Seite sind die Thermo-Optik-Koeffizient (TOC) und thermischen Ausdehnungskoeffizienten (TEC) von Kieselsäure 1.28x10^-5 RIU / ° C und 5.5x10^-7 m/(m·°C), beziehungsweise; Diese Werte führen zu einer Temperaturempfindlichkeit von nur etwa 13 Uhr / ° C um die Wellenlänge von 1550 nm. Auf der anderen Seite die thermische Diffusivität, die ein Maß für die Geschwindigkeit der Temperatur ist als Reaktion auf thermische Energieaustausch ändern, ist nur 1.4x10^-6 m2/s für Kieselsäure; Dieser Wert ist nicht zur Verbesserung der Geschwindigkeit der Silica-basierten FOSs überlegen.

Die Glasfaser-Sense-Plattform (FOSP) berichtet in diesem Artikel bricht die vorstehenden Haftungsbeschränkungen Fused-Silica-basierten FOSs. Die neue FOSP nutzt kristallines Silizium als Schlüssel sensing Material, bildet eine qualitativ hochwertige Fabry-Perot Interferometer (FPI) am Ende der Faser, hier als Silizium-bestückte FOSP (Si-FOSP) bezeichnet. Abbildung 1 zeigt die schematische und operative Prinzip des Sensorkopfes, die den Kern des Si-FOSP ist. Der Sensorkopf besteht im Wesentlichen aus einem Silizium FPI, deren Reflexion Spektrum verfügt über eine Reihe von regelmäßigen Fransen. Destruktive Interferenz tritt auf, wenn die OPL 2nL erfüllt = Nλ, wo n und L die Brechzahl und Länge des Hohlraums Silizium FP sind, und N ist eine Ganzzahl, die die Reihenfolge der Franse Kerbe ist. Daher sind Positionen der Interferenzstreifen OPL der Silizium-Kavität entgegenkommend. Abhängig von den spezifischen Anwendungen, das Silizium FPI kann erfolgen in zwei Typen: Low-Finesse FPI und hoher Finesse FPI. Niedrig-Finesse FPI hat eine niedrige Reflektivität für beide Enden der Silizium-Kavität, während High-Finesse FPI eine hohe Reflektivität für beide Enden der Silizium-Kavität. Die Reflectivities von Silizium-Luft und Silizium-LWL-Schnittstellen sind etwa 30 % und 18 %, somit das alleinige Silizium FPI, dargestellt in Abbildung 1a ist im Wesentlichen eine niedrig-Finesse FPI. Durch die Beschichtung einer dünne hohe Reflektivität (HR) Schicht an beiden Enden, bildete ein hoher Finesse-Silizium, die FPI ist (Abbildung 1 b). Reflektivität der HR-Beschichtung (dielektrische oder Gold) kann bis zu 98 %. Für beide Arten von Si-FOSP erhöhen n und L Wenn die Temperatur steigt. So kann durch die Überwachung der Fringe-Verschiebung, die Temperaturschwankung abgeleitet werden. Beachten Sie, dass für die gleiche Menge an Wellenlängenverschiebung, hoher Finesse FPI eine bessere Diskriminierung aufgrund der viel schmaler Rand Kerbe (Abbildung 1 c bietet). Während der hoch-Finesse Si-FOSP besseren Auflösung hat, hat die Low-Finesse Si-FOSP einen größeren Dynamikbereich. Daher hängt die Wahl zwischen diesen beiden Versionen auf die Anforderungen einer bestimmten Anwendung. Darüber hinaus unterscheiden sich aufgrund des großen Unterschieds in volle Breite am halben Maximum (FWHM) von niedrig-Finesse und hoher Finesse Silizium FPIs, deren Signal Demodulation Methoden. Zum Beispiel die theoretische FWHM von 1,5 nm reduziert sich durch über 50 Mal auf nur 30 pm wenn beide Enden des alleinigen Siliziums FPI mit einer 98 % HR überzogen sind. Daher für die Low-Finesse-Si-FOSP, ein High-Speed-Spektrometer ausreichen würde für die Datenerfassung und Verarbeitung, während ein Scan Laser benutzt werden sollte, zu hoher Finesse Si-FOSP durch die viel schmalere FWHM demodulieren, die auch von nicht aufgelöst werden kann die Spektrometer. Die beiden Methoden der Demodulation werden im Protokoll erklärt werden.

Die hier gewählte Silizium-Material ist für Temperatur sensing in Sachen Auflösung überlegen. Zum Vergleich sind die TOC und TEC von Silizium 1.5x10^-4 RIU / ° C und 2.55x10^-6 m/(m∙°C), bzw. führt zu einer Temperaturempfindlichkeit der rund 84,6 pm / ° C, ca. 6,5-Mal höher als die aller Silica-basierten FOSs²ist.  Neben dieser viel höhere Empfindlichkeit haben wir demonstriert eine durchschnittliche Wellenlänge tracking-Methode auf, um den Geräuschpegel zu reduzieren und damit die Auflösung für einen Low-Finesse-Sensor führt zu einer Temperaturauflösung von 6 x 10^-4 ° C ², in im Vergleich zu der Auflösung von 0,2 ° C für alle Silica-basierten FOS³. Die Auflösung wird weiter verbessert, um sein 1.2x10^-4 ° C für eine hoch-Finesse Version⁴.  Die Silizium-Material ist auch für die Abtastung in Bezug auf Geschwindigkeit überlegen. Zum Vergleich: ist die thermische Diffusivität Silizium 8.8x10^-5 m2/s, die mehr als 60 Mal höher als die von Kieselsäure².  In Kombination mit einem geringen Platzbedarf (z.B. 80 µm Durchmesser, 200 µm Dicke), demonstriert die Antwortzeit von 0,51 ms für eine Silizium wurde FOS², im Vergleich zu den 16 ms eines Mikro-Silica-Faser-Koppler Tipp Temperatur Sensor⁵.  Obwohl einige der Forschung arbeiten Sie im Zusammenhang mit Temperaturmessung mit sehr dünnen Silizium-Film, wie die Fernerkundung Material von anderen Gruppen^6,7,8,9, keiner von ihnen berichtet wurde die Leistung unserer Sensoren in Bezug auf Auflösung oder Geschwindigkeit besitzt. Zum Beispiel, den Sensor mit einer Auflösung von nur 0,12 ° C und eine lange Reaktionszeit von 1 s wurde berichtet. ⁷ eine bessere Temperaturauflösung 0,064 ° c wurde berichtet,¹⁰;  Allerdings wird die Geschwindigkeit durch den relativ sperrig Sensorkopf begrenzt. Was macht die Si-FOSP einzigartige liegt in der neuen Herstellungsverfahren und Datenverarbeitung Algorithmus.

Neben den oben genannten Vorteilen für die Abtastung von Temperatur die Si-FOSP kann auch entwickelt werden, in einer Vielzahl von temperaturbedingten Sensoren zur Messung verschiedener Parameter wie z. B. Gas Druck¹¹, Luft oder Wasser fließen^{12,13 ,14} und Strahlung^4,15.  Dieser Artikel stellt eine detaillierte Beschreibung des Sensors Fertigung und Signal Demodulation Protokolle zusammen mit drei repräsentative Anwendungen und deren Ergebnisse.

Protokoll

1. Herstellung von Low-Finesse-Sensoren

1. Die Silizium-Säulen zu fabrizieren. Muster ein Stück 200 µm dicken Doppel-Seite-poliert (DSP) Silizium-Wafer in Standalone-Silizium-Säulen (Abbildung 2a), mit standard Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) Herstellung erleichtert.
   Hinweis: Die gemusterte Wafer wird auf einem anderen größeren Silizium-Wafer mit einer dünnen Schicht von Fotolack verklebt. Die Verklebung der Fotolack ist stark genug, um die Säulen halten Sie aufrecht, aber auch schwach genug, um das Substrat für spätere Schritte trennen.
2. Bereiten Sie die Lead-Faser. Die Kunststoffbeschichtung des distalen Endes eine Monomode-Glasfaser abzustreifen. Reinigen Sie die abisolierten Abschnitt mit ein Linsenpapier mit Alkohol getaucht. Spalten Sie die gereinigte Faser mit einer Glasfaser-Beil.
3. Dünn auftragen von UV-härtender Klebstoff an der Stirnseite der gespalten Lead-in-Faser (Abb. 2 b). Setzen Sie einen kleinen Tropfen des UV-härtender Klebstoff auf einem Objektträger. Dünne Kleberschicht durch Spin-Coating oder manuell schwenken die Objektträger. Übertragen Sie der Klebstoffschicht auf Faserendes durch Drücken der Stirnfläche der Lead-Faser gegen den Objektträger.
4. Legen Sie eine Silizium-Säule auf dem Faserende. Richten Sie die Lead-Faser mit einem Silizium-Säulen, inzwischen überwachen Sie das Echtzeit-Spiegelung-Spektrum des Siliziums FPI mit einem Spektrometer. Verwenden Sie eine UV-Lampe, um den Kleber zu heilen, wenn eine zufriedenstellende Spektrum (Abbildung 2 c) beobachtet wird.
   Hinweis: In der Regel dauert die Aushärtung ca. 10 bis 15 Minuten.
5. Lösen Sie den Sensor vom Substrat. Nach der UV Kleber vollständig ausgehärtet ist, heben Sie die Lead-Faser zusammen mit der Silizium-Säule aus dem Substrat (Abb. 2d) abgelöst.
   Hinweis: Einige restliche Fotolack ist auf der Oberseite der Silizium-Säule (Abb. 2e) blieb. In den meisten Fällen betrifft die restliche Photoresist nicht die Funktion des Sensors. Bei Bedarf kann die Photoresist-Schicht durch Alkohol entfernt werden.
6. Untersuchen Sie die fabrizierten Sensorkopf. Verwenden Sie ein Mikroskop um zu untersuchen, die Geometrie des Sensorkopfes hergestellt. Ein typisches Bild eines Sensors erfolgreich hergestellt wird in Abbildung 2fgesehen.

2. Herstellung von High-Finesse-Sensoren

1. Beide Seiten von einem Silizium-Wafer mit hoher Reflektivität Spiegel zu beschichten. Mantel einseitig von einem 75 µm dicken Doppel-Seite-poliert Silizium-Wafer mit einer 150 nm dicken Goldschicht mit einer stotternden Streichmaschine, und die andere Seite mit einem hohen Reflektivität (HR) dielektrische Spiegel Mantel.
   Hinweis: Die dielektrische HR-Beschichtung war von einer externen Firma erledigt; Reflektivität der Beschichtung wurde getestet, um nicht weniger als 98 % von der Firma. Jedoch detaillierte Materialien und die Struktur der Beschichtung sind aufgrund der proprietären Schutz durch die Firma unbekannt, siehe die Tabelle der Materialien für mehr Informationen.
2. Bereiten Sie die kollimierten Lead-in-Faser. Splice einen kurzen Abschnitt der benotet-Index Multimode-Faser (GI-MMF) mit einer Singlemode-Faser, und dann, unter dem Lichtmikroskop cleave GI-MMF mit einem Viertel der Zeit der leichte Bahn innerhalb der MMF links bilden eine Faser-Kollimator (Abbildung 3a ).
   Hinweis: Die GI-MMF wird verwendet, um die modalen Feld-Durchmesser zu erweitern, so dass ein Spektrum mit einer besseren Sicht^4,16erreicht werden kann. Die Länge des GI-Geldmarktfonds, die rund 250 µm in dieser Arbeit ist, ist genau ein Viertel der Periode von Ray Flugbahn.
3. Die Lead-Faser eine fragmentierte beidseitig beschichteten Silizium zuordnen. Montieren Sie einen hoch-Finesse-Sensor indem Sie ähnliche Schritte der Befestigung einer Silizium-Säule bis zum Faserende zur Herstellung von Low-Finesse Sensoren (1,3 – 1,5 Stufen).
   Hinweis: Die Seite mit der dielektrischen Beschichtung wird der Kollimator zu vermieten in das kommende Licht (Abb. 3 b, 3 c) beizufügen. In diesem Fall ist die vorherigen Silizium-Säule mit einem Silizium-Fragment ersetzt, die nicht gemustert wurde. In Zukunft wird die gemusterten Silizium-Wafer mit hoher Reflektivität Spiegel, beschichtet werden, so, dass die Sensoren einheitlicher und einfacher für die Fertigung. Der Unterschied in der Fertigungsschritte von 1,3-1,5 ist, dass eine Reflexion Spektren Kerbe mit richtigen Sichtbarkeit zuerst erhalten werden sollte, bevor der Leim an der Stirnseite des Kollimators überging.
4. Polieren Sie die unregelmäßig geformten Silikon-Fragment in eine Runde Form mit einer Faser Poliermaschine.
5. Untersuchen Sie die fabrizierten Sensorkopf. Verwenden Sie ein Mikroskop untersuchen den Sensorkopf um sicherzustellen, dass eine wünschenswerte Kreisform erreicht (Abbildung 3d).

3. Signal Demodulation für Low-Finesse Si-FOSP

Hinweis: Das System verwendet für demodulieren Low-Finesse Si-FOSP zeigt Abbildung 4a. Die folgenden detaillierten Schritte helfen das System einrichten und durchführen der Datenverarbeitung.

1. Schließen Sie ein C-Band-Breitbandanschluss um Anschluss 1 von einer optischen Zirkulator.
2. Splice Port 2 des optischen Zirkulator mit der Lead-Faser eines Low-Finesse-Sensors.
3. Verbinden Sie Port 3 des optischen Thermostaten mit High-Speed-Spektrometer, der mit einem Computer für die Datenspeicherung kommuniziert.
4. Überprüfen Sie das Spektrum des Sensors, um sicherzustellen, dass das System ordnungsgemäß funktioniert. Sehen Sie das typische Spektrum in Abbildung 4 bdargestellt.

(4) Signal Demodulation für High-Finesse Si-FOSP

Hinweis: Das System verwendet für demodulieren High Finesse Si-FOSP ist in Abbildung 5adargestellt. Die folgenden detaillierten Schritte helfen das System einrichten und die Nachbearbeitung der Daten zu tun.

1. Einen abstimmbaren DFB-Laser mit einem aktuellen Controller zu fegen.
   Hinweis: Die Peak to Peak geschwungene Spannung, die für verschiedene Laser und Controller variiert, sollte groß genug, um die Kerbe Spektrum abdecken.
2. Verbinden Sie den Ausgang des abstimmbaren Lasers Anschluss 1 von einer optischen Zirkulator.
3. Splice Port 2 des optischen Thermostaten zu einem High-Finesse-Sensor.
4. Verbinden Sie Port 3 des optischen Thermostaten mit einem Photodetektor.
5. Verwenden Sie ein Datenerfassungsgerät, um die Ausgabe der Photodetektor, zu lesen, die von einem Computer gespeichert ist.
6. Überprüfen Sie das Spektrum des Sensors, um sicherzustellen, dass das System ordnungsgemäß funktioniert. Sehen Sie einen typischen Rahmen des Spektrums in Abbildung 5 bgezeigt. Die Tallage mit einem Polynom Kurvenanpassung zu finden.

Ergebnisse

Si-FOSP als ein Unterwasser Thermometer für die Profilerstellung Ozean Sprungschichten
Den letzten ozeanographische Forschung hat gezeigt, dass die Unschärfe der Unterwasser Bildgebung ergibt sich nicht nur von Trübung in kontaminierten Gewässern, sondern auch von Temperatur Mikrostrukturen in sauberes Meer^17,18. Letztere wurde der Schwerpunkt der vielen Ozeanographen, mit dem Ziel, finden ein wirksames Mit...

Diskussion

Die Wahl der Größe (Länge und Durchmesser) des Siliziums FPI erfolgt auf einen Kompromiss zwischen der Anforderungen an die Auflösung und Geschwindigkeit. In der Regel eine kleinere Größe bietet eine höhere Geschwindigkeit sondern senkt auch die Lösung². Eine kurze Länge ist vorteilhaft für die Erlangung einer höheren Geschwindigkeit, aber es ist nicht für den Erhalt einer hohen Auflösung aufgrund der erweiterten FWHM der Reflexion Kerben überlegen. Mit HR Beschichtungen reduzieren d...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
200 Proof Pure Ethanol	Koptec	V1001
5 Channels Duplex CWDM	Fiber Store	5MDD-ABS-FSCWDM
Butterfly Laser Diode Mounts	Tholabs	LM14S2
CastAway CTD	Yellow Springs Instrument
CTD	Seabird	SBE 19plus
Current Meter	Nortek	Vector
Data Acquisition Device	National Instruments	NIUSB4366
Digital Oscilloscope	RIGOL	DS1204B	200 MHz 2 GSa/s
Diode Laser	Thorlabs	LM9LP	Wavelength: 632 nm
Fixed BNC Terminator Kit	Thorlabs	FTK01
Function Waveform Generator	RIGOL	DG4162	160 MHz 500 GSa/s
High Precision Cleaver	Fujikura	CT-32
High Reflection Dielectric Coating	Evaporated Coating INC (ECI)		Materials and structure of the coating are unknown
I-MON 512 Spectrometer	Ibsen Phtonics	P/N: 1257110
InGaAs Biased Detector	Tholabs	DET01CFC	FC/PC output:0-10V; Quantity: 2
Laser Diode	Qphotonic	QFLD-405-20S	Wavelength: 405 nm
Laser Diode Current Controller	Tholabs	LDC 210C	1 A and 100 mA range
Laser Diode Temperature Controller	Tholabs	TEC 200C	Quantity: 2
Latex Examination Gloves	HCS
Micro Slides	Corning Incorporated
Narrow Linewidth DFB Laser	Eblana	EP1550-NLW-B06-100FM	Wavelength:1550 nm
Optical Fiber Fusion Splicer	Sumitomo electric industries, LTD	3822-2
Optical Microscope and Monitor	Ikegami Tsushinki Company	PM-127
Optical Spectrum Analyzer	Yokogawa	AQ6370C	wavelength range: 600-1700 nm
Polish Machine	ULTRA TEC	41076
Post-mountable Irises	Thorlabs		Quantity: 2
Pump Laser	Gooch and Housego	0400-0974-SM	Wavelength: 980 nm
Si Amplified Photodetector	Thorlabs	PDA36A	Wavelength: 350-1100 nm
Silicon wafer	University Wafer		thickness: 10 µm, 200 µm, 75 µm, 40 µm
Single mode fiber	Corning	SMF-28
Single Mode Fused  Fiber Coupler	Thorlabs		Wavelength: 1550 nm
SM 125 interogrator	Micron Optics
Submersible Aquarium Pump	Songlong	SL-403
Superluminscent LED	Denselight Semiconductors	DL-BP1-1501A	wavelength range:1510-1590 nm
Syringe Pump	Cole Parmer	74905-02
Travel Translation Stage	Thorlabs	LT1
UV curable glue	Epoxy Technology	PB109077
UVGL-15 Compact UV Lmap	UVP	P/N:95-0017-09	254/365 nm
Variable Optical Attenuators	Tholabs	M-VA/00016951 P/N: VOA50-APC