Una piattaforma con punta di silicio di rilevamento in fibra ottica ad alta risoluzione e risposta veloce

Riepilogo

Questo lavoro segnala una punta di silicone fibra ottica rilevamento piattaforma innovativa (Si-FOSP) per la misura ad alta risoluzione e risposta rapida di una varietà di parametri fisici quali la temperatura, flusso e la radiazione. Applicazioni di questo Si-FOSP di calibrazione da ricerca oceanografica, industria meccanica, alla ricerca sull'energia di fusione.

Abstract

In questo articolo, vi presentiamo una piattaforma innovativa e promettente praticamente in fibra ottica telerilevamento (FOSP) che abbiamo proposto e dimostrato di recente. Questo FOSP si basa su un interferometro di Fabry-Perot di silicio (FPI) fissato all'estremità della fibra, denominata Si-FOSP in quest'opera. Il Si-FOSP genera un interferogramma determinata dalla lunghezza del cammino ottico (OPL) della cavità di silicio. Misurando altera l'OPL e così sposta interferogramma. A causa delle proprietà uniche ottiche e termiche del materiale silicio, questo Si-FOSP esibisce una prestazioni vantaggiose in termini di sensibilità e velocità. Inoltre, l'industria di fabbricazione di silicio maturo dota il Si-FOSP con eccellente riproducibilità e a basso costo verso le applicazioni pratiche. A seconda delle specifiche applicazioni, sia una versione bassa-finezza o alta-finezza sarà utilizzata, e due metodi di demodulazione di dati saranno adottati di conseguenza. Protocolli dettagliati per la realizzazione di entrambe le versioni di Si-FOSP saranno forniti. Tre applicazioni rappresentative e dei loro risultati secondo verranno mostrati. Quello primo è un termometro subacqueo di prototipo per profilatura termoclini l'oceano, il secondo è un misuratore di flusso per misurare la velocità di flusso nell'oceano, e l'ultimo è un bolometro utilizzato per il monitoraggio radiazioni di scarico da magneticamente confinato al plasma ad alta temperatura.

Introduzione

Sensori in fibra ottica (FOSs) hanno rappresentato il fulcro per molti ricercatori grazie alle sue proprietà uniche, come le sue dimensioni ridotte, il suo basso costo, il suo peso leggero e sua immunità alle interferenze elettromagnetiche (EMI)¹. Questi FOSs hanno trovato ampie applicazioni in molti settori quali il monitoraggio ambientale, sorveglianza di oceano, esplorazioni petrolifere e processo industriale, tra gli altri. Quando si tratta del rilevamento temperatura-relativa, il FOSs tradizionali non sono superiori in termini di risoluzione e velocità per i casi dove la misurazione di minuto e variazioni di temperatura veloce è auspicabile. Queste limitazioni derivano dalle proprietà ottiche e termiche del materiale silice fusa su cui si basano molte tradizionali FOSs. Da un lato, il coefficiente di termo-ottica (TOC) e il coefficiente di dilatazione termica (TEC) di silice sono 1.28x10^-5 RIU / ° C e 5.5x10^-7 m/(m·°C), rispettivamente; questi valori conducono ad una sensibilità di temperatura di solo circa 13 pm / ° C intorno alla lunghezza d'onda di 1550 nm. D'altra parte, la diffusività termica, che è una misura della velocità della temperatura cambia in risposta a scambio di energia termica, è solo 1.4x10^-6 m²/s per silice; Questo valore non è superiore per migliorare la velocità di FOSs a base di silice.

La piattaforma di rilevamento a fibra ottica (FOSP) riportata in questo articolo si rompe le summenzionate limitazioni basate su silice fusa FOSs. Il nuovo FOSP utilizza silicio cristallino come chiave di materiale, che forma un interferometro di Fabry-Perot di alta qualità (FPI) all'estremità della fibra, qui indicato come FOSP con punta di silicio (Si-FOSP) di rilevamento. La figura 1 Mostra il principio schematico e operativo della testa del sensore, che è il nucleo della Si-FOSP. La testa del sensore consiste essenzialmente di un silicio FPI, cui lo spettro di riflessione dispone di una serie di periodici frange. Interferenza distruttiva si verifica quando l'OPL soddisfa 2nL = Nλ, dove n e L sono l'indice di rifrazione e la lunghezza della cavità di silicio FP, rispettivamente, e N è un intero che rappresenta l'ordine della tacca frangia. Di conseguenza, posizioni delle frange di interferenza sono sensibili ai OPL della cavità di silicio. A seconda delle specifiche applicazioni, il silicio FPI può essere fatto in due tipi: basso-finezza FPI e alta-finezza FPI. La FPI di basso-finezza ha una bassa riflettività per entrambe le estremità della cavità di silicio, mentre la FPI alta-finezza ha un'alta riflettività per entrambe le estremità della cavità di silicio. Il reflectivities delle interfacce silicio-aria e fibra di silicio sono più o meno 30% e 18%, così il solo silicio FPI mostrato in Figura 1a è essenzialmente un basso-finezza FPI. Da uno strato sottile ad alta-riflettività (HR) su entrambe le estremità del rivestimento, un silicio di alta finezza che FPI è formato (Figura 1b). Riflettività del rivestimento HR (dielettrico o oro) può essere alto come il 98%. Per entrambi i tipi di Si-FOSP, n e L aumentare quando la temperatura aumenta. Quindi, monitorando il turno di fringe, la variazione di temperatura può essere dedotto. Si noti che per la stessa quantità di spostamento della lunghezza d'onda, la FPI alta-finezza dà una migliore discriminazione dovuta la tacca di frangia molto più stretta (Figura 1C). Mentre l'alta-finezza Si-FOSP ha una migliore risoluzione, il basso-finezza Si-FOSP ha una gamma dinamica più ampia. Pertanto, la scelta tra queste due versioni dipende dai requisiti di un'applicazione specifica. Inoltre, dovuto la grande differenza in larghezza a metà altezza (FWHM) del basso-finezza e alta-finezza silicio FPIs, i loro metodi di demodulazione del segnale sono diversi. Ad esempio, la FWHM teorica di 1,5 nm è ridotto di circa 50 volte per solo 30 pm quando entrambe le estremità del silicio unico FPI sono rivestite con uno strato di HR di 98%. Pertanto, per il basso-finezza Si-FOSP, uno spettrometro ad alta velocità sarebbe sufficiente per la raccolta dei dati e l'elaborazione, mentre un laser di esame deve essere utilizzato per la demodulazione l'alta-finezza Si-FOSP dovuto la FWHM molto più stretto che non può essere risolto anche dalla spettrometro. I due metodi di demodulazione saranno spiegati nel protocollo.

Il materiale di silicio scelto qui è superiore per il rilevamento della temperatura in termini di risoluzione. Come termine di paragone, il TOC e TEC di silicio sono 1, 5x10^-4 RIU / ° C e 2.55x10^-6 m/(m∙°C), rispettivamente, che porta ad una sensibilità di temperatura di circa 84,6 pm / ° C, ovvero circa 6,5 volte superiore a quella di tutti a base di silice FOSs².  Oltre a questa sensibilità molto più alta, abbiamo dimostrato una lunghezza d'onda media inseguimento del metodo per ridurre il livello di rumore e quindi migliorare la risoluzione di un sensore di bassa-finezza, che porta a una risoluzione di temperatura di 6 x 10^-4 ° C ², in confronto per la risoluzione di 0,2 ° C per un tutto a base di silice FOS³. La risoluzione è ulteriormente migliorata per essere 1.2x10^-4 ° C per un alto-finezza versione⁴.  Il materiale di silicio è anche superiore per il rilevamento in termini di velocità. Come termine di paragone, la diffusività termica di silicio è 8.8x10^-5 m/s², che è più di 60 volte superiore a quella di silice².  Combinato con un ingombro ridotto (ad es., 80 µm di diametro, spessore di 200 µm), il tempo di risposta di 0,51 ms per un silicio che fos è stato dimostrato², rispetto ai 16 ms di un micro-silice-fibra accoppiatore punta temperatura sensore⁵.  Anche se qualche ricerca lavoro relativo alla misurazione della temperatura tramite film di silicio molto sottile come il materiale sensibile è stato segnalato da altri gruppi^6,7,8,9, nessuno di loro possiede le prestazioni dei nostri sensori in termini di risoluzione o velocità. Ad esempio, il sensore con una risoluzione di solo 0,12 ° C e un tempo di risposta lunghi di 1 s è stato segnalato. ⁷ che una migliore risoluzione di temperatura di 0,064 ° C è stato segnalato¹⁰;  Tuttavia, la velocità è limitata dalla testa del sensore relativamente ingombrante. Ciò che rende le bugie di unico Si-FOSP nel nuovo metodo di fabbricazione e algoritmo di elaborazione dei dati.

Oltre ai vantaggi sopra per il rilevamento della temperatura, Si-FOSP può anche essere sviluppato in una varietà di sensori di temperatura-correlati allo scopo di misurare diversi parametri, quali gas pressione¹¹, aria o acqua flusso^{12,13 ,14} e radiazione^4,15.  Questo articolo presenta una descrizione dettagliata del sensore protocolli di demodulazione di fabbricazione e segnale insieme a tre applicazioni rappresentative e dei loro risultati.

Protocollo

1. fabbricazione di sensori Low-Finesse

1. Fabbricare i pilastri di silicio. Un pezzo di wafer di silicio (DSP) 200-µm di spessore doppio-lato-lucidato del modello in pilastri di silicio standalone (Figura 2a), facilita l'utilizzo di fabbricazione standard del sistema micro-elettro-meccanici (MEMS).
   Nota: La cialda di fantasia è incollata su un wafer di silicio più grande un altro utilizzando un sottile strato di photoresist. La forza di incollaggio di photoresist è abbastanza forte per tenere i pilastri in posizione verticale, ma anche abbastanza debole per staccare dal substrato per i passaggi successivi.
2. Preparare la fibra di lead-in. Togliere il rivestimento di plastica dell'estremità distale di una fibra ottica monomodale. Pulire la sezione spogliata utilizzando un panno per lenti imbevuto con alcool. Fendere la fibra pulita utilizzando una mannaia della fibra ottica.
3. Applicare un sottile strato di colla UV-curable sulla parte frontale-della fibra fenduti lead-in (Figura 2b). Mettere una piccola goccia di colla UV-curable su un pezzo di vetro scorrevole. Sottile lo strato di colla da rivestimento per rotazione o oscillante manualmente il vetrino. Trasferire lo strato di colla alla fine fibra premendo il fronte dell'estremità della fibra lead-in contro il vetrino.
4. Collegare un pilastro di silicio all'estremità della fibra. Allineare la fibra di lead-in con uno dei pilastri di silicio, nel frattempo monitorare lo spettro di riflessione in tempo reale del silicio FPI utilizzando uno spettrometro. Utilizzare una lampada UV per curare la colla quando uno spettro soddisfacente è osservato (Figura 2C).
   Nota: In generale, il processo di polimerizzazione richiede circa 10-15 minuti.
5. Staccare il sensore dal substrato. Dopo il UV colla è completamente asciugato, sollevare la fibra di lead-in insieme al pilastro di silicio staccato dal substrato (figura 2d).
   Nota: Alcuni photoresist residuo è rimasto sulla superficie superiore del pilastro silicio (Figura 2e). Per la maggior parte dei casi, il photoresist residuo non influisce la funzione del sensore. Se necessario, lo strato di photoresist possa essere rimossi dall'alcool.
6. Esaminare la testa del sensore fabbricato. Utilizzare un microscopio per esaminare la geometria della testa del sensore fabbricato. Una tipica immagine di un sensore con successo fabbricato si vede in Figura 2f.

2. fabbricazione di sensori ad alta-Finesse

1. Ricoprire entrambi i lati di un wafer di silicio con specchi ad alta riflettività. Rivestire un lato un 75-µm di spessore doppio-lato-lucidato di wafer di silicio con un 150 nm spessore oro strato utilizzando una macchina di rivestimento sputtering ed il cappotto da altro lato con uno specchio dielettrico di alta riflettività (HR).
   Nota: Il rivestimento dielettrico di HR è stato fatto da una società esterna; riflettività di questo rivestimento è stato testato per essere non meno di 98% dalla società. Tuttavia, materiali dettagliate e la struttura del rivestimento sono sconosciute a causa della protezione brevettata dalla società, vedere la Tabella materiali per ulteriori informazioni.
2. Preparare la fibra collimato lead-in. Un breve tratto di fibra multi-mode graded-index (GI-MMF) con una fibra single-mode di giuntura e quindi, sotto un microscopio ottico, fendere il GI-MMF con un quarto del periodo della traiettoria luminosa all'interno il file MMF sinistra per formare un collimatore di fibra (Figura 3a ).
   Nota: Il GI-MMF è utilizzato per espandere il diametro del campo modale in modo che uno spettro con una migliore visibilità possa essere ottenuto^4,16. La lunghezza del GI-file MMF, che è circa 250 µm in questo lavoro, è esattamente un quarto del periodo della traiettoria ray.
3. Allegare un frammentato silicio rivestito doppio-lato alla fibra lead-in. Montare un sensore di alta finezza seguendo i passaggi simili di allegare un pilastro di silicio all'estremità della fibra per la realizzazione di sensori di basso-finesse (passaggi 1,3 – 1,5).
   Nota: Il lato con il rivestimento dielettrico sarà allegato al collimatore per lasciar entrare la luce prossima (Figura 3b, 3C). In questo caso, il pilastro di silicio precedente viene sostituito con un frammento di silicio, che non è stato modellato. In futuro, il wafer di silicio a motivi saranno rivestite con specchi ad alta riflettività, così che i sensori sono più uniforme e più facile per la fabbricazione. La differenza nelle fasi di fabbricazione di 1.3-1.5 è che una tacca di spettri di riflessione con adeguata visibilità dovrebbe essere ottenuta in primo luogo prima che la colla è stata trasferita alla faccia finale del collimatore.
4. Polacco il frammento di silicio di forma irregolare in una forma circolare utilizzando una fibra lucidatrice.
5. Esaminare la testa del sensore fabbricato. Utilizzare un microscopio per esaminare la testa del sensore per assicurarsi che si ottiene un'auspicabile forma circolare (figura 3d).

3. segnale demodulazione per basso-Finesse Si-FOSP

Nota: Il sistema utilizzato per demodulare il basso-finezza Si-FOSP è mostrato in Figura 4a. La seguente procedura dettagliata aiuta impostare il sistema ed eseguire il trattamento dei dati.

1. Collegare una fonte di C-banda a banda larga alla porta 1 di un circolatore ottico.
2. Splice porta 2 del circolatore ottico con la fibra di lead-in di un sensore di bassa-finezza.
3. Collegare porta 3 del circolatore ottico ad uno spettrometro ad alta velocità che comunica con un computer per l'archiviazione dei dati.
4. Controllare lo spettro del sensore per assicurarsi che il sistema funzioni correttamente. Vedere lo spettro tipico mostrato in Figura 4b.

4. segnale demodulazione per alta-Finesse Si-FOSP

Nota: Il sistema utilizzato per demodulare l'alto-finezza Si-FOSP è mostrato in Figura 5a. La seguente procedura dettagliata aiuterà a impostare il sistema e fare il post-processing dei dati.

1. Spazzare un laser sintonizzabile DFB utilizzando un controller di corrente.
   Nota: La tensione di picco-picco spazzare, che varia per laser differenti e controller, dovrebbe essere abbastanza grande per coprire la tacca di spettro.
2. Collegare l'uscita del laser sintonizzabile alla porta 1 di un circolatore ottico.
3. Splice porta 2 del circolatore ottico ad un sensore di alta finezza.
4. Collegare porta 3 del circolatore ottico ad una cellula fotoelettrica.
5. Utilizzare un dispositivo di acquisizione dati per leggere l'output della cellula fotoelettrica, che viene memorizzata da un computer.
6. Controllare lo spettro del sensore per assicurarsi che il sistema funzioni correttamente. Vedere una cornice tipica dello spettro mostrato in Figura 5b. Trovare la posizione di valle con un raccordo curva polinomiale.

Risultati

Si-FOSP come un termometro subacqueo per profilatura termoclini oceano
Ricerca oceanografica recente ha dimostrato che la sfocatura dell'immagine subacquea deriva non solo da torbidità nelle acque contaminate, ma anche dalle microstrutture di temperatura in pulito oceano^17,18. L'effetto di quest'ultimo è stato al centro di molti oceanografi, con l'obiettivo di trovare un modo efficace per correggere le immagi...

Discussione

La scelta delle dimensioni (lunghezza e diametro) del silicio FPI è fatta sul compromesso tra requisiti sulla risoluzione e velocità. In generale, una dimensione inferiore fornisce una maggiore velocità ma riduce anche la risoluzione². Una lunghezza corta è vantaggiosa per ottenere una velocità maggiore, ma non è superiore per ottenere una risoluzione elevata dovuto la FWHM espansa delle tacche riflessione. Uso di rivestimenti di HR per ridurre la FWHM può contribuire a migliorare la risolu...

Materiali

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