La termometria fotonica può aiutare a passare dal campo della metrologia della temperatura dalla tecnologia legacy basata sulla resistenza alle misurazioni basate sulla frequenza. Il vantaggio principale di questa tecnica è che possiamo sfruttare i progressi nella metrologia delle frequenze per effettuare misurazioni più precise mentre fabbricamo dispositivi che superano i limiti fisici della tecnologia attuale come dimensioni e sensibilità agli urti meccanici e ai cambiamenti ambientali. L'implicazione di questa tecnica si estende verso il cambiamento del modo in cui analizziamo negli Stati Uniti e nel mondo.
Un termometro fotonico ultra stabile ridurrà la necessità di calibrazioni frequenti. Lo sviluppo futuro di standard di temperatura optomeccanici può mettere lo standard di calibrazione nelle mani dell'utente eliminando la necessità di impianti di calibrazione specializzati. Generalmente, gli individui nuovi a questo metodo avranno difficoltà perché è un'intersezione di due campi divergenti che hanno entrambi la propria lingua, requisiti tecnologici e protocolli specializzati per massimizzare i risultati.
Qualsiasi nuovo utente deve imparare ad adattarsi e adattarsi a esigenze talvolta concorrenti. Per iniziare, pulire un wafer SOI come descritto nel protocollo di testo di accompagnamento. Rivestire il wafer con fotoresist dal tono negativo MA-N 2405 da 20 a 50 millilitri.
Ruotarlo a 4.000 giri/min per 60 secondi, quindi trasferire il wafer su una piastra calda e cuocerlo a 90 gradi Celsius per 15 minuti. Dopo la cottura, esporre il fotoresist al modello mostrato qui utilizzando una configurazione litografica standard del fascio E. Quindi posizionare il wafer nella soluzione per sviluppatori MIF 319 e incubarlo per 60 secondi.
Trasferire il wafer sviluppato in acqua e risciacquarlo per altri 60 secondi. Successivamente, eseguire un'incisione ICP RIE dello strato di silicio spesso 220 nanometri per rimuovere il silicio non protetto. Sciogliere la maschera di resistenza in acetone puro per un'ora, seguita da un risciacquo isopropanolo.
Quindi sciacquare il wafer per 60 secondi in acqua deionizzata e asciugare il wafer usando azoto. Ora riposizionare il wafer nello spin coater. Depositare uno strato superiore di pellicola polimerica protettiva spessa un nanometro sul wafer.
Infine, tagliare a dadini il wafer con una sega che detta wafer in 20 millimetri per 20 millimetri di piccole dimensioni e trucioli facili da maneggiare. Posizionare il chip fotonico sullo stadio a sei assi e orientare il chip in modo che le porte di ingresso e uscita su chip siano allineate con l'array di scanalature V. Quindi accendere l'aspirazione sottovuoto attraverso la porta di pompaggio del vuoto integrata sul palco per mantenere il truciolo in posizione.
Utilizzare la fotocamera digitale vista dall'alto per individuare e posizionare i dispositivi fotonici di interesse al centro dello stadio a sei assi. Ora posiziona il braccio del supporto dell'array di scanalature a V vicino al chip e usa l'aspirazione sottovuoto attraverso una porta di pompaggio integrata per mantenere l'array in posizione. Utilizzando le fotocamere digitali con vista laterale come feedback visivo, posizionare l'array di fibre sopra gli accoppiatori di gradiente su chip e sollevare il palco per portare il chip fotonico entro 10 micrometri dal bordo inferiore dell'array di fibre.
Il bordo dell'array di fibre di scanalatura V deve essere allineato approssimativamente entro una precisione da 50 a 100 micron rispetto ai segni di allineamento su chip. Questa procedura porta la fibra ottica all'interno di una relativa vicinanza degli accoppiatori di gradiente corrispondenti. Una volta che il chip è stato allineato approssimativamente, attivare la ricerca automatizzata per lo stadio a sei assi.
Questo algoritmo cerca la trasmissione massima della luce a banda larga attraverso le porte di ingresso e uscita del chip. Non dovrebbero essere necessario più di 20-30 secondi. Una volta raggiunto l'allineamento ottimale, controllare la fattibilità del dispositivo prima di procedere con l'incollaggio.
Utilizzando un programma come LabVIEW, controllare il modulo integrato sul palco per ciclo termico della temperatura del chip durante la registrazione della risposta spettrale. Analizzare gli spettri registrati dallo spettrometro laser per verificare la sensibilità alla temperatura del dispositivo. Abbassare lentamente l'array fino alla superficie del chip mentre si visualizza la fotocamera digitale della vista laterale.
Quindi, posizionare con cura la siringa riempita di epossidico in prossimità del bordo dell'array di fibre utilizzando un altro stadio di precisione di micron XYZ. Una volta in posizione, erogare una singola micro goccia di epossidica. Mentre l'epossidico si indurisce, eseguire periodicamente la routine di allineamento automatizzato per prevenire la perdita di segnale indotta dalla deriva.
Dopo le cure epossidice, testare le prestazioni del chip fotonico e l'efficienza di accoppiamento della luce registrando gli spettri di trasmissione a diverse temperature. L'efficienza dell'accoppiamento leggero aumenta in genere dopo il processo di incollaggio. Utilizzare circa un milligrammo di grasso termico per accoppiare termicamente il chip fotonico incollato in fibra a un piccolo cilindro di rame.
Quindi abbassare delicatamente il cilindro di rame del truciolo lungo un tubo di vetro. Una volta in posizione, riempire il tubo di vetro con gas argon e sigillare utilizzando un tappo di gomma. Quindi posizionare il termometro fotonico confezionato in una temperatura metrologica asciutta ben stabile all'interno di un micro Kelvin.
Utilizzando il programma per computer personalizzato, impostare il tempo di assestamento da 20 a 30 minuti, il numero di cicli termici su almeno tre e la dimensione del passo della temperatura compresa tra uno e cinque Celsius. Inoltre, impostare il numero di scansioni consecutive su almeno cinque e la potenza laser nel nanowatt sulla gamma dei microwatt. Come mostrato qui, gli spettri di trasmissione del risuonatore ad anello mostrano uno stretto tuffo nella trasmissione corrispondente alla condizione di risonanza ad ogni temperatura.
La frangia di risonanza passa a lunghezze d'onda più lunghe man mano che la temperatura aumenta da 20 Celsius a 105 Celsius in incrementi di cinque gradi Celsius. La nostra analisi preliminare dell'esperimento di ciclo termico suggerisce che i cambiamenti indotti dall'umidità nell'epossidico sono probabilmente il più grande driver di isteresi nei termometri fotonici confezionati e che i dispositivi non imballati non mostrano alcuna isteresi significativa. Inoltre, l'isteresi nel dispositivo confezionato può essere migliorato utilizzando l'epossidico idrofobico come essiccante per il tubo di vetro prima di sigillare una tenuta più stretta intorno alla giunzione in vetro di sughero di gomma.
Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare di ridurre al minimo qualsiasi contaminazione chimica dei campioni come l'umidità nel tubo confezionato poiché degrada gravemente la precisione di misurazione. Seguendo questa procedura, è possibile eseguire altri metodi come il bloccaggio laser o la spettroscopia a pettine a doppia frequenza per rispondere a ulteriori domande sulla stabilità a lungo termine di questi dispositivi, sul caricamento degli impulsi e sulla caratterizzazione delle proprietà fisiche termiche. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha spianato la strada ai ricercatori nel campo della metrologia per esplorare la metrologia di precisione per altre quantità fisiche e chimiche come l'analisi di pressione, vuoto e gas traccia nei sistemi embedded.
Non dimenticare che lavorare con sostanze chimiche aggressive in una stanza pulita e sorgenti luminose come i laser in laboratorio può essere estremamente pericoloso e precauzioni come l'uso di dispositivi di protezione individuale come occhiali laser dovrebbero sempre essere prese durante l'esecuzione di questa procedura.
