Name: fabrication and testing of photonic thermometers
Uploaded: 2018-10-24T12:30:00
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著者は NIST/CNST NanoFab 施設の実験設定の夜明けクロスとワイアット ミラー シリコン光温度センサーを作製する機会を提供するためご了承ください。

1. デバイスの作製
注: 絶縁体上シリコン (SOI) を用いた光デバイスを作製することができますウェーハ適用従来の CMOS 技術による写真- または誘導プラズマ反応性イオンに続いて電子ビーム露光 etch 220 nm 厚の最上位シリコンの (ICP 理恵)レイヤー。ICP RIE エッチング後デバイスは、高分子薄膜と SiO2保護層上部クラッドをすることができます。SOI フォトニック デバイ?...

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	<li>Price, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Platinum+resistance+Thermometer.">The Platinum resistance Thermometer.</a> Platinum Metals Review. 3 (3), 78-87 (1959).</li><li>Xu, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra-Sensitive+Chip-Based+Photonic+Temperature+Sensor+Using+Ring+Resonator+Structures.">Ultra-Sensitive Chip-Based Photonic Temperature Sensor Using Ring Resonator Structures.</a> Optics Express. 22, 3098-3104 (2014).</li><li>Donner, J. S., Thompson, S. A., Kreuzer, M. P., Baffou, G., Quidant, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+Intracellular+Temperatrure+Using+Green+Flurorescent+Protein.">Mapping Intracellular Temperatrure Using Green Flurorescent Protein.</a> Nano Letters. 12 (4), 2107-2111 (2012).</li><li>Ahmed, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+Photonics+Enabled+Quantum+Metrology+of+Temperature,+Pressure+and+Vacuum.">Towards Photonics Enabled Quantum Metrology of Temperature, Pressure and Vacuum.</a> arXiv:1603.07690 [physics.optics]. , (2016).</li><li>Ahmed, Z., Filla, J., Guthrie, W., Quintavall, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber+Bragg+Gratings+Based+Thermometry.">Fiber Bragg Gratings Based Thermometry.</a> NCSL International Measure. 10, 24-27 (2015).</li><li>Hill, K. O., Meltz, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber+Bragg+Grating+Technology+Fundamental+and+Overview.">Fiber Bragg Grating Technology Fundamental and Overview.</a> J. of Lightwave Technology. 15, 1263-1275 (1997).</li><li>Liacouras, P. C., Grant, G., Choudhry, K., Strouse, G. F., Ahmed, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber+Bragg+Gratings+Embedded+in+3D-printed+Scaffolds.">Fiber Bragg Gratings Embedded in 3D-printed Scaffolds.</a> NCSL International Measure. 10 (2), 50-52 (2015).</li><li>Klimov, N. N., Mittal, S., Berger, M., Ahmed, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-chip+silicon+waveguide+Bragg+grating+photonic+temperature+sensor.">On-chip silicon waveguide Bragg grating photonic temperature sensor.</a> Optical Letters. 40 (17), 3934-3936 (2015).</li><li>Klimov, N. N., Purdy, T., Ahmed, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-Chip+Silicon+Photonic+Thermometers:+from+Waveguide+Bragg+Grating+to+Ring+Resonators+sensors.">On-Chip Silicon Photonic Thermometers: from Waveguide Bragg Grating to Ring Resonators sensors.</a> Proceedings. , (2015).</li><li>Kim, G. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+photonic+temperature+sensor+employing+a+ring+resonator+manufactured+using+a+standard+CMOS+process.">Silicon photonic temperature sensor employing a ring resonator manufactured using a standard CMOS process.</a> Optical Express. 18 (21), 22215-22221 (2010).</li><li>Purdy, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermometry+with+Optomechanical+Cavities.">Thermometry with Optomechanical Cavities.</a> , STu1H.2 (2016).</li></ol>

この実験の目的は、フォトニック温度計の温度依存応答を定量化することでした。温度の定量的測定は、環境への深いドライも、小さなボリューム センサー、井戸とセンサーの間の良好な熱接触を確保し、熱を最小限に抑える計量標準グレードを失ったように安定した熱源を利用することをお勧めします。チップに光ファイバーを接合させることでこれらの要件を簡単に満たす、計測温度に...

最初、1871 年には、カレンダー1 1890 年に最初のデバイスの開発のサー シーメンスにより提案白金抵抗温度計、温度計測のためのゴールド スタンダードが使用されました。その時以来設計と温度計の製造進捗は幅広い温度計測ソリューションを提供してきました。標準白金抵抗温度計 (SPRT) は、国際温度目盛 (ITS-90) と抵抗温度測定を使用してその普及に向けた補間計器です。今日、その発明の後の世紀より多く抵抗温度測定は、重要な役割を果たしているバイオ医薬品に至る製造プロセス制御、エネルギー生産と消費産業やくらしの技術のさまざまな側面。よく校正工業用抵抗温度計は 10 ほどの不確定性を温度を測定できますが、mK 機械的衝撃、熱応力、湿度や化学汚染物質などの環境変数に敏感であります。その結果、抵抗温度計は、定期的 (かつ高価) オフライン recalibrations を必要とします。抵抗温度測定のこれらの基本的な制限は、機械的衝撃に対してより堅牢されてより良い測定機能 whislt のように伝えることができる光温度センサー2の開発にかなりの関心を生産しています。.このような devcie は、国内および産業研究所と長期モニタリング計測器のドリフトが生産性に悪影響することができますどこに興味のある方にアピールします。
近年さまざまな新規光温度計は感光性染料3、ウィスパリング ギャラリー モード共振器4、繊維光学センサー5,6、サファイアを用いたマイクロ波を含む提案されています。 7、およびチップのシリコン光・ センサー8,9,10。NIST で我々 の努力は、低コストで容易に展開可能な開発、新規温度センサー、CMOS 互換製造など、既存のテクノロジを使用して、容易に製造された標準を目指しています。特定焦点は、シリコンの光デバイスの開発をされています。我々 は、-40 ° C から 80 ° C とレガシ デバイス8に匹敵する不確実性で 165 ° C に 5 ° C の範囲で温度を測定するこれらのデバイスを使用することができることを実証しました。また、示唆されたより良いプロセス制御装置で、0.1 の ° C の不確実性の順序の互換性が達成 (すなわち公称係数ない校正を用いた温度計測の不確実性係数の決定).

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="672">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Packaging process</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:239px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">6-axis stage</td>
			<td style="width:99px;">PI instruments</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">video cameras</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">epoxy dispensation system</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Fiber array</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Temperature Measurement</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Metrology Well</td>
			<td style="width:99px;">Fluke</td>
			<td align="right" style="width:119px;">9170</td>
			<td>Dry well stable to better than .01 K</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Laser</td>
			<td style="width:99px;">Newport</td>
			<td style="width:119px;">TLB6700</td>
			<td>1520-1570 nm tunable laser</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:216px;">Wavemeter</td>
			<td style="width:99px;">HighFinesse</td>
			<td style="width:119px;">WS/7</td>
			<td>100 Hz wavemeter</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Power meter</td>
			<td style="width:99px;">Newport</td>
			<td style="width:119px;">1936-R</td>
			<td>power meter with broad range</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabrication and testing of photonic thermometers

近年では、通信のための新規シリコン光デバイスを開発するためのプッシュは洗練された光センサーの開発に活用されて今は膨大な知識ベースを生成しています。シリコン光センサーは、共振周波数の変化に物理的な状態の変更をヘッジホッグ ナノ導波路における光の強い閉じ込めを悪用しようとします。温度測定、場合熱光学係数、温度、屈折の変化すなわち、温度ドリフトにブラッグ回折格子など光デバイスの共振周波数が発生します。テレコムに至るまで管理された実験室の設定のさまざまな展開することができますコスト効果の高い光温度センサーを作製する互換性のある光源の最近の進歩を活用する光デバイスのスイートを開発しています。条件、工場床や住居のノイズの多い環境です。この原稿作製とフォトニック温度計のテストのための私たちのプロトコルを詳しく説明します。

図 2のように、リング共振器の透過スペクトルは共鳴条件に対応する伝送で狭いディップを示しています。共鳴のフリンジは、温度が 20 ° C から 105 ° C 5 ° C 単位に増加より長い波長にシフトします。透過スペクトルは、ピーク中心の抽出元となる多項式関数に装着です。オフセット誤差になりやすいローレンツやガウス フィットを作ることが?...

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Fabrication and Testing of Photonic Thermometers

フォトニック温度計のテストと作製プロセスについて述べる。

光温度計の作製と試験

In recent years, a push for developing novel silicon photonic devices for telecommunications has generated a vast knowledge base that is now being ...

フォトニックサーモメトリーは、温度計測の分野を抵抗ベースのレガシー技術から周波数ベースの測定に移行するのに役立ちます。この技術の主な利点は、機械的衝撃や環境変化に対するサイズや感度などの現在の技術の物理的な限界を克服するデバイスを製造しながら、周波数計測の進歩を活用して、より正確な測定を行うことができることです。この技術の意味は、米国と世界における分析方法の変化にまで及んでいます。超安定したフォトニック温度計は頻繁な口径測定のための必要性を減らす。光機械式の温度規格の将来の開発は、特殊な校正設備の必要性を排除するユーザーの手にキャリブレーション標準を置くことができます。一般的に、この方法に新しい個人は、独自の言語、技術要件、および結果を最大化するための専門的なプロトコルを持つ2つの発散フィールドの交差点であるため、苦労します。新しいユーザーは、競合する場合がある要件に適応し、調整することを学ぶ必要があります。まず、付属のテキストプロトコルに記載されているようにSOIウエハをクリーニングします。ウエハースに20~50ミリリットルのMA-N 2405陰性トーンフォトレジストを塗布します。4,000 RPMで60秒間回転させ、ウエハーをホットプレートに移し、摂氏90度で15分間焼きます。焼成後、標準のEビームリソグラフィ設定を使用して、ここに示すパターンにフォトレジストを露出させます。次に、ウエハーをMIF 319現像液に入れ、60秒間インキュベートします。開発したウエハーを水に移し、さらに60秒間リンスします。次に、厚さ220ナノメートルのシリコン層のICP RIEエッチを実行し、無保護シリコンを除去する。レジストマスクを純粋なアセトンに1時間溶解し、続いてイソプロパノールリンスを溶解します。次に、脱イオン水でウエハを60秒間リンスし、窒素を用いてウエハを乾燥させます。次に、ウエハーをスピンコーターに戻します。1ナノメートルの厚さの保護ポリマーフィルムの上層をウェハに付着する。最後に、ウエハーダイシングソーでウエハースを小さく20ミリメートル、取り扱いやすいチップに目を向けます。フォトニックチップを6軸ステージに配置し、チップの向きをオンチップの入力ポートと出力ポートがV溝アレイに合わせるようにします。その後、ステージ上の統合真空ポンプポートを通して真空吸引をオンにしてチップを所定の位置に保持します。トップビューのデジタルカメラを使用して、目的のフォトニックデバイスを6軸ステージの中央に配置します。V溝アレイホルダーアームをチップの近くに配置し、統合されたポンプポートを通して真空吸引を使用してアレイを所定の位置に保持します。サイドビューデジタルカメラを視覚的なフィードバックとして使用し、オンチップの勾配カプラの上にファイバーアレイを配置し、ステージを上げて光度チップをファイバアレイの底辺から10マイクロメートル以内に収めます。V溝ファイバーアレイのエッジは、オンチップアライメントマークに対して50〜100ミクロンの精度でほぼ整列する必要があります。この手順では、光ファイバは、対応する勾配結合子の相対的近接性内に持ち込みます。チップがほぼ整列したら、6 軸ステージの自動検索を有効にします。このアルゴリズムは、チップの入力ポートと出力ポートを介した広帯域光の最大伝送を検索します。20 ~ 30 秒以下で終了する必要があります。最適なアライメントが達成されたら、ボンディングを続行する前にデバイスの実行可能性を確認します。LabVIEWのようなプログラムを使用して、オンステージの内蔵モジュールを制御して、スペクトル応答を記録しながらチップの温度を熱的にサイクルします。レーザー分光計から記録されたスペクトルを分析し、デバイスの温度感度を確認します。サイドビューのデジタルカメラを見ながら、ゆっくりとチップの表面までアレイを下げます。次に、別のXYZミクロン精度の段階を使用して、ファイバーアレイの端近くにエポキシ充填シリンジを慎重に配置します。一度位置に、エポキシの単一のマイクロ液滴を分配する。エポキシが硬化している間、定期的に信号のドリフト誘発損失を防ぐために自動アライメントルーチンを実行します。エポキシの硬化後、異なる温度で伝送スペクトルを記録することにより、フォトニックチップの性能と光結合効率をテストします。光結合効率は、典型的には、接合プロセス後に増加する。約1ミリグラムのサーマルグリースを使用して、繊維結合フォトニックチップを小さな銅製のシリンダーに熱的に結合します。その後、チップ銅シリンダーをガラス管にそっと下げます。一度位置に、バックアルゴンガスでガラス管を充填し、ゴムコルクを使用してそれを密封します。その後、パッケージ化されたフォトニック温度計を1マイクロケルビン内に安定した測定温度乾燥状態に置きます。カスタム構築されたコンピュータプログラムを使用して、セトリング時間を20〜30分、熱サイクルの数を少なくとも3分に、温度ステップサイズを1~5°Cに設定します。また、連続するスキャンの数を少なくとも5回に、ナノワットのレーザーパワーをマイクロワットの範囲に設定します。ここに示すように、リング共振器透過スペクトルは、各温度における共振条件に対応する透過の狭いディップを示す。温度が摂氏5度刻みで摂氏20°Cから105°Cに増加するにつれて、共鳴フリンジはより長い波長にシフトします。熱サイクル実験の予備的な分析は、エポキシの湿度誘発変化がパッケージフォトニック温度計におけるヒステリシスの最大のドライバーである可能性が高く、未包装デバイスが有意なヒステリシスを示さないことを示唆している。さらに、パッケージ化された装置のヒステリシスはゴムコルクガラス接合のまわりでより堅いシールを密封する前にガラス管への乾燥剤として疎水性エポキシを使用することによって改善することができる。この手順を試みる間、それは深刻な測定精度を低下させるので、パッケージチューブ内の水分などのサンプルの化学的汚染を最小限に抑えることを覚えておくことが重要です。この手順に従って、レーザーロックやデュアル周波数コム分光法のような他の方法は、これらのデバイスの長期安定性、インパルスローディング、および熱物性特性の特性に関する追加の質問に答えるために実行することができます。その開発後、この技術は、組み込みシステムの圧力、真空および微量ガス分析などの他の物理的および化学的量の精密測定を探求する計測分野の研究者のための道を開いた。クリーンルームで過酷な化学物質を使用し、実験室でレーザーなどの明るい光源を使用することは非常に危険であり、レーザーゴーグルなどの個人用保護具の使用などの予防措置は、常にこの手順を実行しながら取る必要があることを忘れないでください。

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