Name: fabrication and testing of photonic thermometers
Uploaded: 2018-10-24T12:30:00
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저자는 실험 설정에 실리콘 광 온도 센서와 와이어 트 밀러와 새벽 십자가 조작 하는 기회를 제공 하기 위한 NIST/CNST NanoFab 시설을 인정 합니다.

1. 장치 제조
참고: 광학 장치는 실리콘에 절연체 (SOI)를 사용 하 여 날조 될 수 있다 실리콘 웨이퍼 적용 기존의 CMOS 기술을 통해 사진-또는 전자 빔 리소 그래피 뒤에 유도 플라즈마 반응성 이온 에칭 (ICP 리에) 220 nm 두꺼운 맨 위 실리콘의 레이어입니다. ICP 리에 에칭 후 장치 상단-cladded 얇은 폴리머 필름 또는 SiO2 보호 층을 될 수 있습니다. 다음은 소이 광학 장치의 제?...

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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>

이 실험의 목적은 광 온도계의 온도 의존 응답 계량 했다. 온도의 정량적 측정을 위해 그것은 계측 학년 잘, 작은 볼륨 센서, 우물 및 센서, 사이 좋은 열 접촉을 확인 하 고 열을 최소화 깊은 건조 환경에 지 면과 같은 안정적인 열원 활용 하. 칩 광학 섬유를 결합 하 여 이러한 요구 사항을 쉽게 충족, 효과적으로 포장된 장치를 만드는 낮아질 수 있습니다 깊은 계측 온도에 잘. 유리 튜브에 구리 실?...

골드 표준 백 금 저항 온도계, 온도 계측에 대 한 처음 제안 했다 선생님 지멘스에 의해 1871 년에 Callender1 1890 년에는 첫 번째 장치를 개발. 그 이후로 디자인 및 온도계의 제조에서 증분 진행률 측정 솔루션 다양 한 온도 전달 했다. 표준 백 금 저항 온도계 (SPRT) 국제 온도 눈금 (ITS-90)와 저항 thermometry를 사용 하 여 그 보급을 실현 하기 위한 인터폴 레이 팅 악기입니다. 오늘, 그것의 발명품 후에 세기 이상 저항 thermometry 산업 및 일상 생활 기술 제조 공정 제어, 에너지 생산 및 소비에 이르는 의학에서의 다양 한 측면에서 중요 한 역할을 하고있다. 잘 보정 산업용 저항 온도계 불확실성 10 작은 온도 측정할 수 있지만 mK, 그들은 기계적 충격, 열 스트레스와 습도, 화학 오염 물질 등 환경 변수. 따라서, 저항 온도계 정기 (및 비싼) 오프 라인 하지 필요합니다. 광 온도 센서2 기계적 충격에 대 한 더 강력한 되는 더 나은 측정 기능 whislt와 비슷한 제공할 수 있는 개발에 상당한 관심을 생산 하는 저항 thermometry의 이러한 근본적인 한계 . 이러한 devcie 국가 산업 연구소와 악기 드리프트 생산성 저하 시킬 수 있습니다 장기 모니터링에 관심이 게 호소 합니다.
최근 몇 년 동안에서 다양 한 소설 광 온도계 제안 감광 성 염료3, 갤러리 모드 공4, 섬유 광섬유 센서5,6, 속삭이는 사파이어 기반 전자 레인지 등 7, 그리고 칩에 실리콘 나노 광학 센서8,,910. NIST에서 우리의 노력 낮은-비용, 쉽게 구축 개발, 새로운 온도 센서 및 CMOS 호환 제조 등의 기존 기술을 사용 하 여 쉽게 제조한 표준 겨냥 된다. 특히 초점 실리콘 광자 장치 개발 되었습니다. 우리가 이러한 장치 범위-40 ° C ~ 80 ° C 및 레거시 장치8비교할 불확실성 165 ° C에 5 ° C의 온도 측정을 사용할 수 있습니다 설명 했다. 또한, 우리의 결과 것이 좋습니다 더 나은 프로세스 제어 장치와 호환성 0.1 ° C 불확실성 순서 달성 (공칭 계수 보정 하지를 사용 하 여 온도 측정의 불확실성 즉, 결정 계수 ).

<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

최근 몇 년 동안, 통신에 대 한 새로운 실리콘 광자 장치 개발에 대 한 추진 정교한 광학 센서 개발에 활용 되 고 지금 않는 광대 한 기술 자료를 생성 했다. 실리콘 광 센서 공명 주파수에 변화에 물리적 상태에서 변화 transduce 하 나노도 빛의 강한 감을 악용을 추구 합니다. Thermometry, 경우 열 광학 계수, 즉, 온도, 굴절 인덱스에 변화는 브래그 격자 온도 드리프트 등 광학 소자의 공 진 주파수를 발생 합니다. 우리는 다양 한 설정 제어 실험실에서 배열에 배포할 수 있는 비용 효율적인 광 온도 센서를 조작 하 통신 호환 광원의 최근 발전을 활용 하는 광학적 장치 제품군 개발 조건, 공장 바닥 또는 거주지의 시끄러운 환경에. 이 원고에 우리는 제조 및 광 온도계의 테스트에 대 한 우리의 프로토콜 세부.

그림 2에서처럼 링 공 진 기 전송 스펙트럼 공명 조건에 해당 하는 전송에 좁은 수영을 보여줍니다. 온도 20 ° C에서 5 ° C 단위로 105 ° C 증가으로 긴 파장에 공명 프린지 이동 합니다. 전송 스펙트럼 피크 센터를 추출할 다항식 함수에 장착 되어 있습니다. 맞는 다항식 Lorentzian 또는 가우스 맞춤 오류를 상쇄 하는 경향이 할 수 있는 경사진 기준선의 가...

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Fabrication and Testing of Photonic Thermometers

우리는 제조 과정 및 광 온도계의 테스트 설명 합니다.

제조 및 광 온도계의 테스트

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

포토닉 온도측정은 저항 기반 레거시 기술에서 주파수 기반 측정으로 온도 계측 분야를 전환하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 주파수 계측의 발전을 활용하여 보다 정밀한 측정을 하는 동시에 기계적 충격 및 환경 변화에 대한 크기 및 감도 와 같은 현재 기술의 물리적 한계를 극복하는 장치를 제작할 수 있다는 것입니다. 이 기술의 의미는 미국과 세계에서 우리가 분석하는 방식을 바꾸는 쪽으로 확장됩니다.매우 안정적인 광장 온도계는 빈번한 교정의 필요성을 줄일 수 있습니다. 향후 광채 온도 표준의 개발은 교정 표준을 사용자 손에 넣어 전문 교정 시설의 필요성을 제거할 수 있습니다. 일반적으로 이 방법을 새로 사용하는 개인은 자신의 언어, 기술 요구 사항 및 결과를 극대화하기 위한 특수 프로토콜을 가진 두 개의 서로 다른 분야의 교차점이기 때문에 어려움을 겪게 됩니다.모든 새 사용자는 때때로 경쟁하는 요구 사항에 적응하고 적응하는 법을 배워야 합니다. 먼저 함께 제공되는 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 SOI 웨이퍼를 청소합니다. 웨이퍼를 20~50밀리리터 MA-N 2405 네거티브 톤 포토레지스트로 코팅합니다.4, 000 RPM에서 60초 간 회전한 다음 웨이퍼를 핫 플레이트로 옮기고 섭씨 90도에서 15분 동안 굽습니다. 베이킹 후 표준 E-빔 리소그래피 설정을 사용하여 여기에 표시된 패턴에 포토 레지스트를 노출합니다. 그런 다음 웨이퍼를 MIF 319 개발자 솔루션에 넣고 60초 동안 인큐베이션합니다.개발된 웨이퍼를 물에 옮기고 60초 더 헹구습니다. 다음으로, 보호되지 않은 실리콘을 제거하기 위해 220 나노미터 두께의 실리콘 층의 ICP RIE 에칭을 수행한다. 저항 마스크를 순수 아세톤으로 1시간 간 녹인 다음 이소프로판올 린스를 녹입니다.그런 다음 웨이퍼를 60초 동안 산화된 물에 헹구고 질소를 사용하여 웨이퍼를 건조시다. 이제 웨이퍼를 스핀 코터에 다시 넣습니다. 웨이퍼에 1 나노미터 두께의 보호 폴리머 필름 상부 층을 증착한다.마지막으로 웨이퍼 다이딩으로 웨이퍼를 20mm~ 20mm 로 작고 쉽게 칩을 처리할 수 있습니다. 포토닉 칩을 6축 단계에 배치하고 칩을 방향을 지정하여 온칩 입력 및 출력 포트가 V 홈 어레이와 정렬되도록 합니다. 그런 다음 단계 통합 진공 펌핑 포트를 통해 진공 흡입을 켜서 칩을 제자리에 고정시하십시오.상단 뷰 디지털 카메라를 사용하여 6축 단계의 중앙에 관심 있는 포토닉 장치를 찾아 놓습니다. 이제 V 홈 어레이 홀더 암을 칩 에 가깝게 배치하고 통합 펌핑 포트를 통해 진공 흡입을 사용하여 배열을 제자리에 고정시합니다. 측면 뷰 디지털 카메라를 시각적 피드백으로 사용하여 온칩 그라데이션 커플러 위에 섬유 배열을 배치하고 스테이지를 올려 광장 칩을 섬유 어레이의 하단 가장자리의 10 마이크로미터 이내로 가져옵니다.V 홈 파이버 어레이의 모서리는 온칩 정렬 마크에 비해 50~ 100미크로른 정확도 내에서 대략 정렬되어야 합니다. 이 절차는 해당 그라데이션 커플러의 상대적인 근접 내에서 광섬유를 가져옵니다. 칩이 대략 정렬되면 6축 단계에 대한 자동 검색을 활성화합니다.이 알고리즘은 칩의 입력 및 출력 포트를 통해 광대역 광의 최대 전송을 검색합니다. 20~30초이상이 걸리지 않습니다. 최적의 정렬이 완료되면 본딩을 진행하기 전에 장치 실행 가능성을 확인합니다.LabVIEW와 같은 프로그램을 사용하여 단계 별 통합 모듈을 제어하여 스펙트럼 응답을 기록하는 동안 칩의 온도를 열로 순환시합니다. 레이저 분광계에서 기록된 분광계를 분석하여 장치의 온도 감도를 확인합니다. 사이드 뷰 디지털 카메라를 보면서 어레이를 칩 표면으로 천천히 낮춥니다.다음으로, 다른 XYZ 미크론 정밀 스테이지를 사용하여 에폭시 충전 주사기를 섬유 어레이의 가장자리에 가까이 배치합니다. 일단 위치에, 에폭시의 단일 마이크로 방울을 분배. 에폭시가 경화하는 동안, 주기적으로 자동 정렬 루틴을 실행하여 드리프트 유도 신호 손실을 방지합니다.에폭시 경화 후, 다른 온도에서 전송 스펙트럼을 기록하여 광칩 성능과 광 커플링 효율을 테스트한다. 광 커플링 효율은 일반적으로 본딩 공정 후에 증가합니다. 약 1밀리그램의 열 그리스를 사용하여 섬유 보딩 포토닉 칩을 작은 구리 실린더에 열로 결합합니다.그런 다음 칩 구리 실린더를 유리 튜브 아래로 부드럽게 낮춥춥시게 합니다. 일단 위치에, 다시 아르곤 가스로 유리 튜브를 채우고 고무 코르크를 사용하여 밀봉. 그런 다음 포장 된 광장 온도계를 하나의 마이크로 켈빈 내에서 잘 안정적으로 건조 하는 계측 온도에 놓습니다.사용자 지정 기반 컴퓨터 프로그램을 사용하여 20~30분 동안 정착 시간, 열 주기 수를 3분 이상으로 설정하고 온도 단계 크기를 섭씨 1~5도 사이로 설정합니다. 또한, 연속 스캔 수를 최소 5개 이상으로 설정하고 나노와트에서 마이크로와트 범위까지 레이저 전력을 설정한다. 여기에 도시된 바와 같이, 링 공진기 전송 스펙트럼은 각 온도에서 공명 조건에 대응하는 전송의 좁은 딥을 나타낸다.온도가 섭씨 20°C에서 섭씨 105°C로 5도 상승함에 따라 공명 프린지가 더 긴 파장으로 이동합니다. 열 순환 실험의 우리의 예비 분석은 에폭시의 습도 유도 된 변화가 포장 된 광장 온도계에서 히스테리시스의 가장 큰 동인일 가능성이 있으며 포장되지 않은 장치가 중요한 히스테리시스를 보여주지 않는다는 것을 시사합니다. 또한, 포장된 장치의 히스테리시스는 고무 코르크 유리 접합부 주변의 단단한 씰을 밀봉하기 전에 유리 튜브에 건조제로 소수성 에폭시를 사용하여 개량화될 수 있다.이 절차를 시도하는 동안, 그것은 심각하게 측정 정확도를 저하하기 때문에 포장 튜브의 습기와 같은 샘플의 화학 오염을 최소화하는 것이 중요하다. 이 절차에 따라 레이저 잠금 또는 이중 주파수 빗 분광법과 같은 다른 방법은 이러한 장치의 장기적인 안정성, 임펄스 로딩 및 열 물리적 특성의 특성화에 대한 추가 질문에 답하기 위해 수행 될 수 있습니다. 개발 후, 이 기술은 계측 분야의 연구원들이 임베디드 시스템의 압력, 진공 및 미량 가스 분석과 같은 다른 물리적 및 화학 적 수량에 대한 정밀 계측을 탐구할 수 있는 길을 열었습니다.클린 룸에서 가혹한 화학 물질과 실험실의 레이저와 같은 밝은 광원으로 작업하는 것은 매우 위험할 수 있으며 레이저 고글과 같은 개인 보호 장비의 사용과 같은 예방 조치는 항상이 절차를 수행하는 동안 취해야한다는 것을 잊지 마십시오.

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화학

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