Name: a silicon-tipped fiber-optic sensing platform with high resolution and fast response
Uploaded: 2019-01-07T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response at JoVE.com

Dit werk werd gesteund door de Amerikaanse Naval Research Laboratory (Nos. N0017315P0376, N0017315P3755); Amerikaanse Office of Naval Research (Nos. N000141410139, N000141410456); US Department of Energy (Nos. DE-SC0018273, DE-AC02-09CH11466, DE-AC05-00OR22725).

1. fabricage van Low-Finesse sensoren
<ol><li>De pijlers van silicium te fabriceren. Patroon van een stuk van 200 µm-dikke dubbele-side-gepolijst (DSP) silicium wafer in standalone silicon pijlers (Figuur 2a), met behulp van standaard micro-elektromechanisch systeem (MEMS) fabricage vergemakkelijkt. Opmerking: Het patroon wafer is gebonden op een andere grotere silicium wafer met behulp van een dun laagje fotoresist. De kracht van de hechting van de fotoresist is sterk genoeg om te hou...

<ol>
	<li>Lee, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+the+present+status+of+optical+fiber+sensors.">Review of the present status of optical fiber sensors.</a> Optical Fiber Technology. 9, 57-79 (2003).</li><li>Liu, G., Han, M., Hou, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-resolution+and+fast-response+fiber-optic+temperature+sensor+using+silicon+Fabry-Perot+cavity.">High-resolution and fast-response fiber-optic temperature sensor using silicon Fabry-Perot cavity.</a> Optics Express. 23, 7237-7247 (2015).</li><li>Hatta, A. M., Rajan, G., Semenova, Y., Farrell, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=SMS+fibre+structure+for+temperature+measurement+using+a+simple+intensity-based+interrogation+system.">SMS fibre structure for temperature measurement using a simple intensity-based interrogation system.</a> Electronics Letters. 45, 1069 (2009).</li><li>Sheng, Q., Liu, G., Reinke, M. L., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+fiber-optic+bolometer+based+on+a+high-finesse+silicon+Fabry-Perot+interferometer.">A fiber-optic bolometer based on a high-finesse silicon Fabry-Perot interferometer.</a> Review of Scientific Instruments. , 065002 (2018).</li><li>Ding, M., Wang, P., Brambilla, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fast-response+high-temperature+microfiber+coupler+tip+thermometer.">Fast-response high-temperature microfiber coupler tip thermometer.</a> IEEE Photonics Technology Letters. 24, 1209-1211 (2012).</li><li>Berthold, J. W., Reed, S. E., Sarkis, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reflective+fiber+optic+temperature+sensor+using+silicon+thin+film.">Reflective fiber optic temperature sensor using silicon thin film.</a> Optical Engineering. 30, 524-528 (1991).</li><li>Kajanto, I., Friberg, A. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+silicon-based+fibre-optic+temperature+sensor.">A silicon-based fibre-optic temperature sensor.</a> Journal of Physics E: Scientific Instruments. 21, 652-656 (1988).</li><li>Schultheis, L., Amstutz, H., Kaufmann, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber-optic+temperature+sensing+with+ultrathin+silicon+etalons.">Fiber-optic temperature sensing with ultrathin silicon etalons.</a> Optics Letters. 13, 782-784 (1988).</li><li>Zhang, S., 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=Temperature+characteristics+of+silicon+core+optical+fiber+Fabry-Perot+interferometer.">Temperature characteristics of silicon core optical fiber Fabry-Perot interferometer.</a> Optics Letters. 40, 1362-1365 (2015).</li><li>Cocorullo, G., Corte, F. G. D., Iodice, M., Rendina, I., Sarro, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+temperature+all-silicon+micro-sensor+based+on+the+thermo-optic+effect.">A temperature all-silicon micro-sensor based on the thermo-optic effect.</a> IEEE Transactions on Electron Devices. 44, 766-774 (1997).</li><li>Liu, G., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber-optic+gas+pressure+sensing+with+a+laser-heated+silicon-based+Fabry-Perot+interferometer.">Fiber-optic gas pressure sensing with a laser-heated silicon-based Fabry-Perot interferometer.</a> Optics Letters. 40, 2461-2464 (2015).</li><li>Liu, G., Hou, W., Qiao, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fast-response+fiber-optic+anemometer+with+temperature+self-compensation.">Fast-response fiber-optic anemometer with temperature self-compensation.</a> Optics Express. 23, 13562-13570 (2015).</li><li>Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+fiber+vector+flow+sensor+based+on+a+silicon+Fabry-Perot+interferometer+array.">Optical fiber vector flow sensor based on a silicon Fabry-Perot interferometer array.</a> Optics Letters. 41, 4629-4632 (2016).</li><li>Liu, G., Sheng, Q., Geraldo, R. L. P., Hou, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+fiber-optic+water+flow+sensor+based+on+laser-heated+silicon+Fabry-Perot+cavity.">A fiber-optic water flow sensor based on laser-heated silicon Fabry-Perot cavity.</a> Proceedings of SPIE. 9852, 98521B (2016).</li><li>Reinke, M. L., Han, M., Liu, G., Gv Eden, G., Evenblij, R., Haverdings, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+plasma+bolometers+using+fiber-optic+temperature+sensors.">Development of plasma bolometers using fiber-optic temperature sensors.</a> Review of Scientific Instruments. 87, 11E708 (2016).</li><li>Zhang, Y., 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=Fringe+visibility+enhanced+extrinsic+Fabry-Perot+interferometer+using+a+graded+index+fiber+collimator.">Fringe visibility enhanced extrinsic Fabry-Perot interferometer using a graded index fiber collimator.</a> IEEE Photonics Journal. 2, 469-481 (2010).</li><li>Hou, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Ocean sensing and monitoring. , (2013).</li><li>Hou, W., Woods, S., Jarosz, E., Goode, W., Weidemann, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+turbulence+on+underwater+image+degration+in+natural+environments.">Optical turbulence on underwater image degration in natural environments.</a> Applied Optics. 51, 2678-2686 (2012).</li><li>Hou, W., Jarosz, E., Woods, S., Goode, W., Weidemann, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impacts+of+underwater+turbulence+on+acoustical+and+optical+signals+and+their+linkage.">Impacts of underwater turbulence on acoustical and optical signals and their linkage.</a> Optics Express. 21, 4367-4375 (2013).</li><li>Nootz, G., Jarosz, E., Dalgleish, F. R., Hou, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantification+of+optical+turbulence+in+the+ocean+and+its+effects+on+beam+propagation.">Quantification of optical turbulence in the ocean and its effects on beam propagation.</a> Applied Optics. 55, 8813-8820 (2016).</li><li>Nootz, G., Matt, S., Kanaev, A., Judd, K., Hou, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+and+numerical+study+of+underwater+beam+propagation+in+a+Rayleigh-B&#233;nard+turbulence+tank.">Experimental and numerical study of underwater beam propagation in a Rayleigh-B&#233;nard turbulence tank.</a> Applied Optics. 56, 6065-6072 (2017).</li><li>Matt, S., 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=A+controlled+laboratory+environment+to+study+EO+signal+degradation+due+to+underwater+turbulence.">A controlled laboratory environment to study EO signal degradation due to underwater turbulence.</a> Proceedings of SPIE. 9459, 94590H (2015).</li><li>Han, M., Liu, G., Hou, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber-optic+temperature+and+flow+sensor+system+and+methods.">Fiber-optic temperature and flow sensor system and methods.</a> U.S. Patent. , (2018).</li><li>Kallenbach, A., 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=Impurity+seeding+for+tokamak+power+exhaust:+from+present+devices+via+ITER+to+DEMO.">Impurity seeding for tokamak power exhaust: from present devices via ITER to DEMO.</a> Plasma Physics and Controlled Fusion. 55, 124041 (2013).</li><li>. Alcator C-Mod Available from: <a target="_blank" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alcator_C-Mod_Tokamak_Interior.jpg">https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alcator_C-Mod_Tokamak_Interior.jpg</a> (2018)</li><li>Meister, H., Willmeroth, M., Zhang, D., Gottwald, A., Krumrey, M., Scholze, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Broad-band+efficiency+calibration+of+ITER+bolometer+prototypes+using+Pt+absorbers+on+SiN+membranes.">Broad-band efficiency calibration of ITER bolometer prototypes using Pt absorbers on SiN membranes.</a> Review of Scientific Instruments. 84, 123501 (2013).</li><li>Peterson, B. J., 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=Development+of+imaging+bolometers+for+magnetic+fusion+reactors.">Development of imaging bolometers for magnetic fusion reactors.</a> Review of Scientific Instruments. 79, 10E301 (2008).</li><li>Liu, G., Sheng, Q., Dam, D., Hua, J., Hou, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-gauged+fiber-optic+micro-heater+with+an+operation+temperature+above+1000+&#176;C.">Self-gauged fiber-optic micro-heater with an operation temperature above 1000 &#176;C.</a> Optics Letters. 42, 1412-1415 (2017).</li><li>Liu, G., Hou, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unambiguous+peak+recognition+for+a+silicon+Fabry-Perot+interferometric+temperature+sensor.">Unambiguous peak recognition for a silicon Fabry-Perot interferometric temperature sensor.</a> Journal of Lightwave Technology. 36, 1970-1978 (2018).</li><li>Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Han, M., High-resolution, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-resolution,+large+dynamic+range+fiber-optic+thermometer+with+cascaded+Fabry-Perot+cavities.">High-resolution, large dynamic range fiber-optic thermometer with cascaded Fabry-Perot cavities.</a> Optics Letters. 41, 5134-5137 (2016).</li></ol>

De keuze van de grootte (lengte en diameter) van het silicium FPI is gedaan bij de afweging tussen eisen over de resolutie en snelheid. In het algemeen een kleiner formaat zorgt voor een hogere snelheid maar vermindert ook de oplossing2. Een korte lengte is gunstig voor het verkrijgen van een hogere snelheid, maar het is niet superieur voor het verkrijgen van een hoge resolutie als gevolg van de uitgebreide FWHM van de inkepingen van de reflectie. Met behulp van HR coatings te verminderen de FWHM ...

Glasvezel sensoren (FOSs) geweest de focus voor veel onderzoekers als gevolg van zijn unieke eigenschappen, zoals de geringe grootte, zijn low-cost zijn lichte gewicht en de immuniteit voor elektromagnetische interferentie (EMI)1. Deze FOSs heb brede toepassingen in vele gebieden, zoals milieubewaking, Oceaan surveillance, olie-exploratie en industrieel proces onder andere. Als het gaat om de temperatuur-gerelateerde sensing, zijn niet de traditionele FOSs superieur in termen van resolutie en snelheid voor de gevallen waar meting van notulen en snelle temperatuurschommelingen wenselijk is. Deze beperkingen vloeien voort uit de optische en thermische eigenschappen van het materiaal van de gesmolten siliciumdioxide waarop vele traditionele FOSs zijn gebaseerd. Aan de ene kant de thermo-optic coëfficiënt (TOC) en thermische uitzetting coëfficiënt (TEC) van silica zijn 1.28x10-5 RIU / ° C en 5.5x10-7 m/(m·°C), respectievelijk; deze waarden leiden tot een temperatuur gevoeligheid van slechts ongeveer 13 pm / ° C rond de golflengte van 1550 nm. Aan de andere kant, de thermische richtgetal, die is een maat voor de snelheid van de temperatuur wijzigen in reactie op thermische energie-uitwisseling, is alleen 1.4x10-6 m2/s voor silica; Deze waarde is niet superieur voor verbetering van de snelheid van silica gebaseerde FOSs.
De glasvezel sensing platform (FOSP) gemeld in dit artikel breekt de bovenstaande beperkingen van gesmolten siliciumdioxide gebaseerde FOSs. De nieuwe FOSP maakt gebruik van kristallijn silicium als de sleutel sensing materiaal, dat een kwalitatief hoogwaardige Fabry-Pérot-interferometer (FPI) op het einde van de vezel vormt, hier silicium-tipped FOSP (Si-FOSP) genoemd. Figuur 1 toont de schematische en operationele principe van de sensor-hoofd, dat de kern van de Si-FOSP is. Het hoofd van de sensor bestaat hoofdzakelijk uit een silicium FPI, waarvan reflectie spectrum beschikt over een reeks periodieke franjes. Destructieve storing treedt op wanneer de OPL voldoet aan 2nL = Nλ, waar n en L de brekingsindex en de lengte van de silicon FP Holte, respectievelijk zijn, en N is een geheel getal dat de volgorde van de fringe inkeping. Daarom zijn de standpunten van de interferentie marge inspelen op de OPL van de silicium-holte. Afhankelijk van de specifieke toepassingen, het silicium FPI kan worden gemaakt in twee typen: laag-finesse FPI en hoge-finesse FPI. De lage-finesse FPI heeft een lage reflectiecoëfficiënt voor beide uiteinden van de silicium-Holte, terwijl de hoge-finesse FPI een hoge reflectiviteit voor beide uiteinden van de silicium-Holte heeft. De reflectiecoëfficiënt van silicium-lucht en silicium-vezel interfaces zijn ongeveer 30% en 18%, dus de enige silicium FPI weergegeven in Figuur 1a is in wezen een lage-finesse FPI. Een hoge-finesse silicon die FPI is gevormd door de coating een dunne hoge-reflectiviteit (HR) laag aan beide uiteinden, (Figuur 1b). Reflectiviteit van de HR-coating (diëlektricum of goud) kunnen maar liefst 98 procent zijn. Voor beide soorten Si-FOSP toenemen n zowel L wanneer de temperatuur stijgt. Dus, door monitoring van de verschuiving van de rand, de variatie van de temperatuur kan worden afgeleid. Merk op dat voor de zelfde hoeveelheid golflengte shift, de hoge-finesse FPI een betere discriminatie als gevolg van de veel smaller fringe inkeping (Figuur 1 c geeft). Terwijl de hoog-finesse Si-FOSP betere resolutie, heeft de lage-finesse Si-FOSP een groter dynamisch bereik. De keuze tussen deze twee versies is daarom, afhankelijk van de vereisten van een specifieke toepassing. Bovendien, vanwege het grote verschil in de volle breedte op halve maximum (FWHM) van de lage-finesse en hoge-finesse silicium FPIs, hun signaal demodulatie methoden zijn verschillend. Bijvoorbeeld de theoretische FWHM van 1.5 nm is met verlaagd over 50 keer naar slechts 30 pm wanneer beide uiteinden van het enige silicium FPI zijn bekleed met een laag van de HR 98%. Daarom, voor de lage-finesse Si-FOSP, een snelle spectrometer voldoende zou zijn voor de gegevensverzameling en -verwerking, terwijl een scan laser moet worden gebruikt voor het demodulate van de hoge-finesse Si-FOSP als gevolg van de veel smaller FWHM dat kan worden opgelost door goed de spectrometer. De twee demodulatie methoden worden beschreven in het protocol.
Het siliconen materiaal gekozen hier is superieur voor temperatuur sensing in termen van resolutie. Ter vergelijking zijn de TOC en TEC van silicium 1.5x10-4 RIU / ° C en 2.55x10-6 m/(m∙°C), respectievelijk, wat leidt tot een gevoeligheid van de temperatuur van rond 84.6 pm / ° C ongeveer 6,5 keer hoger is dan die van alle silica gebaseerde FOSs2.  Naast deze veel hogere gevoeligheid, we hebben laten zien een gemiddelde golflengte tracking methode om te verminderen het geluidsniveau en dus verbeteren de resolutie voor een lage-finesse sensor, leidt tot een resolutie van de temperatuur van 6 x 10-4 ° C 2, vergelijking met de resolutie van 0,2 ° C voor een alle op silica gebaseerde FOS3. De resolutie is verbeterd om te worden 1.2x10-4 ° C voor een hoge-finesse versie4.  Het materiaal silicium is ook superieur voor sensing in termen van snelheid. Ter vergelijking is de thermische richtgetal van silicium 8.8x10-5 m2/s, dat is meer dan 60 keer hoger dan die van silica2.  Gecombineerd met een kleine footprint (b.v., 80 µm diameter, dikte van 200 µm), de reactietijd van 0.51 ms voor een silicium die Fos geweest2, in vergelijking met de 16 ms voor een micro-silica-fiber coupler tip temperatuur sensor5aangetoond.  Hoewel sommige onderzoek werken gerelateerd aan temperatuurmeting met behulp van zeer dunne silicium film zoals het sensing materiaal is gemeld door andere groepen6,7,8,9, geen van hen beschikt over de prestaties van onze sensoren qua resolutie of snelheid. Bijvoorbeeld, de sensor met een resolutie van slechts 0,12 ° C en een lange reactietijd van 1 s werd gemeld. 7 die een betere resolutie van de temperatuur van 0.064 ° C is gemeld10;  de snelheid wordt echter beperkt door het hoofd relatief omvangrijke sensor. Wat maakt de Si-FOSP unieke ligt in de nieuwe methode van de vervaardiging en de verwerking van gegevens algoritme.
Naast de bovenstaande voordelen voor temperatuur sensing, de Si-FOSP kan ook worden ontwikkeld in een verscheidenheid van temperatuur-gerelateerde sensoren die gericht zijn op het meten van verschillende parameters, zoals gas druk11, lucht of water stromen12,13 ,14 , en straling4,15.  Dit artikel geeft een gedetailleerde beschrijving van de sensor fabricage en signaal demodulatie protocollen samen met drie representatieve toepassingen en de bijbehorende resultaten.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1056px;" width="1055">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">200 Proof Pure Ethanol</td>
			<td style="width:213px;">Koptec</td>
			<td style="width:201px;">V1001</td>
			<td style="width:391px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">5 Channels Duplex CWDM</td>
			<td style="width:213px;">Fiber Store</td>
			<td style="width:201px;">5MDD-ABS-FSCWDM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Butterfly Laser Diode Mounts</td>
			<td style="width:213px;">Tholabs</td>
			<td style="width:201px;">LM14S2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">CastAway CTD</td>
			<td style="width:213px;">Yellow Springs Instrument</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">CTD</td>
			<td style="width:213px;">Seabird</td>
			<td style="width:201px;">SBE 19plus</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Current Meter</td>
			<td style="width:213px;">Nortek</td>
			<td style="width:201px;">Vector</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Data Acquisition Device</td>
			<td style="width:213px;">National Instruments</td>
			<td style="width:201px;">NIUSB4366</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Digital Oscilloscope</td>
			<td style="width:213px;">RIGOL</td>
			<td style="width:201px;">DS1204B</td>
			<td>200 MHz 2 GSa/s</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Diode Laser</td>
			<td style="width:213px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:201px;">LM9LP</td>
			<td>Wavelength: 632 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Fixed BNC Terminator Kit</td>
			<td style="width:213px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:201px;">FTK01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Function Waveform Generator&#160;</td>
			<td style="width:213px;">RIGOL</td>
			<td style="width:201px;">DG4162</td>
			<td>160 MHz 500 GSa/s</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">High Precision Cleaver</td>
			<td style="width:213px;">Fujikura</td>
			<td style="width:201px;">CT-32</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">High Reflection Dielectric Coating</td>
			<td style="width:213px;">Evaporated Coating INC (ECI)</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td>Materials and structure of the coating are unknown</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">I-MON 512 Spectrometer</td>
			<td style="width:213px;">Ibsen Phtonics</td>
			<td style="width:201px;">P/N: 1257110</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">InGaAs Biased Detector</td>
			<td style="width:213px;">Tholabs</td>
			<td style="width:201px;">DET01CFC</td>
			<td>FC/PC output:0-10V; Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:22px;width:251px;">Laser Diode</td>
			<td style="width:213px;">Qphotonic</td>
			<td style="width:201px;">QFLD-405-20S</td>
			<td>Wavelength: 405 nm</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:23px;width:251px;">Laser Diode Current Controller</td>
			<td style="width:213px;">Tholabs</td>
			<td style="width:201px;">LDC 210C</td>
			<td>1 A and 100 mA range&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Laser Diode Temperature Controller</td>
			<td style="width:213px;">Tholabs</td>
			<td style="width:201px;">TEC 200C</td>
			<td>Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Latex Examination Gloves</td>
			<td style="width:213px;">HCS</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Micro Slides</td>
			<td style="width:213px;">Corning Incorporated</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Narrow Linewidth DFB Laser</td>
			<td style="width:213px;">Eblana</td>
			<td style="width:201px;">EP1550-NLW-B06-100FM</td>
			<td>Wavelength:1550 nm</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:251px;">Optical Fiber Fusion Splicer</td>
			<td style="width:213px;">Sumitomo electric industries, LTD</td>
			<td style="width:201px;">3822-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Optical Microscope and Monitor</td>
			<td style="width:213px;">Ikegami Tsushinki Company</td>
			<td style="width:201px;">PM-127</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Optical Spectrum Analyzer</td>
			<td style="width:213px;">Yokogawa</td>
			<td style="width:201px;">AQ6370C</td>
			<td>wavelength range: 600-1700 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Polish Machine</td>
			<td style="width:213px;">ULTRA TEC</td>
			<td style="width:201px;">41076</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Post-mountable Irises</td>
			<td style="width:213px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td>Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Pump Laser</td>
			<td style="width:213px;">Gooch and Housego</td>
			<td style="width:201px;">0400-0974-SM</td>
			<td>Wavelength: 980 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Si Amplified Photodetector</td>
			<td style="width:213px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:201px;">PDA36A</td>
			<td>Wavelength: 350-1100 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Silicon wafer</td>
			<td style="width:213px;">University Wafer</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td>thickness: 10 &#181;m, 200 &#181;m, 75 &#181;m, 40 &#181;m</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Single mode fiber&#160;</td>
			<td style="width:213px;">Corning</td>
			<td style="width:201px;">SMF-28</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:251px;">Single Mode Fused&#160; Fiber Coupler</td>
			<td style="width:213px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td>Wavelength: 1550 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">SM 125 interogrator</td>
			<td style="width:213px;">Micron Optics</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Submersible Aquarium Pump</td>
			<td style="width:213px;">Songlong</td>
			<td style="width:201px;">SL-403</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Superluminscent LED</td>
			<td style="width:213px;">Denselight Semiconductors</td>
			<td style="width:201px;">DL-BP1-1501A</td>
			<td>wavelength range:1510-1590 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Syringe Pump</td>
			<td style="width:213px;">Cole Parmer</td>
			<td style="width:201px;">74905-02</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">Travel Translation Stage</td>
			<td style="width:213px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:201px;">LT1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">UV curable glue</td>
			<td style="width:213px;">Epoxy Technology</td>
			<td style="width:201px;">PB109077</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:251px;">UVGL-15 Compact UV Lmap</td>
			<td style="width:213px;">UVP</td>
			<td style="width:201px;">P/N:95-0017-09</td>
			<td>254/365 nm</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:251px;">Variable Optical Attenuators</td>
			<td style="width:213px;">Tholabs</td>
			<td style="width:201px;">M-VA/00016951 P/N: VOA50-APC</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a silicon-tipped fiber-optic sensing platform with high resolution and fast response

In dit artikel introduceren we een innovatieve en praktisch veelbelovende glasvezel sensing platform (FOSP) die wij voorgesteld en onlangs aangetoond. Deze FOSP is afhankelijk van een silicium Fabry-Pérot-interferometer (FPI) gekoppeld aan het einde van de vezel, hierna aangeduid als Si-FOSP in dit werk. De Si-FOSP genereert een interferogram bepaald door de optische weglengte (OPL) van de silicium-spouw. Te meten grootheid verandert de OPL en dus verschuift het interferogram. Vanwege de unieke optische en thermische eigenschappen van het materiaal silicium vertoont deze Si-FOSP een voordelige prestaties in termen van gevoeligheid en snelheid. Bovendien schenkt de volwassen silicon fabricage-industrie de Si-FOSP met uitstekende reproduceerbaarheid en lage kosten naar praktische toepassingen. Afhankelijk van de specifieke toepassingen, ofwel een lage-finesse of high-finesse versie zal worden gebruikt, en twee verschillende methoden van demodulatie zal dienovereenkomstig worden vastgesteld. Gedetailleerde protocollen voor het fabriceren van beide versies van de Si-FOSP zal worden verstrekt. Drie representatieve toepassingen en de bijbehorende volgens resultaten getoond. Het ene is een prototype onderwater thermometer voor profilering van de thermoclines van de Oceaan, de tweede is een flowmeter voor het meten van de snelheid van de stroming in de Oceaan, en de laatste is een bolometer gebruikt voor de controle van de uitlaatgassen straling van magnetisch beperkt hoge-temperatuur plasma.

Si-FOSP als een onderwater thermometer voor profilering Oceaan thermoclines Recent oceanografisch onderzoek heeft aangetoond dat de vervaging van de onderwater imaging niet alleen uit de troebelheid in verontreinigde wateren, maar ook uit temperatuur microstructuren in schone Oceaan17,18 stamt. Het laatste effect is de focus van vele oceanografen, gericht op het vinden van een effectieve manier om te zetten van...

Watch this Scientific Journal Video about A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response at JoVE.com

A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response

Dit werk meldt een innovatief silicium-tipped glasvezel sensing platform (Si-FOSP) voor hoge resolutie en snelle-reactie meting van een verscheidenheid van fysieke parameters, zoals temperatuur, stroming en straling. Toepassingen van deze Si-FOSP beslaan van oceanografisch onderzoek, mechanische industrie, aan onderzoek naar fusie-energie.

Een silicium-tipped Fiber-optic Sensing Platform met hoge resolutie en snelle respons

In this article, we introduce an innovative and practically promising fiber-optic sensing platform (FOSP) that we proposed and demonstrated recently. This ...

Deze methode produceert een innovatief, aanpasbaar glasvezelstensingplatform. De ontwikkeling van het platform werd oorspronkelijk gedreven door de des-ign om een onderwaterthermometer voor turbulentiekarakterisering van oceaanwateren tot stand te brengen. Voordelen van dit platform zijn hoge gevoeligheid, snellere respons en kleine omvang, samen met de uitstekende maakbaarheid als gevolg van het gebruik van de gevestigde MEMS fabricagetechnieken.Het kan worden gebruikt voor vele temperatuurgerelateerde metingen, zoals temperatuurmetingen voor turbulentiekarakterisering, vloeistof- en gasstroommetingen en de straling van plasma met hoge temperaturen in sommige fusie. Fabriceer de sensor op een bank met een spectrometer. De eerste stap is het fabriceren van siliciumpilaren op een siliciumwafer.Deze wafer heeft stand-alone pilaren klaar voor gebruik in sensoren. Een overzicht van de pijlers is in dit schema. Ze zijn patroon van een 200 micrometer dikke, dubbele kant gepolijst silicium wafer, met behulp van standaard micro-elektro-elektromechanische systeem fabricage methoden.Photoresist bevindt zich op de toppen van elke pilaar en het substraat. Bereid de lood-in vezel door het strippen van de plastic coating van de optische vezel. Gebruik een lensweefsel gedoopt in alcohol om de gestripte sectie schoon te maken.Neem de gereinigde vezel naar een glasvezel hakmes om het te klijden. Vervolgens verwerven UV-geneesbare lijm en een glazen glijbaan. Leg een druppeltje UV-geneesbare lijm op de glazen schuif.Vervolgens, handmatig swing of spin-coat de dia om de lijm te verdelen. De lijm zal in een dunne laag op het oppervlak. Haal de gespleten lood-in vezel en druk op het einde gezicht tegen de dia om de lijm over te dragen.Bevestig het tegenovergestelde uiteinde van de vezel aan een sensorondervrager voor het monitoren van het reflectiespectrum. Werk dan met de siliciumpilaren en het gespleten uiteinde van de vezel. Laat de wafer met de pilaren op een vertaalfase staan die in het horizontale vlak beweegt.Bevestig de vezel op een lineair stadium dat verticaal beweegt. Pas de fasen aan om de vezel uit te lijnen met een van de pijlers, terwijl het gebruik van de real-time reflectie spectrum als feedback. Dit reflectiespectrum is een voorbeeld van een spectrum dat suggereert dat de uitlijning bevredigend is.Plaats de vezel in contact met de pilaar om ze te bevestigen, zodra het spectrum bevredigend is. Zodra de pilaar en vezels zijn bevestigd, moet u de binding onder een UV-lamp genezen. Wanneer het uitharden is voltooid, til de vezel met de verticale vertaalfase om het en de siliciumpijler van het substraat los te maken.Inspecteer de sensorkop onder een microscoop om de geometrie te onderzoeken. Dit is een typische met succes vervaardigde sensor. Verzamel de materialen om een hoog-finesse sensor te fabriceren.Dit omvat fragmenten van een dubbelzijs gepolijste siliciumwafer, met een sputtered gouden laag aan de ene kant, gezien als geel. De andere kant heeft een hoge reflectiviteit, diëlektrische spiegel coating, gezien als blauw. Bereid vervolgens de verzamelde lood in vezel door het splitsen van een korte sectie van graded-index multi-mode vezel met een single-mode vezel.Cleave de multi-mode vezel. Zoals afgebeeld in dit schema, vorm een vezel collimator door het klitten van de gesorteerde-index multi-mode vezel om een kwart van de periode van het licht traject. Nu, op een glazen glijbaan, plaats een kleine druppel UV-geneesbare lijm.Na het uitdunnen van de lijm door handmatig swingende of spin-coating van de dia, druk op de gesorteerde-index multi-mode vezel einde tegen de dia om lijm over te dragen. Sluit het andere uiteinde van de vezel aan op een sensorondervrager voor het bewaken van het reflectiespectrum. Plaats vervolgens een fragment van de wafer op de horizontale vertaalfase.Laat de diëlektrische kant naar boven wijzen. Plaats de bereide vezel in de verticale vertaalfase en verplaats deze naar het fragment om de twee stukken te bevestigen. Vergelijkend met de lage finesse stof gepaarde infrarood samenvoegen sensoren, fabricage van hoge finesse sensoren, heeft een zeer strenge eis als een optische uitlijning van de toonaangevende vezel met het silicium element.Plaats de vezel en bijgevoegde waferfragmenten, onder een UV-lamp te genezen. Dit is een voorbeeld van de montage na het uitharden, wanneer het klaar is voor de volgende stappen. Polijst het fragment in een schijfachtige vorm.Bestudeer de sensorkop onder een microscoop, om er zeker van te zijn dat het de gewenste vorm heeft. Neem het voltooide lage finesseapparaat op in een demodulatiesysteem. Het systeem is rechttoe rechtaan, en omvat slechts een paar elementen.Een spectrometer en een computer. Dit is de setup, in schematische vorm. Er is een breedbandbron, met output, via een glasvezel.De vezel gaat naar poort een van een optische circulatiepomp. De glasvezel van poort twee van de circulatiepomp, is gespliceerd naar de lead-in vezel, van de lage finesse sensor. Sluit poort drie van de circulatiepomp aan op een hoge snelheidsspectrometer.Gebruik een computer die is aangesloten op de spectrometer voor gegevensopslag. Controleer het spectrum van de sensor, om ervoor te zorgen dat het systeem goed werkt. Dit spectrum is typisch.Bereid een demodulatiesysteem voor met de hoge finessesensor. De setup is slechts iets ingewikkelder dan de lage finessed demodulatie systeem. Ondanks dit, de setup nog steeds gaat om slechts een paar elementen.Gebruik een gedistribueerde feedbacklaser die is aangesloten op een huidige controller. Sluit de laseroutput via glasvezel aan om een van een optische circulatiepomp te porten De vezel van poort twee van de circulatiepomp is gespliceerd naar de hoge finessesensor. Sluit poort drie van de optische circulatiepomp aan op een fotodetector.Gegevens van de fotodetector, gaat naar een data-acquisitie apparaat, en in een computer. Controleer het spectrum van de sensor, om ervoor te zorgen dat het systeem goed werkt, en levert een typisch spectrum. Een lage finesse systeemsensor, ontworpen om thermoclines in open water te meten, verzamelde de veldtestgegevens in het blauw.De rode en zwarte rondingen zijn metingen gemaakt met referentie-instrumenten die momenteel op de markt beschikbaar zijn. Een nadere blik op de gegevens, suggereert dat een lage finesse sensor systeem biedt meer detail. De gegevens in het rood, zijn van een lage finesse sensor setup, als een stroomsensor gelegen in een watertank.De gegevens in het zwart, zijn van een referentie commerciële stroomsensor. De twee zijn het over het algemeen eens. Maar wanneer het water kalm is, vertoont de lage finessesensor een veel duidelijkere respons.Een hoge finessesensor is veelbelovend als een robuuste bolometer met hoge resolutie, voor het meten van fotonmissie in plasma's. Deze resultaten vergelijken de hoge finessesensor met een weerstandsbolometer. Houd er rekening mee dat een sensor gemaakt van basis UV-lijm zijn niet bedoeld voor toepassingen boven de 100 graden Celsius, als gevolg van de verminderde stabiliteit van de epoxy bij hoge temperaturen.Het bevestigen van de toonaangevende vezel en zure im-pe-der met fusie splicing, kan leiden tot een sensor platform van het verhogen van de temperatuur ongeveer 1.000 graden Celsius;waardoor andere spannende toepassingen in hoge temperatuur omgevingen. Voorbeelden van toepassingen met hoge temperaturen zijn macrokachels, infraroodzenders en temperatuurbewaking in inches bij de elektriciteitscentrales. Tijdens het gebruik van de UV-lamp en de lasers, zorg ervoor dat u het dragen van een lab jas en een laser veiligheidsbril om uw huid en ogen te beschermen.

Research

JoVE Journal

Engineering

Terahertz Microfluidic Sensing Using a Parallel-plate Waveguide Sensor

Terahertz Microfluïdische Sensing via een parallelle-plaat Waveguide Sensor

Refractive index (RI) sensing is a powerful noninvasive and label-free sensing technique for the identification, detection and monitoring of microfluidic ...

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

Bouw van een hoge resolutie microscoop met conventionele en holografische optische Trapping Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular ...

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

Synthese en microdiffraction bij extreme drukken en temperaturen

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary ...

High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

High Resolution Phonon ondersteunde Quasi-resonantie fluorescentiespectroscopie

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we ...

High-resolution Thermal Micro-imaging Using Europium Chelate Luminescent Coatings

High-resolution thermische Micro-imaging Met behulp europiumchelaat Lichtgevende Coatings

Micro-electronic devices often undergo significant self-heating when biased to their typical operating conditions. This paper describes a convenient ...

Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

Fiber Optic Distributed Sensoren voor Mapping Temperature Field High-resolution

The reliability of computational fluid dynamics (CFD) codes is checked by comparing simulations with experimental data. A typical data set consists ...

Strain Sensing Based on Multiscale Composite Materials Reinforced with Graphene Nanoplatelets

Strain Sensing Gebaseerd op Multiscale Composite Materials versterkt met Grafeen Nanoplatelets

The electrical response of NH2-functionalized graphene nanoplatelets composite materials under strain was studied. Two different manufacturing methods are ...

A High Performance Impedance-based Platform for Evaporation Rate Detection

Een High Performance impedantie-gebaseerd platform voor het Verdampingssnelheid Detection

This paper describes the method of a novel impedance-based platform for the detection of the evaporation rate. The model compound hyaluronic acid was ...

Method for Recording Broadband High Resolution Emission Spectra of Laboratory Lightning Arcs

Methode voor het opnemen van breedband-emissie spectra met hoge resolutie van laboratorium bliksem bogen

Lightning is one of the most common and destructive forces in nature and has long been studied using spectroscopic techniques, first with traditional ...