Name: a silicon-tipped fiber-optic sensing platform with high resolution and fast response
Uploaded: 2019-01-07T14:00:00
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Este trabajo fue apoyado por el laboratorio de investigación Naval de Estados Unidos (Nos. N0017315P0376, N0017315P3755); Oficina de investigación Naval (Nos. N000141410139, N000141410456); Departamento de energía de Estados Unidos (Nos. DE-SC0018273, DE-AC02-09CH11466, DE-AC05-00OR22725).

1. fabricación de sensores de baja finura
<ol><li>Fabricar los pilares de silicio. Patrón un trozo de oblea de silicio pulido doble-lado de (DSP) de 200 μm de espesor en pilares de silicio independiente (Figura 2a), facilita el uso de fabricación estándar sistema micro-electro-mecánicos (MEMS). Nota: La oblea del modelado se enlaza a otro más grande oblea de silicio con una fina capa de photoresist. La fuerza de vinculación de la fotoresistencia es bastante fuerte para sostener ...

<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. 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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>

La elección del tamaño (longitud y diámetro) de la FPI de silicio se hace sobre el equilibrio entre las exigencias de la resolución y velocidad. En general, un tamaño más pequeño proporciona una velocidad más alta pero también reduce la resolución2. Una longitud corta es ventajosa para la obtención de una velocidad más alta, pero no es superior para la obtención de una alta resolución debido a la FWHM ampliado de las muescas de reflexión. Usando capas de HR para reducir la FWHM pued...

Sensores de fibra óptica (FOSs) han sido el foco de muchos investigadores debido a sus propiedades únicas, como su pequeño tamaño, su bajo costo, su peso ligero y su inmunidad a interferencias electromagnéticas (EMI)1. Estos software libre han encontrado amplias aplicaciones en muchas áreas tales como monitoreo ambiental, vigilancia del océano, exploración de petróleo y procesos industriales entre otros. En cuanto a los sensores de temperatura, el FOSs tradicionales no son superiores en términos de resolución y velocidad para los casos donde es deseable medir minutos y variaciones rápidas de temperatura. Estas limitaciones se derivan de las propiedades ópticas y térmicas del material silicona fundida en la que se basan muchos software libre tradicional. Por un lado, el coeficiente thermo-óptico (TOC) y el coeficiente de expansión térmica (TEC) de sílice son 1.28x10-5 RIU / ° C y 5.5x10-7 m/(m·°C), respectivamente; Estos valores conducen a una sensibilidad de temperatura de sólo alrededor de 13 pm ° C alrededor de la longitud de onda de 1550 nm. Por otro lado, la difusividad térmica, que es una medida de la velocidad de temperatura cambian en respuesta al intercambio de energía térmica, es sólo 1.4x10-6 m2/s de sílice; Este valor no es superior para mejorar la velocidad de software libre basados en sílice.
La plataforma de detección de fibra óptica (FOSP) en este artículo rompe las limitaciones del software libre basados en sílice fundida. El nuevo FOSP utiliza silicio cristalino como la clave de detección de material, que forma un interferómetro de Fabry-Perot de alta calidad (FPI) en el extremo de la fibra, aquí denominado FOSP punta de silicio (Si-FOSP). La figura 1 muestra el principio de la cabeza del sensor, que es el núcleo de la Si-FOSP esquemático y operativo. La cabeza del detector esencialmente consiste en un silicio FPI, cuyo espectro de reflexión presenta una serie de franjas periódicas. Interferencia destructiva se produce cuando la OPL satisface 2nL = Nλ, donde n y L son el índice de refracción y la longitud de la cavidad de silicona FP, respectivamente, y N es un entero que es el orden de la muesca de la franja. Por lo tanto, posiciones de las franjas de interferencia son sensibles a la OPL de la cavidad de silicona. Dependiendo de las aplicaciones específicas, el silicio FPI puede hacerse en dos tipos: FPI de baja finura y FPI de alta finura. El FPI de baja finura tiene una reflectividad baja para ambos extremos de la cavidad de silicona, mientras que el FPI de alta finura tiene una alta reflectividad para ambos extremos de la cavidad de silicona. Reflectivities de interfaces aire de silicio y fibra de silicio están aproximadamente 30% y 18%, así el único silicio FPI se muestra en la Figura 1a es esencialmente un FPI de baja finura. Por una capa delgada alta reflectividad (HR) en ambos extremos de la capa, un silicio de alta finura que FPI es formado (Figura 1b). Reflectividad de la capa de HR (dieléctrico u oro) puede ser tan alta como el 98%. Para ambos tipos de Si-FOSP, n y L aumentan cuando aumenta la temperatura. Así, controlando el cambio de franja, se deduce la variación de temperatura. Tenga en cuenta que para la misma cantidad de cambio de longitud de onda, el FPI de alta finura da una mejor discriminación debido a la muesca de franja mucho más estrecha (figura 1C). Mientras que la alta finura Si-FOSP tiene mejor resolución, la baja finura Si-FOSP tiene un rango dinámico más grande. Por lo tanto, la elección entre estas dos versiones depende de los requerimientos de una aplicación específica. Además, debido a la gran diferencia de ancho completo en el medio máximo (FWHM) de baja finura y delicadeza de alto silicio FPIs, sus métodos de demodulación de la señal son diferentes. Por ejemplo, el FWHM teórico de 1,5 nm se reduce por sobre 50 veces a sólo 30 pm cuando ambos extremos del silicio único FPI están recubiertos con una capa de HR del 98%. Por lo tanto, para el Si-FOSP baja finura, un espectrómetro de alta velocidad sería suficiente para la recolección de datos y procesamiento, mientras que un laser de la exploración se debe utilizar para demodular la alta finura Si-FOSP debido al FWHM mucho más estrecho que no puede ser resuelto así por el Espectrómetro de. Los dos métodos de demodulación se explica en el protocolo.
El material de silicio elegido aquí es superior para detectar la temperatura en términos de resolución. Como comparación, el TOC y TEC de silicio son 1.5x10-4 RIU / ° C y 2.55x10-6 m/(m∙°C), respectivamente, conduce a una sensibilidad de temperatura de aproximadamente 84.6 pm ° C aproximadamente 6,5 veces superior de todos basados en sílice software libre2.  Además de esta mayor sensibilidad, hemos demostrado una media longitud de onda, método para reducir el nivel de ruido y así mejorar la resolución de un sensor de baja finura, de seguimiento conduce a una resolución de temperatura de 6 x 10-4 º C 2, en comparación a la resolución de 0.2 ° C para un FOS todos a base de silicona3. La resolución es mejorada para ser 1.2x10-4 ° C para una alta finura versión4.  El material de silicio también es superior para detectar en términos de velocidad. Como comparación, la difusividad térmica del silicio es 8.8x10-5 m2/s, más de 60 veces mayor que el de silicona2.  Combinado con un diseño compacto (p. ej., 80 μm de diámetro, 200 μm de grosor), el tiempo de respuesta de 0,51 ms para un silicio que Fos ha sido demostrada2, en comparación con los 16 ms de un acoplador de fibra de sílice micro punta temperatura sensor5.  Aunque algunas investigaciones trabajos relacionados con la medición de la temperatura usando la película muy delgada de silicio como el material de detección ha sido reportado por otros grupos6,7,8,9, ninguno de ellos posee el rendimiento de nuestros sensores en términos de la resolución o velocidad. Por ejemplo, el sensor con una resolución de sólo 0,12 ° C y un tiempo de respuesta largo de 1 s se informó. 7 que una mejor resolución de temperatura de 0,064 ° C ha sido reportado10;  sin embargo, la velocidad está limitada por la cabeza del detector relativamente voluminosos. Lo que hace que las mentiras únicas FOSP Si en el nuevo método de fabricación y el algoritmo de procesamiento de datos.
Además de las ventajas anteriores para detectar la temperatura, el FOSP Si también puede ser desarrollado en una variedad de sensores de temperatura con el fin de medir diferentes parámetros, tales como gas presión11, aire o agua flujo12,13 ,14 y radiación4,15.  Este artículo presenta una descripción detallada del sensor protocolos de fabricación y la señal de desmodulación junto con tres aplicaciones representativas y sus resultados.

<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

En este artículo, presentamos una innovador y prometedor prácticamente fibra óptica teledetección plataforma (FOSP) que propuso y demostró recientemente. Este FOSP se basa en un interferómetro de Fabry-Perot de silicio (FPI) atado al extremo de la fibra, denominado FOSP Si en este trabajo. El FOSP Si genera un interferograma determinada por la longitud de trayectoria óptica (OPL) de la cavidad de silicona. Mensurando altera la OPL y así cambia de puesto el interferograma. Debido a las propiedades ópticas y térmicas únicas del material de silicio, este FOSP Si exhibe un rendimiento ventajoso en términos de sensibilidad y velocidad. Además, la industria de fabricación de silicio madura dota el FOSP Si con excelente reproducibilidad y bajo costo hacia aplicaciones prácticas. Dependiendo de las aplicaciones específicas, ya sea utilizará una versión finesse baja o alta finura, y se adoptará en consecuencia dos métodos demodulación de datos diferentes. Protocolos detallados para la fabricación de ambas versiones de la Si-FOSP se proporcionará. Se mostrarán tres aplicaciones representativas y sus resultados según. El primero de ellos es un termómetro subacuático de prototipo para perfilar la termoclina de océano, el segundo es un medidor de flujo para medir la velocidad de flujo en el océano, y el último es un Bolómetro usado para monitorear la radiación escape de magnéticamente confinados plasma de alta temperatura.

Si FOSP como un termómetro subacuático para perfilar termoclinas de océano Reciente investigación oceanográfica ha demostrado que el desenfoque de la imagen submarina deriva no sólo de turbidez en aguas contaminadas, sino también de microestructuras de temperatura en el océano limpio17,18. El efecto de este último ha sido el foco de muchos oceanógrafos, con el objetivo de encontrar una forma efectiva ...

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

Este trabajo reporta una innovadora punta de silicio fibra óptica teledetección plataforma (Si-FOSP) para la medición de alta resolución y rápida respuesta de una variedad de parámetros físicos, tales como radiación, temperatura y flujo. Aplicaciones de este Si-FOSP abarcan desde la investigación oceanográfica, industria mecánica, a la investigación sobre energía de fusión.

Una plataforma con punta de Silicon sensor de fibra óptica con alta resolución y rápida respuesta

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

Este método produce una plataforma de detección de fibra óptica innovadora y adaptable. El desarrollo de la plataforma fue impulsado originalmente por el des-ign para crear un termómetro submarino para la caracterización de turbulencias de las aguas oceánicas. Las ventajas de esta plataforma incluyen alta sensibilidad, respuesta más rápida y tamaño pequeño, junto con la excelente manufacturabilidad debido al uso de las técnicas de fabricación MEMS bien establecidas.Se puede utilizar para muchas mediciones relacionadas con la temperatura, como mediciones de temperatura para caracterización de turbulencias, mediciones de flujo de líquido y gas, y la radiación del plasma de alta temperatura en alguna fusión. Fabrica el sensor en un banco con un espectrómetro. El primer paso es fabricar pilares de silicio sobre una oblea de silicio.Esta oblea tiene pilares independientes listos para su uso en sensores. Una visión general de los pilares está en este esquema. Están modelados a partir de una oblea de silicio pulido de doble cara de 200 micrómetros de espesor, utilizando métodos estándar de fabricación de sistemas microelectromecánicos.Fotorresistán está en la parte superior de cada pilar y el sustrato. Prepare la fibra de entrada quitando el recubrimiento plástico de la fibra óptica. Use un tejido de lente sumergido en alcohol para limpiar la sección despojada.Lleve la fibra limpia a una cortadora de fibra óptica para cortarla. A continuación, adquirir pegamento curable UV y un portaobjetos de vidrio. Ponga una pequeña gota de pegamento curable UV en el portaobjetos de vidrio.A continuación, balancee manualmente o gire a la diapositiva para distribuir el pegamento. El pegamento estará en una capa delgada en la superficie. Obtener la fibra de plomo cortado y presionar su cara final contra la diapositiva para transferir el pegamento.Conecte el extremo opuesto de la fibra a un interrogador de sensor para monitorear el espectro de reflexión. A continuación, trabajar con los pilares de silicio y el extremo cortado de la fibra. Tenga la oblea con los pilares en una etapa de traducción que se mueve en el plano horizontal.Fije la fibra a una etapa lineal que se mueva verticalmente. Ajuste las etapas para alinear la fibra con uno de los pilares, mientras utiliza el espectro de reflexión en tiempo real como retroalimentación. Este espectro de reflexión es un ejemplo de uno que sugiere que la alineación es satisfactoria.Coloque la fibra en contacto con el pilar para fijarla, una vez que el espectro sea satisfactorio. Una vez que el pilar y la fibra están unidos, curar la unión bajo una lámpara UV. Cuando el curado esté completo, levante la fibra con la etapa de traducción vertical para separarla y el pilar de silicio del sustrato.Inspeccione el cabezal del sensor bajo un microscopio para examinar su geometría. Este es un sensor típico fabricado con éxito. Reúna los materiales para fabricar un sensor de alta finura.Esto incluye fragmentos de una oblea de silicio pulido de doble cara, con una capa de oro sputtered en un lado, visto como amarillo. El otro lado tiene un recubrimiento de espejo dieléctrico de alta reflectividad, visto como azul. A continuación, prepare el plomo colimado en fibra empalmando una sección corta de fibra multimodo de índice grado con una fibra monomodo.Corte la fibra multimodo. Como se muestra en este esquema, forme un colimador de fibra cortando la fibra multimodo de índice calificado para que sea un cuarto del período de la trayectoria de la luz. Ahora, en un portaobjetos de vidrio, coloque una pequeña gota de pegamento curable UV.Después de adelgazar el pegamento balanceando manualmente o recubriendo la corredera, presione el extremo de fibra multimodo de índice calificado contra la corredera para transferir pegamento. Conecte el otro extremo de la fibra a un interrogador de sensor para monitorear el espectro de reflexión. A continuación, coloque un fragmento de la oblea en la etapa de traducción horizontal.Tenga el lado dieléctrico apuntando hacia arriba. Coloque la fibra preparada en la etapa de traducción vertical y muévala hacia el fragmento para unir las dos piezas. Comparado con los sensores de fusión infrarroja emparejados de tejido de baja finura, la fabricación de sensores de alta finura, tiene un requisito más estricto como alineación óptica de la fibra líder con el elemento de silicio.Coloque la fibra y los fragmentos de oblea unidos, debajo de una lámpara UV para curar. Este es un ejemplo del ensamblado después del curado, cuando está listo para los pasos siguientes. Antes de continuar, pula el fragmento en forma de disco.Examine la cabeza del sensor bajo un microscopio, para asegurarse de que tiene la forma deseada. Incorpore el dispositivo de baja delicadeza completo en un sistema de demodulación. El sistema es directo e implica sólo unos pocos elementos.Un espectrómetro y una computadora. Esta es la configuración, en forma esquemática. Hay una fuente de banda ancha, con salida, a través de una fibra óptica.La fibra va al puerto uno de un circulador óptico. La fibra óptica del puerto dos del circulador.se empalbra a la fibra de plomo,del sensor de baja delicadeza. Conecte el puerto tres del circulador, a un espectrómetro de alta velocidad.Utilice un ordenador conectado al espectrómetro para el almacenamiento de datos. Compruebe el espectro del sensor para asegurarse de que el sistema funciona correctamente. Este espectro es típico.Prepare un sistema de demodulación con el sensor de alta finura. La configuración es sólo un poco más complicado que el sistema de demodulación de baja multa. A pesar de esto, la configuración todavía implica sólo unos pocos elementos.Utilice un láser de retroalimentación distribuido, conectado a un controlador actual. Conectar la salida láser a través de fibra óptica al puerto uno de un circulador óptico La fibra del puerto dos del circulador, se empalbra al sensor de alta delicadeza. Conecte el puerto tres del circulador óptico a un detector de fotos.Los datos del detector de fotos van a un dispositivo de adquisición de datos y a una computadora. Compruebe el espectro del sensor, para asegurarse de que el sistema funciona correctamente y produce un espectro típico. Un sensor de sistema de baja finura, diseñado para medir las termoclinas en aguas abiertas, recopiló los datos de pruebas de campo en azul.Las curvas rojas y negras son medidas realizadas con instrumentos de referencia actualmente disponibles en el mercado. Una mirada más cercana a los datos, sugiere que un sistema de sensor de baja finura proporciona más detalle. Los datos en rojo, son de una configuración de sensor de baja finura, como un sensor de flujo situado en un tanque de agua.Los datos en negro, son de un sensor de flujo comercial de referencia. Los dos generalmente están de acuerdo. Sin embargo, cuando el agua está tranquila, el sensor de baja delicadeza exhibe una respuesta mucho más clara.Un sensor de alta finura es prometedor como un robusto bolómetro de alta resolución, para medir la emisión de fotones en plasmas. Estos resultados comparan el sensor de alta finura, con un bolómetro resistivo. Tenga en cuenta que un sensor de pegamento UV base no está destinado a aplicaciones superiores a 100 grados Celsius, debido a la estabilidad reducida del epoxi a altas temperaturas.La fijación de la fibra líder y el im-pe-der ácido con el empalme de fusión, puede conducir a una plataforma de sensor de elevación de la temperatura alrededor de 1.000 grados Celsius;permitiendo otras aplicaciones emocionantes en entornos de alta temperatura. Ejemplos de aplicaciones de alta temperatura incluyen calentadores macro, emisores infrarrojos y monitoreo de temperatura en pulgadas en las centrales eléctricas. Mientras usas la lámpara UV y los láseres, asegúrate de llevar una bata de laboratorio y unas gafas de seguridad láser para proteger tu piel y tus ojos.

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Engineering

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