Una plataforma con punta de Silicon sensor de fibra óptica con alta resolución y rápida respuesta
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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 1.28×10-5 RIU / ° C y 5.5×10-7 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 1.4×10-6 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 1.5×10-4 RIU / ° C y 2.55×10-6 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 1.2×10-4 ° 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 8.8×10-5 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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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).
Materials
| 200 Proof Pure Ethanol | Koptec | V1001 | |
| 5 Channels Duplex CWDM | Fiber Store | 5MDD-ABS-FSCWDM | |
| Butterfly Laser Diode Mounts | Tholabs | LM14S2 | |
| CastAway CTD | Yellow Springs Instrument | ||
| CTD | Seabird | SBE 19plus | |
| Current Meter | Nortek | Vector | |
| Data Acquisition Device | National Instruments | NIUSB4366 | |
| Digital Oscilloscope | RIGOL | DS1204B | 200 MHz 2 GSa/s |
| Diode Laser | Thorlabs | LM9LP | Wavelength: 632 nm |
| Fixed BNC Terminator Kit | Thorlabs | FTK01 | |
| Function Waveform Generator | RIGOL | DG4162 | 160 MHz 500 GSa/s |
| High Precision Cleaver | Fujikura | CT-32 | |
| High Reflection Dielectric Coating | Evaporated Coating INC (ECI) | Materials and structure of the coating are unknown | |
| I-MON 512 Spectrometer | Ibsen Phtonics | P/N: 1257110 | |
| InGaAs Biased Detector | Tholabs | DET01CFC | FC/PC output:0-10V; Quantity: 2 |
| Laser Diode | Qphotonic | QFLD-405-20S | Wavelength: 405 nm |
| Laser Diode Current Controller | Tholabs | LDC 210C | 1 A and 100 mA range |
| Laser Diode Temperature Controller | Tholabs | TEC 200C | Quantity: 2 |
| Latex Examination Gloves | HCS | ||
| Micro Slides | Corning Incorporated | ||
| Narrow Linewidth DFB Laser | Eblana | EP1550-NLW-B06-100FM | Wavelength:1550 nm |
| Optical Fiber Fusion Splicer | Sumitomo electric industries, LTD | 3822-2 | |
| Optical Microscope and Monitor | Ikegami Tsushinki Company | PM-127 | |
| Optical Spectrum Analyzer | Yokogawa | AQ6370C | wavelength range: 600-1700 nm |
| Polish Machine | ULTRA TEC | 41076 | |
| Post-mountable Irises | Thorlabs | Quantity: 2 | |
| Pump Laser | Gooch and Housego | 0400-0974-SM | Wavelength: 980 nm |
| Si Amplified Photodetector | Thorlabs | PDA36A | Wavelength: 350-1100 nm |
| Silicon wafer | University Wafer | thickness: 10 µm, 200 µm, 75 µm, 40 µm | |
| Single mode fiber | Corning | SMF-28 | |
| Single Mode Fused Fiber Coupler | Thorlabs | Wavelength: 1550 nm | |
| SM 125 interogrator | Micron Optics | ||
| Submersible Aquarium Pump | Songlong | SL-403 | |
| Superluminscent LED | Denselight Semiconductors | DL-BP1-1501A | wavelength range:1510-1590 nm |
| Syringe Pump | Cole Parmer | 74905-02 | |
| Travel Translation Stage | Thorlabs | LT1 | |
| UV curable glue | Epoxy Technology | PB109077 | |
| UVGL-15 Compact UV Lmap | UVP | P/N:95-0017-09 | 254/365 nm |
| Variable Optical Attenuators | Tholabs | M-VA/00016951 P/N: VOA50-APC |
Referenzen
- Lee, B. Review of the present status of optical fiber sensors. Optical Fiber Technology. 9, 57-79 (2003).
- Liu, G., Han, M., Hou, W. High-resolution and fast-response fiber-optic temperature sensor using silicon Fabry-Perot cavity. Optics Express. 23, 7237-7247 (2015).
- Hatta, A. M., Rajan, G., Semenova, Y., Farrell, G. SMS fibre structure for temperature measurement using a simple intensity-based interrogation system. Electronics Letters. 45, 1069 (2009).
- Sheng, Q., Liu, G., Reinke, M. L., Han, M. A fiber-optic bolometer based on a high-finesse silicon Fabry-Perot interferometer. Review of Scientific Instruments. , 065002 (2018).
- Ding, M., Wang, P., Brambilla, G. Fast-response high-temperature microfiber coupler tip thermometer. IEEE Photonics Technology Letters. 24, 1209-1211 (2012).
- Berthold, J. W., Reed, S. E., Sarkis, R. G. Reflective fiber optic temperature sensor using silicon thin film. Optical Engineering. 30, 524-528 (1991).
- Kajanto, I., Friberg, A. T. A silicon-based fibre-optic temperature sensor. Journal of Physics E: Scientific Instruments. 21, 652-656 (1988).
- Schultheis, L., Amstutz, H., Kaufmann, M. Fiber-optic temperature sensing with ultrathin silicon etalons. Optics Letters. 13, 782-784 (1988).
- Zhang, S., et al. Temperature characteristics of silicon core optical fiber Fabry-Perot interferometer. Optics Letters. 40, 1362-1365 (2015).
- Cocorullo, G., Corte, F. G. D., Iodice, M., Rendina, I., Sarro, P. M. A temperature all-silicon micro-sensor based on the thermo-optic effect. IEEE Transactions on Electron Devices. 44, 766-774 (1997).
- Liu, G., Han, M. Fiber-optic gas pressure sensing with a laser-heated silicon-based Fabry-Perot interferometer. Optics Letters. 40, 2461-2464 (2015).
- Liu, G., Hou, W., Qiao, W., Han, M. Fast-response fiber-optic anemometer with temperature self-compensation. Optics Express. 23, 13562-13570 (2015).
- Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Han, M. Optical fiber vector flow sensor based on a silicon Fabry-Perot interferometer array. Optics Letters. 41, 4629-4632 (2016).
- Liu, G., Sheng, Q., Geraldo, R. L. P., Hou, W., Han, M. A fiber-optic water flow sensor based on laser-heated silicon Fabry-Perot cavity. Proceedings of SPIE. 9852, 98521B (2016).
- Reinke, M. L., Han, M., Liu, G., Gv Eden, G., Evenblij, R., Haverdings, M. Development of plasma bolometers using fiber-optic temperature sensors. Review of Scientific Instruments. 87, 11E708 (2016).
- Zhang, Y., et al. Fringe visibility enhanced extrinsic Fabry-Perot interferometer using a graded index fiber collimator. IEEE Photonics Journal. 2, 469-481 (2010).
- Hou, W. . Ocean sensing and monitoring. , (2013).
- Hou, W., Woods, S., Jarosz, E., Goode, W., Weidemann, A. Optical turbulence on underwater image degration in natural environments. Applied Optics. 51, 2678-2686 (2012).
- Hou, W., Jarosz, E., Woods, S., Goode, W., Weidemann, A. Impacts of underwater turbulence on acoustical and optical signals and their linkage. Optics Express. 21, 4367-4375 (2013).
- Nootz, G., Jarosz, E., Dalgleish, F. R., Hou, W. Quantification of optical turbulence in the ocean and its effects on beam propagation. Applied Optics. 55, 8813-8820 (2016).
- Nootz, G., Matt, S., Kanaev, A., Judd, K., Hou, W. Experimental and numerical study of underwater beam propagation in a Rayleigh-Bénard turbulence tank. Applied Optics. 56, 6065-6072 (2017).
- Matt, S., et al. A controlled laboratory environment to study EO signal degradation due to underwater turbulence. Proceedings of SPIE. 9459, 94590H (2015).
- Han, M., Liu, G., Hou, W. Fiber-optic temperature and flow sensor system and methods. U.S. Patent. , (2018).
- Kallenbach, A., et al. Impurity seeding for tokamak power exhaust: from present devices via ITER to DEMO. Plasma Physics and Controlled Fusion. 55, 124041 (2013).
- . Alcator C-Mod Available from: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alcator_C-Mod_Tokamak_Interior.jpg (2018)
- Meister, H., Willmeroth, M., Zhang, D., Gottwald, A., Krumrey, M., Scholze, F. Broad-band efficiency calibration of ITER bolometer prototypes using Pt absorbers on SiN membranes. Review of Scientific Instruments. 84, 123501 (2013).
- Peterson, B. J., et al. Development of imaging bolometers for magnetic fusion reactors. Review of Scientific Instruments. 79, 10E301 (2008).
- Liu, G., Sheng, Q., Dam, D., Hua, J., Hou, W., Han, M. Self-gauged fiber-optic micro-heater with an operation temperature above 1000 °C. Optics Letters. 42, 1412-1415 (2017).
- Liu, G., Hou, W., Han, M. Unambiguous peak recognition for a silicon Fabry-Perot interferometric temperature sensor. Journal of Lightwave Technology. 36, 1970-1978 (2018).
- Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Han, M., High-resolution, High-resolution, large dynamic range fiber-optic thermometer with cascaded Fabry-Perot cavities. Optics Letters. 41, 5134-5137 (2016).
