منصة مقلوب السليكون الاستشعار الألياف الضوئية بدقة عالية واستجابة سريعة
Summary
هذا العمل تقارير مقلوب السليكون الألياف البصرية الاستشعار عن منطلقات مبتكرة (Si-فوسب) لقياس ذات دقة عالية واستجابة سريعة لمجموعة متنوعة من البارامترات الفيزيائية، مثل درجة الحرارة، وتدفق، والإشعاع. تطبيقات لهذه الرابطة-فوسب تمتد من البحوث الأوقيانوغرافية، الصناعة الميكانيكية، لبحوث الطاقة الانصهار.
Abstract
في هذه المقالة، نحن نقدم المبتكرة والواعدة عمليا الألياف البصرية الاستشعار عن منصة (فوسب) التي نحن المقترحة، وبرهنت على ذلك مؤخرا. هذا فوسب تعتمد على سليكون فابري-بيرو السابر (الجبهة الشعبية الإيفوارية) يعلق على نهاية الألياف، يشار إلى سي-فوسب في هذا العمل. سي-فوسب يولد رسم يحدده طول المسار الضوئي (المناضل) تجويف السليكون. عينتان يغير منظمة الشعب المناضل، وهكذا ينتقل رسم. بسبب الخصائص الضوئية والحرارية فريدة من مادة السليكون، يسلك هذا سي-فوسب على أداء أفضل من حيث الحساسية وسرعة. وعلاوة على ذلك، يمنح لصناعة تصنيع السيليكون ناضجة Si-فوسب مع إمكانية تكرار نتائج ممتازة، وانخفاض تكلفة نحو التطبيقات العملية. اعتماداً على تطبيقات محددة، وستستخدم نسخة منخفضة الجودة أو الجودة العالية، وستعتمد طريقتين الاستخلاص بيانات مختلفة تبعاً لذلك. وسيتم توفير بروتوكولات مفصلة لاختلاق كلا الإصدارين من سي-فوسب. سيظهر ثلاثة طلبات الممثل ونتائجها وفقا. أول واحد هو مقياس حرارة تحت الماء نموذج أولى للتنميط ثيرموكلينيس المحيط، والثاني مقياس التدفق لقياس سرعة التدفق في المحيط، وآخر واحد بولومتر المستخدمة لرصد الإشعاع العادم من مغناطيسيا تقتصر بلازما ذات درجة الحرارة العالية.
Introduction
أجهزة الاستشعار الألياف البصرية (البرمجيات) كانت محط للعديد من الباحثين بسبب خصائصه الفريدة، مثل صغر حجمه ومنخفضة التكلفة، وخفيفة الوزن، وحصانتها للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI)1. ووجدت هذه البرمجيات تطبيقات واسعة في العديد من المجالات مثل الرصد البيئي ومراقبة المحيطات، والتنقيب عن النفط والعمليات الصناعية بين أمور أخرى. عندما يتعلق الأمر باستشعار المتصلة بدرجة الحرارة، البرمجيات التقليدية ليست متفوقة من حيث القرار والسرعة في الحالات حيث يستحسن قياس دقيقة وتغيرات درجة الحرارة بسرعة. وتنبع هذه القيود من الخصائص الضوئية والحرارية لمادة السليكا فوسيد التي تستند إليها العديد من هذه البرمجيات التقليدية. من ناحية، المعامل الحرارية البصرية (TOC) ومعامل التمدد الحراري (TEC) والسليكا هي 1.28×10-5 RIU/درجة مئوية و 5.5×10-7 m/(m·°C)، على التوالي؛ هذه القيم تؤدي إلى حساسية درجة حرارة فقط حوالي 13 م/درجة مئوية حول الطول الموجي 1550 نيوتن متر. من ناحية أخرى، تتغير استجابة لتبادل الطاقة الحرارية الانتشارية الحرارية، ومقياس لسرعة درجة الحرارة، وإلا 1.4×10-6 م2/ق والسليكا؛ هذه القيمة لا تفوق لتحسين سرعة القائم على السليكا الحرة والمفتوحة المصدر.
منهاج الاستشعار الألياف البصرية (فوسب) ذكرت في هذه المقالة يكسر القيود المذكورة أعلاه من هذه البرمجيات على أساس والسليكا فوسيد. فوسب جديد يستخدم السيليكون البللوري كمفتاح الاستشعار عن المواد التي تشكل السابر فابري-بيرو عالية جودة (الاستثمار في الحوافظ المالية) في نهاية الألياف، يشار إليه هنا فوسب مقلوب السيليكون (Si-فوسب). ويبين الشكل 1 مبدأ رئيس أجهزة الاستشعار، التي هي جوهر Si-فوسب التخطيطي والتنفيذي. رئيس جهاز استشعار أساسا يتكون من السليكون الطيف التفكير الذي يتميز بسلسلة من الحافات الدوري في الحوافظ المالية،. يحدث التدخل المدمر عندما يفي منظمة الشعب المناضل 2nL = Nλ، n و L هي الانكسار وطول تجويف السليكون FP، على التوالي، حيث N هو عدد صحيح هو ترتيب درجة هامشية. ولذلك، مواقف هامش التدخل استجابة لمنظمة الشعب المناضل تجويف السليكون. اعتماداً على تطبيقات محددة، السيليكون الحوافظ المالية يمكن إجراء إلى نوعين: الجودة المنخفضة في الحوافظ المالية والاستثمار في الحوافظ المالية عالية الجودة. الجبهة الشعبية الإيفوارية منخفضة الجودة لديه انعكاسية منخفضة لكل من طرفي تجويف السليكون، بينما الحوافظ المالية عالية الجودة من انعكاسية عالية لكلا طرفي تجويف السليكون. ريفليكتيفيتيس واجهات السليكون-الهواء والسليكون-الألياف هي تقريبا 30 في المائة و 18 في المائة، وبالتالي السيليكون الوحيدة الاستثمار في الحوافظ المالية المبينة في الشكل 1a أساسا الحوافظ المالية منخفضة الجودة. بطلاء طبقة رقيقة عالية-انعكاسية (HR) على كلا طرفي، شكلت سيليكون عالي الجودة الجبهة الشعبية الإيفوارية (الشكل 1b). انعكاسية للطلاء HR (عازل أو الذهب) يمكن أن تصل إلى 98%. لكلا النوعين من سي-فوسب، زيادة n و L عند درجة حرارة يزيد. وهكذا، من خلال رصد التحول هامشية، يمكن استخلاصه تباين درجات الحرارة. لاحظ أن لنفس المقدار من تحول الطول الموجي، يعطي الحوافظ المالية عالية الجودة لتمييز أفضل بسبب الشق هامش أضيق بكثير (الشكل 1 ج). حين Si-فوسب عالية الجودة دقة أفضل، قد منخفضة الجودة سي-فوسب أكبر مجموعة ديناميكية. لذلك، يتوقف الاختيار بين هذه إصدارين على المتطلبات لتطبيق معين. وعلاوة على ذلك، نظراً إلى اختلاف كبير في عرض كامل نصف الحد الأقصى (فوم) فبيس السيليكون منخفضة الجودة، والجودة العالية، أساليب الاستخلاص إشارة مختلفة. على سبيل المثال، فوم النظرية 1.5 نانومتر هو تخفيض عن 50 مرة إلى 30 فقط بعد الظهر عندما طرفي السيليكون الوحيدة الاستثمار في الحوافظ المالية هي مغلفة بطبقة HR 98%. ولذلك، سي منخفضة الجودة-فوسب، مطياف عالية السرعة سيكون كافياً لجمع البيانات وتجهيزها، بينما ينبغي أن تستخدم ليزر مسح demodulate عالية الجودة Si فوسب سبب فوم أضيق بكثير يمكن حلها بشكل جيد مطياف. وسيتم شرح طريقتين الاستخلاص في البروتوكول.
مادة السليكون اختارت هنا متفوقة لدرجة الحرارة الاستشعار فيما يتعلق بالقرار. على سبيل مقارنة، جدول المحتويات، والمجلس التنفيذي الانتقالي من السليكون هي 1.5×10-4 RIU/درجة مئوية و 2.55×10-6 m/(m∙°C)، على التوالي، مما أدى إلى حساسية درجة حرارة حوالي 84.6 م/درجة مئوية وحوالي 6.5 مرات أعلى من جميع القائم على السليكا الحرة والمفتوحة المصدر2. وبالإضافة إلى هذه الحساسية أعلى بكثير، وقد أثبتنا الطول موجي متوسط تتبع أسلوب تخفيض مستوى الضوضاء ومن ثم تحسين دقة جهاز استشعار منخفضة الجودة، مما أدى إلى قرار درجة حرارة ° 6 × 10-4 ج 2، في مقارنة بالقرار 0.2 درجة مئوية سفح المنحدر القائم على السليكا كل3. مواصلة تحسين القرار أن يكون 1.2×10-4 درجة مئوية عالية الجودة إصدار4. مادة السليكون أيضا متفوقة للاستشعار من حيث السرعة. على سبيل مقارنة، الانتشارية الحرارية السليكون 8.8×10-5 م2/ق، وأكثر من 60 مرة أعلى من السليكا2. جنبا إلى جنب مع بصمة صغيرة (مثلاً، 80 ميكرومتر قطرها 200 ميكرون سمك)، وقت الاستجابة لمرض التصلب العصبي المتعدد 0.51 سيليكون سفح المنحدر وقد برهنت،2بالمقارنة مع ms 16 مقرنة الصغرى-السليكا-الألياف نصيحة درجة الحرارة الاستشعار5. على الرغم من أن بعض البحوث الأعمال المتصلة بقياس درجة الحرارة باستخدام الفيلم السليكون رقيقة جداً كما أفيد مادة الاستشعار عن طريق أخرى مجموعات6،7،،من89، أيا منها يمتلك أداء أجهزة الاستشعار لدينا فيما يتعلق بالقرار أو السرعة. على سبيل المثال، أجهزة الاستشعار مع قرار فقط 0.12 درجة مئوية ووقت استجابة طويلة 1 ذكر s. 7 قرار درجة حرارة أفضل من 0.064 درجة مئوية وقد ذكرت10؛ ومع ذلك، محدودة السرعة رئيس جهاز استشعار ضخمة نسبيا. ما الذي يجعل الأكاذيب فوسب Si فريدة من نوعها في طريقة تصنيع جديدة وتجهيز البيانات الخوارزمية.
بالإضافة إلى المزايا المذكورة أعلاه لدرجة الحرارة الاستشعار، يمكن أيضا وضع سي-فوسب في مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار ذات الصلة بدرجة حرارة تهدف إلى قياس البارامترات المختلفة، مثل الغاز ضغط11، الهواء أو تدفق المياه12،13 ،14 ، والإشعاع4،15. تقدم هذه المقالة وصفاً مفصلاً للاستشعار البروتوكولات الاستخلاص تلفيق وإشارة إلى جانب ثلاثة طلبات الممثل ونتائجها.
Protocol
Representative Results
Discussion
اختيار الحجم (الطول والقطر) من السيليكون في الحوافظ المالية تتم عند المفاضلة بين متطلبات القرار وسرعة. بشكل عام، حجم أصغر يوفر سرعة أعلى، بل يقلل أيضا من القرار2. طول مدة قصيرة مفيدة للحصول على سرعة أعلى، ولكن ليس أعلى للحصول على دقة عالية بسبب فوم موسعة من الشقوق انعكاس. استخد?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذا العمل كان يدعمها “مختبر أبحاث البحرية الأمريكية” (غ. N0017315P0376، N0017315P3755)؛ مكتب الولايات المتحدة للبحوث البحرية (غ. N000141410139، N000141410456)؛ وزارة الطاقة في الولايات المتحدة (غ. DE-SC0018273، 09CH11466-دو-AC02، دي-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).
