Eine Silizium-bestückte Glasfaser-Sensing-Plattform mit hoher Auflösung und schnelle Reaktion
Summary
Diese Arbeit berichtet eine innovative Silicon-bestückte Glasfaser-Fernerkundung Plattform (Si-FOSP) für hochauflösende und reaktionsschnelle Messung einer Vielzahl von physikalischen Parametern wie Temperatur, Strömung und Strahlung. Anwendungen dieser Si-FOSP reichen von ozeanographische Forschung, mechanische Industrie, Fusionsenergieforschung.
Abstract
In diesem Artikel stellen wir Ihnen eine innovative und praktisch viel versprechende Glasfaser-Fernerkundung Plattform (FOSP), die wir vorgeschlagen und vor kurzem demonstriert. Diese FOSP stützt sich auf ein Silizium Fabry-Perot-Interferometer (FPI) befestigt auf dem Faserende in dieser Arbeit als Si-FOSP bezeichnet. Die Si-FOSP erzeugt ein Interferogramm durch die optische Weglänge (OPL) der Silizium-Kavität bestimmt. Messgröße ändert das OPL und so verschiebt sich das Interferogramm. Aufgrund der einzigartigen optischen und thermischen Eigenschaften von Silizium-Material weist dieser Si-FOSP eine vorteilhafte Performance in Bezug auf die Empfindlichkeit und Geschwindigkeit. Darüber hinaus verleiht die ausgereiften Silizium Herstellung Industrie der Si-FOSP hervorragende Reproduzierbarkeit und low-Cost auf praktische Anwendungen. Abhängig von den spezifischen Anwendungen entweder eine niedrig-Finesse oder High-Finesse-Version genutzt werden, und zwei verschiedene Methoden der Demodulation entsprechend angenommen werden. Detaillierte Protokolle für die Herstellung von beiden Versionen von Si-FOSP werden bereitgestellt. Drei repräsentative Anwendungen und deren entsprechende Ergebnisse werden angezeigt. Ersteres ist ein Prototyp Unterwasser-Thermometer für die Profilierung der Ozean Sprungschichten, das zweite ist ein Durchflussmessgerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in den Ozean, und der letzte ist ein Bolometer zur Überwachung Auspuff Strahlung von magnetisch beschränkt Hochtemperatur-Plasma.
Introduction
Faseroptische Sensoren (FOSs) wurden der Fokus für viele Forscher aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften, wie seine geringe Größe, die niedrigen Kosten, sein geringes Gewicht und seine Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI)1. Diese FOSs haben breite Anwendungen in vielen Bereichen wie Umweltüberwachung, Ozean-Überwachung, Ölförderung und industriellen Prozess unter anderem gefunden. Wenn es darum geht, die temperaturbedingten Abtastung, der traditionellen FOSs sind nicht überlegen in Bezug auf Auflösung und Geschwindigkeit für die Fälle, in denen Messung von Minute und schnelle Temperaturschwankungen wünschenswert ist. Diese Einschränkungen ergeben sich aus der optischen und thermischen Eigenschaften des Werkstoffes Quarzglas auf denen viele traditionelle FOSs basieren. Auf der einen Seite sind die Thermo-Optik-Koeffizient (TOC) und thermischen Ausdehnungskoeffizienten (TEC) von Kieselsäure 1.28×10-5 RIU / ° C und 5.5×10-7 m/(m·°C), beziehungsweise; Diese Werte führen zu einer Temperaturempfindlichkeit von nur etwa 13 Uhr / ° C um die Wellenlänge von 1550 nm. Auf der anderen Seite die thermische Diffusivität, die ein Maß für die Geschwindigkeit der Temperatur ist als Reaktion auf thermische Energieaustausch ändern, ist nur 1.4×10-6 m2/s für Kieselsäure; Dieser Wert ist nicht zur Verbesserung der Geschwindigkeit der Silica-basierten FOSs überlegen.
Die Glasfaser-Sense-Plattform (FOSP) berichtet in diesem Artikel bricht die vorstehenden Haftungsbeschränkungen Fused-Silica-basierten FOSs. Die neue FOSP nutzt kristallines Silizium als Schlüssel sensing Material, bildet eine qualitativ hochwertige Fabry-Perot Interferometer (FPI) am Ende der Faser, hier als Silizium-bestückte FOSP (Si-FOSP) bezeichnet. Abbildung 1 zeigt die schematische und operative Prinzip des Sensorkopfes, die den Kern des Si-FOSP ist. Der Sensorkopf besteht im Wesentlichen aus einem Silizium FPI, deren Reflexion Spektrum verfügt über eine Reihe von regelmäßigen Fransen. Destruktive Interferenz tritt auf, wenn die OPL 2nL erfüllt = Nλ, wo n und L die Brechzahl und Länge des Hohlraums Silizium FP sind, und N ist eine Ganzzahl, die die Reihenfolge der Franse Kerbe ist. Daher sind Positionen der Interferenzstreifen OPL der Silizium-Kavität entgegenkommend. Abhängig von den spezifischen Anwendungen, das Silizium FPI kann erfolgen in zwei Typen: Low-Finesse FPI und hoher Finesse FPI. Niedrig-Finesse FPI hat eine niedrige Reflektivität für beide Enden der Silizium-Kavität, während High-Finesse FPI eine hohe Reflektivität für beide Enden der Silizium-Kavität. Die Reflectivities von Silizium-Luft und Silizium-LWL-Schnittstellen sind etwa 30 % und 18 %, somit das alleinige Silizium FPI, dargestellt in Abbildung 1a ist im Wesentlichen eine niedrig-Finesse FPI. Durch die Beschichtung einer dünne hohe Reflektivität (HR) Schicht an beiden Enden, bildete ein hoher Finesse-Silizium, die FPI ist (Abbildung 1 b). Reflektivität der HR-Beschichtung (dielektrische oder Gold) kann bis zu 98 %. Für beide Arten von Si-FOSP erhöhen n und L Wenn die Temperatur steigt. So kann durch die Überwachung der Fringe-Verschiebung, die Temperaturschwankung abgeleitet werden. Beachten Sie, dass für die gleiche Menge an Wellenlängenverschiebung, hoher Finesse FPI eine bessere Diskriminierung aufgrund der viel schmaler Rand Kerbe (Abbildung 1 c bietet). Während der hoch-Finesse Si-FOSP besseren Auflösung hat, hat die Low-Finesse Si-FOSP einen größeren Dynamikbereich. Daher hängt die Wahl zwischen diesen beiden Versionen auf die Anforderungen einer bestimmten Anwendung. Darüber hinaus unterscheiden sich aufgrund des großen Unterschieds in volle Breite am halben Maximum (FWHM) von niedrig-Finesse und hoher Finesse Silizium FPIs, deren Signal Demodulation Methoden. Zum Beispiel die theoretische FWHM von 1,5 nm reduziert sich durch über 50 Mal auf nur 30 pm wenn beide Enden des alleinigen Siliziums FPI mit einer 98 % HR überzogen sind. Daher für die Low-Finesse-Si-FOSP, ein High-Speed-Spektrometer ausreichen würde für die Datenerfassung und Verarbeitung, während ein Scan Laser benutzt werden sollte, zu hoher Finesse Si-FOSP durch die viel schmalere FWHM demodulieren, die auch von nicht aufgelöst werden kann die Spektrometer. Die beiden Methoden der Demodulation werden im Protokoll erklärt werden.
Die hier gewählte Silizium-Material ist für Temperatur sensing in Sachen Auflösung überlegen. Zum Vergleich sind die TOC und TEC von Silizium 1.5×10-4 RIU / ° C und 2.55×10-6 m/(m∙°C), bzw. führt zu einer Temperaturempfindlichkeit der rund 84,6 pm / ° C, ca. 6,5-Mal höher als die aller Silica-basierten FOSs2ist. Neben dieser viel höhere Empfindlichkeit haben wir demonstriert eine durchschnittliche Wellenlänge tracking-Methode auf, um den Geräuschpegel zu reduzieren und damit die Auflösung für einen Low-Finesse-Sensor führt zu einer Temperaturauflösung von 6 x 10-4 ° C 2, in im Vergleich zu der Auflösung von 0,2 ° C für alle Silica-basierten FOS3. Die Auflösung wird weiter verbessert, um sein 1.2×10-4 ° C für eine hoch-Finesse Version4. Die Silizium-Material ist auch für die Abtastung in Bezug auf Geschwindigkeit überlegen. Zum Vergleich: ist die thermische Diffusivität Silizium 8.8×10-5 m2/s, die mehr als 60 Mal höher als die von Kieselsäure2. In Kombination mit einem geringen Platzbedarf (z.B. 80 µm Durchmesser, 200 µm Dicke), demonstriert die Antwortzeit von 0,51 ms für eine Silizium wurde FOS2, im Vergleich zu den 16 ms eines Mikro-Silica-Faser-Koppler Tipp Temperatur Sensor5. Obwohl einige der Forschung arbeiten Sie im Zusammenhang mit Temperaturmessung mit sehr dünnen Silizium-Film, wie die Fernerkundung Material von anderen Gruppen6,7,8,9, keiner von ihnen berichtet wurde die Leistung unserer Sensoren in Bezug auf Auflösung oder Geschwindigkeit besitzt. Zum Beispiel, den Sensor mit einer Auflösung von nur 0,12 ° C und eine lange Reaktionszeit von 1 s wurde berichtet. 7 eine bessere Temperaturauflösung 0,064 ° c wurde berichtet,10; Allerdings wird die Geschwindigkeit durch den relativ sperrig Sensorkopf begrenzt. Was macht die Si-FOSP einzigartige liegt in der neuen Herstellungsverfahren und Datenverarbeitung Algorithmus.
Neben den oben genannten Vorteilen für die Abtastung von Temperatur die Si-FOSP kann auch entwickelt werden, in einer Vielzahl von temperaturbedingten Sensoren zur Messung verschiedener Parameter wie z. B. Gas Druck11, Luft oder Wasser fließen12,13 ,14 und Strahlung4,15. Dieser Artikel stellt eine detaillierte Beschreibung des Sensors Fertigung und Signal Demodulation Protokolle zusammen mit drei repräsentative Anwendungen und deren Ergebnisse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Wahl der Größe (Länge und Durchmesser) des Siliziums FPI erfolgt auf einen Kompromiss zwischen der Anforderungen an die Auflösung und Geschwindigkeit. In der Regel eine kleinere Größe bietet eine höhere Geschwindigkeit sondern senkt auch die Lösung2. Eine kurze Länge ist vorteilhaft für die Erlangung einer höheren Geschwindigkeit, aber es ist nicht für den Erhalt einer hohen Auflösung aufgrund der erweiterten FWHM der Reflexion Kerben überlegen. Mit HR Beschichtungen reduzieren d…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde unterstützt durch US Naval Research Laboratory (Nos. N0017315P0376, N0017315P3755); US Office of Naval Research (Nos. N000141410139, N000141410456); US Department of Energy (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 |
Referencias
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