פלטפורמה משופעת סיליקון סיבים אופטיים חישה עם רזולוציה גבוהה ותגובה מהירה
Summary
עבודה זו מדווחת חדשני משופעת סיליקון סיבים אופטיים חישה פלטפורמה (סי-FOSP) למדידה ברזולוציה גבוהה ותגובה מהירה של מגוון פרמטרים פיזיים, כגון טמפרטורה, זרימה, קרינה. יישומים של סי-FOSP הזה span של מחקר אוקיאנוגרפי, תעשיית מכני, מחקר האנרגיה פיוז’ן.
Abstract
במאמר זה, נסקור חדשני ומבטיח כמעט סיבים אופטיים חישה פלטפורמה (FOSP) אנו הציע, הפגין לאחרונה. FOSP הזה מסתמך על interferometer סיליקון פאברי-פרו (FPI) המצורפת לקצה סיבים, המכונה סי-FOSP בעבודה זו. סי-FOSP יוצר interferogram נקבע לפי אורך אופטי (OPL) של חלל סיליקון. Measurand הפיצולים OPL את, ובכך משמרות את interferogram. עקב אופטית ותרמית תכונותיו הייחודיות של חומר הסיליקון, זה סי-FOSP תערוכות הופעה יתרון מבחינת רגישות ומהירות. יתר על כן, תעשיית ייצור סיליקון בוגרת מעניק את סי-FOSP עם הפארמצבטית מעולה ועלות נמוכה כלפי יישומים מעשיים. בהתאם יישומים ספציפיים, או גירסה עדינות נמוכה או גבוהה-עידון ב’טבלת ולאחר שתי שיטות לבינארי נתונים שונים יאומצו בהתאם. פרוטוקולים מפורט עבור בדיית שתי הגירסאות של סי-FOSP יינתן. שלושה יישומים נציג ותוצאותיהם עפ י יוצגו. הראשון הוא אב-טיפוס במד תת מימי עבור פרופיל thermoclines את האוקיינוס, והשני הוא מד זרימה כדי למדוד את מהירות הזרימה באוקיינוס, האחרונה היא של bolometer המשמש לניטור קרינה פליטה של דיסקות מוגבל פלזמה בטמפרטורות גבוהות.
Introduction
סיבים אופטיים (FOSs) החיישנים ההתמקדות עבור חוקרים רבים בשל תכונותיו ייחודי, כגון גודלו הקטן, העלות הנמוכה, משקל קל שלה את חסינותו הפרעה אלקטרומגנטית (EMI)1. פוס אלה מצאו יישומים רחב בתחומים רבים כגון ניטור סביבתי, מעקב האוקיינוס, חיפושי נפט, תהליך תעשייתי בין היתר. כשמדובר חישת הטמפרטורה הקשורים, פוס המסורתיים אינם מעולה מבחינת רזולוציה ומהירות עבור המקרים שבו רצוי מדידה של דקה ווריאציות טמפרטורה מהר. מגבלות אלה נובעים המאפיינים אופטי ו התרמית של החומר fused סיליקה שעליו מבוססים פוס מסורתיים רבים. מצד אחד, מקדם התרמו-אופטיים (TOC) ואת מקדם הרחבה תרמי (TEC) של סיליקה הם 1.28×10-5 RIU / ° C ו- 5.5×10-7 m/(m·°C), בהתאמה; ערכים אלה להוביל רגישות לטמפרטורה של רק כ-13 pm / ° C סביב אורך הגל של 1550 ננומטר. מצד שני, diffusivity תרמית, אשר מודד המהירות של טמפרטורת שינוי בתגובה ל- exchange אנרגיה תרמית, הוא רק 1.4×10-6 מ’2/s עבור סיליקה; ערך זה הוא לא מעולה לשיפור המהירות של פוס מבוסס-סיליקה.
פלטפורמת חישה של סיבים אופטיים (FOSP) דיווחו במאמר זה מנתק את המגבלות הנ של פוס מבוסס-fused סיליקה. FOSP החדש מנצל סיליקון גבישי כמפתח חישה חומר, המהווה interferometer פברי-פרו באיכות גבוהה (FPI) בקצה של הסיבים, המכונים כאן FOSP שקצהו צורן (Si-FOSP). איור 1 מציג את העיקרון סכמטית והתפעולית של הראש חיישן, המהווה ליבת סי-FOSP. בראש חיישן מורכב בעיקרו סיליקון FPI, ספקטרום השתקפות אשר כוללת סדרת בשולי תקופתיים. התאבכות הורסת מתרחשת כאשר OPL עונה 2nL = Nλ, כאשר n ו- L הם מקדם שבירה של אורך של חלל סיליקון FP, בהתאמה ו- N הוא מספר שלם זה מסדר הציצית החריץ. לכן, עמדות בשולי התאבכות הם מגיבים OPL של חלל סיליקון. בהתאם יישומים ספציפיים, הסיליקון FPI יכול להתבצע לשני סוגים: נמוך-עידון FPI ו- FPI גבוהה-עידון. FPI נמוך-עדינות יש של השתקפות נמוכה בשני הקצוות של חלל סיליקון, ואילו FPI גבוהה-עידון של השתקפות גבוהה בשני הקצוות של חלל סיליקון. Reflectivities של הממשקים סיליקון-אייר ו סיבי סיליקון הם בערך 30% ו-18%, ובכך סיליקון הבלעדית FPI המוצגת איור 1a היא בעיקרו של דבר FPI נמוך-עידון. על ידי ציפוי שכבה גבוהה רזה-השתקפות (HR) בשני הקצוות, סיליקון גבוהה-עידון ש-FPI הוא הקים (איור 1b). השתקפות של ציפוי HR (דיאלקטרי או זהב) יכול להיות גבוה ככל 98%. עבור שני הסוגים של סי-FOSP, n ו- L להגדיל כאשר הטמפרטורה עולה. לפיכך, על ידי ניטור משמרת פרינג, וריאציית טמפרטורה ניתן להסיק. שימו לב כי עבור אותה כמות של אורך גל shift, נותן FPI גבוהה-עידון של אפליה יותר עקב החריץ פרינג בהרבה (איור 1 c). בעוד גבוהה-עידון סי-FOSP בעל רזולוציה טובה יותר, נמוך-עידון סי-FOSP יש טווח דינמי גדול יותר. לכן, הבחירה בין שתי גירסאות אלו תלוי בדרישות של יישום מסוים. יתר על כן, לאור ההבדל גדול מלא רוחב חצי מקסימום (FWHM) של סיליקון נמוך-עדינות ועידון גבוהים FPIs, את השיטות לבינארי האות שלהם הם שונים. לדוגמה, FWHM התיאורטית של 1.5 ננומטר הוא מופחת על ידי על פי 50 רק 30 pm כאשר בשני הקצוות של סיליקון הבלעדית FPI הם מצופים בשכבה HR 98%. לכן, עבור Si נמוך-עידון-FOSP, ספקטרומטר במהירות גבוהה היה מספיק עבור איסוף נתונים ועיבוד, בזמן סריקת לייזר צריך להתרגל demodulate סי גבוה-עידון-FOSP בשל FWHM בהרבה שאינם ניתנים לזיהוי על-ידי ספקטרומטר. שתי השיטות לבינארי יוסברו בפרוטוקול.
חומר הסיליקון שנבחרו כאן עדיפה על הטמפרטורה חישה מבחינת רזולוציה. לשם השוואה, תוכן העניינים ואת TEC של סיליקון הם 1.5×10-4 RIU / ° C 2.55×10-6 m/(m∙°C), בהתאמה, שמוביל רגישות לטמפרטורה של בסביבות 84.6 pm / ° C אשר הוא בערך פי 6.5 גבוה מזה של כל מבוסס-סיליקה פוס2. בנוסף זה רגישות גבוהה יותר, הראו גל ממוצע של שיטת כדי להפחית את רמת הרעש וכך לשפר את הרזולוציה עבור חיישן נמוך-עדינות, מעקב שמוביל רזולוציה בטמפרטורה של 6 x 10-4 ° C 2, ב השוואה עד הרזולוציה של 0.2 ° C פוס הכל מבוסס על סיליקה3. הרזולוציה חל שיפור נוסף להיות 1.2×10-4 ° C עבור גבוה-עידון גירסה4. החומר סיליקון עדיפה גם עבור חישה מבחינת מהירות. לשם השוואה, diffusivity תרמית של סיליקון הוא 8.8×10-5 מ’2/s, שהוא יותר מ-60 פעמים גבוה מזה של סיליקה2. בשילוב עם שטח רצפה קטן (למשל, קוטר 80 מיקרומטר, 200 עובי מיקרומטר), זמן התגובה של 0.51 ms עבור סיליקון שפוס היה הפגינו2, לעומת 16 ms של חיישן5טמפרטורה עצה מצמד מיקרו-סיליקה-סיבים. למרות כמה מחקר עבודה הקשורים מדידת טמפרטורה באמצעות סרט סיליקון דק מאוד כמו החומר חישה דווחה על-ידי אחרים קבוצות6,7,8,9, אף אחד מהם בעל הביצועים של החיישנים שלנו מבחינת רזולוציה או מהירות. לדוגמה, החיישן עם רזולוציה של רק 0.12 ° C, זמן תגובה ארוך 1 s דווח. 7 שרזולוציה טמפרטורה טוב יותר של 0.064 ° C כבר דיווחו10; עם זאת, המהירות מוגבל על ידי ראש חיישן מגושם יחסית. מה שהופך את השקרים ייחודי של סי-FOSP שיטה חדשה פבריקציה נוספת, אלגוריתם עיבוד נתונים.
מלבד היתרונות הנ עבור הטמפרטורה חישה, Si-FOSP יכולים גם להתפתח במגוון רחב של חיישנים הקשורות טמפרטורה מכוון מדידת פרמטרים שונים, כגון לחץ גז11, אוויר או מים זורמים12,13 ,14 וקרינה4,15. מאמר זה מציג תיאור מפורט של החיישן פרוטוקולים לבינארי ייצור ושידור יחד עם שלושה יישומים נציג ותוצאותיהם.
Protocol
Representative Results
Discussion
הבחירה של הגודל (אורך וקוטר) של סיליקון FPI נעשית על עסקת החליפין בין דרישות על הרזולוציה ומהירות. באופן כללי, גודל קטן יותר מספק מהירות גבוהה יותר, אך גם מפחית את הרזולוציה2. אורך קצר יש יתרון להשגת מהירות גבוהה יותר, אבל זה לא מעולה עבור קבלת רזולוציה גבוהה בשל FWHM המורחב של החריצ…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מעבדת המחקר של הצי בארה ב (Nos. N0017315P0376, N0017315P3755); ארה ב Office המחקר הימי (Nos. N000141410139, N000141410456); מחלקת האנרגיה של ארצות הברית (Nos. DE-SC0018273, דה-AC02-09CH11466, דה-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 |
References
- 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).
