높은 해상도와 빠른 응답 실리콘 밀고 광 감지 플랫폼
Summary
이 작품 보고는 혁신적인 실리콘 밀고 광 감지 플랫폼 (Si-FOSP) 고해상도 및 빠른 응답의 다양 한 온도, 흐름, 방사선 등의 물리적 매개 변수 측정 합니다. 이 시 FOSP의 융해 에너지 연구 해양 연구, 기계 산업에서에서 스팬.
Abstract
이 문서에서는, 우리는 혁신적이 고 실제적으로 유망 광 감지 플랫폼 (FOSP)을 우리가 제안 하 고 최근 시연 소개 합니다. 이 FOSP 라고 시 FOSP이이 작품에서 섬유 끝에 연결 된 실리콘 Fabry-페로 간섭계 (FPI)에 의존 합니다. Si-FOSP 실리콘 구멍의 광학 경로 길이 (OPL)에 의해 결정 하는 interferogram를 생성 합니다. Measurand에서 OPL 변경 하 고 따라서 교대는 interferogram. 실리콘 재료의 독특한 광학 및 열 특성, 때문이 시-FOSP 및 속도 유리한 성능을 전시 한다. 또한, 성숙한 실리콘 제조 업계는 우수한 재현성 및 실용적인 응용 프로그램으로 저렴 한 비용으로 Si-FOSP endows. 특정 응용 프로그램에 따라 중 낮은 기교 또는 높은 기교 버전 이용 될 것입니다, 그리고 두 개의 서로 다른 데이터 복조 방법 따라 채택 될 것입니다. Si-FOSP의 두 버전을 날조를 위한 상세한 프로토콜 제공 됩니다. 3 대표적인 응용 프로그램 및 그들의 일치 결과 표시 됩니다. 첫 번째 바다 thermoclines 프로 파일링에 대 한 프로토 타입 수 중 온도계, 두 번째는 바다, 흐름 속도 측정 하는 유량 이며, 마지막 하나는 자석에서 배기 방사선 모니터링에 사용 되는 대런 국한 고온 플라즈마입니다.
Introduction
광섬유 센서 (FOSs) 작은 크기, 그것의 저가, 그것의 가벼운 무게와 전자기 간섭 (EMI)1의 면역 등의 독특한 특성으로 인해 많은 연구자에 대 한 초점 되었습니다. 이러한 FOSs 환경 모니터링, 바다 감시, 석유 탐사, 그리고 다른 사람의 사이에서 산업 공정 등 많은 분야에서 다양 한 응용 프로그램을 발견 했다. 온도 관련 감지에 오면, 전통적인 FOSs 해상도와 분 및 빠른 온도 변화 측정 바람직한 경우 속도 뛰어난있지 않습니다. 이러한 한계는 많은 전통적인 FOSs 기반으로 융합 된 실리 카 재료의 광학 및 열 특성에서 줄기. 한 손으로, 열 광학 계수 (TOC)와 실리 카의 열 확장 계수 (TEC)는 1.28×10-5 RIU / ° C 및 5.5×10-7 m/(m·°C), 각각; 이러한 값은 1550 nm의 파장 주위만 약 13 오후 / ° C의 온도 감도 이어질. 다른 한편으로, 열 확산 율, 온도의 속도의 측정 인 열 에너지 교환에 대 한 응답에서 변경, 단지 1.4×10-6 m2/s 실리 카;에 대 한 이 값은 실리 카 기반 FOSs의 속도 향상을 위한 우수.
섬유 광학 감지 플랫폼 (FOSP)이이 문서에서 보고 나누기 융합 된 실리 카 기반 FOSs의 위의 한계. 새로운 FOSP 소재, 높은-품질 Fabry-페로 간섭계 (FPI) 여기 실리콘 밀고 FOSP (Si-FOSP) 이라고 하는 섬유의 끝에 형성을 감지 키로 결정 실리콘을 사용 합니다. 그림 1 시 FOSP의 핵심은 센서 헤드의 구조 및 작동 원리를 보여 줍니다. FPI, 그 반사 스펙트럼 특징 정기적인 변두리의 시리즈는 실리콘이 센서 헤드에 의하여 기본적으로 이루어져 있다. 파괴적인 방해는 OPL 만족 2nL 때 발생 = Nλ, n과 L는 굴절률 및 실리콘 FP 구멍의 길이와 N은 정수 프린지 노치의 순서입니다. 따라서, 간섭 변두리의 위치는 실리콘 캐비티 OPL에 반응. 특정 응용 프로그램에 따라 실리콘 FPI로 만들어질 수 있다 두 가지 유형: 낮은 기교 FPI 및 높은 기교 FPI. 낮은 기교 FPI는 실리콘 구멍의 양쪽에 대 한 낮은 반사율 높은 기교 FPI는 실리콘 구멍의 양쪽에 대 한 높은 반사율. 실리콘 공기, 실리콘 섬유 인터페이스의 reflectivities는 대략 30%와 18%, 따라서 유일한 실리콘 FPI 그림 1a 에서 본질적으로 낮은 기교 FPI. 양쪽에 얇은 높은 반사율 (HR) 레이어를 입혀서, FPI는 높은 기교 실리콘 형성 (그림 1b). (유 전체 또는 골드) HR 코팅의 반사율 98%로 높은 수 있습니다. 두 가지 유형의 시 FOSP에 대 한 n와 L 증가 온도 증가. 따라서, 프린지 변화를 모니터링 하 여 온도 변화를 추론 수 있습니다. Note 같은 양의 파장 이동에 대 한 높은 기교 FPI 훨씬 좁은 프린지 노치 (그림 1c)로 인해 더 나은 차별 제공. 높은 기교 시-FOSP는 더 나은 해상도, 낮은 기교 시 FOSP 더 큰 동적 범위를 하고있다. 따라서,이 두 버전 간의 선택 특정 응용 프로그램의 요구 사항에 따라 달라 집니다. 또한, 절반 최대 (FWHM) 낮은 기교와 높은 기교 실리콘 FPIs의 전체 폭에 큰 차이로 인해 그들의 신호 복조 방법 다르다. 예를 들어 1.5의 이론적 FWHM nm은 감소에 대 한 50 번만 30 오후 유일한 실리콘 FPI의 양쪽 98 %HR 층으로 코팅 하는 때. 따라서, 낮은 기교 시-FOSP, 대 한 고속 분석기 겠지만 데이터 수집 및 처리, 잘으로 확인할 수 없는 많은 좁은 FWHM 인해 높은 기교 시 FOSP를 복조 하는 데 사용 될는 스캐닝 레이저는 분 광 계입니다. 두 복조 방법 프로토콜에서 설명 될 것 이다.
여기 선택 실리콘 소재는 우수한 해상도 측면에서 온도 감지에 대 한. 비교, 목차와 실리콘의 절반은 1.5×10-4 RIU / ° C 및 2.55×10-6 m/(m∙°C), 각각, 약 84.6 오후 / ° C는 약 6.5 배 이상 모든 실리 카 기반 FOSs2의 온도 감도에 선도. 이 훨씬 높은 감도, 뿐만 아니라 우리는 시연 잡음 레벨을 감소 하 고 따라서 낮은 기교 센서에 대 한 해상도 개선 하는 방법 추적 하는 평균 파장에서 C 2, 6 x 10-4 °의 온도 분해능을 선도 모든 실리 카 기반 포30.2 ° C의 해상도 비교. 해상도 더 1.2×10-4 ° C 높은 기교 버전4에 대 한 개선 되었습니다. 실리콘 물자는 또한 속도 측면에서 감지를 위해 우수한. 비교, 실리콘의 열 확산 율은 8.8×10-5 m2/s, 실리 카2보다 60 배 이상입니다. (예를 들어, 80 µ m 직경, 200 µ m 두께) 소형 풋프린트와 결합, FOS 되었습니다 실리콘 0.51 ms의 응답 시간2, 마이크로 실리 카 섬유 커플러 팁 온도 센서516 ms에 비해 시연. 비록 일부 연구 작업으로 감지 자료 다른 그룹6,7,,89, 그들의 아무도 의해 보고 되었습니다 매우 얇은 실리콘 필름을 사용 하 여 온도 측정에 관련 해상도 또는 속도 센서의 성능을 있습니다. 예를 들어 0.12 ° C의 해상도와 1의 긴 응답 시간 센서 s 보고 되었다. 7 0.064 ° C의 더 나은 온도 분해능 되었습니다 보고10; 그러나, 속도 상대적으로 부피가 큰 센서 헤드에 의해 제한 됩니다. 무엇이 새로운 제조 방법 및 데이터 처리 알고리즘에 Si FOSP 독특한 거짓말.
온도 감지에 대 한 위의 장점 외에 Si-FOSP 또한 목표로 가스 압력11, 공기 등의 다른 매개 변수를 측정 온도 관련 센서의 다양 한으로 개발 될 수 있다 또는 물 흐름12,13 ,14 , 그리고 방사선4,15. 이 문서는 센서에 대 한 자세한 설명을 제조 및 신호 복조 프로토콜 세 가지 대표적인 응용 프로그램 및 그들의 결과 제공합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
실리콘 FPI의 크기 (길이 직경)의 해상도에 요구와 속도 사이의 거래에 따라 이루어집니다. 일반적으로, 더 작은 크기 더 높은 속도 제공 하지만 해상도2감소. 짧은 길이 더 높은 속도 얻기 위해 유리 하지만 그것은 반사 노치의 확장된 FWHM 인해 높은 해상도 얻기 위해 우수한. FWHM 줄이기 위해 HR 코팅을 사용 하 여 해상도 향상 시킬 수 있습니다 하지만 그것은 때문에 신호 복조 레?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 미국 해군 연구 실험실 (개에 의해 지원 되었다 N0017315P0376, N0017315P3755); 미국 사무실 해군 연구소 (번호. N000141410139, N000141410456); 미국 에너지 부 (번호. DE-SC0018273, 드-AC02-09CH11466, 드-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 |
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