Кремний накренилась волоконно оптического зондирования платформа с высоким разрешением и быстрого реагирования
Summary
Эта работа сообщает инновационные кремния накренилась волоконно оптических зондирования платформа (Si-FOSP) для измерения высокого разрешения и быстрого реагирования различных физических параметров, таких как температуры, расхода и излучения. Применение этого Si-FOSP интервал от океанографических исследований, Механическая промышленность, фьюжн энергетических исследований.
Abstract
В этой статье мы представляем инновационные и практически перспективных волоконно оптических зондирования платформы (FOSP) что мы предложили и продемонстрировала недавно. Этот FOSP опирается на интерферометра кремния Фабри-Перо (ИНФ) прилагается к концу волокна, упоминаемый как Si-FOSP в этой работе. Si-FOSP генерирует interferogram определяется длиной оптического пути (ОБН) кремния полости. Параметр изменяет ОБН и таким образом смены interferogram. Благодаря уникальным свойствам оптической и термической материала кремния этот Si-FOSP экспонатов выгодно производительности с точки зрения чувствительность и скорость. Кроме того пожилые кремния изготовление промышленности наделяет Si-FOSP отличную воспроизводимость и низкой стоимости к практическому применению. В зависимости от конкретного применения либо низкой утонченность или средней утонченности версия будет использоваться, и методы демодуляции два различных данных будет принят соответственно. Подробные протоколы для изготовления обе версии Si-FOSP будет оказываться. Три представителя приложений и их соответствии результаты будут показаны. Первый прототип подводный термометр для профилирования термоклины океан, второй-расходомер для измерения скорости потока в океане, и последний является Болометр, используется для контроля выхлопных газов излучения от магнитно ограничивается высокотемпературной плазмы.
Introduction
Датчики оптоволоконные (FOSs) были в центре внимания многих исследователей из-за ее уникальные свойства, такие как ее небольшой размер, его низкой стоимости, его легкий вес и его иммунитет к электромагнитные помехи (EMI)1. Эти ФОСС нашли широкое применение во многих областях, таких, как мониторинг окружающей среды, наблюдения океана, разведки нефти и производственного процесса, среди других. Когда дело доходит до температуры связанных зондирования, традиционные ФОСС не превосходят с точки зрения резолюции и скорость для случаев, где измерение минуту и быстро температуры является желательным. Эти ограничения вытекают из оптических и тепловые свойства кварцевого материала, на котором основаны многие традиционные ФОСС. С одной стороны коэффициент термо оптические (TOC) и коэффициент теплового расширения (TEC) кремния являются 1.28×10-5 RIU / ° C и 5.5×10-7 m/(m·°C), соответственно; Эти значения приводят к чувствительности температуры лишь около 13 pm / ° C вокруг волны 1550 нм. С другой стороны температуропроводности, которая является мерой скорости температуры изменения в ответ на обмен тепловой энергии, это только 1.4×10-6 m2/s для кремния; Это значение не является улучшенный для повышения скорости на основе силики ФОСС.
Волоконно оптического зондирования платформы (FOSP) сообщалось в этой статье перерывов выше ограничения на основе кварцевого ФОСС. Новый FOSP использует кристаллического кремния как ключ зондирования материала, который формирует интерферометра Фабри-Перо высокого качества (ИНФ) на конце волокна, здесь называют FOSP накренилась кремния (Si-FOSP). На рисунке 1 показана схема и оперативный принцип головки датчика, который является ядром Si-FOSP. Сенсорная головка по существу состоит из кремния ИПИ, чьи спектр отражения особенности серии периодических полос. Разрушительного вмешательства происходит, когда ОБН удовлетворяет 2nL = Nλ, где n и L преломления и длина полости кремния FP, соответственно, и N — это целое число, которое представляет порядок в вырез fringe. Таким образом позиции интерференционных полос реагировать ОБН полости кремния. В зависимости от конкретного применения, кремния ИПИ могут быть сделаны в двух типов: низкий утонченность ИПИ и средней утонченности инф. Низкий утонченность ИПИ имеет низкой отражательной способности для обоих концах полости кремния, а средней утонченности ИПИ высокой отражательной способностью для обоих концах кремния полости. Коэффициенты отражения интерфейсов кремния воздух и кремния волокна составляют примерно 30% и 18%, таким образом единственным кремния ИПИ, показан на рисунке 1a по сути низким утонченность инф. Покрытие слоем тонкой высокой отражательной способности (HR) на обоих концах, средней утонченности кремния, который ИПИ создан (рис. 1b). Отражательная способность HR покрытия (диэлектрик или золото) может достигать 98%. Для обоих типов Си-FOSP n и L увеличить когда температура повышается. Таким образом осуществляя мониторинг смены бахрома, Флуктуация температуры можно дедуцировать. Обратите внимание, что за такое же количество волны сдвига, средней утонченности ИПИ дает лучше дискриминации из-за гораздо более узкими бахрома паз (рис. 1С). В то время как Si-FOSP средней утонченности имеет лучшее разрешение, низкая утонченность Si-FOSP имеет больший динамический диапазон. Таким образом выбор между этими двумя версиями зависит от требований конкретного приложения. Кроме того из-за большой разницы в полную ширину в половина максимума (FWHM) низкой утонченность и средней утонченности кремния FPIs, их методы Демодулирование сигнала отличаются. Например, теоретические FWHM 1,5 Нм уменьшается о 50 раз только 30 вечера, когда обоих концах единственным кремния ИПИ покрыты слоем HR 98%. Таким образом, для низкой утонченность Si-FOSP, высокоскоростной спектрометр будет достаточно для сбора и обработки данных, в то время как сканирующий лазер должен использоваться для демодуляции средней утонченности Si-FOSP благодаря гораздо короче FWHM, которые не могут быть разрешены хорошо спектрометр. Эти два метода демодуляции будет объяснено в протоколе.
Для Датчик температуры с точки зрения резолюции превосходит кремниевого материала выбрали здесь. Для сравнения TOC и TEC кремния являются RIU / ° C 1.5×10-4 и 2.55×10-6 m/(m∙°C), соответственно, приводит к чувствительности температуры около 84,6 м / ° C, которая около 6,5 раза выше, чем у всех на основе силики ФОСС2. Помимо этого намного выше чувствительность мы продемонстрировали средняя длина волны, отслеживания метод, чтобы уменьшить уровень шума и таким образом улучшить разрешение для датчика низкий утонченность, ведущих к температуре резолюции 6 x 10-4 ° C 2, в Сравнение в резолюции 0,2 ° C для всех на основе силики Фос3. Резолюция далее улучшена быть 1.2×10от -4 ° C для средней утонченности версии4. Кремниевого материала превосходит также для зондирования с точки зрения скорости. Для сравнения температуропроводности кремния является 8.8×10-5 m2/s, который более чем в 60 раз выше, чем у кремния2. В сочетании с небольшой след (например, 80 мкм диаметр, толщина 200 мкм), время отклика 0,51 МС для кремния, который был FOS продемонстрировал2, по сравнению с 16 мс микро кремний волокна автосцеп подсказка температуры датчик5. Хотя некоторые исследовательские работы, связанные с измерения температуры с помощью очень тонкий кремния фильм, как другие группы6,,78,9, никто из них не было сообщено зондирования материал обладает производительность наших датчиков с точки зрения резолюции или скорость. Например, датчик с разрешением только 0.12 ° C и время отклика длиной 1 s было сообщено. 7 , который был лучше разрешение температуры 0,064 ° c сообщили10; Однако скорость ограничивается сравнительно громоздкие Сенсорная головка. Что делает Si-FOSP уникальный лежит в новый метод изготовления и обработки данных алгоритмом.
Помимо вышеуказанных преимуществ для Датчик температуры Si-FOSP также могут быть разработаны в различные датчики температуры, направленные в измерения различных параметров, таких как газа давление11, воздуха или воды потока12,13 ,14 и излучение4,15. Эта статья представляет подробное описание датчика изготовление и сигнал демодуляции протоколы наряду с три представителя приложений и их результаты.
Protocol
Representative Results
Discussion
Выбор размера (Длина и диаметр) кремния ИПИ производится по компромисс между требованиями по резолюции и скорость. В общем меньший размер обеспечивает более высокую скорость, но также уменьшает резолюции2. Короткая длина выгодно для получения более высокой скорости, но это…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана США, военно-морской научно-исследовательской лаборатории (Nos. N0017315P0376, N0017315P3755); Офис в США военно-морских исследований (Nos. N000141410139, N000141410456); Министерство энергетики США (Nos. DE-SC0018273, ДЕ AC02-09CH11466, ДЕ 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).
