En Silicon-tippas fiberoptiska avkänning plattform med hög upplösning och snabb respons
Summary
Detta arbete rapporterar en innovativ kisel-tippas fiberoptiska fjärranalys plattform (Si-FOSP) för hög upplösning och snabb respons mätning av en mängd fysiska parametrar såsom temperatur, flöde och strålning. Tillämpningar av detta Si-FOSP spänner från oceanografiska forskning, mekanisk industri, till forskning om fusionsenergi.
Abstract
I denna artikel införa vi en innovativa och praktiskt lovande fiberoptiska fjärranalys plattform (FOSP) som vi föreslagit och visade nyligen. Denna FOSP är beroende av en silicon Fabry-Perot interferometer (FPI) fäst vid fiber slutet, kallas Si-FOSP i detta arbete. De Si-FOSP genererar en interferogram som bestäms av den optiska ljuspassagelängden (OPL) av kisel-kaviteten. Mätstorhet förändrar OPL och således skiftar interferogram. På grund av de unika optiska och termiska egenskaperna av silicon material uppvisar detta Si-FOSP en fördelaktiga resultat i fråga om känslighet och hastighet. Dessutom förser mogen silicon tillverkning branschen den Si-FOSP med utmärkt reproducerbarhet och låg kostnad mot praktiska tillämpningar. Beroende på vilka specifika program, antingen en låg-finess eller hög-finess version kommer att utnyttjas, och två olika data demoduleringen metoder kommer att antas med detta. Detaljerade protokoll för fabricera båda versionerna av den Si-FOSP kommer att tillhandahållas. Tre representativa användningsområden och deras enligt resultat visas. Den ena är en prototyp undervattens termometer för profilering ocean temperaturskikt, den andra är en flödesmätare att mäta flöde hastighet i havet, och den sista är en bolometer som används för att övervaka avgaserna strålning från magnetiskt begränsas hög temperatur plasma.
Introduction
Fiberoptiska sensorer (FOSs) har varit i fokus för många forskare på grund av dess unika egenskaper, såsom dess liten storlek, dess låga kostnader, dess lätta vikt och dess immunitet mot elektromagnetiska störningar (EMI)1. Dessa FOSs har hittat breda tillämpningar inom många områden såsom miljöövervakning, ocean övervakning, oljeprospektering och industriell process bland andra. När det kommer till den temperatur-relaterade avkänning, den traditionella FOSs inte är överlägsen när det gäller upplösning och hastighet för de fall där mätning av minut och snabba temperaturvariationer är önskvärt. Dessa begränsningar härrör från optiska och termiska egenskaper av smält kiseldioxid material som bygger på många traditionella FOSs. Å ena sidan är de thermo-optic koefficient (TOC) och värmeutvidgningskoefficient (TEC) av kvarts 1.28×10-5 RIU / ° C 5.5×10-7 m/(m·°C), respektive; dessa värden leda till en temperatur känslighet på endast ca 13 pm / ° C omkring 1550 nm våglängd. Däremot, den termisk diffusivitet, som är ett mått på hastigheten på temperatur förändring i Svaren till termisk energiutbyte, är endast 1.4×10-6 m2/s för kiseldioxid; Detta värde är inte överlägsen för att förbättra hastigheten på kisel-baserade FOSs.
Den fiberoptiska fjärranalys plattform (FOSP) rapporterade i den här artikeln bryter ovanstående begränsningar av smält kiseldioxid-baserade FOSs. Den nya FOSP använder kristallint kisel som nyckeln avkänning material, som utgör en hög kvalitet Fabry-Perot interferometer (FPI) på slutet av fiber, här kallade kisel-tippade FOSP (Si-FOSP). Figur 1 visar schematiskt och operativa principen om sensorn huvudet, som är kärnan i den Si-FOSP. Sensor huvudet består huvudsakligen av en kisel FPI, vars reflektion spektrum ligger en serie av periodiska fransar. Destruktiv interferens uppstår när OPL uppfyller 2nL = Nλ, där n och L är brytningsindex och längd av kisel FP kaviteten, respektive, och N är ett heltal som är ordningen på fringe skåran. Därför är placerar av störningar fransar lyhörda för OPL av kisel-kaviteten. Beroende på vilka specifika program, kisel FPI kan göras i två typer: låg-finess FPI och hög-finess FPI. Låg-finess FPI har en låg reflektivitet för båda ändarna av kisel kaviteten, medan hög-finess FPI har en hög reflexionsförmåga för båda ändarna av kisel-kaviteten. Reflectivities av kisel-air och silicon-fiber gränssnitt är ungefär 30% och 18%, således den enda kiseln FPI visas i figur 1a är i huvudsak en låg-finess FPI. Genom att täcka ett tunt hög-reflektionsförmåga (HR) lager på båda ändar, bildas en hög-finess kisel FPI är (figur 1b). Reflektionsförmåga av HR beläggningen (dielektrisk eller guld) kan vara så hög som 98%. För båda typerna av Si-FOSP ökar både n och L när temperaturen ökar. Således, genom att övervaka fringe skiftet, temperaturvariationen kan härledas. Observera att för samma mängd våglängd Skift, hög-finess FPI ger en bättre diskriminering på grund av den mycket smalare fringe skåran (figur 1 c). Medan den hög-finess Si-FOSP har bättre upplösning, har den låg-finess Si-FOSP ett större dynamiskt omfång. Valet mellan dessa två versioner är därför beroende av kraven i ett visst program. Dessutom på grund av den stora skillnaden i full bredd på halva maximum (FWHM) av låg-finess och hög-finess kisel FPIs är deras signal demoduleringen metoder olika. Till exempel den teoretiska FWHM 1,5 nm reduceras av om 50 gånger till endast 30 pm när båda ändarna av den enda kiseln FPI är belagda med ett 98% HR lager. Därför, för det låg-finess Si-FOSP, en höghastighets spektrometer skulle räcka för datainsamling och bearbetning, medan en scanning laser bör användas till demodulerar den hög-finess Si-FOSP på grund av den mycket smalare FWHM som inte kan matchas väl med den spektrometer. De två demodulering metoderna förklaras i protokollet.
Silicon material valda här är överlägsen för temperaturkännande när det gäller upplösning. Som en jämförelse är av TOC och TEC av kisel 1.5×10-4 RIU / ° C och 2.55×10-6 m/(m∙°C), respektive leder till en temperatur känslighet runt 84,6 pm / ° C som är ungefär 6,5 gånger högre än för alla kiselbaserade FOSs2. Förutom denna mycket högre känslighet, har vi visat en genomsnittlig våglängd spårning metod för att sänka ljudnivån och därmed förbättra upplösning för en låg-finess-sensor, vilket leder till en temperatur upplösning på 6 x 10-4 ° C 2, i jämförelse till resolution av 0,2 ° C för en alla kiseldioxid-baserade FOS3. Upplösningen förbättras ytterligare för att vara 1.2×10-4 ° C för en hög-finess version4. Kisel är också överlägsen för avkänning när det gäller snabbhet. Som en jämförelse är den termisk diffusivitet av kisel 8.8×10-5 m2/s, vilket är mer än 60 gånger högre än för kiseldioxid2. 0,51 ms responstid för en kisel FOS har varit kombinerat med ett litet fotavtryck (t.ex., 80 µm diameter, 200 µm tjocklek), och visat2, i jämförelse med de 16 ms en mikro-silica-fiber koppling tip temperatur sensor5. Även om en del forskning arbete relaterade till temperaturmätning med mycket tunn silicon film som sensing materialet har rapporterats av andra grupper6,7,8,9, ingen av dem besitter utförandet av våra sensorer gäller upplösning eller hastighet. Till exempel sensorn med en upplösning på endast 0,12 ° C och en lång svarstid på 1 s rapporterades. 7 en bättre temperatur upplösning 0,064 ° c har varit rapporterade10; hastigheten begränsas dock av den relativt skrymmande sensorhuvud. Vad gör de Si-FOSP unika lögnerna i ny tillverkning metod och databehandling algoritm.
Förutom ovanstående fördelarna för temperaturkännande, de Si-FOSP kan också utvecklas till en mängd-relaterad sensorer som syftar till att mäta olika parametrar, såsom gas trycket11, luft eller vatten flöde12,13 ,14 , och strålning4,15. Denna artikel presenterar en detaljerad beskrivning av sensorn tillverkning och signal demoduleringen protokoll tillsammans med tre representativa användningsområden och deras resultat.
Protocol
Representative Results
Discussion
Valet av storlek (längd och diameter) kisel FPI sker vid avvägning mellan krav på upplösning och hastighet. I allmänhet en mindre storlek ger en högre hastighet men minskar också den resolution2. En kort längd är fördelaktigt för att erhålla en högre hastighet, men det är inte överlägsen för att erhålla en hög upplösning på grund av den utökade FWHM av reflektion skårorna. Med HR beläggningar för att minska FWHM kan bidra till att förbättra resolutionen, men det kommer a…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av US Naval Research Laboratory (Nos. N0017315P0376, N0017315P3755); USA-kontoret av marin forskning (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 |
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).
