Fabrikasjon og Testing av fotoniske termometre
Summary
Vi beskriver prosessen med fabrikasjon og testing av fotoniske termometre.
Abstract
De siste årene, har et push for å utvikle romanen silisium fotoniske enheter for telekommunikasjon generert en enorm kunnskapsbase som er nå blir utnyttet for å utvikle sofistikerte fotoniske sensorer. Silisium fotoniske sensorer søker å utnytte den sterke confinement lys i nano-bølgeledere å transduce endringer i fysisk tilstand endringer i resonansfrekvens. Ved thermometry forårsaker thermo-optisk koeffisient, dvs. endringer i brytningsindeks på grunn av temperatur, resonans frekvensen av fotoniske enheten som en Bragg rist å drive temperatur. Vi utvikler en rekke fotoniske enheter som utnytter nylige fremskritt innen telekom kompatibel lyskilder å dikte kostnadseffektiv fotoniske temperatursensorer som kan distribueres på en rekke innstillinger fra kontrollert laboratorium forhold, for støyende miljøet en fabrikken eller en bolig. I dette manuskriptet detalj vi våre Protokoll for fabrikasjon og testing av fotoniske termometre.
Introduction
Gullstandarden for temperatur metrology, platina motstand termometeret, ble først foreslått av Sir Siemens i 1871 Callender1 utvikle den første enheten i 1890. Siden den gangen har inkrementell fremskritt i design og produksjon av termometre levert en rekke temperatur måling løsninger. Standard platina motstand termometeret (SPRT) er interpolating apparatet for å realisere International temperaturskala (ITS-90) og dens formidling bruker motstand thermometry. I dag, spiller mer enn et århundre etter sin oppfinnelse, motstand thermometry en avgjørende rolle i ulike aspekter av industrien og hverdags spenner fra biomedisin til produksjon prosesskontroll, til energiproduksjon og forbruk. Selv om godt kalibrert industrielle motstand termometre kan måle temperaturen med usikkerhet så lite som 10 mK, de er følsom for mekanisk støt, termisk stress og miljøvariabler som fuktighet og kjemisk forurensning. Derfor krever motstanden termometre periodiske (og dyre) off-line recalibrations. Disse grunnleggende begrensninger av motstand thermometry har produsert betydelig interesse i å utvikle fotoniske temperatur sensorer2 som kan levere ligner for bedre måling evner whislt blir mer robuste mot mekanisk støt . Slik devcie vil appellere til nasjonale og industrielle labs og de langsiktige overvåking hvor apparatet drift kan negativt påvirke produktiviteten.
De siste årene en rekke romanen fotoniske termometre er foreslått inkludert fotosensitive fargestoffer3, safir-baserte mikrobølgeovn whispering galleriet modus resonator4, fiber optikk sensorer5,6, 7, og på prosessoren silisium nano-fotoniske sensorer8,9,10. På NIST, er vår innsats rettet mot utvikling rimelig, lett-deployerbare, romanen temperatursensorer og standarder som er lett produsert ved hjelp av eksisterende teknologier, som CMOS-kompatible produksjon. Et særlig fokus har vært utviklingen av silisium fotoniske enheter. Vi har vist at disse enhetene kan brukes til å måle temperaturen over av 40 ° C til 80 ° C og 5 ° C til 165 ° C med usikkerhet som sammenlignes med eldre enheter8. Videre våre resultater tyder på at en bedre prosess kontroll enhet ombyttbarhet på 0,1 ° C usikkerhet er oppnåelig (i.e. usikkerheten temperatur måling med nominell koeffisienter ikke kalibrering bestemt koeffisienter ).
Protocol
Representative Results
Discussion
Målet med dette eksperimentet var å kvantifisere temperatur avhengig responsen til et fotoniske termometer. For kvantitativ måling av temperatur er det forsvarlig å benytte en stabil varmekilde som en Justervesenet grade dypt tørr Vel, små sensorer, sikre god termisk kontakt mellom brønnen og sensoren, og minimere varme mister til miljøet. Effektivt opprette en pakket enhet som kan senkes dypt inn Justervesenet temperaturen også kravene oppfylles enkelt ved liming optiske fibre til chip. Formålet med kobber syl…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne bekrefter NIST/CNST NanoFab anlegget for å gi mulighet til å dikte silisium fotoniske temperatursensorer og Wyatt Miller og Dawn Cross for hjelp i å sette opp eksperimenter.
Materials
| Packaging process | |||
| 6-axis stage | PI instruments | ||
| video cameras | |||
| epoxy dispensation system | |||
| Fiber array | |||
| Temperature Measurement | |||
| Metrology Well | Fluke | 9170 | Dry well stable to better than .01 K |
| Laser | Newport | TLB6700 | 1520-1570 nm tunable laser |
| Wavemeter | HighFinesse | WS/7 | 100 Hz wavemeter |
| Power meter | Newport | 1936-R | power meter with broad range |
Riferimenti
- Price, R. The Platinum resistance Thermometer. Platinum Metals Review. 3 (3), 78-87 (1959).
- Xu, H., et al. Ultra-Sensitive Chip-Based Photonic Temperature Sensor Using Ring Resonator Structures. Optics Express. 22, 3098-3104 (2014).
- Donner, J. S., Thompson, S. A., Kreuzer, M. P., Baffou, G., Quidant, R. Mapping Intracellular Temperatrure Using Green Flurorescent Protein. Nano Letters. 12 (4), 2107-2111 (2012).
- Ahmed, Z., et al. Towards Photonics Enabled Quantum Metrology of Temperature, Pressure and Vacuum. arXiv:1603.07690 [physics.optics]. , (2016).
- Ahmed, Z., Filla, J., Guthrie, W., Quintavall, J. Fiber Bragg Gratings Based Thermometry. NCSL International Measure. 10, 24-27 (2015).
- Hill, K. O., Meltz, G. Fiber Bragg Grating Technology Fundamental and Overview. J. of Lightwave Technology. 15, 1263-1275 (1997).
- Liacouras, P. C., Grant, G., Choudhry, K., Strouse, G. F., Ahmed, Z. Fiber Bragg Gratings Embedded in 3D-printed Scaffolds. NCSL International Measure. 10 (2), 50-52 (2015).
- Klimov, N. N., Mittal, S., Berger, M., Ahmed, Z. On-chip silicon waveguide Bragg grating photonic temperature sensor. Optical Letters. 40 (17), 3934-3936 (2015).
- Klimov, N. N., Purdy, T., Ahmed, Z. On-Chip Silicon Photonic Thermometers: from Waveguide Bragg Grating to Ring Resonators sensors. Proceedings. , (2015).
- Kim, G. D., et al. Silicon photonic temperature sensor employing a ring resonator manufactured using a standard CMOS process. Optical Express. 18 (21), 22215-22221 (2010).
- Purdy, T., et al. Thermometry with Optomechanical Cavities. , STu1H.2 (2016).
