Tillverkning och provning av fotoniska termometrar
Summary
Vi beskriver processen för tillverkning och provning av fotoniska termometrar.
Abstract
Under de senaste åren har en push för att utveckla nya kisel fotoniska enheter för telekommunikation genererat en stor kunskapsbas som är nu att vara skuldsatt för att utveckla sofistikerade fotoniska sensorer. Silicon fotoniska sensorer försöka utnyttja den starka inneslutningen av ljus i nano-vågledare för att transduce förändringar i fysiska tillstånd till förändringar i resonansfrekvens. När det gäller thermometry orsakar thermo-optic koefficienten, dvs förändringar i brytningsindex beror på temperatur, resonansfrekvensen hos fotoniska enheten såsom en Bragg gallerdurk glida med temperatur. Vi utvecklar en svit av fotoniska enheter som utnyttjar senaste framstegen inom telecom kompatibel ljuskällor att fabricera kostnadseffektiva fotoniska temperatursensorer, som kan distribueras i en mängd olika inställningar alltifrån kontrollerade laboratorium förhållanden, till bullriga miljön av en fabriksgolvet eller en bostad. I detta manuskript detalj vi våra protokoll för tillverkning och provning av fotoniska termometrar.
Introduction
Guldmyntfoten för temperatur metrologi, platina motstånd termometern, föreslogs först av Sir Siemens 1871 med Callender1 utveckla den första enheten 1890. Sedan dess har inkrementella framsteg inom design och tillverkning av termometrar levererat ett brett utbud av temperatur mätning lösningar. Standard platinum motstånd termometern (SPRT) är interpolerande instrumentet för att förverkliga internationella temperaturskalan (ITS-90) och dess spridning med motstånd Termometri. Idag, spelar mer än ett århundrade efter dess uppfinning, motstånd Termometri en avgörande roll i olika aspekter av industrin och vardagliga teknik som sträcker sig från biomedicin till tillverkning processtyrning, energiproduktion och konsumtion. Även om väl kalibrerad industriella motstånd termometrar kan mäta temperatur med osäkerheter så små som 10 mK, de är känsliga för mekaniska stötar, termisk stress och miljömässiga variabler såsom fukt och kemiska föroreningar. Följaktligen kräver motstånd termometrar periodiska (och kostsamt) off-line om. Dessa grundläggande begränsningar av motstånd Termometri har producerat stort intresse i att utveckla fotoniska temperatur sensorer2 som kan leverera liknar bättre mätning kapacitet whislt är mer robust mot mekaniska stötar . Sådan en devcie kommer att tilltala nationella och industriella labs och de som är intresserade av långsiktig övervakning där instrumentet drift kan påverka produktiviteten.
Under senare år ett brett utbud av romanen fotoniska termometrar föreslagits däribland ljuskänsliga färgämnen3, sapphire-baserade mikrovågsugn whispering gallery läge resonator4, fiber optiska sensorer5,6, 7och på-flisa kisel nano-fotoniska sensorer8,9,10. På NIST syftar våra ansträngningar till utveckla billig, lätt distribuerbara, romanen temperaturgivare och standarder som tillverkas enkelt med befintlig teknik, såsom CMOS-kompatibel manufacturing. Särskilt fokus har varit utvecklingen av kisel fotoniska enheter. Vi har visat att dessa enheter kan användas för att mäta temperaturen över spänner av-40 ° C till 80 ° C och 5 ° C till 165 ° C med osäkerheter som är jämförbara med äldre enheter8. Dessutom våra resultat tyder på att utbytbarhet storleksordningen 0,1 ° C osäkerhet är möjligt med en bättre process kontrollenhet (dvs. mätosäkerheten temperatur med hjälp av nominella koefficienter inte kalibrering fastställas koefficienter ).
Protocol
Representative Results
Discussion
Syftet med detta experiment var att kvantifiera temperatur beroende svar en fotoniska termometer. För kvantitativa mätningar av temperatur är det klokt att använda en stabil värmekälla såsom betyget metrologi djupt torra Tja, liten volym sensorer, säkerställa god termisk kontakt mellan brunnen och sensorn, och minimera värme förlorar till miljön. Dessa krav uppfylls enkelt genom bindning av optiska fibrer till chip, effektivt skapa en förpackad enhet som kan sänkas djupt in metrologi temperaturen väl. Syft…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner NIST/CNST NanoFab anläggningen för att ge möjlighet att fabricera kisel fotoniska temperaturgivare och Wyatt Miller och Dawn Cross för hjälp med att ställa in experimenten.
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).
