高解像度・高速応答の光ファイバーセンシングのシリコン チップを渡したプラットフォーム
Summary
この作品は、革新的なシリコン先端光ファイバー センシングプラット フォーム (Si FOSP) さまざまな温度、フロー、および放射線などの物理的なパラメーターの高解像度、高速応答の測定を報告します。この Si FOSP のアプリケーションは、核融合エネルギーの研究に海洋研究、機械工業から及ぶ。
Abstract
この記事では、革新的で実質的に有望な光ファイバー センシングのプラットフォーム (FOSP) を提案し、最近実証を紹介します。この FOSP は、シリコン型ファブリ ・ ペロー干渉計 (FPI) がこの作品で Si FOSP と呼ばれる、ファイバーの末端に接続されているに依存します。Si FOSP は、シリコン共振器の光路長 (OPL) によって決定、インターフェロ グラムを生成します。ここは、OPL を変更し、したがって、インターフェロ グラムをシフトします。ユニークなシリコン素材の光学的・熱的特性のためこの Si FOSP は感度と速度の面で有利なパフォーマンスを発揮します。さらに、成熟したシリコン製造業界は、優れた再現性と実用的なアプリケーションに向けた低コスト Si FOSP を与えます。特定のアプリケーションに応じて – 巧妙な低または高フィネス バージョンが利用されるし、それに応じて 2 つの異なるデータ復調方式が採用されます。Si FOSP の両方のバージョンを製造するための詳しいプロトコルが提供されます。3 つの代表的なアプリケーションとそのよると、結果が表示されます。最初の 1 つ thermoclines 海かしながらのプロファイリング用のプロトタイプ水中温度計、2 つ目は、海の流れの速度を測定する流量計は、最後の 1 つは磁気から排気放射線の監視用ボロメータ限定高温プラズマ。
Introduction
光センサー (FOSs) は、その小型サイズ、低コスト、軽量で、電磁干渉 (EMI)1へのイミュニティなどそのユニークな特性のための多くの研究者のための焦点をされています。これらの FOSs は、環境モニタリング、洋上監視、石油探査、とりわけ産業プロセスなど多くの分野で幅広いアプリケーションを発見しました。関連の温度センサーになると、伝統的な FOSs が解像度と分と高速温度変化の測定が望ましい場合は、速度の面で優れたできなくなります。これらの制限は、多くの伝統的な FOSs が基づいている石英ガラス部材の光学的・熱的特性から生じる。一方、熱光学係数 (TOC) とシリカの熱膨張係数 (TEC)、1.28×10-5リウ/° C と 5.5×10-7 m/(m·°C)、それぞれ。これらの値は、1550 nm の波長の周りだけ約 13 分/° C の温度感度に します。その一方で、温度の速度の測定は、熱の拡散熱エネルギー交換に応じて変更、のみ 1.4×10-6 m2/s はシリカ;この値は、石英系の FOSs の速度を向上させるため優れたではありません。
この記事で報告した光ファイバー検出プラットフォーム (FOSP) は、石英ベース FOSs の上記の制限を解除します。新しい FOSP は、センサー材料、高品質ファブリペロー干渉計 (FPI) ここでシリコンの先端 FOSP (Si FOSP) と呼ばれる繊維の端を形作るキーとして結晶シリコンを採用しています。Si FOSP の中核である頭部センサーの回路図と動作原理を図 1に示します。センサー ヘッドは本質的に、シリコン FPI、その反射スペクトル周期縞の一連の機能で構成されます。OPL は 2nL を満たすときに破壊的な干渉が発生します = Nλ、ところ n と L、屈折とシリコン FP 共振器の長さそれぞれ、N はフリンジ切り込みの順序を示す整数。したがって、干渉縞の位置は、シリコン キャビティの OPL に応答します。特定のアプリケーションによってシリコン FPI 作ることができる 2 つのタイプに: 低フィネス FPI し高フィネス。低フィネス FPI いますシリコン キャビティの両端の低反射率高フィネス FPI があるシリコン キャビティの両端の反射率が高い。シリコン-空気およびシリコン光ファイバー インターフェイスの反射率は約 30%、18%、FPI図 1 aに示されている唯一のシリコンが本質的に低フィネス FPI。両端に薄い高反射 (HR) 層をコーティング、FPI は高フィネス シリコン形成 (図 1 b)。HR のコーティング (誘電体または金) の反射率は 98% と高いことができます。Si FOSP の両方の種類の n と L の両方を増やすときに温度が上昇します。したがって、フリンジ シフトを監視することによって温度変化を推定することができます。同じ波長シフト量、高フィネス FPI で狭くフリンジ ノッチ (図 1 c) により良好な識別を与えることに注意してください。高フィネスの Si FOSP はよりよい解決が、-巧妙な低 Si FOSP はより大きいダイナミック レンジを持ってください。したがって、これらの 2 つのバージョン間の選択は、特定のアプリケーションの要件によって異なります。さらに、半値 (半値幅) 低繊細さと高フィネス シリコン FPIs の完全な幅の差が大きい、その信号の復調方式が異なります。1.5 の理論の半値幅などの nm は減の約 50 倍だけ 30 pm FPI の唯一のシリコンの両端を 98 %hr 層で被覆するとき。したがって、低フィネス Si-FOSP の高速分光計で十分だろうデータの収集と処理、高フィネスの Si FOSP によって同様に解決できないくらい狭い値幅のための復調にスキャン レーザーを使用する必要があります、分光器。2 つの復調方式は、プロトコルで説明します。
ここで選択したシリコン素材、温度センシング解像度の面で優れています。比較として、TOC とシリコンのテックは、1.5×10-4リウ/° C、2.55×10-6 m/(m∙°C) それぞれ約 84.6 午後/° C がすべて石英系 FOSs2の約 6.5 倍の温度感度に 。 に加えてこの非常に高い感度を実現した騒音レベルを軽減し低フィネス センサーの解像度を向上させるメソッドを追跡平均波長 C 26 x 10-4 ° の温度分解能に至るすべて石英 FOS3の 0.2 の ° C の解像度との比較。高フィネス バージョン41.2×10-4 ° C に解像度を高めています。 シリコン素材は、センシング速度の面で優れています。比較としてシリコンの熱伝導率は 8.8×10-5 m2/s、シリカ2よりも 60 倍以上高いです。 小さなフット プリント (例えば、200 μ m 厚 80 μ m 径) と組み合わせると、FOS がされているシリコンの 0.51 ミリ秒の応答時間は示した2、マイクロ石英ファイバーのカプラー先端の温度センサー5の 16 ms と比較してです。 いくつかの研究が他グループ6,7,8,9, それらのどれもによってセンシング材料が報告されている非常に薄いシリコン膜を使用して温度測定関係の仕事します。解像度やスピードの面で私たちのセンサーの性能を有しています。0.12 ° C だけの解像度と 1 の長い応答時間とセンサーなどの s が報告されました。7 0.064 の ° C の優れた温度分解能がずっと報告10; ただし、速度は比較的かさばるセンサヘッドによって制限されます。何新しい作製方法とデータ処理アルゴリズムの Si FOSP のユニークな嘘になります。
温度センシングの上記の利点に加えて Si FOSP することができますさまざまなガス圧力11、空気など、さまざまなパラメーターを測定を目指して関連の温度センサーを開発するまたは水の流れ12,13 ,14 、および放射4,15。 この記事は、3 つの代表的なアプリケーションとその結果と一緒に作製と信号の復調プロトコル センサーの詳細な説明を示します。
Protocol
Representative Results
Discussion
シリコン FPI のサイズ (長さと直径) の選択は、解像度の要件と速度間のトレードオフに行われます。一般に、小さいサイズはより高い速度を提供しています、解決方法2を減らします。短い長さはより高い速度を得るために有利ながじゃない反射ノッチの拡大値幅による高解像度を得るために優れた。解像度を向上させる助けることができる HR コーティングを使用して半値?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この仕事に支えられた米国海軍研究所 (Nos。N0017315P0376、N0017315P3755)。米国海軍科学技術本部 (Nos。N000141410139、N000141410456)。米国エネルギー省 (Nos。DE-SC0018273、デ AC02 09CH11466、デ 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).
