Fabricage en beproeving van fotonische Thermometers
Summary
Beschrijven we het proces van fabricage en beproeving van fotonische thermometers.
Abstract
In de afgelopen jaren heeft een impuls voor de ontwikkeling van nieuwe silicon fotonische apparaten voor telecommunicatie een enorme kennisbank die is nu voor het ontwikkelen van geavanceerde fotonische sensoren wordt leveraged gegenereerd. Silicon fotonische sensoren proberen te misbruiken van de sterke opsluiting van licht in nano-golfgeleiders om te transduce van veranderingen in de fysische toestand aan veranderingen in de resonantiefrequentie. In het geval van Thermometrie veroorzaakt de thermo-optiek-coëfficiënt, dat wil zeggen, veranderingen in brekingsindex te wijten aan de temperatuur, de resonant frequentie van de fotonische apparaat zoals een raspend Bragg te drijven met de temperatuur. We zijn het ontwikkelen van een suite van fotonische devices die gebruik maken van recente ontwikkelingen in de telecom compatibel lichtbronnen te fabriceren van kosteneffectieve fotonische temperatuursensoren, die kunnen worden ingezet in een breed scala aan instellingen variërend van gecontroleerde laboratorium voorwaarden, aan de lawaaierige omgeving van een fabrieksvloer of een verblijfsvergunning. In dit manuscript detailleren wij ons protocol voor de fabricage en testen van fotonische thermometers.
Introduction
De gouden standaard voor temperatuur metrologie, de platina weerstandsthermometer, werd voor het eerst voorgesteld door Sir Siemens in 1871 met Callender1 ontwikkeling van het eerste apparaat in 1890. Sinds die tijd heeft incrementele voortgang in het ontwerp en de productie van thermometers een breed scala aan temperatuur meten oplossingen geleverd. De standaard platina weerstandsthermometer (NTC) is het interpolating instrument voor het realiseren van internationale temperatuurschaal (ITS-90) en de verspreiding ervan met behulp van weerstand Thermometrie. Vandaag, speelt meer dan een eeuw na zijn uitvinding, weerstand Thermometrie een cruciale rol in verschillende aspecten van industrie en dagelijks variërend van biomedische ontwikkelingen voor de productie van procescontrole, energieproductie en consumptie. Hoewel goed gekalibreerde industriële weerstand thermometers kunnen het meten van temperatuur met onzekerheden zo klein als 10 mK, ze zijn gevoelig voor mechanische schok, thermische stress en omgevingsvariabelen zoals vochtigheid en chemische verontreinigingen. Bijgevolg vereisen weerstand thermometers periodieke (en dure) off-line herkalibraties. Deze fundamentele beperkingen van weerstand Thermometrie hebben veel belangstelling bij de ontwikkeling van fotonische temperatuur sensoren2 die vergelijkbaar is met betere meting mogelijkheden whislt zijn robuuster tegen mechanische schok kan leveren . Een dergelijke devcie zal een beroep op nationale en industriële laboratoria en diegenen die geïnteresseerd zijn in de lange termijn toezicht waar instrument drift productiviteit negatief kan beïnvloeden.
In de afgelopen jaren een grote verscheidenheid van roman fotonische thermometers hebben voorgesteld met inbegrip van lichtgevoelige pigmenten3, sapphire gebaseerde magnetron whispering gallery modus resonator4, fiber optische sensoren5,6, 7, en op de chip silicon nano-fotonische sensoren8,9,10. Op NIST, zijn onze inspanningen gericht op de ontwikkeling van de goedkope, gemakkelijk-inzetbare, roman temperatuursensoren en normen die gemakkelijk worden vervaardigd met behulp van bestaande technologieën, zoals CMOS-compatibele productie. Bijzondere aandacht is de ontwikkeling van silicon fotonische apparaten. We hebben aangetoond dat deze apparaten kunnen worden gebruikt voor het meten van temperatuur over het bereik van-40 ° C tot 80 ° C en 5 ° C tot 165 ° C met onzekerheden die vergelijkbaar met verouderde apparaten8 zijn. Bovendien, onze resultaten suggereren dat met een betere proces bedieningsorgaan uitwisselbaarheid volgorde van 0,1 ° C onzekerheid haalbaar (dat wil zeggen de onzekerheid van de temperatuurmeting met behulp van nominale coëfficiënten niet kalibratie bepaald coëfficiënten ).
Protocol
Representative Results
Discussion
Het doel van dit experiment was te kwantificeren van de temperatuur afhankelijke respons van een fotonische thermometer. Voor kwantitatieve meting van de temperatuur is het verstandig om het gebruik van een stabiele warmtebron, zoals een diepe droge goed, klein volume sensoren, goed thermisch contact tussen de bron- en de sensor te zorgen en te minimaliseren warmte metrologie-rang verliest voor het milieu. Deze vereisten wordt voldaan gemakkelijk door het verlijmen van optische vezels naar de chip, effectief het creëren…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen de NIST/CNST NanoFab-faciliteit voor het verstrekken van de mogelijkheid om het fabriceren van silicium fotonische temperatuursensoren en Wyatt Miller en Dawn Cross voor hulp bij het opzetten van de 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 |
Referências
- 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).
