Fabrikation og afprøvning af fotoniske termometre
Summary
Vi beskriver processen med fremstilling og afprøvning af fotoniske termometre.
Abstract
I de seneste år, har et skub for at udvikle nye silicium fotoniske enheder for telekommunikation genereret en enorme knowledge base er nu ved at blive gearede til at udvikle avancerede fotoniske sensorer. Silicium fotoniske sensorer forsøge at udnytte den stærke indespærring af lys i nano-bølgeledere for at transduce ændringer i fysiske tilstand, ændringer i resonansfrekvens. For temperaturmåling forårsager thermo-optisk koefficient, dvs, ændringer i brydningsindeks på grund af temperatur, fotoniske enheden som en Bragg rist til drift med temperatur resonant frekvens. Vi er ved at udvikle en suite af fotoniske enheder, der udnytter de seneste fremskridt i telecom kompatibel lyskilder til at fabrikere omkostningseffektive fotoniske temperatursensorer, som kan implementeres i en lang række indstillinger fra kontrollerede laboratorium forhold til de støjende omgivelser af en fabriksbaseret eller en bolig. I dette manuskript detaljer vi vores protokol for fremstilling og afprøvning af fotoniske termometre.
Introduction
Guld standard for temperatur metrologi, platin modstand termometer, blev først foreslået af Sir Siemens i 1871 med Callender1 udvikle den første enhed i 1890. Siden dengang har trinvise fremskridt inden for design og fremstilling af termometre leveret en bred vifte af temperatur måling løsninger. Standard platin modstand termometer (SPRT) er et interpolating instrument for at realisere International temperatur skala (ITS-90) og dens formidling, bruge modstand temperaturmåling. I dag, spiller mere end et århundrede efter sin opfindelse, modstand temperaturmåling en afgørende rolle i forskellige aspekter af industri og everyday teknologi strækker sig fra biomedicin til fremstilling proceskontrol, energiproduktion og forbrug. Selv om godt kalibreret industrielle modstand termometre kan måle temperaturen med usikkerhed så lille som 10 mK, de er følsomme over for mekanisk stød, termisk stress og miljømæssige variabler såsom luftfugtighed og kemiske forureninger. Derfor kræver modstand termometre periodiske (og dyre) off-line rekalibrering. Disse grundlæggende begrænsninger af modstand temperaturmåling har ført til betydelig interesse i at udvikle fotoniske temperatur sensorer2 der kan levere svarende til bedre måling kapaciteter whislt bliver mere robust mod mekaniske stød . Sådanne devcie vil appellere til nationale og industrielle labs og interesserede i langsigtet overvågning hvor instrument drift negativt kan påvirke produktiviteten.
I de seneste år er blevet foreslået en lang række roman fotoniske termometre, herunder lysfølsomme farvestoffer3, sapphire-baserede mikrobølgeovn hviskende galleri tilstand resonator4, fiber optic sensorer5,6, 7, og på chip silicium nano-fotoniske sensorer8,9,10. På NIST henvender vores bestræbelser på at udvikle billige og let indsættelige, Roman temperatursensorer og standarder, der er let fremstilles ved hjælp af eksisterende teknologier, såsom CMOS-kompatible fremstilling. Særlig fokus har været udviklingen af silicium fotoniske enheder. Vi har vist, at disse enheder kan bruges til at måle temperatur over 40 ° C til 80 ° C og 5 ° C til 165 ° C med usikkerhed, der er sammenlignelige med ældre enheder8dataområder. Desuden vores resultater tyder på, at med en bedre proces kontrol enhed udskiftelighed størrelsesordenen 0,1 ° C usikkerhed er opnåelige (dvs. usikkerheden af temperaturmåling nominelle koefficienterne ikke kalibrering fastsættes koefficienter ).
Protocol
Representative Results
Discussion
Formålet med dette eksperiment var at kvantificere den temperatur afhængige reaktion fra en fotoniske termometer. Kvantitative målinger af temperatur er det klogt at udnytte en stabil varmekilde som en metrologi grade dybt tør godt, lille volumen sensorer, sikre god termisk kontakt mellem godt og sensoren, og minimere varme taber til miljøet. Disse krav opfyldes nemt ved limning optiske fibre til chippen, effektivt at skabe en emballeret enhed, der kan sænkes dybt ind metrologi temperaturen godt. Kobbercylinderen i…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkender NIST/CNST NanoFab mulighed for at give mulighed for at fremstille silicium fotoniske temperatursensorer og Wyatt Miller og Dawn Cross for hjælp til opsætning af 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 |
References
- 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).
