Een silicium-tipped Fiber-optic Sensing Platform met hoge resolutie en snelle respons
Summary
Dit werk meldt een innovatief silicium-tipped glasvezel sensing platform (Si-FOSP) voor hoge resolutie en snelle-reactie meting van een verscheidenheid van fysieke parameters, zoals temperatuur, stroming en straling. Toepassingen van deze Si-FOSP beslaan van oceanografisch onderzoek, mechanische industrie, aan onderzoek naar fusie-energie.
Abstract
In dit artikel introduceren we een innovatieve en praktisch veelbelovende glasvezel sensing platform (FOSP) die wij voorgesteld en onlangs aangetoond. Deze FOSP is afhankelijk van een silicium Fabry-Pérot-interferometer (FPI) gekoppeld aan het einde van de vezel, hierna aangeduid als Si-FOSP in dit werk. De Si-FOSP genereert een interferogram bepaald door de optische weglengte (OPL) van de silicium-spouw. Te meten grootheid verandert de OPL en dus verschuift het interferogram. Vanwege de unieke optische en thermische eigenschappen van het materiaal silicium vertoont deze Si-FOSP een voordelige prestaties in termen van gevoeligheid en snelheid. Bovendien schenkt de volwassen silicon fabricage-industrie de Si-FOSP met uitstekende reproduceerbaarheid en lage kosten naar praktische toepassingen. Afhankelijk van de specifieke toepassingen, ofwel een lage-finesse of high-finesse versie zal worden gebruikt, en twee verschillende methoden van demodulatie zal dienovereenkomstig worden vastgesteld. Gedetailleerde protocollen voor het fabriceren van beide versies van de Si-FOSP zal worden verstrekt. Drie representatieve toepassingen en de bijbehorende volgens resultaten getoond. Het ene is een prototype onderwater thermometer voor profilering van de thermoclines van de Oceaan, de tweede is een flowmeter voor het meten van de snelheid van de stroming in de Oceaan, en de laatste is een bolometer gebruikt voor de controle van de uitlaatgassen straling van magnetisch beperkt hoge-temperatuur plasma.
Introduction
Glasvezel sensoren (FOSs) geweest de focus voor veel onderzoekers als gevolg van zijn unieke eigenschappen, zoals de geringe grootte, zijn low-cost zijn lichte gewicht en de immuniteit voor elektromagnetische interferentie (EMI)1. Deze FOSs heb brede toepassingen in vele gebieden, zoals milieubewaking, Oceaan surveillance, olie-exploratie en industrieel proces onder andere. Als het gaat om de temperatuur-gerelateerde sensing, zijn niet de traditionele FOSs superieur in termen van resolutie en snelheid voor de gevallen waar meting van notulen en snelle temperatuurschommelingen wenselijk is. Deze beperkingen vloeien voort uit de optische en thermische eigenschappen van het materiaal van de gesmolten siliciumdioxide waarop vele traditionele FOSs zijn gebaseerd. Aan de ene kant de thermo-optic coëfficiënt (TOC) en thermische uitzetting coëfficiënt (TEC) van silica zijn 1.28×10-5 RIU / ° C en 5.5×10-7 m/(m·°C), respectievelijk; deze waarden leiden tot een temperatuur gevoeligheid van slechts ongeveer 13 pm / ° C rond de golflengte van 1550 nm. Aan de andere kant, de thermische richtgetal, die is een maat voor de snelheid van de temperatuur wijzigen in reactie op thermische energie-uitwisseling, is alleen 1.4×10-6 m2/s voor silica; Deze waarde is niet superieur voor verbetering van de snelheid van silica gebaseerde FOSs.
De glasvezel sensing platform (FOSP) gemeld in dit artikel breekt de bovenstaande beperkingen van gesmolten siliciumdioxide gebaseerde FOSs. De nieuwe FOSP maakt gebruik van kristallijn silicium als de sleutel sensing materiaal, dat een kwalitatief hoogwaardige Fabry-Pérot-interferometer (FPI) op het einde van de vezel vormt, hier silicium-tipped FOSP (Si-FOSP) genoemd. Figuur 1 toont de schematische en operationele principe van de sensor-hoofd, dat de kern van de Si-FOSP is. Het hoofd van de sensor bestaat hoofdzakelijk uit een silicium FPI, waarvan reflectie spectrum beschikt over een reeks periodieke franjes. Destructieve storing treedt op wanneer de OPL voldoet aan 2nL = Nλ, waar n en L de brekingsindex en de lengte van de silicon FP Holte, respectievelijk zijn, en N is een geheel getal dat de volgorde van de fringe inkeping. Daarom zijn de standpunten van de interferentie marge inspelen op de OPL van de silicium-holte. Afhankelijk van de specifieke toepassingen, het silicium FPI kan worden gemaakt in twee typen: laag-finesse FPI en hoge-finesse FPI. De lage-finesse FPI heeft een lage reflectiecoëfficiënt voor beide uiteinden van de silicium-Holte, terwijl de hoge-finesse FPI een hoge reflectiviteit voor beide uiteinden van de silicium-Holte heeft. De reflectiecoëfficiënt van silicium-lucht en silicium-vezel interfaces zijn ongeveer 30% en 18%, dus de enige silicium FPI weergegeven in Figuur 1a is in wezen een lage-finesse FPI. Een hoge-finesse silicon die FPI is gevormd door de coating een dunne hoge-reflectiviteit (HR) laag aan beide uiteinden, (Figuur 1b). Reflectiviteit van de HR-coating (diëlektricum of goud) kunnen maar liefst 98 procent zijn. Voor beide soorten Si-FOSP toenemen n zowel L wanneer de temperatuur stijgt. Dus, door monitoring van de verschuiving van de rand, de variatie van de temperatuur kan worden afgeleid. Merk op dat voor de zelfde hoeveelheid golflengte shift, de hoge-finesse FPI een betere discriminatie als gevolg van de veel smaller fringe inkeping (Figuur 1 c geeft). Terwijl de hoog-finesse Si-FOSP betere resolutie, heeft de lage-finesse Si-FOSP een groter dynamisch bereik. De keuze tussen deze twee versies is daarom, afhankelijk van de vereisten van een specifieke toepassing. Bovendien, vanwege het grote verschil in de volle breedte op halve maximum (FWHM) van de lage-finesse en hoge-finesse silicium FPIs, hun signaal demodulatie methoden zijn verschillend. Bijvoorbeeld de theoretische FWHM van 1.5 nm is met verlaagd over 50 keer naar slechts 30 pm wanneer beide uiteinden van het enige silicium FPI zijn bekleed met een laag van de HR 98%. Daarom, voor de lage-finesse Si-FOSP, een snelle spectrometer voldoende zou zijn voor de gegevensverzameling en -verwerking, terwijl een scan laser moet worden gebruikt voor het demodulate van de hoge-finesse Si-FOSP als gevolg van de veel smaller FWHM dat kan worden opgelost door goed de spectrometer. De twee demodulatie methoden worden beschreven in het protocol.
Het siliconen materiaal gekozen hier is superieur voor temperatuur sensing in termen van resolutie. Ter vergelijking zijn de TOC en TEC van silicium 1.5×10-4 RIU / ° C en 2.55×10-6 m/(m∙°C), respectievelijk, wat leidt tot een gevoeligheid van de temperatuur van rond 84.6 pm / ° C ongeveer 6,5 keer hoger is dan die van alle silica gebaseerde FOSs2. Naast deze veel hogere gevoeligheid, we hebben laten zien een gemiddelde golflengte tracking methode om te verminderen het geluidsniveau en dus verbeteren de resolutie voor een lage-finesse sensor, leidt tot een resolutie van de temperatuur van 6 x 10-4 ° C 2, vergelijking met de resolutie van 0,2 ° C voor een alle op silica gebaseerde FOS3. De resolutie is verbeterd om te worden 1.2×10-4 ° C voor een hoge-finesse versie4. Het materiaal silicium is ook superieur voor sensing in termen van snelheid. Ter vergelijking is de thermische richtgetal van silicium 8.8×10-5 m2/s, dat is meer dan 60 keer hoger dan die van silica2. Gecombineerd met een kleine footprint (b.v., 80 µm diameter, dikte van 200 µm), de reactietijd van 0.51 ms voor een silicium die Fos geweest2, in vergelijking met de 16 ms voor een micro-silica-fiber coupler tip temperatuur sensor5aangetoond. Hoewel sommige onderzoek werken gerelateerd aan temperatuurmeting met behulp van zeer dunne silicium film zoals het sensing materiaal is gemeld door andere groepen6,7,8,9, geen van hen beschikt over de prestaties van onze sensoren qua resolutie of snelheid. Bijvoorbeeld, de sensor met een resolutie van slechts 0,12 ° C en een lange reactietijd van 1 s werd gemeld. 7 die een betere resolutie van de temperatuur van 0.064 ° C is gemeld10; de snelheid wordt echter beperkt door het hoofd relatief omvangrijke sensor. Wat maakt de Si-FOSP unieke ligt in de nieuwe methode van de vervaardiging en de verwerking van gegevens algoritme.
Naast de bovenstaande voordelen voor temperatuur sensing, de Si-FOSP kan ook worden ontwikkeld in een verscheidenheid van temperatuur-gerelateerde sensoren die gericht zijn op het meten van verschillende parameters, zoals gas druk11, lucht of water stromen12,13 ,14 , en straling4,15. Dit artikel geeft een gedetailleerde beschrijving van de sensor fabricage en signaal demodulatie protocollen samen met drie representatieve toepassingen en de bijbehorende resultaten.
Protocol
Representative Results
Discussion
De keuze van de grootte (lengte en diameter) van het silicium FPI is gedaan bij de afweging tussen eisen over de resolutie en snelheid. In het algemeen een kleiner formaat zorgt voor een hogere snelheid maar vermindert ook de oplossing2. Een korte lengte is gunstig voor het verkrijgen van een hogere snelheid, maar het is niet superieur voor het verkrijgen van een hoge resolutie als gevolg van de uitgebreide FWHM van de inkepingen van de reflectie. Met behulp van HR coatings te verminderen de FWHM …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de Amerikaanse Naval Research Laboratory (Nos. N0017315P0376, N0017315P3755); Amerikaanse Office of Naval Research (Nos. N000141410139, N000141410456); US Department of Energy (Nos. DE-SC0018273, DE-AC02-09CH11466, DE-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).
