En silicium-tippes fiberoptisk Sensing Platform med høj opløsning og en hurtig reaktionstid
Summary
Dette arbejde rapporterer en nyskabende silicon-tippes fiberoptisk sensing platform (Si-FOSP) til høj opløsning og hurtige-svar måling af en række fysiske parametre, såsom temperatur, flow og stråling. Anvendelser af denne Si-FOSP spænder fra oceanografiske forskning, maskinindustrien, til forskning i fusionsenergi.
Abstract
I denne artikel vil indføre vi en innovativ og praktisk lovende fiberoptisk sensing platform (FOSP) som vi har foreslået og demonstreret for nylig. Denne FOSP bygger på en silicium Fabry-Perot interferometer (FPI) knyttet til fiber ende, omtales som Si-FOSP i dette arbejde. Si-FOSP genererer en interferogram bestemmes af lysvej (OPL) af silicium hulrum. Målestørrelsen ændrer OPL og dermed skifter interferogram. På grund af de enestående optiske og termiske egenskaber af silicium materiale udstiller denne Si-FOSP en fordelagtig ydelse i form af følsomhed og hastighed. Desuden, den modne silicium fabrikation industri forlener Si-FOSP med fremragende reproducerbarhed og lave omkostninger mod praktiske anvendelser. Afhængigt af de specifikke programmer, enten en lav-finesse eller high-finesse version vil blive udnyttet, og to forskellige data demodulation metoder vil blive vedtaget i overensstemmelse hermed. Detaljerede protokoller for at fabrikere begge versioner af Si-FOSP vil blive leveret. Tre repræsentative applikationer og deres ifølge resultaterne bliver vist. Den første, er en prototype undersøiske termometer til profilering ocean thermoclines, den anden er et flowmeter til måling af flow hastighed i havet, og den sidste er en bolometer, bruges til at overvåge udstødnings stråling fra magnetisk begrænset høj temperatur plasma.
Introduction
Fiber-optiske sensorer (FOSs) har været genstand for mange forskere på grund af dets unikke egenskaber, såsom dens lille størrelse, dets lave pris, sin lette vægt og sin immunitet over for elektromagnetisk interferens (EMI)1. Disse FOSs har fundet bred programmer i mange områder såsom miljøovervågning, ocean overvågning, olieudvinding og industriel proces blandt andre. Når det kommer til den temperatur-relaterede sensing, den traditionelle FOSs er ikke overlegen med hensyn til opløsning og hastighed for de tilfælde, hvor måling af minut og hurtig temperatur variationer er ønskeligt. Disse begrænsninger skyldes de optisk og termiske egenskaber af smeltet kvarts materiale som mange traditionelle FOSs er baseret. På den ene side er thermo-optisk koefficient (TOC) og termisk ekspansion koefficient (TEC) af silica 1.28×10-5 RIU / ° C og 5.5×10-7 m/(m·°C), henholdsvis; disse værdier fører til en temperatur følsomhed på kun omkring 13 pm / ° C omkring 1550 nm bølgelængde. På den anden side den termiske diffusivity, som er et mål for hastigheden af temperatur ændre svar til termisk energi udveksling, er kun 1.4×10-6 m2/s for silica; Denne værdi er ikke overlegen i forhold til at forbedre hastigheden af silica-baserede FOSs.
Fiberoptisk sensing-platformen (FOSP) rapporteret i denne artikel bryder de ovennævnte begrænsninger af smeltet kvarts-baserede FOSs. Den ny FOSP udnytter krystallinsk silicium som nøglen sensing materiale, som udgør en høj kvalitet Fabry-Perot interferometer (FPI) på slutningen af fiber, betegnes som silicium-tippes FOSP (Si-FOSP). Figur 1 viser skematisk og operationelle princippet om sensor hoved, som er kernen i Si-FOSP. Sensor hovedet består hovedsagelig af en silicon FPI, hvis refleksion spektrum byder på en række periodiske frynser. Destruktiv interferens forekommer når OPL opfylder 2nL = Nλ, hvor n og L er brydningsindeks og længden af silicium FP hulrum, henholdsvis, og N er et heltal, der er rækkefølgen af fringe notch. Derfor, holdninger af interferens frynser er lydhøre over for OPL af silicium hulrum. Afhængigt af de specifikke programmer, silicium FPI kan gøres i to typer: lav-finesse FPI og høj-finesse FPI. Lav-finesse FPI har en lav reflektivitet for begge ender af silicium hulrum, mens high-finesse FPI har en høj reflektion for begge ender af silicium hulrum. Reflectivities af silicium-air og silicium-fiber grænseflader er omtrent 30% og 18%, således den eneste silicium FPI vist i figur 1a er hovedsagelig en lav-finesse FPI. Med belægning en tynd høj reflektivitet (HR) lag i begge ender, dannet en høj-finesse silicium FPI er (figur 1b). Refleksionsevne af HR belægning (enten dielektriske eller guld) kan være så højt som 98%. For begge typer af Si-FOSP stige både n og L når temperaturen stiger. Således, ved at overvåge fringe Skift, temperatur variation kan udledes. Bemærk, at for den samme mængde af bølgelængde Skift, høj-finesse FPI giver en bedre forskelsbehandling på grund af den meget smallere fringe notch (figur 1 c). Mens high-finesse Si-FOSP har bedre opløsning, har lav-finesse Si-FOSP et større dynamikområde. Valget mellem disse to versioner afhænger derfor, kravene i et bestemt program. Desuden, på grund af den store forskel i fuld bredde på halv maksimum (FWHM) af lav-finesse og høj-finesse silicium FPIs, deres signal demodulation metoder er forskellige. For eksempel, den teoretiske FWHM 1,5 er nm reduceret med omkring 50 gange til kun 30 pm når begge ender af den eneste silicium FPI er belagt med en 98% HR lag. Derfor, for lav-finesse Si-FOSP, et højhastighedstog spektrometer ville være tilstrækkeligt til indsamling og forarbejdning, mens en scanning laser bør anvendes til demodulere den høj-finesse Si-FOSP på grund af den meget smallere FWHM, som ikke kan løses godt ved den spektrometer. De to demodulation metoder vil blive forklaret i protokollen.
Silicium materiale valgt her er overlegen i forhold til temperatur sensing i forhold til opløsning. Som en sammenligning er indholdsfortegnelsen og TEC af silicium 1.5×10-4 RIU / ° C og 2.55×10-6 m/(m∙°C), henholdsvis, fører til en temperatur følsomhed omkring 84.6 pm / ° C, hvilket er omkring 6,5 gange højere end for alle silica-baserede FOSs2. Ud over denne meget højere følsomhed, har vi vist en gennemsnitlig bølgelængde sporing metode for at reducere støjniveauet og dermed forbedre opløsningen til en lav-finesse sensor, fører til en temperatur opløsning på 6 x 10-4 ° C 2, i sammenligning med opløsning på 0,2 ° C for en alle silica-baserede FOS3. Beslutningen er endnu bedre for at være 1.2×10-4 ° C for en høj-finesse version4. Silicium materiale er også superior for sensing i form af hastighed. Som en sammenligning er termiske diffusivity silicium 8.8×10-5 m2/s, hvilket er mere end 60 gange højere end i silica2. Kombineret med en lille fodaftryk (fx, 80 µm diameter, 200 µm tykkelse), demonstreret responstid på 0,51 ms for en silicium FOS har været2, sammenlignet med en mikro-silica-fiber kobling tip temperatur sensor516 ms. Selv om nogle forskning relateret til temperaturmåling ved hjælp af meget tynde silicium film som den sensing materiale er blevet indberettet af andre grupper6,7,8,9, ingen af dem arbejde besidder udførelsen af vores sensorer i form af enten opløsning eller hastighed. For eksempel, sensor med en opløsning på kun 0,12 ° C og en lang responstid på 1 s blev rapporteret. 7 en bedre temperatur opløsning af 0.064 ° C har været rapporteret10; men hastigheden er begrænset af forholdsvis omfangsrige sensor hoved. Hvad gør de Si-FOSP unikke løgne i nye fabrikationsanlæg metode og databehandling algoritme.
Udover de ovennævnte fordele for temperatur sensing, Si-FOSP kan også udvikles til en række temperatur-relaterede sensorer med henblik på måling af forskellige parametre, såsom gas pres11, luft eller vand flow12,13 ,14 , og stråling4,15. Denne artikel præsenterer en detaljeret beskrivelse af sensoren fabrikation og signal demodulation protokoller sammen med tre repræsentative applikationer og deres resultater.
Protocol
Representative Results
Discussion
Valget af silicium FPI størrelse (længde og diameter) er lavet ved afvejningen mellem krav om beslutningen og hastighed. Generelt er en mindre størrelse giver en højere hastighed men også reducerer opløsning2. En kort længde er fordelagtige for at opnå en højere hastighed, men det er ikke bedre end for at opnå en høj opløsning på grund af den udvidede FWHM af refleksion hak. Ved hjælp af HR belægninger til at reducere FWHM kan hjælpe med at forbedre beslutningen, men det vil begræ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af US Naval Research Laboratory (Nos. N0017315P0376, N0017315P3755); Amerikanske kontor Naval forskning (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).
