Method Article

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

DOI:

10.3791/59026

⸱

January 7th, 2019

 ,  ,  ,  , 
1Department of Electrical and Computer Engineering, Michigan State University, 2Naval Research Laboratory, Stennis Space Center, 3Oak Ridge National Laboratory, 4Department of Electrical and Computer Engineering, University of Nebraska-Lincoln

In This Article

Summary

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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

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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

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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)、1.28x10-5リウ/° C と 5.5x10-7 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 1.4x10-6 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) ....

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Protocol

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1. 低フィネス センサーの試作

  1. シリコン柱を作製します。(図 2 a) スタンドアロン シリコン柱に 200 μ m 厚ダブル側研磨 (DSP) si ウエハの部分をパターン、使用標準的な微小電気機械システム (MEMS) の作製を容易に。
    注: フォトレジストの薄い層を使用して別の大きいウェーハ パターン付きウェハを接着します。フォトレジストの接着力は直立が、後の手順で基板からデタッチするのに十分なも弱い柱を保持するために十分に強い。
  2. 鉛繊維を準備します。シングル モード光ファイバーの遠位端のプラスチックのコーティングをはがします。アルコールを浸したレンズのティッシュを使用してストリップのセクションをクリーンアップします。光ファイバカッタを用いた洗浄のファイバーを切断します。
  3. 劈開鉛繊維 (図 2 b) の端面に UV 硬化型接着剤の薄い層を適用します。一枚のスライド ガラスに UV 硬化型接着剤の小さなドロップを置きます。スピン コーティングやガラス スライドを手動で揺れによる接着剤層を薄きます。ガラス スライドに対して鉛繊維の端面を押すことによってファイバーの末端に接着剤層を転送します。
  4. シリコン柱をファイバー端に取り付けます。シリコン柱の一つと鉛繊維を揃える、一方 FPI 分光器を用いたシリコンのリアルタイムの反射スペ....

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Results

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Thermoclines かしながら海をプロファイリング用水中温度計として Si FOSP
海洋学の最近の研究は、水中映像のぼやけ茎汚染された水の濁度からのみならず、きれいな海17,18温度微細構造からも実証されています。後者の効果をより理解し、同様の乱れを数値化手段の開発に関してに水で光通信を改善する19の画像のぼやけを是正するために効果的な方法を見つけることを目指して多く学者の焦点となっている、海20,21。温度センサーとして使用される Si FOSP は、水の乱流の22の迅速な温度の変化を測定するため、現在対応をアウトパ フォームする実証されています。このアプリケーションでは、図 4 .......

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Discussion

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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幅を削減するが、レーザ走査による信号復調のためのダイナミック レンジが制限されます。小さい直径、速度が向上、良好なスペクトルを実現することができますので、直径はリードイン ファイバーのモード フィールド径よりも大きいはずです。、しかし、また分られる繊維のそれよりも大きいシリコン直径が繊維4への減らされた伝導熱損失のための bolometry の感度の向上に役立ちます。したがって、センサーのサイズの選択は特定のアプリケーションに依存です。

Si FOSP の非常に基本的な構造、製造プロトコル、および信号復調システムだけ示す、他のアプリケーション.......

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Disclosures

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米国特許 (第 9995628 B1) は、関連の技術を保護するために発行されています。

Acknowledgements

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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)。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
200プルーフ純粋なエタノールKoptecV1001
5チャンネルデュプレックスCWDMファイバーストア5MDD-ABS-FSCWDM
バタフライレーザーダイオードマウントTholabsLM14S2
CastAway CTDイエロースプリングス機器CTD
シーバードSBE 19plus
電流計Nortekベクトル
データ収集デバイスNational InstrumentsNIUSB4366
デジタルオシロスコープRIGOLDS1204B200 MHz 2 GSa/s
Diode LaserThorlabsLM9LPWavelength: 632 nm
Fixed BNC Terminator KitThorlabsFTK01
Function Waveform Generator RIGOLDG4162160 MHz 500 GSa/s
高精度クリーバーフジクラCT-32
高反射誘電体コーティング蒸着コーティング INC (ECI)コーティングの材質・構造は不明
I-MON 512 分光器イプセン フトニクスP/N: 1257110
InGaAs バイアス検出器TholabsDET01CFCFC/PC出力:0-10V;数量:2
ダイオードQphotonicQFLD-405-20S波長:405 nm
レーザーダイオード電流コントローラーTholabsLDC 210C1 Aおよび100 mA範囲 
レーザーダイオード温度調節器TholabsTEC 200C数量:
ラテックス検査用手袋HCS
マイクロスライドコーニング社製
狭線幅DFBレーザーエブラナEP1550-NLW-B06-100FM波長:1550nm
光ファイバー融着接続機住友電気工業株式会社3822-2
光学顕微鏡とモニター池上通信機株式会社PM-127
光学スペクトラムアナライザー横河AQ6370C波長範囲:600-1700 nm
ポーランド語機ULTRA TEC41076
ポストマウント可能な菖蒲Thorlabs数量:2
ポンプ レーザーグーチとハウスゴー0400-0974-SM波長:980 nm
Si増幅光検出器ThorlabsPDA36A波長:350-1100 nm
シリコンウェーハ大学ウェーハの厚さ:10 & マイクロ;メートル、200&マイクロ;メートル、75&マイクロ;メートル、40&マイクロ;m
シングルモードファイバー コーニングSMF-28
シングルモード融合 ファイバーカプラーThorlabs波長:1550 nm
SM 125 インターオグラレーターMicron Optics
水中水族館ポンプSonglongSL-403
超発光LED高密度光半導体DL-BP1-1501A波長範囲:1510-1590 nm
シリンジポンプコールパーマー74905-02
トラベル翻訳ステージThorlabsLT1
UV硬化型接着剤エポキシ技術PB109077
UVGL-15コンパクトUV LmapUVP P/ N:95-0017-09254/365nm
可変光学減衰器TholabsM-VA / 00016951 P / N:VOA50-APC
レーザー2個 電

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Lee, B. Review of the present status of optical fiber sensors. Optical Fiber Technology. 9, 57-79 (2003).
  2. Liu, G., Han, M., Hou, W. High-resolution and fast-response fiber-optic temperature sensor using silicon Fabry-Perot cavity. Optics Express....

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Fiber Optic Sensing PlatformSilicon Fabry Perot InterferometerOptical Path LengthLow Finesse SensorHigh Finesse SensorUnderwater ThermometerFlow MeterBolometerMEMS FabricationOptical Circulator

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