方法文章

一种具有高分辨率和快速响应的硅尖光纤传感平台

6.6K 次观看

⸱

DOI：

10.3791/59026

⸱

2019年1月7日

 ,  ,  ,  , 
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

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本研究报道了一种创新的硅尖端光纤传感平台（Si-FOSP），可用于高分辨率、快速响应地测量多种物理参数，如温度、流速和辐射。该Si-FOSP的应用范围涵盖海洋学研究、机械工业到聚变能研究等领域。

摘要

本文介绍了一种我们近期提出并成功验证的创新性且具有实际应用前景的光纤传感平台（FOSP）。该FOSP基于附着在光纤端面的硅基法布里-珀罗干涉仪（FPI），在本研究中称为Si-FOSP。Si-FOSP产生的干涉图样由硅腔的光程长度（OPL）决定。被测物理量会改变OPL，从而导致干涉图样发生偏移。由于硅材料具有独特的光学和热学特性，该Si-FOSP在灵敏度和响应速度方面表现出优异性能。此外，成熟的硅制造工业使Si-FOSP在实际应用中具备良好的可重复性和低成本优势。根据具体应用需求，可选择使用低精细度或高精细度版本，并相应采用两种不同的数据解调方法。本文将提供两种Si-FOSP版本的详细制备方案，并展示三个典型应用及其对应结果：第一个是用于海洋温跃层剖面测量的水下温度计原型，第二个是用于测量海洋流速的流量计，第三个是用于监测磁约束高温等离子体排气辐射的热辐射计。

引言

由于具有体积小、成本低、重量轻以及抗电磁干扰（EMI）等独特特性，光纤传感器（FOS）已成为众多研究人员关注的焦点1。这些光纤传感器已广泛应用于环境监测、海洋监测、石油勘探和工业过程等多个领域。在温度相关传感方面，当需要测量微小且快速的温度变化时，传统光纤传感器在分辨率和响应速度方面并不具备优势。这些局限性源于许多传统光纤传感器所依赖的熔融石英材料的光学和热学特性。一方面，石英的热光系数（TOC）和热膨胀系数（TEC）分别为1.28×10-5 RIU/°C和5.5×10-7 m/(m·°C)；这些数值导致在1550 nm波长附近仅具有约13 pm/°C的温度灵敏度。另一方面，石英的热扩散率——即衡量在热能交换下温度变化速度的参数——仅为1.4×10-6 m2/s；该数值不利于提升基于石英的光纤传感器的响应速度。

本文报道的光纤传感平台（FOSP）突破了上述基于熔融石英的光纤传感器的限制。新型FOSP采用单晶硅作为核心传感材料，在光纤端面形成高质量的法布里-珀罗干涉仪（FPI），本文中称之为硅尖端FOSP（Si-FOSP）。图1展示了传感器探头的示意图及其工作原理，该探头是Si-FOSP的核心部分。传感器探头本质上由一个硅基FPI构成，其反射光谱呈现出一系列周期性条纹。当光程长度（OPL）满足2nL=Nλ时发生相消干涉，其中n和L分别为硅FP腔的折射率和长度，N为条纹凹陷的整数阶次。因此，干涉条纹的位置对硅腔的OPL变化具有响应性。根据具体应用需求，硅基FPI可制备为两种类型：低精细度FPI和高精细度FPI。低精细度FPI的硅腔两端均具有较低反射率，而高精细度FPI的硅腔两端则具有较高反射率。硅-空气界面和硅-光纤界面的反射率分别约为30%和18%，因此图1a所示的单一硅基FPI本质上属于低精细度FPI。通过在两端镀上一层高反射率（HR）薄膜，即可形成高精细度硅基FPI（图1b）。HR涂层（无论是介质材料还是金）的反射率可高达98%。对于两种类型的Si-FOSP，当温度升高时，n和L均会增加。因此，通过监测条纹位移，可推导出温度变化。需要注意的是，由于高精细度FPI的条纹凹陷宽度显著更窄（图1c），在相同波长偏移量下，其分辨能力更优。尽管高精细度Si-FOSP具有更高的分辨率，但低精细度Si-FOSP具有更大的动态范围。因此，选择哪种版本取决于特定应用的具体要求。此外，由于低精细度与高精细度硅基FPI的半高全宽（FWHM）存在显著差异，它们的信号解调方法也不同。例如，当单一硅基FPI的两端均镀上98% HR层后，理论FWHM从1.5 nm减小约50倍，仅为30 pm。因此，对于低精细度Si-FOSP，使用高速光谱仪即可满足数据采集与处理需求；而对于高精细度Si-FOSP，由于其FWHM极窄，光谱仪难以有效分辨，应采用扫描激光器进行解调。两种解调方法将在实验方案中详细说明。

此处选用的硅材料在温度传感的分辨率方面具有显著优势。作为对比，硅的热光系数（TOC）和热膨胀系数（TEC）分别为1.5×10-4 RIU/°摄氏度和 2.55×10-6 米/米∙°摄氏度，分别导致约 84.6 pm/°C 的温度灵敏度°C，约是所有石英基光纤传感器的6.5倍2.  除了这种更高的灵敏度外，我们还展示了一种平均波长跟踪方法，用于降低噪声水平，从而提高低精细度传感器的分辨率，实现了6×10⁻⁴ °C的温度分辨率。-4 °C 2，相较于0.2的分辨率 °基于全二氧化硅的光纤传感系统中的 C3分辨率进一步提高至1.2×10-4 °高精细度版本的 C4.  硅材料在响应速度方面也具有显著的传感优势。作为对比，硅的热扩散率为8.8x10-5 m2/秒，比石英的高出60多倍2.  结合小巧的占地面积（例如, 80 µ微米直径，200 µm 厚度）时，硅基光纤传感器的响应时间已达到 0.51 ms2,  与微硅光纤耦合器尖端温度传感器的16毫秒相比5.  尽管其他研究团队已报道过一些关于使用极薄硅膜作为传感材料进行温度测量的研究工作6,7,8,9,  它们在分辨率或速度方面均未达到我们传感器的性能水平。例如，某传感器的分辨率仅为0.12 °C，且报道的响应时间为1秒。7 更优的温度分辨率为 0.064 °C 已有报道10;  然而，其速度受限于相对庞大的传感器探头。Si-FOSP 的独特之处在于其新型制备方法和数据处理算法。

除了上述温度传感的优势外，硅基光纤传感平台（Si-FOSP）还可开发为多种与温度相关的传感器，用于测量不同参数，如气体压力11、空气或水流速12,13,14，以及辐射4,15。 本文详细介绍了传感器的制备和信号解调方案，并展示了三个典型应用及其结果。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

方案

1. 低精细度传感器的制备

  1. 制备硅柱。使用标准的微机电系统（MEMS）制造工艺，将一片厚度为200 µm的双面抛光（DSP）硅片加工成独立的硅柱（图2a）。
    注意：通过一层薄的光刻胶将图案化的硅片键合到另一片更大的硅片上。光刻胶的粘附力足以保持硅柱直立，但又足够弱，以便在后续步骤中从基底上分离。
  2. 准备导入光纤。剥离单模光纤远端的塑料涂覆层。使用蘸有酒精的镜头纸清洁裸露的光纤部分。使用光纤切割器对清洁后的光纤进行切割。
  3. 在切割好的导入光纤端面上涂覆一层薄的紫外光固化胶（图2b）。在一块玻璃载片上滴一小滴紫外光固化胶，通过旋涂或手动晃动玻璃载片使胶层变薄。通过将导入光纤端面压向玻璃载片，将胶层转移至光纤端面。
  4. 将硅柱粘附至光纤端面。将导入光纤与其中一个硅柱对准，同时使用光谱仪实时监测硅法布里-珀罗干涉仪（FPI）的反射光谱。当观察到满意的光谱时，使用紫外灯固化胶水（图2c）。
    注意：通常，固化过程大约需要10至15分钟。
  5. 将传感器从基底上分离。紫外胶完全固化后，将导入光纤连同从基底上脱离的硅柱一起提起（图2d）。
    注意：硅柱顶部表面可能残留少量光刻胶（图2e）。在大多数情况下，残留的光刻胶不影响传感器的功能。如有需要，可用酒精去除光刻胶层。
  6. 检查所制备的传感器探头。使用显微镜检查所制备传感器探头的几何形貌。一个成功制备的传感器的典型图像如图2f所示。

2. 高精细度传感器的制备

  1. 在硅晶圆的两侧均镀上高反射率镜面。使用溅射镀膜机在一片厚度为75 µm的双面抛光硅晶圆的一侧镀上一层150 nm厚的金层，在另一侧镀上高反射率（HR）介质镜。
    注意：介质高反射率涂层由外部公司完成，该公司测试显示该涂层的反射率不低于98%。但由于公司的知识产权保护，涂层的具体材料和结构未知，更多信息请参见材料表。
  2. 准备准直输入光纤。将一段短的渐变折射率多模光纤（GI-MMF）与单模光纤熔接，然后在光学显微镜下将GI-MMF切割至其光轨迹周期的四分之一长度，以形成光纤准直器（图3a）。
    注意：使用GI-MMF是为了扩大模场直径，从而获得可见度更高的光谱4,16。本工作中GI-MMF的长度约为250 µm，恰好为光线在多模光纤中传播周期的四分之一。
  3. 将一块双面镀膜的硅碎片连接到输入光纤上。通过参照制作低精细度传感器时将硅柱连接至光纤端面的类似步骤（步骤1.3–1.5），组装一个高精细度传感器。
    注意：应将带有介质涂层的一侧连接至准直器，以便入射光进入（图3b, 3c）。在此情况下，原先使用的硅柱被未经过图形化处理的硅碎片替代。未来计划先对图形化硅晶圆进行高反射率镜面镀膜，以使传感器更加均匀且易于制造。与步骤1.3–1.5的不同之处在于，在将胶水转移至准直器端面前，应首先获得具有适当可见度的反射光谱凹陷。
  4. 使用光纤抛光机将形状不规则的硅碎片抛光成圆形。
  5. 检查所制备的传感器探头。使用显微镜检查传感器探头，确保已达到理想的圆形形状（图3d）。

3. 低精细度硅基光纤法布里-珀罗传感器的信号解调

注意：解调低精细度硅基光纤法布里-珀罗传感器（Si-FOSP）的系统如图4a所示。以下详细步骤有助于搭建系统并进行数据处理。

  1. 将C波段宽带光源连接至光循环器的1号端口。
  2. 将光循环器的2号端口与低精细度传感器的引入光纤进行熔接。
  3. 将光循环器的3号端口连接至高速光谱仪，该光谱仪与计算机通信以实现数据存储。
  4. 检查传感器的光谱，确保系统正常工作。典型光谱如图4b所示。

4. 高精细度硅基光纤法布里-珀罗传感器的信号解调

注意：解调高精细度硅基光纤法布里-珀罗传感器（Si-FOSP）的系统如图5a所示。以下详细步骤有助于搭建系统并进行数据后处理。

  1. 使用电流控制器调节可调谐DFB激光器进行扫描。
    注意：峰峰值扫描电压因不同激光器和控制器而异，应足够大以覆盖光谱凹陷范围。
  2. 将可调谐激光器的输出连接至光环行器的1号端口。
  3. 将光环行器的2号端口熔接至高精细度传感器。
  4. 将光环行器的3号端口连接至光电探测器。
  5. 使用数据采集设备读取光电探测器的输出信号，并由计算机存储数据。
  6. 检查传感器的光谱，确保系统正常工作。参见图5b所示的典型光谱图，利用多项式曲线拟合确定谱谷位置。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

结果

作为水下温度计的Si-FOSP用于海洋温跃层剖面测量
近期海洋学研究表明，水下成像模糊的原因不仅在于污染水体中的浊度，还在于清澈海洋中的温度微结构17,18。后一种效应已成为众多海洋学家的研究重点，旨在寻找有效方法校正模糊图像19，以更深入理解并改善水下光学通信，同时开发量化海洋湍流的手段20,21。作为温度传感器使用的Si-FOSP已被证明在测量水体湍流引起的快速温度变化方面优于现有同类传感器22。在本应用中，采用的是图1a所示的低精细度传感器，以及图4a中的信号解调系统。鉴于Si-FOSP温度传感器的优异性能，其已被开发为一种专利水下...

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

讨论

硅法布里-珀罗干涉仪（FPI）的尺寸（长度和直径）选择需在分辨率和速度的要求之间进行权衡。通常情况下，较小的尺寸可提供更高的速度，但也会降低分辨率2。较短的长度有利于实现更高的速度，但由于反射凹陷的半高全宽（FWHM）扩大，不利于获得高分辨率。使用高反射率（HR）涂层可减小FWHM，从而有助于提高分辨率，但会因采用激光扫描进行信号解调而限制动态范围。较小的直径可提高速度，但直径应大于引入光纤的模场直径，以获得良好的光谱特性。然而，研究还发现，硅的直径大于光纤直径有助于减少向光纤的热传导损失，从而提高测辐射热计的灵敏度4。因此，传感器尺寸的选择高度依赖于具体应用需求。

尽管本文仅展示了硅基光纤传感器（Si-FOSP）的一些基本结构、制备工艺和信号解调系统，但已有多种技术可用于将其拓展至其他应用领域或进一步提升其性能。例如，可采用熔接技术替代紫外固化胶来连接传感器，从而将工作温度提升至1,000 °C以上28 。在如此高的工作温度下，...

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

披露

一项美国专利（专利号：9995628 B1）已获授权，用于保护相关技术。

致谢

本工作由美国海军研究实验室（编号：N0017315P0376、N0017315P3755）；美国海军研究办公室（编号：N000141410139、N000141410456）；美国能源部（编号：DE-SC0018273、DE-AC02-09CH11466、DE-AC05-00OR22725）资助。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
200 证明纯乙醇KoptecV1001
5通道双工CWDM纤维商店5MDD-ABS-FSCWDM
蝴蝶型激光二极管支架TholabsLM14S2
CastAway CTDYellow Springs Instrument
CTD海鸟SBE 19plus
流速仪Nortek载体
数据采集设备国家仪器公司NIUSB4366
数字示波器RIGOLDS1204B200 MHz 2 GSa/s
二极管激光器ThorlabsLM9LP波长：632 nm
固定式BNC终端电阻套件ThorlabsFTK01
函数波形发生器 RIGOLDG4162160 MHz 500 GSa/s
高精度切割仪藤仓CT-32
高反射介质涂层蒸发镀膜公司（ECI）涂层的材料和结构未知
I-MON 512 光谱仪Ibsen PhotonicsP/N: 1257110
InGaAs 偏压探测器TholabsDET01CFCFC/PC 输出：0-10 V；数量：2
激光二极管QphotonicQFLD-405-20S波长：405 nm
激光二极管电流控制器TholabsLDC 210C1 A 和 100 mA 量程 
激光二极管温度控制器TholabsTEC 200C数量：2
乳胶检查手套高内涵筛选
微型载玻片康宁公司
窄线宽DFB激光器EblanaEP1550-NLW-B06-100FM波长：1550 nm
光纤熔接机住友电工工业株式会社3822-2
光学显微镜与显示器Ikegami Tsushinki 公司PM-127
光谱分析仪横河AQ6370C波长范围：600-1700 nm
抛光机ULTRA TEC41076
可安装后置虹膜Thorlabs数量：2
泵浦激光器古奇和豪斯戈0400-0974-SM波长：980 nm
Si 增强型光电探测器ThorlabsPDA36A波长：350-1100 nm
硅片大学晶圆厚度：10 µ米，200 µ米，75 µ米，40 µm
单模光纤 康宁SMF-28
单模熔融  光纤耦合器Thorlabs波长：1550 nm
SM 125 信号分析仪Micron Optics
水族箱潜水泵宋龙SL-403
超辐射发光二极管Denselight半导体公司DL-BP1-1501A波长范围：1510-1590 nm
注射泵Cole Parmer74905-02
旅行翻译阶段ThorlabsLT1
紫外光固化胶环氧技术PB109077
UVGL-15 紧凑型紫外灯UVPP/N:95-0017-09254/365 nm
可变光衰减器TholabsM-VA/00016951 货号：VOA50-APC

参考文献

  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. 23, 7237-7247 (2015).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Ding, M., Wang, P., Brambilla, G. Fast-response high-temperature microfiber coupler tip thermometer. IEEE Photonics Technology Letters. 24, 1209-1211 (2012).
  6. Berthold, J. W., Reed, S. E., Sarkis, R. G. Reflective fiber optic temperature sensor using silicon thin film. Optical Engineering. 30, 524-528 (1991).
  7. Kajanto, I., Friberg, A. T. A silicon-based fibre-optic temperature sensor. Journal of Physics E: Scientific Instruments. 21, 652-656 (1988).
  8. Schultheis, L., Amstutz, H., Kaufmann, M. Fiber-optic temperature sensing with ultrathin silicon etalons. Optics Letters. 13, 782-784 (1988).
  9. Zhang, S., et al. Temperature characteristics of silicon core optical fiber Fabry-Perot interferometer. Optics Letters. 40, 1362-1365 (2015).
  10. 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).
  11. Liu, G., Han, M. Fiber-optic gas pressure sensing with a laser-heated silicon-based Fabry-Perot interferometer. Optics Letters. 40, 2461-2464 (2015).
  12. Liu, G., Hou, W., Qiao, W., Han, M. Fast-response fiber-optic anemometer with temperature self-compensation. Optics Express. 23, 13562-13570 (2015).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Zhang, Y., et al. Fringe visibility enhanced extrinsic Fabry-Perot interferometer using a graded index fiber collimator. IEEE Photonics Journal. 2, 469-481 (2010).
  17. Hou, W. Ocean sensing and monitoring. , SPIE Press. (2013).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Matt, S., et al. A controlled laboratory environment to study EO signal degradation due to underwater turbulence. Proceedings of SPIE. 9459, 94590H(2015).
  23. Han, M., Liu, G., Hou, W. Fiber-optic temperature and flow sensor system and methods. U.S. Patent. , 9995628 B1 (2018).
  24. 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).
  25. Alcator C-Mod. , Available from: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alcator_C-Mod_Tokamak_Interior.jpg (2018).
  26. 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).
  27. Peterson, B. J., et al. Development of imaging bolometers for magnetic fusion reactors. Review of Scientific Instruments. 79, 10E301(2008).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

重印与许可

申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表

申请许可

标签

相关文章