一种具有高分辨率和快速响应的硅尖光纤传感平台

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（OP....

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（

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.......

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，.......

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	Koptec	V1001
5通道双工CWDM	纤维商店	5MDD-ABS-FSCWDM
蝴蝶型激光二极管支架	Tholabs	LM14S2
CastAway CTD	Yellow 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	RIGOL	DS1204B	200 MHz 2 GSa/s
二极管激光器	Thorlabs	LM9LP	波长：632 nm
固定式BNC终端电阻套件	Thorlabs	FTK01
函数波形发生器	RIGOL	DG4162	160 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 Photonics	P/N: 1257110
InGaAs 偏压探测器	Tholabs	DET01CFC	FC/PC 输出：0-10 V；数量：2
激光二极管	Qphotonic	QFLD-405-20S	波长：405 nm
激光二极管电流控制器	Tholabs	LDC 210C	1 A 和 100 mA 量程
激光二极管温度控制器	Tholabs	TEC 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	Eblana	EP1550-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 TEC	41076
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	Thorlabs	PDA36A	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 Parmer	74905-02
旅行翻译阶段	Thorlabs	LT1
紫外光固化胶	环氧技术	PB109077
UVGL-15 紧凑型紫外灯	UVP	P/N:95-0017-09	254/365 nm
可变光衰减器	Tholabs	M-VA/00016951 货号：VOA50-APC