Name: 一种高分辨率、快速响应的硅尖光纤传感平台 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-01-07T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 3 s
Description: 探索一种高分辨率、快速响应的硅尖光纤传感平台，利用MEMS微机电系统制造技术实现高灵敏度测量。该平台适用于海洋学研究、流体动力学及聚变能源等领域的高精度环境监测。

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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。

1. 低精细度传感器的制备
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
2. 高精细度传感器的制备
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>使用光纤抛光机将形状不规则的硅碎片抛光成圆形。</li>
	<li>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）。</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>将C波段宽带光源连接至光循环器的1号端口。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>将可调谐激光器的输出连接至光环行器的1号端口。</li>
	<li>将光环行器的2号端口熔接至高精细度传感器。</li>
	<li>将光环行器的3号端口连接至光电探测器。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>

<ol><li>Lee, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Review+of+the+present+status+of+optical+fiber+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Optical+Fiber+Technology%22%5BJournal%5D)">Review of the present status of optical fiber sensors.</a> Optical Fiber Technology. 9, 57-79 (2003).</li>
<li>Liu, G., Han, M., Hou, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+and+fast-response+fiber-optic+temperature+sensor+using+silicon+Fabry-Perot+cavity%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">High-resolution and fast-response fiber-optic temperature sensor using silicon Fabry-Perot cavity.</a> Optics Express. 23, 7237-7247 (2015).</li>
<li>Hatta, A. M., Rajan, G., Semenova, Y., Farrell, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SMS+fibre+structure+for+temperature+measurement+using+a+simple+intensity-based+interrogation+system%5BTitle%5D)+AND+%22Electronics+Letters%22%5BJournal%5D)">SMS fibre structure for temperature measurement using a simple intensity-based interrogation system.</a> Electronics Letters. 45, 1069(2009).</li>
<li>Sheng, Q., Liu, G., Reinke, M. L., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+fiber-optic+bolometer+based+on+a+high-finesse+silicon+Fabry-Perot+interferometer%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">A fiber-optic bolometer based on a high-finesse silicon Fabry-Perot interferometer.</a> Review of Scientific Instruments. , 065002(2018).</li>
<li>Ding, M., Wang, P., Brambilla, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast-response+high-temperature+microfiber+coupler+tip+thermometer%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Photonics+Technology+Letters%22%5BJournal%5D)">Fast-response high-temperature microfiber coupler tip thermometer.</a> IEEE Photonics Technology Letters. 24, 1209-1211 (2012).</li>
<li>Berthold, J. W., Reed, S. E., Sarkis, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reflective+fiber+optic+temperature+sensor+using+silicon+thin+film%5BTitle%5D)+AND+%22Optical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Reflective fiber optic temperature sensor using silicon thin film.</a> Optical Engineering. 30, 524-528 (1991).</li>
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<li>Liu, G., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fiber-optic+gas+pressure+sensing+with+a+laser-heated+silicon-based+Fabry-Perot+interferometer%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Fiber-optic gas pressure sensing with a laser-heated silicon-based Fabry-Perot interferometer.</a> Optics Letters. 40, 2461-2464 (2015).</li>
<li>Liu, G., Hou, W., Qiao, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast-response+fiber-optic+anemometer+with+temperature+self-compensation%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Fast-response fiber-optic anemometer with temperature self-compensation.</a> Optics Express. 23, 13562-13570 (2015).</li>
<li>Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+fiber+vector+flow+sensor+based+on+a+silicon+Fabry-Perot+interferometer+array%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Optical fiber vector flow sensor based on a silicon Fabry-Perot interferometer array.</a> Optics Letters. 41, 4629-4632 (2016).</li>
<li>Liu, G., Sheng, Q., Geraldo, R. L. P., Hou, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+fiber-optic+water+flow+sensor+based+on+laser-heated+silicon+Fabry-Perot+cavity%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+SPIE%22%5BJournal%5D)">A fiber-optic water flow sensor based on laser-heated silicon Fabry-Perot cavity.</a> Proceedings of SPIE. 9852, 98521B(2016).</li>
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<li>Hou, W., Jarosz, E., Woods, S., Goode, W., Weidemann, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impacts+of+underwater+turbulence+on+acoustical+and+optical+signals+and+their+linkage%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Impacts of underwater turbulence on acoustical and optical signals and their linkage.</a> Optics Express. 21, 4367-4375 (2013).</li>
<li>Nootz, G., Jarosz, E., Dalgleish, F. R., Hou, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+optical+turbulence+in+the+ocean+and+its+effects+on+beam+propagation%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Quantification of optical turbulence in the ocean and its effects on beam propagation.</a> Applied Optics. 55, 8813-8820 (2016).</li>
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<li>Kallenbach, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impurity+seeding+for+tokamak+power+exhaust%3A+from+present+devices+via+ITER+to+DEMO%5BTitle%5D)+AND+%22Plasma+Physics+and+Controlled+Fusion%22%5BJournal%5D)">Impurity seeding for tokamak power exhaust: from present devices via ITER to DEMO.</a> Plasma Physics and Controlled Fusion. 55, 124041(2013).</li>
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<li>Meister, H., Willmeroth, M., Zhang, D., Gottwald, A., Krumrey, M., Scholze, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Broad-band+efficiency+calibration+of+ITER+bolometer+prototypes+using+Pt+absorbers+on+SiN+membranes%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Broad-band efficiency calibration of ITER bolometer prototypes using Pt absorbers on SiN membranes.</a> Review of Scientific Instruments. 84, 123501(2013).</li>
<li>Peterson, B. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+imaging+bolometers+for+magnetic+fusion+reactors%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Development of imaging bolometers for magnetic fusion reactors.</a> Review of Scientific Instruments. 79, 10E301(2008).</li>
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<li>Liu, G., Hou, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Unambiguous+peak+recognition+for+a+silicon+Fabry-Perot+interferometric+temperature+sensor%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Lightwave+Technology%22%5BJournal%5D)">Unambiguous peak recognition for a silicon Fabry-Perot interferometric temperature sensor.</a> Journal of Lightwave Technology. 36, 1970-1978 (2018).</li>
<li>Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Han, M., High-resolution, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution%2C+large+dynamic+range+fiber-optic+thermometer+with+cascaded+Fabry-Perot+cavities%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">High-resolution, large dynamic range fiber-optic thermometer with cascaded Fabry-Perot cavities.</a> Optics Letters. 41, 5134-5137 (2016).</li>
</ol>

一项美国专利（专利号：9995628 B1）已获授权，用于保护相关技术。

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&#160;。在如此高的工作温度下，...

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/&#176;摄氏度和 2.55×10-6 米/米&#8729;&#176;摄氏度，分别导致约 84.6 pm/°C 的温度灵敏度&#176;C，约是所有石英基光纤传感器的6.5倍2. &#160;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 &#176;C 2，相较于0.2的分辨率 &#176;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 &#176;高精细度版本的 C4. &#160;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. &#160;结合小巧的占地面积（例如, 80 &#181;微米直径，200 &#181;m 厚度）时，硅基光纤传感器的响应时间已达到 0.51 ms2, &#160;与微硅光纤耦合器尖端温度传感器的16毫秒相比5. &#160;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, &#160;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 &#176;C，且报道的响应时间为1秒。7 更优的温度分辨率为 0.064 &#176;C 已有报道10; &#160;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。&#160;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。

<table><tbody><tr><td>200 证明纯乙醇</td><td>Koptec</td><td>V1001</td><td></td></tr><tr><td>5通道双工CWDM</td><td>纤维商店</td><td>5MDD-ABS-FSCWDM</td><td></td></tr><tr><td>蝴蝶型激光二极管支架</td><td>Tholabs</td><td>LM14S2</td><td></td></tr><tr><td>CastAway CTD</td><td>Yellow Springs Instrument</td><td></td><td></td></tr><tr><td>CTD</td><td>海鸟</td><td>SBE 19plus</td><td></td></tr><tr><td>流速仪</td><td>Nortek</td><td>载体</td><td></td></tr><tr><td>数据采集设备</td><td>国家仪器公司</td><td>NIUSB4366</td><td></td></tr><tr><td>数字示波器</td><td>RIGOL</td><td>DS1204B</td><td>200 MHz 2 GSa/s</td></tr><tr><td>二极管激光器</td><td>Thorlabs</td><td>LM9LP</td><td>波长：632 nm</td></tr><tr><td>固定式BNC终端电阻套件</td><td>Thorlabs</td><td>FTK01</td><td></td></tr><tr><td>函数波形发生器&amp;nbsp;</td><td>RIGOL</td><td>DG4162</td><td>160 MHz 500 GSa/s</td></tr><tr><td>高精度切割仪</td><td>藤仓</td><td>CT-32</td><td></td></tr><tr><td>高反射介质涂层</td><td>蒸发镀膜公司（ECI）</td><td></td><td>涂层的材料和结构未知</td></tr><tr><td>I-MON 512 光谱仪</td><td>Ibsen Photonics</td><td>P/N: 1257110</td><td></td></tr><tr><td>InGaAs 偏压探测器</td><td>Tholabs</td><td>DET01CFC</td><td>FC/PC 输出：0-10 V；数量：2</td></tr><tr><td>激光二极管</td><td>Qphotonic</td><td>QFLD-405-20S</td><td>波长：405 nm</td></tr><tr><td>激光二极管电流控制器</td><td>Tholabs</td><td>LDC 210C</td><td>1 A 和 100 mA 量程&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>激光二极管温度控制器</td><td>Tholabs</td><td>TEC 200C</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>乳胶检查手套</td><td>高内涵筛选</td><td></td><td></td></tr><tr><td>微型载玻片</td><td>康宁公司</td><td></td><td></td></tr><tr><td>窄线宽DFB激光器</td><td>Eblana</td><td>EP1550-NLW-B06-100FM</td><td>波长：1550 nm</td></tr><tr><td>光纤熔接机</td><td>住友电工工业株式会社</td><td>3822-2</td><td></td></tr><tr><td>光学显微镜与显示器</td><td>Ikegami Tsushinki 公司</td><td>PM-127</td><td></td></tr><tr><td>光谱分析仪</td><td>横河</td><td>AQ6370C</td><td>波长范围：600-1700 nm</td></tr><tr><td>抛光机</td><td>ULTRA TEC</td><td>41076</td><td></td></tr><tr><td>可安装后置虹膜</td><td>Thorlabs</td><td></td><td>数量：2</td></tr><tr><td>泵浦激光器</td><td>古奇和豪斯戈</td><td>0400-0974-SM</td><td>波长：980 nm</td></tr><tr><td>Si 增强型光电探测器</td><td>Thorlabs</td><td>PDA36A</td><td>波长：350-1100 nm</td></tr><tr><td>硅片</td><td>大学晶圆</td><td></td><td>厚度：10 &amp;micro;米，200 &amp;micro;米，75 &amp;micro;米，40 &amp;micro;m</td></tr><tr><td>单模光纤&amp;nbsp;</td><td>康宁</td><td>SMF-28</td><td></td></tr><tr><td>单模熔融&amp;nbsp; 光纤耦合器</td><td>Thorlabs</td><td></td><td>波长：1550 nm</td></tr><tr><td>SM 125 信号分析仪</td><td>Micron Optics</td><td></td><td></td></tr><tr><td>水族箱潜水泵</td><td>宋龙</td><td>SL-403</td><td></td></tr><tr><td>超辐射发光二极管</td><td>Denselight半导体公司</td><td>DL-BP1-1501A</td><td>波长范围：1510-1590 nm</td></tr><tr><td>注射泵</td><td>Cole Parmer</td><td>74905-02</td><td></td></tr><tr><td>旅行翻译阶段</td><td>Thorlabs</td><td>LT1</td><td></td></tr><tr><td>紫外光固化胶</td><td>环氧技术</td><td>PB109077</td><td></td></tr><tr><td>UVGL-15 紧凑型紫外灯</td><td>UVP</td><td>P/N:95-0017-09</td><td>254/365 nm</td></tr><tr><td>可变光衰减器</td><td>Tholabs</td><td>M-VA/00016951 货号：VOA50-APC</td><td></td></tr></tbody></table>

一种具有高分辨率和快速响应的硅尖光纤传感平台

A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response

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。

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...

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。

在本文中，我们介绍一种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）。该平台……

该方法开发出一种创新且可适应的光纤传感平台。该平台的研发最初旨在为海洋水体湍流特性表征提供一种水下温度计。此平台的优势包括高灵敏度、快速响应和小型化，同时由于采用了成熟的MEMS制造技术，具有优异的可制造性。它可用于多种与温度相关的测量，例如用于表征湍流的温度测量、液体和气体流动测量，以及某些聚变反应中高温等离子体的辐射测量。在配备光谱仪的实验台上制备该传感器。第一步是在硅晶圆上制备硅柱结构。该晶圆具有可独立使用的微柱结构，可用于传感器。此示意图展示了微柱的整体布局。这些微柱采用标准的微机电系统制造工艺，由厚度为200 µm、双面抛光的硅晶圆加工而成。每个柱子的顶部和基底上均有光刻胶。通过剥离光纤的塑料涂层来准备引入光纤。使用蘸有酒精的镜头纸清洁已剥离的区域。将清洁后的光纤拿到光纤切割器上进行切割。接着，取适量紫外光固化胶和一片载玻片。在载玻片上滴加少量紫外光固化胶。然后，手动晃动载玻片或使用旋涂法使胶水均匀分布，胶水将在表面形成一层薄层。取已解理的导入光纤，将其端面压在载玻片上，以转移胶水。将光纤的另一端连接至传感器解调仪，以监测反射光谱。然后，对硅柱阵列和光纤的切割端进行操作。将带有硅柱的晶圆置于可在水平面内移动的平移台上。将光纤固定在可垂直移动的线性位移平台上。调节位移平台，使光纤与其中一个微柱对准，同时以实时反射光谱作为反馈依据。此反射光谱即为表明对准效果良好的一个示例。当光谱满意后，将光纤与柱体接触以实现连接。光纤与柱体连接后，在紫外灯下固化粘接部位。固化完成后，利用垂直平移台提起光纤，使光纤和硅柱整体从基底上脱离。在显微镜下检查传感器头部以观察其几何结构。这是一个典型的成功制备的传感器。收集制备高精细度传感器所需的材料。这包括双面抛光硅晶圆的碎片，其中一面溅射有金层，呈黄色；另一面则具有高反射率的介质镜镀层，呈蓝色。接下来，通过将一段短的渐变折射率多模光纤与单模光纤熔接，制备准直引光纤。切割多模光纤。如示意图所示，通过将渐变折射率多模光纤切割至光轨迹周期的四分之一长度来制备光纤准直器。现在，在玻璃载片上滴加一滴紫外光固化胶。通过手动晃动或旋涂载玻片使胶水变薄后，将渐变折射率多模光纤端面压在载玻片上以转移胶水。将光纤的另一端连接至传感器解调仪，用于监测反射光谱。接着，将一片晶圆碎片放置在水平平移台上。将介电面朝上放置。将制备好的光纤置于垂直平移台上，并移动光纤使其靠近碎片，以连接两部分。与低精细度织物配对的红外融合传感器相比，高精细度传感器的制备对光纤与硅元件之间的光学对准提出了更为严格的要求。将光纤及附着的晶片碎片置于紫外灯下固化。此图为固化完成后、准备进行后续步骤的组装示例。在继续操作前，将碎片抛光成圆盘状。在显微镜下检查传感器探头，以确保其具有预期的形状。将完成的低精细度器件整合到解调系统中。该系统结构简单，仅包含少数几个元件。一台光谱仪和一台计算机。这是该装置的示意图。包含一个宽带光源，其输出通过一根光纤。光纤连接至光学循环器的第一端口。将循环器第二端口的光纤与低精细度传感器的引入光纤进行熔接。将循环器的第三端口连接至高速光谱仪。使用连接到光谱仪的计算机进行数据存储。检查传感器的光谱，以确保系统正常工作。该光谱具有代表性。使用高精细度传感器准备解调系统。该装置比低精细度解调系统仅稍复杂一些。尽管如此，该装置仍然仅包含少量元件。使用一个连接到电流控制器的分布反馈激光器。通过光纤将激光器输出连接到光循环器的端口一。将光循环器端口二的光纤与高精细度传感器熔接。将光循环器的端口三连接到光电探测器。来自光电探测器的数据被传送到数据采集设备，然后进入计算机。检查传感器的光谱，以确保系统正常工作并产生典型的光谱。一个低精细度系统传感器被设计用于测量开阔水体中的温跃层，其采集的野外测试数据以蓝色显示。红色和黑色曲线是使用目前市场上现有的参考仪器测得的数据。仔细观察这些数据可以发现，低精细度传感器系统能够提供更详细的测量结果。红色数据来自一种低精细度传感器装置，该装置作为置于水箱中的流量传感器。黑色数据来自一个参考商用流量传感器。两者总体上一致。然而，当水流平静时，低精细度传感器表现出更清晰的响应。高精细度传感器作为一种坚固且高分辨率的热释电辐射计，在测量等离子体中光子发射方面具有广阔的应用前景。本结果将高精细度传感器与电阻式辐射计进行了比较。需要注意的是，由基础紫外胶制成的传感器不适用于超过100摄氏度的高温环境，因为环氧树脂在高温下稳定性会下降。使用熔接技术将导光纤和酸性阻隔层连接，可制备出升温约1,000摄氏度的传感平台，从而实现在高温环境中的其他令人期待的应用。高温应用的示例包括大型加热器、红外发射器以及发电厂中数英寸深度的温度监测。使用紫外灯和激光器时，务必穿戴实验室外套和激光防护眼镜，以保护皮肤和眼睛。

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一种高分辨率、快速响应的硅尖光纤传感平台

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微谐振腔中孤子晶体的快速重复频率波动测量

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