Article de méthode

Une plate-forme silicium pointe fibre optique télédétection haute résolution et une réponse rapide

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DOI :

10.3791/59026

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7 janvier 2019

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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

Dans cet article

Résumé

Ce travail rapporte une pointe silicone fibre optique télédétection plate-forme innovante (tr-FOSP) pour la mesure de haute résolution et d’intervention rapide d’une variété de paramètres physiques, notamment la température, de débit et de rayonnement. Les applications de cette Si-FOSP allant de recherche océanographique, industrie mécanique, à l’énergie de fusion.

Résumé

Dans cet article, nous présentons une novateur et prometteuse pratiquement fibre optique plate-forme de télédétection (FOSP) qui nous a proposé et a démontré récemment. Cette FOSP s’appuie sur un interféromètre de Fabry-Perot de silicium (FPI) attaché à l’extrémité de la fibre, dénommée Si-FOSP dans cet ouvrage. Le Si-FOSP génère un interférogramme déterminée par la longueur du trajet optique (OPL) de la cavité de silicium. Mesurande modifie l’OPL et déplace ainsi l’interférogramme. En raison des propriétés optiques et thermiques uniques du matériau silicium, cette Si-FOSP présente un rendement avantageux en termes de sensibilité et la vitesse. En outre, l’industrie de fabrication de silicium mature dote de la Si-FOSP excellente reproductibilité et à moindre coût vers des applications pratiques. Selon les applications spécifiques, soit une version basse-finesse ou haute-finesse serviront, et deux méthodes de démodulation de différentes données seront adoptées en conséquence. Des protocoles détaillés pour fabriquer les deux versions de la Si-FOSP seront fournis. Trois applications représentatives et leurs résultats selon seront montrés. L’un est un thermomètre sous l’eau du prototype pour profiler les thermoclines océan, le second est un débitmètre pour mesurer la vitesse d’écoulement dans l’océan, et le dernier est un bolomètre utilisé pour le contrôle des gaz d’échappement émis par magnétiquement confiné plasma à haute température.

Introduction

Capteurs à fibre optique (FOSs) ont fait l’objet de nombreux chercheurs en raison de ses propriétés uniques, telles que sa petite taille, son faible coût, sa légèreté et son immunité aux interférences électromagnétiques (EMI)1. Ces logiciels libres ont trouvé des applications larges dans de nombreux domaines tels que la surveillance de l’environnement, surveillance de l’océan, exploration pétrolière et des procédés industriels entre autres. Quand il s’agit de la détection de liées à la température, le FOSs traditionnel ne sont pas supérieur en termes de résolution et la vitesse pour les cas où la mesure des minutes et des variations rapides de température est souhaitable. Ces limitations découlent les propriétés optiques et thermiques du matériau en silice fondue sur lesquelles reposent les nombreux FOSs traditionnels. D’une part, le coefficient de thermo-optique (TOC) et coefficient de dilatation thermique (TEC) de silice sont 1.28x10-5 RIU / ° C et 5.5x10-7 m/(m·°C), respectivement ; ces valeurs conduisent à une sensibilité à la température de seulement environ 13 h / ° C autour de la longueur d’onde de 1550 nm. En revanche, la diffusivité thermique, mesure de la vitesse de la température qui changent en réponse à l’échange d’énergie thermique, est seulement 1.4x10-6 m2/s pour la silice ; cette valeur n’est pas supérieure pour améliorer la vitesse des logiciels libres à base de silice.

La plate-forme de télédétection de fibre optique (FOSP) rapportée dans cet article rompt les limitations ci-dessus des logiciels libres à base de silice fondue. Le nouveau FOSP utilise le silicium cristallin comme clé de détection de matériel, qui forme un interféromètre de Fabry-Perot de haute qualité (FPI) à l’extrémité de la fibre, ici dénommée FOSP à pointe de silicium (Si-FOSP). La figure 1 illustre le principe schématique et opérationnels de la tête du capteur, qui est au cœur de la Si-FOSP. La tête du capteur se compose essentiellement d’un silicium FPI, dont le spectre réflexion comporte une série de franges périodiques. Interférence destructive se produit lorsque l’OPL satisfait 2nL = Nλ, où n et L sont l’indice de réfraction et de la longueur de la cavité de silicium FP, respectivement, et N est un entier qui représente l’ordre de l’encoche de la frange. Positions des franges d’interférence sont donc sensibles à la BPO de la cavité de silicium. Selon les applications spécifiques, le silicium FPI peut être transformé en deux types : basse-finesse FPI et haut-finesse FPI. Le FPI basse-finesse a une faible réflectivité pour les deux extrémités de la cavité de silicium, tandis que le FPI haute-finesse a une réflectivité élevée pour les deux extrémités de la cavité de silicium. Les réflectivités des interfaces air silicium et silicium-fibre sont à peu près 30 % et 18 %, donc le seul silicium FPI illustré à la Figure 1 a est essentiellement un FPI basse-finesse. En enduisant une couche mince grande réflectivité (HR) aux deux extrémités, un silicium haute-finesse que FPI est formé (Figure 1 b). Réflectivité de l’enduit de HR (diélectrique ou or) peut être aussi élevée que 98 %. Pour les deux types de Si-FOSP, n et L augmentent lorsque la température augmente. Ainsi, en surveillant l’évolution de la frange, la variation de température peut être déduite. Notez que pour la même quantité de décalage de la longueur d’onde, le FPI haute-finesse donne une meilleure discrimination en raison de l’encoche de frange beaucoup plus étroite (Figure 1C). Alors que le haut-finesse Si-FOSP a une meilleure résolution, la basse-finesse Si-FOSP a une plage dynamique plus étendue. Par conséquent, le choix entre ces deux versions dépend des exigences d’une application spécifique. En outre, en raison de la grande différence de largeur à mi-hauteur (FWHM) du bas-finesse et haute-finesse silicium naissance, leurs méthodes de démodulation du signal sont différents. Par exemple, la FWHM théorique de 1,5 nm est diminué par environ 50 fois à seulement 30 heures lorsque les deux extrémités du silicium seul FPI sont recouverts d’une couche de HR de 98 %. Par conséquent, pour le Si faible-finesse-FOSP, un spectromètre à haute vitesse suffirait pour la collecte de données et le traitement, alors qu’un balayage laser doit être utilisé pour démoduler le haut-finesse Si-FOSP en raison de la FWHM beaucoup plus étroite qui ne peut être résolu ainsi par la spectromètre. Les deux méthodes de démodulation seront expliqués dans le protocole.

Le silicone choisie ici est supérieur pour la détection de la température en termes de résolution. En comparaison, le cot et le TEC de silicium sont 1.5x10-4 RIU / ° C et 2.55x10-6 m/(m∙°C), respectivement, conduisant à une sensibilité à la température d’environ 84.6 h / ° C qui est environ 6,5 fois plus élevé que celui de tous les logiciels libres à base de silice2.  En plus de cette sensibilité beaucoup plus élevée, nous avons démontré une longueur d’onde moyenne suivi méthode pour réduire le niveau sonore et d’améliorer ainsi la résolution pour un capteur de basse-finesse, conduisant à une résolution de la température de 6 x 10-4 ° C 2, en comparaison à la résolution de 0,2 ° C pendant une tout à base de silice FOS3. La résolution est encore améliorée pour être 1.2x10-4 ° C pour une version haute-finesse4.  Le silicone est également supérieure pour détection en termes de vitesse. En comparaison, la diffusivité thermique de silicium est 8.8x10-5 m2/s, qui est 60 fois plus élevé que celui de silice2.  Combiné avec un encombrement réduit (p. ex., 80 µm de diamètre, 200 µm d’épaisseur), le temps de réponse de 0,51 ms pour un silicium que FOS a été démontrée2, en comparaison avec les 16 ms d’un coupleur de silice-micro-fibre astuce température capteur5.  Bien que certaines recherches travaux liés à la mesure de la température à l’aide de film très mince de silicium, comme le matériel de télédétection a été signalé par d’autres groupes6,7,8,9, aucun d'entre eux possède les performances de nos capteurs en termes de résolution ou de vitesse. Par exemple, le capteur avec une résolution de seulement 0,12 ° C et un temps de réponse longue de 1 s a été signalé. 7 qu'une meilleure résolution de température de 0,064 ° C a été rapporté10;  Cependant, la vitesse est limitée par la tête du capteur relativement volumineux. Ce qui rend les mensonges uniques Si-FOSP dans le nouveau procédé de fabrication et un algorithme de traitement des données.

Outre les avantages ci-dessus pour la détection de la température, la Si-FOSP peut également être développé en une variété de capteurs de température liées visant à mesurer les différents paramètres, tels que gaz pression11, air ou l’eau s’écouler12,13 ,14 et rayonnement4,15.  Cet article présente une description détaillée du capteur des protocoles de démodulation fabrication et signal ainsi que trois applications représentatives et leurs résultats.

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Protocole

1. fabrication de capteurs de basse-Finesse

  1. Fabriquer les piliers de silicium. Un morceau de tranche de silicium de (DSP) de double-côté-poli 200-µm d’épaisseur de mires en standalone piliers de silicium (Figure 2 a), à l’aide de fabrication standard système micro-électro-mécaniques (MEMS) facilite.
    Remarque : La plaquette à motifs est collée sur une autre plaquette de silicium plus gros à l’aide d’une fine couche de résine photosensible. La force de liaison de la résine photosensible est assez forte pour tenir les piliers verticaux, mais aussi assez faible pour détacher le substrat pour les étapes ultérieures.
  2. Préparer la fibre de lead-in. Enlever le revêtement en plastique de l’extrémité distale d’une fibre optique monomode. Nettoyer la section dépouillée à l’aide d’un tissus imbibé d’alcool. Cliver la fibre nettoyée à l’aide d’un fendoir de fibre optique.
  3. Appliquer une fine couche de colle UV polymérisable sur la face d’extrémité de la fibre de lead-in clivées (Figure 2 b). Mettre une petite goutte de colle UV polymérisable sur un morceau de lame de verre. Mince la couche de colle par enduction centrifuge ou balancer manuellement la lame de verre. Transférer la couche de colle à l’extrémité de la fibre en appuyant sur la face arrière de la fibre de lead-in contre la lame de verre.
  4. Monter un pilier de silicium à l’extrémité de la fibre. Aligner la fibre de lead-in avec un des piliers silicium, dans le même temps surveiller le spectre de réflexion en temps réel du silicium FPI en utilisant un spectromètre. Utiliser une lampe UV pour guérir la colle quand on observe un spectre satisfaisant (Figure 2C).
    Remarque : en général, le processus de durcissement prend environ 10 à 15 minutes.
  5. Détacher le capteur du substrat. Après le UV, la colle est complètement durcie, soulevez la fibre de lead-in ainsi que le pilier de silicium détaché du substrat (Figure 2d).
    NOTE : Certains photorésine résiduelle est resté sur la surface supérieure du pilier silicium (Figure 2e). Pour la plupart des cas, la résine photosensible résiduelle n’affecte pas la fonction du capteur. Si nécessaire, la couche de résine photosensible peut être enlevée par l’alcool.
  6. Examiner la tête de détection fabriqué. Utiliser un microscope pour étudier la géométrie de la tête du détecteur fabriqué. Une image typique d’un capteur fabriqué avec succès se voit dans la Figure 2f.

2. fabrication de capteurs haute-Finesse

  1. Enrober les deux côtés d’une plaquette de silicium avec des miroirs de grande réflectivité. Enduisez un côté d’une plaquette de silicium de double-côté-polie 75-µm d’épaisseur d’une couche or 150 nm, épaisse, à l’aide d’une machine d’enduction PULVERISATION et recouvrir de l’autre côté avec un miroir diélectrique de haute réflectivité (HR).
    Remarque : Le revêtement diélectrique de HR a été réalisé par une entreprise extérieure ; réflectivité de ce revêtement a été testée pour être pas moins de 98 % par la société. Cependant, détaillée des matériaux et la structure du revêtement sont inconnus grâce à la protection de propriété industrielle par la société, voir la Table des matières pour plus d’informations.
  2. Préparer la fibre collimaté lead-in. Épisser une courte section de fibre multimode de classé-index (GI-MMF) avec une fibre monomode et puis, au microscope optique, Cliver le GI-MMF avec un quart de la période de la trajectoire de lumière au sein de la MMF à gauche pour former un fiber collimateur (Figure 3 a ).
    Remarque : Le GI-MMF est utilisé pour élargir le diamètre du champ modale afin qu’un spectre avec une meilleure visibilité peut être obtenu en4,16. La longueur de la GI-MMF, qui est près de 250 µm dans cet ouvrage, est exactement un quart de la période de la trajectoire du rayon.
  3. Attacher un silicium enduit fragmenté de double-face à la fibre de lead-in. Assembler un capteur haute-finesse en suivant les étapes similaires d’attacher un pilier de silicium à l’extrémité de la fibre pour la fabrication de capteurs de basse-finesse (étapes 1,3 – 1,5).
    Remarque : Le côté avec le revêtement diélectrique sera joint à la collimateur pour laisser entrer la lumière qui viennent (Figure 3 b, 3C). Dans ce cas, le pilier antérieur de silicium est remplacé par un fragment de silicium, qui a été modelé pas. À l’avenir, la plaquette de silicium à motifs sera enduite avec les miroirs de grande réflectivité, afin que les capteurs sont plus uniforme et plus facile pour la fabrication. La différence dans les étapes de fabrication de 1,3 à 1,5, c’est qu’un cran de spectres de réflexion avec une bonne visibilité doit être obtenu au préalable avant que la colle a été transférée à la face d’extrémité du collimateur.
  4. Polir le fragment de silicium irrégulière dans une forme circulaire à l’aide d’une fibre machine de polissage.
  5. Examiner la tête de détection fabriqué. Utiliser un microscope pour examiner la tête de détection pour s’assurer que la forme circulaire souhaitable est obtenue (Figure 3d).

3. signal démodulation pour Low-Finesse tr-FOSP

Remarque : Le système utilisé pour la démodulation de la basse-finesse Si-FOSP est montré dans la Figure 4 a. Les étapes détaillées suivantes aident à configurer votre système et effectue le traitement de données.

  1. Connectez une source à large bande bande C pour 1 d’un circulateur optique le port.
  2. Raccorder le port 2 du circulateur optique avec la fibre de la séquence d’initialisation d’un capteur de basse-finesse.
  3. Connectez le port 3 du circulateur optique à un spectromètre à haute vitesse qui communique avec un ordinateur pour stocker les données.
  4. Vérifier le spectre de la sonde pour s’assurer que le système fonctionne correctement. Voir le spectre typique illustré à la Figure 4 b.

4. signal démodulation pour haute-Finesse tr-FOSP

Remarque : Le système utilisé pour la démodulation de la haute-finesse Si-FOSP est montré dans la Figure 5 a. Les étapes détaillées ci-dessous aident à mettre en place le système et faire le post-traitement des données.

  1. Balayer un laser accordable de la DFB à l’aide d’un régulateur de courant.
    Remarque : La tension de crête à crête balayage, qui varie selon les différents lasers et contrôleurs, doit être suffisamment grande pour couvrir l’encoche du spectre.
  2. Branchez la sortie du laser accordable à port 1 d’un circulateur optique.
  3. Raccorder le port 2 du circulateur optique pour un capteur haute-finesse.
  4. Connectez le port 3 du circulateur optique à un photodétecteur.
  5. Utiliser un matériel d’acquisition de données pour lire la sortie du photodétecteur, laquelle est stockée par un ordinateur.
  6. Vérifier le spectre de la sonde pour s’assurer que le système fonctionne correctement. Voir un cadre typique du spectre illustré à la Figure 5 b. Trouver la position de la vallée à l’aide d’un raccord courbe polynomiale.

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Résultats

Tr-FOSP comme un thermomètre sous l’eau pour le profilage des thermoclines océan
Recherche océanographique récente a démontré que le flou de l’imagerie sous-marine découle non seulement de turbidité dans les eaux contaminées, mais aussi de microstructures de température en propre océan17,18. Ce dernier effet a fait l’objet de nombreux océanographes, visant à trouver un moyen efficace pour corriger les images fl...

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Discussion

Le choix de la taille (longueur et diamètre) du silicium FPI se fait sur le compromis entre les exigences sur la résolution et la vitesse. En général, une taille plus petite offre une vitesse plus élevée, mais réduit également la résolution2. Une courte longueur est avantageuse pour l’obtention d’une vitesse plus élevée, mais il n’est pas supérieur pour obtenir une haute résolution en raison de la FWHM élargi des entailles de la réflexion. À l’aide de revêtements HR pour réduire la FWHM peut aider...

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Déclarations de divulgation

Un brevet américain (no 9995628 B1) a été publié pour protéger les technologies connexes.

Remerciements

Ce travail a été soutenu par l’US Naval Research Laboratory (Nos. N0017315P0376, N0017315P3755) ; U.S. Office of Naval Research (Nos. N000141410139, N000141410456) ; US Department of Energy (Nos. DE-SC0018273, DE-AC02-09CH11466, DE-AC05-00OR22725).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
200 Proof Pure EthanolKoptecV1001
5 Canaux Duplex CWDMFiber Store5MDD-ABS-FSCWDM
Butterfly Laser Diode MountsTholabsLM14S2
CastAway CTDYellow Springs Instrument
CTDSeabirdSBE 19plus
CourantomètreNortekDispositif
National InstrumentsNIUSB4366
Oscilloscope numériqueRIGOLDS1204B200 MHz 2 GSa/s
Diode laserThorlabsLM9LPLongueur d’onde : 632 nm
Kit de terminaison BNC fixeThorlabsFTK01
Générateur de forme d’onde de fonctionRIGOLDG4162160 MHz 500 GSa/s
Coupe-capsule de haute précisionFujikuraCT-32
Revêtement diélectrique haute réflexionRevêtement évaporé INC (ECI)Les matériaux et la structure du revêtement sont inconnus
Spectromètre I-MON 512Ibsen PhtonicsP/N : 1257110
InGaAs Détecteur biaiséTholabsDET01CFCsortie FC/PC:0-10V ; Quantité : 2
diode laserQphotonicQFLD-405-20SLongueur d’onde : 405 nm
Contrôleur de courant de diode laserTholabsLDC 210C1 A et 100 mA  ;
Régulateur de température à diode laserTholabsTEC 200CQuantité : 2
Gants d’examenen latex HCS
Micro SlidesCorning Incorporated
Narrow linewidth DFB Laser EblanaEP1550-NLW-B06-100FMLongueur d’onde : 1550 nm
Épissure de fusion de fibre optiqueSumitomo electric industries, LTD3822-2
Microscope optique et moniteurIkegami Tsushinki CompanyPM-127
Analyseur de spectre optiqueYokogawaAQ6370Cgamme de longueurs d’onde : 600-1700 nm
Machine polonaiseULTRA TEC41076
Iris post-montablesThorlabsQuantité : 2
Pompe LaserGooch et Housego0400-0974-SMLongueur d’onde : 980 nm
Photodétecteur amplifié SiThorlabs PDA36ALongueur d’onde : 350-1100 nm
Plaquette de siliciumÉpaisseur de la plaquettede l’université : 10 & micro ; m, 200 et micro ; m, 75 et micro ; m, 40 et micro ; m
Fibre monomode  ;CorningSMF-28
Monomode Fusible  ; Coupleur de fibreThorlabs Longueur d’onde: 1550 nm
SM 125 interogratorMicron Optics
Pompe d’aquarium submersibleSonglongSL-403
Superluminscent LEDDenselight SemiconductorsDL-BP1-1501AGamme de longueurs d’onde : 1510-1590 nm
Pompe à seringueCole Parmer74905-02
Voyage Étape de traductionThorlabsLT1
Colle à séchage UVTechnologie époxyPB109077
UVGL-15 Compact UV LmapUVPP/N :95-0017-09254/365 nm
Atténuateurs optiques variablesTholabsM-VA/00016951 P/N : VOA50-APC
d’acquisition de données vectorielles de silicium

Références

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