Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-01-07T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 3 s
Description: 学ぶ、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の製造法。高感度・高速応答の温度・流れ・放射線測定に応用され、海洋学から核融合エネルギー研究まで幅広く活用可能です。

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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)。

1. 低フィネス センサーの試作
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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クトルを監視します。満足のスペクトル観測 (図 2 c) 接着剤を治すためには、UV ランプを使用します。 注: 一般に、硬化プロセスは約 10 〜 15 分かかります。</li>
	<li>基板からセンサーをデタッチします。紫外線後接着剤が完全に硬化、基板 (図 2 d) から切り離されたシリコン柱と共に鉛繊維を持ち上げます。 注: いくつかの残留フォトレジストがシリコン柱 (図 2 e) の上面に残されています。ほとんどの場合、残留フォトレジストは、センサーの機能を影響しません。必要な場合は、アルコールによってフォトレジスト層を削除できます。</li>
	<li>試作したセンサー ヘッドを調べます。顕微鏡を使用して試作したセンサー ヘッドの形状を調べます。試作センサーの典型的なイメージは、図の 2 階に見られます。</li>
</ol>2. 高フィネス センサーの試作
<ol><li>高反射率ミラーによる si ウエハの両側をコートします。150 nm 金層の厚いスパッタ コーティング マシンを使用して 75 μ m 厚ダブル側研磨 si ウェハの片側をコート、高反射 (HR) 誘電体ミラーと反対側のコートします。 注: 誘電体の HR 膜が外部の会社によって行われていたこのコーティングの反射率は会社によって 98% がテストされました。しかし、詳細な材料およびコーティングの構造が会社によって知られている独自の保護のため、詳細については材料の表を参照してください。</li>
	<li>平行鉛繊維を準備します。シングル モード光ファイバーの屈折マルチモード ファイバー (GI MMF) の短いセクションを接続し、光学顕微鏡、光軌道 (図 3 aファイバー コリメータを形成する左の MMF 内の期間の四分の一と GI MMF を切断). メモ: GI MMF は、モード フィールド径を展開し、そのより良い可視性とスペクトルは4,16を得ることができる使用されます。この作業で約 250 μ m である GI MMF の長さは線軌道の期間の丁度 4 分の 1 です。</li>
	<li>鉛繊維に断片化された両面コーティング シリコンを取り付けます。高フィネス センサーを低フィネス センサー (手順 1.3-1.5) を製造するためのファイバー端にシリコン柱を取り付けるのと同様の手順で組み立てます。 注: 誘電体膜側 (図 3 b、3 c) 今後光コリメータに添付されます。この場合、以前の si ピラーがないパターンだったシリコンのフラグメントに置き換えられます。将来的に、センサーがより均一で作製が容易にシリコンのウエハを高反射率ミラーでコーティングされます。1.3 から 1.5 の作製手順の違いは、コリメータの端面に接着剤を移転する前に、適切な可視性の反射スペクトル ノッチ必要がありますまず得られることです。</li>
	<li>光ファイバー研磨機を使用して円形に不規則な形状のシリコン片を磨きます。</li>
	<li>試作したセンサー ヘッドを調べます。顕微鏡を使用して望ましい循環形が達成されていることを確認するセンサー ヘッドを調べます (図 3)。</li>
</ol>3. 信号を復調-巧妙な低 Si FOSP
メモ: 低フィネスの Si FOSP の復調用システムは、図 4 aに示されています。次の詳細な手順については、システムのセットアップし、データの処理を実行を助けます。
<ol><li>光サーキュレータの 1 をポートする C バンド広帯域光源に接続します。</li>
	<li>低フィネス センサーの鉛繊維光サーキュレータの 2 ポートを接続します。</li>
	<li>データ ストレージ用のコンピューターと通信する高速分光器と光サーキュレータのポート 3 に接続します。</li>
	<li>システムは正しく動作していることを確認するセンサーのスペクトルを確認します。図 4 bに示すように典型的なスペクトルを参照してください。</li>
</ol>4. 信号を復調高フィネス Si FOSP
メモ: 高フィネスの Si FOSP の復調に使用されるシステムは、図 5 aに示されています。次の詳細な手順については、システムのセットアップ、データの後処理を行うを助けます。
<ol><li>現在のコント ローラーを使用して波長可変 DFB レーザを掃引します。 注: 異なるレーザーおよびコント ローラーによって異なります、ピーク ・ ツー ・ ピークのスイープ電圧スペクトル ノッチに対して十分なはずです。</li>
	<li>光サーキュレータの 1 をポートする波長可変レーザの出力を接続します。</li>
	<li>高フィネス センサーに光サーキュレータのポート 2 を接続します。</li>
	<li>光検出器に光サーキュレータのポート 3 に接続します。</li>
	<li>データ集録デバイスを使用して、コンピューターに格納されている受光素子の出力を読み取ります。</li>
	<li>システムは正しく動作していることを確認するセンサーのスペクトルを確認します。スペクトルを図 5 bに示すように典型的なフレームを参照してください。多項式曲線近似を使用谷位置を見つけます。</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>
<li>Kajanto, I., Friberg, A. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+silicon-based+fibre-optic+temperature+sensor%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physics+E%3A+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">A silicon-based fibre-optic temperature sensor.</a> Journal of Physics E: Scientific Instruments. 21, 652-656 (1988).</li>
<li>Schultheis, L., Amstutz, H., Kaufmann, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fiber-optic+temperature+sensing+with+ultrathin+silicon+etalons%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Fiber-optic temperature sensing with ultrathin silicon etalons.</a> Optics Letters. 13, 782-784 (1988).</li>
<li>Zhang, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Temperature+characteristics+of+silicon+core+optical+fiber+Fabry-Perot+interferometer%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Temperature characteristics of silicon core optical fiber Fabry-Perot interferometer.</a> Optics Letters. 40, 1362-1365 (2015).</li>
<li>Cocorullo, G., Corte, F. G. D., Iodice, M., Rendina, I., Sarro, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+temperature+all-silicon+micro-sensor+based+on+the+thermo-optic+effect%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Electron+Devices%22%5BJournal%5D)">A temperature all-silicon micro-sensor based on the thermo-optic effect.</a> IEEE Transactions on Electron Devices. 44, 766-774 (1997).</li>
<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>
<li>Reinke, M. L., Han, M., Liu, G., Gv Eden, G., Evenblij, R., Haverdings, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+plasma+bolometers+using+fiber-optic+temperature+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Development of plasma bolometers using fiber-optic temperature sensors.</a> Review of Scientific Instruments. 87, 11E708(2016).</li>
<li>Zhang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fringe+visibility+enhanced+extrinsic+Fabry-Perot+interferometer+using+a+graded+index+fiber+collimator%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Photonics+Journal%22%5BJournal%5D)">Fringe visibility enhanced extrinsic Fabry-Perot interferometer using a graded index fiber collimator.</a> IEEE Photonics Journal. 2, 469-481 (2010).</li>
<li>Hou, W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHou%2C+W+%22Ocean+sensing+and+monitoring%22">Ocean sensing and monitoring</a>. , SPIE Press. (2013).</li>
<li>Hou, W., Woods, S., Jarosz, E., Goode, W., Weidemann, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+turbulence+on+underwater+image+degration+in+natural+environments%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Optical turbulence on underwater image degration in natural environments.</a> Applied Optics. 51, 2678-2686 (2012).</li>
<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>
<li>Nootz, G., Matt, S., Kanaev, A., Judd, K., Hou, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+and+numerical+study+of+underwater+beam+propagation+in+a+Rayleigh-B%C3%A9nard+turbulence+tank%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Experimental and numerical study of underwater beam propagation in a Rayleigh-Bénard turbulence tank.</a> Applied Optics. 56, 6065-6072 (2017).</li>
<li>Matt, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+controlled+laboratory+environment+to+study+EO+signal+degradation+due+to+underwater+turbulence%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+SPIE%22%5BJournal%5D)">A controlled laboratory environment to study EO signal degradation due to underwater turbulence.</a> Proceedings of SPIE. 9459, 94590H(2015).</li>
<li>Han, M., Liu, G., Hou, W. Fiber-optic temperature and flow sensor system and methods. U.S. Patent. , 9995628 B1 (2018).</li>
<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>
<li>Alcator C-Mod. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alcator_C-Mod_Tokamak_Interior.jpg">https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alcator_C-Mod_Tokamak_Interior.jpg</a> (2018).</li>
<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>
<li>Liu, G., Sheng, Q., Dam, D., Hua, J., Hou, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-gauged+fiber-optic+micro-heater+with+an+operation+temperature+above+1000+%C2%B0C%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Self-gauged fiber-optic micro-heater with an operation temperature above 1000 °C.</a> Optics Letters. 42, 1412-1415 (2017).</li>
<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>

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。

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...

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) ここでシリコンの先端 FOSP (Si FOSP) と呼ばれる繊維の端を形作るキーとして結晶シリコンを採用しています。Si FOSP の中核である頭部センサーの回路図と動作原理を図 1に示します。センサー ヘッドは本質的に、シリコン FPI、その反射スペクトル周期縞の一連の機能で構成されます。OPL は 2nL を満たすときに破壊的な干渉が発生します = Nλ、ところ n と L、屈折とシリコン FP 共振器の長さそれぞれ、N はフリンジ切り込みの順序を示す整数。したがって、干渉縞の位置は、シリコン キャビティの OPL に応答します。特定のアプリケーションによってシリコン FPI 作ることができる 2 つのタイプに: 低フィネス FPI し高フィネス。低フィネス FPI いますシリコン キャビティの両端の低反射率高フィネス FPI があるシリコン キャビティの両端の反射率が高い。シリコン-空気およびシリコン光ファイバー インターフェイスの反射率は約 30%、18%、FPI図 1 aに示されている唯一のシリコンが本質的に低フィネス FPI。両端に薄い高反射 (HR) 層をコーティング、FPI は高フィネス シリコン形成 (図 1 b)。HR のコーティング (誘電体または金) の反射率は 98% と高いことができます。Si FOSP の両方の種類の n と L の両方を増やすときに温度が上昇します。したがって、フリンジ シフトを監視することによって温度変化を推定することができます。同じ波長シフト量、高フィネス FPI で狭くフリンジ ノッチ (図 1 c) により良好な識別を与えることに注意してください。高フィネスの Si FOSP はよりよい解決が、-巧妙な低 Si FOSP はより大きいダイナミック レンジを持ってください。したがって、これらの 2 つのバージョン間の選択は、特定のアプリケーションの要件によって異なります。さらに、半値 (半値幅) 低繊細さと高フィネス シリコン FPIs の完全な幅の差が大きい、その信号の復調方式が異なります。1.5 の理論の半値幅などの nm は減の約 50 倍だけ 30 pm FPI の唯一のシリコンの両端を 98 %hr 層で被覆するとき。したがって、低フィネス Si-FOSP の高速分光計で十分だろうデータの収集と処理、高フィネスの Si FOSP によって同様に解決できないくらい狭い値幅のための復調にスキャン レーザーを使用する必要があります、分光器。2 つの復調方式は、プロトコルで説明します。
ここで選択したシリコン素材、温度センシング解像度の面で優れています。比較として、TOC とシリコンのテックは、1.5x10-4リウ/° C、2.55x10-6 m/(m∙°C) それぞれ約 84.6 午後/° C がすべて石英系 FOSs2の約 6.5 倍の温度感度に 。 に加えてこの非常に高い感度を実現した騒音レベルを軽減し低フィネス センサーの解像度を向上させるメソッドを追跡平均波長 C 26 x 10-4 ° の温度分解能に至るすべて石英 FOS3の 0.2 の ° C の解像度との比較。高フィネス バージョン41.2x10-4 ° C に解像度を高めています。 シリコン素材は、センシング速度の面で優れています。比較としてシリコンの熱伝導率は 8.8x10-5 m2/s、シリカ2よりも 60 倍以上高いです。 小さなフット プリント (例えば、200 μ m 厚 80 μ m 径) と組み合わせると、FOS がされているシリコンの 0.51 ミリ秒の応答時間は示した2、マイクロ石英ファイバーのカプラー先端の温度センサー5の 16 ms と比較してです。 いくつかの研究が他グループ6,7,8,9, それらのどれもによってセンシング材料が報告されている非常に薄いシリコン膜を使用して温度測定関係の仕事します。解像度やスピードの面で私たちのセンサーの性能を有しています。0.12 ° C だけの解像度と 1 の長い応答時間とセンサーなどの s が報告されました。7 0.064 の ° C の優れた温度分解能がずっと報告10; ただし、速度は比較的かさばるセンサヘッドによって制限されます。何新しい作製方法とデータ処理アルゴリズムの Si FOSP のユニークな嘘になります。
温度センシングの上記の利点に加えて Si FOSP することができますさまざまなガス圧力11、空気など、さまざまなパラメーターを測定を目指して関連の温度センサーを開発するまたは水の流れ12,13 ,14 、および放射4,15。 この記事は、3 つの代表的なアプリケーションとその結果と一緒に作製と信号の復調プロトコル センサーの詳細な説明を示します。

<table><tbody><tr><td>200プルーフ純粋なエタノール</td><td>Koptec</td><td>V1001</td><td></td></tr><tr><td>5チャンネルデュプレックスCWDM</td><td>ファイバーストア</td><td>5MDD-ABS-FSCWDM</td><td></td></tr><tr><td>バタフライレーザーダイオードマウントTholabs</td><td></td><td>LM14S2</td><td></td></tr><tr><td>CastAway CTD</td><td>イエロースプリングス機器CTD</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>シーバード</td><td>SBE 19plus</td><td></td></tr><tr><td>電流計</td><td>Nortek</td><td>ベクトル</td><td></td></tr><tr><td>データ収集デバイス</td><td>National Instruments</td><td>NIUSB4366</td><td></td></tr><tr><td>デジタルオシロスコープ</td><td>RIGOL</td><td>DS1204B</td><td>200 MHz 2 GSa/s</td></tr><tr><td>Diode Laser</td><td>Thorlabs</td><td>LM9LP</td><td>Wavelength: 632 nm</td></tr><tr><td>Fixed BNC Terminator Kit</td><td>Thorlabs</td><td>FTK01</td><td></td></tr><tr><td>Function Waveform Generator&nbsp;</td><td>RIGOL</td><td>DG4162</td><td>160 MHz 500 GSa/s</td></tr><tr><td>高精度クリーバー</td><td>フジクラ</td><td>CT-32</td><td></td></tr><tr><td>高反射誘電体コーティング</td><td>蒸着コーティング INC (ECI)</td><td></td><td>コーティングの材質・構造は不明</td></tr><tr><td>I-MON 512 分光器</td><td>イプセン フトニクス</td><td>P/N: 1257110</td><td></td></tr><tr><td>InGaAs バイアス検出器</td><td>Tholabs</td><td>DET01CFC</td><td>FC/PC出力:0-10V;数量:2</td></tr>レーザー<tr><td>ダイオード</td><td>Qphotonic</td><td>QFLD-405-20S</td><td>波長:405 nm</td></tr><tr><td>レーザーダイオード電流</td><td>コントローラーTholabs</td><td>LDC 210C</td><td>1 Aおよび100 mA範囲&nbsp;</td></tr><tr><td>レーザーダイオード温度調節器</td><td>Tholabs</td><td>TEC 200C</td><td>数量:</td></tr><tr><td>ラテックス検査用手袋</td>2個 <td>HCS</td><td></td><td></td></tr><tr><td>マイクロスライド</td><td>コーニング社製</td><td></td><td></td></tr><tr><td>狭線幅DFBレーザー</td><td>エブラナ</td><td>EP1550-NLW-B06-100FM</td><td>波長:1550nm</td></tr><tr><td>光ファイバー融着接続機</td><td>住友電気工業株式会社</td><td>3822-2</td><td></td></tr><tr><td>光学顕微鏡とモニター</td><td>池上通信機株式会社</td><td>PM-127</td><td></td></tr><tr><td>光学スペクトラムアナライザー</td><td>横河</td>電<td>AQ6370C</td><td>波長範囲:600-1700 nm</td></tr><tr><td>ポーランド語機</td><td>ULTRA TEC</td><td>41076</td><td></td></tr><tr><td>ポストマウント可能な菖蒲</td><td>Thorlabs</td><td></td><td>数量:2</td></tr><tr><td>ポンプ レーザー</td><td>グーチとハウスゴー</td><td>0400-0974-SM</td><td>波長:980 nm</td></tr><tr><td>Si増幅光検出器</td><td>Thorlabs</td><td>PDA36A</td><td>波長:350-1100 nm</td></tr><tr><td>シリコンウェーハ</td><td>大学ウェーハ</td><td></td><td>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</td></tr><tr><td>シングルモードファイバー&nbsp;</td><td>コーニング</td><td>SMF-28</td><td></td></tr><tr><td>シングルモード融合&nbsp;ファイバーカプラー</td><td>Thorlabs</td><td></td><td>波長:1550 nm</td></tr><tr><td>SM 125 インターオグラレーター</td><td>Micron Optics</td><td></td><td></td></tr><tr><td>水中水族館ポンプ</td><td>Songlong</td><td>SL-403</td><td></td></tr><tr><td>超発光LED</td><td>高密度光半導体</td><td>DL-BP1-1501A</td><td>波長範囲:1510-1590 nm</td></tr><tr><td>シリンジポンプ</td><td>コールパーマー</td><td>74905-02</td><td></td></tr><tr><td>トラベル翻訳ステージ</td><td>Thorlabs</td><td>LT1</td><td></td></tr><tr><td>UV硬化型接着剤</td><td>エポキシ技術</td><td>PB109077</td><td></td></tr><tr><td>UVGL-15コンパクトUV Lmap</td><td>UVP P</td><td>/ N:95-0017-09</td><td>254/365nm</td></tr><tr><td>可変光学減衰器</td><td>Tholabs</td><td>M-VA / 00016951 P / N:VOA50-APC</td><td></td></tr></tbody></table>

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

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

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。

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 ...

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。

In this article, we introduce an innovative and practically promising fiber-optic sensing platform (FOSP) that we proposed and demonstrated recently. This ...

この方法は革新的で、適応可能な光ファイバーのセンサーのプラットホームを作り出す。プラットフォームの開発は、もともと海水の乱気流特性のための水中温度計を作成するためにデイグーンによって駆動されました。このプラットフォームの利点は、高感度、高速応答および小サイズ、および十分に確立されたMEMS製造技術の使用による優れた製造性が含まれます。乱流の特性評価のための温度測定、液体および気体の流量測定、およびいくつかの融合中の高温プラズマからの放射など、多くの温度関連測定に使用できます。分光計でベンチのセンサーを製造します。最初のステップは、シリコンウェーハ上にシリコンピラーを製造することです。このウエハーはセンサーで使用するために準備ができている独立した柱を備えている。柱の概要は、この回路図にあります。それらは標準的なマイクロ電気機械システムの製造方法を使用して、厚さ200マイクロメートル、両面研磨されたシリコンウエハからパターン化されています。フォトレジストは、各柱と基板の上にあります。光ファイバのプラスチックコーティングを剥ぎ取ってリードインファイバーを準備します。アルコールに浸したレンズ組織を使用して、剥がされた部分をきれいにします。洗浄したファイバーを光ファイバの包丁に持っていって切断します。次に、UV硬化性接着剤とガラススライドを取得します。ガラススライドにUV硬化性接着剤の少しドロップを入れてください。次に、スライドを手動でスイングまたはスピンコートして接着剤を分配します。接着剤は、表面上の薄い層になります。切断されたリードインファイバーを取得し、接着剤を転送するためにスライドに対してその端の顔を押します。反射スペクトルを監視するために、ファイバの反対側の端をセンサーの尋問者に取り付けます。その後、シリコンピラーと繊維の切断端で作業します。水平面内を移動する変換ステージ上の柱を持つウエハースを持っています。繊維を垂直に移動する線形の段階に固定します。リアルタイムの反射スペクトルをフィードバックとして使用しながら、ファイバーを柱の1つに合わせてステージを調整します。この反射スペクトルは、アライメントが満足であることを示唆する一例である。繊維をピラーに接触させ、それらを取り付けます。柱と繊維が取り付けられると、UVランプの下で結合を治します。硬化が完了したら、垂直変換段階で繊維を持ち上げて、それを取り外し、シリコンピラーを基板から取り外します。センサーヘッドを顕微鏡で検査し、その形状を調べます。これは、正常に製造された典型的なセンサーです。材料を収集して、高品数センサーを製造します。これには、両面研磨されたシリコンウエハーの破片が含まれ、片側にスパッタリングされた金層が黄色と見なされます。反対側は高反射率、誘電ミラーコーティングを有し、青色と見なされる。次に、単一モード繊維を用いて等級インデックスマルチモードファイバの短い部分をスプライスすることにより、コリメートされたリードを繊維で調製する。マルチモードファイバを切断します。この回路図に示すように、等級指数マルチモード繊維を光軌道の周期の4分の1に切断して繊維コリメータを形成する。さて、ガラススライド上に、UV硬化性接着剤の小さな滴を置きます。スライドを手動でスイングまたはスピンコーティングして接着剤を薄くした後、グレーディングインデックスのマルチモードファイバーエンドをスライドに押し付けて接着剤を転送します。反射スペクトルを監視するために、ファイバのもう一方の端をセンサーの尋問者に接続します。次に、水平変換ステージ上にウェハの断片を配置する。誘電体側を上向きにします。作製したファイバーを縦方向の変換段階に入れ、フラグメントに向かって移動して2つの部分を取り付けます。低フィネスファブリックペア赤外線マージセンサとの比較、高フィネスセンサの製造は、シリコン素子を有する主要繊維の光学配向として最も厳しい要件を有する。繊維と付属のウェハフラグメントをUVランプの下に置いて治します。これは、次の手順に進む準備が整った後のアセンブリの例です。先に進む前に、断片を円盤状に研磨します。センサーヘッドを顕微鏡で調べ、所望の形状を確認します。復調システムに完成した低繊度装置を組み込みます。システムは簡単に進み、少数の要素しか必要としなくてはないです。分光計とコンピュータ。これは、回路図形式の設定です。光ファイバを介して、出力と、広帯域ソースがあります。光サーキュレータのポートに光ファイバーが入ります。また、サーキュレータのポート2から光ファイバを、リードインファイバにスプライシングし、低フィネスセンサを形成する。サーキュレータのポート3を高速分光器に接続します。データストレージ用の分光計に接続されたコンピュータを使用します。センサーのスペクトルを確認して、システムが正しく動作することを確認します。このスペクトルは典型的です。高いフィネスセンサーで復調システムを準備します。セットアップは、低い罰金復調システムよりもわずかに複雑です。それでも、セットアップには、まだ少数の要素しか含みかからない。現在のコントローラに接続された分散フィードバックレーザーを使用します。光サーキュレーターのポート1に光ファイバーを介してレーザー出力を接続サーキュレータのポート2からのファイバは、高いフィネスセンサーにスプライスされます。光サーキュレータのポート3を光検出器に接続します。光検出器からのデータは、データ取得装置に、そしてコンピュータに行く。センサーのスペクトルを確認し、システムが正常に動作することを確認し、典型的なスペクトルを生成します。オープンウォーターのサーモクリンを測定するように設計された低いフィネスシステムセンサーは、フィールドテストデータを青色で収集しました。赤と黒の曲線は、現在市場で入手可能な参照機器で行われた測定値です。データを詳しく見ると、低いフィネスセンサーシステムがより詳細に提供されることを示唆しています。データは赤で、水タンクに位置するフローセンサーとして、低いフィネスセンサセットアップからである。データは黒色で、基準商用流動センサからである。両者は一般的に同意する。しかし、水が穏やかである場合、低フィネスセンサーははるかに明確な応答を示します。高いフィネスセンサーは、プラズマ中の光子放出を測定するための堅牢な高解像度ボロメーターとして有望です。これらの結果は、抵抗ボロメーターと高いフィネスセンサーを比較します。ベース UV 接着剤で作られたセンサーは、高温でのエポキシの安定性が低下するため、摂氏 100 度を超えるアプリケーションを対象とはしていません。一流の繊維と酸性im-pe-derを融合スプライシングと取り付けると、温度を約1,000°Cに上げるセンサープラットフォームにつながる可能性があり、高温環境での他のエキサイティングなアプリケーションを可能にします。高温アプリケーションの例としては、マクロヒーター、赤外線エミッタ、発電所での温度監視(インチ)などがあります。UVランプとレーザーを使用している間、あなたの肌と目を保護するためにラボコートとレーザー安全ゴーグルを着用していることを確認してください。

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工学

彼らはネイティブの微小環境での進化として、多くの生物学的および臨床的状況では、細胞プロセスを研究するのが有利である。ここでは、細胞培養、動物実験、および患者の臨床試験ではリアルタイムイメージングを提供できる低コストの光ファイバ顕微鏡の組み立てと使用方法を説明します。...

高分解能光ファイバMicroendoscopy用その場で細胞イメージング

バイオセンサーは、複雑な生物学的環境とのインタフェースと表面改質を介してセンサに接続されている高度に特異的なプローブと高感度センサーを組み合わせることにより、ターゲットの検出を実行します。ここでは、センサと生物学的環境を埋めるためにシランカップリング剤を使用して、ビオチンを有するシリカ光センサーの表面官能基を示しています。...

シランカップリング剤を用いた石英系光バイオセンサーへの生物学的プローブの取り付け

それは多くの場合、安定した環境条件を必要とするため、超音波の光学的検出は、多くの画像化シナリオでは非現実的である。私たちは、制限的なシナリオでの光音響イメージングのための適切な小型化と感度レベルを持つ揮発性環境における超音波の検知のための光学技術、 例えば 、血管内のアプリケーションを示しています。...

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Nanodetectionのリファレンス干渉計の実装

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マイクロトロイドの光共振器を用いたラベルフリー単一分子検出

我々は、空気ジェットを混合する温度場をマッピングするためのセンサを分散光ファイバの使用を示します。レイリー散乱に基づくセンサは、熱電対のような従来のセンサと達成できない例外的な空間分解能を提供するために、単一のファイバに沿ってデータポイントの数千を生成します。...

高分解能温度フィールドマッピングのための光ファイバの分散センサ

表在性の組織画像データとヘモグロビン濃度、メラニン濃度、酸素飽和度などの組織生理学的パラメータを同時登録できるマルチモーダルマイクロ内視鏡の組み立てと使用について説明しています。この手法は、組織の構造と灌流の評価に役立ち、研究者の個々のニーズに合わせて最適化できます。...

マルチモーダルイメージングおよび非侵襲のための分光繊維束Microendoscopyプラットフォーム、<em&gt;インビボ</em&gt;組織分析

シリコンフォトニックチップは、複雑な集積量子系を実現する可能性を秘めています。ここで提示され、量子測定用シリコンフォトニクスチップを調製し、試験するための方法です。...

シリコンリング共振器光子源における量子干渉の測定

2つのパッケージ繊維ブラッググレーティング検出器と磁気スケールを組み合わせた、フルレンジ線形変位センサを作成するプロトコルを提示します。...

磁気スケールと2つのファイバーブラッググレーティングを組み合わせたランダム変位測定

ここでは、光相取アレイを含むSiN集積フォトニック回路の動作について述べます。回路は、近赤外線で低発散レーザービームを放出し、それらを2次元で操縦するために使用されます。...

ウェーハスケール試験場におけるSiN統合光フェーズドアレイの特性評価

ここでは、熱調整法を用いて、バタフライパッケージマイクロリング共振器でソリトン結晶を生成するプロトコルを紹介する。また、単一の空孔を有するソリトン結晶の繰り返し速度変動は、遅延したセルフヘテロダイン法を用いて測定される。...

マイクロレゾナレーターにおけるソリトン結晶の迅速反復率変動測定

学ぶ、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の製造法。高感度・高速応答の温度・流れ・放射線測定に応用され、海洋学から核融合エネルギー研究まで幅広く活用可能です。

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

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