방법 논문

높은 해상도와 빠른 응답 실리콘 밀고 광 감지 플랫폼

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⸱

DOI:

10.3791/59026

⸱

2019년 1월 7일

 ,  ,  ,  , 
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

이 논문에서

요약

이 작품 보고는 혁신적인 실리콘 밀고 광 감지 플랫폼 (Si-FOSP) 고해상도 및 빠른 응답의 다양 한 온도, 흐름, 방사선 등의 물리적 매개 변수 측정 합니다. 이 시 FOSP의 융해 에너지 연구 해양 연구, 기계 산업에서에서 스팬.

초록

이 문서에서는, 우리는 혁신적이 고 실제적으로 유망 광 감지 플랫폼 (FOSP)을 우리가 제안 하 고 최근 시연 소개 합니다. 이 FOSP 라고 시 FOSP이이 작품에서 섬유 끝에 연결 된 실리콘 Fabry-페로 간섭계 (FPI)에 의존 합니다. Si-FOSP 실리콘 구멍의 광학 경로 길이 (OPL)에 의해 결정 하는 interferogram를 생성 합니다. Measurand에서 OPL 변경 하 고 따라서 교대는 interferogram. 실리콘 재료의 독특한 광학 및 열 특성, 때문이 시-FOSP 및 속도 유리한 성능을 전시 한다. 또한, 성숙한 실리콘 제조 업계는 우수한 재현성 및 실용적인 응용 프로그램으로 저렴 한 비용으로 Si-FOSP endows. 특정 응용 프로그램에 따라 중 낮은 기교 또는 높은 기교 버전 이용 될 것입니다, 그리고 두 개의 서로 다른 데이터 복조 방법 따라 채택 될 것입니다. Si-FOSP의 두 버전을 날조를 위한 상세한 프로토콜 제공 됩니다. 3 대표적인 응용 프로그램 및 그들의 일치 결과 표시 됩니다. 첫 번째 바다 thermoclines 프로 파일링에 대 한 프로토 타입 수 중 온도계, 두 번째는 바다, 흐름 속도 측정 하는 유량 이며, 마지막 하나는 자석에서 배기 방사선 모니터링에 사용 되는 대런 국한 고온 플라즈마입니다.

서론

광섬유 센서 (FOSs) 작은 크기, 그것의 저가, 그것의 가벼운 무게와 전자기 간섭 (EMI)1의 면역 등의 독특한 특성으로 인해 많은 연구자에 대 한 초점 되었습니다. 이러한 FOSs 환경 모니터링, 바다 감시, 석유 탐사, 그리고 다른 사람의 사이에서 산업 공정 등 많은 분야에서 다양 한 응용 프로그램을 발견 했다. 온도 관련 감지에 오면, 전통적인 FOSs 해상도와 분 및 빠른 온도 변화 측정 바람직한 경우 속도 뛰어난있지 않습니다. 이러한 한계는 많은 전통적인 FOSs 기반으로 융합 된 실리 카 재료의 광학 및 열 특성에서 줄기. 한 손으로, 열 광학 계수 (TOC)와 실리 카의 열 확장 계수 (TEC)는 1.28x10-5 RIU / ° C 및 5.5x10-7 m/(m·°C), 각각; 이러한 값은 1550 nm의 파장 주위만 약 13 오후 / ° C의 온도 감도 이어질. 다른 한편으로, 열 확산 율, 온도의 속도의 측정 인 열 에너지 교환에 대 한 응답에서 변경, 단지 1.4x10-6 m2/s 실리 카;에 대 한 이 값은 실리 카 기반 FOSs의 속도 향상을 위한 우수.

섬유 광학 감지 플랫폼 (FOSP)이이 문서에서 보고 나누기 융합 된 실리 카 기반 FOSs의 위의 한계. 새로운 FOSP 소재, 높은-품질 Fabry-페로 간섭계 (FPI) 여기 실리콘 밀고 FOSP (Si-FOSP) 이라고 하는 섬유의 끝에 형성을 감지 키로 결정 실리콘을 사용 합니다. 그림 1 시 FOSP의 핵심은 센서 헤드의 구조 및 작동 원리를 보여 줍니다. FPI, 그 반사 스펙트럼 특징 정기적인 변두리의 시리즈는 실리콘이 센서 헤드에 의하여 기본적으로 이루어져 있다. 파괴적인 방해는 OPL 만족 2nL 때 발생 = Nλ, n과 L는 굴절률 및 실리콘 FP 구멍의 길이와 N은 정수 프린지 노치의 순서입니다. 따라서, 간섭 변두리의 위치는 실리콘 캐비티 OPL에 반응. 특정 응용 프로그램에 따라 실리콘 FPI로 만들어질 수 있다 두 가지 유형: 낮은 기교 FPI 및 높은 기교 FPI. 낮은 기교 FPI는 실리콘 구멍의 양쪽에 대 한 낮은 반사율 높은 기교 FPI는 실리콘 구멍의 양쪽에 대 한 높은 반사율. 실리콘 공기, 실리콘 섬유 인터페이스의 reflectivities는 대략 30%와 18%, 따라서 유일한 실리콘 FPI 그림 1a 에서 본질적으로 낮은 기교 FPI. 양쪽에 얇은 높은 반사율 (HR) 레이어를 입혀서, FPI는 높은 기교 실리콘 형성 (그림 1b). (유 전체 또는 골드) HR 코팅의 반사율 98%로 높은 수 있습니다. 두 가지 유형의 시 FOSP에 대 한 n와 L 증가 온도 증가. 따라서, 프린지 변화를 모니터링 하 여 온도 변화를 추론 수 있습니다. Note 같은 양의 파장 이동에 대 한 높은 기교 FPI 훨씬 좁은 프린지 노치 (그림 1c)로 인해 더 나은 차별 제공. 높은 기교 시-FOSP는 더 나은 해상도, 낮은 기교 시 FOSP 더 큰 동적 범위를 하고있다. 따라서,이 두 버전 간의 선택 특정 응용 프로그램의 요구 사항에 따라 달라 집니다. 또한, 절반 최대 (FWHM) 낮은 기교와 높은 기교 실리콘 FPIs의 전체 폭에 큰 차이로 인해 그들의 신호 복조 방법 다르다. 예를 들어 1.5의 이론적 FWHM nm은 감소에 대 한 50 번만 30 오후 유일한 실리콘 FPI의 양쪽 98 %HR 층으로 코팅 하는 때. 따라서, 낮은 기교 시-FOSP, 대 한 고속 분석기 겠지만 데이터 수집 및 처리, 잘으로 확인할 수 없는 많은 좁은 FWHM 인해 높은 기교 시 FOSP를 복조 하는 데 사용 될는 스캐닝 레이저는 분 광 계입니다. 두 복조 방법 프로토콜에서 설명 될 것 이다.

여기 선택 실리콘 소재는 우수한 해상도 측면에서 온도 감지에 대 한. 비교, 목차와 실리콘의 절반은 1.5x10-4 RIU / ° C 및 2.55x10-6 m/(m∙°C), 각각, 약 84.6 오후 / ° C는 약 6.5 배 이상 모든 실리 카 기반 FOSs2의 온도 감도에 선도.  이 훨씬 높은 감도, 뿐만 아니라 우리는 시연 잡음 레벨을 감소 하 고 따라서 낮은 기교 센서에 대 한 해상도 개선 하는 방법 추적 하는 평균 파장에서 C 2, 6 x 10-4 °의 온도 분해능을 선도 모든 실리 카 기반 포30.2 ° C의 해상도 비교. 해상도 더 1.2x10-4 ° C 높은 기교 버전4에 대 한 개선 되었습니다.  실리콘 물자는 또한 속도 측면에서 감지를 위해 우수한. 비교, 실리콘의 열 확산 율은 8.8x10-5 m2/s, 실리 카2보다 60 배 이상입니다.  (예를 들어, 80 µ m 직경, 200 µ m 두께) 소형 풋프린트와 결합, FOS 되었습니다 실리콘 0.51 ms의 응답 시간2, 마이크로 실리 카 섬유 커플러 팁 온도 센서516 ms에 비해 시연.  비록 일부 연구 작업으로 감지 자료 다른 그룹6,7,,89, 그들의 아무도 의해 보고 되었습니다 매우 얇은 실리콘 필름을 사용 하 여 온도 측정에 관련 해상도 또는 속도 센서의 성능을 있습니다. 예를 들어 0.12 ° C의 해상도와 1의 긴 응답 시간 센서 s 보고 되었다. 7 0.064 ° C의 더 나은 온도 분해능 되었습니다 보고10;  그러나, 속도 상대적으로 부피가 큰 센서 헤드에 의해 제한 됩니다. 무엇이 새로운 제조 방법 및 데이터 처리 알고리즘에 Si FOSP 독특한 거짓말.

온도 감지에 대 한 위의 장점 외에 Si-FOSP 또한 목표로 가스 압력11, 공기 등의 다른 매개 변수를 측정 온도 관련 센서의 다양 한으로 개발 될 수 있다 또는 물 흐름12,13 ,14 , 그리고 방사선4,15.  이 문서는 센서에 대 한 자세한 설명을 제조 및 신호 복조 프로토콜 세 가지 대표적인 응용 프로그램 및 그들의 결과 제공합니다.

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프로토콜

1입니다. 낮은 기교 센서의 제작

  1. 실리콘 기둥을 조작. 독립 실행형 실리콘 기둥 (그림 2a)으로 200 µ m 두께 더블 사이드 광택 (DSP) 실리콘 웨이퍼의 조각을 패턴, 표준 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS) 제조를 사용 하 여 용이 하 게 한다.
    참고: 패턴된 웨이퍼에 감광의 얇은 레이어를 사용 하 여 다른 큰 실리콘 웨이퍼 보 세. 포토 레지스트의 결합 힘 똑바로, 하지만 또한 충분히 약한 나중 단계에 대 한 기판에서 분리 하는 기둥을 충분히 강하다.
  2. 도입 섬유를 준비 합니다. 단일 모드 광섬유의 원심 끝의 플라스틱 코팅 떨어져 스트립. 알코올 담근 렌즈 티슈를 사용 하 여 제거 섹션을 청소. 광 식 칼을 사용 하 여 청소 섬유 다니엘
  3. 쪼개진된 도입 섬유 (그림 2b)의 끝 얼굴에 자외선 경화 접착제의 얇은 층을 적용. 유리 슬라이드에 UV 경화 접착제의 작은 방울을 넣어. 스핀-코팅 하거나 수동으로 유리 슬라이드 스윙 접착제 층을 얇은. 유리 슬라이드에 대 한 도입 섬유의 끝 얼굴을 눌러 섬유 끝에 접착제 레이어를 전송.
  4. 섬유 끝에 실리콘 기둥을 연결 합니다. 실리콘 기둥 중 하나 도입 섬유 정렬, 한편 FPI는 분석기를 사용 하 여 실리콘의 실시간 반사 스펙트럼 모니터링. UV 램프를 사용 하 여 만족 스러운 스펙트럼 (그림 2c) 관찰 하는 경우 접착제를 치료.
    참고: 일반적으로, 치료 과정 10 ~ 15 분 정도 걸립니다.
  5. 센서는 기판에서 분리 합니다. 후에 UV 접착제는 완전히 치료, 실리콘 기둥 (그림 2d) 기판에서 분리 함께 도입 섬유를 들어올려.
    참고: 일부 잔여 감광 제 실리콘 기둥 (그림 2e)의 윗 표면에 남아 있었다. 대부분의 경우, 잔여 감광 센서의 기능 영향을 주지 않습니다. 필요한 경우, 알코올에 의해 감광 레이어를 제거할 수 있습니다.
  6. 조립된 센서 헤드를 검사 합니다. 현미경을 사용 하 여 조작된 센서 헤드의 형상을 검사. 성공적으로 조작 하는 센서의 전형적인 이미지 그림 2 층에서 볼 수 있다.

2입니다. 높은 기교 센서의 제작

  1. 높은 반사 거울으로 실리콘 웨이퍼의 양쪽 코트. 150 nm 두꺼운 금 층으로 스퍼터 링 코팅 기계를 사용 하 여 75 µ m 두께 더블 사이드 광택 실리콘 웨이퍼의 한쪽을 코트와 높은 반사율 (HR) 유 전체 거울 반대편 코트.
    참고: 유 전체 시간 코팅은 외부 회사에 의해 수행 됐다 이 코팅의 반사율 98% 이상 회사에 의해 시험 되었다. 그러나, 상세한 재료와 코팅의 구조는 회사에 의해 독점 보호 기능으로 인해 알려지지 않은 재료의 테이블에 대 한 자세한을 참조 하십시오.
  2. 조명을된 도입 섬유를 준비 합니다. 단일 모드 섬유와 등급 인덱스 멀티 모드 광섬유 (기-MMF)의 짧은 부분을 결합 하 고, 광학 현미경, 아래 왼쪽 (그림 3a 섬유 겨냥 틀을 형성 하는 MMF 내의 빛 궤적의 기간의 분기 기 MMF를 쪼개 다 ).
    참고: GI-MMF 더 나은 가시성과 스펙트럼4,16을 얻을 수 있도록 모드 필드 직경을 확장 하는 데 사용 됩니다. GI-MMF,이이 작품에서 약 250 µ m, 길이 레이 궤적의 기간이 정확 하 게 1/4입니다.
  3. 조각난된 더블 사이드 코팅된 실리콘 도입 섬유에 연결 합니다. 낮은 기교 센서 (1.3-1.5 단계) 날조를 위한 섬유 끝에 실리콘 기둥 연결의 유사한 단계에 따라 높은 기교 센서 조립.
    참고: 유 전체 코팅 사이드 (그림 3b, 3c) 오는 빛에 게 겨냥 틀에 첨부 됩니다. 이 경우에, 이전 실리콘 기둥 패턴화 되지 했다 실리콘 조각으로 대체 됩니다. 미래에 꽃무늬 실리콘 웨이퍼는 센서 더 균일 하 고 쉽게 제작에 대 한 높은 반사 거울으로 코팅 수 것입니다. 1.3-1.5의 제조 단계에 차이 적절 한 시정 반사 스펙트럼 노치 받아야 처음 접착제는 겨냥 틀의 끝 얼굴에 이전 하기 전에.
  4. 섬유 연마 기계를 사용 하 여 원형 모양으로 불규칙 모양의 실리콘 조각 폴란드어.
  5. 조립된 센서 헤드를 검사 합니다. 바람직한 원형 모양 달성 되도록 센서 헤드를 현미경을 사용 하 여 (그림 3).

3. 신호 복조 낮은 기교 시-FOSP에 대 한

참고: 낮은 기교 시 FOSP를 복조에 사용 되는 시스템은 그림 4a에 표시 됩니다. 다음 자세한 단계는 시스템을 설정 하 고 데이터 처리를 수행 도움이.

  1. C-밴드 광대역 소스는 광학 circulator의 1 포트를 연결 합니다.
  2. 포트 2 낮은 기교 센서의 도입 섬유 광학 circulator의 결합
  3. 데이터 저장을 위해 컴퓨터와 통신 하는 고속 분석기를 광학 circulator의 3 포트를 연결 합니다.
  4. 시스템이 제대로 작동 하는지 확인 하는 센서의 스펙트럼을 확인 하십시오. 그림 4b에서 전형적인 스펙트럼을 참조 하십시오.

4. 신호 복조 높은 기교 시-FOSP에 대 한

참고: 시스템 높은 기교 시 FOSP를 복조에 사용 되는 그림 5a에 표시 됩니다. 다음 자세한 단계는 시스템을 설정 하 고 데이터 후 처리를 수행 도움이.

  1. 현재 컨트롤러를 사용 하 여 가변 DFB 레이저를 쓸 어.
    참고: 다른 레이저와 컨트롤러에 대 한 변화, 피크 대 피크 연소 전압 스펙트럼 노치를 커버 하기에 충분 해야 합니다.
  2. 1 광학 circulator의 포트를 가변 레이저의 출력을 연결 합니다.
  3. 포트 2 높은 기교 센서에 광학 circulator의 결합
  4. 포트 3 광 circulator는 매칭 연결.
  5. 데이터 수집 디바이스를 사용 하 여 컴퓨터에 의해 저장 되는 매칭의 출력을 읽을.
  6. 시스템이 제대로 작동 하는지 확인 하는 센서의 스펙트럼을 확인 하십시오. 그림 5b에 표시 된 스펙트럼의 전형적인 프레임을 참조 하십시오. 다항식 곡선 맞춤을 사용 하 여 계곡 위치를 찾아.

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결과

Si-FOSP 바다 thermoclines 프로 파일링에 대 한 수 중 온도계로
최근 해양 조사 수 중 영상의 흐리게 오염 된 물에서 탁도에서 뿐만 아니라 깨끗 한 바다17,18마이크로 구조 온도에서 비롯 된 것을 설명 했다. 후자의 효과 계속 많은 따옴표,19흐린된 이미지 바로 잡기 위해 효과적인 방법을 찾아야을 더 잘 이해 하 고 물에서 또한 개발에 난 기류를 측정의 수단으로 광 통신 개선의 초점에 바다20,21. 온도 센서로 사용 시 FOSP 물 난 기류22의 빠른 온도 변화를 측정 하기 위한 현재 대응을 능가할 수 입증 되었습니다. 이 ...

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토론

실리콘 FPI의 크기 (길이 직경)의 해상도에 요구와 속도 사이의 거래에 따라 이루어집니다. 일반적으로, 더 작은 크기 더 높은 속도 제공 하지만 해상도2감소. 짧은 길이 더 높은 속도 얻기 위해 유리 하지만 그것은 반사 노치의 확장된 FWHM 인해 높은 해상도 얻기 위해 우수한. FWHM 줄이기 위해 HR 코팅을 사용 하 여 해상도 향상 시킬 수 있습니다 하지만 그것은 때문에 신호 복조 레이저 스캔을 사용 하 여 동적 범위를 제한 됩니다. 작은 직경 증가 속도, 하지만 좋은 스펙트럼을 얻을 수 있도록 지름 도입 섬유의 모드 필드 직경 보다 큰 이어야 한다. 그러나 그것은,, 또한 발견 실리콘 직경의 섬유 보다 더 큰 섬유4감소 전도 열 손실로 인해 bolometry에 대 한 감도 향상 시킬 수 있습니다. 따라서, 센서 크기의 선택은 매우 특정 응용 프로그램에 따라 달라 집니다.

비록 우리가 시...

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공개 사항

미국 특허 (No. 9995628 B1) 관련된 기술을 보호 하기 위해 발행 되었습니다.

감사의 글

이 작품은 미국 해군 연구 실험실 (개에 의해 지원 되었다 N0017315P0376, N0017315P3755); 미국 사무실 해군 연구소 (번호. N000141410139, N000141410456); 미국 에너지 부 (번호. DE-SC0018273, 드-AC02-09CH11466, 드-AC05-00OR22725).

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
200 프루프 순수 에탄올KoptecV1001
5 채널 듀플렉스 CWDM파이버 스토어5MDD-ABS-FSCWDM
버터플라이 레이저 다이오드 마운트TholabsLM14S2
CastAway CTD옐로우 스프링 기기
CTD바닷새SBE 19plus
전류 미터Nortek벡터
데이터 수집 장치National InstrumentsNIUSB4366
디지털 오실로스코프RIGOLDS1204B200 MHz 2 GSa/s
다이오드 레이저ThorlabsLM9LP파장: 632 nm
고정 BNC 터미네이터 키트ThorlabsFTK01
기능 파형 생성기 RIGOLDG4162160MHz 500GSa/s
고정밀 절단기FujikuraCT-32
고반사 유전체 코팅증발 코팅 INC(ECI)코팅의 재료 및 구조는 알 수 없음
I-MON 512 분광계Ibsen PhtonicsP/N: 1257110
InGaAs 바이어스 검출기톨랩DET01CFCFC/PC 출력: 0-10V; 수량: 2
레이저 다이오드QphotonicQFLD-405-20S파장: 405 nm
레이저 다이오드 전류 컨트롤러TholabsLDC 210C1 A 및 100 mA 범위 
레이저 다이오드 온도 컨트롤러TholabsTEC 200C수량:
2 라텍스 검사 장갑HCS
마이크로 슬라이드Corning Incorporated
Narrow Linewidth DFB 레이저EblanaEP1550-NLW-B06-100FM파장:1550nm
광섬유 융합 접속기Sumitomo electric industries, LTD3822-2
광학 현미경 및 모니터Ikegami Tsushinki CompanyPM-127
광학 스펙트럼 분석기요코가와AQ6370C파장 범위: 600-1700nm
폴란드어 기계ULTRA TEC41076
포스트 마운트 가능한 IrisesThorlabs수량: 2
펌프 레이저Gooch 및 Housego0400-0974-SM파장 : 980 nm
Si 증폭 광 검출기ThorlabsPDA36A파장 : 350-1100 nm
실리콘 웨이퍼대학 웨이퍼두께 : 10 & 마이크로; m, 200 &마이크로; m, 75 &마이크로; m, 40 &마이크로; m
단일 모드 광섬유 CorningSMF-28
단일 모드 융합  파이버 커플러Thorlabs파장: 1550nm
SM 125 interogrator미크론 광학
잠수정 수족관 펌프SonglongSL-403
초발광 LED고밀도 반도체DL-BP1-1501A파장 범위: 1510-1590nm
주사기 펌프Cole Parmer74905-02
여행 번역 단계ThorlabsLT1
UV 경화형 접착제에폭시 기술PB109077
UVGL-15 소형 UV LmapUVPP/N:95-0017-09254/365 nm
가변 광 감쇠기TholabsM-VA/00016951 P/N: VOA50-APC

참고문헌

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