Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

פלטפורמה משופעת סיליקון סיבים אופטיים חישה עם רזולוציה גבוהה ותגובה מהירה

Published: January 7, 2019 doi: 10.3791/59026
Automatic Translation
*1, *1, 2, 3, 1,4
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

Summary

עבודה זו מדווחת חדשני משופעת סיליקון סיבים אופטיים חישה פלטפורמה (סי-FOSP) למדידה ברזולוציה גבוהה ותגובה מהירה של מגוון פרמטרים פיזיים, כגון טמפרטורה, זרימה, קרינה. יישומים של סי-FOSP הזה span של מחקר אוקיאנוגרפי, תעשיית מכני, מחקר האנרגיה פיוז'ן.

Abstract

במאמר זה, נסקור חדשני ומבטיח כמעט סיבים אופטיים חישה פלטפורמה (FOSP) אנו הציע, הפגין לאחרונה. FOSP הזה מסתמך על interferometer סיליקון פאברי-פרו (FPI) המצורפת לקצה סיבים, המכונה סי-FOSP בעבודה זו. סי-FOSP יוצר interferogram נקבע לפי אורך אופטי (OPL) של חלל סיליקון. Measurand הפיצולים OPL את, ובכך משמרות את interferogram. עקב אופטית ותרמית תכונותיו הייחודיות של חומר הסיליקון, זה סי-FOSP תערוכות הופעה יתרון מבחינת רגישות ומהירות. יתר על כן, תעשיית ייצור סיליקון בוגרת מעניק את סי-FOSP עם הפארמצבטית מעולה ועלות נמוכה כלפי יישומים מעשיים. בהתאם יישומים ספציפיים, או גירסה עדינות נמוכה או גבוהה-עידון ב'טבלת ולאחר שתי שיטות לבינארי נתונים שונים יאומצו בהתאם. פרוטוקולים מפורט עבור בדיית שתי הגירסאות של סי-FOSP יינתן. שלושה יישומים נציג ותוצאותיהם עפ י יוצגו. הראשון הוא אב-טיפוס במד תת מימי עבור פרופיל thermoclines את האוקיינוס, והשני הוא מד זרימה כדי למדוד את מהירות הזרימה באוקיינוס, האחרונה היא של bolometer המשמש לניטור קרינה פליטה של דיסקות מוגבל פלזמה בטמפרטורות גבוהות.

Introduction

סיבים אופטיים (FOSs) החיישנים ההתמקדות עבור חוקרים רבים בשל תכונותיו ייחודי, כגון גודלו הקטן, העלות הנמוכה, משקל קל שלה את חסינותו הפרעה אלקטרומגנטית (EMI)1. פוס אלה מצאו יישומים רחב בתחומים רבים כגון ניטור סביבתי, מעקב האוקיינוס, חיפושי נפט, תהליך תעשייתי בין היתר. כשמדובר חישת הטמפרטורה הקשורים, פוס המסורתיים אינם מעולה מבחינת רזולוציה ומהירות עבור המקרים שבו רצוי מדידה של דקה ווריאציות טמפרטורה מהר. מגבלות אלה נובעים המאפיינים אופטי ו התרמית של החומר fused סיליקה שעליו מבוססים פוס מסורתיים רבים. מצד אחד, מקדם התרמו-אופטיים (TOC) ואת מקדם הרחבה תרמי (TEC) של סיליקה הם 1.28x10-5 RIU / ° C ו- 5.5x10-7 m/(m·°C), בהתאמה; ערכים אלה להוביל רגישות לטמפרטורה של רק כ-13 pm / ° C סביב אורך הגל של 1550 ננומטר. מצד שני, diffusivity תרמית, אשר מודד המהירות של טמפרטורת שינוי בתגובה ל- exchange אנרגיה תרמית, הוא רק 1.4x10-6 מ'2/s עבור סיליקה; ערך זה הוא לא מעולה לשיפור המהירות של פוס מבוסס-סיליקה.

פלטפורמת חישה של סיבים אופטיים (FOSP) דיווחו במאמר זה מנתק את המגבלות הנ של פוס מבוסס-fused סיליקה. FOSP החדש מנצל סיליקון גבישי כמפתח חישה חומר, המהווה interferometer פברי-פרו באיכות גבוהה (FPI) בקצה של הסיבים, המכונים כאן FOSP שקצהו צורן (Si-FOSP). איור 1 מציג את העיקרון סכמטית והתפעולית של הראש חיישן, המהווה ליבת סי-FOSP. בראש חיישן מורכב בעיקרו סיליקון FPI, ספקטרום השתקפות אשר כוללת סדרת בשולי תקופתיים. התאבכות הורסת מתרחשת כאשר OPL עונה 2nL = Nλ, כאשר n ו- L הם מקדם שבירה של אורך של חלל סיליקון FP, בהתאמה ו- N הוא מספר שלם זה מסדר הציצית החריץ. לכן, עמדות בשולי התאבכות הם מגיבים OPL של חלל סיליקון. בהתאם יישומים ספציפיים, הסיליקון FPI יכול להתבצע לשני סוגים: נמוך-עידון FPI ו- FPI גבוהה-עידון. FPI נמוך-עדינות יש של השתקפות נמוכה בשני הקצוות של חלל סיליקון, ואילו FPI גבוהה-עידון של השתקפות גבוהה בשני הקצוות של חלל סיליקון. Reflectivities של הממשקים סיליקון-אייר ו סיבי סיליקון הם בערך 30% ו-18%, ובכך סיליקון הבלעדית FPI המוצגת איור 1a היא בעיקרו של דבר FPI נמוך-עידון. על ידי ציפוי שכבה גבוהה רזה-השתקפות (HR) בשני הקצוות, סיליקון גבוהה-עידון ש-FPI הוא הקים (איור 1b). השתקפות של ציפוי HR (דיאלקטרי או זהב) יכול להיות גבוה ככל 98%. עבור שני הסוגים של סי-FOSP, n ו- L להגדיל כאשר הטמפרטורה עולה. לפיכך, על ידי ניטור משמרת פרינג, וריאציית טמפרטורה ניתן להסיק. שימו לב כי עבור אותה כמות של אורך גל shift, נותן FPI גבוהה-עידון של אפליה יותר עקב החריץ פרינג בהרבה (איור 1 c). בעוד גבוהה-עידון סי-FOSP בעל רזולוציה טובה יותר, נמוך-עידון סי-FOSP יש טווח דינמי גדול יותר. לכן, הבחירה בין שתי גירסאות אלו תלוי בדרישות של יישום מסוים. יתר על כן, לאור ההבדל גדול מלא רוחב חצי מקסימום (FWHM) של סיליקון נמוך-עדינות ועידון גבוהים FPIs, את השיטות לבינארי האות שלהם הם שונים. לדוגמה, FWHM התיאורטית של 1.5 ננומטר הוא מופחת על ידי על פי 50 רק 30 pm כאשר בשני הקצוות של סיליקון הבלעדית FPI הם מצופים בשכבה HR 98%. לכן, עבור Si נמוך-עידון-FOSP, ספקטרומטר במהירות גבוהה היה מספיק עבור איסוף נתונים ועיבוד, בזמן סריקת לייזר צריך להתרגל demodulate סי גבוה-עידון-FOSP בשל FWHM בהרבה שאינם ניתנים לזיהוי על-ידי ספקטרומטר. שתי השיטות לבינארי יוסברו בפרוטוקול.

חומר הסיליקון שנבחרו כאן עדיפה על הטמפרטורה חישה מבחינת רזולוציה. לשם השוואה, תוכן העניינים ואת TEC של סיליקון הם 1.5x10-4 RIU / ° C 2.55x10-6 m/(m∙°C), בהתאמה, שמוביל רגישות לטמפרטורה של בסביבות 84.6 pm / ° C אשר הוא בערך פי 6.5 גבוה מזה של כל מבוסס-סיליקה פוס2.  בנוסף זה רגישות גבוהה יותר, הראו גל ממוצע של שיטת כדי להפחית את רמת הרעש וכך לשפר את הרזולוציה עבור חיישן נמוך-עדינות, מעקב שמוביל רזולוציה בטמפרטורה של 6 x 10-4 ° C 2, ב השוואה עד הרזולוציה של 0.2 ° C פוס הכל מבוסס על סיליקה3. הרזולוציה חל שיפור נוסף להיות 1.2x10-4 ° C עבור גבוה-עידון גירסה4.  החומר סיליקון עדיפה גם עבור חישה מבחינת מהירות. לשם השוואה, diffusivity תרמית של סיליקון הוא 8.8x10-5 מ'2/s, שהוא יותר מ-60 פעמים גבוה מזה של סיליקה2.  בשילוב עם שטח רצפה קטן (למשל, קוטר 80 מיקרומטר, 200 עובי מיקרומטר), זמן התגובה של 0.51 ms עבור סיליקון שפוס היה הפגינו2, לעומת 16 ms של חיישן5טמפרטורה עצה מצמד מיקרו-סיליקה-סיבים.  למרות כמה מחקר עבודה הקשורים מדידת טמפרטורה באמצעות סרט סיליקון דק מאוד כמו החומר חישה דווחה על-ידי אחרים קבוצות6,7,8,9, אף אחד מהם בעל הביצועים של החיישנים שלנו מבחינת רזולוציה או מהירות. לדוגמה, החיישן עם רזולוציה של רק 0.12 ° C, זמן תגובה ארוך 1 s דווח. 7 שרזולוציה טמפרטורה טוב יותר של 0.064 ° C כבר דיווחו10;  עם זאת, המהירות מוגבל על ידי ראש חיישן מגושם יחסית. מה שהופך את השקרים ייחודי של סי-FOSP שיטה חדשה פבריקציה נוספת, אלגוריתם עיבוד נתונים.

מלבד היתרונות הנ עבור הטמפרטורה חישה, Si-FOSP יכולים גם להתפתח במגוון רחב של חיישנים הקשורות טמפרטורה מכוון מדידת פרמטרים שונים, כגון לחץ גז11, אוויר או מים זורמים12,13 ,14 וקרינה4,15.  מאמר זה מציג תיאור מפורט של החיישן פרוטוקולים לבינארי ייצור ושידור יחד עם שלושה יישומים נציג ותוצאותיהם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. ייצור נמוכה-עידון חיישנים

  1. לפברק התווך סיליקון. דפוס חתיכה של 200-מיקרומטר-עבה כפול-צד-מלוטש (DSP) סיליקון וופל לתוך עמודי סיליקון עצמאי (איור 2 א), באמצעות מערכת מיקרו-אלקטרו-מכניים רגילים (MEMS) ייצור מקלה.
    הערה: כשהפחד בדוגמת מודבקת על פרוסת סיליקון אחר סיליקון גדולים באמצעות שכבה דקה של photoresist. מליטה בכוח photoresist היא חזקה מספיק כדי להחזיק את העמודים זקוף, אבל גם חלש מספיק כדי לנתק מן המצע עבור שלבי מאוחר יותר.
  2. הכנת סיבים המוביל. מוריד את ציפוי פלסטיק של סוף דיסטלי של סיבים אופטיים במצב יחיד. לנקות את המקטע הפשיטו בעזרת טישו עדשה טבול באלכוהול. קליב סיבים נקי בעזרת קליבר של סיבים אופטיים.
  3. למרוח שכבה דקה של דבק UV-לריפוי על פני הקצה של סיבי המוביל cleaved (איור 2b). לשים טיפה קטנה של דבק UV-לריפוי על פיסת זכוכית. דק את שכבת דבק על ידי ציפוי ספין או באופן ידני מתנדנד השקופית זכוכית. להעביר את שכבת דבק עד הסוף סיבים על ידי לחיצה על פני הקצה של סיבי המוביל נגד השקופית זכוכית.
  4. צרף עמוד סיליקון עד הסוף סיבים. יישר את סיב מוביל עם אחד מעמודי התווך סיליקון, בינתיים לנטר את הספקטרום השתקפות בזמן אמת של סיליקון FPI באמצעות ספקטרומטר. השתמש מנורת UV כדי לרפא את הדבק כאשר קשת משביע רצון נצפית (איור 2 c).
    הערה: באופן כללי, תהליך הייבוש לוקח בסביבות 10-15 דקות.
  5. ניתוק החיישן של המצע. לאחר UV דבק נרפאה לחלוטין, תרים את סיב מוביל יחד עם התווך סיליקון מנותקת המצע (איור דו-ממדי).
    הערה: חלק photoresist שיורית הוא נשאר על המשטח העליון של העמוד סיליקון (2e איור). ברוב המקרים, photoresist שיורית אינה משפיעה על תפקידו של החיישן. במידת הצורך, ניתן להסיר את שכבת photoresist באמצעות אלכוהול.
  6. לבחון את הראש חיישן מפוברק. השתמש במיקרוסקופ כדי לבדוק את הגיאומטריה של הראש חיישן מפוברק. תמונה אופיינית של חיישן בהצלחה מפוברק נתפסת ב 2f איור.

2. ייצור של חיישנים גבוהה-עידון

  1. מעיל צידי רקיק סיליקון עם מראות גבוהה-השתקפות. מעיל צד אחד של רקיק סיליקון כפול-צד-מלוטש 75-מיקרומטר-עבה עם 150 nm זהב שכבה עבה בעזרת מכונה ציפוי המלהגים, המעיל בצד השני עם מראה מבודד (HR) גבוהה-השתקפות.
    הערה: ציפוי בית מבודד בוצע על ידי חברת חיצונית; השתקפות של ציפוי זה נבחנה כי לא פחות מ- 98% על ידי החברה. אולם, מפורט חומרים, מבנה של הציפוי אינם ידועים בשל הגנה קניינית על ידי החברה, ראה את הטבלה של חומרים למידע נוסף.
  2. הכנת סיבים המוביל מקבילות. אחוי קטע קצר של סיבים רב במצב מדורגים-index (GI-MMF) עם סיבים במצב יחיד ולאחר מכן, תחת מיקרוסקופ אופטי, קליב GI-MMF עם רבע תקופת המסלול אור בתוך MMF שמאלה כדי ליצור קולימטור סיבים (איור 3 א ).
    הערה: GI-MMF משמש כדי להרחיב את הקוטר שדה מודאלי כך קשת עם ראות טובה ניתן להשיג4,16. אורכו של GI-MMF, המהווה כ-250 מיקרומטר בעבודה זו, הוא בדיוק רבע של התקופה של המסלול ריי.
  3. לצרף מפוצלים דו-צדדי מצופה סיליקון סיבים המוביל. להרכיב בחיישן גבוהה-עידון בעזרת השלבים דומים של הצמדת עמוד סיליקון עד הסוף סיבים עבור בדיית נמוך-עידון חיישנים (שלבים 1.3-1.5).
    הערה: הצד עם הציפוי מבודד תצורף את קולימטור כדי להכניס אור הקרובים (איור 3b, ג 3). במקרה זה, העמוד הקודם סיליקון מוחלף פרגמנט סיליקון, אשר לא היה בדוגמת. בעתיד, כשהפחד סיליקון בדוגמת להיות מצופה המראות גבוהה-השתקפות, כך החיישנים הם אחידים וקלים יותר עבור ייצור. ייצור מדרגות 1.3-1.5 ההבדל כי בדרגה ספקטרה שיקוף ראות נכונה צריכה להתקבל קודם לפני הדבק הועבר הקצה החתוך של קולימטור.
  4. פולנית השבר סיליקון בצורת ומתפשטים לצורה מעגלית באמצעות סיבים ליטוש מכונה.
  5. לבחון את הראש חיישן מפוברק. להשתמש במיקרוסקופ כדי לבחון את הראש חיישן כדי לוודא צורה מעגלית רצוי מושגת (דמות תלת-ממד).

3. האות לבינארי עבור נמוך-עידון סי-FOSP

הערה: המערכת המשמש demodulating נמוך-עידון של סי-FOSP מוצג באיור 4a. השלבים המפורטים להלן לעזור להגדיר את המערכת ולבצע עיבוד נתונים.

  1. חיבור מקור בפס רחב C-band יציאת 1 של סירקולטור אופטי.
  2. אחוי נמל 2 סירקולטור אופטי עם סיבים המוביל של החיישן נמוך-עידון.
  3. להתחבר נמל 3 סירקולטור אופטי ספקטרומטר במהירות גבוהה, אשר מתקשר עם מחשב לאחסון נתונים.
  4. בדוק את הספקטרום של החיישן כדי לוודא שהמערכת פועלת כראוי. ראה את ספקטרום אופייני שמוצג באיור 4b.

4. אות לבינארי עבור גבוה-עידון סי-FOSP

הערה: המערכת המשמש demodulating גבוהה-עידון של סי-FOSP מוצג באיור 5a. השלבים המפורטים להלן לעזור להגדיר את המערכת לעשות עיבוד שלאחר נתונים.

  1. לטאטא לייזר DFB tunable באמצעות בקר הנוכחי.
    הערה: המתח באופן גורף שיא אל שיא, אשר משתנה עבור לייזרים שונים ובקרי, צריך להיות גדול מספיק כדי לכסות את החריץ הספקטרום.
  2. לחבר את הפלט של הלייזר tunable פורט 1 של סירקולטור אופטי.
  3. אחוי נמל 2 סירקולטור אופטי כדי בחיישן גבוהה-עידון.
  4. להתחבר נמל 3 סירקולטור אופטי photodetector.
  5. להשתמש בהתקן רכישת נתונים כדי לקרוא את הפלט של photodetector, אשר מאוחסנים על ידי מחשב.
  6. בדוק את הספקטרום של החיישן כדי לוודא שהמערכת פועלת כראוי. ראה מסגרת טיפוסי של ספקטרום שמוצג באיור 5b. לאתר את המיקום עמק באמצעות התאמה עקומה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

סי-FOSP כמו מדחום מתחת למים עבור פרופיל thermoclines האוקיינוס
מחקר אוקיאנוגרפי האחרונה הוכיחה כי טשטוש הדמיה תת נובעת לא רק מן עכירות במים מזוהמים, אלא גם מן מזערים טמפרטורת הים נקי17,18. ההשפעה השנייה הייתה המוקד של רבים oceanographers, במטרה למצוא דרך יעילה לתיקון תמונות מטושטשות19, כדאי להבין, לשפר תקשורת אופטית במים, כמו גם לפתח אמצעים לכימות מערבולת ב האוקיינוס20,21. סי-FOSP משמש חיישן טמפרטורה הוכח כדי להכות את עמיתו הנוכחי שלה למדידת הווריאציות מהירה בטמפרטורה של המים מערבולת22. ביישום זה, נעשה שימוש החיישן נמוך-עידון באיור איור 1a יחד עם המערכת לבינארי אות ב איור 4a . בהתחשב ביצוע מעולה של החיישן בטמפרטורה סי-FOSP, זה כבר התפתחה עם מכשיר מתחת למים פטנט23 (איור 6a), אשר נועד לאפיין את thermoclines של מים נקיים. סעיף משנה זה מציג את התוצאות של שדה בדיקה (איור 6b) על המאגר קריק פלינט במיסיסיפי, ארצות הברית.

איור 6 ג מראה תרמוקלינה מדודה של המאגר קריק פלינט ב-13 בספטמברth, 2016. העקומה הכחולים הושג על ידי חיישן טמפרטורה סי-FOSP, ואילו עקומות אדום ושחור התקבלו על ידי שניים הפניה CTDs מסחרי (אוקיינוגרפיה כלים למדידת מוליכות, טמפרטורה, עומק של מי-ים). ללא ספק, חיישן טמפרטורה סי-FOSP מסכים עם החיישנים הפניה, אבל עם פרטים נוספים של המבנים טמפרטורה (ראה את שיבוץ של איור 6 c) שאולי ייתן חבורה של מידע נוסף. יותר אינפורמטיבי הנתונים שנאספו על ידי חיישן טמפרטורה סי-FOSP הוא צפוי לפגיעה סניפים רבים של מחקר אוקיאנוגרפי.

סי-FOSP כמו גדולים- דינמי -סנסור זרימה טווח
מדידה של גז או נוזל זורם הוא מרכזי למגזרים השונים אקדמיים ותעשייתיים, אשר עשוי לספק מידע חשוב אוקיינוגרפיה, מזג אוויר, בקרות תהליכים, תחבורה, והמחקר סביבה. תוצאות נציג סי-FOSP עובדת כמו חיישן הזרימה תודגמנה. נמוך-עידון סי-FOSP משמש עבור יישום זה. אולם, מאז חיישן הזרימה זה צריך בראש חישה להיות פעיל מחומם על ידי לייזר אחר, המשמש את המחשב הוא מעט שונה מזו המוצגת באיור 4a. באופן ספציפי, תוספת חימום בלייזר משמש כדי להפעיל את הראש חישה, תיאור מפורט של המערכת עבור מדידת כבר דווח על12,13,14.

איור 7 א מציג את חיישן הזרימה סי-FOSP ממוקם בתוך מיכל מים, עם השוואה side-by-side חיישן הזרימה מסחרי. ללא ספק, הבדיקה של החיישן סיבים כלל מסכימה עם זה של החיישן המסחרי זרימה, כפי שמוצג באיור 7; עם זאת, סנסור זרימה סי-FOSP תערוכות מענה ברור יותר כאשר זורמים מים תירגע, כפי שהודגמה בעזרת התצוגה מקרוב באיור 7.

סי-FOSP כמו EMI- מערכת החיסון bolometer לפיסיקה טמפרטורה גבוהה פלזמה
מדענים חוקרים טמפרטורה גבוהה פלזמה לפיזיקה tokamaks מנסים להמיר את הכוח פליטה של כורים פיוז ' ן מגנטית כליאה פליטת פוטון כדי להמתיק את שטף חום impinged על גבי פלזמה מול רכיבים24. איור 8a מראה פנים tokamak25. פליטת פוטון נמדד בדרך כלל על ידי bolometer. בעוד bolometers וידאו resistive, אינפרא-אדום השיגו צפיפות כוח מקביל רעש (NEPD) של W/m 0.22 ו- 0.23 W/m2, בהתאמה, המעבדה סביבה26,27, הם פגיעה קשה סביבת המשויך הפלזמה בטמפרטורות גבוהות. סי-FOSP דיווח בעבודה זו בולטת כחלופה מבטיח bolometers הקיים. כדי להשיג רזולוציה גבוהה ככל האפשר, ישמש את הגירסה גבוהה-עידון באיור איור 1b . כמו כן, שונה במקצת מן המערכת ערוץ אחד לבינארי שמוצג באיור 5a, מערכת בשני ערוצים ישמש כדי לפצות עבור סחיפה לייזר באמצעות עוד טמבל להפנות4,15.

איור 8 ב' נותן תוצאות נמדד bolometer סי-FOSP אחד בסביבת מעבדה, בהשוואה bolometer התנגדות נוספת. Bolometer סי-FOSP שלנו יש את NEPD של 0.27 W/m2 המקורב של26,האלקטרוניות27. וציין כי bolometer סי-FOSP יש התנגדות הטבועה EMI בדרך כלל נמצא בטמפרטורה גבוהה פלזמה בפיזיקה, הוא צפוי לקיים הבטחות נהדר לעבר יישומים מעשיים tokamaks.

Figure 1
איור 1: שרטוט המציג את נמוך-עידון (א) ו- high-עידון (ב) סי-FOSP. (ג) Simulated ספקטרום השתקפות של שתי הגירסאות של סי-FOSPs עם חור סיליקון עבה מיקרומטר 75. משמרת דקה של הספקטרום (ממוצק לעקומות מקווקו) הרבה יותר טוב מקופחת לעומת זו על-ידי החיישן גבוהה-עידון. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: ייצור של Si נמוך-עידון-FOSPs. (שלבי ייצור סכמטית a)-(e) ותמונה (נ) של ראש חיישן מפוברק לעומת שערה אנושית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: ייצור של high-עידון סי-FOSPs. (שלבי ייצור סכמטית a)-(c), (ד) תמונה של אחד חיישן מפוברק. שיבוץ ב (ד) מציג את התצוגה העליון של הראש חיישן. סיבים רב במצב GI-MMF, מדורגות-index; HR, גבוהה-השתקפות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: מערכת (א) סכמטי של מערכת לבינארי מסגרת טיפוסי (ב) אחת ספקטרום השתקפות עבור נמוך-עידון סי-FOSP. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: מערכת (א) סכמטי של מערכת לבינארי מסגרת טיפוסי (ב) אחת ספקטרום שנסרק עבור גבוה-עידון סי-FOSP. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6: נציג תוצאות כמו מדחום מתחת למים. (א) פריסת תמונה ו- (ב) שדה של המכשיר חיישן אבטיפוס. תרמוקלינה (ג) מדוד של פלינט קריק אגירה, מיסיסיפי, ארצות הברית, ב-13 בספטמברth, 2016. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 7
איור 7: נציג תוצאות כמו חיישן הזרימה. (א) תמונה של הזרם בדיקות סידור ו- (ב) השוואה בין השדה זרימה נמדד על ידי סי-FOSP של חיישן הזרימה מסחרי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 8
איור 8: נציג תוצאות כמו bolometer למחקר פלזמה טמפרטורה גבוהה. (א) תמונה של החלל הפנימי פלזמות בטמפרטורות גבוהות tokamak25 ו- (ב) למדוד תוצאות בסביבת מעבדה. דמות זו אימצה, שונה ויקישיתוף. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הבחירה של הגודל (אורך וקוטר) של סיליקון FPI נעשית על עסקת החליפין בין דרישות על הרזולוציה ומהירות. באופן כללי, גודל קטן יותר מספק מהירות גבוהה יותר, אך גם מפחית את הרזולוציה2. אורך קצר יש יתרון להשגת מהירות גבוהה יותר, אבל זה לא מעולה עבור קבלת רזולוציה גבוהה בשל FWHM המורחב של החריצים השתקפות. באמצעות ציפוי ביממה כדי להפחית את FWHM יכול לעזור לשפר את הרזולוציה, אבל תגביל את טווח דינמי עקב לבינארי האות באמצעות סריקת לייזר. קוטר קטן יותר מגביר את המהירות, אבל הקוטר צריך להיות גדול יותר הקוטר שדה מודאלית של סיבים המוביל כך קשת טובה יכולה להיות מושגת. זה, עם זאת, נמצא גם כי סיליקון בקוטר גדול מזה של הסיבים עוזרת לשפר את רגישות bolometry עקב איבוד חום בהולכה מופחתת סיבים4. לכן, הבחירה של גודל חיישן תלויה מאוד יישומים ספציפיים.

אמנם אנחנו רק להדגים את מבנים בסיסיים מאוד, ייצור פרוטוקולים ומערכות אות לבינארי עבור סי-FOSP, ישנם טכניקות שונות שניתן להתאים את זה לתוך יישומים אחרים או לשפר את הביצועים. לדוגמה, במקום להשתמש דבק UV-לריפוי לצרף את החיישן, ניתן להחיל פיוז'ן שחבור טכניקה להעלות את טמפרטורת הפעולה מעל 1000 ° C28. עם, כגון טמפרטורת הפעולה גבוהה חדשני סוגי המכשירים פוטוני ניתן לבצע, כגון מיקרו-חימום, מקרן אינפרא אדום ובועה גנרטורים. דוגמה נוספת היא לחץ גז מדובבים טמפרטורה-העצמי חישת באמצעות ההבדל באורך הגל כאשר הלייזר חימום מופעל11לסירוגין. יתר על כן, דרך הפיתוח של שיא הרומן זיהוי טכניקות29,30, מדידת הטמפרטורה מעל טווח דינמי מוגדל יכול להתממש.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

הפטנטים ארה ב (מס 9995628 B1) הונפק להגן על הטכנולוגיות הקשורות.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי מעבדת המחקר של הצי בארה ב (Nos. N0017315P0376, N0017315P3755); ארה ב Office המחקר הימי (Nos. N000141410139, N000141410456); מחלקת האנרגיה של ארצות הברית (Nos. DE-SC0018273, דה-AC02-09CH11466, דה-AC05-00OR22725).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
200 Proof Pure Ethanol Koptec V1001
5 Channels Duplex CWDM Fiber Store 5MDD-ABS-FSCWDM
Butterfly Laser Diode Mounts Tholabs LM14S2
CastAway CTD Yellow Springs Instrument
CTD Seabird SBE 19plus
Current Meter Nortek Vector
Data Acquisition Device National Instruments NIUSB4366
Digital Oscilloscope RIGOL DS1204B 200 MHz 2 GSa/s
Diode Laser Thorlabs LM9LP Wavelength: 632 nm
Fixed BNC Terminator Kit Thorlabs FTK01
Function Waveform Generator  RIGOL DG4162 160 MHz 500 GSa/s
High Precision Cleaver Fujikura CT-32
High Reflection Dielectric Coating Evaporated Coating INC (ECI) Materials and structure of the coating are unknown
I-MON 512 Spectrometer Ibsen Phtonics P/N: 1257110
InGaAs Biased Detector Tholabs DET01CFC FC/PC output:0-10V; Quantity: 2
Laser Diode Qphotonic QFLD-405-20S Wavelength: 405 nm
Laser Diode Current Controller Tholabs LDC 210C 1 A and 100 mA range 
Laser Diode Temperature Controller Tholabs TEC 200C Quantity: 2
Latex Examination Gloves HCS
Micro Slides Corning Incorporated
Narrow Linewidth DFB Laser Eblana EP1550-NLW-B06-100FM Wavelength:1550 nm
Optical Fiber Fusion Splicer Sumitomo electric industries, LTD 3822-2
Optical Microscope and Monitor Ikegami Tsushinki Company PM-127
Optical Spectrum Analyzer Yokogawa AQ6370C wavelength range: 600-1700 nm
Polish Machine ULTRA TEC 41076
Post-mountable Irises Thorlabs Quantity: 2
Pump Laser Gooch and Housego 0400-0974-SM Wavelength: 980 nm
Si Amplified Photodetector Thorlabs PDA36A Wavelength: 350-1100 nm
Silicon wafer University Wafer thickness: 10 µm, 200 µm, 75 µm, 40 µm
Single mode fiber  Corning SMF-28
Single Mode Fused  Fiber Coupler Thorlabs Wavelength: 1550 nm
SM 125 interogrator Micron Optics
Submersible Aquarium Pump Songlong SL-403
Superluminscent LED Denselight Semiconductors DL-BP1-1501A wavelength range:1510-1590 nm
Syringe Pump Cole Parmer 74905-02
Travel Translation Stage Thorlabs LT1
UV curable glue Epoxy Technology PB109077
UVGL-15 Compact UV Lmap UVP P/N:95-0017-09 254/365 nm
Variable Optical Attenuators Tholabs M-VA/00016951 P/N: VOA50-APC

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lee, B. Review of the present status of optical fiber sensors. Optical Fiber Technology. 9, 57-79 (2003).
  2. Liu, G., Han, M., Hou, W. High-resolution and fast-response fiber-optic temperature sensor using silicon Fabry-Perot cavity. Optics Express. 23, 7237-7247 (2015).
  3. Hatta, A. M., Rajan, G., Semenova, Y., Farrell, G. SMS fibre structure for temperature measurement using a simple intensity-based interrogation system. Electronics Letters. 45, 1069 (2009).
  4. Sheng, Q., Liu, G., Reinke, M. L., Han, M. A fiber-optic bolometer based on a high-finesse silicon Fabry-Perot interferometer. Review of Scientific Instruments. , 065002 (2018).
  5. Ding, M., Wang, P., Brambilla, G. Fast-response high-temperature microfiber coupler tip thermometer. IEEE Photonics Technology Letters. 24, 1209-1211 (2012).
  6. Berthold, J. W., Reed, S. E., Sarkis, R. G. Reflective fiber optic temperature sensor using silicon thin film. Optical Engineering. 30, 524-528 (1991).
  7. Kajanto, I., Friberg, A. T. A silicon-based fibre-optic temperature sensor. Journal of Physics E: Scientific Instruments. 21, 652-656 (1988).
  8. Schultheis, L., Amstutz, H., Kaufmann, M. Fiber-optic temperature sensing with ultrathin silicon etalons. Optics Letters. 13, 782-784 (1988).
  9. Zhang, S., et al. Temperature characteristics of silicon core optical fiber Fabry-Perot interferometer. Optics Letters. 40, 1362-1365 (2015).
  10. Cocorullo, G., Corte, F. G. D., Iodice, M., Rendina, I., Sarro, P. M. A temperature all-silicon micro-sensor based on the thermo-optic effect. IEEE Transactions on Electron Devices. 44, 766-774 (1997).
  11. Liu, G., Han, M. Fiber-optic gas pressure sensing with a laser-heated silicon-based Fabry-Perot interferometer. Optics Letters. 40, 2461-2464 (2015).
  12. Liu, G., Hou, W., Qiao, W., Han, M. Fast-response fiber-optic anemometer with temperature self-compensation. Optics Express. 23, 13562-13570 (2015).
  13. Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Han, M. Optical fiber vector flow sensor based on a silicon Fabry-Perot interferometer array. Optics Letters. 41, 4629-4632 (2016).
  14. Liu, G., Sheng, Q., Geraldo, R. L. P., Hou, W., Han, M. A fiber-optic water flow sensor based on laser-heated silicon Fabry-Perot cavity. Proceedings of SPIE. 9852, 98521B (2016).
  15. Reinke, M. L., Han, M., Liu, G., Gv Eden, G., Evenblij, R., Haverdings, M. Development of plasma bolometers using fiber-optic temperature sensors. Review of Scientific Instruments. 87, 11E708 (2016).
  16. Zhang, Y., et al. Fringe visibility enhanced extrinsic Fabry-Perot interferometer using a graded index fiber collimator. IEEE Photonics Journal. 2, 469-481 (2010).
  17. Hou, W. Ocean sensing and monitoring. , SPIE Press. (2013).
  18. Hou, W., Woods, S., Jarosz, E., Goode, W., Weidemann, A. Optical turbulence on underwater image degration in natural environments. Applied Optics. 51, 2678-2686 (2012).
  19. Hou, W., Jarosz, E., Woods, S., Goode, W., Weidemann, A. Impacts of underwater turbulence on acoustical and optical signals and their linkage. Optics Express. 21, 4367-4375 (2013).
  20. Nootz, G., Jarosz, E., Dalgleish, F. R., Hou, W. Quantification of optical turbulence in the ocean and its effects on beam propagation. Applied Optics. 55, 8813-8820 (2016).
  21. Nootz, G., Matt, S., Kanaev, A., Judd, K., Hou, W. Experimental and numerical study of underwater beam propagation in a Rayleigh-Bénard turbulence tank. Applied Optics. 56, 6065-6072 (2017).
  22. Matt, S., et al. A controlled laboratory environment to study EO signal degradation due to underwater turbulence. Proceedings of SPIE. 9459, 94590H (2015).
  23. Han, M., Liu, G., Hou, W. Fiber-optic temperature and flow sensor system and methods. U.S. Patent. , 9995628 B1 (2018).
  24. Kallenbach, A., et al. Impurity seeding for tokamak power exhaust: from present devices via ITER to DEMO. Plasma Physics and Controlled Fusion. 55, 124041 (2013).
  25. Alcator C-Mod. , Available from: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alcator_C-Mod_Tokamak_Interior.jpg (2018).
  26. Meister, H., Willmeroth, M., Zhang, D., Gottwald, A., Krumrey, M., Scholze, F. Broad-band efficiency calibration of ITER bolometer prototypes using Pt absorbers on SiN membranes. Review of Scientific Instruments. 84, 123501 (2013).
  27. Peterson, B. J., et al. Development of imaging bolometers for magnetic fusion reactors. Review of Scientific Instruments. 79, 10E301 (2008).
  28. Liu, G., Sheng, Q., Dam, D., Hua, J., Hou, W., Han, M. Self-gauged fiber-optic micro-heater with an operation temperature above 1000 °C. Optics Letters. 42, 1412-1415 (2017).
  29. Liu, G., Hou, W., Han, M. Unambiguous peak recognition for a silicon Fabry-Perot interferometric temperature sensor. Journal of Lightwave Technology. 36, 1970-1978 (2018).
  30. Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Han, M., High-resolution, High-resolution, large dynamic range fiber-optic thermometer with cascaded Fabry-Perot cavities. Optics Letters. 41, 5134-5137 (2016).

Tags

הנדסה גיליון 143 סיבים אופטיים חישה פאברי-פרו interferometer סיליקון טמפרטורה המדידה סנסורי זרימה bolometry
פלטפורמה משופעת סיליקון סיבים אופטיים חישה עם רזולוציה גבוהה ותגובה מהירה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Reinke, … More

Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Reinke, M. L., Han, M. A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response. J. Vis. Exp. (143), e59026, doi:10.3791/59026 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter