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Engineering

उच्च संकल्प और तेजी से प्रतिक्रिया के साथ एक सिलिकॉन इत्तला दे दी फाइबर ऑप्टिक संवेदन मंच

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

इस काम की रिपोर्ट एक अभिनव सिलिकॉन इत्तला दे दी फाइबर ऑप्टिक संवेदन मंच (Si-FOSP) उच्च संकल्प और तेजी से प्रतिक्रिया माप के लिए शारीरिक मापदंडों की एक किस्म के, जैसे तापमान, प्रवाह, और विकिरण के रूप में । मोनेको अनुसंधान, यांत्रिक उद्योग से इस Si-FOSP स्पैन के अनुप्रयोग, फ्यूजन ऊर्जा अनुसंधान के लिए.

Abstract

इस अनुच्छेद में, हम एक अभिनव और व्यावहारिक रूप से होनहार फाइबर ऑप्टिक संवेदन मंच (FOSP) है कि हम प्रस्ताव और हाल ही में प्रदर्शित परिचय । इस FOSP फाइबर अंत से जुड़ी एक सिलिकॉन Fabry-टेकनॉलजी इंटरफेरोमीटर (एफपीआई) पर निर्भर करता है, इस काम में एसआई-FOSP के रूप में भेजा. Si-FOSP सिलिकॉन गुहा के ऑप्टिकल पथ लंबाई (OPL) द्वारा निर्धारित एक interferogram उत्पन्न करता है । Measurand परिवर्तन OPL और इस तरह interferogram में बदलाव । सिलिकॉन सामग्री के अद्वितीय ऑप्टिकल और थर्मल गुणों के कारण, इस एसआई-FOSP संवेदनशीलता और गति के मामले में एक लाभप्रद प्रदर्शन दर्शाती है । इसके अलावा, परिपक्व सिलिकॉन निर्माण उद्योग endows उत्कृष्ट reproducibility और व्यावहारिक अनुप्रयोगों की ओर कम लागत के साथ एसआई-FOSP । विशिष्ट अनुप्रयोगों पर निर्भर करता है, या तो एक कम चालाकी या उच्च चालाकी संस्करण का उपयोग किया जाएगा, और दो अलग डेटा मॉडुलन तरीकों तदनुसार अपनाया जाएगा. एसआई-FOSP के दोनों संस्करणों के निर्माण के लिए विस्तृत प्रोटोकॉल प्रदान किया जाएगा । तीन प्रतिनिधि आवेदन और उनके अनुसार परिणाम दिखाया जाएगा । पहले एक महासागर thermoclines की रूपरेखा के लिए एक प्रोटोटाइप पानी के नीचे थर्मामीटर है, दूसरा एक प्रवाह मीटर के लिए सागर में प्रवाह की गति को मापने है, और पिछले एक एक bolometer चुंबकीय परकोटे से निकास विकिरण की निगरानी के लिए इस्तेमाल किया है उच्च तापमान प्लाज्मा ।

Introduction

फाइबर ऑप्टिक सेंसर (फॉस) अपनी अनूठी संपत्तियों के कारण कई शोधकर्ताओं के लिए ध्यान केंद्रित किया गया है, जैसे अपने छोटे आकार, अपनी कम लागत, अपने हल्के वजन, और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप करने के लिए अपनी प्रतिरक्षा (ईएमआई)1. इन फॉस पर्यावरण की निगरानी, सागर निगरानी, तेल की खोज, और दूसरों के बीच औद्योगिक प्रक्रिया के रूप में कई क्षेत्रों में व्यापक आवेदन मिल गया है । जब यह तापमान से संबंधित संवेदन की बात आती है, पारंपरिक फॉस के मामलों के लिए संकल्प और गति के मामले में बेहतर नहीं कर रहे हैं, जहां मिनट और तेजी से तापमान विविधताओं की माप वांछनीय है । इन सीमाओं से जुड़े सिलिका सामग्री के ऑप्टिकल और थर्मल गुणों से उपजा है, जिस पर कई पारंपरिक फॉस आधारित हैं । एक तरफ, ताप-ऑप्टिक गुणांक (TOC) और सिलिका का थर्मल विस्तार गुणांक (टेक) 1.28 x10-5 RIU/° c और 5.5 x10-7 एम/(m · ° c), क्रमशः; ये मान केवल के बारे में 13 pm/१५५० एनएम के तरंग दैर्ध्य के आसपास के तापमान संवेदनशीलता के लिए सीसा । दूसरी ओर, थर्मल diffusivity, जो थर्मल ऊर्जा विनिमय के जवाब में तापमान में परिवर्तन की गति का एक उपाय है, केवल 1.4 x10-6 एम2/ सिलिका आधारित फॉस की गति में सुधार के लिए यह मान श्रेष्ठ नहीं है.

फाइबर ऑप्टिक संवेदन मंच (FOSP) इस लेख में रिपोर्ट से जुड़े सिलिका आधारित फॉस की उपर्युक्त सीमाएं टूट जाता है । नई FOSP प्रमुख संवेदन सामग्री है, जो फाइबर के अंत पर एक उच्च गुणवत्ता Fabry-टेकनॉलजी इंटरफेरोमीटर (एफपीआई) रूपों के रूप में क्रिस्टलीय सिलिकॉन का इस्तेमाल, यहां सिलिकॉन इत्तला दे दी FOSP (Si-FOSP) के रूप में भेजा । चित्रा 1 सेंसर सिर के योजनाबद्ध और संचालन सिद्धांत को दर्शाता है, जो एसआई-FOSP का मुख्य है । सेंसर सिर अनिवार्य रूप से एक सिलिकॉन एफपीआई, जिसका प्रतिबिंब स्पेक्ट्रम आवधिक किनारे की एक श्रृंखला सुविधाओं के होते हैं । विनाशकारी हस्तक्षेप तब होता है जब OPL 2nL को संतुष्ट करता है = Nλ, जहां n और L अपवर्तन सूचकांक और सिलिकॉन FP गुहा की लंबाई क्रमशः है, और n एक पूर्णांक है जो फ्रिंज पायदान का क्रम है । इसलिए, हस्तक्षेप किनारे के पदों सिलिकॉन गुहा के OPL के लिए उत्तरदाई हैं । विशिष्ट आवेदनों के आधार पर सिलिकॉन एफपीआई को दो प्रकार से बनाया जा सकता हैः कम-चालाकी एफपीआई और उच्च चालाकी एफपीआई. कम चालाकी एफपीआई सिलिकॉन गुहा के दोनों सिरों के लिए एक कम भावना है, जबकि उच्च चालाकी एफपीआई के सिलिकॉन गुहा के दोनों सिरों के लिए एक उच्च भावना है । सिलिकॉन हवा और सिलिकॉन के reflectivities-फाइबर इंटरफेस लगभग 30% और 18% हैं, इस प्रकार एकमात्र सिलिकॉन एफपीआई चित्र 1a में दिखाया गया है मूलतः एक कम चालाकी एफपीआई. दोनों सिरों पर एक पतली उच्च-भावना (HR) परत कोटिंग करके, एक उच्च चालाकी सिलिकॉन एफपीआई का गठन (आंकड़ा 1b) है । HR कोटिंग के भावना (या तो अचालक या सोना) के रूप में उच्च के रूप में ९८% हो सकता है । दोनों प्रकार के एसआई के लिए-FOSP, दोनों n और एल वृद्धि जब तापमान बढ़ जाती है । इस प्रकार, फ्रिंज शिफ्ट की निगरानी करके, तापमान भिन्नता को मुजे किया जा सकता है । ध्यान दें कि तरंग दैर्ध्य बदलाव की एक ही राशि के लिए, उच्च चालाक एफपीआई बहुत संकरा फ्रिंज पायदान (चित्रा 1c) के कारण एक बेहतर भेदभाव देता है । जबकि उच्च चालाकी एसआई-FOSP बेहतर संकल्प किया है, कम चालाकी एसआई-FOSP एक बड़ा गतिशील रेंज है । इसलिए, इन दो संस्करणों के बीच का चुनाव किसी विशिष्ट अनुप्रयोग की आवश्यकताओं पर निर्भर करता है । इसके अलावा, आधा अधिकतम पर पूर्ण चौड़ाई में बड़े अंतर के कारण (FWHM) कम चालाकी और उच्च चालाकी सिलिकॉन FPIs, उनके संकेत मॉडुलन तरीकों अलग हैं । उदाहरण के लिए, १.५ एनएम के सैद्धांतिक FWHM के बारे में ५० समय से केवल 30 बजे तक कम है जब एकमात्र सिलिकॉन एफपीआई के दोनों छोर एक ९८% HR परत के साथ लेपित हैं । इसलिए, कम चालाकी एसआई-FOSP के लिए, एक उच्च गति स्पेक्ट्रोमीटर डेटा संग्रह और प्रसंस्करण के लिए पर्याप्त होता है, जबकि एक स्कैनिंग लेजर उच्च चालाकी एसआई-FOSP बहुत संकरा FWHM है कि अच्छी तरह से हल नहीं किया जा सकता है की वजह से मॉडुलन करने के लिए इस्तेमाल किया जाना चाहिए स्पेक्ट्रोमीटर. प्रोटोकॉल में दो मॉडुलन के तरीकों को समझाया जाएगा ।

यहां चुना गया सिलिकॉन मटेरियल रेजोल्यूशन के लिहाज से तापमान सेंसिंग के लिए बेहतर है । एक तुलना के रूप में, TOC और सिलिकॉन के टेक रहे है 1.5 x10-4 RIU/° c और 2.55 x10-6 m/(एम ∙ डिग्री सेल्सियस), क्रमशः, के आसपास के तापमान संवेदनशीलता के लिए अग्रणी ८४.६ pm/डिग्री सेल्सियस जो कि सभी सिलिका आधारित फॉस2की तुलना में ६.५ गुना अधिक है ।  इस बहुत अधिक संवेदनशीलता के अलावा, हम एक औसत तरंग दैर्ध्य ट्रैकिंग विधि का प्रदर्शन किया है शोर स्तर को कम करने और इस तरह एक कम चालाकी संवेदक के लिए संकल्प में सुधार, 6x10 के तापमान संकल्प करने के लिए अग्रणी-4 ° c 2, में एक सभी सिलिका आधारित फोस3के लिए ०.२ ° c के संकल्प की तुलना. संकल्प आगे एक उच्च चालाकी संस्करण4के लिए 1.2 x10-4 ° c होने के लिए सुधार हुआ है ।  सिलिकॉन सामग्री भी गति के मामले में संवेदन के लिए बेहतर है । तुलना के रूप में, सिलिकॉन का थर्मल diffusivity 8.8 x10-5 एम2/, जो सिलिका2की तुलना में ६० गुना अधिक है ।  एक छोटे पदचिह्न के साथ संयुक्त (जैसे, ८० µm व्यास, २०० µm मोटाई), एक सिलिकॉन फोस के लिए ०.५१ एमएस की प्रतिक्रिया समय2प्रदर्शन किया गया है, की तुलना में 16 एक सूक्ष्म सिलिका फाइबर युग्मक टिप तापमान संवेदक5के एमएस ।  हालांकि कुछ शोध काम संवेदन सामग्री के रूप में बहुत पतली सिलिकॉन फिल्म का उपयोग कर तापमान माप से संबंधित अंय समूहों द्वारा सूचित किया गया है6,7,8,9, उनमें से कोई भी या तो संकल्प या गति के मामले में हमारे सेंसर के प्रदर्शन के पास । उदाहरण के लिए, केवल ०.१२ डिग्री सेल्सियस के एक संकल्प के साथ सेंसर और 1 s की एक लंबी प्रतिक्रिया समय की सूचना दी थी. 7 ०.०६४ ° c के एक बेहतर तापमान संकल्प10रिपोर्ट किया गया है;  हालांकि, गति अपेक्षाकृत भारी संवेदक सिर द्वारा सीमित है । क्या नई निर्माण विधि और डेटा प्रोसेसिंग एल्गोरिथ्म में एसआई-FOSP अद्वितीय झूठ बनाता है ।

तापमान संवेदन के लिए उपरोक्त लाभ के अलावा, एसआई-FOSP भी विभिन्न मापदंडों, जैसे गैस दबाव11, हवा या पानी के प्रवाह12, 13 कोमापने में लक्ष्य तापमान से संबंधित सेंसर की एक किस्म में विकसित किया जा सकता है ,14 , और विकिरण4,15.  यह लेख तीन प्रतिनिधि अनुप्रयोगों और उनके परिणामों के साथ सेंसर निर्माण और संकेत मॉडुलन प्रोटोकॉल का एक विस्तृत विवरण प्रस्तुत करता है.

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Protocol

1. कम चालाकी सेंसर का निर्माण

  1. सिलिकॉन खंभे गढ़ें । पैटर्न २०० का एक टुकड़ा-µm-मोटी डबल पक्ष पॉलिश (डीएसपी) स्वसंपूर्ण सिलिकॉन स्तंभों में सिलिकॉन वेफर (चित्रा 2a), मानक सूक्ष्म इलेक्ट्रो-यांत्रिक प्रणाली (एमईएमएस) निर्माण की सुविधा का उपयोग कर ।
    नोट: नमूनों वेफर एक और बड़ा सिलिकॉन photoresist की एक पतली परत का उपयोग कर वेफर पर बंधुआ है । photoresist के बंधन बल काफी मजबूत खंभे ईमानदार पकड़ है, लेकिन यह भी काफी कमजोर बाद में कदम के लिए सब्सट्रेट से अलग करने के लिए ।
  2. सीसा-फाइबर में तैयार करें । एक एकल मोड ऑप्टिकल फाइबर के बाहर के अंत के प्लास्टिक कोटिंग पट्टी । साफ छीन अनुभाग एक लेंस शराब के साथ डूबा ऊतक का उपयोग कर । एक ऑप्टिकल फाइबर सट का उपयोग कर साफ फाइबर सट.
  3. के अंत चेहरे पर यूवी का इलाज गोंद की एक पतली परत को लागू करें--फाइबर में (चित्रा बी#) सट सीसा । ग्लास स्लाइड के एक टुकड़े पर यूवी का इलाज गोंद की एक छोटी बूंद रखो । पतली स्पिन द्वारा गोंद परत-कोटिंग या स्वयं कांच स्लाइड झूल । ग्लास स्लाइड के खिलाफ सीसा-फाइबर में का अंत चेहरा दबाकर फाइबर अंत करने के लिए गोंद परत स्थानांतरण.
  4. फाइबर खत्म करने के लिए एक सिलिकॉन स्तंभ अनुलग्न करें । सीसा-फाइबर में सिलिकॉन स्तंभों में से एक के साथ संरेखित करें, इस बीच सिलिकॉन एक स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग कर एफपीआई के वास्तविक समय प्रतिबिंब स्पेक्ट्रम की निगरानी । एक यूवी लैंप का प्रयोग करें जब एक संतोषजनक स्पेक्ट्रम मनाया जाता है गोंद का इलाज करने के लिए (चित्रा 2c) ।
    नोट: सामांय में, इलाज की प्रक्रिया 10 से 15 मिनट के आसपास लेता है ।
  5. सब्सट्रेट से सेंसर अलग. के बाद यूवी गोंद पूरी तरह से ठीक हो गया है, ऊपर ले फाइबर में सिलिकॉन (चित्रा 2d) सब्सट्रेट से अलग स्तंभ के साथ साथ ।
    नोट: कुछ अवशिष्ट photoresist सिलिकॉन पिलर (फिगर 2e) की ऊपरी सतह पर बने हुए हैं. अधिकांश मामलों के लिए, photoresist अवशिष्ट संवेदक के समारोह को प्रभावित नहीं करता है । अगर जरूरत पड़ी तो photoresist लेयर से शराब निकाली जा सकती है ।
  6. गढ़े संवेदक प्रमुख की जांच करें । एक खुर्दबीन का उपयोग करने के लिए गढ़े संवेदक सिर की ज्यामिति की जांच । एक संवेदक के एक ठेठ छवि सफलतापूर्वक गढ़े चित्र 2fमें देखा जाता है ।

2. उच्च चालाकी सेंसर का निर्माण

  1. कोट उच्च भावना दर्पण के साथ एक सिलिकॉन वेफर के दोनों ओर । कोट एक ७५-µm के एक तरफ मोटी डबल पक्ष-एक १५० एनएम मोटी सोने की परत के साथ एक sputtering कोटिंग मशीन का उपयोग कर के साथ सिलिकॉन वेफर पॉलिश, और कोट एक उच्च भावना (मानव संसाधन) अचालक दर्पण के साथ दूसरी तरफ ।
    नोट: अचालक मानव संसाधन कोटिंग एक बाहर की कंपनी द्वारा किया गया था; इस कोटिंग का भावना कंपनी द्वारा ९८% से कम नहीं होने का परीक्षण किया गया । हालांकि, विस्तृत सामग्री और कोटिंग की संरचना कंपनी द्वारा मालिकाना संरक्षण के कारण अज्ञात हैं, अधिक जानकारी के लिए सामग्री की तालिका देखें ।
  2. collimated सीसा-फाइबर में तैयार करें । एक एकल मोड फाइबर के साथ वर्गीकृत-सूचकांक बहु मोड फाइबर (सैनिक MMF) के एक छोटे अनुभाग ब्याह, और फिर, एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के तहत, एक फाइबर संधानक फार्म करने के लिए छोड़ दिया mmf के भीतर प्रकाश पथ की अवधि के एक चौथाई के साथ सैनिक-mmf, सट (चित्रा 3 ).
    नोट: सैनिक-MMF मॉडल क्षेत्र व्यास का विस्तार इतना है कि एक बेहतर दृश्यता के साथ एक स्पेक्ट्रम4,16प्राप्त किया जा सकता है प्रयोग किया जाता है । सैनिक की लंबाई-MMF, जो इस काम में २५० µm के आसपास है, रे पथ की अवधि के ठीक एक चौथाई है ।
  3. एक खंडित डबल साइड लेपित सिलिकॉन लीड फाइबर में देते हैं । कम चालाकी सेंसरों के निर्माण के लिए फाइबर अंत करने के लिए एक सिलिकॉन स्तंभ संलग्न के समान चरणों का पालन करके एक उच्च चालाकी संवेदक इकट्ठा (कदम १.३-१.५).
    नोट: अचालक कोटिंग के साथ पक्ष को आने वाली रोशनी में जाने के लिए संधानक से जुड़ी होगी (चित्र 3 बी, ३ सी). इस मामले में, पिछले सिलिकॉन स्तंभ एक सिलिकॉन टुकड़ा है, जो नमूनों नहीं था के साथ बदल दिया है । भविष्य में, नमूनों सिलिकॉन वेफर उच्च भावना दर्पण के साथ लेपित किया जाएगा, ताकि सेंसर और अधिक वर्दी और निर्माण के लिए आसान कर रहे हैं । 1.3 के निर्माण कदम-1.5 में अंतर यह है कि उचित दृश्यता के साथ एक प्रतिबिंब स्पेक्ट्रा पायदान पहले प्राप्त किया जाना चाहिए गोंद से पहले संधानक के अंत चेहरे को हस्तांतरित किया गया था ।
  4. एक परिपत्र आकार में अनियमित आकार सिलिकॉन टुकड़ा पॉलिश एक फाइबर चमकाने मशीन का उपयोग कर ।
  5. गढ़े संवेदक प्रमुख की जांच करें । एक खुर्दबीन का प्रयोग करने के लिए सेंसर सिर की जांच करने के लिए सुनिश्चित करें कि एक वांछनीय परिपत्र आकार (चित्रा 3 डी) हासिल की है ।

3. कम चालाकी एसआई-FOSP के लिए संकेत मॉडुलन

नोट: प्रणाली कम चालाकी एसआई-FOSP मॉडुलन के लिए इस्तेमाल किया चित्रा 4aमें दिखाया गया है. निंन विस्तृत चरण सिस्टम को सेट करने और डेटा संसाधन को निष्पादित करने में मदद करते हैं ।

  1. एक ऑप्टिकल परिसंचारी के बंदरगाह 1 के लिए एक सी-बैंड ब्रॉडबैंड स्रोत से कनेक्ट करें ।
  2. ब्याह एक कम चालाकी संवेदक के नेतृत्व में फाइबर के साथ ऑप्टिकल परिसंचारी के बंदरगाह 2 ।
  3. एक उच्च-गति स्पेक्ट्रोमीटर जो डेटा संग्रहण के लिए एक कंप्यूटर के साथ संचार करने के लिए ऑप्टिकल परिचालित के पोर्ट 3 से कनेक्ट करें ।
  4. सेंसर के स्पेक्ट्रम की जांच करने के लिए सुनिश्चित करें कि सिस्टम ठीक से काम करता है । चित्रा 4bमें दिखाया ठेठ स्पेक्ट्रम देखें ।

4. उच्च चालाकी एसआई-FOSP के लिए सिग्नल मॉडुलन

नोट: प्रणाली उच्च चालाकी एसआई-FOSP मॉडुलन के लिए इस्तेमाल किया चित्र 5 एमें दिखाया गया है. निंन विस्तृत चरण सिस्टम को सेट करने में मदद करते है और डेटा पोस्ट-प्रोसेसिंग करते हैं ।

  1. एक वर्तमान नियंत्रक का उपयोग कर एक स्वरित्र DFB लेजर झाडू ।
    नोट: पीक-टू-पीक स्वीपिंग वोल्टेज, जो विभिन्न पराबैंगनीकिरण और नियंत्रकों के लिए बदलता है, स्पेक्ट्रम पायदान को कवर करने के लिए काफी बड़ा होना चाहिए ।
  2. एक ऑप्टिकल परिसंचारी के बंदरगाह 1 के लिए स्वरित्र लेजर के उत्पादन से कनेक्ट करें ।
  3. ब्याह एक उच्च चालाकी संवेदक के लिए ऑप्टिकल परिसंचारी के बंदरगाह 2 ।
  4. एक photodetector के लिए ऑप्टिकल परिचालित के बंदरगाह 3 से कनेक्ट करें ।
  5. किसी कंप्यूटर द्वारा संग्रहित photodetector के आउटपुट को पढ़ने के लिए डेटा प्राप्ति डिवाइस का उपयोग करें ।
  6. सेंसर के स्पेक्ट्रम की जांच करने के लिए सुनिश्चित करें कि सिस्टम ठीक से काम करता है । चित्रा 5bमें दिखाए गए स्पेक्ट्रम की एक ठेठ फ्रेम देखें । एक बहुपद वक्र फिटिंग का उपयोग कर घाटी की स्थिति का पता लगाएं ।

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Representative Results

Si-FOSP महासागर thermoclines के लिए एक पानी के नीचे थर्मामीटर के रूप में
हाल ही में मोनेको अनुसंधान का प्रदर्शन किया है कि पानी के नीचे इमेजिंग के धुंधला न केवल turbidity से दूषित जल में उपजा है, लेकिन यह भी तापमान microstructures से स्वच्छ महासागर में17,18। उत्तरार्द्ध प्रभाव कई oceanographers का ध्यान केंद्रित किया गया है, एक प्रभावी तरीका धुंधला19छवियों को सुधारने के लिए मिल लक्ष्य, बेहतर समझते है और पानी में ऑप्टिकल संचार में सुधार, के रूप में के रूप में अच्छी तरह के रूप में अशांति बढ़ाता के साधन विकसित करने के लिए महासागर20,21. एक तापमान संवेदक के रूप में इस्तेमाल किया एसआई-FOSP पानी अशांति22की स्विफ्ट तापमान रूपों को मापने के लिए अपने वर्तमान समकक्ष को मात करने के लिए प्रदर्शन किया गया है । इस आवेदन में, चित्रा 4a में संकेत मॉडुलन प्रणाली के साथ चित्रा 1a में दिखाया कम चालाकी संवेदक प्रयोग किया जाता है. एसआई-FOSP तापमान संवेदक के बेहतर प्रदर्शन को देखते हुए, यह एक पेटेंट पानी के नीचे साधन23 (चित्रा 6a), जो खुले पानी की thermoclines विशेषताएं करने के लिए इरादा है में विकसित किया गया है । यह उप-खंड मिसिसिपी, संयुक्त राज्य अमेरिका में चकमक क्रीक जलाशय पर एक क्षेत्र परीक्षण (चित्रा घमण्ड) के परिणाम प्रस्तुत करता है ।

चित्रा 6c 13 सितंबर २०१६ को चकमक क्रीक जलाशय के एक मापा thermocline सेपता चलता है । नीले वक्र एसआई-FOSP तापमान संवेदक द्वारा प्राप्त किया गया था, जबकि लाल और काले curves दो संदर्भ वाणिज्यिक CTDs द्वारा प्राप्त किया गया था (चालकता, तापमान, और समुद्री जल की गहराई को मापने के लिए समुद्र विज्ञान उपकरणों). जाहिर है, एसआई-FOSP तापमान सेंसर संदर्भ सेंसर के साथ सहमत हैं, लेकिन तापमान संरचनाओं के अधिक जानकारी के साथ ( चित्रा 6cके इनसेट देखें) कि अतिरिक्त जानकारी का एक गुच्छा दे सकते हैं । अधिक जानकारीपूर्ण एसआई द्वारा एकत्र डेटा-FOSP तापमान संवेदक मोनेको अनुसंधान के कई शाखाओं प्रभाव की उंमीद है ।

एसआई-FOSP के रूप में बड़े- डायनेमिक -रेंज फ्लो सेंसर
गैस या तरल प्रवाह का मापन विभिंन शैक्षणिक और औद्योगिक क्षेत्रों के लिए निर्णायक है, जो समुद्र विज्ञान, मौसम अनुसंधान, प्रक्रिया नियंत्रण, परिवहन, और पर्यावरण की निगरानी के लिए महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान कर सकते हैं । एक प्रवाह संवेदक के रूप में काम कर रहे एसआई-FOSP के प्रतिनिधि परिणाम प्रदर्शित किया जाएगा । एक कम चालाकी एसआई-FOSP इस आवेदन के लिए प्रयोग किया जाता है । हालांकि, के बाद से इस प्रवाह संवेदक संवेदन सिर की जरूरत है सक्रिय रूप से एक और लेजर से गरम हो, प्रणाली का इस्तेमाल किया है कि चित्रा 4aमें दिखाया से थोड़ा अलग है । विशेष रूप से, एक अतिरिक्त हीटिंग लेजर संवेदन सिर को सक्रिय करने के लिए प्रयोग किया जाता है, और प्रवाह माप के लिए प्रणाली का एक विस्तृत विवरण12,13,14रिपोर्ट किया गया है ।

चित्रा 7a सी-FOSP प्रवाह एक पानी के टैंक में स्थित संवेदक से पता चलता है, एक साथ एक वाणिज्यिक प्रवाह संवेदक को पक्ष की तुलना के साथ । जाहिर है, फाइबर सेंसर के readout आम तौर पर वाणिज्यिक प्रवाह संवेदक के साथ सहमत हैं, के रूप में चित्रा 7bमें दिखाया गया है; हालांकि, Si-FOSP फ्लो सेंसर एक बहुत स्पष्ट प्रतिक्रिया दर्शाती है जब पानी शांत बहती है, जैसा कि चित्रा 7bमें क्लोज-अप दृश्य द्वारा सचित्र है ।

Si-ईएमआई के रूप में FOSP- प्रतिरक्षा उच्च तापमान प्लाज्मा भौतिकी के लिए bolometer
tokamaks में उच्च तापमान प्लाज्मा भौतिकी की जांच वैज्ञानिकों फोटॉन उत्सर्जन में चुंबकीय शोधन संलयन रिएक्टरों के निकास की शक्ति को बदलने की कोशिश कर रहे है करने के लिए गर्मी प्रवाह को कम करने के लिए24घटकों का सामना करना पड़ प्लाज्मा पर पिंग । चित्रा 8a एक टोकामैक25के इंटीरियर से पता चलता है । फोटॉन उत्सर्जन आमतौर पर एक bolometer द्वारा मापा जाता है । जबकि प्रतिरोधक और अवरक्त वीडियो bolometers ०.२ w/एम2 और ०.२३ w/एम2के एक शोर समकक्ष बिजली घनत्व (NEPD) हासिल किया है, एक प्रयोगशाला के वातावरण में क्रमशः26,27, वे कठोर को कमजोर कर रहे है वातावरण उच्च तापमान प्लाज्मा के साथ जुड़े । एसआई-FOSP इस काम में रिपोर्ट मौजूदा bolometers के लिए एक होनहार विकल्प के रूप में बाहर खड़ा है । संभव के रूप में उच्च के रूप में एक संकल्प प्राप्त करने के लिए, चित्र 1b में दिखाया उच्च चालाकी संस्करण का इस्तेमाल किया जाएगा । इसके अलावा, चित्रा 5ए में दिखाया एकल चैनल मॉडुलन प्रणाली से थोड़ा अलग, एक दो चैनल प्रणाली एक और डमी संदर्भ4,15का उपयोग करके लेजर के बहाव के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए इस्तेमाल किया जाएगा.

चित्रा 8b एक प्रयोगशाला वातावरण में एक Si-FOSP bolometer के मापा परिणाम देता है, एक और प्रतिरोधक bolometer के साथ तुलना में. हमारे एसआई-FOSP bolometer ०.२७ W/एम2 का एक NEPD है जो इलेक्ट्रॉनिक समकक्षों26,27के उन लोगों के पास है । ध्यान देने योग्य बात है कि एसआई-FOSP bolometer आमतौर पर उच्च तापमान प्लाज्मा भौतिकी में पाया ईएमआई के लिए प्रतिरोध निहित है, यह tokamaks में व्यावहारिक अनुप्रयोगों की ओर महान वादों पकड़ की उम्मीद है.

Figure 1
चित्रा 1: कम चालाकी (एक) और उच्च चालाकी (बी) Si-FOSP दिखा योजनाबद्ध । (ग) एक ७५ µm मोटी सिलिकॉन गुहा के साथ एसआई-FOSPs के दो संस्करणों के अनुकरणीय प्रतिबिंब स्पेक्ट्रा । स्पेक्ट्रम की मिनट की पारी (ठोस से धराशायी curves के लिए) ज्यादा बेहतर उच्च चालाकी संवेदक द्वारा भेदभाव किया जाता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: कम चालाकी एसआई-FOSPs का निर्माण । (क)-(ङ) योजनाबद्ध निर्माण कदम और (च) एक मानव बाल के साथ तुलना में एक गढ़े संवेदक सिर की छवि । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: उच्च चालाकी एसआई-FOSPs का निर्माण । (क)-(ग) योजनाबद्ध निर्माण कदम और (घ) एक गढ़े संवेदक की छवि । में इनसेट (डी) सेंसर हेड का शीर्ष दृश्य दिखाता है. सैनिक-MMF, वर्गीकृत-सूचकांक बहु-मोड फाइबर; एचआर, हाई-भावना । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: (एक) मॉडुलन प्रणाली की योजनाबद्ध प्रणाली और (ख) एक कम चालाकी एसआई-FOSP के लिए प्रतिबिंब स्पेक्ट्रम की एक ठेठ फ्रेम. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5: (एक) मॉडुलन प्रणाली की योजनाबद्ध प्रणाली और (ख) एक उच्च चालाकी एसआई-FOSP के लिए स्कैन स्पेक्ट्रम की एक ठेठ फ्रेम. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6: एक पानी के नीचे थर्मामीटर के रूप में प्रतिनिधि परिणाम । (क) छवि और (ख) प्रोटोटाइप संवेदक यंत्र की फील्ड तैनाती । (ग) 13 सितंबर, २०१६ को चकमक क्रीक जलाशय, मिसिसिपी, संयुक्त राज्य अमेरिका, के मापा thermocline । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 7
चित्रा 7: एक प्रवाह संवेदक के रूप में प्रतिनिधि परिणाम । (क) प्रवाह परीक्षण व्यवस्था की छवि और (ख) Si द्वारा मापा प्रवाह क्षेत्र के बीच तुलना-FOSP और एक वाणिज्यिक प्रवाह संवेदक की है कि. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 8
चित्रा 8: उच्च तापमान प्लाज्मा अनुसंधान के लिए एक bolometer के रूप में प्रतिनिधि परिणाम । (a) एक टोकामैक25 में आंतरिक उच्च तापमान प्लाज्मा अंतरिक्ष की छवि और (ख) एक प्रयोगशाला वातावरण में मापा परिणाम. यह आंकड़ा विकिमीडिया कॉमन्स से अपनाया और संशोधित किया गया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

सिलिकॉन एफपीआई के आकार (लंबाई और व्यास) का चुनाव संकल्प और गति पर आवश्यकताओं के बीच tradeoff पर किया जाता है । सामांय में, एक छोटे आकार एक उच्च गति प्रदान करता है, लेकिन यह भी समाधान2कम कर देता है । एक छोटी लंबाई एक उच्च गति प्राप्त करने के लिए लाभप्रद है, लेकिन यह प्रतिबिंब पायदानों का विस्तार FWHM के कारण एक उच्च संकल्प प्राप्त करने के लिए बेहतर नहीं है । FWHM को कम करने के लिए एचआर कोटिंग्स का उपयोग संकल्प में सुधार करने में मदद कर सकते हैं, लेकिन यह लेजर स्कैनिंग का उपयोग कर संकेत मॉडुलन के कारण गतिशील रेंज की सीमा होगी. एक छोटे व्यास गति बढ़ जाती है, लेकिन व्यास नेतृत्व फाइबर के मोडल क्षेत्र व्यास से बड़ा होना चाहिए ताकि एक अच्छा स्पेक्ट्रम प्राप्त किया जा सकता है । यह है, तथापि, यह भी पाया गया कि एक सिलिकॉन व्यास कि फाइबर की तुलना में बड़ा bolometry के लिए संवेदनशीलता में सुधार में मदद करता है फाइबर4को कम कंडक्टर गर्मी नुकसान के कारण । इसलिए, सेंसर आकार का विकल्प अत्यधिक विशिष्ट अनुप्रयोगों पर निर्भर है ।

हालांकि हम केवल एसआई-FOSP के लिए बहुत बुनियादी संरचनाओं, निर्माण प्रोटोकॉल, और संकेत मॉडुलन प्रणालियों का प्रदर्शन, वहाँ विभिन्न तकनीकों है कि यह अन्य अनुप्रयोगों में फिट या आगे प्रदर्शन में सुधार कर सकते हैं । उदाहरण के लिए, बजाय यूवी-इलाज गोंद का उपयोग करने के लिए सेंसर संलग्न, एक फ्यूजन ब्याह तकनीक १,००० डिग्री सेल्सियस28के ऊपर आपरेशन तापमान तरक्की करने के लिए लागू किया जा सकता है. इस तरह के एक उच्च आपरेशन तापमान के साथ, नैनोवायर उपकरणों के अभिनव प्रकार बनाया जा सकता है, इस तरह के रूप में सूक्ष्म हीटर, अवरक्त उत्सर्जक, और बुलबुला जनरेटर. एक और उदाहरण आत्म तापमान मुआवजा तरंग दैर्ध्य अंतर का उपयोग संवेदन जब हीटिंग लेजर चालू है और11से दूर है । इसके अलावा, उपंयास शिखर मांयता तकनीक29,30, विस्तारित गतिशील सीमा से अधिक तापमान माप के विकास के माध्यम से महसूस किया जा सकता है ।

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Disclosures

एक अमेरिकी पेटेंट (सं. ९९९५६२८ B1) से संबंधित प्रौद्योगिकियों की रक्षा के लिए जारी किया गया है ।

Acknowledgments

इस काम का समर्थन अमेरिकी नौसैनिक अनुसंधान प्रयोगशाला (नग. N0017315P0376, N0017315P3755); अमेरिकी नौसेना अनुसंधान के कार्यालय (नग । N000141410139, N000141410456); अमेरिका के ऊर्जा विभाग (नग. de-SC0018273, de-AC02-09CH11466, de-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

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References

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इंजीनियरिंग अंक १४३ फाइबर ऑप्टिक सेंस Fabry-टेकनॉलजी इंटरफेरोमीटर सिलिकॉन तापमान माप फ्लो सेंसर bolometry
उच्च संकल्प और तेजी से प्रतिक्रिया के साथ एक सिलिकॉन इत्तला दे दी फाइबर ऑप्टिक संवेदन मंच
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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).

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