Summary
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。
Abstract
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。
Introduction
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。
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Protocol
1. 低フィネス センサーの試作
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
2. 高フィネス センサーの試作
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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)。
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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 光検出器に光サーキュレータのポート 3 に接続します。
- 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。
- 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。
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Representative Results
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 aの信号復調システムと共に図 1 aに示されている低フィネス センサーが使用されます。Si FOSP 温度センサーの性能を考えると、それは、特許取得済みの水中計測器23 (図 6 a)、thermoclines かしながらの開放水域を特徴付けるために意図されているに開発されています。このサブセクションは、ミシシッピ州、米国でフリント クリーク貯水池でテスト (図 6 b) フィールドの結果を示します。
図 6 cフリント クリーク貯水池の測定水温躍層を示しています 9 月 13 日th2016。青色の曲線は、Si FOSP 温度センサーによって得られた、赤と黒の線が 2 で得られた商業 Ctd (導電率、温度、および海水の深さを測定するための海洋機器) を参照します。明らかに、Si FOSP 温度センサーは、参照センサーが、余分な情報の束を与える可能性があります (図 6 cのはめ込みを参照) の温度構造の詳細に同意します。Si FOSP 温度センサーによって収集されたより有益なデータは、海洋研究の多くの枝に影響を与えると予想されます。
大規模な - として Si FOSP動的です-範囲フロー センサー
ガスまたは液体の流れの測定は、海洋、気象研究、プロセス コントロール、輸送、および環境モニタリングに重要な情報を提供する可能性があります様々 な学術および産業セクターに極めて重要です。フロー センサーが示すように、Si FOSP 作業の代表の結果。低フィネスの Si FOSP は、このアプリケーションで使用されます。ただし、この流量センサーは、積極的に別のレーザーによって熱されるため検出ヘッドを必要とするので、使用されるシステムが図 4 aに示すから異なっています。具体的には、余分な検出ヘッドをアクティブに使用されてレーザー加熱と流量測定のためのシステムの詳細な説明は、報告された12,13,14をされています。
図 7 aは、商流センサーをサイド ・ バイ ・ サイド比較を水槽内に位置しています Si FOSP フロー センサーを示しています。明らかに、光センサーの読み出しは商流センサーに一般に図 7 b; のように同意します。ただし、Si FOSP フロー センサーの展示多くの明確な応答ときに水の流れが落ち着いて図 7bのクローズ アップ ビューで示すよう。
EMI として Si FOSP免疫高温プラズマ物理ボロメータ
トカマクにおける高温プラズマ物理学を調査する科学者は磁場閉じ込め核融合炉の排気力をコンポーネント24に直面してプラズマに入射熱流束を軽減するために光子に変換しようとしています。図 8 aは、トカマク25のインテリアを示しています。光子の放出は、通常ボロメータによって測定されます。抵抗と赤外線ビデオ サーミスタを実験室環境26,27, 0.2 W/m2と 0.23 W/m2の雑音等価電力密度 (対し) それぞれ、達成している間彼らは厳しい影響を受けます高温プラズマに関連付けられた環境。この作品で報告された Si FOSP 既存のサーミスタに有望な代替手段として際立っています。可能な限り高い解像度を得るためには、図 1 bに示す高フィネス バージョンが使用されます。また、図 5 aに示すように、2 つのチャンネル システムを補償するために使用されますシングル チャネル復調システムと異なるを使用してレーザーの漂流のため別のダミーを参照4,15。
図 8 bは、別の抵抗ボロメータと比較して、ラボ環境で 1 つの Si FOSP ボロメータの測定の結果を与えます。私たち Si FOSP ボロメータは 0.27 W/m2の電子バージョンに対応26,27の近くにあるの対しです。Si FOSP ボロメータが通常高温プラズマ物理学、EMI に対する固有の抵抗を持っていることを指摘し、それはトカマクにおける実用化に向けて大きな約束を保持する予定です。
図 1: 高フィネスと低-技巧 (、) を示す回路図 (b) Si FOSP。75 μ m 厚いシリコン空洞と Si FOSPs の 2 つのバージョンの (c) 模擬反射スペクトル。(破線の曲線に固体) からスペクトルの分シフトの重心高フィネス センサーをはるかに良い。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: 低フィネス Si FOSPs の作製します。(a)-(e) 回路図作製手順と髪の毛と比較して試作したセンサー ヘッドの (f) イメージ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: 高フィネス Si FOSPs の作製します。(させる刺激回路図作製ステップと 1 つの試作したセンサーの (d) イメージ。(D) の挿入は、センサー ヘッドの上面図を示しています。GI MMF、屈折のマルチモード ファイバー。HR は、高反射率。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: 変復調システムと低フィネスの Si FOSP の反射スペクトル、(b) 1 つの典型的なフレームの (a) 回路図システム。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5: (a) 回路図システム復調システムの高フィネスの Si FOSP のスキャンしたスペクトルの (b) 1 つの典型的なフレームです。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 6: 水中温度計として結果を代表します。(試作品の楽器のイメージ a) と (b) フィールドの展開。(c) 測定水温躍層フリント クリーク貯水池、ミシシッピ州、アメリカ、9 月 13 日のth2016。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 7: フロー センサーとして代表結果します。(a) 配置と (b) 商業流量センサーの Si FOSP によって測定された流れとの比較テストの流れのイメージ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 8: 高温プラズマ研究のボロメータとして結果を代表します。(a) トカマク25および (b) の高温プラズマの内部空間のイメージは、ラボ環境での結果を測定しました。この図は、採用は、ウィキ メディア ・ コモンズから変更します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
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に適合したり、パフォーマンスをさらに向上させる様々 なテクニックがあります。たとえば、1,000 ° C28上記操作温度を高めるため、センサーを取り付けるためには、UV 硬化型接着剤を使用する代わりに融着接続技術を適用できます。このような高温度、光デバイスの革新的な種類可能、マイクロ ヒーター、赤外線エミッタ、気泡発生器などです。別の例は、自己温度補償ガス圧力センサーの波長差を使用してオン/オフ11加熱レーザーが有効な場合があります。さらに、新しいピーク認識技術29,30の開発を通じて拡張ダイナミック レンジ上の温度測定を実現できます。
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Disclosures
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。
Acknowledgments
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)。
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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