Summary
Diese Arbeit berichtet eine innovative Silicon-bestückte Glasfaser-Fernerkundung Plattform (Si-FOSP) für hochauflösende und reaktionsschnelle Messung einer Vielzahl von physikalischen Parametern wie Temperatur, Strömung und Strahlung. Anwendungen dieser Si-FOSP reichen von ozeanographische Forschung, mechanische Industrie, Fusionsenergieforschung.
Abstract
In diesem Artikel stellen wir Ihnen eine innovative und praktisch viel versprechende Glasfaser-Fernerkundung Plattform (FOSP), die wir vorgeschlagen und vor kurzem demonstriert. Diese FOSP stützt sich auf ein Silizium Fabry-Perot-Interferometer (FPI) befestigt auf dem Faserende in dieser Arbeit als Si-FOSP bezeichnet. Die Si-FOSP erzeugt ein Interferogramm durch die optische Weglänge (OPL) der Silizium-Kavität bestimmt. Messgröße ändert das OPL und so verschiebt sich das Interferogramm. Aufgrund der einzigartigen optischen und thermischen Eigenschaften von Silizium-Material weist dieser Si-FOSP eine vorteilhafte Performance in Bezug auf die Empfindlichkeit und Geschwindigkeit. Darüber hinaus verleiht die ausgereiften Silizium Herstellung Industrie der Si-FOSP hervorragende Reproduzierbarkeit und low-Cost auf praktische Anwendungen. Abhängig von den spezifischen Anwendungen entweder eine niedrig-Finesse oder High-Finesse-Version genutzt werden, und zwei verschiedene Methoden der Demodulation entsprechend angenommen werden. Detaillierte Protokolle für die Herstellung von beiden Versionen von Si-FOSP werden bereitgestellt. Drei repräsentative Anwendungen und deren entsprechende Ergebnisse werden angezeigt. Ersteres ist ein Prototyp Unterwasser-Thermometer für die Profilierung der Ozean Sprungschichten, das zweite ist ein Durchflussmessgerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in den Ozean, und der letzte ist ein Bolometer zur Überwachung Auspuff Strahlung von magnetisch beschränkt Hochtemperatur-Plasma.
Introduction
Faseroptische Sensoren (FOSs) wurden der Fokus für viele Forscher aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften, wie seine geringe Größe, die niedrigen Kosten, sein geringes Gewicht und seine Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI)1. Diese FOSs haben breite Anwendungen in vielen Bereichen wie Umweltüberwachung, Ozean-Überwachung, Ölförderung und industriellen Prozess unter anderem gefunden. Wenn es darum geht, die temperaturbedingten Abtastung, der traditionellen FOSs sind nicht überlegen in Bezug auf Auflösung und Geschwindigkeit für die Fälle, in denen Messung von Minute und schnelle Temperaturschwankungen wünschenswert ist. Diese Einschränkungen ergeben sich aus der optischen und thermischen Eigenschaften des Werkstoffes Quarzglas auf denen viele traditionelle FOSs basieren. Auf der einen Seite sind die Thermo-Optik-Koeffizient (TOC) und thermischen Ausdehnungskoeffizienten (TEC) von Kieselsäure 1.28x10-5 RIU / ° C und 5.5x10-7 m/(m·°C), beziehungsweise; Diese Werte führen zu einer Temperaturempfindlichkeit von nur etwa 13 Uhr / ° C um die Wellenlänge von 1550 nm. Auf der anderen Seite die thermische Diffusivität, die ein Maß für die Geschwindigkeit der Temperatur ist als Reaktion auf thermische Energieaustausch ändern, ist nur 1.4x10-6 m2/s für Kieselsäure; Dieser Wert ist nicht zur Verbesserung der Geschwindigkeit der Silica-basierten FOSs überlegen.
Die Glasfaser-Sense-Plattform (FOSP) berichtet in diesem Artikel bricht die vorstehenden Haftungsbeschränkungen Fused-Silica-basierten FOSs. Die neue FOSP nutzt kristallines Silizium als Schlüssel sensing Material, bildet eine qualitativ hochwertige Fabry-Perot Interferometer (FPI) am Ende der Faser, hier als Silizium-bestückte FOSP (Si-FOSP) bezeichnet. Abbildung 1 zeigt die schematische und operative Prinzip des Sensorkopfes, die den Kern des Si-FOSP ist. Der Sensorkopf besteht im Wesentlichen aus einem Silizium FPI, deren Reflexion Spektrum verfügt über eine Reihe von regelmäßigen Fransen. Destruktive Interferenz tritt auf, wenn die OPL 2nL erfüllt = Nλ, wo n und L die Brechzahl und Länge des Hohlraums Silizium FP sind, und N ist eine Ganzzahl, die die Reihenfolge der Franse Kerbe ist. Daher sind Positionen der Interferenzstreifen OPL der Silizium-Kavität entgegenkommend. Abhängig von den spezifischen Anwendungen, das Silizium FPI kann erfolgen in zwei Typen: Low-Finesse FPI und hoher Finesse FPI. Niedrig-Finesse FPI hat eine niedrige Reflektivität für beide Enden der Silizium-Kavität, während High-Finesse FPI eine hohe Reflektivität für beide Enden der Silizium-Kavität. Die Reflectivities von Silizium-Luft und Silizium-LWL-Schnittstellen sind etwa 30 % und 18 %, somit das alleinige Silizium FPI, dargestellt in Abbildung 1a ist im Wesentlichen eine niedrig-Finesse FPI. Durch die Beschichtung einer dünne hohe Reflektivität (HR) Schicht an beiden Enden, bildete ein hoher Finesse-Silizium, die FPI ist (Abbildung 1 b). Reflektivität der HR-Beschichtung (dielektrische oder Gold) kann bis zu 98 %. Für beide Arten von Si-FOSP erhöhen n und L Wenn die Temperatur steigt. So kann durch die Überwachung der Fringe-Verschiebung, die Temperaturschwankung abgeleitet werden. Beachten Sie, dass für die gleiche Menge an Wellenlängenverschiebung, hoher Finesse FPI eine bessere Diskriminierung aufgrund der viel schmaler Rand Kerbe (Abbildung 1 c bietet). Während der hoch-Finesse Si-FOSP besseren Auflösung hat, hat die Low-Finesse Si-FOSP einen größeren Dynamikbereich. Daher hängt die Wahl zwischen diesen beiden Versionen auf die Anforderungen einer bestimmten Anwendung. Darüber hinaus unterscheiden sich aufgrund des großen Unterschieds in volle Breite am halben Maximum (FWHM) von niedrig-Finesse und hoher Finesse Silizium FPIs, deren Signal Demodulation Methoden. Zum Beispiel die theoretische FWHM von 1,5 nm reduziert sich durch über 50 Mal auf nur 30 pm wenn beide Enden des alleinigen Siliziums FPI mit einer 98 % HR überzogen sind. Daher für die Low-Finesse-Si-FOSP, ein High-Speed-Spektrometer ausreichen würde für die Datenerfassung und Verarbeitung, während ein Scan Laser benutzt werden sollte, zu hoher Finesse Si-FOSP durch die viel schmalere FWHM demodulieren, die auch von nicht aufgelöst werden kann die Spektrometer. Die beiden Methoden der Demodulation werden im Protokoll erklärt werden.
Die hier gewählte Silizium-Material ist für Temperatur sensing in Sachen Auflösung überlegen. Zum Vergleich sind die TOC und TEC von Silizium 1.5x10-4 RIU / ° C und 2.55x10-6 m/(m∙°C), bzw. führt zu einer Temperaturempfindlichkeit der rund 84,6 pm / ° C, ca. 6,5-Mal höher als die aller Silica-basierten FOSs2ist. Neben dieser viel höhere Empfindlichkeit haben wir demonstriert eine durchschnittliche Wellenlänge tracking-Methode auf, um den Geräuschpegel zu reduzieren und damit die Auflösung für einen Low-Finesse-Sensor führt zu einer Temperaturauflösung von 6 x 10-4 ° C 2, in im Vergleich zu der Auflösung von 0,2 ° C für alle Silica-basierten FOS3. Die Auflösung wird weiter verbessert, um sein 1.2x10-4 ° C für eine hoch-Finesse Version4. Die Silizium-Material ist auch für die Abtastung in Bezug auf Geschwindigkeit überlegen. Zum Vergleich: ist die thermische Diffusivität Silizium 8.8x10-5 m2/s, die mehr als 60 Mal höher als die von Kieselsäure2. In Kombination mit einem geringen Platzbedarf (z.B. 80 µm Durchmesser, 200 µm Dicke), demonstriert die Antwortzeit von 0,51 ms für eine Silizium wurde FOS2, im Vergleich zu den 16 ms eines Mikro-Silica-Faser-Koppler Tipp Temperatur Sensor5. Obwohl einige der Forschung arbeiten Sie im Zusammenhang mit Temperaturmessung mit sehr dünnen Silizium-Film, wie die Fernerkundung Material von anderen Gruppen6,7,8,9, keiner von ihnen berichtet wurde die Leistung unserer Sensoren in Bezug auf Auflösung oder Geschwindigkeit besitzt. Zum Beispiel, den Sensor mit einer Auflösung von nur 0,12 ° C und eine lange Reaktionszeit von 1 s wurde berichtet. 7 eine bessere Temperaturauflösung 0,064 ° c wurde berichtet,10; Allerdings wird die Geschwindigkeit durch den relativ sperrig Sensorkopf begrenzt. Was macht die Si-FOSP einzigartige liegt in der neuen Herstellungsverfahren und Datenverarbeitung Algorithmus.
Neben den oben genannten Vorteilen für die Abtastung von Temperatur die Si-FOSP kann auch entwickelt werden, in einer Vielzahl von temperaturbedingten Sensoren zur Messung verschiedener Parameter wie z. B. Gas Druck11, Luft oder Wasser fließen12,13 ,14 und Strahlung4,15. Dieser Artikel stellt eine detaillierte Beschreibung des Sensors Fertigung und Signal Demodulation Protokolle zusammen mit drei repräsentative Anwendungen und deren Ergebnisse.
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Protocol
1. Herstellung von Low-Finesse-Sensoren
- Die Silizium-Säulen zu fabrizieren. Muster ein Stück 200 µm dicken Doppel-Seite-poliert (DSP) Silizium-Wafer in Standalone-Silizium-Säulen (Abbildung 2a), mit standard Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) Herstellung erleichtert.
Hinweis: Die gemusterte Wafer wird auf einem anderen größeren Silizium-Wafer mit einer dünnen Schicht von Fotolack verklebt. Die Verklebung der Fotolack ist stark genug, um die Säulen halten Sie aufrecht, aber auch schwach genug, um das Substrat für spätere Schritte trennen. - Bereiten Sie die Lead-Faser. Die Kunststoffbeschichtung des distalen Endes eine Monomode-Glasfaser abzustreifen. Reinigen Sie die abisolierten Abschnitt mit ein Linsenpapier mit Alkohol getaucht. Spalten Sie die gereinigte Faser mit einer Glasfaser-Beil.
- Dünn auftragen von UV-härtender Klebstoff an der Stirnseite der gespalten Lead-in-Faser (Abb. 2 b). Setzen Sie einen kleinen Tropfen des UV-härtender Klebstoff auf einem Objektträger. Dünne Kleberschicht durch Spin-Coating oder manuell schwenken die Objektträger. Übertragen Sie der Klebstoffschicht auf Faserendes durch Drücken der Stirnfläche der Lead-Faser gegen den Objektträger.
- Legen Sie eine Silizium-Säule auf dem Faserende. Richten Sie die Lead-Faser mit einem Silizium-Säulen, inzwischen überwachen Sie das Echtzeit-Spiegelung-Spektrum des Siliziums FPI mit einem Spektrometer. Verwenden Sie eine UV-Lampe, um den Kleber zu heilen, wenn eine zufriedenstellende Spektrum (Abbildung 2 c) beobachtet wird.
Hinweis: In der Regel dauert die Aushärtung ca. 10 bis 15 Minuten. - Lösen Sie den Sensor vom Substrat. Nach der UV Kleber vollständig ausgehärtet ist, heben Sie die Lead-Faser zusammen mit der Silizium-Säule aus dem Substrat (Abb. 2d) abgelöst.
Hinweis: Einige restliche Fotolack ist auf der Oberseite der Silizium-Säule (Abb. 2e) blieb. In den meisten Fällen betrifft die restliche Photoresist nicht die Funktion des Sensors. Bei Bedarf kann die Photoresist-Schicht durch Alkohol entfernt werden. - Untersuchen Sie die fabrizierten Sensorkopf. Verwenden Sie ein Mikroskop um zu untersuchen, die Geometrie des Sensorkopfes hergestellt. Ein typisches Bild eines Sensors erfolgreich hergestellt wird in Abbildung 2fgesehen.
2. Herstellung von High-Finesse-Sensoren
- Beide Seiten von einem Silizium-Wafer mit hoher Reflektivität Spiegel zu beschichten. Mantel einseitig von einem 75 µm dicken Doppel-Seite-poliert Silizium-Wafer mit einer 150 nm dicken Goldschicht mit einer stotternden Streichmaschine, und die andere Seite mit einem hohen Reflektivität (HR) dielektrische Spiegel Mantel.
Hinweis: Die dielektrische HR-Beschichtung war von einer externen Firma erledigt; Reflektivität der Beschichtung wurde getestet, um nicht weniger als 98 % von der Firma. Jedoch detaillierte Materialien und die Struktur der Beschichtung sind aufgrund der proprietären Schutz durch die Firma unbekannt, siehe die Tabelle der Materialien für mehr Informationen. - Bereiten Sie die kollimierten Lead-in-Faser. Splice einen kurzen Abschnitt der benotet-Index Multimode-Faser (GI-MMF) mit einer Singlemode-Faser, und dann, unter dem Lichtmikroskop cleave GI-MMF mit einem Viertel der Zeit der leichte Bahn innerhalb der MMF links bilden eine Faser-Kollimator (Abbildung 3a ).
Hinweis: Die GI-MMF wird verwendet, um die modalen Feld-Durchmesser zu erweitern, so dass ein Spektrum mit einer besseren Sicht4,16erreicht werden kann. Die Länge des GI-Geldmarktfonds, die rund 250 µm in dieser Arbeit ist, ist genau ein Viertel der Periode von Ray Flugbahn. - Die Lead-Faser eine fragmentierte beidseitig beschichteten Silizium zuordnen. Montieren Sie einen hoch-Finesse-Sensor indem Sie ähnliche Schritte der Befestigung einer Silizium-Säule bis zum Faserende zur Herstellung von Low-Finesse Sensoren (1,3 – 1,5 Stufen).
Hinweis: Die Seite mit der dielektrischen Beschichtung wird der Kollimator zu vermieten in das kommende Licht (Abb. 3 b, 3 c) beizufügen. In diesem Fall ist die vorherigen Silizium-Säule mit einem Silizium-Fragment ersetzt, die nicht gemustert wurde. In Zukunft wird die gemusterten Silizium-Wafer mit hoher Reflektivität Spiegel, beschichtet werden, so, dass die Sensoren einheitlicher und einfacher für die Fertigung. Der Unterschied in der Fertigungsschritte von 1,3-1,5 ist, dass eine Reflexion Spektren Kerbe mit richtigen Sichtbarkeit zuerst erhalten werden sollte, bevor der Leim an der Stirnseite des Kollimators überging. - Polieren Sie die unregelmäßig geformten Silikon-Fragment in eine Runde Form mit einer Faser Poliermaschine.
- Untersuchen Sie die fabrizierten Sensorkopf. Verwenden Sie ein Mikroskop untersuchen den Sensorkopf um sicherzustellen, dass eine wünschenswerte Kreisform erreicht (Abbildung 3d).
3. Signal Demodulation für Low-Finesse Si-FOSP
Hinweis: Das System verwendet für demodulieren Low-Finesse Si-FOSP zeigt Abbildung 4a. Die folgenden detaillierten Schritte helfen das System einrichten und durchführen der Datenverarbeitung.
- Schließen Sie ein C-Band-Breitbandanschluss um Anschluss 1 von einer optischen Zirkulator.
- Splice Port 2 des optischen Zirkulator mit der Lead-Faser eines Low-Finesse-Sensors.
- Verbinden Sie Port 3 des optischen Thermostaten mit High-Speed-Spektrometer, der mit einem Computer für die Datenspeicherung kommuniziert.
- Überprüfen Sie das Spektrum des Sensors, um sicherzustellen, dass das System ordnungsgemäß funktioniert. Sehen Sie das typische Spektrum in Abbildung 4 bdargestellt.
(4) Signal Demodulation für High-Finesse Si-FOSP
Hinweis: Das System verwendet für demodulieren High Finesse Si-FOSP ist in Abbildung 5adargestellt. Die folgenden detaillierten Schritte helfen das System einrichten und die Nachbearbeitung der Daten zu tun.
- Einen abstimmbaren DFB-Laser mit einem aktuellen Controller zu fegen.
Hinweis: Die Peak to Peak geschwungene Spannung, die für verschiedene Laser und Controller variiert, sollte groß genug, um die Kerbe Spektrum abdecken. - Verbinden Sie den Ausgang des abstimmbaren Lasers Anschluss 1 von einer optischen Zirkulator.
- Splice Port 2 des optischen Thermostaten zu einem High-Finesse-Sensor.
- Verbinden Sie Port 3 des optischen Thermostaten mit einem Photodetektor.
- Verwenden Sie ein Datenerfassungsgerät, um die Ausgabe der Photodetektor, zu lesen, die von einem Computer gespeichert ist.
- Überprüfen Sie das Spektrum des Sensors, um sicherzustellen, dass das System ordnungsgemäß funktioniert. Sehen Sie einen typischen Rahmen des Spektrums in Abbildung 5 bgezeigt. Die Tallage mit einem Polynom Kurvenanpassung zu finden.
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Representative Results
Si-FOSP als ein Unterwasser Thermometer für die Profilerstellung Ozean Sprungschichten
Den letzten ozeanographische Forschung hat gezeigt, dass die Unschärfe der Unterwasser Bildgebung ergibt sich nicht nur von Trübung in kontaminierten Gewässern, sondern auch von Temperatur Mikrostrukturen in sauberes Meer17,18. Letztere wurde der Schwerpunkt der vielen Ozeanographen, mit dem Ziel, finden ein wirksames Mittel zur Behebung der unscharfen Bildern19, besser zu verstehen und verbessern die optische Kommunikation im Wasser, sowie Mittel zur Quantifizierung der Turbulenzen im entwickeln der Meer20,21. Die Si-FOSP verwendet als Temperatursensor wurde nachgewiesen, das aktuelle Gegenstück zur Messung der schnelle Temperaturschwankungen von Wasser Turbulenzen22zu übertreffen. In dieser Anwendung ist dargestellt in Abbildung 1a zusammen mit Demodulation Signalsystem in Abbildung 4a Low-Finesse-Sensor verwendet. Da die überlegene Performance der Si-FOSP-Temperatur-Sensor, wurde eine patentierte Unterwasser Instrument23 (Abb. 6a), entwickelte sich daraus die Sprungschichten von offenen Gewässern kennzeichnen soll. Dieser Unterabschnitt präsentiert die Ergebnisse eines Feldes (Abb. 6 b) Tests zu Flint Creek Reservoir in Mississippi, USA.
Abbildung 6 c zeigt eine gemessene Sprungschicht Flint Creek Reservoir am 13. Septemberth, 2016. Die blaue Kurve wurde durch die Si-FOSP-Temperatur-Sensor erhalten, während die roten und schwarzen Kurven durch zwei gewonnen wurden kommerzielle CTDs (Ozeanographie Instrumente zur Messung der Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe des Meerwassers) verweisen. Natürlich stimmt die Si-FOSP-Temperatur-Sensor mit den Referenzsensoren, aber mit mehr Details der Temperaturstrukturen (siehe Kasten von Abbildung 6 c), die ein paar zusätzliche Informationen geben können. Informativen erhobenen Daten durch die Si-FOSP-Temperatur-Sensor werden voraussichtlich viele Zweige der ozeanographischen Forschung auswirken.
Si-FOSP als ein groß- dynamische -Bereich Flow-Sensor
Messung von Gas oder Flüssigkeit fließt ist Dreh-und Angelpunkt in verschiedenen akademischen und industriellen Sektoren, die wichtige Informationen zur Meereskunde, Wetter Forschung, Prozesssteuerungen, Transport und Umweltüberwachung vorsehen. Repräsentative Ergebnisse der Si-FOSP zu arbeiten, wie einen Durchflusssensor nachgewiesen werden. Ein Low-Finesse Si-FOSP ist für diese Anwendung verwendet. Da diese Durchflusssensor der Sensorkopf aktiv durch einen anderen Laser erhitzt werden muß, ist das System verwendet jedoch etwas anders als das in Abbildung 4aangezeigt. Insbesondere eine zusätzliche Heizung Laser wird verwendet, um den Sensorkopf aktivieren und eine detaillierte Beschreibung des Systems zur Durchflussmessung wurde gemeldeten12,13,14.
Abbildung 7a zeigt den Si-FOSP-Flow-Sensor befindet sich in einem Wassertank mit einem Side-by-Side-Vergleich zu einem kommerziellen Durchflusssensor. Natürlich stimmt Auslesen des Sensors Faser im Allgemeinen mit derjenigen der kommerziellen Durchflusssensor, wie in Abbildung 7dargestellt; Allerdings weist der Si-FOSP-Durchflusssensor eine viel klarere Antwort wenn das Wasser fließt zu beruhigen, wie in Nahaufnahme in Abbildung 7dargestellt.
Si-FOSP als ein EMI- immun Bolometer für Hochtemperatur - Plasmaphysik
Hochtemperatur-Plasmaphysik in Tokamaks untersuchen Wissenschaftler versuchen, die Auspuff-Kraft der magnetischen Einschluss Fusionsreaktoren in Photonenemission Milderung den Wärmestrom ausgewirkt auf die plasmanahe Komponenten24zu konvertieren. Abbildung 8a zeigt das Innere eines Tokamak-25. Die Photonenemission ist in der Regel von einem Bolometer gemessen. Während resistiven und Infrarot-video-Bolometer eine Lärm äquivalenten Leistungsdichte (NEPD) von 0,2 W/m2 und 0,23 W/m2, bzw. in einer Labor-Umgebung26,27, erreicht haben, sind sie anfällig für den rauen die Hochtemperatur-Plasma zugeordnete Umgebung. Die Si-FOSP berichtet in diesem Werk zeichnet sich als eine vielversprechende Alternative zu den bestehenden Bolometer. Um eine möglichst hohe Auflösung zu erhalten, wird die High-Finesse-Version gezeigt in der Abbildung 1 b verwendet werden. Auch, etwas anders als das Einkanal-Demodulation System dargestellt in Abbildung 5a, ein zwei-Kanal-System verwendet wird, um zu entschädigen für die Drift des Lasers mit anderen dummy verweisen4,15.
Abbildung 8 b gibt die gemessenen Ergebnisse einer Si-FOSP-Bolometer in einer Laborumgebung, im Vergleich zu anderen resistiven Bolometer. Unsere Si-FOSP-Bolometer hat eine NEPD von 0,27 W/m2 in der Nähe der elektronischen Pendants26,27. Feststellend, dass die Si-FOSP-Bolometer Eigenwiderstand, EMI, die in der Regel in der Hochtemperatur-Plasmaphysik gefunden hat, wird es voraussichtlich große Versprechungen auf praktische Anwendungen in Tokamaks zu halten.
Abbildung 1: Schaltplan zeigt die niedrig-Finesse (a) und hoher Finesse (b) Si-FOSP. (c) simulierte Reflexion Spektren der beiden Versionen des Si-FOSPs mit einem 75 µm dicken Silikon Hohlraum. Die winzige Verschiebung des Spektrums (vom festen in den gestrichelten Kurven) ist viel besser durch die hoch-Finesse-Sensor diskriminiert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: Herstellung von Low-Finesse Si-FOSPs. (a)-(e) schematische Fertigungsschritte und (f) Bild von einem vorgefertigten Sensorkopf gegenüber ein menschliches Haar. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3: Herstellung von hoch-Finesse Si-FOSPs. (a)-(c) schematische Fertigungsschritte und (d) Bild eines vorgefertigten Sensors. (D) sehen Sie die Draufsicht des Sensorkopfes. GI-MMF, benotet-Index Multimode-Faser; HR, hoher Reflektivität. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4: (a) schematische System des Systems der Demodulation und (b) eine typische Rahmen der Reflexion Spektrum für eine Low-Finesse Si-FOSP. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5: (a) schematische System des Systems der Demodulation und (b) eine typische Rahmen von gescannten Frequenzen für eine hoch-Finesse Si-FOSP. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 6: Vertreter ergibt sich, wie ein Unterwasser Thermometer. (a) Bild und (b) Feld Bereitstellung des Prototyp Sensor Instruments. (c) gemessen Sprungschicht Flint Creek Reservoir, Mississippi, USA, am 13. Septemberth, 2016. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 7: Vertreter ergibt sich, wie einen Durchflusssensor. (a) Bild der Strömung Anordnung und (b) Vergleich zwischen Feld gemessenen Durchfluss durch die Si-FOSP und der kommerziellen Durchflusssensor testen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 8: Vertreter ergibt sich, wie ein Bolometer für Hochtemperatur-Plasmaforschung. (a) Bild des Raumes in einem Tokamak-25 und (b) innere Hochtemperatur-Plasmen Messergebnisse in einer Laborumgebung. Diese Zahl ist angenommen und geändert von Wikimedia Commons. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
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Discussion
Die Wahl der Größe (Länge und Durchmesser) des Siliziums FPI erfolgt auf einen Kompromiss zwischen der Anforderungen an die Auflösung und Geschwindigkeit. In der Regel eine kleinere Größe bietet eine höhere Geschwindigkeit sondern senkt auch die Lösung2. Eine kurze Länge ist vorteilhaft für die Erlangung einer höheren Geschwindigkeit, aber es ist nicht für den Erhalt einer hohen Auflösung aufgrund der erweiterten FWHM der Reflexion Kerben überlegen. Mit HR Beschichtungen reduzieren die FWHM kann helfen, die Auflösung zu verbessern, aber es wird den dynamischen Bereich aufgrund der Signal-Demodulation mit Laserscanning begrenzen. Ein kleinerer Durchmesser erhöht die Geschwindigkeit, aber der Durchmesser sollte größer als der Durchmesser der modalen Feld der Lead-Faser, so dass ein gutes Spektrum erreicht werden kann. Es ist, jedoch auch festgestellt, dass Silizium Durchmesser größer ist als die der Faser hilft, die Empfindlichkeit für Bolometry aufgrund der reduzierten Wärmeleitung Wärmeverlust an die Faser4zu verbessern. Daher ist die Wahl der Sensorgröße stark abhängig von den spezifischen Anwendungen.
Obwohl wir nur sehr grundlegende Strukturen, Herstellung Protokolle und Demodulation Signalanlagen für die Si-FOSP zeigen, gibt es verschiedene Techniken, die in anderen Anwendungen passen oder die Leistung weiter verbessern können. Beispielsweise kann anstelle von UV-härtender Klebstoff, den Sensor anbringen, eine Fusion Spleißen Technik angewendet werden, um die Betriebstemperatur über 1.000 ° C28zu erhöhen. Mit einem hohen Betriebstemperatur können innovative photonische Gerätetypen wie Mikro-Heizungen, Infrarot-Strahler und Blase Generatoren erfolgen. Ein weiteres Beispiel ist die selbst-Temperatur kompensierten Druck Gassensorik mit der Wellenlänge Unterschied, wenn die Heizung Laser und ab11 eingeschaltet ist. Darüber hinaus kann durch die Entwicklung von neuartigen Peak Erkennung Techniken29,30, Temperaturmessung über erweiterten Dynamikbereich realisiert werden.
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Disclosures
Ein US-Patent (Nr. 9995628 B1) wurde herausgegeben, um die damit verbundenen Technologien zu schützen.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde unterstützt durch US Naval Research Laboratory (Nos. N0017315P0376, N0017315P3755); US Office of Naval Research (Nos. N000141410139, N000141410456); US Department of Energy (Nos. 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 |
References
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