Summary
Dit werk meldt een innovatief silicium-tipped glasvezel sensing platform (Si-FOSP) voor hoge resolutie en snelle-reactie meting van een verscheidenheid van fysieke parameters, zoals temperatuur, stroming en straling. Toepassingen van deze Si-FOSP beslaan van oceanografisch onderzoek, mechanische industrie, aan onderzoek naar fusie-energie.
Abstract
In dit artikel introduceren we een innovatieve en praktisch veelbelovende glasvezel sensing platform (FOSP) die wij voorgesteld en onlangs aangetoond. Deze FOSP is afhankelijk van een silicium Fabry-Pérot-interferometer (FPI) gekoppeld aan het einde van de vezel, hierna aangeduid als Si-FOSP in dit werk. De Si-FOSP genereert een interferogram bepaald door de optische weglengte (OPL) van de silicium-spouw. Te meten grootheid verandert de OPL en dus verschuift het interferogram. Vanwege de unieke optische en thermische eigenschappen van het materiaal silicium vertoont deze Si-FOSP een voordelige prestaties in termen van gevoeligheid en snelheid. Bovendien schenkt de volwassen silicon fabricage-industrie de Si-FOSP met uitstekende reproduceerbaarheid en lage kosten naar praktische toepassingen. Afhankelijk van de specifieke toepassingen, ofwel een lage-finesse of high-finesse versie zal worden gebruikt, en twee verschillende methoden van demodulatie zal dienovereenkomstig worden vastgesteld. Gedetailleerde protocollen voor het fabriceren van beide versies van de Si-FOSP zal worden verstrekt. Drie representatieve toepassingen en de bijbehorende volgens resultaten getoond. Het ene is een prototype onderwater thermometer voor profilering van de thermoclines van de Oceaan, de tweede is een flowmeter voor het meten van de snelheid van de stroming in de Oceaan, en de laatste is een bolometer gebruikt voor de controle van de uitlaatgassen straling van magnetisch beperkt hoge-temperatuur plasma.
Introduction
Glasvezel sensoren (FOSs) geweest de focus voor veel onderzoekers als gevolg van zijn unieke eigenschappen, zoals de geringe grootte, zijn low-cost zijn lichte gewicht en de immuniteit voor elektromagnetische interferentie (EMI)1. Deze FOSs heb brede toepassingen in vele gebieden, zoals milieubewaking, Oceaan surveillance, olie-exploratie en industrieel proces onder andere. Als het gaat om de temperatuur-gerelateerde sensing, zijn niet de traditionele FOSs superieur in termen van resolutie en snelheid voor de gevallen waar meting van notulen en snelle temperatuurschommelingen wenselijk is. Deze beperkingen vloeien voort uit de optische en thermische eigenschappen van het materiaal van de gesmolten siliciumdioxide waarop vele traditionele FOSs zijn gebaseerd. Aan de ene kant de thermo-optic coëfficiënt (TOC) en thermische uitzetting coëfficiënt (TEC) van silica zijn 1.28x10-5 RIU / ° C en 5.5x10-7 m/(m·°C), respectievelijk; deze waarden leiden tot een temperatuur gevoeligheid van slechts ongeveer 13 pm / ° C rond de golflengte van 1550 nm. Aan de andere kant, de thermische richtgetal, die is een maat voor de snelheid van de temperatuur wijzigen in reactie op thermische energie-uitwisseling, is alleen 1.4x10-6 m2/s voor silica; Deze waarde is niet superieur voor verbetering van de snelheid van silica gebaseerde FOSs.
De glasvezel sensing platform (FOSP) gemeld in dit artikel breekt de bovenstaande beperkingen van gesmolten siliciumdioxide gebaseerde FOSs. De nieuwe FOSP maakt gebruik van kristallijn silicium als de sleutel sensing materiaal, dat een kwalitatief hoogwaardige Fabry-Pérot-interferometer (FPI) op het einde van de vezel vormt, hier silicium-tipped FOSP (Si-FOSP) genoemd. Figuur 1 toont de schematische en operationele principe van de sensor-hoofd, dat de kern van de Si-FOSP is. Het hoofd van de sensor bestaat hoofdzakelijk uit een silicium FPI, waarvan reflectie spectrum beschikt over een reeks periodieke franjes. Destructieve storing treedt op wanneer de OPL voldoet aan 2nL = Nλ, waar n en L de brekingsindex en de lengte van de silicon FP Holte, respectievelijk zijn, en N is een geheel getal dat de volgorde van de fringe inkeping. Daarom zijn de standpunten van de interferentie marge inspelen op de OPL van de silicium-holte. Afhankelijk van de specifieke toepassingen, het silicium FPI kan worden gemaakt in twee typen: laag-finesse FPI en hoge-finesse FPI. De lage-finesse FPI heeft een lage reflectiecoëfficiënt voor beide uiteinden van de silicium-Holte, terwijl de hoge-finesse FPI een hoge reflectiviteit voor beide uiteinden van de silicium-Holte heeft. De reflectiecoëfficiënt van silicium-lucht en silicium-vezel interfaces zijn ongeveer 30% en 18%, dus de enige silicium FPI weergegeven in Figuur 1a is in wezen een lage-finesse FPI. Een hoge-finesse silicon die FPI is gevormd door de coating een dunne hoge-reflectiviteit (HR) laag aan beide uiteinden, (Figuur 1b). Reflectiviteit van de HR-coating (diëlektricum of goud) kunnen maar liefst 98 procent zijn. Voor beide soorten Si-FOSP toenemen n zowel L wanneer de temperatuur stijgt. Dus, door monitoring van de verschuiving van de rand, de variatie van de temperatuur kan worden afgeleid. Merk op dat voor de zelfde hoeveelheid golflengte shift, de hoge-finesse FPI een betere discriminatie als gevolg van de veel smaller fringe inkeping (Figuur 1 c geeft). Terwijl de hoog-finesse Si-FOSP betere resolutie, heeft de lage-finesse Si-FOSP een groter dynamisch bereik. De keuze tussen deze twee versies is daarom, afhankelijk van de vereisten van een specifieke toepassing. Bovendien, vanwege het grote verschil in de volle breedte op halve maximum (FWHM) van de lage-finesse en hoge-finesse silicium FPIs, hun signaal demodulatie methoden zijn verschillend. Bijvoorbeeld de theoretische FWHM van 1.5 nm is met verlaagd over 50 keer naar slechts 30 pm wanneer beide uiteinden van het enige silicium FPI zijn bekleed met een laag van de HR 98%. Daarom, voor de lage-finesse Si-FOSP, een snelle spectrometer voldoende zou zijn voor de gegevensverzameling en -verwerking, terwijl een scan laser moet worden gebruikt voor het demodulate van de hoge-finesse Si-FOSP als gevolg van de veel smaller FWHM dat kan worden opgelost door goed de spectrometer. De twee demodulatie methoden worden beschreven in het protocol.
Het siliconen materiaal gekozen hier is superieur voor temperatuur sensing in termen van resolutie. Ter vergelijking zijn de TOC en TEC van silicium 1.5x10-4 RIU / ° C en 2.55x10-6 m/(m∙°C), respectievelijk, wat leidt tot een gevoeligheid van de temperatuur van rond 84.6 pm / ° C ongeveer 6,5 keer hoger is dan die van alle silica gebaseerde FOSs2. Naast deze veel hogere gevoeligheid, we hebben laten zien een gemiddelde golflengte tracking methode om te verminderen het geluidsniveau en dus verbeteren de resolutie voor een lage-finesse sensor, leidt tot een resolutie van de temperatuur van 6 x 10-4 ° C 2, vergelijking met de resolutie van 0,2 ° C voor een alle op silica gebaseerde FOS3. De resolutie is verbeterd om te worden 1.2x10-4 ° C voor een hoge-finesse versie4. Het materiaal silicium is ook superieur voor sensing in termen van snelheid. Ter vergelijking is de thermische richtgetal van silicium 8.8x10-5 m2/s, dat is meer dan 60 keer hoger dan die van silica2. Gecombineerd met een kleine footprint (b.v., 80 µm diameter, dikte van 200 µm), de reactietijd van 0.51 ms voor een silicium die Fos geweest2, in vergelijking met de 16 ms voor een micro-silica-fiber coupler tip temperatuur sensor5aangetoond. Hoewel sommige onderzoek werken gerelateerd aan temperatuurmeting met behulp van zeer dunne silicium film zoals het sensing materiaal is gemeld door andere groepen6,7,8,9, geen van hen beschikt over de prestaties van onze sensoren qua resolutie of snelheid. Bijvoorbeeld, de sensor met een resolutie van slechts 0,12 ° C en een lange reactietijd van 1 s werd gemeld. 7 die een betere resolutie van de temperatuur van 0.064 ° C is gemeld10; de snelheid wordt echter beperkt door het hoofd relatief omvangrijke sensor. Wat maakt de Si-FOSP unieke ligt in de nieuwe methode van de vervaardiging en de verwerking van gegevens algoritme.
Naast de bovenstaande voordelen voor temperatuur sensing, de Si-FOSP kan ook worden ontwikkeld in een verscheidenheid van temperatuur-gerelateerde sensoren die gericht zijn op het meten van verschillende parameters, zoals gas druk11, lucht of water stromen12,13 ,14 , en straling4,15. Dit artikel geeft een gedetailleerde beschrijving van de sensor fabricage en signaal demodulatie protocollen samen met drie representatieve toepassingen en de bijbehorende resultaten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. fabricage van Low-Finesse sensoren
- De pijlers van silicium te fabriceren. Patroon van een stuk van 200 µm-dikke dubbele-side-gepolijst (DSP) silicium wafer in standalone silicon pijlers (Figuur 2a), met behulp van standaard micro-elektromechanisch systeem (MEMS) fabricage vergemakkelijkt.
Opmerking: Het patroon wafer is gebonden op een andere grotere silicium wafer met behulp van een dun laagje fotoresist. De kracht van de hechting van de fotoresist is sterk genoeg om te houden van de pijlers rechtop, maar ook zwak genoeg om het losmaken van de ondergrond voor latere stappen. - Bereiden de lead-in vezel. Strip uit de plastic coating van het distale einde van een enkelvoudige modus optische vezel. Reinig de gestripte sectie met behulp van een lens weefsel gecoat met alcohol. Klieven van de schoongemaakte vezel met behulp van een optische vezel cleaver.
- Breng een dunne laag van UV-uithardende lijm op de einde-gezicht van de gekloofd lead-in vezel (Figuur 2b). Zet een kleine daling van UV-uithardende lijm op een stukje glasplaatje. Dun de lijm laag door spin-coating of handmatig swingende het glasplaatje. Breng de lijm laag aan het einde van de vezel door te drukken op het gezicht van de eind van de inleidende vezel tegen het glasplaatje.
- Een silicium pijler hechten aan het einde van de vezel. Uitlijnen van de lead-in vezel met een van de pijlers van het silicium, ondertussen toe op het spectrum van de real-time reflectie van het silicium met behulp van een spectrometer FPI. Het gebruik van een UV-lamp uitharden van de lijm wanneer een bevredigende spectrum wordt waargenomen (Figuur 2 c).
Opmerking: In het algemeen, het genezen proces duurt ongeveer 10 tot 15 minuten. - Loskoppelen van de sensor van het substraat. Na de UV lijm volledig is uitgehard, hef de lead-in vezel samen met de pijler van de silicon losgekoppeld van het substraat (figuur 2d).
Opmerking: Sommige residuele fotoresist is bleef op de bovenkant van de silicium-pijler (figuur 2e). Voor de meeste gevallen, de resterende fotoresist heeft geen invloed op de functie van de sensor. Indien nodig, kan de fotoresist laag worden verwijderd door alcohol. - Onderzoeken van het hoofd van de gefabriceerde sensor. Gebruik een microscoop om te onderzoeken van de geometrie van het hoofd van de gefabriceerde sensor. Een typisch beeld van een sensor met succes vervaardigd is te zien in figuur 2f.
2. fabricage van High-Finesse sensoren
- Jas beide zijden van een silicium wafer met hoge-reflectiviteit spiegels. Jas van één zijde van een 75-µm-dikke dubbele-side-gepolijst silicium wafer met een 150 nm dikke gouden laag met behulp van een sputteren coating machine, en de andere zijde met een hoge-reflectiviteit (HR) diëlektrische spiegel jas.
Opmerking: De diëlektrische HR-coating werd gedaan door een ander bedrijf; reflectiviteit van deze bekleding was getest op niet minder dan 98% van het bedrijf. Gedetailleerde materialen en de structuur van de coating zijn onbekend als gevolg van de eigen bescherming door het bedrijf echter, zie de Tabel van materialen voor meer informatie. - De vezel collimated lead-in voor te bereiden. Splice een kort gedeelte van ingedeeld-index multi-mode vezel (GI-MMF) met een enkelvoudige modus vezel, en vervolgens, onder een optische Microscoop, klieven het GI-MMF met een kwart van de periode van de lichte baan binnen het MMF links om te vormen van een collimator van de vezel (Figuur 3a ).
Opmerking: De GI-MMF wordt gebruikt om uit te breiden van de diameter van de modale veld zodat een spectrum met een beter inzicht kan worden verkregen4,16. De lengte van het GI-MMF, oftewel ongeveer 250 µm in dit werk, is precies een kwart van de periode van de ray-traject. - Bevestig een gefragmenteerde dubbele-side gecoate silicium naar de lead-in fiber. Een hoge-finesse sensor monteren door de soortgelijke stappen van een silicium pijler verbonden aan het einde van de vezel voor het fabriceren van lage-finesse sensoren (stappen 1.3-1.5).
Opmerking: De kant met de diëlektrische coating zal worden gehecht aan de collimator te laten in het komende licht (Figuur 3b, 3 c). In dit geval wordt de vorige silicon pijler vervangen door een fragment van silicium, die was niet patroon. In de toekomst zal het patroon silicium wafer worden bekleed met de hoge-reflectiviteit spiegels, zodat de sensoren uniforme en eenvoudiger voor fabricage zijn. Het verschil in de stappen van de fabricage van 1.3-1.5 is dat een reflectie spectra inkeping met goede zichtbaarheid eerst moet worden verkregen, voordat de lijm werd overgeplaatst naar het gezicht van de einde van de collimator. - Pools het onregelmatig gevormde silicium-fragment in een ronde vorm met behulp van een vezel polijsten machine.
- Onderzoeken van het hoofd van de gefabriceerde sensor. Gebruik een microscoop om te onderzoeken van het hoofd van de sensor om ervoor te zorgen dat er een wenselijk cirkelvorm wordt bereikt (figuur 3d).
3. signaal demodulatie voor laag-Finesse Si-FOSP
Opmerking: Het systeem dat wordt gebruikt voor het demodulating van de lage-finesse Si-FOSP wordt weergegeven in figuur 4a. De volgende gedetailleerde stappen helpen opzetten van het systeem en het uitvoeren van de verwerking van gegevens.
- Verbinding maken met een C-band breedband bron poort 1 van een optische rondpompthemostaat.
- Splice poort 2 van de optische rondpompthemostaat met de lead-in vezel van een lage-finesse sensor.
- Poort 3 van de optische rondpompthemostaat verbinden met een snelle spectrometer die met een computer voor gegevensopslag communiceert.
- Controleer het spectrum van de sensor om ervoor te zorgen dat het systeem goed werkt. Zie de typische spectrum weergegeven in figuur 4b.
4. signaal demodulatie voor High-Finesse Si-FOSP
Opmerking: Het systeem dat wordt gebruikt voor het demodulating van de hoge-finesse Si-FOSP wordt weergegeven in figuur 5a. De volgende gedetailleerde stappen helpen opzetten van het systeem doen na verwerking van de gegevens.
- Het vegen van een afstembare DFB laser met behulp van een huidige controller.
Opmerking: De piek-tot-piek vegen spanning, die voor verschillende lasers en controllers varieert, dient groot genoeg ter dekking van de inkeping spectrum. - Sluit de uitgang van de afstembare laser aan poort 1 van een optische rondpompthemostaat.
- Splice poort 2 van de optische rondpompthemostaat op een hoge-finesse sensor.
- Poort 3 van de optische rondpompthemostaat verbinden met een foto-elektrische cel.
- Een data acquisitie apparaat gebruiken om de uitvoer van de foto-elektrische cel, die door een computer is opgeslagen.
- Controleer het spectrum van de sensor om ervoor te zorgen dat het systeem goed werkt. Zie een typische frame van spectrum weergegeven in Figuur 5b. Vind de positie van de vallei met behulp van een polynomiale curve-fitting.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Si-FOSP als een onderwater thermometer voor profilering Oceaan thermoclines
Recent oceanografisch onderzoek heeft aangetoond dat de vervaging van de onderwater imaging niet alleen uit de troebelheid in verontreinigde wateren, maar ook uit temperatuur microstructuren in schone Oceaan17,18 stamt. Het laatste effect is de focus van vele oceanografen, gericht op het vinden van een effectieve manier om te zetten van de wazige beelden19, om beter te begrijpen en verbetering van de optische communicatie in het water, evenals over het ontwikkelen van middelen voor het kwantificeren van de turbulentie in de Oceaan20,21. De Si-FOSP gebruikt als een temperatuursensor blijkt beter te presteren dan de huidige tegenhanger voor het meten van de snelle temperatuurschommelingen van water turbulentie22. In deze aanvraag, wordt de sensor van de lage-finesse getoond in Figuur 1a samen met het systeem demodulatie signaal in figuur 4a gebruikt. Gezien de superieure prestaties van de Si-FOSP temperatuursensor, is het uitgegroeid tot een gepatenteerde onderwater instrument23 (Figuur 6a), die is bedoeld om het karakteriseren van de thermoclines van de open wateren. Deze onderafdeling presenteert de resultaten van een veld testen (Figuur 6b) op de Flint Creek Reservoir in Mississippi, Verenigde Staten.
Figuur 6 c toont een gemeten thermocline van de Flint Creek Reservoir op 13 Septemberth, 2016. De blauwe curve werd verkregen door de Si-FOSP temperatuursensor, terwijl de rode en zwarte krommen werden verkregen door twee verwijst naar commerciële cTDG (oceanografie instrumenten voor het meten van de geleidbaarheid en temperatuur diepte van zeewater). Natuurlijk, de Si-FOSP-temperatuursensor is het eens met de referentie-sensoren, maar met meer details van de temperatuur (Zie de inzet van Figuur 6 c) structuren die een heleboel extra informatie kunnen geven. De meer informatieve gegevens verzameld door de Si-FOSP-temperatuursensor wordt verwacht om de impact van vele takken van oceanografisch onderzoek.
Si-FOSP als een grote- dynamische -bereik flowsensor
Meting van gas of vloeistof stroomt is cruciaal voor diverse academische en industriële sectoren, die kunnen belangrijke informatie aan oceanografie, weer onderzoek proces controles, vervoer en milieu monitoring verschaffen. Representatieve resultaten van de Si-FOSP werken zoals een flowsensor zal worden aangetoond. Een lage-finesse Si-FOSP wordt gebruikt voor deze toepassing. Echter, aangezien deze flowsensor het sensing hoofd actief worden verwarmd door een laser moet, het systeem gebruikt verschilt enigszins van die weergegeven in figuur 4a. In het bijzonder een extra verwarming laser wordt gebruikt om te activeren het sensing hoofd, en een gedetailleerde beschrijving van het systeem voor Stroommeting geweest gerapporteerde12,13,14.
Figuur 7a toont de flowsensor van de Si-FOSP gelegen in een watertank, met een side-by-side vergelijking met een commerciële flowsensor. Uiteraard overeenstemmen uitlezing van de sensor van de vezels in het algemeen met die van de commerciële flowsensor, zoals weergegeven in figuur 7b; echter vertoont de flowsensor Si-FOSP een veel duidelijker antwoord wanneer de waterstromen kalmeren, zoals blijkt uit de close-up weergave in figuur 7b.
Si-FOSP als een EMI- immuun Bolometer voor hoge-temperatuur plasma physics
Wetenschappers onderzoek naar hoge-temperatuur plasma physics in tokamaks proberen om te zetten van de uitlaat macht van magnetische opsluiting fusion reactoren in photon emission te verzachten van de warmtestroom Gemeenschapsverdrag op het plasma geconfronteerd met onderdelen24. Figuur 8a toont het interieur van een tokamak-25. De uitstoot van het foton wordt meestal gemeten door een bolometer. Terwijl resistieve en infrarood video bolometers hebben bereikt een lawaai equivalente vermogensdichtheid (NEPD) van 0,2 W/m2 en 0,23 W/m2, respectievelijk, in een laboratorium milieu26,27, zijn kwetsbaar voor de harde omgeving die is gekoppeld aan de hoge-temperatuur plasma. De Si-FOSP gemeld in dit werk onderscheidt zich als een veelbelovend alternatief voor de bestaande bolometers. Voor het verkrijgen van een zo hoog mogelijke resolutie, zal de versie van de high-finesse getoond in Figuur 1b worden gebruikt. Ook, iets anders dan de één-kanaals demodulatie-systeem dat is afgebeeld in figuur 5a, een twee-kanaals-systeem zal worden gebruikt ter compensatie voor de drift van de laser met behulp van andere dummy verwijst naar4,15.
Figuur 8 geeft de meetresultaten van één Si-FOSP-bolometer in een testomgeving, in vergelijking met een ander resistieve bolometer. Onze Si-FOSP-bolometer heeft een NEPD van 0,27 W/m2 die dicht bij die van de elektronische tegenhangers26,27. Overwegende dat de Si-FOSP-bolometer die inherent zijn aan weerstand tegen het EMI meestal gevonden in hoge-temperatuur plasma physics, naar verwachting houdt grote beloften naar praktische toepassingen in tokamaks.
Figuur 1: schema's laten zien van de lage-finesse (a) en hoge-finesse (b) Si-FOSP. (c) veinzen reflectie spectra van de twee versies van Si-FOSPs met een spouw van 75 µm dik silicon. De minuut verschuiving van het spectrum (van solide aan onderbroken curven) is veel beter gediscrimineerd door de hoge-finesse sensor. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: fabricage van lage-finesse Si-FOSPs. (tot en met e schematische fabricage stappen en (f) afbeelding van een hoofd van de gefabriceerde sensor ten opzichte van een mensenhaar. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3: fabricage van high-finesse Si-FOSPs. (a)-(c) Schematische fabricage stappen en (d) beeld van een verzonnen sensor. Verzonken vlak in (d) toont het bovenaanzicht van het hoofd van de sensor. GI-MMF, ingedeeld-index multi-mode vezel; HR, hoge-reflectiviteit. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4: (a) Schematische systeem van het demodulatie systeem en (b) een typische frame van reflectie spectrum voor een lage-finesse Si-FOSP. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5: (a) Schematische systeem van het demodulatie systeem en (b) een typische frame van gescande spectrum voor een hoge-finesse Si-FOSP. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6: vertegenwoordiger resultaten als een onderwater-thermometer. (a) afbeelding en (b) veld inzet van de prototyped sensor-instrument. (c) Measured thermocline van Flint Creek Reservoir, Mississippi, USA, op 13 Septemberth, 2016. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 7: vertegenwoordiger resultaten als een flowsensor. (a) afbeelding van de stroom testen regeling en (b) de vergelijking tussen het veld gemeten stroom door het Si-FOSP en die van een commerciële flowsensor. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 8: vertegenwoordiger resultaten als een bolometer voor hoge-temperatuur plasma onderzoek. (a) afbeelding van de innerlijke hoge-temperatuur plasma's ruimte in een tokamak25 en (b) gemeten resultaten in een testomgeving. Dit cijfer is vastgesteld en aangepast ten opzichte van Wikimedia Commons. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De keuze van de grootte (lengte en diameter) van het silicium FPI is gedaan bij de afweging tussen eisen over de resolutie en snelheid. In het algemeen een kleiner formaat zorgt voor een hogere snelheid maar vermindert ook de oplossing2. Een korte lengte is gunstig voor het verkrijgen van een hogere snelheid, maar het is niet superieur voor het verkrijgen van een hoge resolutie als gevolg van de uitgebreide FWHM van de inkepingen van de reflectie. Met behulp van HR coatings te verminderen de FWHM kan helpen bij het verbeteren van de resolutie, maar het zal het beperken van het dynamisch bereik als gevolg van de signaal-demodulatie met behulp van laser scannen. Een kleinere diameter verhoogt de snelheid, maar de diameter groter moet zijn dan de diameter van de modale veld van de lead-in vezel zodat een goede spectrum kan worden bereikt. Het is echter ook gevonden dat een silicium diameter groter dan dat van de vezel verbetert de gevoeligheid voor bolometry als gevolg van de verminderde geleiding warmteverlies naar de vezel4. Daarom is de keuze van de sensor grootte is sterk afhankelijk van de specifieke toepassingen.
Hoewel we alleen de zeer fundamentele structuren, fabricage protocollen en signaal demodulatie systemen voor de Si-FOSP tonen, zijn er verschillende technieken die kunnen passen in andere toepassingen of de prestaties verder te verbeteren. Bijvoorbeeld, in plaats van met behulp van UV-uithardende lijm te koppelen van de sensor, kan een fusie splicing techniek worden toegepast te verheffen van de bedrijfstemperatuur boven 1000 ° C28. Met zo'n hoge temperatuur, kunnen innovatieve soorten fotonische apparaten gemaakt worden, zoals micro-verwarmers Infrarood Stralers en bubble generatoren. Een ander voorbeeld is de zelf-temperatuur gecompenseerd gas druk sensing met behulp van de golflengte verschil wanneer de verwarming laser is ingeschakeld en uit11. Bovendien, door de ontwikkeling van nieuwe peak erkenning technieken29,30, temperatuurmeting over uitgebreide dynamische bereik kan worden gerealiseerd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Een octrooi in de VS (nr. 9995628 B1) is afgegeven ter bescherming van de daarmee verband houdende technologieën.
Acknowledgments
Dit werk werd gesteund door de Amerikaanse Naval Research Laboratory (Nos. N0017315P0376, N0017315P3755); Amerikaanse 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
- Lee, B. Review of the present status of optical fiber sensors. Optical Fiber Technology. 9, 57-79 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ding, M., Wang, P., Brambilla, G. Fast-response high-temperature microfiber coupler tip thermometer. IEEE Photonics Technology Letters. 24, 1209-1211 (2012).
- Berthold, J. W., Reed, S. E., Sarkis, R. G. Reflective fiber optic temperature sensor using silicon thin film. Optical Engineering. 30, 524-528 (1991).
- Kajanto, I., Friberg, A. T. A silicon-based fibre-optic temperature sensor. Journal of Physics E: Scientific Instruments. 21, 652-656 (1988).
- Schultheis, L., Amstutz, H., Kaufmann, M. Fiber-optic temperature sensing with ultrathin silicon etalons. Optics Letters. 13, 782-784 (1988).
- Zhang, S., et al. Temperature characteristics of silicon core optical fiber Fabry-Perot interferometer. Optics Letters. 40, 1362-1365 (2015).
- 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).
- Liu, G., Han, M. Fiber-optic gas pressure sensing with a laser-heated silicon-based Fabry-Perot interferometer. Optics Letters. 40, 2461-2464 (2015).
- Liu, G., Hou, W., Qiao, W., Han, M. Fast-response fiber-optic anemometer with temperature self-compensation. Optics Express. 23, 13562-13570 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zhang, Y., et al. Fringe visibility enhanced extrinsic Fabry-Perot interferometer using a graded index fiber collimator. IEEE Photonics Journal. 2, 469-481 (2010).
- Hou, W. Ocean sensing and monitoring. , SPIE Press. (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Matt, S., et al. A controlled laboratory environment to study EO signal degradation due to underwater turbulence. Proceedings of SPIE. 9459, 94590H (2015).
- Han, M., Liu, G., Hou, W. Fiber-optic temperature and flow sensor system and methods. U.S. Patent. , 9995628 B1 (2018).
- 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).
- Alcator C-Mod. , Available from: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alcator_C-Mod_Tokamak_Interior.jpg (2018).
- 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).
- Peterson, B. J., et al. Development of imaging bolometers for magnetic fusion reactors. Review of Scientific Instruments. 79, 10E301 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
