Een silicium-tipped Fiber-optic Sensing Platform met hoge resolutie en snelle respons

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 1.28×10^-5 RIU / ° C en 5.5×10^-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 1.4×10^-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 1.5×10^-4 RIU / ° C en 2.55×10^-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 1.2×10^-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 8.8×10^-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 groepen^6,7,8,9, 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 stromen^{12,13 ,14} , en straling^4,15.  Dit artikel geeft een gedetailleerde beschrijving van de sensor fabricage en signaal demodulatie protocollen samen met drie representatieve toepassingen en de bijbehorende resultaten.