高解像度・高速応答の光ファイバーセンシングのシリコン チップを渡したプラットフォーム

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)、1.28×10^-5リウ/° C と 5.5×10^-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 1.4×10^-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、1.5×10^-4リウ/° C、2.55×10^-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⁴1.2×10^-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 8.8×10^-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。