Uma plataforma de sensoriamento de fibra óptica com ponta de silicone com alta resolução e resposta rápida

Sensores de fibra óptica (FOSs) têm sido o foco de muitos pesquisadores, devido a suas propriedades únicas, tais como o seu pequeno tamanho, baixo custo, sua leveza e sua imunidade à interferência eletromagnética (EMI)¹. Estes FOSs tem encontrado aplicações largas em muitas áreas como monitoramento ambiental, vigilância do oceano, exploração de petróleo e processos industriais, entre outros. Quando se trata do sensoriamento de temperatura-relacionada, o FOSs tradicional não são superiores em termos de resolução e velocidade para os casos onde a medição de minuto e variações de temperatura rápida é desejável. Estas limitações decorrem as propriedades ópticas e térmicas do material em que se baseiam muitos FOSs tradicional sílica fundida. Por um lado, o coeficiente thermo-óptica (TOC) e o coeficiente de expansão térmica (TEC) de sílica são 1.28×10^-5 RIU / ° C e 5.5×10^-7 m/(m·°C), respectivamente; esses valores levam a uma sensibilidade de temperatura de apenas cerca de 13 pm / ° C em torno do comprimento de onda de 1550 nm. Por outro lado, a difusividade térmica, que é uma medida da velocidade da temperatura muda em resposta a troca de energia térmica, é só 1.4×10^-6 m²/s para sílica; Esse valor não é superior para melhorar a velocidade de FOSs baseada em sílica.

A plataforma de sensoriamento de fibra óptica (FOSP) relatada neste artigo rompe as limitações acima do FOSs baseada em sílica fundida. O novo FOSP utiliza silício cristalino como a chave de detecção de material, que forma um interferômetro de Fabry-Perot de alta qualidade (FPI) na extremidade da fibra, aqui referida como FOSP ponta de silício (Si-FOSP). A Figura 1 mostra o princípio esquemático e operacional da cabeça do sensor, que é o núcleo do Si-FOSP. A cabeça do sensor consiste, essencialmente, um silicone FPI, cujo espectro de reflexão apresenta uma série de franjas periódicas. Interferência destrutiva ocorre quando o OPL satisfaz 2nL = Nλ, onde n e L são o índice de refração e comprimento da cavidade de silício FP, respectivamente, e N é um número inteiro que é a ordem do entalhe franja. Portanto, posições de franjas de interferência são sensíveis para o OPL da cavidade de silício. Dependendo as aplicações específicas, o silício FPI pode ser feito em dois tipos: FPI fineza de baixa e alta-fineza FPI. Baixo-fineza FPI tem uma baixa refletividade para ambas as extremidades da cavidade de silício, enquanto alto-fineza FPI tem uma alta refletividade para ambas as extremidades da cavidade de silício. Os reflectivities de interfaces ar-silício e silício-fibra são aproximadamente 30% e 18%, assim o único silício FPI mostrado na Figura 1a é essencialmente um baixo-fineza FPI. Revestindo com uma camada fina de alta-refletividade (HR) em ambas as extremidades, um silicone de alta-fineza que FPI é formado (Figura 1b). Refletividade do revestimento HR (dielétrico ou ouro) pode ser tão elevada como 98%. Para ambos os tipos de Si-FOSP, n e L aumentam quando a temperatura aumenta. Assim, ao monitorar o deslocamento da franja, pode-se deduzir a variação de temperatura. Observe que para a mesma quantidade de mudança de comprimento de onda, alta-fineza FPI dá uma melhor discriminação devido o entalhe de franja mais estreito (Figura 1C). Enquanto a alta-fineza Si-FOSP tem melhor resolução, o baixo-fineza Si-FOSP tem uma maior gama dinâmica. Portanto, a escolha entre estas duas versões depende das exigências de uma aplicação específica. Além disso, devido à grande diferença de largura total no máximo meia (FWHM) do silício fineza de baixa e alta-finesse FPUs, seus métodos de demodulação do sinal são diferentes. Por exemplo, a FWHM teórica de 1.5 nm é reduzido por sobre 50 vezes para apenas 30 pm quando ambas as extremidades do silício única FPI são revestidas com uma camada de HR de 98%. Portanto, para o baixo-fineza Si-FOSP, um espectrômetro de alta velocidade seria suficiente para a coleta de dados e processamento, enquanto um escaneamento laser deve ser usado para demodular o alta-fineza Si-FOSP devido a FWHM muito mais estreita que não pode ser resolvido por bem o espectrômetro. Os dois métodos de demodulação serão explicados no protocolo.

O material de silicone escolhido aqui é superior para sensores de temperatura em termos de resolução. Como comparação, o TOC e TEC de silício são 1.5×10^-4 RIU / ° C e 2.55×10^-6 m/(m∙°C), respectivamente, levando a uma sensibilidade de temperatura de cerca de 84.6 pm / ° C, que é cerca de 6,5 vezes maior que a de todos baseados em sílica FOSs².  Além desta muito maior sensibilidade, demonstrámos um comprimento de onda médio rastreamento método para reduzir o nível de ruído e assim melhorar a resolução de um sensor de baixo-fineza, levando a uma resolução de temperatura de 6 x 10^-4 ° C ², em comparação com a resolução de 0,2 ° C para uma todas baseadas em sílica FOS³. A resolução é melhorada para ser 1.2×10^-4 ° C para uma versão de alta-fineza⁴.  O material de silicone também é superior para sensoriamento em termos de velocidade. A título de comparação, a difusividade térmica de silício 8.8×10^-5 m/s², que é mais de 60 vezes maior que a de silicone².  Combinado com uma pegada pequena (por exemplo, 80 µm de diâmetro, 200 µm de espessura), o tempo de resposta de 0,51 ms para um silício que FOS tem sido demonstrado a², em comparação com os ms 16 de um acoplador de microfibra de sílica ponta temperatura sensor⁵.  Embora algumas pesquisas trabalho relacionado à medição da temperatura usando a película muito fina de silício, como o sensoriamento material foi relatado por outros grupos^6,7,8,9, nenhum deles possui o desempenho de nossos sensores em termos de velocidade ou de resolução. Por exemplo, o sensor com uma resolução de apenas 0,12 ° C e um tempo de resposta longo de 1 s foi relatado. ⁷ que uma melhor resolução de temperatura de 0,064 ° C tem sido relatado,¹⁰;  no entanto, a velocidade é limitada pela cabeça sensor relativamente volumosos. O que torna as mentiras de Si-FOSP exclusivas no novo método de fabricação e algoritmo de processamento de dados.

Além das vantagens acima para sensores de temperatura, o Si-FOSP também pode ser desenvolvido em uma série de sensores de temperatura-relacionada com o objetivo de medir parâmetros diferentes, tais como gás pressão¹¹, ar ou água fluir^{12,13 ,14} e radiação^4,15.  Este artigo apresenta uma descrição detalhada do sensor protocolos de demodulação de fabricação e sinal juntamente com três aplicações representativas e seus resultados.