Una plataforma con punta de Silicon sensor de fibra óptica con alta resolución y rápida respuesta

Sensores de fibra óptica (FOSs) han sido el foco de muchos investigadores debido a sus propiedades únicas, como su pequeño tamaño, su bajo costo, su peso ligero y su inmunidad a interferencias electromagnéticas (EMI)¹. Estos software libre han encontrado amplias aplicaciones en muchas áreas tales como monitoreo ambiental, vigilancia del océano, exploración de petróleo y procesos industriales entre otros. En cuanto a los sensores de temperatura, el FOSs tradicionales no son superiores en términos de resolución y velocidad para los casos donde es deseable medir minutos y variaciones rápidas de temperatura. Estas limitaciones se derivan de las propiedades ópticas y térmicas del material silicona fundida en la que se basan muchos software libre tradicional. Por un lado, el coeficiente thermo-óptico (TOC) y el coeficiente de expansión térmica (TEC) de sílice son 1.28×10^-5 RIU / ° C y 5.5×10^-7 m/(m·°C), respectivamente; Estos valores conducen a una sensibilidad de temperatura de sólo alrededor de 13 pm ° C alrededor de la longitud de onda de 1550 nm. Por otro lado, la difusividad térmica, que es una medida de la velocidad de temperatura cambian en respuesta al intercambio de energía térmica, es sólo 1.4×10^-6 m²/s de sílice; Este valor no es superior para mejorar la velocidad de software libre basados en sílice.

La plataforma de detección de fibra óptica (FOSP) en este artículo rompe las limitaciones del software libre basados en sílice fundida. El nuevo FOSP utiliza silicio cristalino como la clave de detección de material, que forma un interferómetro de Fabry-Perot de alta calidad (FPI) en el extremo de la fibra, aquí denominado FOSP punta de silicio (Si-FOSP). La figura 1 muestra el principio de la cabeza del sensor, que es el núcleo de la Si-FOSP esquemático y operativo. La cabeza del detector esencialmente consiste en un silicio FPI, cuyo espectro de reflexión presenta una serie de franjas periódicas. Interferencia destructiva se produce cuando la OPL satisface 2nL = Nλ, donde n y L son el índice de refracción y la longitud de la cavidad de silicona FP, respectivamente, y N es un entero que es el orden de la muesca de la franja. Por lo tanto, posiciones de las franjas de interferencia son sensibles a la OPL de la cavidad de silicona. Dependiendo de las aplicaciones específicas, el silicio FPI puede hacerse en dos tipos: FPI de baja finura y FPI de alta finura. El FPI de baja finura tiene una reflectividad baja para ambos extremos de la cavidad de silicona, mientras que el FPI de alta finura tiene una alta reflectividad para ambos extremos de la cavidad de silicona. Reflectivities de interfaces aire de silicio y fibra de silicio están aproximadamente 30% y 18%, así el único silicio FPI se muestra en la Figura 1a es esencialmente un FPI de baja finura. Por una capa delgada alta reflectividad (HR) en ambos extremos de la capa, un silicio de alta finura que FPI es formado (Figura 1b). Reflectividad de la capa de HR (dieléctrico u oro) puede ser tan alta como el 98%. Para ambos tipos de Si-FOSP, n y L aumentan cuando aumenta la temperatura. Así, controlando el cambio de franja, se deduce la variación de temperatura. Tenga en cuenta que para la misma cantidad de cambio de longitud de onda, el FPI de alta finura da una mejor discriminación debido a la muesca de franja mucho más estrecha (figura 1C). Mientras que la alta finura Si-FOSP tiene mejor resolución, la baja finura Si-FOSP tiene un rango dinámico más grande. Por lo tanto, la elección entre estas dos versiones depende de los requerimientos de una aplicación específica. Además, debido a la gran diferencia de ancho completo en el medio máximo (FWHM) de baja finura y delicadeza de alto silicio FPIs, sus métodos de demodulación de la señal son diferentes. Por ejemplo, el FWHM teórico de 1,5 nm se reduce por sobre 50 veces a sólo 30 pm cuando ambos extremos del silicio único FPI están recubiertos con una capa de HR del 98%. Por lo tanto, para el Si-FOSP baja finura, un espectrómetro de alta velocidad sería suficiente para la recolección de datos y procesamiento, mientras que un laser de la exploración se debe utilizar para demodular la alta finura Si-FOSP debido al FWHM mucho más estrecho que no puede ser resuelto así por el Espectrómetro de. Los dos métodos de demodulación se explica en el protocolo.

El material de silicio elegido aquí es superior para detectar la temperatura en términos de resolución. Como comparación, el TOC y TEC de silicio son 1.5×10^-4 RIU / ° C y 2.55×10^-6 m/(m∙°C), respectivamente, conduce a una sensibilidad de temperatura de aproximadamente 84.6 pm ° C aproximadamente 6,5 veces superior de todos basados en sílice software libre².  Además de esta mayor sensibilidad, hemos demostrado una media longitud de onda, método para reducir el nivel de ruido y así mejorar la resolución de un sensor de baja finura, de seguimiento conduce a una resolución de temperatura de 6 x 10^-4 º C ², en comparación a la resolución de 0.2 ° C para un FOS todos a base de silicona³. La resolución es mejorada para ser 1.2×10^-4 ° C para una alta finura versión⁴.  El material de silicio también es superior para detectar en términos de velocidad. Como comparación, la difusividad térmica del silicio es 8.8×10^-5 m2/s, más de 60 veces mayor que el de silicona².  Combinado con un diseño compacto (p. ej., 80 μm de diámetro, 200 μm de grosor), el tiempo de respuesta de 0,51 ms para un silicio que Fos ha sido demostrada², en comparación con los 16 ms de un acoplador de fibra de sílice micro punta temperatura sensor⁵.  Aunque algunas investigaciones trabajos relacionados con la medición de la temperatura usando la película muy delgada de silicio como el material de detección ha sido reportado por otros grupos^6,7,8,9, ninguno de ellos posee el rendimiento de nuestros sensores en términos de la resolución o velocidad. Por ejemplo, el sensor con una resolución de sólo 0,12 ° C y un tiempo de respuesta largo de 1 s se informó. ⁷ que una mejor resolución de temperatura de 0,064 ° C ha sido reportado¹⁰;  sin embargo, la velocidad está limitada por la cabeza del detector relativamente voluminosos. Lo que hace que las mentiras únicas FOSP Si en el nuevo método de fabricación y el algoritmo de procesamiento de datos.

Además de las ventajas anteriores para detectar la temperatura, el FOSP Si también puede ser desarrollado en una variedad de sensores de temperatura con el fin de medir diferentes parámetros, tales como gas presión¹¹, aire o agua flujo^{12,13 ,14} y radiación^4,15.  Este artículo presenta una descripción detallada del sensor protocolos de fabricación y la señal de desmodulación junto con tres aplicaciones representativas y sus resultados.