Une plate-forme silicium pointe fibre optique télédétection haute résolution et une réponse rapide

Capteurs à fibre optique (FOSs) ont fait l’objet de nombreux chercheurs en raison de ses propriétés uniques, telles que sa petite taille, son faible coût, sa légèreté et son immunité aux interférences électromagnétiques (EMI)¹. Ces logiciels libres ont trouvé des applications larges dans de nombreux domaines tels que la surveillance de l’environnement, surveillance de l’océan, exploration pétrolière et des procédés industriels entre autres. Quand il s’agit de la détection de liées à la température, le FOSs traditionnel ne sont pas supérieur en termes de résolution et la vitesse pour les cas où la mesure des minutes et des variations rapides de température est souhaitable. Ces limitations découlent les propriétés optiques et thermiques du matériau en silice fondue sur lesquelles reposent les nombreux FOSs traditionnels. D’une part, le coefficient de thermo-optique (TOC) et coefficient de dilatation thermique (TEC) de silice sont 1.28×10^-5 RIU / ° C et 5.5×10^-7 m/(m·°C), respectivement ; ces valeurs conduisent à une sensibilité à la température de seulement environ 13 h / ° C autour de la longueur d’onde de 1550 nm. En revanche, la diffusivité thermique, mesure de la vitesse de la température qui changent en réponse à l’échange d’énergie thermique, est seulement 1.4×10^-6 m2/s pour la silice ; cette valeur n’est pas supérieure pour améliorer la vitesse des logiciels libres à base de silice.

La plate-forme de télédétection de fibre optique (FOSP) rapportée dans cet article rompt les limitations ci-dessus des logiciels libres à base de silice fondue. Le nouveau FOSP utilise le silicium cristallin comme clé de détection de matériel, qui forme un interféromètre de Fabry-Perot de haute qualité (FPI) à l’extrémité de la fibre, ici dénommée FOSP à pointe de silicium (Si-FOSP). La figure 1 illustre le principe schématique et opérationnels de la tête du capteur, qui est au cœur de la Si-FOSP. La tête du capteur se compose essentiellement d’un silicium FPI, dont le spectre réflexion comporte une série de franges périodiques. Interférence destructive se produit lorsque l’OPL satisfait 2nL = Nλ, où n et L sont l’indice de réfraction et de la longueur de la cavité de silicium FP, respectivement, et N est un entier qui représente l’ordre de l’encoche de la frange. Positions des franges d’interférence sont donc sensibles à la BPO de la cavité de silicium. Selon les applications spécifiques, le silicium FPI peut être transformé en deux types : basse-finesse FPI et haut-finesse FPI. Le FPI basse-finesse a une faible réflectivité pour les deux extrémités de la cavité de silicium, tandis que le FPI haute-finesse a une réflectivité élevée pour les deux extrémités de la cavité de silicium. Les réflectivités des interfaces air silicium et silicium-fibre sont à peu près 30 % et 18 %, donc le seul silicium FPI illustré à la Figure 1 a est essentiellement un FPI basse-finesse. En enduisant une couche mince grande réflectivité (HR) aux deux extrémités, un silicium haute-finesse que FPI est formé (Figure 1 b). Réflectivité de l’enduit de HR (diélectrique ou or) peut être aussi élevée que 98 %. Pour les deux types de Si-FOSP, n et L augmentent lorsque la température augmente. Ainsi, en surveillant l’évolution de la frange, la variation de température peut être déduite. Notez que pour la même quantité de décalage de la longueur d’onde, le FPI haute-finesse donne une meilleure discrimination en raison de l’encoche de frange beaucoup plus étroite (Figure 1C). Alors que le haut-finesse Si-FOSP a une meilleure résolution, la basse-finesse Si-FOSP a une plage dynamique plus étendue. Par conséquent, le choix entre ces deux versions dépend des exigences d’une application spécifique. En outre, en raison de la grande différence de largeur à mi-hauteur (FWHM) du bas-finesse et haute-finesse silicium naissance, leurs méthodes de démodulation du signal sont différents. Par exemple, la FWHM théorique de 1,5 nm est diminué par environ 50 fois à seulement 30 heures lorsque les deux extrémités du silicium seul FPI sont recouverts d’une couche de HR de 98 %. Par conséquent, pour le Si faible-finesse-FOSP, un spectromètre à haute vitesse suffirait pour la collecte de données et le traitement, alors qu’un balayage laser doit être utilisé pour démoduler le haut-finesse Si-FOSP en raison de la FWHM beaucoup plus étroite qui ne peut être résolu ainsi par la spectromètre. Les deux méthodes de démodulation seront expliqués dans le protocole.

Le silicone choisie ici est supérieur pour la détection de la température en termes de résolution. En comparaison, le cot et le TEC de silicium sont 1.5×10^-4 RIU / ° C et 2.55×10^-6 m/(m∙°C), respectivement, conduisant à une sensibilité à la température d’environ 84.6 h / ° C qui est environ 6,5 fois plus élevé que celui de tous les logiciels libres à base de silice².  En plus de cette sensibilité beaucoup plus élevée, nous avons démontré une longueur d’onde moyenne suivi méthode pour réduire le niveau sonore et d’améliorer ainsi la résolution pour un capteur de basse-finesse, conduisant à une résolution de la température de 6 x 10^-4 ° C ², en comparaison à la résolution de 0,2 ° C pendant une tout à base de silice FOS³. La résolution est encore améliorée pour être 1.2×10^-4 ° C pour une version haute-finesse⁴.  Le silicone est également supérieure pour détection en termes de vitesse. En comparaison, la diffusivité thermique de silicium est 8.8×10^-5 m2/s, qui est 60 fois plus élevé que celui de silice².  Combiné avec un encombrement réduit (p. ex., 80 µm de diamètre, 200 µm d’épaisseur), le temps de réponse de 0,51 ms pour un silicium que FOS a été démontrée², en comparaison avec les 16 ms d’un coupleur de silice-micro-fibre astuce température capteur⁵.  Bien que certaines recherches travaux liés à la mesure de la température à l’aide de film très mince de silicium, comme le matériel de télédétection a été signalé par d’autres groupes^6,7,8,9, aucun d’entre eux possède les performances de nos capteurs en termes de résolution ou de vitesse. Par exemple, le capteur avec une résolution de seulement 0,12 ° C et un temps de réponse longue de 1 s a été signalé. ⁷ qu’une meilleure résolution de température de 0,064 ° C a été rapporté¹⁰;  Cependant, la vitesse est limitée par la tête du capteur relativement volumineux. Ce qui rend les mensonges uniques Si-FOSP dans le nouveau procédé de fabrication et un algorithme de traitement des données.

Outre les avantages ci-dessus pour la détection de la température, la Si-FOSP peut également être développé en une variété de capteurs de température liées visant à mesurer les différents paramètres, tels que gaz pression¹¹, air ou l’eau s’écouler^{12,13 ,14} et rayonnement^4,15.  Cet article présente une description détaillée du capteur des protocoles de démodulation fabrication et signal ainsi que trois applications représentatives et leurs résultats.