Eine Silizium-bestückte Glasfaser-Sensing-Plattform mit hoher Auflösung und schnelle Reaktion

Faseroptische Sensoren (FOSs) wurden der Fokus für viele Forscher aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften, wie seine geringe Größe, die niedrigen Kosten, sein geringes Gewicht und seine Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI)¹. Diese FOSs haben breite Anwendungen in vielen Bereichen wie Umweltüberwachung, Ozean-Überwachung, Ölförderung und industriellen Prozess unter anderem gefunden. Wenn es darum geht, die temperaturbedingten Abtastung, der traditionellen FOSs sind nicht überlegen in Bezug auf Auflösung und Geschwindigkeit für die Fälle, in denen Messung von Minute und schnelle Temperaturschwankungen wünschenswert ist. Diese Einschränkungen ergeben sich aus der optischen und thermischen Eigenschaften des Werkstoffes Quarzglas auf denen viele traditionelle FOSs basieren. Auf der einen Seite sind die Thermo-Optik-Koeffizient (TOC) und thermischen Ausdehnungskoeffizienten (TEC) von Kieselsäure 1.28×10^-5 RIU / ° C und 5.5×10^-7 m/(m·°C), beziehungsweise; Diese Werte führen zu einer Temperaturempfindlichkeit von nur etwa 13 Uhr / ° C um die Wellenlänge von 1550 nm. Auf der anderen Seite die thermische Diffusivität, die ein Maß für die Geschwindigkeit der Temperatur ist als Reaktion auf thermische Energieaustausch ändern, ist nur 1.4×10^-6 m2/s für Kieselsäure; Dieser Wert ist nicht zur Verbesserung der Geschwindigkeit der Silica-basierten FOSs überlegen.

Die Glasfaser-Sense-Plattform (FOSP) berichtet in diesem Artikel bricht die vorstehenden Haftungsbeschränkungen Fused-Silica-basierten FOSs. Die neue FOSP nutzt kristallines Silizium als Schlüssel sensing Material, bildet eine qualitativ hochwertige Fabry-Perot Interferometer (FPI) am Ende der Faser, hier als Silizium-bestückte FOSP (Si-FOSP) bezeichnet. Abbildung 1 zeigt die schematische und operative Prinzip des Sensorkopfes, die den Kern des Si-FOSP ist. Der Sensorkopf besteht im Wesentlichen aus einem Silizium FPI, deren Reflexion Spektrum verfügt über eine Reihe von regelmäßigen Fransen. Destruktive Interferenz tritt auf, wenn die OPL 2nL erfüllt = Nλ, wo n und L die Brechzahl und Länge des Hohlraums Silizium FP sind, und N ist eine Ganzzahl, die die Reihenfolge der Franse Kerbe ist. Daher sind Positionen der Interferenzstreifen OPL der Silizium-Kavität entgegenkommend. Abhängig von den spezifischen Anwendungen, das Silizium FPI kann erfolgen in zwei Typen: Low-Finesse FPI und hoher Finesse FPI. Niedrig-Finesse FPI hat eine niedrige Reflektivität für beide Enden der Silizium-Kavität, während High-Finesse FPI eine hohe Reflektivität für beide Enden der Silizium-Kavität. Die Reflectivities von Silizium-Luft und Silizium-LWL-Schnittstellen sind etwa 30 % und 18 %, somit das alleinige Silizium FPI, dargestellt in Abbildung 1a ist im Wesentlichen eine niedrig-Finesse FPI. Durch die Beschichtung einer dünne hohe Reflektivität (HR) Schicht an beiden Enden, bildete ein hoher Finesse-Silizium, die FPI ist (Abbildung 1 b). Reflektivität der HR-Beschichtung (dielektrische oder Gold) kann bis zu 98 %. Für beide Arten von Si-FOSP erhöhen n und L Wenn die Temperatur steigt. So kann durch die Überwachung der Fringe-Verschiebung, die Temperaturschwankung abgeleitet werden. Beachten Sie, dass für die gleiche Menge an Wellenlängenverschiebung, hoher Finesse FPI eine bessere Diskriminierung aufgrund der viel schmaler Rand Kerbe (Abbildung 1 c bietet). Während der hoch-Finesse Si-FOSP besseren Auflösung hat, hat die Low-Finesse Si-FOSP einen größeren Dynamikbereich. Daher hängt die Wahl zwischen diesen beiden Versionen auf die Anforderungen einer bestimmten Anwendung. Darüber hinaus unterscheiden sich aufgrund des großen Unterschieds in volle Breite am halben Maximum (FWHM) von niedrig-Finesse und hoher Finesse Silizium FPIs, deren Signal Demodulation Methoden. Zum Beispiel die theoretische FWHM von 1,5 nm reduziert sich durch über 50 Mal auf nur 30 pm wenn beide Enden des alleinigen Siliziums FPI mit einer 98 % HR überzogen sind. Daher für die Low-Finesse-Si-FOSP, ein High-Speed-Spektrometer ausreichen würde für die Datenerfassung und Verarbeitung, während ein Scan Laser benutzt werden sollte, zu hoher Finesse Si-FOSP durch die viel schmalere FWHM demodulieren, die auch von nicht aufgelöst werden kann die Spektrometer. Die beiden Methoden der Demodulation werden im Protokoll erklärt werden.

Die hier gewählte Silizium-Material ist für Temperatur sensing in Sachen Auflösung überlegen. Zum Vergleich sind die TOC und TEC von Silizium 1.5×10^-4 RIU / ° C und 2.55×10^-6 m/(m∙°C), bzw. führt zu einer Temperaturempfindlichkeit der rund 84,6 pm / ° C, ca. 6,5-Mal höher als die aller Silica-basierten FOSs²ist.  Neben dieser viel höhere Empfindlichkeit haben wir demonstriert eine durchschnittliche Wellenlänge tracking-Methode auf, um den Geräuschpegel zu reduzieren und damit die Auflösung für einen Low-Finesse-Sensor führt zu einer Temperaturauflösung von 6 x 10^-4 ° C ², in im Vergleich zu der Auflösung von 0,2 ° C für alle Silica-basierten FOS³. Die Auflösung wird weiter verbessert, um sein 1.2×10^-4 ° C für eine hoch-Finesse Version⁴.  Die Silizium-Material ist auch für die Abtastung in Bezug auf Geschwindigkeit überlegen. Zum Vergleich: ist die thermische Diffusivität Silizium 8.8×10^-5 m2/s, die mehr als 60 Mal höher als die von Kieselsäure².  In Kombination mit einem geringen Platzbedarf (z.B. 80 µm Durchmesser, 200 µm Dicke), demonstriert die Antwortzeit von 0,51 ms für eine Silizium wurde FOS², im Vergleich zu den 16 ms eines Mikro-Silica-Faser-Koppler Tipp Temperatur Sensor⁵.  Obwohl einige der Forschung arbeiten Sie im Zusammenhang mit Temperaturmessung mit sehr dünnen Silizium-Film, wie die Fernerkundung Material von anderen Gruppen^6,7,8,9, keiner von ihnen berichtet wurde die Leistung unserer Sensoren in Bezug auf Auflösung oder Geschwindigkeit besitzt. Zum Beispiel, den Sensor mit einer Auflösung von nur 0,12 ° C und eine lange Reaktionszeit von 1 s wurde berichtet. ⁷ eine bessere Temperaturauflösung 0,064 ° c wurde berichtet,¹⁰;  Allerdings wird die Geschwindigkeit durch den relativ sperrig Sensorkopf begrenzt. Was macht die Si-FOSP einzigartige liegt in der neuen Herstellungsverfahren und Datenverarbeitung Algorithmus.

Neben den oben genannten Vorteilen für die Abtastung von Temperatur die Si-FOSP kann auch entwickelt werden, in einer Vielzahl von temperaturbedingten Sensoren zur Messung verschiedener Parameter wie z. B. Gas Druck¹¹, Luft oder Wasser fließen^{12,13 ,14} und Strahlung^4,15.  Dieser Artikel stellt eine detaillierte Beschreibung des Sensors Fertigung und Signal Demodulation Protokolle zusammen mit drei repräsentative Anwendungen und deren Ergebnisse.