Una piattaforma con punta di silicio di rilevamento in fibra ottica ad alta risoluzione e risposta veloce

Sensori in fibra ottica (FOSs) hanno rappresentato il fulcro per molti ricercatori grazie alle sue proprietà uniche, come le sue dimensioni ridotte, il suo basso costo, il suo peso leggero e sua immunità alle interferenze elettromagnetiche (EMI)¹. Questi FOSs hanno trovato ampie applicazioni in molti settori quali il monitoraggio ambientale, sorveglianza di oceano, esplorazioni petrolifere e processo industriale, tra gli altri. Quando si tratta del rilevamento temperatura-relativa, il FOSs tradizionali non sono superiori in termini di risoluzione e velocità per i casi dove la misurazione di minuto e variazioni di temperatura veloce è auspicabile. Queste limitazioni derivano dalle proprietà ottiche e termiche del materiale silice fusa su cui si basano molte tradizionali FOSs. Da un lato, il coefficiente di termo-ottica (TOC) e il coefficiente di dilatazione termica (TEC) di silice sono 1.28×10^-5 RIU / ° C e 5.5×10^-7 m/(m·°C), rispettivamente; questi valori conducono ad una sensibilità di temperatura di solo circa 13 pm / ° C intorno alla lunghezza d’onda di 1550 nm. D’altra parte, la diffusività termica, che è una misura della velocità della temperatura cambia in risposta a scambio di energia termica, è solo 1.4×10^-6 m²/s per silice; Questo valore non è superiore per migliorare la velocità di FOSs a base di silice.

La piattaforma di rilevamento a fibra ottica (FOSP) riportata in questo articolo si rompe le summenzionate limitazioni basate su silice fusa FOSs. Il nuovo FOSP utilizza silicio cristallino come chiave di materiale, che forma un interferometro di Fabry-Perot di alta qualità (FPI) all’estremità della fibra, qui indicato come FOSP con punta di silicio (Si-FOSP) di rilevamento. La figura 1 Mostra il principio schematico e operativo della testa del sensore, che è il nucleo della Si-FOSP. La testa del sensore consiste essenzialmente di un silicio FPI, cui lo spettro di riflessione dispone di una serie di periodici frange. Interferenza distruttiva si verifica quando l’OPL soddisfa 2nL = Nλ, dove n e L sono l’indice di rifrazione e la lunghezza della cavità di silicio FP, rispettivamente, e N è un intero che rappresenta l’ordine della tacca frangia. Di conseguenza, posizioni delle frange di interferenza sono sensibili ai OPL della cavità di silicio. A seconda delle specifiche applicazioni, il silicio FPI può essere fatto in due tipi: basso-finezza FPI e alta-finezza FPI. La FPI di basso-finezza ha una bassa riflettività per entrambe le estremità della cavità di silicio, mentre la FPI alta-finezza ha un’alta riflettività per entrambe le estremità della cavità di silicio. Il reflectivities delle interfacce silicio-aria e fibra di silicio sono più o meno 30% e 18%, così il solo silicio FPI mostrato in Figura 1a è essenzialmente un basso-finezza FPI. Da uno strato sottile ad alta-riflettività (HR) su entrambe le estremità del rivestimento, un silicio di alta finezza che FPI è formato (Figura 1b). Riflettività del rivestimento HR (dielettrico o oro) può essere alto come il 98%. Per entrambi i tipi di Si-FOSP, n e L aumentare quando la temperatura aumenta. Quindi, monitorando il turno di fringe, la variazione di temperatura può essere dedotto. Si noti che per la stessa quantità di spostamento della lunghezza d’onda, la FPI alta-finezza dà una migliore discriminazione dovuta la tacca di frangia molto più stretta (Figura 1C). Mentre l’alta-finezza Si-FOSP ha una migliore risoluzione, il basso-finezza Si-FOSP ha una gamma dinamica più ampia. Pertanto, la scelta tra queste due versioni dipende dai requisiti di un’applicazione specifica. Inoltre, dovuto la grande differenza in larghezza a metà altezza (FWHM) del basso-finezza e alta-finezza silicio FPIs, i loro metodi di demodulazione del segnale sono diversi. Ad esempio, la FWHM teorica di 1,5 nm è ridotto di circa 50 volte per solo 30 pm quando entrambe le estremità del silicio unico FPI sono rivestite con uno strato di HR di 98%. Pertanto, per il basso-finezza Si-FOSP, uno spettrometro ad alta velocità sarebbe sufficiente per la raccolta dei dati e l’elaborazione, mentre un laser di esame deve essere utilizzato per la demodulazione l’alta-finezza Si-FOSP dovuto la FWHM molto più stretto che non può essere risolto anche dalla spettrometro. I due metodi di demodulazione saranno spiegati nel protocollo.

Il materiale di silicio scelto qui è superiore per il rilevamento della temperatura in termini di risoluzione. Come termine di paragone, il TOC e TEC di silicio sono 1, 5×10^-4 RIU / ° C e 2.55×10^-6 m/(m∙°C), rispettivamente, che porta ad una sensibilità di temperatura di circa 84,6 pm / ° C, ovvero circa 6,5 volte superiore a quella di tutti a base di silice FOSs².  Oltre a questa sensibilità molto più alta, abbiamo dimostrato una lunghezza d’onda media inseguimento del metodo per ridurre il livello di rumore e quindi migliorare la risoluzione di un sensore di bassa-finezza, che porta a una risoluzione di temperatura di 6 x 10^-4 ° C ², in confronto per la risoluzione di 0,2 ° C per un tutto a base di silice FOS³. La risoluzione è ulteriormente migliorata per essere 1.2×10^-4 ° C per un alto-finezza versione⁴.  Il materiale di silicio è anche superiore per il rilevamento in termini di velocità. Come termine di paragone, la diffusività termica di silicio è 8.8×10^-5 m/s², che è più di 60 volte superiore a quella di silice².  Combinato con un ingombro ridotto (ad es., 80 µm di diametro, spessore di 200 µm), il tempo di risposta di 0,51 ms per un silicio che fos è stato dimostrato², rispetto ai 16 ms di un micro-silice-fibra accoppiatore punta temperatura sensore⁵.  Anche se qualche ricerca lavoro relativo alla misurazione della temperatura tramite film di silicio molto sottile come il materiale sensibile è stato segnalato da altri gruppi^6,7,8,9, nessuno di loro possiede le prestazioni dei nostri sensori in termini di risoluzione o velocità. Ad esempio, il sensore con una risoluzione di solo 0,12 ° C e un tempo di risposta lunghi di 1 s è stato segnalato. ⁷ che una migliore risoluzione di temperatura di 0,064 ° C è stato segnalato¹⁰;  Tuttavia, la velocità è limitata dalla testa del sensore relativamente ingombrante. Ciò che rende le bugie di unico Si-FOSP nel nuovo metodo di fabbricazione e algoritmo di elaborazione dei dati.

Oltre ai vantaggi sopra per il rilevamento della temperatura, Si-FOSP può anche essere sviluppato in una varietà di sensori di temperatura-correlati allo scopo di misurare diversi parametri, quali gas pressione¹¹, aria o acqua flusso^{12,13 ,14} e radiazione^4,15.  Questo articolo presenta una descrizione dettagliata del sensore protocolli di demodulazione di fabbricazione e segnale insieme a tre applicazioni rappresentative e dei loro risultati.