Silikon uçlu Fiber Optik algılama peron ile yüksek çözünürlüklü ve hızlı tepki
Summary
Bu eser yenilikçi silikon uçlu fiber optik algılama için bir platform (Si-FOSP) yüksek çözünürlüklü ve hızlı yanıt ölçüm sıcaklığı, akış ve radyasyon gibi fiziksel parametreleri çeşitli raporlar. Bu sı-FOSP uygulamaları Oşinografik araştırma, mekanik sanayi, füzyon enerji araştırma için yayılır.
Abstract
Bu makalede, biz biz önerilen ve son zamanlarda gösterdiği bir yenilikçi ve pratik olarak umut verici fiber optik algılama platformu (FOSP) tanıtmak. Bu FOSP, bu eser Si-FOSP anılacaktır fiber sonuna eklenen bir silikon Fabry-Perot Girişmölçeri (FPI) kullanır. Si-FOSP optik yol uzunluğu silikon boşluğu tarafından (OPL) belirlenen bir interferogram oluşturur. Measurand OPL değiştirir ve böylece interferogram geçer. Benzersiz optik ve termal özelliklerini silikon malzeme nedeniyle, bu Si-FOSP duyarlılık ve hız açısından avantajlı bir performans sergiler. Ayrıca, Olgun silikon imalat sanayi mükemmel tekrarlanabilirlik ve doğru pratik uygulamalar düşük maliyet ile Si-FOSP endows. Bağlı olarak belirli uygulamaları, bir düşük incelik veya yüksek para cezası sürümü kullanılacaktır ve iki farklı veri işlemine demodülasyon yöntemi buna göre kabul edilebilir. Si-FOSP her iki sürümleri imalatı için detaylı protokol sağlanacaktır. Üç temsilcisi uygulama ve göre sonuçları gösterilecek. Sınırlı olduğunu okyanus thermoclines profil oluşturma için prototip sualtı termometre, ikinci bir akış hızı okyanusta ölçmek için bir akış ölçer ve sonuncusu egzoz radyasyondan manyetik olarak izlemek için kullanılan bir Bolometre ilki yüksek sıcaklık plazma.
Introduction
Fiber optik sensörler (FOSs), onun küçük büyüklük, düşük maliyetli, hafif ve onun bağışıklık elektromanyetik parazit (EMI)1gibi benzersiz özellikleri nedeniyle pek çok araştırmacı için odak olmuştur. Bu FOSs çevresel izleme, deniz gözetleme, petrol arama ve diğerleri arasında endüstriyel proses gibi birçok alanda geniş bir uygulaması bulduk. Bu sıcaklık ile ilgili algılama gelince, geleneksel FOSs değildir çözünürlük ve dakika ve hızlı ısı farklılıkları arzu olduğu durumlar için hız açısından üstün. Bu sınırlamalar, birçok geleneksel FOSs temel erimiş silis malzeme optik ve termal özelliklerinden kaynaklanıyor. Bir yandan, Termo-optik katsayısı (TOC) ve termal genleşme katsayısı (TEC) silis 1.28×10-5 RIU / ° C ve 5.5×10-7 m/(m·°C), anılan sıraya göre. Bu değerler yalnızca yaklaşık 13 pm / ° C 1550 nm dalga boyu etrafında bir sıcaklık hassasiyeti neden. Öte yandan, bir ölçüsüdür ve hız ve sıcaklık termal Yayınım yanıt termal enerji değişimi olarak değiştirmek, yalnızca 1.4×10-6 m2/s silis için; Bu değer silis tabanlı FOSs hızını artırmak için üstün değil.
Bu makalesinde bildirilen fiber optik algılama platformu (FOSP) erimiş silis tabanlı FOSs yukarıdaki sınırlamalar tatili. Yeni FOSP kristal silisyum fiber burada silikon uçlu FOSP (Si-FOSP) adlandırılan, ucunda bir yüksek kaliteli Fabry-Perot Girişmölçeri (FPI) formları malzeme algılama anahtar olarak kullanır. Şekil 1 Si-FOSP çekirdeğidir sensör kafa şematik ve çalışma prensiplerini göstermektedir. Sensör kafa aslında bir silikon FPI, periyodik saçaklar bir dizi olan yansıma spektrum özellikleri oluşur. Yıkıcı girişim oluşur OPL 2nL sağladığında nerede n ve m kırılma indisi ve silikon FP kavite, uzunluğu sırasıyla, ve N saçak çentik sırasını bir tamsayı Nλ =. Bu nedenle, girişim saçaklar konumlarını silikon boşluğu OPL için duyarlı vardır. İki türe bağlı olarak belirli uygulamaları, silikon FPI yapılabilir: düşük-incelik FPI ve yüksek para cezası FPI. Yüksek para cezası FPI her iki ucunda da silikon boşluğu için yüksek bir yansıtırlık varken düşük incelik FPI her iki ucunda da silikon boşluğu için düşük bir yansıtırlık vardır. Reflectivities silikon-hava ve silikon lifli arabirimlerinin kabaca % 30 ve % 18, böylece tek silikon Şekil 1a ‘ gösterilen FPI aslında düşük incelik FPI. Her iki ucundaki ince yüksek-yansıtma (HR) katman kaplama tarafından FPI olduğunu bir yüksek-incelik silikon (Şekil 1b) kurdu. İK kaplama (dielektrik veya altın) yansıtırlık 98 %’si olarak yüksek olabilir. Sıcaklık arttığında Si-FOSP her iki türü için n ve m artırın. Böylece, fringe shift izleyerek, sıcaklık değişimi çıkarılabilir. Dalga boyu shift aynı miktar için daha iyi bir ayrımcılık nedeniyle daha dar saçak çentik (Şekil 1 c) yüksek para cezası FPI verir dikkat edin. Yüksek para cezası Si-FOSP daha iyi çözünürlüğe sahip iken, düşük-incelik Si-FOSP daha geniş bir dinamik aralığı vardır. Bu nedenle, bu iki sürüm arasında seçim belirli bir uygulama gereksinimlerine bağlıdır. Ayrıca, düşük-incelik ve yüksek para cezası silikon FPIs yarım maksimumda (FWHM) tam genişliğinde büyük fark nedeniyle, onların sinyal işlemine demodülasyon yöntemleri farklıdır. Örneğin, teorik FWHM 1.5 nm azalır tarafından hakkında 50 kere daha 30 pm ne zaman her iki ucunda da tek silikon FPI % 98’i ik katmanla kaplı. Tarama bir lazer yüksek para cezası Si-FOSP de tarafından çözümlenemeyen daha dar FWHM nedeniyle kipi için kullanılması gereken süre bu nedenle, düşük-incelik Si-FOSP yüksek hızlı bir Spektrometre veri toplama ve işleme, için yeterli olacaktır Spektrometre. Protokol iki işlemine demodülasyon yöntemleri açıklanmaktadır.
Burada seçilen silikon malzeme sıcaklığı çözünürlük açısından algılama için daha iyidir. Bir karşılaştırma, TOC ve TEC silikon 1.5×10-4 RIU / ° C ve 2.55×10-6 m/(m∙°C), sırasıyla, yaklaşık 84.6 pm / ° C, yaklaşık 6.5 kat tüm silis tabanlı FOSs2daha yüksek bir sıcaklık hassasiyeti için lider vardır. Bu çok daha yüksek duyarlılık ek olarak, biz 6 x 10-4 ° sıcaklık çözünürlüğü için önde gelen C 2, izleme yöntemini gürültü düzeyini azaltmak ve böylece bir düşük incelik sensör çözünürlüğünü artırmak için Ortalama bir dalga boyu göstermiştir Karşılaştırma 0.2 ° C FOS silis tabanlı tüm3için çözünürlük için. Çözünürlük 1.2×10-4 ° C yüksek para cezası sürüm4için olmak daha fazla artırıldı. Silikon malzeme de hız açısından algılama için üstün olduğunu. Bir karşılaştırma, termal Yayınım silikon 8.8×10-5 m2/s, olan birden fazla 60 kez silis2daha yüksek olmasıdır. Küçük bir ayak izi ile (Örneğin, 80 µm çapı, 200 µm kalınlık) birlikte, 0,51 ms tepki süresi FOS oldu bir silikon için2, bir mikro-silis-fiber bağlantı uç sıcaklık sensörü516 ms ile karşılaştırıldığında göstermiştir. Her ne kadar bazı araştırma algılama malzeme diğer gruplar6,7,8,9tarafından hiçbiri-in onları bildirildiği gibi çok ince silikon film kullanarak sıcaklık ölçümü için ilgili iş Algılayıcılarımız çözünürlük veya hız açısından performansını sahiptir. Örneğin, sadece 0,12 ° C çözünürlüğe ve 1 uzun tepki süresi ile sensör s bildirdi. Bir daha iyi 0,064 ° C sıcaklık çözümü yapılmış 7 10rapor; Ancak, hızı oldukça hantal sensör kafa tarafından sınırlıdır. Ne yeni üretim Yöntem ve veri işleme algoritması’sı-FOSP benzersiz yalan yapar.
Yanı sıra sıcaklık algılama için yukarıdaki avantajları, Si-FOSP Ayrıca sıcaklık ile ilgili sensörler gaz basıncı11, hava gibi farklı parametreleri ölçme hedefleyen çeşitli içine geliştirilebilir veya su akışı12,13 ,14 ve radyasyon4,15. Bu makale üç temsilcisi uygulamalar ve bunların sonuçları ile birlikte imalat ve sinyal işlemine demodülasyon protokolleri sensör ayrıntılı bir açıklamasını sunar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Silikon FPI boyutunu (uzunluk ve çapı) seçim gereksinimleri üstünde belgili tanımlık kararlılık ve hız arasında tradeoff üzerine yapılır. Genel olarak, daha küçük bir boyuta daha yüksek bir hız sağlar ama aynı zamanda çözüm2azaltır. Kısa bir süre daha yüksek bir hız elde etmek için avantajlıdır ama yansıma çentikler genişletilmiş FWHM nedeniyle yüksek bir çözünürlük elde etmek için üstün değil. FWHM azaltmak için İK kaplama kullanarak çözünürlü?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser ABD deniz Araştırma Laboratuvarı (‘ları tarafından desteklenmiştir N0017315P0376, N0017315P3755); ABD Ofisi deniz araştırma (No’ları N000141410139, N000141410456); ABD Enerji Departmanı (No’ları DE-SC0018273, DE-AC02-09CH11466, DE-AC05-00OR22725).
Materials
| 200 Proof Pure Ethanol | Koptec | V1001 | |
| 5 Channels Duplex CWDM | Fiber Store | 5MDD-ABS-FSCWDM | |
| Butterfly Laser Diode Mounts | Tholabs | LM14S2 | |
| CastAway CTD | Yellow Springs Instrument | ||
| CTD | Seabird | SBE 19plus | |
| Current Meter | Nortek | Vector | |
| Data Acquisition Device | National Instruments | NIUSB4366 | |
| Digital Oscilloscope | RIGOL | DS1204B | 200 MHz 2 GSa/s |
| Diode Laser | Thorlabs | LM9LP | Wavelength: 632 nm |
| Fixed BNC Terminator Kit | Thorlabs | FTK01 | |
| Function Waveform Generator | RIGOL | DG4162 | 160 MHz 500 GSa/s |
| High Precision Cleaver | Fujikura | CT-32 | |
| High Reflection Dielectric Coating | Evaporated Coating INC (ECI) | Materials and structure of the coating are unknown | |
| I-MON 512 Spectrometer | Ibsen Phtonics | P/N: 1257110 | |
| InGaAs Biased Detector | Tholabs | DET01CFC | FC/PC output:0-10V; Quantity: 2 |
| Laser Diode | Qphotonic | QFLD-405-20S | Wavelength: 405 nm |
| Laser Diode Current Controller | Tholabs | LDC 210C | 1 A and 100 mA range |
| Laser Diode Temperature Controller | Tholabs | TEC 200C | Quantity: 2 |
| Latex Examination Gloves | HCS | ||
| Micro Slides | Corning Incorporated | ||
| Narrow Linewidth DFB Laser | Eblana | EP1550-NLW-B06-100FM | Wavelength:1550 nm |
| Optical Fiber Fusion Splicer | Sumitomo electric industries, LTD | 3822-2 | |
| Optical Microscope and Monitor | Ikegami Tsushinki Company | PM-127 | |
| Optical Spectrum Analyzer | Yokogawa | AQ6370C | wavelength range: 600-1700 nm |
| Polish Machine | ULTRA TEC | 41076 | |
| Post-mountable Irises | Thorlabs | Quantity: 2 | |
| Pump Laser | Gooch and Housego | 0400-0974-SM | Wavelength: 980 nm |
| Si Amplified Photodetector | Thorlabs | PDA36A | Wavelength: 350-1100 nm |
| Silicon wafer | University Wafer | thickness: 10 µm, 200 µm, 75 µm, 40 µm | |
| Single mode fiber | Corning | SMF-28 | |
| Single Mode Fused Fiber Coupler | Thorlabs | Wavelength: 1550 nm | |
| SM 125 interogrator | Micron Optics | ||
| Submersible Aquarium Pump | Songlong | SL-403 | |
| Superluminscent LED | Denselight Semiconductors | DL-BP1-1501A | wavelength range:1510-1590 nm |
| Syringe Pump | Cole Parmer | 74905-02 | |
| Travel Translation Stage | Thorlabs | LT1 | |
| UV curable glue | Epoxy Technology | PB109077 | |
| UVGL-15 Compact UV Lmap | UVP | P/N:95-0017-09 | 254/365 nm |
| Variable Optical Attenuators | Tholabs | M-VA/00016951 P/N: VOA50-APC |
References
- Lee, B. Review of the present status of optical fiber sensors. Optical Fiber Technology. 9, 57-79 (2003).
- Liu, G., Han, M., Hou, W. High-resolution and fast-response fiber-optic temperature sensor using silicon Fabry-Perot cavity. Optics Express. 23, 7237-7247 (2015).
- Hatta, A. M., Rajan, G., Semenova, Y., Farrell, G. SMS fibre structure for temperature measurement using a simple intensity-based interrogation system. Electronics Letters. 45, 1069 (2009).
- Sheng, Q., Liu, G., Reinke, M. L., Han, M. A fiber-optic bolometer based on a high-finesse silicon Fabry-Perot interferometer. Review of Scientific Instruments. , 065002 (2018).
- Ding, M., Wang, P., Brambilla, G. Fast-response high-temperature microfiber coupler tip thermometer. IEEE Photonics Technology Letters. 24, 1209-1211 (2012).
- Berthold, J. W., Reed, S. E., Sarkis, R. G. Reflective fiber optic temperature sensor using silicon thin film. Optical Engineering. 30, 524-528 (1991).
- Kajanto, I., Friberg, A. T. A silicon-based fibre-optic temperature sensor. Journal of Physics E: Scientific Instruments. 21, 652-656 (1988).
- Schultheis, L., Amstutz, H., Kaufmann, M. Fiber-optic temperature sensing with ultrathin silicon etalons. Optics Letters. 13, 782-784 (1988).
- Zhang, S., et al. Temperature characteristics of silicon core optical fiber Fabry-Perot interferometer. Optics Letters. 40, 1362-1365 (2015).
- Cocorullo, G., Corte, F. G. D., Iodice, M., Rendina, I., Sarro, P. M. A temperature all-silicon micro-sensor based on the thermo-optic effect. IEEE Transactions on Electron Devices. 44, 766-774 (1997).
- Liu, G., Han, M. Fiber-optic gas pressure sensing with a laser-heated silicon-based Fabry-Perot interferometer. Optics Letters. 40, 2461-2464 (2015).
- Liu, G., Hou, W., Qiao, W., Han, M. Fast-response fiber-optic anemometer with temperature self-compensation. Optics Express. 23, 13562-13570 (2015).
- Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Han, M. Optical fiber vector flow sensor based on a silicon Fabry-Perot interferometer array. Optics Letters. 41, 4629-4632 (2016).
- Liu, G., Sheng, Q., Geraldo, R. L. P., Hou, W., Han, M. A fiber-optic water flow sensor based on laser-heated silicon Fabry-Perot cavity. Proceedings of SPIE. 9852, 98521B (2016).
- Reinke, M. L., Han, M., Liu, G., Gv Eden, G., Evenblij, R., Haverdings, M. Development of plasma bolometers using fiber-optic temperature sensors. Review of Scientific Instruments. 87, 11E708 (2016).
- Zhang, Y., et al. Fringe visibility enhanced extrinsic Fabry-Perot interferometer using a graded index fiber collimator. IEEE Photonics Journal. 2, 469-481 (2010).
- Hou, W. . Ocean sensing and monitoring. , (2013).
- Hou, W., Woods, S., Jarosz, E., Goode, W., Weidemann, A. Optical turbulence on underwater image degration in natural environments. Applied Optics. 51, 2678-2686 (2012).
- Hou, W., Jarosz, E., Woods, S., Goode, W., Weidemann, A. Impacts of underwater turbulence on acoustical and optical signals and their linkage. Optics Express. 21, 4367-4375 (2013).
- Nootz, G., Jarosz, E., Dalgleish, F. R., Hou, W. Quantification of optical turbulence in the ocean and its effects on beam propagation. Applied Optics. 55, 8813-8820 (2016).
- Nootz, G., Matt, S., Kanaev, A., Judd, K., Hou, W. Experimental and numerical study of underwater beam propagation in a Rayleigh-Bénard turbulence tank. Applied Optics. 56, 6065-6072 (2017).
- Matt, S., et al. A controlled laboratory environment to study EO signal degradation due to underwater turbulence. Proceedings of SPIE. 9459, 94590H (2015).
- Han, M., Liu, G., Hou, W. Fiber-optic temperature and flow sensor system and methods. U.S. Patent. , (2018).
- Kallenbach, A., et al. Impurity seeding for tokamak power exhaust: from present devices via ITER to DEMO. Plasma Physics and Controlled Fusion. 55, 124041 (2013).
- . Alcator C-Mod Available from: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alcator_C-Mod_Tokamak_Interior.jpg (2018)
- Meister, H., Willmeroth, M., Zhang, D., Gottwald, A., Krumrey, M., Scholze, F. Broad-band efficiency calibration of ITER bolometer prototypes using Pt absorbers on SiN membranes. Review of Scientific Instruments. 84, 123501 (2013).
- Peterson, B. J., et al. Development of imaging bolometers for magnetic fusion reactors. Review of Scientific Instruments. 79, 10E301 (2008).
- Liu, G., Sheng, Q., Dam, D., Hua, J., Hou, W., Han, M. Self-gauged fiber-optic micro-heater with an operation temperature above 1000 °C. Optics Letters. 42, 1412-1415 (2017).
- Liu, G., Hou, W., Han, M. Unambiguous peak recognition for a silicon Fabry-Perot interferometric temperature sensor. Journal of Lightwave Technology. 36, 1970-1978 (2018).
- Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Han, M., High-resolution, High-resolution, large dynamic range fiber-optic thermometer with cascaded Fabry-Perot cavities. Optics Letters. 41, 5134-5137 (2016).
