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

Este trabajo reporta una innovadora punta de silicio fibra óptica teledetección plataforma (Si-FOSP) para la medición de alta resolución y rápida respuesta de una variedad de parámetros físicos, tales como radiación, temperatura y flujo. Aplicaciones de este Si-FOSP abarcan desde la investigación oceanográfica, industria mecánica, a la investigación sobre energía de fusión.

En este artículo, presentamos una innovador y prometedor prácticamente fibra óptica teledetección plataforma (FOSP) que propuso y demostró recientemente. Este FOSP se basa en un interferómetro de Fabry-Perot de silicio (FPI) atado al extremo de la fibra, denominado FOSP Si en este trabajo. El FOSP Si genera un interferograma determinada por la longitud de trayectoria óptica (OPL) de la cavidad de silicona. Mensurando altera la OPL y así cambia de puesto el interferograma. Debido a las propiedades ópticas y térmicas únicas del material de silicio, este FOSP Si exhibe un rendimiento ventajoso en términos de sensibilidad y velocidad. Además, la industria de fabricación de silicio madura dota el FOSP Si con excelente reproducibilidad y bajo costo hacia aplicaciones prácticas. Dependiendo de las aplicaciones específicas, ya sea utilizará una versión finesse baja o alta finura, y se adoptará en consecuencia dos métodos demodulación de datos diferentes. Protocolos detallados para la fabricación de ambas versiones de la Si-FOSP se proporcionará. Se mostrarán tres aplicaciones representativas y sus resultados según. El primero de ellos es un termómetro subacuático de prototipo para perfilar la termoclina de océano, el segundo es un medidor de flujo para medir la velocidad de flujo en el océano, y el último es un Bolómetro usado para monitorear la radiación escape de magnéticamente confinados plasma de alta temperatura.

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 1.28x10^-5 RIU / ° C y 5.5x10^-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 1.4x10^-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 1.5x10^-4 RIU / ° C y 2.55x10^-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 1.2x10^-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 8.8x10^-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.

1. fabricación de sensores de baja finura

1. Fabricar los pilares de silicio. Patrón un trozo de oblea de silicio pulido doble-lado de (DSP) de 200 μm de espesor en pilares de silicio independiente (Figura 2a), facilita el uso de fabricación estándar sistema micro-electro-mecánicos (MEMS).
   Nota: La oblea del modelado se enlaza a otro más grande oblea de silicio con una fina capa de photoresist. La fuerza de vinculación de la fotoresistencia es bastante fuerte para sostener los pilares verticales, pero también lo suficientemente débil para separar del sustrato para pasos posteriores.
2. Preparar la fibra de entrada. La tira fuera el recubrimiento plástico del extremo distal de un solo modo de fibra óptica. Limpie la sección de pelado utilizando una lente sumergida con alcohol. Hiende la fibra limpia usando una cuchilla de la fibra óptica.
3. Aplique una capa delgada de pegamento UV-curable sobre la cara del extremo de la fibra de entrada exfoliados (figura 2b). Ponga una pequeña gota de pegamento UV-curable en un pedazo de portaobjetos de vidrio. Delgada la capa de pegamento por spin-coating o manualmente haciendo pivotar el portaobjetos de cristal. Transferir la capa de pegamento en el extremo de fibra presionando la cara del extremo de la fibra de entrada contra el portaobjetos de cristal.
4. Colocar un pilar de silicio hasta el final de la fibra. Alinear la fibra de entrada con uno de los pilares de silicio, mientras tanto controlar el espectro de reflexión en tiempo real de silicio utilizando un espectrómetro de FPI. Usar una lámpara UV para curar el pegamento cuando un espectro satisfactorio se observa (figura 2C).
   Nota: en general, el proceso de curado toma alrededor de 10 a 15 minutos.
5. Desconecte el sensor del substrato. Después de la UV el pegamento esté completamente seca, levantar la fibra de entrada junto con el pilar de silicio desprende el sustrato (Figura 2d).
   Nota: Algunos photoresist residual se mantuvo en la parte superior de la columna de silicio (figura 2e). Para la mayoría de los casos, el photoresist residual no afecta la función del sensor. Si es necesario, la capa de photoresist puede eliminarse por el alcohol.
6. Examinar la cabeza del sensor fabricado. Utilizar un microscopio para examinar la geometría de la cabeza del sensor fabricado. Una imagen típica de un sensor fabricado con éxito se observa en la figura 2f.

2. fabricación de sensores de alta finura

1. Cubrir ambos lados de una oblea de silicio con espejos de alta reflectividad. Cubrir un lado de una oblea de silicio de doble-lado-pulido de 75 μm de espesor con una 150 nm espesor capa del oro utilizando una máquina de capa de farfulla y cubrir el otro lado con un espejo dieléctrico alta reflectividad (HR).
   Nota: El recubrimiento dieléctrico de HR fue realizado por una empresa externa; la reflectividad de este recubrimiento fue probada y no menos de 98% por la empresa. Sin embargo, detallados materiales y la estructura de la capa son desconocidos debido a la protección de la propiedad por la empresa, ver la Tabla de materiales para obtener más información.
2. Preparar la fibra de entrada colimada. Empalme de una sección corta de fibra multimodo de índice gradual (GI-MMF) con una fibra de modo único y entonces, debajo de un microscopio óptico, hienden el MMF de GI con un cuarto del período de la trayectoria de la luz dentro de la MMF izquierda para formar un colimador de fibra (figura 3a ).
   Nota: La GI-MMF se utiliza para ampliar el diámetro de campo modal para que un espectro con una mejor visibilidad puede obtenerse^4,16. La duración de la GI-MMF, que es alrededor de 250 μm en este trabajo, es exactamente una cuarta parte del período de la trayectoria del rayo.
3. Coloque un fragmentado silicio recubierto doble cara a la fibra de entrada. Montar un sensor de alta delicadeza siguiendo los mismos pasos para fijar un pilar de silicio hasta el final de la fibra para la fabricación de sensores de baja finura (pasos 1,3 – 1,5).
   Nota: El lado con la capa dieléctrica se unirá al colimador para dejar entrar la luz que viene (figura 3b, 3C). En este caso, el pilar anterior del silicio es sustituido por un fragmento de silicio, que no fue modelado. En el futuro, la oblea de silicio con motivos será revestida con los espejos de alta reflectividad, por lo que los sensores son más uniformes y más fácil para la fabricación. La diferencia en los pasos de fabricación de 1.3-1.5 es que una muesca de espectros de reflexión con visibilidad adecuada debe obtenerse primero antes de que el pegamento fue transferido a la cara del extremo del colimador.
4. Polaco el fragmento de silicona de forma irregular en forma circular usando una fibra pulidora.
5. Examinar la cabeza del sensor fabricado. Utilizar un microscopio para examinar la cabeza del detector para asegurarse de que se logra una forma circular deseable (Figura 3d).

3. señal desmodulación de baja finura Si-FOSP

Nota: El sistema utilizado para la desmodulación la baja finura Si-FOSP se muestra en la figura 4a. Los siguientes pasos detallados ayudan a configurar el sistema y realizar el procesamiento de datos.

1. Conecte una fuente de banda ancha de banda C al puerto 1 de un circulador óptico.
2. Empalme puerto 2 del circulador óptico con la fibra de entrada de un sensor de baja finura.
3. Conecte el puerto 3 del circulador óptico a un espectrómetro de alta velocidad que comunica con una computadora para el almacenamiento de datos.
4. Compruebe el espectro del sensor para asegurarse de que el sistema funciona correctamente. Ver el espectro típico que se muestra en la Figura 4b.

4. señal desmodulación de alta finura Si-FOSP

Nota: El sistema utilizado para la alta finura Si-FOSP de desmodulación se muestra en la figura 5a. Los siguientes pasos detallados ayudan a configurar el sistema y hacer el post-procesamiento de datos.

1. Barrer un láser sintonizable de DFB utilizando un controlador de corriente.
   Nota: El voltaje de barrido de pico a pico, que varía para diferentes láseres y los controladores, debe ser lo suficientemente grande para la muesca del espectro.
2. Conecte la salida del láser sintonizable a Puerto 1 de un circulador óptico.
3. Empalme puerto 2 del circulador óptico a un sensor de alta finura.
4. Conecte el puerto 3 del circulador óptico a un fotodetector.
5. Utilice un dispositivo de adquisición de datos para leer la salida del fotodetector, que es almacenada por un ordenador.
6. Compruebe el espectro del sensor para asegurarse de que el sistema funciona correctamente. Ver un marco típico del espectro que se muestra en la figura 5b. Encontrar la posición de valle con un ajuste de curvas polinómico.

Si FOSP como un termómetro subacuático para perfilar termoclinas de océano
Reciente investigación oceanográfica ha demostrado que el desenfoque de la imagen submarina deriva no sólo de turbidez en aguas contaminadas, sino también de microestructuras de temperatura en el océano limpio^17,18. El efecto de este último ha sido el foco de muchos oceanógrafos, con el objetivo de encontrar una forma efectiva para corregir las imágenes borrosas¹⁹, para comprender mejor y mejorar la comunicación óptica en el agua, así como a desarrollar medios de cuantificación de la turbulencia en la Mar^20,21. Se ha demostrado el FOSP Si utiliza como sensor de temperatura que superan a su contraparte actual para medir las variaciones de temperatura rápida de la turbulencia de agua²². En esta aplicación, se utiliza el sensor de baja finura que se muestra en la Figura 1a , junto con el sistema de demodulación de la señal en la figura 4a . Dado el funcionamiento superior del sensor de temperatura Si FOSP, se ha convertido en un instrumento patentado de submarino²³ (Figura 6a), que pretende caracterizar la termoclina de aguas abiertas. Este apartado presenta los resultados de un campo de pruebas (figura 6b) en el embalse de arroyo del pedernal en Mississippi, Estados Unidos.

C de la figura 6 muestra una termoclina medida del Flint Creek embalse el 13 de septiembre^th, 2016. La curva azul fue obtenida por el sensor de temperatura Si FOSP, mientras que se obtuvieron las curvas de rojo y negro por dos referencia comerciales CTDs (instrumentos de Oceanografía para medir la conductividad, la temperatura y la profundidad de agua de mar). Obviamente, el sensor de temperatura FOSP Si está de acuerdo con los sensores de referencia, pero con más detalles de las estructuras de temperatura (ver el recuadro de la figura 6 c) que pueden dar un montón de información adicional. Se espera que los datos más informativos recogidos por el sensor de temperatura Si FOSP impacto muchas ramas de la investigación oceanográfica.

Si FOSP como gran- dinámica -sensor de flujo de la gama
Medición de los flujos de gas o líquido es fundamental para diversos sectores académicos e industriales, que pueden proporcionar información importante para la oceanografía, el tiempo en investigación, controles de proceso, transporte y vigilancia del medio ambiente. Resultados representativos de la Si-FOSP funciona como un sensor de flujo se demostró. Una baja finura Si-FOSP es utilizado para esta aplicación. Sin embargo, ya que este sensor de flujo necesita la cabeza medidora a calefactar activamente por otro láser, el sistema utilizado es ligeramente diferente del se muestra en la figura 4a. Específicamente, un extra calefacción láser se utiliza para activar la cabeza medidora y una descripción detallada del sistema de medición de flujo ha reportado^12,13,14.

La Figura 7a muestra el sensor Si FOSP situado en un tanque de agua, con una comparación lado a lado a un sensor de flujo comercial. Obviamente, la lectura del sensor de fibra generalmente está de acuerdo con el sensor de flujo comercial, como se muestra en la figura 7b; sin embargo, el sensor de flujo Si FOSP exhibe una respuesta mucho más clara cuando los flujos de agua calman, tal como se ilustra por la vista de primer plano en la figura 7b.

Si FOSP como una EMI- inmune Bolómetro para la física de plasma de alta temperatura
Los científicos investigando la física de plasma de alta temperatura en tokamaks están tratando de convertir la energía de escape de los reactores de fusión de confinamiento magnético en la emisión del fotón para mitigar el flujo de calor afectado en el plasma frente a componentes²⁴. La figura 8a muestra el interior de un tokamak²⁵. La emisión del fotón es medida típicamente por un Bolómetro. Mientras que los bolómetros de videos infrarrojo y resistivas han alcanzado una densidad de potencia equivalente de ruido (NEPD) de 0,2 W/m² y 0,23 W/m², respectivamente, en un entorno de laboratorio^26,27, son vulnerables a los fuertes medio ambiente asociado con el plasma de alta temperatura. El FOSP Si registrado en este trabajo se destaca como una alternativa prometedora a los bolómetros existentes. Para obtener una resolución tan alta como sea posible, se utilizará la versión de alta finura, que se muestra en la Figura 1b . También, ligeramente diferente del sistema de demodulación de un canal se muestra en la figura 5a, se utilizará un sistema de dos canales para compensar para la deriva del láser mediante el uso de otro maniquí de referencia^4,15.

Figura 8b da los resultados de la medición de un Bolómetro FOSP Si en un entorno de laboratorio, en comparación con otro Bolómetro resistente. El Bolómetro FOSP Si tiene un NEPD de 0,27 W/m² que está cerca de los de las contrapartes electrónicas^26,27. Observando que el Bolómetro FOSP Si tiene resistencia inherente a la EMI típicamente encontrado en física de plasma de alta temperatura, se espera hacer grandes promesas hacia aplicaciones prácticas en tokamaks.

Figura 1: esquemas que muestran la baja-delicadeza (a) y alta finura (b) Si FOSP. espectros de reflexión (c) simulada de las dos versiones de Si-FOSPs con una cavidad de silicio de espesor de 75 μm. El cambio minuto del espectro (de sólido a las curvas discontinuas) mucho mejor es discriminado por el sensor de alta finura. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: fabricación de baja finura Si-FOSPs. (pasos de fabricación esquemático de a e e imagen (f) de una cabeza de sensor fabricado en comparación con un cabello humano. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: fabricación de alta finura Si-FOSPs. (pasos de fabricación esquema c y (d) imagen de un sensor fabricado. El recuadro en (d) muestra la vista superior de la cabeza del detector. Fibra multimoda GI-MMF, índice gradual; Recursos humanos, alta reflectividad. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: sistema (a) esquema del sistema de desmodulación y (b) un marco típico del espectro de reflexión para una baja finura Si-FOSP. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: sistema (a) esquema del sistema de desmodulación y (b) un marco típico del espectro analizado para una alta finura Si-FOSP. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6: resultados de representante como un termómetro bajo el agua. (a) imagen de y (b) campo de despliegue del instrumento sensor prototipo. (c) medido termoclina de Flint Creek embalse, Mississippi, Estados Unidos, el 13 de septiembre^th, 2016. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7: resultados del representante como un sensor de flujo de. (a) imagen del flujo de prueba de acuerdo y (b) comparación entre el campo de flujo medido por el FOSP Si y la de un sensor de flujo comercial. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 8: resultados de representante como Bolómetro para la investigación del plasma de alta temperatura. (a) imagen del espacio interno plasmas de alta temperatura en un tokamak²⁵ y (b) medir resultados en un entorno de laboratorio. Esta cifra es adoptada y modificada de Wikimedia Commons. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La elección del tamaño (longitud y diámetro) de la FPI de silicio se hace sobre el equilibrio entre las exigencias de la resolución y velocidad. En general, un tamaño más pequeño proporciona una velocidad más alta pero también reduce la resolución². Una longitud corta es ventajosa para la obtención de una velocidad más alta, pero no es superior para la obtención de una alta resolución debido a la FWHM ampliado de las muescas de reflexión. Usando capas de HR para reducir la FWHM puede ayudar a mejorar la resolución, pero se limita el rango dinámico debido a la desmodulación de la señal mediante escáner láser. Un diámetro más pequeño aumenta la velocidad, pero el diámetro debe ser mayor que el diámetro de campo modal de la fibra de entrada por lo que se logra un buen espectro. Sin embargo, también se encuentra que un diámetro de silicio más grande que el de la fibra ayuda a mejorar la sensibilidad de los bolometry debido a la pérdida de calor de conducción menor a la fibra⁴. Por lo tanto, la elección del tamaño del sensor es altamente dependiente de las aplicaciones específicas.

Aunque sólo nos demuestran las estructuras muy básicas, protocolos de fabricación y sistemas de demodulación de señales para el FOSP Si, existen varias técnicas que pueden encajar en otras aplicaciones o mejorar el rendimiento. Por ejemplo, en lugar de utilizar pegamento UV-curable para fijar el sensor, una fusión empalme técnica puede aplicarse para elevar la temperatura de operación por encima de 1.000 ° C²⁸. Con tal de temperatura de operación, es posible innovadores tipos de dispositivos fotónicos, como micro-calentadores, emisores de infrarrojos y generadores de burbujas. Otro ejemplo es la detección de la presión del gas compensado temperatura de uno mismo con la diferencia de longitud de onda cuando el laser de la calefacción se enciende y apaga¹¹. Además, a través del desarrollo de pico novela reconocimiento técnicas^29,30, puede realizarse la medición de la temperatura sobre el rango dinámico ampliado.

Se ha publicado una patente de los E.E.U.U. (no. 9995628 B1) para proteger las tecnologías relacionadas.

Este trabajo fue apoyado por el laboratorio de investigación Naval de Estados Unidos (Nos. N0017315P0376, N0017315P3755); Oficina de investigación Naval (Nos. N000141410139, N000141410456); Departamento de energía de Estados Unidos (Nos. DE-SC0018273, DE-AC02-09CH11466, DE-AC05-00OR22725).